自贡市矿山地质环境现状分区评价

李中阳，张金林，骆茂林，罗 欢，张 强

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

矿产资源作为国家经济和人民生活的基础，在经历几十年的高速发展后，带来严重的环境问题。同时，伴随着经济和科技的高速发展，国家和人民对环境问题越来越重视。因此，对已有矿山地质环境做出科学合理的评价，是矿山地质环境保护与恢复治理的关键。

自贡市属矿产资源贫乏但种类丰富的地区，矿产资源种类有煤矿、盐矿、石灰岩矿、水泥配料用砂岩矿、砖瓦用页岩矿、高岭土、陶瓷土、膨润土、矿泉水、石英岩矿等，主要矿种为盐和煤。 自贡市自明朝时期便开始进行盐卤矿开采，区内共有历史遗留矿井上万处，加上近二十年其他矿种的持续开采，导致该地区地质环境破坏严重，对生态环境和人民的生命财产的威胁持续加大，因此有必要对自贡市矿山地质环境进行评价，为后续的治理恢复与保护提供依据。

1 研究区概况

自贡市矿产种类丰富，且多数为沉积成因所形成，已开采的矿产种类有煤、卤盐矿、天然气、石灰石、高岭土、页岩和石英砂岩等，矿产资源的分布受地层条件和构造条件影响明显。

本次自贡市矿山地质环境调查对自贡市下辖的荣县、富顺县、自流井区、贡井区、大安区、沿滩区进行了调查，共计覆盖1∶5万标准图幅16幅，野外调查线路共计36条，共计调查矿山424个，具体见表1。

表1 自贡市矿山现状统计表

区内矿山地质环境问题主要是采矿活动和矿区堆积物引起的地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、水资源污染、土地资源污染、含水层结构破坏及疏干、土地压占与损毁、地貌地形景观影响等[1-2]。据本次调查，自贡市因矿业开发造成土地占用与损毁面积6.919 4 km2，主要表现在工业广场压占土地资源，共计2.229 2 km2；露天采场损毁土地，共计3.288 1 km2；煤矸石及废渣压占土地，共计0.149 1 km2；矿山废渣压占土地资源0.286 2 km2；地面变形损毁土地，共计0.021 km2，为煤矿山开采地面变形损毁土地；土地质量下降，共计0.943 2 km2，为煤矿地下开采造成含水层结构破坏。详见表2。

表2 自贡市矿山矿业活动占用及破坏土地统计表(按破坏方式)

2 矿山地质环境评价

2.1 评价方法

随着社会发展和科学技术进步，矿山地质环境的评价方法也随着多学科和多邻域的交叉发展而变得多样而成熟。主要评价方法有GIS空间数据迭加法、人工神经网络法、灰色综合评价法、层次分析法、模糊综合评价法、专家打分法以及综合评判法等[5]。矿山地质环境是一个综合且复杂的环境问题，不仅影响因素、评价指标众多，而且评价结果往往具有模糊性。为了使评价结果更加准确合理，需要将评价因子分级赋值再利用相关评价方法得出评价结果的分值，再将分值转化为相应等级，得出矿山地质环境的评价结果。因此，本文应用模糊综合评价与层次分析相结合的方法对自贡市矿山地质环境进行评价和分析。

2.2 评价指标体系

根据对自贡市矿山地质环境的调查，结合收集的相关资料，本文将自贡市矿山地质环境评价分为矿山地质环境影响与矿山地质环境恢复治理2个子体系，并在此基础上进一步建立评价指标体系[4,6]。

矿山地质环境影响子体系包含突发型地质环境影响和持续型地质环境影响2个评价因素，以及泥石流、滑坡、地面塌陷、崩塌、地裂缝、水资源污染、含水层结构破坏及疏干、土壤污染、地形地貌景观影响、土地压占与损毁10个评价因子。

以环境恢复治理需要结合实际情况及以人为本为前提，矿山地质环境恢复治理包含矿山恢复治理难易程度和人为条件2个评价因素，这2个评价因素分别包含单位面积治理资金投入量与所需治理资金的比例、矿山地质环境恢复率、政府治理意愿和民众要求4个评价因子。其中，政府治理意愿通过政府对该区域治理资金投入量与所需治理资金的比例来确定，民众要求则是通过实地走访该区域的居民来确定其意愿程度。详见图1。

图1 自贡市矿山地质环境评价体系

2.3 评价指标分级量化

根据对自贡市矿山地质环境实地调查及已有资料的收集整理，通过查询相关文献、咨询相关专家和参考相关规定规范，将自贡市矿山地质环境评价及评价指标分为优、良、中、差四个等级[7]，具体分级见表3。

2.4 评价模型构建

矿山地质环境评价是一个涉及多因素、多层次、多指标以及带有人为主观判定的综合问题。本文在自贡市矿山地质环境调查资料基础上，查阅相关文献，结合已构建的矿山地质环境评价体系，运用模糊综合评价法，建立自贡市矿山地质环境评价三级模糊综合评价模型[8-9]。综合评价的具体步骤如下所述。

1) 确定评价结果等级P。结合2.3评价指标分级量化，将矿山地质环境评价结果P分为优、良、中、差4个等级，分别对应分值区间：大于6.5为优，6.5～4.5为良，4.5～2.5为中，2.5～1为差。

2) 确定评价因素U。由自贡市矿山地质环境评价体系可知，自贡市矿山地质环境评价因素分别有突发型地质环境影响、持续型地质环境影响、矿山恢复治理难易程度和人为条件四类。则U={U1，U2，U3，U4}，每个因素Ui各包含若干评价因子Uij(i≤4，j≤5且i，j都为大于0的整数)。因此，U1={U11,U12,U13,U14,U15}，U2={U21,U22,U23,U24,U25}，U3={U31,U32}，U4={U41,U42}。

3) 模糊综合评价模型。根据已建立的自贡市矿山地质环境评价体系，需要建立多级评价模型逐层依次进行评价。首先，在每个独立影响因素下，用与其对应的评价指标进行一级评价，则一级评价模型为式(1)。

Di=W×Ni

(1)

式中：Di为单个影响因素的评价结果；W为独立评价因素下的所有评价指标权重构成的权重矩阵；Ni为评价指标对与之对应的独立评价因素的评价结果矩阵。

表3 自贡市矿山地质环境评价指标的分级标准

通过一级评价结果，构成因素评价集B，假设各评价因素的权重为Ki，构成权重矩阵K，评价因素对应的子体系的评价结果为Ci，则二级评价模型为式(2)。

Ci=K×Bi

(2)

通过二级评价结果，构成评价因素对应的子体系集C，假设评价因素对应的子体系的权重为Ti，矿山地质环境评价结果为Pi，则构成矿山地质环境三级评价模型为式(3)。

Pi=Ti×Ci

(3)

通过逐层依次三级综合模糊评价计算，可得出最后的评价结果P的分值，再将其转化为相应的评价等级，可得出研究区最终的地质环境评价结果。

2.5 权重的计算

由于矿山地质环境的各影响因素和评价指标的重要性不同，所以矿山地质环境评价的核心即是确定各要素及评价指标的权重。层次分析法是计算权重较为科学和理想的方法，因此，本次矿山地质环境评价的指标权重使用层次分析法结合专家打分法来确定。

1) 通过咨询相关领域的专家，对自贡市矿山地质环境评价的子体系和评价因素的重要性进行打分评判。

2) 构造判断矩阵并计算各因素、指标的权重。通过层次分析法构建出的评价体系，在每一个相互独立的影响因素下，对下一层的指标进行重要性赋值；再结合专家所打分值构造判断矩阵；最后输入到Matlab软件中，计算出各矩阵的最大特征值与特征向量。归一化处理矩阵的最大特征向量作为各对应指标的权重，计算结果见表4。评价因子权重结果见表5。

表4 子系统及评价因子权重结果表

表5 评价因子权重结果表

3) 判断矩阵一致性验证。引入一致性检验指标CI来验证，见式(4)。

(4)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。

为了确定判断矩阵的一致性程度，通过CI值与数值0的靠近程度来确定判断矩阵一致性的好坏，CI值越接近0，则表明判断矩阵的一致性越好。当CI值等于数值0时，判断矩阵就具有完全一致性。当判断矩阵为3阶及以上时，引入平均随机性一致性指标RI与随机一致性比率CR=CI/RI，通过CR值来判定矩阵的一致性。本文判断矩阵最高为5阶，因此本文引入1～6阶判断矩阵RI的值[7]，见表6。

表6 平均随机性一致性指标

若CR<0.1，表示判断矩阵具有一致性，反之就表示判断矩阵不具有一致性，则需要通过调整矩阵使其达到一致性。经检验，本文所构造的判断矩阵都具有一致性。

3 自贡市矿山地质环境分区评价

3.1 自贡市矿区划分

自贡市矿山时间跨度长，分布范围广，呈现集中连片分布特征。根据这一特征，可以把自贡市划分为6个矿集区，分别为自流井背斜大安区-自流井区盐卤矿矿集区，威远背斜南翼荣县煤矿、石灰岩矿、高岭土矿矿集区，青山岭背斜富顺煤矿、石英砂岩矿矿集区，威远背斜南翼荣县东兴石灰岩矿矿集区，大安牛佛砖瓦用页岩矿矿集区，富顺王井-东湖砖瓦用页岩矿矿集区，详见图2。

3.2 模糊综合评价

根据自贡市综合分区情况，使用上述综合模糊评价方法对自贡市矿山地质环境进行评价。评价结果见表7。

图2 自贡市矿集区分区图

表7 自贡市矿山地质环境分区评价结果表

续表7

3.3 结果与分析

通过表7可知，自贡市矿山地质环境等级“优”区1个，“良”区1个，“中”区2个，“差”区2个。分别为富顺王井-东湖砖瓦用页岩矿矿集区；大安牛佛砖瓦用页岩矿矿集区；青山岭背斜富顺煤矿、石英砂岩矿矿集区和威远背斜南翼荣县东兴石灰岩矿矿集区；自流井背斜大安区-自流井区盐卤矿矿集区和威远背斜南翼荣县煤矿、石灰岩矿、高岭土矿矿集区。

矿山地质环境为“差”的分区，基本为盐卤矿区和煤矿区，一是因为研究区盐卤矿开采历史久远、开采量巨大，二是煤矿的开采导致大面积的采空区出现，两者对研究区的地质环境影响都是持续性的，且恢复治理难度较大、恢复速度较慢、时间较长，需持续投入大量资金，从而导致政府的治理意愿不够强烈。对于此类地质环境“差”的区域，地方政府需通过政策倾斜来吸引社会力量，通过地方政府—社会力量的共同合作来对该区域进行持续的治理修复。

矿山地质环境为“中”的分区，基本为石灰岩矿种的开采区。此类地质环境影响主要是因为开采活动对地形地貌、岩体结构以及周边的土地资源、植被资源的破坏。相较于盐卤矿、煤矿的地质环境影响，灰岩矿矿产资源的开采导致的地质环境恢复治理较容易，所需治理资金量不大。此类矿山地质环境的恢复治理则需政府主导，部分社会资本参与，加强对开矿企业的管控。

矿山地质环境为“优”“良”的分区，则是页岩矿开采区。此类地质环境影响多为地形地貌和植被破坏，所需治理资金少，治理难度低，多数只需在加强边坡防护的前提下进行人工复绿或者自然复绿。相较于地质环境“差”“中”的分区，此类矿区的地质环境恢复治理则完全可由地方政府或者生产企业进行治理修复。

4 结果验证

矿山地质环境评价影响因素不同，评价因子因地因矿而异，评价结果无法数字化，因此对于矿山地质环境评价往往都是根据经验和相关规定进行定性评价。本文采用定性评价对上述提出的多级综合模糊评价法所得出的结果进行验证。 从突发型地质环境影响、持续型地质环境影响、矿山恢复治理难易程度和人为条件4个方面结合表3进行分区定性评价。

自流井背斜大安区-自流井区盐卤矿矿集区区内主要矿种为盐卤矿，分布少量的灰岩矿。盐卤矿的开采造成的主要是持续型地质环境问题，灰岩矿开采造成的则是突发型地质环境问题。根据实地调查及相关水土样品的检测结果可知，该区部分水资源中，地表水和地下水中Na+和Cl-最高浓度分别达1 709 mg/L、730 mg/L，土壤含盐量最高接近0.5%，表明该区水土资源污染严重。其次自贡市开采盐卤矿历史长远，开采井数量众多，历史遗留的大量矿井主要集中在该区，对该区含水层结构破坏及疏干影响严重，区内部分地方地面出现不同程度的沉降，部分居民房屋出现裂缝。再者，区内石灰岩的开采严重剥蚀上层的植被及覆盖层，对周边土地的压占与损毁严重，地形地貌破坏严重。对于上述地质环境影响尤其是持续型地质环境影响，治理难度大，持续时间长，政府投入治理资金少，治理意愿低。综上所述，将自流井背斜大安区-自流井区盐卤矿矿集区地质环境评价为“环境影响严重区”，即为“差”。

利用定性评价，对自贡市其他地质环境分区进行评价，威远背斜南翼荣县煤矿、石灰岩矿、高岭土矿矿集区、青山岭背斜富顺煤矿、石英砂岩矿矿集区、威远背斜南翼荣县东兴石灰岩矿矿集区、大安牛佛砖瓦用页岩矿矿集区、富顺王井-东湖砖瓦用页岩矿矿集区的评价结果为影响严重、影响较严重、影响较严重、影响一般和基本无影响，与上述多级模糊综合评价结果基本一致。但前文构建的多级综合模糊评价法与层次分析法是将定性评价转化为半定量评价，极大地减少了人为主观因素和定性描述带来的不稳定性和不确定性，使矿山地质环境评价的结果更科学、更合理。

5 结 论

1) 在本着矿山地质环境恢复治理需根据实际情况和以人为本的前提下，将单位面积治理资金投入量与所需治理资金的比例、政府意愿和民众要求作为评价指标的一部分，使自贡市矿山地质环境评价结果更加客观、合理和贴近实际情况。

2) 通过对自贡市矿山地质环境的综合分区评价，结果表明：自贡市有1个地质环境“优”区(面积141.32 km2)、1个“良”区(面积86.87 km2)、2个“中”区(面积226.24 km2)和2个“差”区(面积564 km2)。

3) 政府治理意愿不强烈的矿区，主要是矿山地质环境影响范围大，持续时间长，治理难度大，持续资金投入量大，恢复时间长。其中主要原因则是需要持续投入大量治理资金，而地方财政收入及中央拨款有限，导致政府治理意愿不强。对于此类矿山的恢复治理，则需要转变思路，可以通过地方政策(如免税、给予治理恢复土地一定的免费使用年限等)吸引社会资本进行恢复治理，一方面可以极大的减轻财政的压力，另一方面可以积极调动社会力量参与。