开采区矿山地质环境综合分级定量评价方法

冯虎贲

(河南省地质矿产勘查开发局 第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000)

矿产资源是人类社会依存的重要物质，也是奠定区域发展的基石。虽然当今社会已然意识到矿产资源逐渐枯竭并将新能源开发转向可再生能源，但矿产资源的开采并未停止[1-2]。由于早年间矿产资源过度开采，人们对生态环境重视度不高，导致矿产资源开采区生态环境遭到严重破坏[3]。生态平衡打破后，其生态环境无法循环，导致大量土地资源和水资源等破坏影响人们生活的同时，也为矿区正常运转带来了地面塌陷、滑坡等安全威胁[4]。鉴于此，开采矿区逐渐重视矿产资源开采过程中导致的生态破坏问题，并逐渐提出矿山恢复治理措施。

为使矿山恢复治理措施更具备针对性，国内外学者提出开采矿区生态资源评价方法，如张建萍等[5]研究的矿山地质环境风险评价方法，该方法从矿区的地质环境脆弱性角度出发，通过构建脆弱性评价指标体系并计算指标权重后，利用数学模型评价矿区的地质环境脆弱性，但该方法的数学评价模型在使用过程中存在收敛性不佳情况，导致其评价结果不够准确。李小燕等[6]通过遥感影像形式获取开采矿区当前生态环境影像，利用ArcGIS技术平台获得矿区的生态环境评价结果，但该方法获取的开采矿区生态影响受噪声以及拍摄环境影响使其画面不够真实，影响其评价结果。Sadi Z等[7]研究矿区地质放射性废物在迁移过程中的辐解对土壤和水的不利影响，以及采矿巷道受到污染后对其周围水体污染情况，利用DGR工程屏障系统评价矿区地质环境。该方法是从矿区污染物角度对矿区地质环境展开评价，且其使用的DGR工程屏障系统评价模型输出结果极为精准，但该方法仅从矿区土壤和水体污染角度展开评价，未考虑矿区地形地貌以及植被破坏情况，存在一定的片面性。针对上述开采矿区评价方法存在的问题，本文提出开采区矿山地质环境综合分级定量评价方法，以提升开采矿区生态环境评价效果。

1 环境综合分级定量评价

1.1 研究区概况

以某非金属矿山为研究对象，该矿山开采持续时间超过33年，属于较为古老的矿区。非金属开采矿区现场如图1所示。

图1 非金属开采矿区现场Fig.1 Site map of non-metallic mining area

该矿区开采时间较长，其矿山周边地质环境问题较为突出。其地下水资源量较少且水质量较差，开采非金属矿产生的土渣污染水资源的同时也破坏了矿山周边的地貌[8]，土地和植被破坏较为严重。

1.2 指标体系构建及指标因子等级赋值

由于矿山周边地质环境和生态环境破坏严重[9-10]，选择可以表征矿山地质灾害问题、环境污染和景观破坏和土地占用等方面互相独立的指标构建评价开采区矿山地质环境的综合评价指标体系，见表1。

表1 开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标体系Tab.1 Comprehensive classification and quantitative evaluation index system of mining geological environment in mining area

开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标体系由一级指标和二级指标构成，并由该2种指标组成其综合指标。其中，一级指标是二级指标的整体描述，二级指标是开采区矿山地质环境细节的刻画[11-12]。使用模糊层次分析算法对开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标的一级指标和二级指标进行相对重要程度赋值，并依据该赋值计算各个指标的权重，将其权重数值与相对重要程度赋值相乘后可得到各个指标的实际得分[13-14]。

利用模糊层次分析算法得到开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标因子的等级赋值，计算过程：令一级指标集合和二级指标集合分别为Y={Y1，…，Yi，Yn}、Yi={Yi1，…，Yij，Yim}，其中，i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m。令一级指标的单因素指标评价等级为V={V1(好)，V2(较好)，V3(一般)，V4(较差)，V5(差)}，通过对矿山采区矿山地质环境综合分级定量评价指标的一级指标单因素评价等级集合进行5种标准判断后，得到其单因素指标评价集合Vij={Vij1，…，Vijk，Vij5}。其中，k=1，2，…，5。

通过构建上述矿山地质环境综合分级定量评价权重判断矩阵并进行一致性检验后[17-18]，得到开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标因子等级赋值，见表2。

表2 定量评价指标因子等级赋值Tab.2 Quantitative evaluation index factor grade assignment

1.3 综合分级定量分区

依据矿山地质环境综合分级定量评价指标因子等级赋值，利用GIS空间分析算法分析其综合等级赋值频率分布情况[19-20]，并确定矿山地质环境评价的分区阈值，得到开采区矿山地质环境综合分级定量分区结果。

2 试验分析

在该非金属开采矿区设置10个环境资源综合评价点，使用本文方法评估该开采矿区的环境资源情况。10个环境资源综合评价点位置如图2所示。对开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标进行赋值处理，结果见表3。依据上述开采区矿山地质环境综合分级定量评价指标赋值结果，以该非金属开采矿区的地形地貌景观破坏为衡量指标，分析该矿山开采矿区的资源与环境破坏情况，结果如图3所示。

图2 综合评价点位置示意Fig.2 Location of comprehensive evaluation points

表3 综合分级定量评价指标赋值Tab.3 Comprehensive grading and quantitative evaluation index assignment

图3 开采矿区的地形地貌景观破坏情况Fig.3 Destruction of topography and landscape in mining area

分析图3可知，该开采矿区覆盖区域的中部位置地形地貌景观较差，而后向四周扩展其地形地貌景观情况逐渐变化为较差、一般、较好、好。说明该开采矿区的非金属开采区域为其中部区域，其非金属开采程度较高。因此，该区域的地形地貌破坏严重。而逐渐向外扩展，其地形地貌景观破坏情况逐渐变轻，但地形地貌破坏为较差等级的分布区域较等级为好、较好和一般的等级占比达到1/3左右，说明该矿区在开采时对地形和地貌破坏重视程度不高，其整体地形地貌破坏较为严重。为更清楚呈现该矿区的资源与环境破坏情况，以含水层破坏程度为衡量指标，分析其水资源破坏情况，结果如图4所示。

图4 开采矿区含水层破坏程度Fig.4 Destruction degree of aquifer in mining area

分析图4可知，该非金属矿区的含水层破坏程度较其地形地貌破坏程度较轻微，但其含水层破坏程度等级分布规律与其地形地貌景观破坏情况较为相符。其含水层破坏程度集中在其地形地貌破坏严重区域，其他区域则含水层破坏程度等级均较好。其原因在于水资源的含水层位于地下几十米位置，若其岩层不被破坏则含水层也不会破坏。但地下含水层层深不一，若与地面距离较深的含水层遭到破坏，则该含水层会出现断流情况，导致与地面距离较浅位置处的含水层所含水量急速下降，也会导致含水层破坏情况。因此，该矿区的含水层破坏程度较严重区域分布在其非金属矿开采位置。

从该矿区的土地占用为衡量指标，分析10个评价点位置处的非植被面积和非植被占用比例等情况，分析该矿区的资源与环境破坏程度。开采矿区土地占用评价结果见表4。

表4 开采矿区土地占用评价结果Tab.4 Evaluation results of land occupation in mining area

分析表4可知，该矿区土地占用情况较为单一，但整体土地占用等级较好。该矿区的开采区域的评价点为5、6、7、8，该4个评价点植被覆盖度数值较低，其评价等级为差和较差。而其他区域植被覆盖度数值相对较高，评价等级也较高。上述结果表明，该矿区当前开采面积较小，对区域的植被破坏程度稍低，但其部分开采区域几乎植被覆盖仅为个位数，说明该处即为非金属矿井位置。综合分析图3、图4和表4可知，该非金属矿区目前开采面积较小，但其开采区域的植被覆盖度数值极低，且地形地貌破坏严重和含水层破坏严重。以其开采区域为中心向四周延伸，区域覆盖位置的地形地貌、土地占用和含水层破坏等级均逐渐降低。

以地面裂缝作为衡量该非金属开采矿区地质灾害评价指标，测试该非金属开采矿区的地质灾害情况，结果如图5所示。

图5 地裂缝等级评价结果Fig.5 Evaluation results of ground fissure grade

分析图5可知，该非金属开采矿区的地裂缝评价等级较低区域分布在评价点5、6、7、8处，说明该矿区的开采区域的地裂缝情况比较严重。评价点5、6、7、8处为中心，与其相连的东北区域和西北区域位置地裂缝情况逐渐轻微，而其以西方向的地裂缝程度较其东部位置稍严重，说明其非金属矿开采区域向西延伸。因此，开采中心西部区域的地裂缝情况稍严重。以土壤污染衡量该非金属矿区的环境污染情况，结果如图6所示。

图6 开采矿区土壤污染评价等级Fig.6 Evaluation grade of soil pollution in mining area

分析图6可知，该非金属开采矿区的土壤污染较为严重，尤其是其开采区域位置处，其土壤污染等级为差。较该矿区的主要开采区域较远区域土壤污染情况稍好，但其评价等级为一般。说明该矿区在非金属矿开采过程中对土壤资源保护不佳，土壤污染情况不容乐观。

综合上述评价结果，使用本文方法评价该非金属开采矿区一级指标等级，结果如图7所示。

图7 综合分级定量分区评价结果Fig.7 Comprehensive grading and quantitative zoning evaluation results

分析图7可知，该矿区由于开采时对水资源保护力度不够，造成严重的环境污染，其环境污染等级较低，而地质灾害和资源与环境破坏程度稍高。其中，地质灾害评价等级为较好，说明其对开采矿区崩塌、地面塌陷等防护措施工作较全面；而资源与环境破坏等级为一般，表明该矿区对地形地貌的破坏和含水破坏程度较严重，但在可控范围内。

综合上述结果得出，该非金属开采矿区生态环境总体较差，对生态环境破坏严重，未来需投入人力物力对其进行修复。

4 结语

本文提出开采区矿山地质环境综合分级定量评价方法，并将其应用到非金属开采矿区地质环境评价过程中。评价结果表明，本文方法可从多个角度对该非金属开采矿区进行综合评价，并得出该非金属开采矿区地质综合评价等级较低。本文方法虽可有效评价开采矿山地质环境等级，为其地质环境综合矿山恢复治理提供良好的数据基础，但其并未从地下水重金属含量角度进行评价，存在一定的片面性，未来需要更多学者加以补充。