閆 昆， 劉國生， 張園遠(yuǎn)， 劉亞東， 李壽年

（合肥工業(yè)大學(xué) 資 源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合 肥 230009）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展。但是隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，特別是長期無序不合理開發(fā)，誘發(fā)了嚴(yán)重的礦山環(huán)境問題，改變甚至破壞了人類的生存環(huán)境。隨著人們對良好生存環(huán)境的需求不斷提高，對環(huán)境的治理與保護越來越受到重視，對現(xiàn)有環(huán)境狀況做出合理、科學(xué)評價是治理與保護的前提。文獻［1］運用AHP法對松江銅礦進行了環(huán)境定量評價，文獻［2］基于層次分析法對圖們江下游濕地價值進行綜合評價，文獻［3］運用層次分析法在遼寧凌源地區(qū)進行了山地地質(zhì)災(zāi)害危險性評價，上述成果對于環(huán)境治理提供了重要參考。因此如何科學(xué)合理地對環(huán)境問題做出評價，是環(huán)境研究的一個重大課題。

巢湖北部礦區(qū)是指巢湖水域北東方向的鳳凰山一帶，該區(qū)分布面積約40km2，區(qū)內(nèi)非金屬礦產(chǎn)豐富，大小礦山星羅棋布，然而，隨著礦山的開采，由此所誘發(fā)了諸多次生地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)問題。

2010年巢湖共發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害6起，按類型分為崩塌5起、滑坡1起；6起地質(zhì)災(zāi)害全部由人為因素引發(fā)。地質(zhì)災(zāi)害雖然未造成人員傷亡，但是直接經(jīng)濟損失約23.5萬元（據(jù)2010政府報告）。根據(jù)全市地質(zhì)環(huán)境特征、地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律，結(jié)合2011年全市地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情和地質(zhì)災(zāi)害隱患點發(fā)展趨勢，以及對全市多年氣象資料的分析，預(yù)測2012年巢湖地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻度、密度將呈增長趨勢，地質(zhì)災(zāi)害以崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害為主，工程建設(shè)等人為活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害將呈上升趨勢，地質(zhì)災(zāi)害防治形勢嚴(yán)峻。本文基于層次分析法構(gòu)建巢湖北部礦區(qū)的環(huán)境評價體系，為進一步的環(huán)境治理與保護提供依據(jù)和參考。

1 區(qū)域概況

巢湖市屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)位于巢湖市郊北部山區(qū)，其范圍是東經(jīng)117°47′～117°54′，北緯 31°36′～31°42′。區(qū) 內(nèi)海 拔 20～350m。總的氣候特征是：氣候溫和，雨量適中，光照充分，熱量條件較好，無霜期長；季風(fēng)氣候顯著，冬寒夏熱，四季分明。全市年降水量在1 000～1 158mm，年均降水日數(shù)為123.5d，地域分布為北部偏少南部偏多。一年內(nèi)7月降水最多，12月最少。年均蒸發(fā)量為1 469～1 629mm。全市年平均氣溫在15.7～16.1℃，最熱月（7月）平均氣溫28.2～28.4 ℃，最 冷 月 （1 月）2.4 ℃ ～2.8℃；年均最低氣溫在－7.5℃左右。

該區(qū)屬低山區(qū)，緊鄰巢湖。山脈走向為北東35°～40°，平面上呈一個向右倒?fàn)畹男斌w英文字母“M”形，由西向東主要由龜山、馬家山、大尖山、岠嶂山等組成。最高山峰大尖山海拔350m，一般山峰海拔100～300m，最低處獅子口海拔僅20m。

區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)有煤、白云巖、石灰?guī)r、耐火黏土、陶用黏土等，其中石灰?guī)r、白云巖的儲量均屬大型，在安徽省占有重要位置，是華東地區(qū)水泥、化工、溶劑、建材原料的重要基地之一。研究區(qū)地質(zhì)背景與石灰?guī)r分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與石灰?guī)r圖

研究區(qū)位于揚子板塊的東北部、郯廬斷裂帶的東側(cè)，南緣以橋頭集—東關(guān)斷層為界，西緣以青苔山逆沖斷層為界，隸屬于巢湖—無為斷褶帶，在半湯復(fù)式背斜的西翼［4］。

印支運動，尤其是南象幕強烈的褶皺造山運動［5］，奠定了本區(qū)的構(gòu)造格架，產(chǎn)生了 NNE—SSW向褶皺，并伴有一系列的縱斷層、橫斷層和斜斷層。巖漿活動很微弱，區(qū)內(nèi)僅見幾個小的花崗質(zhì)巖脈、巖枝。由于該區(qū)所處的特殊構(gòu)造部位，本區(qū)構(gòu)造經(jīng)歷了長期發(fā)展演化。

巢湖市北部山區(qū)屬揚子地層區(qū)，下?lián)P子地層分區(qū)，六合—巢縣地層小區(qū)。在本區(qū)發(fā)育了志留系下統(tǒng)高家邊組到三疊系東馬鞍山組地層，巖性以碎屑巖和碳酸鹽巖為主。地層厚約2 400m。

2 礦產(chǎn)資源與利用

2.1 石灰?guī)r與白云巖礦

區(qū)內(nèi)石灰?guī)r發(fā)育較好，分布很廣，主要成礦時代為石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)，礦層多、厚度大，是本區(qū)主要礦產(chǎn)之一［6］。根據(jù)工業(yè)用途不同可分為：化工原料礦產(chǎn)、冶金輔助原料礦產(chǎn)、水泥原料礦產(chǎn)及建筑石料礦產(chǎn)。

2.1.1 化工原料石灰?guī)r礦產(chǎn)

巢湖北部有馬脊山化工石灰?guī)r礦床（即維尼綸廠東采礦場）及大尖山東南坡采場，分別位于俞府大村向斜兩翼。含礦地層為下石炭統(tǒng)和州組，上統(tǒng)黃龍組、船山組及中二疊統(tǒng)棲霞組。

含礦4層：① 和州組上部微晶灰?guī)r，厚7.6m；② 黃龍組上段微晶灰?guī)r，厚 22.4m；③ 船山組微晶灰?guī)r、球狀灰?guī)r，厚7.9m；④ 棲霞組下段（臭灰?guī)r段），厚54.30m，礦層很穩(wěn)定，礦石成分主要為方解石。該石灰?guī)r礦床可作熔劑和水泥及維尼綸原料。

2.1.2 水泥原料石灰?guī)r礦產(chǎn)

巢湖市北部現(xiàn)有柴禾山東采場、茨苔山水泥石灰礦和馬家山水泥石灰?guī)r礦（已停采），均由巢湖水泥廠開采利用。

（1）茨苔山水泥石灰?guī)r礦床。位于平頂山向斜南東冀，白姑洞泉東側(cè)，朝陽山（余脈）西南側(cè)山坡。出露石炭系至中二疊系棲霞組，現(xiàn)已被巢湖水泥廠開采殆盡，茨苔山被削平、消失。

（2）馬家山石灰?guī)r礦床（已停采）。位于巢湖市馬家山、平頂山向斜面南冀，礦層主要分布上二疊統(tǒng)及下、中三疊統(tǒng)等層位，總厚約80m，礦層分布穩(wěn)定。礦石類型為石灰?guī)r，間夾瘤狀灰?guī)r、瘤狀泥灰?guī)r和泥灰?guī)r等。

2.1.3 建筑石料礦產(chǎn)

建筑石料礦產(chǎn)主要是石灰?guī)r，分布極廣，厚度大、單層薄、結(jié)構(gòu)致密、性能好、易于開采，是良好的建筑石料。目前廣泛開采利用的主要是石炭系、二疊系及三疊系灰?guī)r。

2.2 耐火黏土、陶用黏土、建材黏土

此類黏土礦層位較多，分布較廣，主要含礦地層為上泥盆統(tǒng)五通組、下石炭統(tǒng)高驪山組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M。

（1）五通組黏土礦。晚泥盆世五通期是區(qū)內(nèi)較好的黏土礦成礦期，黏土礦層較厚，質(zhì)量較好，但沿走向穩(wěn)定性較差。

含礦巖系為五通組上段，共有9層黏土巖，以粉砂質(zhì)黏土為主，層位穩(wěn)定，厚度變化不大，一般1～3m，其中有2層厚度較大，質(zhì)量較好。一層為褐黑色黏土巖，厚6.72m，另一層為褐黑色黏土巖、灰白色黏土巖，厚3.56m，為本區(qū)主要黏土礦層。

礦石成分主要為高嶺石、伊利石，其他少量次要礦物為石英和微量褐鐵礦。含粉砂泥狀、泥狀結(jié)構(gòu)，塊狀、薄層狀構(gòu)造。按化學(xué)成分及工藝性能標(biāo)推劃分可作為3級耐火黏土和陶瓷原料，目前被當(dāng)?shù)厝罕娡练ㄩ_采利用。

（2）高驪山組黏土礦。由于沉積環(huán)境復(fù)雜，故僅在曹家山見工業(yè)礦體。曹家山黏土礦位于平頂山向斜北西翼曹家山一線。黏土礦主要賦存在該組下部。礦體由灰黑、灰紅、淺黃、灰白色黏土巖組成。底部為含褐鐵礦泥巖，頂板為紫紅色泥巖。礦層厚3.32m，不穩(wěn)定，走向延伸1 500m。

經(jīng)工業(yè)試驗，該類型黏土礦可作為3級耐火材料，可作為粗陶瓷原料。目前被當(dāng)?shù)厝罕婇_采利用。

3 礦產(chǎn)開發(fā)現(xiàn)狀

巢湖北部礦區(qū)分布面積約40km2，區(qū)內(nèi)非金屬礦產(chǎn)豐富，大小礦山星羅棋布，由于過度追求經(jīng)濟利益，缺乏可持續(xù)的規(guī)劃開發(fā)，大量的無序開采引發(fā)了各種環(huán)境問題。

3.1 開采引起的大氣粉塵污染

隨著礦山的開采、爆破、運輸?shù)?，產(chǎn)生了巨量的粉塵，污染了環(huán)境和大氣［7］，幾乎波及巢湖市北郊區(qū)域，長期以往，不僅污染了大氣，而且也對當(dāng)?shù)鼐用竦慕】翟斐捎绊懀?］。

3.2 開采對生態(tài)、植被和自然景觀的影響

從早期對石灰?guī)r、白云巖、五通組黏土巖的開采到當(dāng)今對黏土和粉質(zhì)土的開采利用，使得生態(tài)、植被及自然景觀遭到破壞。其中，尤以平頂山、馬家山、龜山最為嚴(yán)重，已被開采得支離破碎，該點緊鄰合肥—蕪湖省級公路，直接影響到對巢湖環(huán)境景觀的印象。

3.3 磷素流失對巢湖水體的影響

對二疊系棲霞組灰?guī)r的開采，直接影響到孤峰組富磷層位的暴露、沖刷、流失，該現(xiàn)象主要發(fā)育在西側(cè)平頂山向斜西翼和俞府大村向斜的西翼（大尖山東坡）。尤其是平頂山向斜西翼地層多為倒轉(zhuǎn)，棲霞組灰?guī)r直接覆蓋在孤峰組富磷層位之上，如圖2所示，棲霞組灰?guī)r的開采直接影響到孤峰組富磷層位的暴露、破碎、風(fēng)化、剝蝕，加之巢湖流域降雨充沛，長期的雨水沖刷也加劇了巖源磷的暴露與淋濾，導(dǎo)致大量磷素釋放，而釋放的磷素通過地表徑流和地下水滲漏，直接流入巢湖，加速了巢湖水體的富營養(yǎng)化進程，導(dǎo)致水體污染。

圖2 巖源磷層位

3.4 采礦活動引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害

受礦山開采等人類工程活動影響，在該區(qū)誘發(fā)了不良地質(zhì)區(qū)塊20多處，如小型滑坡、局部潛在泥石流及地裂縫等，如圖3所示。

圖3 潛在的泥石流

4 礦山環(huán)境評價體系的確立

目前，在礦山地質(zhì)環(huán)境評價模型中，權(quán)重的選取方法主要有專家打分法、調(diào)查統(tǒng)計法、序列綜合法、層次分析法以及專家－層次分析法，應(yīng)用最多的是層次分析法。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP）由文獻［9］提出，是在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過矩陣形式的演算，使定性分析和定量分析相結(jié)合的一種評價和決策的方法［10－11］，此方法一般與綜合指數(shù)法結(jié)合應(yīng)用。層次分析法通常將綜合評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，先將每一層次元素的重要性兩兩比較、定量描述，然后利用數(shù)學(xué)方法計算反映每一層次元素相對重要性的權(quán)值，并進行一致性檢驗，以確定評價指標(biāo)的權(quán)重。

礦山地質(zhì)環(huán)境評價是由若干個單項評價因子及其權(quán)值構(gòu)成的有機整體。在已知評價因子的指標(biāo)值時，綜合評價結(jié)果就取決于權(quán)值，即權(quán)值確定是否合理，關(guān)系到評價結(jié)果的可信程度。目前，國內(nèi)外尚無公認(rèn)的評價權(quán)值確定方法，在評價礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量時，各家采用的評價權(quán)值不一致、方法不統(tǒng)一，因而其評價結(jié)果的主觀性強，出現(xiàn)同一礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果因人而異的結(jié)論，降低了調(diào)查成果的可比性和可信度。因此，制定科學(xué)性、客觀性的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價權(quán)值尤為重要。

4.1 構(gòu)建研究區(qū)評價模型

在深入分析和明確問題的基礎(chǔ)上，將問題因素按性質(zhì)分為不同層組。一般決策問題可劃分為3層結(jié)構(gòu)，即目標(biāo)層（指標(biāo)層）、準(zhǔn)則層、方案層（措施層）。將研究區(qū)存在的主要環(huán)境問題和環(huán)境地質(zhì)背景條件，共計11個評價因子，構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)［12－13］，如圖4所示。

最高層即目標(biāo)層這一層次中只有一個元素，一般它是分析問題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果，即實現(xiàn)對礦山現(xiàn)狀環(huán)境地質(zhì)的評價。中間層即準(zhǔn)則層，這一層次包括了為實現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，包括所需要考慮的準(zhǔn)則，即環(huán)境因子的選取。最底層方案層包括了為實現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策方案等，即某一區(qū)域礦山環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量的級別。在建立遞階層次結(jié)構(gòu)以后，上下層元素間的隸屬關(guān)系就被確定，中間層次的元素以選取的評價因子為準(zhǔn)則，所支配的下一層次的元素為礦山現(xiàn)狀環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量優(yōu)、良、中等、較差、差，目的是按照準(zhǔn)則層的相對重要性賦予方案層中相應(yīng)的權(quán)重。當(dāng)準(zhǔn)則層對于方案層的重要性可以直接定量表示時，它們相應(yīng)的權(quán)重量可以直接確定，但對于此類礦山環(huán)境地質(zhì)評價問題，元素的權(quán)重不容易直接獲得，這時就需要通過適當(dāng)?shù)姆椒▽?dǎo)出它們的權(quán)重，而采用層次分析法即兩兩比較的方法，能夠很好地賦予權(quán)重。

圖4 研究區(qū)遞階層次結(jié)構(gòu)示意圖

對本層次中某元素與其他各有關(guān)元素之間的相對重要性進行比較，并作出合適的標(biāo)度，然后用數(shù)值表示出來，寫出矩陣形式即是判斷矩陣。即把所有指標(biāo)Xi相對于指標(biāo)Xj判斷標(biāo)度aij作為元素組成m×n階方陣，稱為權(quán)值的判斷矩陣。

指標(biāo)Xi相對于指標(biāo)Xj的判斷Xi／Xj標(biāo)度值aij所表示的意義，見表1所列。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

對表1各要素建立兩兩比較矩陣，見表2～表5所列。

表2 準(zhǔn)則A－B判斷矩陣表

表3 指標(biāo)B1－Ci判斷矩陣表

表4 指標(biāo)B2－Ci判斷矩陣表

表5 指標(biāo)B3－Ci判斷矩陣表

權(quán)重值的確定步驟如下。

（1）將判斷矩陣A＝（aij）n×n按列歸一化后再按行加總得：

（2）計算Mi的n次方根：

（3）歸一化處理：

則ωi＝［ω1，ω2，…，ωn］T即為所求的特征向量，分別為各因素的權(quán)重系數(shù)。

一致性檢驗步驟如下。

（1）計算判斷矩陣的最大特征根：

（2）計算一致性指標(biāo)：

（3）計算隨機一致性比例：

當(dāng)CR＜0.1時，即可認(rèn)為該單層次判斷矩陣具有滿意的一致性，說明單層次判斷矩陣的構(gòu)造符合數(shù)學(xué)邏輯，可以依據(jù)該矩陣進行權(quán)值的計算；否則就要重新調(diào)整判斷矩陣，然后再次進行一致性檢驗，直至滿足CR＜0.1要求為止。

利用yaahp軟件對各矩陣進行一致性檢驗，其結(jié)果如下：

A－B：CR＝0.037 0＜0.1，

B1－Ci：CR＝0.097 5＜0.1，

B2－Ci：CR＝0.074 0＜0.1，

B3－Ci：CR＝0.037 0＜0.1。

由以上結(jié)果可以看出，上述所有單排序的CR＜0.1，因此每個判斷矩陣的一致性都是可以接受的。最后進行層次總排序和一致性檢驗，見表6所列。

層次總排序的一致性檢驗：

由此可見層次總排序的一致性是可以接受的。因此，采用層次分析法構(gòu)建的巢湖北部山區(qū)環(huán)境地質(zhì)模型是合理的，所選取的評價因素及確定各種因素之間的相對重要性程度也是可行的。

權(quán)值的大小反映了評價因子對于評價目標(biāo)影響程度的大小，從評價模型中可以看到崩塌所占權(quán)值最大為0.275 0，其后滑坡、水土流失所占權(quán)值也較大，說明對研究區(qū)影響較大的因素主要是這3個方面。而地裂縫、大氣污染、巖性構(gòu)造等因子，雖然所占權(quán)值比重不大，但是如果對當(dāng)?shù)氐牟傻V、公路建設(shè)等活動仍然不加以管理的話，會加劇該區(qū)的環(huán)境質(zhì)量惡化，并產(chǎn)生誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的條件，對環(huán)境的污染也會增大。

表6 層次總排序各因子權(quán)重

4.2 研究區(qū)權(quán)值的建立

評價指標(biāo)在評價模型中作為變量必須賦予量化的值，量化方法應(yīng)根據(jù)同一因子的不同等級對環(huán)境地質(zhì)問題形成和發(fā)生所起的作用不同，進行各因素的量化與分級。將評價結(jié)果劃分為3個等級，即差、中等、好，類比了其他地區(qū)評價因子賦值辦法及環(huán)境地質(zhì)評價技術(shù)要求，結(jié)合經(jīng)驗、相關(guān)文獻和專家意見，確定量化指標(biāo)見表7所列［14－15］。

表7 評價因子量化評分表

在量化評分表的基礎(chǔ)上根據(jù)評價區(qū)域的實際情況，能夠很方便地計算出各評價因子的指標(biāo)數(shù)值，利用指標(biāo)指數(shù)可計算出最高層次的評價目標(biāo)值。最后研究區(qū)的評價結(jié)果等級劃分可利用指數(shù)疊加法求出，指數(shù)疊加法是利用評價體系中各因素的有機疊加來反映評價結(jié)果的一種計算方法，因其方法簡單、結(jié)果準(zhǔn)確而被廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。公式如下：

其中，W為評價區(qū)地質(zhì)條件指數(shù)；Cij為第j個評價單元第i個評價因子權(quán)重值；Qij為第j個評價單元的第i個評價因子量化評分值。當(dāng)W≥0.8，地質(zhì)條件差；當(dāng)0.5≤W＜0.8，地質(zhì)條件中等；W＜0.5，地質(zhì)條件好。

應(yīng)用yaahp軟件算得研究區(qū)評價目標(biāo)值：

所以研究區(qū)的環(huán)境地質(zhì)屬于中等。結(jié)果符合研究區(qū)的現(xiàn)狀，說明使用層次分析法構(gòu)建的評價模型適用于環(huán)境地質(zhì)評價，評價結(jié)果也說明由于之前大規(guī)模的礦山開采活動對研究區(qū)的環(huán)境破壞嚴(yán)重，降低了該區(qū)域的環(huán)境承載力，如果對該區(qū)域的采礦活動仍不加以規(guī)劃管理，那么該區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害會更加嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活都會產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

通過利用AHP法對巢湖北部山區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件的分析結(jié)果可知，對于巢湖北部山區(qū)礦區(qū)發(fā)展影響最大的2個主要因素是危巖體和邊坡失穩(wěn)。因此，建議采取以下措施：

（1）邊坡失穩(wěn)的防治。邊坡高寬比應(yīng)控制在容許坡度值范圍內(nèi)并采取護坡措施。采用種植草皮、防滲和排水措施，減少雨水對裸露土質(zhì)邊坡的侵蝕沖刷。

（2）地質(zhì)地貌景觀破壞的防治。廢料要堆放在指定渣場，渣料運輸車盡量密封或加蓋板、蓋布，防止沿途拋灑，渣場盡快做好復(fù)綠工作。

（3）土地資源的保護。礦石及時外運，利用采石坑堆放礦渣，同時做好防治工作，盡量減少對耕地等資源的占用。

（4）巖溶地面塌陷及地面沉降的防治。在巖溶發(fā)育區(qū)及周邊地區(qū)建立地下水長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，及時掌握區(qū)域地下水位下降情況，指導(dǎo)和預(yù)測巖溶塌陷及地面沉降變形的發(fā)生趨勢，以便提前采取預(yù)防措施。

綜上所述，層次分析法將影響礦區(qū)發(fā)展的各種因素變成了定量問題，使評價更加全面、科學(xué)、公正、準(zhǔn)確，為礦區(qū)的建設(shè)提供反饋和調(diào)控機制，為下一步礦山開發(fā)和保護提供了科學(xué)依據(jù)。

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