基于UAV 勘察与层次分析法的安阳许家沟露天矿山地质风险评价

江 雷，娄嘉慧，史 冲

（1.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州 450016；2.郑州大学政治与公共管理学院，河南 郑州 450001）

0 引言

随着社会经济发展和城市化进程的加快，我国的生态文明建设水平逐渐落后于社会经济发展水平，生态系统严重退化，人与自然、开发与保护、经济与生态之间的矛盾日益严峻[1-2]。在经济建设中生态环境被不同程度的损害，自然格局被破坏，生态系统过程被阻碍，严重制约了生态系统功能的正常发挥[3]。因我国经济发展的需要，矿产资源在经济发展过程中起着举足轻重的作用[4-6]。二十世纪，许多地区的矿产资源被不断开发，矿产开发和环境保护已经产生了非常尖锐的矛盾[7-8]。随着矿产开发秩序的逐渐完善，矿山的合理开发、可持续利用提上日程，针对矿山的地质风险防治与生态环境修复成为矿业行业的研究焦点[9]。

陈晶等[10]研究了矿山开发对生态的影响，构建了山水林田湖草统筹视角的生态修复一体化评价指标体系，确立了山水林田湖草生态评价与修复模式。ZHENG 等[11]对华北山地中沉积物样本的酸性矿山排水（AMD）进行研究，提出矿山污染沉积物应优先处理。史冲等[12]以张二庄里沟矿山地质环境恢复治理为研究对象，探索其矿山环境生态修复治理的新思路与生态保护修复措施。刘锦秀等[13]为解决常规方法难以对矿山地质环境承载力进行有效描述的问题,以五龙沟金矿区为例，采用空间统计分析法进行矿山地质环境承载力评价。沈维明等[14]对国内外关停废弃矿山生态修复技术进行了总结，结合废弃矿山生态修复工程，提出了关停废弃矿山生态恢复的几种技术与措施。茹曼等[15]通过多源遥感手段调研了萍乡市湘东镇地区矿山地质环境问题，建立一套适合该区的矿山地质环境影响综合评价体系。赵洪涛[16]详细分析了矿区地质灾害类型和发育规律，通过层次分析法建立评价函数，对地质灾害隐患进行分区评价和赋值。

目前，矿山地质风险评价与防治主要存在两个问题：以地质勘察为主，风险定量分析较缺乏；或基于GIS 的风险定量分析合理，但基础数据较为缺乏使得评价模型误差较大。本文将UAV 高精度勘察与GIS 定量分析相结合，利用层次分析法对安阳许家沟露天矿山群地质风险进行了定量评价，对比了勘察区的地质风险高低及其主要贡献指标，并针对性地提出治理措施。

1 研究区域概况

许家沟乡位于安阳市殷都区西部，属山地丘陵区，距安阳市区20 余km，全乡面积60 km2，其中耕地面积21.33 km2。许家沟乡下辖20 个行政村，人口3.6 万，其中，农业人口约3.5 万人，非农业人口约0.1万人。许家沟乡属安阳河流域，大陆性干旱型气候，夏季炎热，冬春干旱，年平均气温13.6 ℃，多年平均降水量551.5 mm，集中于7 月和8 月，多年平均蒸发量1 938.4 mm，蒸发量远远大于降水量[17]。研究区位于许家沟乡河西村西侧1.0 km，面积约0.028 km2（图1），包括治理点3 处，分别为豫隆I 区、河西胜利II 区和豫安III 区，坐标范围为36°06′22"～36°07′00"N，114°03′01"～114°03′35"E。许家沟乡现已探明的石灰石、煤炭、铁矿储量均在亿t 以上，且分布广、质地好、品位高、易开采，矿山地质环境破坏、水生态环境破坏、土壤污染、水土流失较严重。研究区分布有多处露天矿山，主要开采石灰岩及大理岩。由于无序开采，造成周边矿层的完整性和原有地形地貌景观遭受严重破坏，目前开采活动已经停止。除采矿活动外，区内其他人类工程活动主要为农业活动。

图1 研究区分布卫星图Fig.1 Satellite image of the research area distribution

2 研究区地质勘测

2.1 UAV 测量和RTK 测量

本次航空摄影测量中，航空摄影仪采用电动飞梭无人机，相机为索尼A7R，单张相片像幅7 360 像素×4 912 像素，像素大小4.87 μm，使用35 mm 定焦镜头，地面分辨率优于0.1 m。航摄成图比例尺为1∶1 000，内业数据处理采用南方CASS7.1 处理软件，输出成果为地形图数字化系统生成的所有文件和AutoCAD下公共交换数据文件（.dwg）[18]。本次测量工作共完成1∶1 000 地形图测量0.56 km2。

剖面点采用GPS-RTK 测量方法，该方法将基准站架设于地势较高处，通过数据链将其观测值和站坐标信息一起传送给流动站[19]。流动站在接收基准信号的同时采集GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。测量人员将设计的地质剖面端点坐标导入RTK 测量手簿，在线路菜单提示下沿剖面测量手簿，在线路菜单提示下沿剖面采集剖面点的坐标和高程。工程地质实测剖面线共完成46 条，总长度4.73 km。测量成果如图2 所示。3 个测量区的坐标范围为36°06′22"～36°07′00"N，114°03′01"～114°03′35"E。

图2 研究区矿山地质环境测量成果Fig.2 Current status of mine geological environment in the research area

2.2 地质特征

研究区含水层主要有奥陶系灰岩、寒武系灰岩，隔水层主要为石炭系和二叠系的岩浆岩。其中，奥陶系中统马家沟组石灰岩在研究区内分布广、出露多，总厚度约600 m，地表岩溶裂隙发育，富水性强，是研究区主要含水层；水位标高在+120～+149 m。矿体开采面高于侵蚀基准面，地下水位较低，地形有一定坡度，降水多可从地表径流自然排出，平缓或低凹处可能会有暂时性集水，但不会对采场造成大量充水。

2.3 地质灾害类型

1）滑坡崩塌。矿山倚坡开挖，矿坑的边坡高度普遍超过10 m，边坡角度和临空面较大，经过长时间的风化剥蚀，坡面岩石节理裂隙发育，较为破碎，并在坡面散落采矿遗留松动碎石块，形成危岩。采矿残留矿体形成的危岩体数量多且分散分布，采矿陡壁上发育的危岩体势能大，多以自由落体方式坠落[20]。在暴雨等外力条件下，易引发崩塌灾害，对居民威胁大，是本区重要崩塌地质灾害隐患。豫隆I 区和河西胜利II 区共有危岩12 处，分布在矿坑坑壁边缘，落石成分以中风化石灰岩为主，结构松散，直接覆盖平台上。危岩体方量500～60 000 m3不等，总量11 万m3。豫安III 区未发现危岩。豫隆I 区和河西胜利II 区的危岩特性见表1。

表1 豫隆I 区和河西胜利II 区的危岩特性Table 1 Critical rock characteristics of Yulong Zone I and Hexi Shengli Zone II

2）矿坑坍塌。经过多年的采掘，豫隆I 区、河西胜利II 区和豫安III 区分别形成18 个采坑、16 个采坑和3 个采坑，同时剥离的废渣随意堆放，共形成51个渣堆，原始的地形地貌景观遭到严重破坏，破坏土地总面积约0.209 km2。矿坑在雨水冲刷的作用下不断流失和沉降，形成深坑和陡坑。矿坑的边坡坡度为25°～75°，深度为10～75 m，对道路及路人安全形成较大威胁。

3）水土流失。矿山开采对生态环境造成了严重破坏，大面积基岩裸露的采场和随意堆放的弃渣改变了原来的地貌景观，破坏原有耕地，使研究区部分耕地变成裸地。同时，山体涵养水分的能力下降，使坡脚部分耕地耕作功能降低、灌溉困难[21]；其他耕地也不同程度降低了耕地功能、耕作条件差。根据土地利用现状图统计出研究区共挖损旱地0.005 km2，其他草地0.201 km2，裸地0.223 km2（表2）。

表2 研究区土地资源利用情况Table 2 Land resource use in the research area 单位：km2

3 基于层次分析的地质风险评价方法

本文收集研究区内矿山自然地理背景、区域地质、矿产资源及开发状况等资料，结合平剖面测量和理化性质监测结果对研究区的自然环境、地质条件和地质灾害发育规律进行分类，并采用层次分析法进行地质风险识别和评价。

3.1 评价指标与分级

为实现层次分析地质评价，本文基于矿山地质勘察成果，将评价指标分为3 个层次：目标层为矿山地质风险评价；约束层为边坡崩塌、矿坑坍塌和水土流失；边坡崩塌因素层包含地形地貌、岩性抗压、采坑深度和采坑数量，矿坑坍塌因素层包含地下水位差、土壤空隙比、开采强度和采坑面积，水土流失因素层包含降水冲刷、风力吹扬、渣堆方量和植被覆盖。研究区的因素层特征指标参考李克特量表取值法将其分为4 个等级，对应分值为4 分、3 分、2 分和1 分（表3）。

表3 矿山地质风险评价指标体系分级与权重Table 3 Grading and weighting of index system of mine geological risk evaluation

3.2 构造判定矩阵

基于UAV 摄影测量和ArcGIS 分析手段，可获取各指标层评价单元的定量值，从而构建评价模型[22]，见式（1）。

式中：Ci为第i项指标层权重；αi为第i项指标层得 分；M为矿山地质风险评分。最终确定标度需通过判定矩阵对各层指标因子进行相互比较，借助专家打分法得出重要性因素。采用MATLAB 构建判定矩阵，并进行正交和归一化处理，计算见式（2）。

式中：x为权重因子量化值；α为专家打分值；αmax为最大值；αmin为最小值。为检验各层次各因素间重要性排序的合理性，需进行一致性检验，一致性比率CR＜0.10则认为判断矩阵令人满意[23]，否则需重新进行权重赋值，见式（3）。

式中：λmax为最大特征根；n为判断矩阵 阶数；RI为随机一致性指标，当n=3 时，取0.58，当n=4时，取0.90。正交和归一化处理后矿山地质灾害风险评价指标主观权重值见表4。

表4 矿山地质灾害风险主观权重值Table 4 Subjective weighting values for mine geological risks

4 矿山地质风险评价

4.1 数据来源

矿山地质风险评价针对豫隆I 区、河西胜利II区和豫安III 区展开，评价体系共包含12 个影响因素，数据主要来自于UAV-RTK 勘测与实验室样本监测。地形地貌数据：将2.1 节的勘测等高线图转换为GIS高程栅格数据（图3），采用北京84 坐标系，基准高程为黄海海平面，等高线间距1 m，精度符合评价需要；岩土理化性质：岩样进行常规物性试验、抗压试验、抗剪试验；土样进行天然含水量、天然密度、比重、天然孔隙比等测量。根据实际需要采集了岩石样18 组、土样12 组，并委托“华北水利水电大学河南省岩土力学与水工结构重点实验室”进行测试；实地调查：对研究区内植被、危岩、渣堆等进行统计，区域内主要有白皮松、侧柏、椿树、五角枫、地锦、麦冬等耐瘠薄、耐旱、适应于坚硬土壤和岩石裂隙生长的植物物种，危岩、采坑及渣堆在2.3 节中已阐述。

图3 DEM 栅格数据与渔网构建Fig.3 DEM raster data and fishing net construction

4.2 评价单元

为实现矿山地质风险评价的合理精确，本研究以3 张研究区DEM 栅格为底图，将3 个研究子区用边长为50 m 的正方形网格进行划分，共划分出500个评价单元（豫隆I 区224 个、河西胜利II 区196 个、豫安III 区80 个）。输入地形地貌、各采样点的岩土性质、植被类型和矿山开发调查结果等基础数据，按照评价指标体系（表3）对各个评价单元进行赋值，利用ArcGIS 栅格计算模块，对选取的12 个评价因素进行叠加分析，并对分析结果进行分级，得到3 个子区域各自的评价指标分值。如果网格A得分越高，表明该区域地质风险越低；反之则表明地质风险越高。利用ArcGIS 软件的空间分析模块，采用核密度法对评分结果进行差值分析[24]，划分出矿山地质高度风险区（A＜2.65）、显著风险区（2.65≤A≤2.89）、一般风险区（2.90≤A≤3.15）和稍有风险区（A＞3.15）4 类。

4.3 结果分析

调用ArcGIS 软件统计模块计算，得到研究区地质风险评分成果，其空间分布与面积占比分别见图4～图6 和表5。研究结果表明，地质环境高度风险区、显著风险区、一般风险区和稍有风险区的面积分别为13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2，分别占研究区总面积的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。结合现场勘察成果发现边坡崩塌风险高的区域与遥感测绘范围高度重合，主要集中于矿坑边缘，与边坡坡度和采坑深度显著相关；矿坑坍塌与水土流失风险较高区域分布于矿坑中部，矿坑中心以裸地为主，受人类活动影响和破坏较重。矿坑坍塌与开采强度和面积高度相关，水土流失与渣堆方量和风力吹扬显著相关，显著风险区高程较低，以渣堆为中心呈散点状分布，评分在山谷或垭口急剧降低。将ArcGIS评价结果与矿山地质勘察结果对比，发现地质风险高度及显著区域的环境情况与实际相似，但评价划定的一般风险区的面积和稍有风险区的面积较实际情况扩大了约50%，是由于在评价指标中充分量化了沉降与水土流失所致，而原勘察结果未对此进行量化分析。

表5 矿山地质风险分区面积统计Table 5 Statistics on the area of mine geological risk zones 单位：m2

图4 豫隆I 区矿山地质风险评分Fig.4 Mine geological risk scoring of Yulong Zone I

图5 河西胜利II 区矿山地质风险评分Fig.5 Mine geological risk scoring of Hexi Shengli Zone II

图6 豫安III 区矿山地质风险评分Fig.6 Mine geological risk scoring of Yu’an Zone III

5 讨论

5.1 地质风险空间分布

各研究子区的风险评分如图7 所示。由图7 可知，边坡崩塌评分与矿山地质评分呈现双峰态势，而矿坑坍塌风险和水土流失风险呈单峰。边坡崩塌风险排序为河西胜利II 区＜豫隆I 区＜豫安III 区；矿坑坍塌风险排序为豫安III 区＜河西胜利II 区＜豫隆I 区；水土流失风险排序为豫隆I 区＜河西胜利II 区＜豫安III 区；综合矿山地质风险排序为河西胜利II 区＜豫隆I 区＜豫安III 区。虽然豫隆I 区的矿山地质高度风险区面积是河西胜利II 区和豫安III 区的2 倍，但其分值却略高于河西胜利II 区，这主要是因为河西胜利II 区边坡崩塌风险较高，边坡坡度较陡和岩性抗压能力较低（图7（a））。豫安III 区开采强度与开采面积较小，但其矿坑坍塌风险却高于豫隆I 区和河西胜利II 区，因为面积较小的豫安III 区内分布有3 个大矿坑，矿坑面积占比高（图7（b））。由于豫隆I 区矿坑面积大、渣堆多，使得其水土流失风险高（图7（c））。

图7 许家沟矿山地质风险小提琴图Fig.7 Mine geological risk violin map in Xujiagou

5.2 指标相关分析

层次分析模型中约束层的权重划分表明该模型假定地质风险以边坡崩塌（B1）为主、水土流失（B3）为辅、矿坑坍塌（B2）为补充。各约束层与目标层的斯皮尔曼相关性表明：从豫隆I 区到豫安III 区，B1与目标层的相关性从高度相关0.953 下降到显著相关0.658；B2与目标层的相关性从无相关上升到弱相关；B3与目标层的相关性不变。这说明从豫隆I 区到豫安III 区，随着研究子区面积减少，边坡崩塌总体风险逐渐降低，矿坑坍塌风险和水土流失风险逐渐升高（表6）。

表6 研究子区风险评价指标相关分析Table 6 Analysis related to risk evaluation indicators for the study sub-area

5.3 治理措施

针对边坡崩塌风险，本文提出危岩清除和边坡修整的措施；针对矿坑坍塌风险提出矿渣回填和客土恢复的治理措施，并设置警示牌；针对水土流失风险提出客土恢复林地和耕地、养护治理相结合的治理措施。具体方案：①危岩清除：对于不同高度的危岩体高陡边坡，根据其高度和坡度设置台阶，消除潜在崩塌；②边坡修整：对石质边坡坡面进行挖岩换土植树、撒播草籽，降低裸地占比；③矿渣回填：将采坑内矿渣堆以及危岩清除产生的废渣回填到矿坑底部和削坡台阶上，并对矿渣回填之后的场地进行平整；④警示牌：在矿坑边缘设置警示牌，防止行人跌落；⑤客土恢复林地、草地、耕地：在场地平整基础上对场地进行覆土，矿坑底部恢复成耕地，台阶上植树种草；⑥养护：对种植的树木进行长期养护管理，保持良好可持续的生态修复。

6 结论

本文基于UAV 勘察和层次分析法对安阳许家沟露天矿山群地质风险进行了评价，利用ArcGIS 栅格计算模块对选取的12 个评价因素进行叠加分析。

1）地质环境高度风险区、显著风险区、一般风险区和稍有风险区的面积分别为13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2，分别占研究区总面积的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。

2）综合矿山地质风险排序为河西胜利II 区＜豫隆I 区＜豫安III 区，因为，河西胜利II 区边坡坡度较陡和岩性抗压能力较弱，边坡崩塌风险较高。

3）从豫隆I 区到豫安III 区，随着研究子区面积减少，边坡崩塌风险贡献率逐渐降低，矿坑塌陷风险和水土流失风险逐渐升高。

4）基于评价结果，本文提出危岩清除、矿渣回填、边坡修整、客土恢复林地和耕地、养护治理相结合的治理措施，以期达到降低矿山地质风险、修复矿山生态的目的。