江 雷,婁嘉慧,史 沖
(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊,河南 鄭州 450016;2.鄭州大學(xué)政治與公共管理學(xué)院,河南 鄭州 450001)
隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,我國的生態(tài)文明建設(shè)水平逐漸落后于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化,人與自然、開發(fā)與保護(hù)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)之間的矛盾日益嚴(yán)峻[1-2]。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中生態(tài)環(huán)境被不同程度的損害,自然格局被破壞,生態(tài)系統(tǒng)過程被阻礙,嚴(yán)重制約了生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮[3]。因我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,礦產(chǎn)資源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用[4-6]。二十世紀(jì),許多地區(qū)的礦產(chǎn)資源被不斷開發(fā),礦產(chǎn)開發(fā)和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)產(chǎn)生了非常尖銳的矛盾[7-8]。隨著礦產(chǎn)開發(fā)秩序的逐漸完善,礦山的合理開發(fā)、可持續(xù)利用提上日程,針對礦山的地質(zhì)風(fēng)險防治與生態(tài)環(huán)境修復(fù)成為礦業(yè)行業(yè)的研究焦點[9]。
陳晶等[10]研究了礦山開發(fā)對生態(tài)的影響,構(gòu)建了山水林田湖草統(tǒng)籌視角的生態(tài)修復(fù)一體化評價指標(biāo)體系,確立了山水林田湖草生態(tài)評價與修復(fù)模式。ZHENG 等[11]對華北山地中沉積物樣本的酸性礦山排水(AMD)進(jìn)行研究,提出礦山污染沉積物應(yīng)優(yōu)先處理。史沖等[12]以張二莊里溝礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理為研究對象,探索其礦山環(huán)境生態(tài)修復(fù)治理的新思路與生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施。劉錦秀等[13]為解決常規(guī)方法難以對礦山地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行有效描述的問題,以五龍溝金礦區(qū)為例,采用空間統(tǒng)計分析法進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境承載力評價。沈維明等[14]對國內(nèi)外關(guān)停廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),結(jié)合廢棄礦山生態(tài)修復(fù)工程,提出了關(guān)停廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)的幾種技術(shù)與措施。茹曼等[15]通過多源遙感手段調(diào)研了萍鄉(xiāng)市湘東鎮(zhèn)地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題,建立一套適合該區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價體系。趙洪濤[16]詳細(xì)分析了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和發(fā)育規(guī)律,通過層次分析法建立評價函數(shù),對地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行分區(qū)評價和賦值。
目前,礦山地質(zhì)風(fēng)險評價與防治主要存在兩個問題:以地質(zhì)勘察為主,風(fēng)險定量分析較缺乏;或基于GIS 的風(fēng)險定量分析合理,但基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為缺乏使得評價模型誤差較大。本文將UAV 高精度勘察與GIS 定量分析相結(jié)合,利用層次分析法對安陽許家溝露天礦山群地質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行了定量評價,對比了勘察區(qū)的地質(zhì)風(fēng)險高低及其主要貢獻(xiàn)指標(biāo),并針對性地提出治理措施。
許家溝鄉(xiāng)位于安陽市殷都區(qū)西部,屬山地丘陵區(qū),距安陽市區(qū)20 余km,全鄉(xiāng)面積60 km2,其中耕地面積21.33 km2。許家溝鄉(xiāng)下轄20 個行政村,人口3.6 萬,其中,農(nóng)業(yè)人口約3.5 萬人,非農(nóng)業(yè)人口約0.1萬人。許家溝鄉(xiāng)屬安陽河流域,大陸性干旱型氣候,夏季炎熱,冬春干旱,年平均氣溫13.6 ℃,多年平均降水量551.5 mm,集中于7 月和8 月,多年平均蒸發(fā)量1 938.4 mm,蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量[17]。研究區(qū)位于許家溝鄉(xiāng)河西村西側(cè)1.0 km,面積約0.028 km2(圖1),包括治理點3 處,分別為豫隆I 區(qū)、河西勝利II 區(qū)和豫安III 區(qū),坐標(biāo)范圍為36°06′22"~36°07′00"N,114°03′01"~114°03′35"E。許家溝鄉(xiāng)現(xiàn)已探明的石灰石、煤炭、鐵礦儲量均在億t 以上,且分布廣、質(zhì)地好、品位高、易開采,礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、水生態(tài)環(huán)境破壞、土壤污染、水土流失較嚴(yán)重。研究區(qū)分布有多處露天礦山,主要開采石灰?guī)r及大理巖。由于無序開采,造成周邊礦層的完整性和原有地形地貌景觀遭受嚴(yán)重破壞,目前開采活動已經(jīng)停止。除采礦活動外,區(qū)內(nèi)其他人類工程活動主要為農(nóng)業(yè)活動。
圖1 研究區(qū)分布衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite image of the research area distribution
本次航空攝影測量中,航空攝影儀采用電動飛梭無人機(jī),相機(jī)為索尼A7R,單張相片像幅7 360 像素×4 912 像素,像素大小4.87 μm,使用35 mm 定焦鏡頭,地面分辨率優(yōu)于0.1 m。航攝成圖比例尺為1∶1 000,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用南方CASS7.1 處理軟件,輸出成果為地形圖數(shù)字化系統(tǒng)生成的所有文件和AutoCAD下公共交換數(shù)據(jù)文件(.dwg)[18]。本次測量工作共完成1∶1 000 地形圖測量0.56 km2。
剖面點采用GPS-RTK 測量方法,該方法將基準(zhǔn)站架設(shè)于地勢較高處,通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站[19]。流動站在接收基準(zhǔn)信號的同時采集GPS 觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理。測量人員將設(shè)計的地質(zhì)剖面端點坐標(biāo)導(dǎo)入RTK 測量手簿,在線路菜單提示下沿剖面測量手簿,在線路菜單提示下沿剖面采集剖面點的坐標(biāo)和高程。工程地質(zhì)實測剖面線共完成46 條,總長度4.73 km。測量成果如圖2 所示。3 個測量區(qū)的坐標(biāo)范圍為36°06′22"~36°07′00"N,114°03′01"~114°03′35"E。
圖2 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境測量成果Fig.2 Current status of mine geological environment in the research area
研究區(qū)含水層主要有奧陶系灰?guī)r、寒武系灰?guī)r,隔水層主要為石炭系和二疊系的巖漿巖。其中,奧陶系中統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r在研究區(qū)內(nèi)分布廣、出露多,總厚度約600 m,地表巖溶裂隙發(fā)育,富水性強(qiáng),是研究區(qū)主要含水層;水位標(biāo)高在+120~+149 m。礦體開采面高于侵蝕基準(zhǔn)面,地下水位較低,地形有一定坡度,降水多可從地表徑流自然排出,平緩或低凹處可能會有暫時性集水,但不會對采場造成大量充水。
1)滑坡崩塌。礦山倚坡開挖,礦坑的邊坡高度普遍超過10 m,邊坡角度和臨空面較大,經(jīng)過長時間的風(fēng)化剝蝕,坡面巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,較為破碎,并在坡面散落采礦遺留松動碎石塊,形成危巖。采礦殘留礦體形成的危巖體數(shù)量多且分散分布,采礦陡壁上發(fā)育的危巖體勢能大,多以自由落體方式墜落[20]。在暴雨等外力條件下,易引發(fā)崩塌災(zāi)害,對居民威脅大,是本區(qū)重要崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。豫隆I 區(qū)和河西勝利II 區(qū)共有危巖12 處,分布在礦坑坑壁邊緣,落石成分以中風(fēng)化石灰?guī)r為主,結(jié)構(gòu)松散,直接覆蓋平臺上。危巖體方量500~60 000 m3不等,總量11 萬m3。豫安III 區(qū)未發(fā)現(xiàn)危巖。豫隆I 區(qū)和河西勝利II 區(qū)的危巖特性見表1。
表1 豫隆I 區(qū)和河西勝利II 區(qū)的危巖特性Table 1 Critical rock characteristics of Yulong Zone I and Hexi Shengli Zone II
2)礦坑坍塌。經(jīng)過多年的采掘,豫隆I 區(qū)、河西勝利II 區(qū)和豫安III 區(qū)分別形成18 個采坑、16 個采坑和3 個采坑,同時剝離的廢渣隨意堆放,共形成51個渣堆,原始的地形地貌景觀遭到嚴(yán)重破壞,破壞土地總面積約0.209 km2。礦坑在雨水沖刷的作用下不斷流失和沉降,形成深坑和陡坑。礦坑的邊坡坡度為25°~75°,深度為10~75 m,對道路及路人安全形成較大威脅。
3)水土流失。礦山開采對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,大面積基巖裸露的采場和隨意堆放的棄渣改變了原來的地貌景觀,破壞原有耕地,使研究區(qū)部分耕地變成裸地。同時,山體涵養(yǎng)水分的能力下降,使坡腳部分耕地耕作功能降低、灌溉困難[21];其他耕地也不同程度降低了耕地功能、耕作條件差。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖統(tǒng)計出研究區(qū)共挖損旱地0.005 km2,其他草地0.201 km2,裸地0.223 km2(表2)。
表2 研究區(qū)土地資源利用情況Table 2 Land resource use in the research area 單位:km2
本文收集研究區(qū)內(nèi)礦山自然地理背景、區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)資源及開發(fā)狀況等資料,結(jié)合平剖面測量和理化性質(zhì)監(jiān)測結(jié)果對研究區(qū)的自然環(huán)境、地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分類,并采用層次分析法進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險識別和評價。
為實現(xiàn)層次分析地質(zhì)評價,本文基于礦山地質(zhì)勘察成果,將評價指標(biāo)分為3 個層次:目標(biāo)層為礦山地質(zhì)風(fēng)險評價;約束層為邊坡崩塌、礦坑坍塌和水土流失;邊坡崩塌因素層包含地形地貌、巖性抗壓、采坑深度和采坑數(shù)量,礦坑坍塌因素層包含地下水位差、土壤空隙比、開采強(qiáng)度和采坑面積,水土流失因素層包含降水沖刷、風(fēng)力吹揚(yáng)、渣堆方量和植被覆蓋。研究區(qū)的因素層特征指標(biāo)參考李克特量表取值法將其分為4 個等級,對應(yīng)分值為4 分、3 分、2 分和1 分(表3)。
表3 礦山地質(zhì)風(fēng)險評價指標(biāo)體系分級與權(quán)重Table 3 Grading and weighting of index system of mine geological risk evaluation
基于UAV 攝影測量和ArcGIS 分析手段,可獲取各指標(biāo)層評價單元的定量值,從而構(gòu)建評價模型[22],見式(1)。
式中:Ci為第i項指標(biāo)層權(quán)重;αi為第i項指標(biāo)層得 分;M為礦山地質(zhì)風(fēng)險評分。最終確定標(biāo)度需通過判定矩陣對各層指標(biāo)因子進(jìn)行相互比較,借助專家打分法得出重要性因素。采用MATLAB 構(gòu)建判定矩陣,并進(jìn)行正交和歸一化處理,計算見式(2)。
式中:x為權(quán)重因子量化值;α為專家打分值;αmax為最大值;αmin為最小值。為檢驗各層次各因素間重要性排序的合理性,需進(jìn)行一致性檢驗,一致性比率CR<0.10則認(rèn)為判斷矩陣令人滿意[23],否則需重新進(jìn)行權(quán)重賦值,見式(3)。
式中:λmax為最大特征根;n為判斷矩陣 階數(shù);RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),當(dāng)n=3 時,取0.58,當(dāng)n=4時,取0.90。正交和歸一化處理后礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)主觀權(quán)重值見表4。
表4 礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險主觀權(quán)重值Table 4 Subjective weighting values for mine geological risks
礦山地質(zhì)風(fēng)險評價針對豫隆I 區(qū)、河西勝利II區(qū)和豫安III 區(qū)展開,評價體系共包含12 個影響因素,數(shù)據(jù)主要來自于UAV-RTK 勘測與實驗室樣本監(jiān)測。地形地貌數(shù)據(jù):將2.1 節(jié)的勘測等高線圖轉(zhuǎn)換為GIS高程柵格數(shù)據(jù)(圖3),采用北京84 坐標(biāo)系,基準(zhǔn)高程為黃海海平面,等高線間距1 m,精度符合評價需要;巖土理化性質(zhì):巖樣進(jìn)行常規(guī)物性試驗、抗壓試驗、抗剪試驗;土樣進(jìn)行天然含水量、天然密度、比重、天然孔隙比等測量。根據(jù)實際需要采集了巖石樣18 組、土樣12 組,并委托“華北水利水電大學(xué)河南省巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)重點實驗室”進(jìn)行測試;實地調(diào)查:對研究區(qū)內(nèi)植被、危巖、渣堆等進(jìn)行統(tǒng)計,區(qū)域內(nèi)主要有白皮松、側(cè)柏、椿樹、五角楓、地錦、麥冬等耐瘠薄、耐旱、適應(yīng)于堅硬土壤和巖石裂隙生長的植物物種,危巖、采坑及渣堆在2.3 節(jié)中已闡述。
圖3 DEM 柵格數(shù)據(jù)與漁網(wǎng)構(gòu)建Fig.3 DEM raster data and fishing net construction
為實現(xiàn)礦山地質(zhì)風(fēng)險評價的合理精確,本研究以3 張研究區(qū)DEM 柵格為底圖,將3 個研究子區(qū)用邊長為50 m 的正方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分,共劃分出500個評價單元(豫隆I 區(qū)224 個、河西勝利II 區(qū)196 個、豫安III 區(qū)80 個)。輸入地形地貌、各采樣點的巖土性質(zhì)、植被類型和礦山開發(fā)調(diào)查結(jié)果等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),按照評價指標(biāo)體系(表3)對各個評價單元進(jìn)行賦值,利用ArcGIS 柵格計算模塊,對選取的12 個評價因素進(jìn)行疊加分析,并對分析結(jié)果進(jìn)行分級,得到3 個子區(qū)域各自的評價指標(biāo)分值。如果網(wǎng)格A得分越高,表明該區(qū)域地質(zhì)風(fēng)險越低;反之則表明地質(zhì)風(fēng)險越高。利用ArcGIS 軟件的空間分析模塊,采用核密度法對評分結(jié)果進(jìn)行差值分析[24],劃分出礦山地質(zhì)高度風(fēng)險區(qū)(A<2.65)、顯著風(fēng)險區(qū)(2.65≤A≤2.89)、一般風(fēng)險區(qū)(2.90≤A≤3.15)和稍有風(fēng)險區(qū)(A>3.15)4 類。
調(diào)用ArcGIS 軟件統(tǒng)計模塊計算,得到研究區(qū)地質(zhì)風(fēng)險評分成果,其空間分布與面積占比分別見圖4~圖6 和表5。研究結(jié)果表明,地質(zhì)環(huán)境高度風(fēng)險區(qū)、顯著風(fēng)險區(qū)、一般風(fēng)險區(qū)和稍有風(fēng)險區(qū)的面積分別為13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2,分別占研究區(qū)總面積的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。結(jié)合現(xiàn)場勘察成果發(fā)現(xiàn)邊坡崩塌風(fēng)險高的區(qū)域與遙感測繪范圍高度重合,主要集中于礦坑邊緣,與邊坡坡度和采坑深度顯著相關(guān);礦坑坍塌與水土流失風(fēng)險較高區(qū)域分布于礦坑中部,礦坑中心以裸地為主,受人類活動影響和破壞較重。礦坑坍塌與開采強(qiáng)度和面積高度相關(guān),水土流失與渣堆方量和風(fēng)力吹揚(yáng)顯著相關(guān),顯著風(fēng)險區(qū)高程較低,以渣堆為中心呈散點狀分布,評分在山谷或埡口急劇降低。將ArcGIS評價結(jié)果與礦山地質(zhì)勘察結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險高度及顯著區(qū)域的環(huán)境情況與實際相似,但評價劃定的一般風(fēng)險區(qū)的面積和稍有風(fēng)險區(qū)的面積較實際情況擴(kuò)大了約50%,是由于在評價指標(biāo)中充分量化了沉降與水土流失所致,而原勘察結(jié)果未對此進(jìn)行量化分析。
表5 礦山地質(zhì)風(fēng)險分區(qū)面積統(tǒng)計Table 5 Statistics on the area of mine geological risk zones 單位:m2
圖4 豫隆I 區(qū)礦山地質(zhì)風(fēng)險評分Fig.4 Mine geological risk scoring of Yulong Zone I
圖5 河西勝利II 區(qū)礦山地質(zhì)風(fēng)險評分Fig.5 Mine geological risk scoring of Hexi Shengli Zone II
圖6 豫安III 區(qū)礦山地質(zhì)風(fēng)險評分Fig.6 Mine geological risk scoring of Yu’an Zone III
各研究子區(qū)的風(fēng)險評分如圖7 所示。由圖7 可知,邊坡崩塌評分與礦山地質(zhì)評分呈現(xiàn)雙峰態(tài)勢,而礦坑坍塌風(fēng)險和水土流失風(fēng)險呈單峰。邊坡崩塌風(fēng)險排序為河西勝利II 區(qū)<豫隆I 區(qū)<豫安III 區(qū);礦坑坍塌風(fēng)險排序為豫安III 區(qū)<河西勝利II 區(qū)<豫隆I 區(qū);水土流失風(fēng)險排序為豫隆I 區(qū)<河西勝利II 區(qū)<豫安III 區(qū);綜合礦山地質(zhì)風(fēng)險排序為河西勝利II 區(qū)<豫隆I 區(qū)<豫安III 區(qū)。雖然豫隆I 區(qū)的礦山地質(zhì)高度風(fēng)險區(qū)面積是河西勝利II 區(qū)和豫安III 區(qū)的2 倍,但其分值卻略高于河西勝利II 區(qū),這主要是因為河西勝利II 區(qū)邊坡崩塌風(fēng)險較高,邊坡坡度較陡和巖性抗壓能力較低(圖7(a))。豫安III 區(qū)開采強(qiáng)度與開采面積較小,但其礦坑坍塌風(fēng)險卻高于豫隆I 區(qū)和河西勝利II 區(qū),因為面積較小的豫安III 區(qū)內(nèi)分布有3 個大礦坑,礦坑面積占比高(圖7(b))。由于豫隆I 區(qū)礦坑面積大、渣堆多,使得其水土流失風(fēng)險高(圖7(c))。
圖7 許家溝礦山地質(zhì)風(fēng)險小提琴圖Fig.7 Mine geological risk violin map in Xujiagou
層次分析模型中約束層的權(quán)重劃分表明該模型假定地質(zhì)風(fēng)險以邊坡崩塌(B1)為主、水土流失(B3)為輔、礦坑坍塌(B2)為補(bǔ)充。各約束層與目標(biāo)層的斯皮爾曼相關(guān)性表明:從豫隆I 區(qū)到豫安III 區(qū),B1與目標(biāo)層的相關(guān)性從高度相關(guān)0.953 下降到顯著相關(guān)0.658;B2與目標(biāo)層的相關(guān)性從無相關(guān)上升到弱相關(guān);B3與目標(biāo)層的相關(guān)性不變。這說明從豫隆I 區(qū)到豫安III 區(qū),隨著研究子區(qū)面積減少,邊坡崩塌總體風(fēng)險逐漸降低,礦坑坍塌風(fēng)險和水土流失風(fēng)險逐漸升高(表6)。
表6 研究子區(qū)風(fēng)險評價指標(biāo)相關(guān)分析Table 6 Analysis related to risk evaluation indicators for the study sub-area
針對邊坡崩塌風(fēng)險,本文提出危巖清除和邊坡修整的措施;針對礦坑坍塌風(fēng)險提出礦渣回填和客土恢復(fù)的治理措施,并設(shè)置警示牌;針對水土流失風(fēng)險提出客土恢復(fù)林地和耕地、養(yǎng)護(hù)治理相結(jié)合的治理措施。具體方案:①危巖清除:對于不同高度的危巖體高陡邊坡,根據(jù)其高度和坡度設(shè)置臺階,消除潛在崩塌;②邊坡修整:對石質(zhì)邊坡坡面進(jìn)行挖巖換土植樹、撒播草籽,降低裸地占比;③礦渣回填:將采坑內(nèi)礦渣堆以及危巖清除產(chǎn)生的廢渣回填到礦坑底部和削坡臺階上,并對礦渣回填之后的場地進(jìn)行平整;④警示牌:在礦坑邊緣設(shè)置警示牌,防止行人跌落;⑤客土恢復(fù)林地、草地、耕地:在場地平整基礎(chǔ)上對場地進(jìn)行覆土,礦坑底部恢復(fù)成耕地,臺階上植樹種草;⑥養(yǎng)護(hù):對種植的樹木進(jìn)行長期養(yǎng)護(hù)管理,保持良好可持續(xù)的生態(tài)修復(fù)。
本文基于UAV 勘察和層次分析法對安陽許家溝露天礦山群地質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行了評價,利用ArcGIS 柵格計算模塊對選取的12 個評價因素進(jìn)行疊加分析。
1)地質(zhì)環(huán)境高度風(fēng)險區(qū)、顯著風(fēng)險區(qū)、一般風(fēng)險區(qū)和稍有風(fēng)險區(qū)的面積分別為13 500 m2、39 000 m2、26 750 m2、45 750 m2,分別占研究區(qū)總面積的10.8%、31.2%、21.4%、36.6%。
2)綜合礦山地質(zhì)風(fēng)險排序為河西勝利II 區(qū)<豫隆I 區(qū)<豫安III 區(qū),因為,河西勝利II 區(qū)邊坡坡度較陡和巖性抗壓能力較弱,邊坡崩塌風(fēng)險較高。
3)從豫隆I 區(qū)到豫安III 區(qū),隨著研究子區(qū)面積減少,邊坡崩塌風(fēng)險貢獻(xiàn)率逐漸降低,礦坑塌陷風(fēng)險和水土流失風(fēng)險逐漸升高。
4)基于評價結(jié)果,本文提出危巖清除、礦渣回填、邊坡修整、客土恢復(fù)林地和耕地、養(yǎng)護(hù)治理相結(jié)合的治理措施,以期達(dá)到降低礦山地質(zhì)風(fēng)險、修復(fù)礦山生態(tài)的目的。