四川省矿产资源开发与地质灾害的耦合协调关系分析∗

2018-12-05陈鹏宇黄治化

采矿技术 2018年6期

陈鹏宇,高清,黄治化

(内江师范学院地理与资源科学学院, 四川内江市 641100)

0 引言

矿产资源是重要的非可再生资源,是国家经济建设必须的物质基础,其开发程度关系到国民经济长期稳定发展和国家安全。作为国民经济的基础产业和支柱产业,矿业的可持续发展对我国社会经济的发展具有重要的作用。四川省幅员辽阔,成矿地质条件优越,是我国矿产资源种类齐全、资源较丰富的省份之一[1]。截止2015年,四川省有32种矿产基础储量居全国前5位,其中天然气、原生钛铁矿、钒矿、硫铁矿等7种矿产居全国第一位,占全国比例分别为24．4%,89．4%,62．4%,29．0%。采矿业工业总产值已占全省工业总产值近7%,矿业经济已经成为四川省社会经济发展的重要支柱。与此同时,矿产资源的长期开发累积了大量的地质环境问题,矿业开发区的崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害问题突出,严重制约了社会经济和地质环境的可持续发展[2-3]。矿产资源的过度开发会诱发地质灾害问题,而地质灾害发育的地区又不利于矿产资源的开发。因此,有必要对矿产资源开发与地质灾害之间的耦合关系进行研究,以实现矿产资源开发与地质环境保护的健康协调发展。

针对矿产资源开发与地质灾害之间的矛盾,许多学者就此开展了相关研究。何芳等[4]按不同省区市、不同地质环境背景区、不同类型矿产、不同规模的矿山、不同开采方式,简述了中国矿业开发引发的地质灾害的时空分布特征和危害。张贤平等[5]从土地、水体、大气、固体废渣、地质灾害等5方面论述了矿产资源开发对生态环境影响的严重性。王旭等[6]对青藏高原矿产资源开发与地质环境保护的协调发展进行了探讨。李富程等[7]对四川省各类矿产资源开发引起的地质灾害问题进行了评价和排序。本文则针对四川省矿产资源开发与地质灾害的耦合协调关系,在建立四川省矿产资源开发与地质灾害评价体系的基础上,构建耦合协调度模型和地质环境压力指数,对四川省2006~2015年矿产资源开发与地质灾害的耦合协调关系进行研究,以期为促进四川省矿产资源开发与地质环境的可持续发展提供参考。

1 数据来源

针对四川省矿产资源开发和地质灾害的特点,构建矿产资源开发和地质灾害的指标体系如表1所示。其中,矿产资源开发指标体系包括投资强度、产业规模和经济效益3个方面,以固定资产投资和就业人数表征投资强度;以工业总产值和总资产表征产业规模;以总资产贡献率和工业成本费用利润率表征经济效益。地质灾害指标体系包括地质灾害发生情况、地质灾害损失和地质灾害防治3个方面。参考韩笑等[8]的研究,以地质灾害发生的次数表征地质灾害发生情况;以地质灾害造成的人员伤亡和直接经济损失表征地质灾害损失情况;以地质灾害防治项目数和防治投资表征地质灾害防治情况。

本文选取四川省2006~2015十年间的数据进行分析。数据来源于《中国统计年鉴》(2007~2016)、《中国工业统计年鉴》(2007~2016)和《四川统计年鉴》(2007~2016)。其中,由于2014年四川省地质灾害相关统计数据缺失,未作分析,具体数据见表2。

表1 矿产资源开发与地质灾害指标体系

表2 四川省矿产资源开发与地质灾害数据

2 研究方法

2．1 数据标准化处理和权重确定

由于各指标的数量级和量纲不同,需要对数据进行标准化处理,计算公式为:

式中,xij为第i个评价时间第j个评价指标的原始值,i＝2006,2007,…,2015,j＝1,2,…,n,对于矿产资源开发系统,n＝6,对于地质灾害系统,n＝5;zij为标准化的指标值。

数据标准化后确定指标权重。本文采用客观赋权法计算各个指标权重。常用的客观赋权法有熵权法[8]、离差系数法[9]等。本文以离差系数法计算指标权重,计算各指标标准化后数据的标准差,再除以均值后即为离差系数,计算公式为:

式中,Vj为第j个评价指标的离差系数;δj为第j个评价指标的标准差;z-j为第j个评价指标的平均值。

根据各指标的离差系数即可按式(4)确定权重,各指标权重计算结果见表1。

式中,Wj为第j个评价指标的权重。

2．2 耦合协调度模型

首先,计算矿产资源开发系统与地质灾害系统的综合发展指数,采用线性加权求和法,计算公式为:

式中,U为综合发展指数。

矿产资源开发系统的综合发展指数越大,表示矿产资源的开发强度越大;地质灾害系统的综合发展指数越大,表示地质灾害系统越稳定,地质灾害的威胁越小。

然后,计算矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合度。耦合度是指2个或2个以上系统或要素之间相互影响、相互依赖的程度。目前的耦合度计算模型大都借鉴物理学中的容量耦合概念建立起来的[10-12]。丁莹[13]以变异系数表示2个系统之间的耦合度,建立了如下的耦合度计算公式:

式中,C为耦合度;U x()为矿产资源开发系统的综合发展指数;U y()为地质灾害系统的综合发展指数;k为调节系数,通常2≤k≤5,本文取k＝5。

耦合度C反映了矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合度,其取值范围介于0~1之间。耦合度C越大表示矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合关系越好,反之,则表示耦合关系越差。当C＝0时,表示矿产资源开发系统与地质灾害系统不存在耦合关系;当C＝1时,表示矿产资源开发系统与地质灾害系统达到最佳耦合协调状态。耦合关系具体可分为以下4类[13]:

(1)0≤C≤0．3时,表示低水平耦合阶段;

(2)0．3＜C≤0．5时,表示拮抗阶段;

(3)0．5＜C≤0．8时,表示磨合-良性耦合阶段;

(4)0．8＜C≤1．0时,表示高度耦合阶段。

最后,计算矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合协调度:

式中,D为耦合协调度;T为矿产资源开发系统与地质灾害系统的综合评价指数,它反映两者的整体协同效应或贡献;α、β为待定系数,认为矿产资源开发与地质灾害的重要性程度一致,取α＝β＝0．5。

耦合协调度D的取值范围介于0~1之间,具体可分为4个等级[14]:

(1)D＜0．3为非协调状态;

(2)0．3≤D＜0．5为低度协调;

(3)0．5≤D＜0．7为中度协调;

(4)D≥0．7为高度协调。

耦合协调度模型可以评价矿产资源开发与地质灾害之间的耦合协调发展水平,但却不能评价两者之间的相对发展状况。当矿产资源开发强度过大必然会给地质环境带来压力,本文以矿产资源开发与地质灾害之间的相对发展状况来衡量地质环境压力。以压力指数E表示地质环境压力,具体计算公式如下:

具体可划分为3个等级:

(1)当0＜E≤0．8时,表示地质环境压力小;

(2)当0．8＜E＜1．2时,表示地质环境压力适中;

(3)当E≥1．2时,表示地质环境压力大。

3 结果与分析

3．1 矿产资源开发与地质灾害测度及评价

根据式(5)计算得出四川省矿产资源开发和地质灾害综合发展指数如表3所示。从表3和图1的结果可以看出:

表3 矿产资源开发和地质灾害综合发展指数

图1 矿产资源开发和地质灾害综合发展指数动态变化

(1)矿产资源开发综合发展指数在波动中变化,在2012年前总体呈上升趋势,在2012年达到峰值,随后快速下降,保持在0．4~0．5的水平;

(2)地质灾害综合发展指数同样在波动中变化,呈现出2个倒U型组成的曲线,其中,2007年、2012年为谷值,2010年为峰值;

(3)地质灾害综合发展指数的谷值对应于矿产资源开发综合发展指数的峰值,说明矿产资源的过度开发会恶化地质环境,造成地质灾害系统的稳定性降低。

3．2 耦合协调度分析

根据式(8)计算得出2006~2015年四川省矿产资源开发系统和地质灾害系统的耦合协调度如表4所示。从表4中的结果可以发现:

(1)从耦合度来看,矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合关系经历了多期发展。在2006年,矿产资源开发系统和地质灾害系统之间属于高度耦合阶段。但在2007年,由于矿产资源开发强度增大,且当年地质灾害的发生和损失情况急剧增大,导致当年矿产资源开发系统和地质灾害系统的耦合关系退后为低水平耦合阶段。在2007~2011年,虽然矿产资源的开发强度有所增大,但是四川省对地质灾害防治的投入出现了较大幅度的增长,导致矿产资源开发系统和地质灾害系统的耦合关系由低水平耦合阶段逐渐演变为高度耦合阶段。在2012年矿产资源开发强度达到峰值,地质灾害系统的稳定性降低到谷值,2个系统之间的耦合关系退后为拮抗阶段。2013年矿产资源开发强度出现大幅度降低,2个系统之间的耦合关系又恢复到高度耦合阶段。随着地质灾害系统稳定性地增加,在2015年2个系统之间的耦合关系又退后到磨合-良性耦合阶段。

表4 四川省矿产资源开发与地质灾害的耦合协调发展状况

(2)从耦合协调发展水平和地质环境压力来看,矿产资源开发系统与地质灾害系统的耦合协调度大致经历了3个阶段。第一阶段为2006年的高度协调阶段,此阶段矿产资源开发给地质环境带来的压力小;第二阶段为2007~2011年的非协调-中度协调阶段,在此阶段矿产资源开发和地质灾害系统的稳定性总体呈现增强趋势,地质环境压力处于适中-大;第三阶段为2012~2015年的低度协调-高度协调阶段,在此阶段矿产资源开发强度经历了从峰值到急剧降低的阶段,而地质灾害系统的稳定性快速增大,地质环境压力从大降低到小。

虽然经历了多期的波动发展,但目前四川省矿产资源开发与地质灾害的关系朝着良性趋势发展,矿产资源开发强度逐渐趋于稳定,地质灾害系统稳定性增强,地质环境压力小。为保障矿产资源开发与地质环境的可持续协调发展,应制定合理的矿产资源规划,有计划、适当地对地质环境进行开发,加强对地质环境的保护和恢复,以提高地质灾害系统的稳定性,使其与矿产资源开发相协调。