河南省许昌市矿山地质环境分区评价研究

宋高举，黄继超，张 公，王 帅

河南省地质矿产勘探开发局第二地质环境调查院,河南 郑州 450053

0 引言

矿山地质环境影响的综合评价是在矿山地质环境调查和研究的基础上，按照一定的评价原则及标准，选用合适的方法，对矿山地质环境质量的优劣做出评判和划分. 矿山地质环境影响评价可揭示出矿山存在的主要地质环境问题，为相关部门监督、规划与治理矿山环境地质问题提供参考依据.

矿山地质环境影响的综合评价可以采用许多种方法，如：加权比较法、地理信息系统图层叠加分析法、综合指数法、模糊综合评判法等［1-7］. 随着技术不断成熟，基于RS 和GIS 的矿山地质环境综合评价越来越多［8-13］. 本次研究结合许昌市矿山地质环境问题，采用GIS 图层叠加分析法与综合指数法相结合对许昌市的矿山地质环境进行评价.

1 研究区概况

河南省许昌市矿产资源丰富，是煤炭、铁矿、铝土矿、耐火黏土、水泥灰岩、建筑石料灰岩等矿产的重要成矿区. 截至2015 年底，许昌市已发现32 种矿产，查明资源储量的矿产7 种，矿产地46 处. 其中大型矿床8 处，中型矿床12 处，小型矿床24 处，共有各类持证矿山企业123 家.

根据许昌市矿山开采情况，选择许昌市矿产资源集中开采区为评价区，坐标范围为东经113°06′～113°45′，北纬33°42′～34°24′（图1）. 行政区别包括禹州市西部方山镇、鸠山镇、梁北镇，北部无梁镇、浅井镇；襄城县北部汾陈镇，南部十里铺镇、湛北乡；建安区灵井镇. 矿山以开采煤矿、铝土矿、铁矿、石灰岩矿为主.

图1 评价区范围图Fig. 1 Scope of the evaluation area1—市界（city boundary）；2—高速公路（highway）；3—水系（water system）；4—评价区（evaluation area）

2 分区评价方法

2.1 分区原则

以各类矿山环境问题的现状、分布及发展趋势为依据，以采矿对周边环境影响程度，兼顾考虑地质环境背景条件，并突出重点为分区原则. 由于影响矿山地质环境的各要素之间相互联系又相互影响，需要在各单因素评价的基础上，综合评价矿山地质环境质量.评价每个要素对矿山地质环境质量影响的同时，结合以往研究资料并根据实际情况予以综合判定.

2.2 评价单元划分

进行矿山地质环境综合评价，首先采用栅格单元法对评价区进行评价单元的划分. 该方法的优点是可利用GIS 软件实现单元的快速划分，同时栅格数据为矩阵形式，可借助计算机实现快速运算，缺点是栅格单元与地形、地貌及地质环境条件信息缺乏有机联系，为了充分考虑矿山地质问题所形成的地质环境条件，更合理划分评价单元，笔者利用许昌地区1∶5 万DEM 数据，在栅格法基础上引入水文解析法划分评价单元.

水文解析法首先是对DEM 进行洼地填充，然后依据填充后的DEM 求流向图，根据流向获取各单元的累积流量. 设定某一栅格单元的最小汇水单元格数，得到整个区域的集水区. 随着设定的最小汇水单元格数的增大，能够得到更大面积的汇水区域. 该方法也可通过设定不相同的最小汇水单元数，开展不同精度的研究. 根据地形特征，汇水区边界就是分水线，为了找到河谷线，利用反向DEM 进行上述水文汇水分析，将原始的DEM 按照水平线进行反转，原来的高点变成低点，得出的新汇水边界就变成河谷线.

在最终得到斜坡单元栅格数据的基础上，利用GIS 的栅格矢量转换得到斜坡面域，在此转换中，会产生一些假的面集和面积很小的面集单元，再通过GIS的融合归并功能来削除不合理元素，得到栅格评价单元面数据集. 使用这一方法将评价区划分为2243 个评价单元（图2）.

图2 评价单元划分结果图Fig. 2 Division result of evaluation unit

2.3 评价体系的建立

评价体系的要素选取和权重职值，在参考已有成果［14-21］的基础上，结合本次评价的重点，进行了重新构建，以单个矿山或多个矿山的矿区为基本评价单元，将开发矿产资源诱发或加剧矿山环境地质问题的严重程度、灾害损失以及直接经济损失3 项作为矿山环境地质问题评价依据.

许昌市矿山地质环境问题的发育特征和发育强度与矿山地质环境背景和矿山开发强度密切相关. 许昌地区煤炭资源量丰富，可采煤层厚度大、易开采，决定了煤矿大规模、高强度开采的特点. 矿山大规模和高强度的开发导致采空区塌陷成为最主要的矿山地质环境问题，同时也造成水资源均衡破坏、植被覆盖率降低等严重的生态环境问题.

结合许昌市的区域地质背景以及矿山环境调查统计情况，选取影响程度较突出的指标进行评价，构建评价体系（表1），主要包括两个层次：①要素层，区域地质环境背景、资源损毁和地质灾害3 个要素；②指标层，每一要素包括若干指标，一个指标又可用一个或若干个因子表征. 区域地质环境背景的指标包括：地形地貌，植被覆盖，多年平均降水；资源损毁指标包括：土地压占与破坏，地形地貌景观破坏，水资源破坏；地质灾害指标包括：地面塌陷，地裂缝，崩塌及隐患.

表1 矿山地质环境评价指标体系Table 1 Evaluation index system of mine geological environment

3 评价指标分级与量化取值

根据中国地质调查局2004 年10 月颁行的《区域环境地质调查总则（试行）（DD2004—02）》规定，按地质环境质量指标数值对评价区进行综合性区域地质环境质量等级分区，分区等级统一规定为地质环境质量好、较好、较差、差4 个等级，以此原则将矿山地质环境的指标因子及矿山地质环境质量等级划分为好（Ⅰ级）、较好（Ⅱ级）、较差（Ⅲ级）和差（Ⅳ级）4 个等级. 指标因子等级赋值标准及指标加权综合评价时，由加权评定分值确定相应等级的标准（表2）.

表2 各指标因子等级及其赋值标准和加权评定分值Table 2 Grading of each index factors with assignment standard and weighted evaluation score

本次矿山地质环境影响评价划分为影响严重、影响较严重和影响一般3 个等级. 根据这3 个等级的划分，评价因素的指标界线也分为好、较好、较差3 个等级. 各参评因子评价标准的基准值是根据《区域环境地质调查总则（试行）》（DD2004—02）、《矿山地质环境调查评价规范》（DD2014—05）等相关规范，同时结合研究区实际情况给出的，并考虑到未来的可行性，尽量使其量化，无法量化的将采用经验判断或专家打分方法给予赋值，具体见表3.

表3 各评价指标等级分级Table 3 Grading of each evaluation index

3.1 区域地质环境背景的量化

1）坡度指标

利用ArcGIS 平台从DEM 数据中分别提取评价区的坡度信息，进行归一化. 由于30°以上斜坡发生崩塌的频率很高，因此将30°以上斜坡的影响程度定义为1，而10°以下斜坡发生崩塌的频率则很低，其影响程度定义为0；将10～30°之间斜坡的影响程度，按照不同坡度区间发生崩塌地质现象的概率进行0～1 之间的线性归一化.

2）植被覆盖率

利用ArcGIS 平台从DEM 数据中分别提取评价区的地表曲率信息，然后利用MODIS 遥感数据计算植被指数，将植被覆盖率小于20%的定义为1，植被覆盖率大于40%的定义为0，将全区植被覆盖率进行0～1 之间归一化差值处理.

3）降雨指标

根据许昌地区的降雨特征，选用降雨不均匀系数来量化降雨因素，将全区降雨不均匀系数进行0～1 之间归一化差值处理. 降雨不均匀系数是指多年的汛期（7—9 月）平均降雨量与多年的年平均降雨量之比，可以客观地反映出某一地区降雨的不均匀性，即降雨的集中程度，也就是相对的降雨强度. 降雨不均匀系数越大，说明降雨越集中，相对的降雨强度越大.

3.2 资源损毁的量化

1）土地压占破坏指标

将影响程度严重的定义为1，影响程度较轻的定义为0，将全区土地压占与破坏进行0～1 之间归一化差值处理.

2）地形地貌景观指标

将影响程度严重的定义为1，影响程度较轻的定义为0，将全区地形地貌景观进行0～1 之间归一化差值处理.

3）地下水含水层破坏指标

将矿井排水量大于10 000 m3/d 定义为1，矿井排水量小于3 000 m3/d 定义为0，将全区含水层破坏进行0～1 之间归一化差值处理，得到含水层破坏指标归一化结果.

3.3 地质灾害的量化

1）地面塌陷指标

根据地面塌陷影响范围，将地面塌陷影响面积大于1 km2的定义为1，地面塌陷影响面积小于0.1 km2的定义为0，将全区地面塌陷指标进行0～1 之间归一化差值处理.

2）地裂缝指标

根据地裂缝的发育长度，将地裂缝长度大于500 m的定义为1，地裂缝长度小于100 m 的定义为0，将全区地裂缝指标进行0～1 之间归一化差值处理.

3）崩塌及隐患指标

根据崩塌及隐患发育规模，将规模大于10×104m3的定义为1，将规模小于1×104m3的定义为0，将全区崩塌及隐患指标进行0～1 之间归一化差值处理.

4 评价模型和效果评述

4.1 评价模型

矿山地质环境的综合评价，需要将矿山地质问题的严重程度给予定量综合评定，本次评价采用要素指标加权分值综合评价法. 要素指标加权分值综合评价模型为：

式中，Fj为要素加权分值（j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；Fi为每一要素中各指标评定分值；Wi为各指标权值；n 为各要素指标个数.

地质环境等级综合评价模型为：

式中，F0为地质环境综合加权评价分值；Wj为各要素权值；j 为环境地质问题所含要素；一般n′＝1，2，3，对应于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ要素.

4.2 权值确定

权值是反映不同评价因子相对于某评价观点的重要性差异，具有明显的模糊特征. 本次评价采用层次分析法（AHP）确定因子权重值，由此方法计算得出各指标权重见表4.

表4 许昌地区矿山地质环境评价指标权重Table 4 Weights of mine geological environment evaluation index in Xuchang area

4.3 效果评述

将地裂缝、崩塌、地面塌陷等地质灾害，土地占用与破坏，地形地貌景观破坏和水资源破坏等影响矿山地质环境的问题进行单要素分析并在计算机内存储为一个图层，应用ArcGIS 图层叠加分析功能，将所有图层进行空间叠加，生成新的区域和图层，对新的图层根据其内部属性表的属性值进行相应的分级，最终得到矿山地质环境综合评估分区图.

根据ArcGIS 图层叠加分析和要素指标加权分值综合评价两种方法评价与分析的结果，结合调查地区的实际情况，对许昌地区矿山开发产生的地质环境影响进行了评价（图3）.

图3 矿山地质环境影响评价图Fig. 3 Zoning map of mine geological environment impact evaluation1—矿山地质环境影响严重区（seriously-affected mining geological environment）；2—矿山地质环境影响较严重区（less seriously-affected mining geological environment）；3—矿山地质环境影响一般区（moderately-affected mining geological environment）；4—影响现状评价区分界线（boundary of impact evaluation area）

根据上述结果，将矿山地质环境综合评价图与矿山开发的环境现状反复拟合，以矿区相对集中，矿种类似为分区原则，确定分区界线，形成矿山地质环境综合评价分区. 许昌地区矿山地质环境综合评价分为3 个区：矿山地质环境影响严重区、矿山地质环境影响较严重区和矿山地质环境影响一般区.

1）矿山地质环境影响严重区（Ⅰ）

在Ⅰ区域内，地形坡度局部较陡，采矿活动相对剧烈，矿山地质环境问题类型较多，如崩塌、地面塌陷、地裂缝、地形地貌景观破坏、土地资源压占、含水层破坏等. 对矿山及周边环境所引起的破坏影响较大，且不易恢复.

涉及的乡镇有禹州市浅井乡东、无梁镇南、古城镇南、方山镇南、磨街乡北，襄城县紫云镇西南、许昌县灵井镇泉店村. 总面积约272.82 km2. 地貌上为中低山－丘陵区，海拔400～1150 m，地表出露寒武系、奥陶系、石炭系灰岩、白云岩，二叠系泥岩、砂岩，三叠系砂岩等. 进一步可划分为7 个亚区（图3）.

2）矿山地质环境影响较严重区（Ⅱ）

该区地形相对较缓，随着矿山采矿活动的深入，可能出现的矿山地质问题有植被破坏、土地压占、煤矸石堆积等. 矿山地质环境问题类型单一，程度较严重—较轻，故将该区域划为地质环境影响较严重区. 涉及的乡镇有禹州市苌庄镇大部分、浅井乡北、无梁镇北、古城镇西北、方山镇西、鸠山镇东南、神垕镇大部分、三峰山北部一带，襄城县南部湛北乡一带，许昌县石固镇东、长葛市陉山一带，总面积约420.34 km2，进一步可划分为9 个亚区（图3）.

3）矿山地质环境影响一般区（Ⅲ）

除上述以外的其它地区，面积2 246.3 km2，地貌类型主要为冲积平原，地面高程80～130 m，坡降3‰左右，地形平坦，由全新统粉土及黑灰色粉质黏土组成. 此区矿山企业分布较少，矿山地质灾害基本不发育，矿山影响程度低.

5 结论

本研究以区域地质环境背景、资源损毁和地质灾害为评价要素，通过建立综合评价指标体系对许昌市矿山地质环境进行分区评价，综合得出如下结论.

1）采用水文解析的方法，对评价区域进行划分，比较符合实际地形、地貌、地质环境条件，比传统的网格剖分更接近天然地质条件，单元格数据处理精度高、速度快.

2）以单个矿山或多个矿山构成的矿区为基本评价单元建立评价指标体系. 矿山环境地质问题的严重程度、灾害的损失以及直接经济损失作为分级依据，把区域地质环境背景、资源损毁和地质灾害3 个要素进行量化、赋予权重，根据GIS 图层叠加分析得到评价结果.

3）将矿山地质环境综合评价图与矿山开发环境现状反复拟合，以矿区相对集中，矿种类似为分区原则，确定分区界线，形成矿山地质环境综合评价分区. 许昌市矿山环境地质综合评价分为3 个区：矿山地质环境影响严重区、矿山地质环境影响较严重区和矿山地质环境影响一般区.