馮虎賁

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

礦產(chǎn)資源是人類社會依存的重要物質(zhì)，也是奠定區(qū)域發(fā)展的基石。雖然當今社會已然意識到礦產(chǎn)資源逐漸枯竭并將新能源開發(fā)轉(zhuǎn)向可再生能源，但礦產(chǎn)資源的開采并未停止[1-2]。由于早年間礦產(chǎn)資源過度開采，人們對生態(tài)環(huán)境重視度不高，導致礦產(chǎn)資源開采區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞[3]。生態(tài)平衡打破后，其生態(tài)環(huán)境無法循環(huán)，導致大量土地資源和水資源等破壞影響人們生活的同時，也為礦區(qū)正常運轉(zhuǎn)帶來了地面塌陷、滑坡等安全威脅[4]。鑒于此，開采礦區(qū)逐漸重視礦產(chǎn)資源開采過程中導致的生態(tài)破壞問題，并逐漸提出礦山恢復治理措施。

為使礦山恢復治理措施更具備針對性，國內(nèi)外學者提出開采礦區(qū)生態(tài)資源評價方法，如張建萍等[5]研究的礦山地質(zhì)環(huán)境風險評價方法，該方法從礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性角度出發(fā)，通過構(gòu)建脆弱性評價指標體系并計算指標權(quán)重后，利用數(shù)學模型評價礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性，但該方法的數(shù)學評價模型在使用過程中存在收斂性不佳情況，導致其評價結(jié)果不夠準確。李小燕等[6]通過遙感影像形式獲取開采礦區(qū)當前生態(tài)環(huán)境影像，利用ArcGIS技術平臺獲得礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境評價結(jié)果，但該方法獲取的開采礦區(qū)生態(tài)影響受噪聲以及拍攝環(huán)境影響使其畫面不夠真實，影響其評價結(jié)果。Sadi Z等[7]研究礦區(qū)地質(zhì)放射性廢物在遷移過程中的輻解對土壤和水的不利影響，以及采礦巷道受到污染后對其周圍水體污染情況，利用DGR工程屏障系統(tǒng)評價礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境。該方法是從礦區(qū)污染物角度對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境展開評價，且其使用的DGR工程屏障系統(tǒng)評價模型輸出結(jié)果極為精準，但該方法僅從礦區(qū)土壤和水體污染角度展開評價，未考慮礦區(qū)地形地貌以及植被破壞情況，存在一定的片面性。針對上述開采礦區(qū)評價方法存在的問題，本文提出開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價方法，以提升開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價效果。

1 環(huán)境綜合分級定量評價

1.1 研究區(qū)概況

以某非金屬礦山為研究對象，該礦山開采持續(xù)時間超過33年，屬于較為古老的礦區(qū)。非金屬開采礦區(qū)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 非金屬開采礦區(qū)現(xiàn)場Fig.1 Site map of non-metallic mining area

該礦區(qū)開采時間較長，其礦山周邊地質(zhì)環(huán)境問題較為突出。其地下水資源量較少且水質(zhì)量較差，開采非金屬礦產(chǎn)生的土渣污染水資源的同時也破壞了礦山周邊的地貌[8]，土地和植被破壞較為嚴重。

1.2 指標體系構(gòu)建及指標因子等級賦值

由于礦山周邊地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境破壞嚴重[9-10]，選擇可以表征礦山地質(zhì)災害問題、環(huán)境污染和景觀破壞和土地占用等方面互相獨立的指標構(gòu)建評價開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的綜合評價指標體系，見表1。

表1 開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標體系Tab.1 Comprehensive classification and quantitative evaluation index system of mining geological environment in mining area

開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標體系由一級指標和二級指標構(gòu)成，并由該2種指標組成其綜合指標。其中，一級指標是二級指標的整體描述，二級指標是開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境細節(jié)的刻畫[11-12]。使用模糊層次分析算法對開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標的一級指標和二級指標進行相對重要程度賦值，并依據(jù)該賦值計算各個指標的權(quán)重，將其權(quán)重數(shù)值與相對重要程度賦值相乘后可得到各個指標的實際得分[13-14]。

利用模糊層次分析算法得到開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標因子的等級賦值，計算過程：令一級指標集合和二級指標集合分別為Y={Y1，…，Yi，Yn}、Yi={Yi1，…，Yij，Yim}，其中，i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m。令一級指標的單因素指標評價等級為V={V1(好)，V2(較好)，V3(一般)，V4(較差)，V5(差)}，通過對礦山采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標的一級指標單因素評價等級集合進行5種標準判斷后，得到其單因素指標評價集合Vij={Vij1，…，Vijk，Vij5}。其中，k=1，2，…，5。

通過構(gòu)建上述礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價權(quán)重判斷矩陣并進行一致性檢驗后[17-18]，得到開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標因子等級賦值，見表2。

表2 定量評價指標因子等級賦值Tab.2 Quantitative evaluation index factor grade assignment

1.3 綜合分級定量分區(qū)

依據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標因子等級賦值，利用GIS空間分析算法分析其綜合等級賦值頻率分布情況[19-20]，并確定礦山地質(zhì)環(huán)境評價的分區(qū)閾值，得到開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量分區(qū)結(jié)果。

2 試驗分析

在該非金屬開采礦區(qū)設置10個環(huán)境資源綜合評價點，使用本文方法評估該開采礦區(qū)的環(huán)境資源情況。10個環(huán)境資源綜合評價點位置如圖2所示。對開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標進行賦值處理，結(jié)果見表3。依據(jù)上述開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價指標賦值結(jié)果，以該非金屬開采礦區(qū)的地形地貌景觀破壞為衡量指標，分析該礦山開采礦區(qū)的資源與環(huán)境破壞情況，結(jié)果如圖3所示。

圖2 綜合評價點位置示意Fig.2 Location of comprehensive evaluation points

表3 綜合分級定量評價指標賦值Tab.3 Comprehensive grading and quantitative evaluation index assignment

圖3 開采礦區(qū)的地形地貌景觀破壞情況Fig.3 Destruction of topography and landscape in mining area

分析圖3可知，該開采礦區(qū)覆蓋區(qū)域的中部位置地形地貌景觀較差，而后向四周擴展其地形地貌景觀情況逐漸變化為較差、一般、較好、好。說明該開采礦區(qū)的非金屬開采區(qū)域為其中部區(qū)域，其非金屬開采程度較高。因此，該區(qū)域的地形地貌破壞嚴重。而逐漸向外擴展，其地形地貌景觀破壞情況逐漸變輕，但地形地貌破壞為較差等級的分布區(qū)域較等級為好、較好和一般的等級占比達到1/3左右，說明該礦區(qū)在開采時對地形和地貌破壞重視程度不高，其整體地形地貌破壞較為嚴重。為更清楚呈現(xiàn)該礦區(qū)的資源與環(huán)境破壞情況，以含水層破壞程度為衡量指標，分析其水資源破壞情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 開采礦區(qū)含水層破壞程度Fig.4 Destruction degree of aquifer in mining area

分析圖4可知，該非金屬礦區(qū)的含水層破壞程度較其地形地貌破壞程度較輕微，但其含水層破壞程度等級分布規(guī)律與其地形地貌景觀破壞情況較為相符。其含水層破壞程度集中在其地形地貌破壞嚴重區(qū)域，其他區(qū)域則含水層破壞程度等級均較好。其原因在于水資源的含水層位于地下幾十米位置，若其巖層不被破壞則含水層也不會破壞。但地下含水層層深不一，若與地面距離較深的含水層遭到破壞，則該含水層會出現(xiàn)斷流情況，導致與地面距離較淺位置處的含水層所含水量急速下降，也會導致含水層破壞情況。因此，該礦區(qū)的含水層破壞程度較嚴重區(qū)域分布在其非金屬礦開采位置。

從該礦區(qū)的土地占用為衡量指標，分析10個評價點位置處的非植被面積和非植被占用比例等情況，分析該礦區(qū)的資源與環(huán)境破壞程度。開采礦區(qū)土地占用評價結(jié)果見表4。

表4 開采礦區(qū)土地占用評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of land occupation in mining area

分析表4可知，該礦區(qū)土地占用情況較為單一，但整體土地占用等級較好。該礦區(qū)的開采區(qū)域的評價點為5、6、7、8，該4個評價點植被覆蓋度數(shù)值較低，其評價等級為差和較差。而其他區(qū)域植被覆蓋度數(shù)值相對較高，評價等級也較高。上述結(jié)果表明，該礦區(qū)當前開采面積較小，對區(qū)域的植被破壞程度稍低，但其部分開采區(qū)域幾乎植被覆蓋僅為個位數(shù)，說明該處即為非金屬礦井位置。綜合分析圖3、圖4和表4可知，該非金屬礦區(qū)目前開采面積較小，但其開采區(qū)域的植被覆蓋度數(shù)值極低，且地形地貌破壞嚴重和含水層破壞嚴重。以其開采區(qū)域為中心向四周延伸，區(qū)域覆蓋位置的地形地貌、土地占用和含水層破壞等級均逐漸降低。

以地面裂縫作為衡量該非金屬開采礦區(qū)地質(zhì)災害評價指標，測試該非金屬開采礦區(qū)的地質(zhì)災害情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 地裂縫等級評價結(jié)果Fig.5 Evaluation results of ground fissure grade

分析圖5可知，該非金屬開采礦區(qū)的地裂縫評價等級較低區(qū)域分布在評價點5、6、7、8處，說明該礦區(qū)的開采區(qū)域的地裂縫情況比較嚴重。評價點5、6、7、8處為中心，與其相連的東北區(qū)域和西北區(qū)域位置地裂縫情況逐漸輕微，而其以西方向的地裂縫程度較其東部位置稍嚴重，說明其非金屬礦開采區(qū)域向西延伸。因此，開采中心西部區(qū)域的地裂縫情況稍嚴重。以土壤污染衡量該非金屬礦區(qū)的環(huán)境污染情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 開采礦區(qū)土壤污染評價等級Fig.6 Evaluation grade of soil pollution in mining area

分析圖6可知，該非金屬開采礦區(qū)的土壤污染較為嚴重，尤其是其開采區(qū)域位置處，其土壤污染等級為差。較該礦區(qū)的主要開采區(qū)域較遠區(qū)域土壤污染情況稍好，但其評價等級為一般。說明該礦區(qū)在非金屬礦開采過程中對土壤資源保護不佳，土壤污染情況不容樂觀。

綜合上述評價結(jié)果，使用本文方法評價該非金屬開采礦區(qū)一級指標等級，結(jié)果如圖7所示。

圖7 綜合分級定量分區(qū)評價結(jié)果Fig.7 Comprehensive grading and quantitative zoning evaluation results

分析圖7可知，該礦區(qū)由于開采時對水資源保護力度不夠，造成嚴重的環(huán)境污染，其環(huán)境污染等級較低，而地質(zhì)災害和資源與環(huán)境破壞程度稍高。其中，地質(zhì)災害評價等級為較好，說明其對開采礦區(qū)崩塌、地面塌陷等防護措施工作較全面；而資源與環(huán)境破壞等級為一般，表明該礦區(qū)對地形地貌的破壞和含水破壞程度較嚴重，但在可控范圍內(nèi)。

綜合上述結(jié)果得出，該非金屬開采礦區(qū)生態(tài)環(huán)境總體較差，對生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，未來需投入人力物力對其進行修復。

4 結(jié)語

本文提出開采區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合分級定量評價方法，并將其應用到非金屬開采礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價過程中。評價結(jié)果表明，本文方法可從多個角度對該非金屬開采礦區(qū)進行綜合評價，并得出該非金屬開采礦區(qū)地質(zhì)綜合評價等級較低。本文方法雖可有效評價開采礦山地質(zhì)環(huán)境等級，為其地質(zhì)環(huán)境綜合礦山恢復治理提供良好的數(shù)據(jù)基礎，但其并未從地下水重金屬含量角度進行評價，存在一定的片面性，未來需要更多學者加以補充。