婁新剛，康志勇，劉 超

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，遼寧 鞍山 114038)

遼寧省鞍山市是我國(guó)重要的工業(yè)城市，素有鋼都之稱，城區(qū)人口146萬(wàn)?，F(xiàn)已發(fā)展成為以冶金工業(yè)為主、機(jī)械、化工、電子紡織等工業(yè)門類較齊全的工業(yè)城市，隨著改革開(kāi)放以來(lái)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，旅游等第三產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展。城市建設(shè)日新月異，已初見(jiàn)現(xiàn)代化大都市的雛形。

鞍山市區(qū)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。城區(qū)的周邊分布著多處以鐵礦為主礦山，截止到2009年底，全市有各類礦山企業(yè)70家(生產(chǎn)17家、閉坑礦山企業(yè)53家)。這些企業(yè)構(gòu)成了鞍山市的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，為鞍山市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但同時(shí)也帶來(lái)了較多的環(huán)境問(wèn)題，如破壞或占用大量土地，引起土地荒漠化、水土流失、生態(tài)環(huán)境退化。一些礦區(qū)還發(fā)生了滑坡、崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅，制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 礦業(yè)開(kāi)發(fā)對(duì)土地資源的占用及破壞

由于鞍山市是礦業(yè)型城市，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用歷史悠久，礦山數(shù)量較多，開(kāi)發(fā)規(guī)模較大。礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用在為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也給鞍山地區(qū)土地和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力和破壞。以四大鐵礦山(西鞍山未列)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例：現(xiàn)有大型采坑4個(gè)，占地11.6km2；5個(gè)大型排巖場(chǎng)，堆積巖渣總量超過(guò)16億t，占地22.3km2；6個(gè)大型尾礦庫(kù)，堆積尾礦約5億t，占地7.3km2。這些采坑、排巖場(chǎng)、尾礦庫(kù)總面積達(dá)41.2km2，約占市區(qū)(含市郊)總面積的6.6%。其中東鞍山鐵礦占地面積1.75km2，有排石場(chǎng)一個(gè)，占地面積4.5km2，尾礦庫(kù)3個(gè)，占地面積2.46km2；大孤山鐵礦占地2.38km2，有排石場(chǎng)一個(gè)，占地面積7.54km2，尾礦庫(kù)一個(gè)，占地面積2.45km2；齊大山鐵礦占地4.81km2，排石場(chǎng)一個(gè)，占地4.41km2，尾礦庫(kù)兩個(gè)，占地2.39km2；眼前山鐵礦占地2.66km2，排石場(chǎng)一個(gè)占地5.84km2，尾礦庫(kù)與大孤山礦山共用。在一些采坑周圍、排巖場(chǎng)區(qū)、尾礦庫(kù)區(qū)現(xiàn)已成裸地，植被度在2度以下，荒漠化十分嚴(yán)重。

1.2 礦業(yè)開(kāi)發(fā)對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

礦山開(kāi)采時(shí)進(jìn)行疏干排水，導(dǎo)致水均衡系統(tǒng)破壞，造成地表河流干涸斷流，地下水位下降形成降落漏斗。開(kāi)口面積1～2km以至幾平方千米，降深達(dá)200m左右的四大采坑。由于生產(chǎn)所需人工疏干，在千山這一系統(tǒng)的周圍形成幾個(gè)巨大的地下水漏斗，每個(gè)漏斗的影響面積都在十幾平方公里左右，礦山周圍的民用井大部分都已廢棄。影響范圍直接深入千山風(fēng)景區(qū)的核心部位，地下水位的嚴(yán)重下降，直接影響千山風(fēng)景區(qū)的植被生長(zhǎng)。

1.3 形成一個(gè)礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)帶

已有的地質(zhì)災(zāi)害大都發(fā)生這些大型鐵礦的排石場(chǎng)、尾礦庫(kù)、露天邊坡，此外，部分日偽時(shí)期留下的采空區(qū)發(fā)生過(guò)地面塌陷。

2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

收集研究區(qū)內(nèi)的所有地質(zhì)環(huán)境資料，并對(duì)資料篩選分類，數(shù)據(jù)按照實(shí)體描述類型分為空問(wèn)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩類。采用 MAPGIS對(duì)研究區(qū)基礎(chǔ)資料進(jìn)行數(shù)字化處理，然后對(duì)基礎(chǔ)圖件進(jìn)行分離圖層，進(jìn)行分層式管理。按照空間數(shù)據(jù)各要素的特點(diǎn)，將空問(wèn)數(shù)據(jù)分解為單一性質(zhì)的基本要素圖層，各圖層主要為略陽(yáng)縣基本地理圖層、地形等高線圖層、地貌圖層、地層巖性圖層、地質(zhì)構(gòu)造圖層、礦產(chǎn)分布圖層等。同時(shí)，對(duì)需要進(jìn)行投影變換、圖幅拼接的地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行投影變換、圖幅拼接，以實(shí)現(xiàn)不同比例尺地圖的合成，以及跨分度帶地圖的拼接。屬性數(shù)據(jù)包括對(duì)圖形進(jìn)行描述或說(shuō)明的數(shù)據(jù)及用于進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如高程信息、地理標(biāo)注、地層巖性特征、植被發(fā)育情況等。屬性數(shù)據(jù)通過(guò)Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行錄入、管理，MAPGIS通過(guò)接口進(jìn)行調(diào)用。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在對(duì)資料進(jìn)行分析后 ，通過(guò)兩兩比較法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選優(yōu)化，選取地形坡度、工程地質(zhì)巖組、巖土體結(jié)構(gòu)類型、地下水位、植被發(fā)育情況、月平均降雨量 、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等為主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差 4個(gè)等級(jí)，相應(yīng)地將評(píng)價(jià)指標(biāo)也用4級(jí)來(lái)描述，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算中，采用層次分析法來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下：

1)構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)于z1，z2，…，zn個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，由專家組運(yùn)用兩兩比較得判斷矩陣Z。

2)將判斷矩陣按行求

(1)

3)歸一化

(2)

4)求最大特征值

(3)

式中:P=(w1w2……wn)T。

5)進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)

C.I=(λmax-n)/(n-1)

(4)

C.R=C.I/R.I

(5)

式中：C.I為一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；R.I為平均隨機(jī)一致性指標(biāo) ；C.R為隨機(jī)一致性比率。只有當(dāng)C.R<0.10時(shí)，求出的權(quán)值才比較合理。

通過(guò)計(jì)算 ，得出各指標(biāo)的權(quán)重如表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型采用由陳守煜提出的多級(jí)模糊模式識(shí)別模型，其以相對(duì)級(jí)別特征值作為判斷或識(shí)別的依據(jù)，克服了最大隸屬度原則所不適用的地方，而且以相對(duì)隸屬度、隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)理論，使隸屬度、隸屬函數(shù)的計(jì)算更容易。實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)規(guī)格化處理。設(shè)某樣本需要對(duì)模糊子集 A進(jìn)行識(shí)別，樣本的m個(gè)指標(biāo)組成的特征向量為

X=(x1x2…xixm)T

式中：xi為樣本指標(biāo)i的特征值；i=1，2，…，m。

如樣本依據(jù)m個(gè)指標(biāo)c個(gè)級(jí)別的已知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣

式中：Yih為指標(biāo)i級(jí)別h的標(biāo)準(zhǔn)特征值；h=1，2…，c；i=1，2，…，m。

則遞減型指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度

(6)

h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度

(7)

遞增型指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度

(8)

h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值，對(duì) A的相對(duì)隸屬度

(9)

2)求最優(yōu)相對(duì)隸屬度向量。樣本對(duì)A的各個(gè)級(jí)別相對(duì)隸屬度矩陣

U=(u1u2…un)T=uh

式中 ：uh為樣本對(duì)A的級(jí)別h的相對(duì)隸屬度，按下式求解

(10)

式中：a、b為樣本級(jí)別區(qū)間范圍；wi為樣本指標(biāo)i的權(quán)重；p為距離參數(shù) ，p= 1為海明距離，p=2為歐氏距離；dh為廣義權(quán)距離。

3)求級(jí)別特征值。相對(duì)級(jí)別特征值為級(jí)別變量h以對(duì)應(yīng)的相對(duì)隸屬度為權(quán)重的總和，即

(11)

式中：Hu為相對(duì)級(jí)別特征值，是描述狀態(tài)或級(jí)別的無(wú)量綱數(shù)，且1≤Hu≤c。由于其利用了全部相對(duì)隸屬度信息，其判斷結(jié)論比最大隸屬度原則更符合實(shí)際情況。因此，可應(yīng)用相對(duì)級(jí)別特征值來(lái)判定此樣本屬于何種級(jí)別。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

用 C++Builder 6．O開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)模型，對(duì)鞍山市區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)分為四大區(qū)八個(gè)亞區(qū)。分區(qū)結(jié)果見(jiàn)鞍山市區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)表(表3)。

表3 鞍山市區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)表

續(xù)表

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用 GIS技術(shù)，建立了鞍山市區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合考慮地形坡度、工程地質(zhì)巖組 、巖土體結(jié)構(gòu)類型地下水位 、植被發(fā)育的情況、月平均降雨量、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等指標(biāo) ，運(yùn)用層次分析法確定各權(quán)值；采用多級(jí)模糊模式識(shí)別模型，對(duì)鞍山市區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，把鞍山市區(qū)地質(zhì)環(huán)境劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別。評(píng)價(jià)結(jié)果，為鞍山市區(qū)地質(zhì)環(huán)境的開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)以及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防，提供了一定的參考依據(jù)。

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