劉得輝 ,王永志 ,,梁標志 ,霍雨佳 ,高旭 ,孟祥卉
(1.吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院,吉林 長春 130026;2.吉林大學綜合信息礦產(chǎn)預測研究所,吉林 長春 130026;3.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,廣西 南寧 530023)
國家經(jīng)濟發(fā)展離不開礦產(chǎn)資源的支撐[1],各種礦產(chǎn)資源的有效利用與合理開采對我國經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要[2],戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源更具有難以替代的作用。美國、日本等發(fā)達國家已建立較完善的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略儲備評價體系[3]。我國也陸續(xù)開展了戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源綜合利用探索研究[4-5],礦產(chǎn)儲備的戰(zhàn)略定位和意義逐漸清晰[6],可根據(jù)急缺礦種及國際形勢進行全面儲備研究[7]。
為保證社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,有效應對突發(fā)事件,保障經(jīng)濟及國防安全,制定國家礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略儲備迫在眉睫[8]。國務院批復的《礦產(chǎn)地儲備工程實施方案》通過確立儲備目標靶區(qū)、明確儲備方式,旨在形成全國礦產(chǎn)地儲備規(guī)劃布局[9]。中國地質(zhì)調(diào)查局實施的“全國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源儲備調(diào)查與評價”項目,探索了國家層面的礦產(chǎn)資源儲備規(guī)劃方法。2017-2020年已完成新疆、西藏、內(nèi)蒙古、甘肅、廣西、江西等13個省(自治區(qū))的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源儲備調(diào)查與評價工作,初步建立符合我國基本國情的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源儲備體系。
礦產(chǎn)地儲備作為戰(zhàn)略儲備的一種形式,可以保證礦產(chǎn)資源的持續(xù)供應[10]、穩(wěn)定和調(diào)節(jié)市場平衡、抗御金融風險[11],還能保障國家安全和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3,6,12]。儲備礦產(chǎn)地的規(guī)模、布局和結(jié)構(gòu)隨著國內(nèi)外經(jīng)濟政治局勢、礦產(chǎn)資源形勢以及地理位置等因素的變化而調(diào)整[13]。在礦產(chǎn)資源供應平衡或資源利用格局發(fā)生變化時,應有序?qū)涞牡V產(chǎn)地開發(fā)使用,但當前仍采用傳統(tǒng)的定性方法決定對某個礦產(chǎn)地進行開發(fā)利用,尚無定量化的儲備礦產(chǎn)地開采適用評價方法。本文基于多指標決策(MCDM)框架[14-16],利用層次分析法(AHP)創(chuàng)建儲備礦產(chǎn)地開采評價體系,采用ArcGIS軟件的空間分析與挖掘方法,加權(quán)疊加分析研究區(qū)內(nèi)各鋁土礦儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢度,為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用提供科學依據(jù),對實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)發(fā)展及提高礦產(chǎn)資源經(jīng)濟效益具有重要作用。
廣西鋁土礦主要分布于桂西、桂西南和桂中地區(qū),桂西-黔西南-滇東南北部(右江地槽)成礦帶及湘中-桂中北成礦帶,礦床類型主要為風化堆積型及沉積型。礦產(chǎn)資源開發(fā)時間較晚,上世紀70年代才在已查明資源儲量的平果縣那豆等地開始小型鋁礦山開采,每年出口熟鋁礬土礦石3~5萬t,部分留作金剛砂等磨料加工的原材料,礦產(chǎn)資源的有效利用較低。廣西鋁土礦自80年代才作為提煉金屬才取得大規(guī)模的顯著開發(fā)和利用。
空間區(qū)域選擇南寧市的賓陽縣、橫縣,貴港市的港北區(qū)、港南區(qū)、覃塘區(qū),來賓市的興賓區(qū)、武宣縣,共計7個相鄰的市級空間區(qū)域作為研究區(qū)。區(qū)內(nèi)分布8個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地(圖1a)。
圖1 研究區(qū)及路網(wǎng)緩沖區(qū)分布Fig.1 Distribution of the study area and the road network buffer zone
根據(jù)廣西省鋁土礦的成礦特征,該礦種的儲備礦產(chǎn)地優(yōu)選標準是具有中型及以上資源儲量的鋁土礦的礦床。通過系統(tǒng)分析廣西鋁土礦勘查成果,初步篩選出大圩、六相、校椅、石塘、云表-長寨、石牙、稔竹-王靈、三里-大嶺等8個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地,累計查明(保有)鋁土礦資源量共約3.04億t[17]。
研究使用的儲備礦產(chǎn)地、礦業(yè)權(quán)等數(shù)據(jù)取自中國地質(zhì)調(diào)查項目“全國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源儲備調(diào)查與評價”的廣西壯族自治區(qū)成果數(shù)據(jù)(梁標志等,2021)。將MapGIS格式原始文件轉(zhuǎn)為對應ArcGIS文件;人口、GDP數(shù)據(jù)從2021年廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計年鑒及區(qū)域統(tǒng)計年鑒獲取,并計算研究區(qū)各縣域的人均GDP;路網(wǎng)數(shù)據(jù)從OpenStreetMap官網(wǎng)(https://www.openstreetmap.org)下載,并計算研究區(qū)路網(wǎng)密度;廣西壯族自治區(qū)30 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)取自地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.geodata.cn);坡度由廣西壯族自治區(qū)30 m分辨率DEM計算得到;土地利用類型來自ESRI用深度學習從10 m哨兵影像數(shù)據(jù)的提取(https://esri.maps.arcgis.com)。
采用層次分析法(AHP)和GIS空間分析(SA)進行綜合評價,AHP主要將目標分解為多指標的定性和定量分析,SA對地理空間目標進行形態(tài)結(jié)構(gòu)分類后,對目標空間關(guān)系和行為進行描述,為進一步空間決策提供服務的功能體系。AHP和GIS空間分析相結(jié)合廣泛應用于選址決策、適宜性綜合評價、地質(zhì)災害分析等領(lǐng)域,用于礦產(chǎn)資源開采優(yōu)勢評價將為開采優(yōu)勢度提供量化決策依據(jù)。
礦產(chǎn)資源開采活動處于不斷發(fā)展的動態(tài)過程[18],不同條件下礦產(chǎn)開采優(yōu)勢差異較大,單一因素分析難以客觀判斷礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢情況,多種指標綜合評價礦產(chǎn)資源開采優(yōu)勢度將更為科學[2,19]。以研究區(qū)的交通運輸及供電條件、社會經(jīng)濟及資源狀況、地形條件、土地條件和礦床開采技術(shù)條件及地質(zhì)特征等建立評價體系,結(jié)合禁采區(qū)、開采成本、礦政管理等多種因素,綜合考慮各鋁土礦的儲備礦產(chǎn)地整體開采優(yōu)勢。根據(jù)各評價因子對儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢的影響程度劃分不同等級,各等級開采優(yōu)勢的貢獻度具有一定差異性(如禁采區(qū)內(nèi)評價因子的儲備優(yōu)勢為0)。結(jié)合各因素對實際礦產(chǎn)資源開采的影響程度及價值,利用AHP法對所有評價準則進行兩兩重要性對比,建立比較矩陣,經(jīng)矩陣運算求得準則權(quán)重[20];采用GIS空間分析加權(quán)疊加多個評價指標,計算得到各儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢度。
2.2.1 評價因素
(1)交通運輸與供電
路網(wǎng)因素作為礦產(chǎn)資源開采優(yōu)勢評價的重要指標之一,是礦產(chǎn)品、原材料等運輸通道,以鐵路、高速公路以及一級公路、二級公路等為主。交通便利區(qū)域?qū)⒂兄诘V產(chǎn)資源的運輸,依路網(wǎng)數(shù)據(jù)計算路網(wǎng)密度(圖1b),路網(wǎng)密度越大,交通優(yōu)勢越高,運輸能力越強[21],利于降低礦產(chǎn)開采成本。按鐵路、公路的運輸影響程度做不同緩沖區(qū),對主要公路分別做1、5、10、15 km的緩沖區(qū)(圖1c),鐵路則生成5、10、20、35 km的緩沖區(qū)(圖1d)。根據(jù)鐵路和公路安全保護條例及礦產(chǎn)資源法規(guī)定,將距鐵路1 km和高速公路300 m范圍劃為礦產(chǎn)開采活動禁采區(qū)域。在道路禁采區(qū)以外,離道路越近其運輸能力越強,交通運輸優(yōu)勢越高,反之越低。
供電條件對礦產(chǎn)開采有著重要的影響,開采設備運轉(zhuǎn)及企業(yè)運營均需要電力支持。充足供電是礦產(chǎn)資源順利開采的保障。反之,將一定程度上限制礦產(chǎn)開采。本研究區(qū)各儲備礦產(chǎn)地供電條件充足。
(2)地形
地形因素主要包括高程(圖2a)和坡度(圖2b)。不同地形環(huán)境對開采活動的影響程度不同。地形坡度越大,礦產(chǎn)開采誘發(fā)山體滑坡和礦山坍塌等地質(zhì)災害的可能性越高,生態(tài)環(huán)境越容易遭到破壞,礦產(chǎn)開采的安全風險越高。同時,隨露天開采的剝采比增高,引發(fā)災害風險較大;在坡度較小且開采有利區(qū),其風險系數(shù)較低。坡度、剝采比等相同條件下,海拔越高對開采設備和開采技術(shù)要求更高,費用將越大,可能降低礦產(chǎn)開采經(jīng)濟效益。
圖2 DEM及坡度分布Fig.2 DEM and slope distribution
(3)土地
土地因素主要包括土地利用類型、水系、建筑用地等。礦產(chǎn)資源開采活動對周圍環(huán)境具有一定程度影響和破壞,為保證生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定以及安全,將部分土地區(qū)域劃為禁采區(qū);距鐵路1 km和高速公路及一級公路300 m范圍內(nèi)劃為道路禁采區(qū);將河流和水庫劃為水系禁采區(qū);將以上區(qū)域構(gòu)成礦產(chǎn)開采的禁采區(qū)(圖3b)。建筑用地屬于禁采區(qū)域(圖3a),特別是城鎮(zhèn)地區(qū)因開采活動會對人群日常生活影響較大,故其開采優(yōu)勢最低;未利用裸地基本無植被覆蓋,開采影響較小,開采優(yōu)勢最高;草地、灌木等次之。因開采活動需要大量水資源支持,故開采區(qū)離地表水系越近對礦產(chǎn)開采越有利。
圖3 土地利用及禁采區(qū)分布Fig.3 Distribution of land use and prohibited mining areas
(4)社會經(jīng)濟與資源儲量
經(jīng)濟條件主要包括人均GDP(圖4a)和礦產(chǎn)資源儲量(圖4b)。人均GDP越高的礦產(chǎn)資源開采優(yōu)勢相對較高。礦產(chǎn)資源儲量是開采優(yōu)勢評價的最重要指標,資源儲量越大其開采經(jīng)濟價值越大,礦產(chǎn)地開采的優(yōu)勢越大。單位面積內(nèi)礦產(chǎn)資源儲量越多其資源集中度越高,越有利于礦產(chǎn)開采,故采用礦產(chǎn)資源集中度作為一個主要的評價指標:
圖4 人均GDP及礦產(chǎn)資源儲量分布Fig.4 Distribution of per capita GDP and mineral resources reserves
式中:ci表 示第i個鋁土礦各儲備礦產(chǎn)地礦產(chǎn)資源集中度,Ri表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地資源儲量,Si表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地面積。
(5)礦床開采技術(shù)條件
礦床開采技術(shù)條件對礦產(chǎn)資源開采優(yōu)勢評價影響較大,不同地質(zhì)條件下開采技術(shù)復雜程度不同,主要由水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)共同決定礦床開采技術(shù)條件類型。研究區(qū)內(nèi)所有礦床的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)均為簡單類型,因此開采技術(shù)條件類型主要由環(huán)境地質(zhì)問題決定,除賓陽縣稔竹-王靈礦區(qū)三水鋁土礦環(huán)境地質(zhì)為簡單類型外,其余環(huán)境地質(zhì)均為中等類型,研究區(qū)內(nèi)8個儲備礦產(chǎn)地的開采技術(shù)條件類型見表1。
表1 礦床開采技術(shù)條件與地質(zhì)特征Table 1 Technical conditions and geological characteristics of deposit mining
(6)礦床地質(zhì)特征
礦床規(guī)模:研究區(qū)內(nèi)除貴港市三里-大嶺三水鋁土礦為中型礦床外,其余均為超大型礦床(表1);成礦時代:貴港市大圩三水鋁土礦成礦時代為中上(新)太古界(代),橫縣石塘礦區(qū)三水鋁土礦和橫縣云表-長寨礦區(qū)三水鋁土礦成礦時代為泥盆系,橫縣校椅礦區(qū)三水鋁土礦、來賓市石牙礦區(qū)三水鋁土礦、橫縣六相礦區(qū)三水鋁土礦、賓陽縣稔竹-王靈礦區(qū)三水鋁土礦和貴港市三里-大嶺三水鋁土礦成礦時代均為第四紀(系);礦床成因:所有儲備礦產(chǎn)地均為風化礦床,埋藏較淺,礦山生產(chǎn)成本低且經(jīng)濟效益好;開采類型:各礦區(qū)均為露天開采(表1)。因此地形、水系、固定建筑物和路網(wǎng)等對礦產(chǎn)開采的影響較大。
(7)礦政管理
國家對礦產(chǎn)資源勘查實行統(tǒng)一的登記制度,勘查礦產(chǎn)資源必須依法登記,由自然資源部及各省礦產(chǎn)部門管理。研究區(qū)內(nèi)存在采礦權(quán)和/或探礦權(quán),表明該區(qū)域的礦產(chǎn)資源豐富,故礦政數(shù)據(jù)亦作為優(yōu)勢評價的重要指標之一。
2.2.2 確定評價因子體系
為保證評價結(jié)果的客觀性和科學性,結(jié)合廣西壯族自治區(qū)鋁土礦儲備礦產(chǎn)地所處地理位置和礦產(chǎn)資源開采條件等特點,選取了供電條件、資源儲量、坡度、水文地質(zhì)環(huán)境等14個評價因子作為研究區(qū)鋁土礦儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢評價因子(表2),并確定其評價體系和流程(圖5)。
表2 儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢評價體系Table 2 Evaluation system of mining advantage in reserve mineral fields
圖5 開采優(yōu)勢評價流程Fig.5 Flow chart of mining advantage evaluation
2.2.3 評價因子權(quán)重及分級
通過層次分析法(AHP)確定各評價因子的權(quán)重值[14,22-24]。由中國地質(zhì)調(diào)查局和廣西地調(diào)部門的地質(zhì)、礦產(chǎn)等領(lǐng)域的專家,根據(jù)各評價指標對礦產(chǎn)開采活動影響及開采社會經(jīng)濟效益和應對突發(fā)緊急狀況等程度,對其進行綜合打分評價。根據(jù)各專家對各評價因素重要性的打分結(jié)果[25],統(tǒng)計各因素的確切指標數(shù)值,建立層次結(jié)構(gòu)并構(gòu)造判斷矩陣[23](表3)。根據(jù)特征向量計算得到最大特征值為5.122,一致性指標CI=0.031。依據(jù)CI進行一致性檢驗,得到一致性系數(shù)CR=0.027(<小于0.1),說明判斷矩陣一致性較好[14,24],權(quán)重分配合理。通過層次單元排序及一致性檢驗、總層次排序及一致性檢驗,計算出各因子的二級指標層權(quán)重(表4)。
表3 一級指標判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of primary indicators
表4 二級評價指標層權(quán)重Table 4 Weights of secondary evaluation index layers
2.2.4 開采優(yōu)勢評價指標分級
根據(jù)評價因子對儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢的影響程度進行等級劃分。評價因子的分級和量化參考地質(zhì)專家建議和國內(nèi)外相關(guān)研究成果[14],各開采優(yōu)勢評價指標層劃分為不同等級(表5)。
表5 儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢評價指標分級Table 5 Grading of evaluation indicators for mining advantages of reserve mineral fields
研究區(qū)鋁土礦儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢評價主要通過對多個評價因子的綜合計算,即對各評價指標要素進行加權(quán)疊加分析[14]:
S表示儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢初步綜合得分,Wi表示第i個因素的綜合權(quán)重,Ai表 示第i個因素的分級分值,n表示參評因子數(shù)。
通過對各評價因素的分析,結(jié)合道路水系等禁采區(qū)、資源儲量及礦業(yè)權(quán)等進行空間分析,計算得到各鋁土礦儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢量化結(jié)果。因某個儲備礦產(chǎn)地各因素對開采活動影響具有一定差異性,將導致同一儲備礦產(chǎn)地的不同區(qū)域可能出現(xiàn)不同的開采優(yōu)勢度(圖6a)。為了獲取每個儲備礦產(chǎn)地整體開采優(yōu)勢結(jié)果,利用公式(2)和(3)對不同綜合得分柵格進行計算,可獲得整體開采優(yōu)勢度結(jié)果。稔竹-王靈礦區(qū)三水鋁土礦(圖6b)的初步綜合得分別為6、7、8,柵格數(shù)分別為40、151、6,柵格總數(shù)為197,經(jīng)公式(3)、(4)計算得到開采優(yōu)勢度初步評價結(jié)果H為4.78107(表6)。
表6 儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢評價結(jié)果Table 6 Evaluation results of mining advantages of reserve ore producing area
圖6 儲備礦產(chǎn)地初步評價綜合得分柵格分布Fig.6 Raster distribution of comprehensive score for preliminary evaluation of reserve mineral fields
式中:hi表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地開采初步優(yōu)勢結(jié)果,Nis表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地初步評價綜合得分為S的柵格數(shù),Mi表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地柵格總數(shù),Si表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢初步綜合得分,n表示儲備礦產(chǎn)地個數(shù)。
利用公式(4)計算得到最終開采優(yōu)勢度(表6),式中賦權(quán)重W1=0.7、W2=0.2、W3=0.1,目的是控制各因子結(jié)果的范圍大小,不影響評價結(jié)果的優(yōu)勢關(guān)系。在表6中H表示礦產(chǎn)初步開采優(yōu)勢度;C表示礦產(chǎn)資源集中度,集中度越高開采優(yōu)勢越高;D表示鋁土礦儲備礦產(chǎn)地完整性。儲備礦產(chǎn)地被禁采區(qū)分割為不同大小的地區(qū),被劃分的越分散其完整性越低,越不利于礦產(chǎn)資源開采,增加了開采成本(將提高管理成本、運輸費用等),從而一定程度上會降低礦產(chǎn)資源的利用效益等。
R表示鋁土礦儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢度,Hi表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地初步評價優(yōu)勢結(jié)果,Ci表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地礦產(chǎn)資源集中度,Di表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地分散度,ni表示第i個鋁土礦儲備礦產(chǎn)地被路網(wǎng)等劃分成多個小區(qū)域的個數(shù)。
根據(jù)以上方法,計算得到研究區(qū)鋁土礦儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢結(jié)果(圖7)。開采優(yōu)勢度值域為0.3922~4.0328,校椅礦區(qū)三水鋁土礦開采優(yōu)勢度最高(4.0328),第二為大圩三水鋁土礦開采優(yōu)勢度(4.61867),三里-大嶺三水鋁土礦開采優(yōu)勢度(0.3299)最低。由表6可知,研究區(qū)開采優(yōu)勢度H的范圍為3.86442~4.8111;礦產(chǎn)資源集中度C的取值范圍為2.7777~17.0179;儲備礦產(chǎn)地整體性D的值域為0.01~0.1。
圖7 開采優(yōu)勢度分布Fig.7 Mining dominance distribution
道路和水系等禁采區(qū)對儲備礦產(chǎn)地的完整性影響較大。賓陽縣稔竹-王靈礦區(qū)三水鋁土礦儲備礦產(chǎn)地(圖6b)初步評價結(jié)果為4.78107,其開采優(yōu)勢較大,但由于被禁采區(qū)分割為多個面積不等的區(qū)域,計算后完整性較低(0.01),一定程度上增加開采成本,故其最終開采優(yōu)勢度較低(僅0.444)。礦產(chǎn)資源集中度對最終評價影響較大,對最終評價結(jié)果影響明顯。貴港市三里-大嶺三水鋁土礦其初步評價結(jié)果(4.70603)和完整性(0.03)都為中等,由于其礦產(chǎn)資源集中度最低(僅2.7777),最終開采優(yōu)勢結(jié)果亦最低(僅0.3922)。
對計算結(jié)果分析可知,8個儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢度整體相差較小,但與實際開采及利用吻合度較高。石塘礦區(qū)三水鋁土礦的初步評價結(jié)果最低(3.86442),分析可知主要原因是受資源儲量、地形、路網(wǎng)等因素影響導致。石塘礦區(qū)三水鋁土礦儲備礦產(chǎn)地位于山地區(qū)域,坡度大多在20~30°之間,路網(wǎng)密度低,距離鐵路和主要道路較遠,交通運輸能力弱,且資源儲量低,小于2384萬 t,導致其初步評價結(jié)果最低。結(jié)合其儲備礦產(chǎn)地的完整性(0.1)和資源集中度(7.7965)計算得到最終開采優(yōu)勢度結(jié)果為3.0129,排在第三位。
(1)根據(jù)廣西鋁土礦時空分布與成礦規(guī)律,構(gòu)建依據(jù)交通、地形、礦床地質(zhì)特征和礦產(chǎn)資源儲量等14個評價因子的指標體系和模型,建立了一套多方面多角度的快速定量化評價儲備礦產(chǎn)地開采優(yōu)勢方法。
(2)利用AHP確定各評價指標的權(quán)重,采用加權(quán)疊加模型計算獲得各儲備礦產(chǎn)地的開采優(yōu)勢度,評價結(jié)果與實際情況總體吻合效果好,證明該量化評價方法可行且具有較高的可信度,在應對突發(fā)狀況時可根據(jù)其評價結(jié)果和需求程度進行有序開采,有益于戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的高效利用。
(3)此研究為廣西壯族自治區(qū)鋁土礦儲備礦產(chǎn)地未來開采提供科學支撐,為該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用規(guī)劃、統(tǒng)籌地方經(jīng)濟發(fā)展提供決策依據(jù),同時也為其他礦產(chǎn)資源開采提供了一定參考價值,將有助于提高礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟效益。