礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價

孫慶先 賈新果

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京市東城區(qū),100013)

礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價

孫慶先 賈新果

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京市東城區(qū),100013)

借鑒其他領(lǐng)域脆弱性評價方法,率先完成煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價,倡導(dǎo)并建立一種具有煤礦地區(qū)特色的地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價新方法,豐富了煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價的技術(shù)手段。用實(shí)例分析說明了實(shí)現(xiàn)這種新方法的一般步驟,分析結(jié)果可作為煤礦地區(qū)村鎮(zhèn)、廠礦、工程建設(shè)選址的技術(shù)參考依據(jù)。

煤礦地區(qū) 地質(zhì)環(huán)境 脆弱性 地理信息系統(tǒng)(GIS)

1 前言

脆弱性是全球環(huán)境變化及可持續(xù)性科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題,許多學(xué)者已把脆弱性研究作為一門新興的科學(xué)。2001年4月,23名世界著名學(xué)者在《科學(xué)》雜志發(fā)表的《可持續(xù)性科學(xué)》(Sustainabilitv Science)一文把“特殊地區(qū)的自然-社會系統(tǒng)的脆弱性或恢復(fù)力”研究列為可持續(xù)性科學(xué)的7個核心問題之一,綜合前人的研究成果,本研究認(rèn)為,地質(zhì)環(huán)境脆弱性是系統(tǒng)受外部擾動災(zāi)害不利影響的易損性,導(dǎo)致生命、財產(chǎn)及環(huán)境發(fā)生損害的可能性。脆弱性增加,就意味著安全性降低,也即抗御災(zāi)害和災(zāi)后恢復(fù)的能力差。煤炭資源的開采使煤礦地區(qū)地表處于不穩(wěn)定狀態(tài),而且還會誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,這使得煤礦地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性與眾不同。

鄂爾多斯市某煤礦地區(qū)10多個行政自然村(隊)因煤礦開采需要異地重建,本文以該煤礦地區(qū)為例,運(yùn)用Map GIS軟件的空間分析功能,對該煤礦地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評價,論述煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價一般過程和方法,研究成果為村莊選址提供參考。

2 煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價實(shí)例分析

2.1 概況

鄂爾多斯市伊金霍洛旗煤炭資源極其豐富,大小煤礦比比皆是。在人口密集區(qū),村莊、工廠、公路及沿途商鋪的壓煤量很大。通過各種方案比較認(rèn)為,將村莊等搬遷異地重建而后開采建筑物下被壓的煤炭資源在經(jīng)濟(jì)上更加合理。根據(jù)伊金霍洛旗土地利用整體規(guī)劃,搬遷村莊等選址在311.49 km2范圍內(nèi),這是本研究中的脆弱性評價范圍。評價區(qū)區(qū)域地貌屬高原剝蝕丘陵,按其形態(tài)可劃分為丘陵、溝谷兩種地貌形態(tài)。丘陵地貌的特點(diǎn)是峁梁散布,溝谷縱橫,丘頂多呈渾圓狀、長脊?fàn)?坡度15～30°,植被覆蓋率50%～60%。溝谷呈樹枝狀分布,呈V型或U型,溝床坡降10‰～15‰,溝谷切割深度不等,一般10～20 m。

2.2 煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價方法

近年來,地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)技術(shù)在具有地理空間信息的行業(yè)發(fā)揮了不可替代的作用,它利用空間解析式模型來分析空間數(shù)據(jù),完成復(fù)雜的空間分析,其結(jié)果可以以二維平面圖、三維立體圖、動漫、聲像等形式表達(dá),同時提供文字和數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果,比單純的文字和數(shù)字評價結(jié)果更加直觀。

GIS強(qiáng)調(diào)空間分析,可及時提供地質(zhì)環(huán)境動態(tài)變化信息,快速地為決策部門提供實(shí)用化成果。國內(nèi)外專家學(xué)者在應(yīng)用 GIS技術(shù)評價脆弱性方面已經(jīng)開展了大量的研究工作,取得了實(shí)用性的成果。

首先確定參與評價的因子及其權(quán)重,收集各種評價因子的圖形和屬性數(shù)據(jù)資料,然后根據(jù)收集到的基礎(chǔ)資料在Map GIS軟件中制作各種評價因子的等值線或等值面圖,同時為圖形上不同區(qū)域賦值,最后在Map GIS軟件中將具有不同權(quán)重的單因子評價圖進(jìn)行空間疊加,得到綜合評價結(jié)果,以圖形形式表達(dá),并輸出統(tǒng)計結(jié)果。

2.3 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價因子的確定

人類采礦活動在遺留大量采空區(qū)的同時,也常常是滑坡、泥石流、崩塌、煤層自燃等災(zāi)害的誘導(dǎo)因素。因此,煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價與眾不同,具有煤礦地區(qū)特有的特色。地下水資源脆弱性評價是開展研究最早、研究成果最豐富、研究方法技術(shù)最成熟的領(lǐng)域之一,參照地下水資源脆弱性分類,本文將煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性分本質(zhì)(固有)脆弱性和特殊脆弱性兩類。本質(zhì)(固有)脆弱性指由于自然地質(zhì)因素而引起的評價系統(tǒng)的易損性;特殊脆弱性指由于人類生產(chǎn)活動而引起的評價系統(tǒng)的易損性。兩種脆弱性中各自包含多種評價因子和次一級的因子。參考前人的資料,考慮到本研究對象空間范圍不大,同時顧及評價目的,確定如圖1所示的因子參與評價,更次一級的評價因子在圖中未列出,實(shí)際工作時已給予考慮,參與評價。

確定評價因子的說明:評價區(qū)內(nèi)地震烈度一致,無大的斷裂構(gòu)造,地殼穩(wěn)定性近一致,地震烈度和斷裂構(gòu)造2種因子對評價結(jié)果無影響。包氣帶滲透性、土壤鹽漬化、砂土液化3個因子無資料,以上5個因子可省略。為減少工作量且不會對結(jié)果有影響,實(shí)際工作中將采空區(qū)引起的地質(zhì)災(zāi)害和自然條件發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害合為一幅評價因子圖,地下水和土壤污染合為一幅評價因子圖,參見表1。采煤引起的地表穩(wěn)定性綜合了前人和筆者實(shí)地調(diào)查研究結(jié)果的多種方法聯(lián)合判斷,然后通過內(nèi)插制作地表穩(wěn)定性分區(qū)圖。在地表穩(wěn)定性4級中,將沒有采空區(qū)的區(qū)域確定為穩(wěn)定;將有采空區(qū)的區(qū)域分為3級:在較長時間內(nèi)地表不發(fā)生變形的區(qū)域?yàn)檩^穩(wěn)定,地表發(fā)生連續(xù)下沉的區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定,地表發(fā)生非連續(xù)下沉(突然塌陷、抽冒)的區(qū)域?yàn)闃O不穩(wěn)定。

表1 地質(zhì)環(huán)境脆弱性指標(biāo)強(qiáng)度分級

圖1 煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性環(huán)境評價因子及分類

2.4 評價因子分值及權(quán)重

圖2(采煤引起的)地表穩(wěn)定性區(qū)劃圖

參照前人的方法,本研究中每個評價因子分級均按4級處理,I～Ⅳ級的評價因子根據(jù)其對地質(zhì)環(huán)境脆弱性影響輕重確定其地質(zhì)環(huán)境脆弱性級別,并賦予一定的分值:Ⅰ級(低脆弱性)10分、Ⅱ級(中等脆弱性)40分、Ⅲ級(較高脆弱性)70分、Ⅳ級(高脆弱性)100分。經(jīng)過德爾菲法(Delphi Method)對各評價因子的重要性進(jìn)行評判,確定各因子的權(quán)重:地形和坡度為0.16、水文地質(zhì)條件(地下水狀況)為0.18、土壤類型及厚度為0.16、地質(zhì)災(zāi)害為 0.13、地表穩(wěn)定性為0.20、地下水和土壤污染程度為0.17。

評價因子權(quán)重值靠前的地表穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件的區(qū)劃圖分別見圖2和圖3,其他評價因子的區(qū)劃圖不再一一展示。

圖3 地下水狀況區(qū)劃圖

2.5 研究區(qū)評價結(jié)果及特征分析

將各種評價因子在Map GIS軟件中進(jìn)行疊加,按加權(quán)求和方法計算地質(zhì)環(huán)境脆弱性綜合分值:

式中:S——地質(zhì)環(huán)境脆弱性綜合分值;

fi——評價因子的分值;

wi——評價因子的權(quán)重。

參考前人的成果,同時結(jié)合本例的實(shí)際情況,確定按Ⅰ級小于 45、Ⅱ級45～60、Ⅲ級60～75、Ⅳ級大于75的地質(zhì)環(huán)境脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)對評價區(qū)的綜合分值進(jìn)行分區(qū),完成區(qū)劃圖,見圖4。

低脆弱區(qū)主要分布在評價區(qū)中西部,面積98.61 km2,占總面積的31.7%。低脆弱區(qū)地表穩(wěn)定或較穩(wěn)定,地下水較豐富,土壤類型為(亞)粘土伴沙礫、石,除有小型崩塌地質(zhì)災(zāi)害外,無其他地質(zhì)災(zāi)害,地下水和土壤無污染或僅有輕度污染,峁梁,坡度多在15°左右,溝谷發(fā)育,但谷底平緩,切割不深。

中等脆弱區(qū)4塊,合計面積127.24 km2,占總面積的40.8%。除東部Ⅱ4外,其余3塊都不同程度的受采煤影響,地表較穩(wěn)定或不穩(wěn)定,溝谷發(fā)育,坡降一般大于 10‰,土壤中沙、礫過半,(亞)粘土含量不大。Ⅱ4為溝谷發(fā)育區(qū),坡降一般大于15‰,切割深度在15 m左右,沙、礫互層,崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性很大。評價區(qū)外靠近Ⅱ4邊緣有一中型熱電廠,附近土壤中度以上污染。

圖4 地質(zhì)環(huán)境脆弱性區(qū)劃圖

較高脆弱區(qū)3塊,合計面積80.45 km2,占總面積的25.8%。3塊都受采煤影響,地表不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定,溝谷發(fā)育,切割不深,但坡降一般大于15‰。土壤以沙、礫互層為主,且一般厚度5 m以上,部分地區(qū)裸巖。部分地段地下水貧乏,開發(fā)利用難度較大。

高脆弱區(qū)面積2塊,合計面積5.19 km2,占總面積的1.7%。2塊都受采煤影響,地表極不穩(wěn)定,Ⅳ1為裸巖區(qū),Ⅳ2為沙礫為主的沙地,厚度大于5 m,同時,根據(jù)礦方提供的資料和實(shí)地考察,此2處均有自燃現(xiàn)象,Ⅳ1區(qū)地下水極貧乏,評價區(qū)外部靠近Ⅳ2區(qū)處,有一小型熱電廠,附近土壤中度以上污染。

低脆弱區(qū)主要分布在未受采動影響的區(qū)域,該區(qū)域地下水資源比較豐富,土壤中(亞)粘土相對比較豐富,因此低脆弱區(qū)是村莊(隊)搬遷的首選區(qū)。對于工程、廠礦可選擇除低脆弱區(qū)以外的中等脆弱區(qū),非特別需要,較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)不能作為任何有人類聚居活動的場地。

3 結(jié)語

人類強(qiáng)烈的采礦活動使煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境具有與眾不同的特點(diǎn),因此,煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價沒有成熟實(shí)用的方法和技術(shù)路線。本研究率先開展煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價工作,同時參照地下水資源脆弱性分類方法將煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱性分為本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性兩類。由于煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的特殊性,加之基礎(chǔ)資料不齊全,因此,本研究尚存在不足,如評價因子的選擇確定、分級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重都有待商榷、完善,但本文為分析煤礦地區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題提供了一種新的技術(shù)思想,研究結(jié)論可作為村莊、廠礦、工程選址的重要參考依據(jù),而且反饋信息表明,研究結(jié)論在指導(dǎo)實(shí)際工作中取得了比較理想的效果,這說明,從總體上來看,不論是在評價方法的選擇上還是在評價因子的確定上都是比較適宜的,評價結(jié)果是有效的、可靠的。本研究方法值得在同類工程中推廣應(yīng)用或參考。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Vulnerability evaluation of geological environment in coalmine area

Sun Qingxian,Jia Xin’guo
(Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Dongcheng,Beijing 100013,China)

Learning from other field vulnerability assessment method,this paper takes the lead to apply the geological environment vulnerability assessment method in the coalmine area,and creates a new idea to evaluate geological environment vulnerability with coalmine area characteristics,which enriches the coalmine area geological environment evaluation techniques.Case study showed general steps of realizing this new idea,the results can be used as location reference information of villages and small towns,factories,construction projects in coalmine area.

coalmine area,geological environment,vulnerability,geographic information system(GIS)

P624.6

A

孫慶先(1968-),男,河北廊坊市人,博士后,高級工程師。