陜西商南礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

王念秦，李仁偉

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

陜西省商南縣礦產(chǎn)資源豐富，共有103座礦山，32種可開采礦產(chǎn)資源，其中，金紅石儲(chǔ)量為亞洲第一，鏡鐵礦儲(chǔ)量居世界第二。截至2017年底，全縣共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)183處，其中，滑坡178處、崩塌4處、泥石流1處，不合理的礦山建設(shè)、開采活動(dòng)是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一。因此,調(diào)查研究商南縣礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，分析其空間分布特征，明確主要問題區(qū)，對(duì)于指導(dǎo)治理礦山地質(zhì)環(huán)境問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。目前,我國礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)多數(shù)圍繞單個(gè)礦山或礦區(qū)，區(qū)域性礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)還處于探索之中[4-6]。本文以陜西省商南縣為研究區(qū)，在綜合考慮礦山建設(shè)、開采所帶來負(fù)面效應(yīng)的同時(shí)，注重評(píng)價(jià)指標(biāo)的通用性?？蔀閰^(qū)域性礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供方法借鑒。

1 研究區(qū)礦山開發(fā)及地質(zhì)環(huán)境問題空間分布

現(xiàn)階段商南縣開發(fā)的礦種主要有釩礦、鐵礦、大理石、金紅石、鈉長石、重晶石等，其中，釩礦、鐵礦以地下開采為主；大理石、金紅石、重晶石等以露天開采為主。礦山主要集中在青山鎮(zhèn)、水溝鎮(zhèn)、魏家臺(tái)鎮(zhèn)、十里坪鎮(zhèn)等中南部山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。地質(zhì)災(zāi)害以崩塌、滑坡、泥石流為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，魏家臺(tái)鎮(zhèn)、水溝鎮(zhèn)、青山鎮(zhèn)、湘河鎮(zhèn)及十里坪鎮(zhèn)共有地質(zhì)災(zāi)害115處，約占全縣地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的63%。研究區(qū)礦山與地質(zhì)災(zāi)害分布示意圖如圖1所示，兩者在空間分布上具有較好的一致性。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最為關(guān)鍵的部分，評(píng)價(jià)指標(biāo)選取是否得當(dāng)將對(duì)后續(xù)評(píng)價(jià)工作產(chǎn)生重要影響[7-8]。在借鑒寧夏[9]、山東[10]、甘肅[11]、吉林[12]等省(區(qū))礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，基于針對(duì)性、簡明性、可量化、數(shù)據(jù)易取得等指標(biāo)選取原則，針對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況，選取了礦業(yè)開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響、基礎(chǔ)地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境3方面，共計(jì)16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來分析研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量水平，見表1。

2.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

礦山地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)存在不確定性與模糊性，需利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)賦值，進(jìn)而可定量評(píng)價(jià)[13]。本文根據(jù)《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2014—05)[14]、2017年《商南縣礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查報(bào)告》，并結(jié)合2016年《商洛市統(tǒng)計(jì)年鑒》、2016年《商南縣統(tǒng)計(jì)年鑒》，各指標(biāo)分類見表2。

圖1 研究區(qū)礦山與地質(zhì)災(zāi)害分布示意圖

表1 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分類表

2.2 評(píng)價(jià)方法

本文采用正方形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐址?，? km×4 km為一單元，共劃分196個(gè)評(píng)價(jià)單元，如圖2所示。首先根據(jù)表2對(duì)每個(gè)單元格進(jìn)行評(píng)判、賦值。然后基于SPSS 20.0軟件利用熵值法計(jì)算出每個(gè)單元格各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，再利用集對(duì)分析理論求得各單元的聯(lián)系度，最后依據(jù)聯(lián)系度劃分礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。

圖2 研究區(qū)評(píng)價(jià)單元網(wǎng)格劃分圖

熵值法是把各評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息進(jìn)行量化與綜合，計(jì)算各指標(biāo)反應(yīng)的信息熵，通過信息熵來確定權(quán)重的客觀賦權(quán)法。熵值法有效地避免了人為因素的干擾，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況，從而得出客觀可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。與主觀賦權(quán)法相比，客觀賦權(quán)法計(jì)算得出的權(quán)重值以實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行挖掘，尋找其內(nèi)在規(guī)律，從而更具客觀性[15]。近年來，熵值法在科學(xué)研究中多有應(yīng)用，在此不再闡述其原理。目前集對(duì)分析理論已經(jīng)逐步應(yīng)用到科研領(lǐng)域中，因其具備可統(tǒng)一處理與描述由隨機(jī)性、模糊性、不完整性等因素組成的確定或不確定系統(tǒng)，特別適合用于評(píng)價(jià)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量[16]。

集對(duì)分析是在一定的問題背景下，將具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合A、B，組成集對(duì)H(A、B)。這樣的兩個(gè)集合的特征可以從同、異、反三個(gè)方向分析，并可以用聯(lián)系度的表達(dá)式來表示，見式(1)。

(1)

式中：u為集對(duì)的聯(lián)系度；N為特征的總和；S為集對(duì)中兩個(gè)集合共有特征數(shù)量；P為集對(duì)中兩個(gè)集合對(duì)立特征的數(shù)量；F=N-S-P，為集對(duì)中兩個(gè)集合既不同一也不對(duì)立特征的個(gè)數(shù)；i為差異不確定性系數(shù)，其取值范圍為[-1,1]，當(dāng)i取1或-1時(shí)都屬于確定，i∈(-1,1)屬于不確定，且i趨近0時(shí)，其不確定性明顯增加；j為對(duì)立系數(shù)，其值通常取-1。考慮到各特征權(quán)重，式(1)可用式(2)表示。

(2)

式中：wk(k=1，2，3，…，N)為特征權(quán)重，通過前述熵值法獲得；i、j的概念及取值同式(1)。

為了直觀地計(jì)算聯(lián)系度，將式(2)改寫為式(3)，同時(shí)利用Matlab軟件編程，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。

u=W×R×E=

(3)

式中：W為權(quán)重系數(shù)向量；R為同異反多元測(cè)量評(píng)價(jià)矩陣；E為聯(lián)系分量矩陣。

由式(3)可以對(duì)評(píng)價(jià)單元的聯(lián)系度進(jìn)行求解，進(jìn)而得出合理的評(píng)價(jià)結(jié)論。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)

如前所述，將研究區(qū)劃分為196個(gè)4 km×4 km的評(píng)價(jià)單元。以過風(fēng)樓鎮(zhèn)a評(píng)價(jià)單元為例，敘述其聯(lián)系度計(jì)算過程，其他單元格計(jì)算方法與其相同，過風(fēng)樓鎮(zhèn)a評(píng)價(jià)單元各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重見表3。

表3 過風(fēng)樓鎮(zhèn)a評(píng)價(jià)單元指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式(3)及表3中a評(píng)價(jià)單元各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，評(píng)價(jià)單元a的聯(lián)系度計(jì)算如下所示。

0.79+0.07i+0.14j

關(guān)于同、異、反多元測(cè)量評(píng)價(jià)矩陣元素及差異不確定性系數(shù)i的取值可參考文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]，通過計(jì)算可以得到聯(lián)系度，歸一化后取值范圍為[-1,1]，采用定義區(qū)間法將聯(lián)系度范圍分為[-1,-0.5)、[-0.5,0.5)及[0.5,1] 3個(gè)子區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)“良好”“一般”和“嚴(yán)重”。對(duì)a評(píng)價(jià)單元而言，無論i值在[-1,1]內(nèi)如何變化，聯(lián)系度取值范圍為[0.58,0.72]，為[0.5,1]的子區(qū)間，因此a評(píng)價(jià)單元的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為“嚴(yán)重”。依據(jù)上述方法對(duì)圖3中剩余195個(gè)評(píng)價(jià)單元展開評(píng)價(jià)，可以得到各評(píng)價(jià)單元聯(lián)系度，并根據(jù)相應(yīng)區(qū)間，將其劃分為“嚴(yán)重區(qū)”“一般區(qū)”“良好區(qū)”。根據(jù)分區(qū)結(jié)果，利用MapGIS6.7軟件繪制研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)圖，如圖3所示。為了能夠量化地顯示出不同區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的差異，繪制研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等值線圖，如圖4所示。

圖3 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)圖

圖4 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等值線圖

4 討 論

在劃分的評(píng)價(jià)單元中礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為“嚴(yán)重”的有16個(gè)，“一般”的有92個(gè)，“良好”的有88個(gè)。

結(jié)合2017年《商南縣礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查報(bào)告》及圖1、圖3、圖4可知：礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為“嚴(yán)重”的區(qū)域主要分布在商南縣中南部山區(qū)，占研究區(qū)面積的8.16%。區(qū)內(nèi)礦山密布，開采礦種為釩礦、鐵礦為主，均為地下開采。主要地質(zhì)環(huán)境問題為礦業(yè)開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害、礦渣占用土地等。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量達(dá)39處，礦渣體積116.54×104m3，占用土地面積87.25 hm2。

礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為“一般”的區(qū)域主要分布商南縣中東部及南部，占研究區(qū)面積的46.95%。區(qū)內(nèi)礦山主要分布在富水鎮(zhèn)、青山鎮(zhèn)與魏家臺(tái)鎮(zhèn)。開采礦種以大理石與石灰石為主，露天開采，地質(zhì)環(huán)境問題主要為礦業(yè)開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害、礦渣占用土地、破壞植被等。

礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為“良好”的區(qū)域主要分布在商南縣西部，占研究區(qū)面積的44.89%。區(qū)內(nèi)礦山零星分布，礦業(yè)開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響較輕。

5 結(jié) 論

1) 礦山建設(shè)、開采活動(dòng)對(duì)資源型城市的營運(yùn)與發(fā)展至關(guān)重要，礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是商南縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2) 建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以礦業(yè)開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響為主，兼顧基礎(chǔ)地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境，共計(jì)3類，16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有針對(duì)性強(qiáng)、分析內(nèi)容全面、易于計(jì)算、便于理解等優(yōu)點(diǎn)。

3) 采用正方形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐址▽⒀芯繀^(qū)劃分196個(gè)評(píng)價(jià)單元，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)、熵值法、集對(duì)分析等方法處理數(shù)據(jù)，依據(jù)聯(lián)系度范圍，將其劃分為“嚴(yán)重區(qū)”“一般區(qū)”“良好區(qū)”，各占研究區(qū)面積的8.16%、46.95%、44.89%。經(jīng)討論，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況具有較好的一致性，可為商南縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理提供理論依據(jù)。