基于ArcGIS与层次分析法的巢湖北郊矿区地质环境评价

赵洪涛

（辽宁地质工程职业学院测绘工程系，辽宁丹东118303）

我国长期粗放式开采导致矿区环境地质问题日益突出，矿区地质环境问题包括水体污染、地面沉陷、地裂缝以及山体崩塌滑坡等［1-3］。对矿区地质环境进行定量评价，在此基础上制定合理的治理措施，对于有效修复矿区生态环境、实现矿区可持续发展大有裨益。近年来，遥感与地理信息系统技术的发展和不断应用，为矿区地质环境监测评价提供了新的思路［4］。本研究以安徽巢湖北郊矿区为例，将Arc-GIS软件与层次分析法［5-9］相结合对区内地质环境进行定量评价，并对相应的治理措施进行探讨。

1 矿区地质环境概况

1.1 地质特征

研究区位于安徽省巢湖市北部山区，紧邻江淮丘陵，三面环山，一方临水，地形较为起伏，属于丘陵或低中山地貌。丘陵地带及河谷谷底地面高程为800～1 000 m，山峰高程一般为1 100～1 200 m，最高1 385 m，谷底开阔、山峰浑圆为该地区主要的地貌特征。

研究区属于温带大陆性季风气候，年平均气温12.1℃，极端最高气温41.7℃，极端最低气温-23.3℃。该区年平均降水量750 mm，多年平均水面蒸发量为965 mm，多年平均径流深245.6 mm。流域内常风向为NEE，年平均风速3.0 m/s。研究区多年平均径流量为5.06×108m3。

研究区内出露的地层主要有二叠系（P）、侏罗系（J）、白垩系（K）、第三系（N）及第四系（Q）。侵入岩出露面积较少，仅有华力西晚期和燕山早期酸性侵入岩零星出露，岩性包括花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩等。脉岩种类较多，岩性复杂。

1.2 地质灾害类型

（1）小型滑坡及滑塌体。研究区内小型滑坡体主要分布于采矿区矿洞外围，主要由开挖过程中的浮土和废弃物堆积而成，少部分为矿渣。小型滑塌体大多位于尖山子东侧平缓台地和颜小堡村东西侧。经统计，研究区该类型小型滑塌存在30多处（图1（a）、图1（b））。

（2）地裂缝。地裂缝主要位于矿山开采范围内，地表第四系覆盖层较厚，尤其以马家坪西侧、平顶山东侧山坡发育较多，该区域地下水采掘深度大，弃土多，山坡前缘具备一定临空面，研究区地裂缝分布有20多处（图1（c））。

（3）地面沉陷。地面沉陷部位主要集中于西大林村和尖山子村附近，人类活动较多，开采活动在该区域底部进行，开采过程中抽排地下水导致水位大幅度降低。地面沉陷部位主要为残坡积碎石土为主，土体结构松散，具备架空结构，失去地下水浮托力后地面承载能力被破坏，导致该类型地质灾害发生，对于人员设备安全造成了重大隐患。现场调查共发现了11处地面沉陷点（图1（d））。

1.3 地质灾害发育规律

研究区地质环境问题较为突出，主要为矿产开发和人类工程活动引发。通过现场调查分析发现，较大型滑坡地质灾害主要受矿山开挖导致的边坡失稳所致；小型滑坡、崩塌主要由降雨等恶劣气候引发，也与矿山开采导致的水土流失有关。地质构造方面，断层及其破碎带、顺坡向发育的结构面以及劈理均为矿区地质环境恶化的诱导因素，调查发现地质灾害多发区大多位于北部山区陡峭、岩体构造卸荷作用明显的平顶山、榆木村背斜两翼等部位。同时，调查发现石灰岩地区地质灾害发育情况较岩浆岩地区严重，说明矿区地质环境与岩土体的力学性质有一定关联。

2 基于层次分析的分区评价法

根据研究区自然环境、地形地质条件和地质灾害发育规律，采用层次分析法对区内地质环境进行分区评价。

2.1 构建判定矩阵

通过判定矩阵可对每一层因子进行相互比较，分析和得出重要性因素，借助专家咨询结论进行评分，最终确定标度［10-11］。采用Origin软件构建判定矩阵，再进行正交和归一化处理。本研究对权重因子的量化值进行了标准化和归一化处理，计算公式为

式中，x为权重因子量化值；a为专家打分值；amax为最大值；amin为最小值。

研究区地质环境影响值计算公式为

式中，M为矿区地质环境影响值，代表矿山地质灾害的严重程度；wn、nn为组合权重值；n为属性层中不同因子的权重值。

2.2 评价因子选取及阶梯评价体系建立

依据现场调查结果（表1），研究区地质环境影响因素包括地形地质条件、水文地质条件、废水废渣等废弃物污染以及崩塌滑坡泥石流等4类。本研究据此选择了地形地质、水文气候、废水废渣污染、地质灾害等一级评价因子，各一级因子共包含了16个二级因子。根据《中国地质环境调查总则（试行）》将各因子划分为好、较好、较差、差4个等级，其中典型因子的量化评价过程如下。

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（1）地形地质。根据研究1∶50 000地形图提取地形数据，根据地表坡度将该因素划分为4级，即0～15°，15～45°，45°～55°以及55°～90°。

（2）地质构造。通过现场工程地质测绘、地质填图，获取了工程区断裂构造发育信息。结合地壳应力场和动力学特性，研究区NNE向断裂发育规模较大，断层两侧断裂稳定性最差，活动性强，故评价因子等级划分为4级；区内NW向断层规模稍小，发育位置较少，活动性较强，故划定为3级；NNW向断裂发育长度有限，宽度为0.5～1 m，整体未见大规模断层，从规模上考虑，将该类型断裂划定为2级；NE向发育的断裂基本为规模较大的结构面，分布稀松，活动性弱，安全性较高，定位为1级。

（3）岩性条件。本研究经过野外调查发现主要岩性为岩浆岩和沉积岩，其中岩浆岩以花岗岩、混合岩类为主，岩体工程性质特征与风化程度有关，故将弱—微风化岩体以及岩体饱和抗压强度大于60 MPa的岩石的岩性因子定位1级；将岩浆岩以及中硬岩石（30～60MPa）的岩体定位为2级；将沉积岩、软硬相间的岩体定位为3级；将第四系堆积物，包括冲洪积和残坡积成因的岩体定义为4级。

（4）矿山开采。矿山开挖和废弃物堆积是研究区地质环境的重要因素，根据现场调查，并根据矿山采矿范围、开采规模等因素，将矿山开采因子划分为极小、小、极大、大4级。

在因子量化的基础上，本研究构建的阶梯层次体系主要分为3层结构，第1层为目标层，第2层为准则层，第3层为属性层，每层均对地质环境因子进行了量化，通过构建判定矩阵和专家打分确定了各因子的权重值（表2）。

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3 矿区地质环境评价

3.1 数据来源及预处理

本研究矿区地质环境评价体系包含16个影响因子，数据来源主要有：

（1）地形地质资料。采用中国地质调查局馆藏1∶50 000巢县幅区域地质图，目前该图存在ArcGIS软件格式的电子文件，故无需进行栅格化处理。该图囊括了矿区开采范围，采用北京54坐标系，高程为黄海坐标系，等高线间距20 m，与现场地貌进行对比基本一致，精度符合评价需求。矿区地质环境评价所采用的地质资料均依据现场钻探、物探及地质测绘等手段获取，根据地质填图成果绘制了相同比例尺的区域地质图，包括地层岩性及产状、断裂构造及位置、断层性质等地质要素。

（2）遥感影像。通过研究区1∶10 000遥感影像（图2）可获取区内水文水系分布、废水废渣等污染物分布、地质灾害分布以及人类活动等信息。

本研究根据研究区1∶50 000地质图为底图，分别将地形地质、水文地质、废水废渣以及地质灾害等方面的信息以点、线、面的形式反映至图中。需对山顶、村落和聚居区以点的形式进行矢量化；将河流流域、废水废渣污染区域、滑坡泥石流潜在危险区作为面进行矢量化；将断层、公路、铁路等要素以线的形式进行绘制，最终得到研究区地质矢量地形图。在此基础上，根据层次分析法提取的地质环境评价因子，将矿区地质图中各个要素抽象为矢量数据，最终得到矢量化成果［12-13］。

3.2 地质环境分区评价

通过ArcGIS软件中的栅格计算模块，对本研究选取的16个评价因子的矢量数据进行叠加分析，并对分析结果进行分级。如果一区域M取值越大，反映该地区地质环境越恶劣；反之，则代表区内地质环境状况越好。为对矿区地质环境进行定量分级，将研究区地质环境等级划分为严重、较严重、中等和较轻。借助ArcGIS软件的分类功能，将0＜M＜3.3对应的区域划分为较轻区域，地质环境等级为1级；将3.3＜M＜5对应的区域划分为中等区域，地质环境等级为2级；将5＜M＜7对应的区域划分为较严重区域，地质环境等级为3级；将7＜M＜10对应的区域划分为严重区域，地质环境等级为4级，应注意防范地质环境恶化。

利用ArcGIS软件统计模块，研究区地质环境分区评价结果见图3。分析图3可知：地质环境问题较轻区域的面积为4.684 km2，占研究区开采总面积的36.7%；地质环境问题中等区域的面积为4.01 km2，占研究区开采总面积的32.7%；地质环境较严重区域的面积为2.67 km2，占研究区开采总面积的20.1%；地质环境严重区域的面积为1.34 km2，占研究区开采总面积的10.5%。

根据上述分区结果，并结合研究区地质图分析，可知研究区地质环境问题严重区域主要集中于区内西南侧，该区域废水废渣以及固体废弃物堆积较多，呈散点状分布，根据现场调查发现存在崩塌地质灾害的可能性；地质环境问题中等区域和较严重区域分布于区内中部，海拔高度中等，需防范地质灾害发生；地质环境问题较轻区域主要集中于区内北侧山脊的2处垭口之间，该区域主要为林场，植被茂密人类活动较小，现场调查发现基本未遭受破坏。将评价结果与野外地质调查结果对比，发现地质环境问题中等及较严重区域的地质环境情况与实际相符，但本研究评价划定的地质环境问题严重区域的面积较实际情况扩大了约15%，是由于在评价过程中充分考虑了地质构造的负面影响所致。

3.3 防治与治理措施

野外地质调查发现，研究区地质灾害严重区域发生大规模滑坡地质灾害的可能性较大，对下游人员生产生活潜在的危害最大。矿区西南侧发育1处大型潜在滑坡（通顺山滑坡），滑坡前缘高程295 m，后缘高程367 m，水平长度约为150 m，垂直落差72 m，滑坡体宽40～100 m，潜在滑动体体积高达42万m3。滑坡上部10～15 m为第四系残坡积碎石土（Q4），下部为太古界强风化花岗岩，岩体节理裂隙较发育，呈碎裂结构。经调查发现了2条潜在滑动面，1条沿基岩界线发育，另1条沿全强风化带发育。

针对该滑坡现状，本研究提出的防治措施为：①“避”，建立临时或永久性监测设施，提前组织人员避险；②“排”，在边坡上缘和坡面开挖截水沟将地表水引出滑坡区，对滑坡后缘进行回填灌浆，封堵进水通道，滑坡体下缘设置排水孔疏排地下水；③“挡”，滑坡体下缘采用抗滑桩与预应力锚杆相结合的措施进行支档，同时对坡脚进行护坡处理，采用混凝土速喷加挂网钢筋等技术措施加固坡体；④“固”，利用灌浆孔对滑坡松散堆积体和潜在滑动面进行固结灌浆，提高边坡的抗滑能力。

4 结语

以安徽巢湖北郊矿区为例，将ArcGIS软件与层次分析法相结合对矿区地质环境进行了评价，构建了包含目标层、准则层、属性层共16个因子组成的评价模型，通过将矿区地质环境等级划分为严重、较严重、中等和较轻4个等级，并计算出了区内各等级对应的区域面积。针对地质环境问题严重区域存在的滑坡隐患，提出了“避”、“排”、“挡”、“固”4条技术措施，对于有效防治区内滑坡地质灾害有一定的参考意义。

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