李成軼, 田淑芳, 陳建平

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083)

基于證據(jù)權(quán)的礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價

李成軼, 田淑芳, 陳建平

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083)

摘要：由于地質(zhì)條件的復(fù)雜和地理區(qū)域的差異，我國的礦山地質(zhì)環(huán)境問題較為突出，礦山地質(zhì)環(huán)境評價工作至今還沒有形成成熟和普遍適用的體系。通過證據(jù)權(quán)的評價研究，建立基于證據(jù)權(quán)的礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價模型，探索了礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價方法。結(jié)合具體實例，利用WorldView-Ⅱ數(shù)據(jù)對北京市房山、門頭溝重點礦集區(qū)中的部分工作區(qū)進行礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價，針對評價結(jié)果提出了相應(yīng)的治理建議。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)環(huán)境； 證據(jù)權(quán)； 定量評價；北京

中圖分類號：TD167

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0512-07

收稿日期：2015-06-12；修回日期：2015-06-23；編輯：蔣艷

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局項目“京津地區(qū)礦山環(huán)境監(jiān)測”(1212011220062)

作者簡介：李成軼(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為遙感地質(zhì)，E-mail：lcy@cugb.edu.cn

0引言

礦山環(huán)境問題是我國當(dāng)前面臨的一個重要挑戰(zhàn)，因礦山開采活動造成的尾礦庫潰壩、地質(zhì)災(zāi)害、礦山占地等問題，已嚴重危害到人們的生命安全和財產(chǎn)安全(馬麗麗，2013；李謙謙，2014)。目前，我國礦山地質(zhì)環(huán)境評價和治理工作正在加速開展。然而，大多數(shù)地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價采用的方法卻不夠成熟，加上地形復(fù)雜多變，礦山地質(zhì)環(huán)境問題也各種各樣，單個地區(qū)的評價難以形成體系(鄭百功，2015)，所以建立一套完善的礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系有很多困難，對于礦山地質(zhì)環(huán)境評價有大量工作要做。評價因子、評價方法的確定到評價模型的應(yīng)用都需要進行深入研究，尤其是評價指標的確定，現(xiàn)在還存在著許多亟待解決的問題。

從20世紀70年代開始，國外已開始重視礦山環(huán)境保護與治理，礦業(yè)發(fā)達的國家實行了較規(guī)范的礦山環(huán)境保護和礦山環(huán)境評估制度。國外對于礦山地質(zhì)環(huán)境評價的研究很多，Legg(1990)利用遙感技術(shù)對因地表采礦引起的土地環(huán)境問題做了定性評價；Venkataraman等(1997)采用遙感和部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對礦區(qū)植被、土地利用、水資源和土壤質(zhì)量受礦場開發(fā)的影響程度做了定性分析。21世紀初，Christian和Wolfgang結(jié)合RS、GIS、地形和地下水等方法與數(shù)據(jù)，研究了地表植被變化與地下礦山開采的關(guān)系(Fischer et al,2002)，然而他們并未針對礦山地質(zhì)環(huán)境評價總結(jié)出具體的、可操作性的工作流程、模型與方法。

陳建平等(2014)、王巧云等(2014)對區(qū)域隱伏礦體進行三維定量預(yù)測評價時將區(qū)域劃分成很多立方體小塊，在每個立方體小塊中對每種控礦因素的影響賦予一定的權(quán)重，并進行迭加分析，實現(xiàn)了對靶區(qū)的定量評價。參考上述方法，基于RS和GIS技術(shù)，通過對礦山地質(zhì)環(huán)境評價模型和方法的研究，將評價區(qū)劃分為許多單元格，采用證據(jù)權(quán)評分原則，對每個單元格所受證據(jù)因子影響進行打分，然后根據(jù)加權(quán)分值定量評價地質(zhì)環(huán)境。

1研究方法

1.1　證據(jù)權(quán)法

證據(jù)權(quán)法是一種離散的多元統(tǒng)計方法，最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。20世紀80年代，Bonham-Carter等(1989)對此方法進行了改進，將其引入成礦預(yù)測領(lǐng)域。如今國內(nèi)大量地學(xué)專家學(xué)者把證據(jù)權(quán)法應(yīng)用于區(qū)域成礦預(yù)測與評價，并取得了較好的效果(陳建平等，2008，2013；呂鵬等，2011)。然而，證據(jù)權(quán)法暫未被應(yīng)用到礦山地質(zhì)環(huán)境評價中，因此嘗試將證據(jù)權(quán)法與礦山地質(zhì)環(huán)境評價的具體問題結(jié)合起來，建立一套新的礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系。

在成礦預(yù)測與評價中，證據(jù)權(quán)法將每一個控礦因素作為一種證據(jù)因子，根據(jù)各自與事實的關(guān)聯(lián)程度，對控礦信息進行迭加，最后對迭加結(jié)果進行分析，最終實現(xiàn)成礦預(yù)測的目的。具體為將已有成礦事實(礦點或礦床)作為先驗概率，找出其控礦因素，在貝葉斯框架下求得每個控礦因素對于成礦事實的條件概率，以此計算出各因素對于成礦的權(quán)重。而后驗成礦事實則由多種控礦因素變量的權(quán)重和控礦因素變量累加得到。

在礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價中，采用基于證據(jù)權(quán)法進行成礦預(yù)測的框架，再由先驗概率計算權(quán)重步驟作出改進，并在計算后驗概率時轉(zhuǎn)為計算評價分數(shù)。在積累了大量先驗知識的前提下，已然知道了不同因子對于礦山地質(zhì)環(huán)境的影響程度，例如地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境較差，礦山開采強度越大礦山地質(zhì)環(huán)境越差。為了保證權(quán)重與先驗知識的吻合性，采用層次分析法計算每個因子的權(quán)重(層次分析法是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重)。在計算后驗概率步驟中，采用各因子與權(quán)重的加權(quán)和作為結(jié)果，將后驗概率轉(zhuǎn)化為礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價的分數(shù)。這樣便規(guī)避了證據(jù)權(quán)法在礦產(chǎn)資源預(yù)測中的復(fù)雜計算和推導(dǎo)，在一定程度上減少了求解的盲目性，得出的評價分數(shù)用來作為礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價較為合理。

1.2　評價模型

利用基于證據(jù)權(quán)法成礦預(yù)測的思路，做出相應(yīng)改進后，建立礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價模型。首先建立評價單元，即將研究區(qū)劃分成一定大小的形狀規(guī)則的網(wǎng)格單元。然后根據(jù)所選的礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)因子對各個網(wǎng)格單元進行評分，而每個證據(jù)因子分值的影響大小由其權(quán)重決定，權(quán)重由層次分析法獲得。最終計算評價礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)權(quán)分值Q，其計算公式為：

(1)

式(1)中，Q為礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)權(quán)分值，W為評價證據(jù)因子的權(quán)重，F(xiàn)為評價證據(jù)因子的評分，n為評價證據(jù)因子數(shù)量，i為評價證據(jù)因子序號。

1.3　工作流程

根據(jù)研究內(nèi)容，不同的地區(qū)地形地貌、巖性構(gòu)造、開發(fā)礦種、礦產(chǎn)開采方式等各不相同，這些都會影響礦山地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣。由于不同的評價證據(jù)因子以不同的方式和程度作用于礦山地質(zhì)環(huán)境，故不同區(qū)域的不同影響因子對礦山地質(zhì)環(huán)境評價的證據(jù)權(quán)重各不相同。

礦山地質(zhì)環(huán)境評價在考慮多要素綜合和不同要素的自身特點的基礎(chǔ)上，建立評價指標體系、確定評價方法、建立評價模型并確立各指標的權(quán)重，以科學(xué)、簡明的方式對不同區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境進行全面綜合評價。具體的工作流程如圖1。

圖1　工作流程圖Fig.1　Flow chart of the quantitative evaluation model

2實例與討論

通過對不同地形地貌、不同礦種、不同開采方式的區(qū)域進行分析，利用遙感技術(shù)和GIS手段相結(jié)合，分析各種不同因素所造成的地質(zhì)環(huán)境問題的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上按照證據(jù)因子加權(quán)迭加分析的原則，運用證據(jù)權(quán)評價模型對京津地區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境作出定量評價。

2.1　工作區(qū)概況

房山區(qū)和門頭溝區(qū)位于北京市西南部，非金屬礦產(chǎn)豐富，屬于重點礦集區(qū)，其礦產(chǎn)不合理開發(fā)問題比較嚴重，相對來說地質(zhì)環(huán)境問題尤為突出。據(jù)2013年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，門頭溝—房山非金屬1∶1萬工作區(qū)內(nèi)礦山開發(fā)占地為876.17 hm2，其中煤礦開采占地面積最大，為382.95 hm2，占所有礦山占地面積的43.7%；其次為石灰?guī)r，占地面積為126.51 hm2，占所有礦山占地面積的14.43%。占地面積分別為合法采場36.77 hm2、違規(guī)采場78.89 hm2、礦山建筑61.01 hm2、中轉(zhuǎn)場地517.35 hm2、固體廢棄物182.15 hm2。

著重于礦山地質(zhì)環(huán)境評價方法的研究，僅選取項目中房山、門頭溝重點礦集區(qū)的部分區(qū)域為例，實驗所選工作區(qū)如圖2。

2.2　分析過程

工作區(qū)采用空間分辨率為0.5 m的WorldView-Ⅱ高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，采用1 km的單元格，對工作區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境進行評價。

根據(jù)建立的綜合評價體系，評價過程主要分為建立評價單元格、確立評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型、確定各評價證據(jù)因子權(quán)值、建立礦山地質(zhì)環(huán)境評分標準、礦山地質(zhì)環(huán)境總分值計算和等級劃分以及礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)和評價總結(jié)6個部分。

圖2　工作區(qū)示意圖Fig.2　Sketch map showing the work area

2.2.1建立評價單元格2013年度礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價擬采用1 km單元格進行。該單元格可運用GIS軟件，如ArcGIS中Create Fishnet工具，根據(jù)工作區(qū)經(jīng)緯度自動生成(圖3)。

圖3　工作區(qū)評價單元劃分圖Fig.3　Map showing division of evaluation units in the work area

2.2.2確立評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型根據(jù)影響礦山地質(zhì)環(huán)境的主要因素，如自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、開發(fā)占地、礦山地質(zhì)災(zāi)害、水資源破壞程度、礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理等，建立礦山地質(zhì)環(huán)境評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型(圖4)。

圖4　礦山地質(zhì)環(huán)境評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.4　Hierarchical structural model for evaluation of mine geological environment

2.2.3確定各評價證據(jù)因子權(quán)值通過層次分析法獲得各評價證據(jù)因子的權(quán)值(表1)。

表1　工作區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價因子權(quán)重列表

2.2.4建立礦山地質(zhì)環(huán)境評分標準在礦山地質(zhì)環(huán)境評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境特征，分別從自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、資源損毀和地質(zhì)環(huán)境四大系統(tǒng)進行細分，按每個因子的規(guī)模、強度、比例等不同，對礦山地質(zhì)環(huán)境，建立礦山地質(zhì)環(huán)境評分標準，同時參照《礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0266—2014)、《礦山遙感監(jiān)測工作指南》等相關(guān)標準和規(guī)范，確定了16個評價證據(jù)指標的分級標準(表2)。被分為1級的因子對礦山地質(zhì)環(huán)境影響很小，2級因子對礦山地質(zhì)環(huán)境有一定影響，3級因子對礦山地質(zhì)環(huán)境有較大的影響，一個3級因子可導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐V山地質(zhì)環(huán)境的劇烈惡化。

2.2.5礦山地質(zhì)環(huán)境證據(jù)權(quán)分值計算和等級劃分根據(jù)上述評分標準，基于ArcGIS平臺，對每個單元格的16個評價證據(jù)指標分別進行專家評分，單元格歸屬1級評分為1，歸屬2級評分為2，歸屬3級評分為3，分別用顏色深淺表示，由淺到深分別為1、2、3分(圖5)。

圖5　各單元分值評定結(jié)果Fig.5　Evaluation results of scores for every unit

結(jié)合評價證據(jù)指標和礦山地質(zhì)環(huán)境的權(quán)值計算每個單元格礦山地質(zhì)環(huán)境證據(jù)權(quán)分值，根據(jù)評價模型(1)，導(dǎo)出式(2)為：

(2)

式(2)中，i=(1，2，…，16),Xi為第i個評價指標相對礦山地質(zhì)環(huán)境的權(quán)值,Pi為第i個評價指標的評分,W為單元格的證據(jù)權(quán)分值。

在所有單元格礦山地質(zhì)環(huán)境證據(jù)權(quán)分值計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境分級標準(表3)，將礦山地質(zhì)環(huán)境分為3個等級，此標準通過多次實驗與野外驗證制定，也可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)閾值。

2.2.6礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)和評價總結(jié)以礦山地質(zhì)環(huán)境分級結(jié)果圖為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感解譯成果、遙感影像、地形圖、地質(zhì)圖等資料，對礦山地質(zhì)環(huán)境分級結(jié)果圖進行修編，用曲線擬合代替網(wǎng)格折線，并盡量反映礦山環(huán)境的實際邊界，從而得到工作區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價圖(圖6)，并根據(jù)分級結(jié)果提出相應(yīng)的恢復(fù)治理建議。

圖6　工作區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價圖Fig.6　Evaluation map of mine geological environment in the work area

表2　礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)指標分級表

表3　礦山地質(zhì)環(huán)境分級標準

基于證據(jù)權(quán)的礦山地質(zhì)環(huán)境定量評價模型計算出每個單元格的總分值進行定量評價，研究區(qū)被分為3個等級：礦山地質(zhì)環(huán)境級別一般區(qū)(圖中藍線以外區(qū)域)；礦山地質(zhì)環(huán)境級別較差區(qū)(圖中藍線內(nèi)，不包含黃線區(qū)域)；礦山地質(zhì)環(huán)境級別差區(qū)(圖中黃線內(nèi)區(qū)域)，環(huán)境級別差區(qū)一般礦產(chǎn)開采強度大、開采點密集、對資源破環(huán)嚴重而又疏于恢復(fù)治理、災(zāi)害隱患較大。建議對于礦山地質(zhì)環(huán)境級別差區(qū)重點加強治理力度，對于高強度開采的礦點實施一定的限制措施，加大環(huán)境恢復(fù)治理力度，尤其對于地災(zāi)多發(fā)區(qū)域應(yīng)重點防范，減少災(zāi)害的發(fā)生；對于一般區(qū)域應(yīng)在現(xiàn)有狀態(tài)的基礎(chǔ)上加強保護，防止一般區(qū)域演變成較差區(qū)或差區(qū)；對于較差區(qū)域則應(yīng)采取限制開采、環(huán)境恢復(fù)治理、實施生態(tài)保護等措施，使其礦山地質(zhì)環(huán)境級別向一般區(qū)域發(fā)展，嚴防演變成差區(qū)。

3結(jié)論

以遙感和地理信息系統(tǒng)為技術(shù)手段，以遙感數(shù)據(jù)、地形圖、礦區(qū)資料、礦山開發(fā)遙感調(diào)查成果及野外調(diào)查成果為基礎(chǔ)資料，通過分析工作區(qū)的自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦山開發(fā)狀況，對研究區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)指標進行選取。從礦山地質(zhì)環(huán)境評價證據(jù)指標的選取、評價方法的選擇至評價模型的應(yīng)用，都經(jīng)過了大量的研究與實踐，最終對工作區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境結(jié)果進行對比研究，為礦山地質(zhì)環(huán)境評價體系的建立提供依據(jù)。

根據(jù)各個區(qū)域不同的情況建立的礦山地質(zhì)環(huán)境評價指標，總體來看比較全面、科學(xué)，但是對于評價證據(jù)因子的選取還存在一些問題，如人口密度、尾礦庫對周圍環(huán)境的影響，地下開采后礦山周圍土地承載力等因素的改變對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響等。因此，在評價時證據(jù)因子的選取有待于進一步完善。

參考文獻：

陳建平, 陳勇, 王全明.2008.基于GIS的多元信息成礦預(yù)測研究：以赤峰地區(qū)為例[J]. 地學(xué)前緣, 15(4):18-26.

陳建平,嚴瓊,李偉,等.2013.地質(zhì)單元法區(qū)域成礦預(yù)測[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版,43(4):1083-1091.

陳建平,于萍萍,史蕊,等.2014.區(qū)域隱伏礦體三維定量預(yù)測評價方法研究[J].地學(xué)前緣,21(5),211-220.

呂鵬, 朱鵬飛, 畢志偉,等.2011. 基于GIS和證據(jù)權(quán)模型的克什克騰旗有色金屬成礦預(yù)測與評價[J]. 地質(zhì)與勘探, 47(5):909-917.

李謙謙.2014.基于遙感的河北礦山地質(zhì)環(huán)境評價研究[D].河北石家莊：石家莊經(jīng)濟學(xué)院.

馬麗麗.2013.基于GIS與RS的不同礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評價方法對比研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京).

王巧云,劉漢棟,陳建平,等.2014.山東焦家金成礦帶三維地質(zhì)建模及成礦預(yù)測[J].地質(zhì)學(xué)刊,38(3):412-420.

鄭百功.2015.礦山地質(zhì)環(huán)境問題類型及評價方法綜述[J].地球,(4):339-349.

BONHAM-CARTER G F, AGTERBERG F P, WRIGHT D F. 1989.Weights of evidence modelling: a new approach to mapping mineral potential[C]//AGTERBERG F P, BONHAM-CARTER G F. Statistical Applications in the Earth Sciences: Geological Survey of Canada Paper 89-9. Ottawa, CAN: Geological Survey of Canada, 171-183.

FISCHER C, BUSCH W. 2002.Monitoring of environmental changes caused by hard-coal mining[J].Remoteing,GIS Application,and Geology,Proceeding of SPIE,44-46.

LEGG C A.1990.Application of remote sensing to environmental aspects of Surface Mining Operations in the United Kingdom[M]//Institution of Mining & Metallurgy. Remote Sensing: An Operational Technology for The Mining and Petroleum Industries. Dordrecht, NED: Springer Netherlands,159-164.

VENKATARAMAN G,KUMAR S P,RATHA D S,et al.1997.Open cast mine monitoring and environmental impact studies through remote sensing:a case study from Goa,India[J]. Geocarto International,12(2):39-53.

A quantitative evaluation of mine geological environment based on weights of evidence

LI Cheng-yi, TIAN Shu-fang, CHEN Jian-ping

(School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract：Due to the complicated geological conditions and geophysical differences, China′s problems of mine geological environment are more prominent and serious. It is more urgent that China has not yet formed a mature and generally applicable system of evaluation. Under this circumstance, this study established a quantitative evaluation model of mine geological environment based on weights of evidence, and discussed the quantitative evaluation methods. Combined with the specific example, this work quantitatively evaluated the mine geological environment in key ore-concentration areas of Fangshan-Mentougou districts in Beijing using the WorldView-Ⅱ data, and put forward some improvement suggestions based on the evaluation results.

Keywords：mine geological environment; weights of evidence; quantitative evaluation; Beijing