典型礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價方法探討

1、典型礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價方法探討以陜北地區(qū)礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查為例白喜慶 沈智慧中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院 河北邯鄲摘要：礦產(chǎn)資源的開發(fā)，必然對自然環(huán)境造成改變和破壞，產(chǎn)生一些礦山環(huán)境地質(zhì)問題。本文扼要總結(jié)介紹了礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價的程序、技術(shù)手段和方法。關(guān)鍵詞：礦山 環(huán)境地質(zhì) 調(diào)查評價 方法Abstract: It is sure that exploration to mineral resource will destroy and change natural environmental gedogy. This article emphatically sumariz

2、es and introdoces the program、technical way、sand methods of the research and evaluation of mine enywrds geology. Keywords: mine，environonmental geology，research and evaluation，method0引言礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，為人類生存和發(fā)展創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，然而由此產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)-生態(tài)環(huán)境的破壞卻又是危及人類生存的禍?zhǔn)?。目前我?5%以上的能源、80%以上的工業(yè)原料和70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料均來自礦產(chǎn)資源。由礦山開發(fā)而引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問

3、題主要有：水土流失、土地沙漠化、采空區(qū)地面沉降、地裂縫、水污染和水資源破壞、滑坡、崩塌、泥石流以及占壓耕地、污染空氣等。隨著現(xiàn)代化工業(yè)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，能源和礦物原料的消費(fèi)量還在急劇增長，礦山開發(fā)對環(huán)境的破壞也越來越嚴(yán)重，受到環(huán)境的制約（報復(fù)）也越來越明顯，人們不得不重新審視并重視環(huán)境的保護(hù)、治理和改善。為此進(jìn)行礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價，制訂合理、科學(xué)的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用與礦山地質(zhì)一生態(tài)環(huán)境防治措施，對于礦山乃至我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。陜北地區(qū)的榆神府煤田，是我國已探明超過千作者簡介：白喜慶（1963），男（漢族），山西盂縣人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、礦

4、山環(huán)境地質(zhì)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)方面的研究工作。億噸儲量的僅有的兩個巨型煤田之一，不僅地質(zhì)條件、開采條件簡單，適合大型機(jī)械化開采，而且煤質(zhì)優(yōu)良、儲量豐富，屬特低灰、特低硫、高熱值的優(yōu)質(zhì)動力煤。地理位置上處于我國東西部結(jié)合部位，是我國煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的前哨，戰(zhàn)略位置十分重要。然而該區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，自然氣候條件惡劣、降水少且集中、旱澇災(zāi)害頻繁、植被稀疏、水資源短缺。存地著沙漠化、水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等環(huán)境地質(zhì)問題。大規(guī)模的礦產(chǎn)資源、水資源開發(fā)和各類工程經(jīng)濟(jì)活動，不但進(jìn)一步加劇了水土流失和沙漠化等已有環(huán)境地質(zhì)問題，而且引發(fā)諸如淺層水資源衰褐、水體污染、地面變形等一系列新的環(huán)境地質(zhì)問

5、題，致使經(jīng)濟(jì)發(fā)展同自然資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益突出，嚴(yán)重制約了該區(qū)國發(fā)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速健康發(fā)展。1調(diào)查內(nèi)容與范圍1.1 調(diào)查內(nèi)容（1）自然條件下（未受礦山開發(fā)影響）存在的主要環(huán)境地質(zhì)問題。如水土流失、沙漠化、滑坡、崩塌、泥石流等的分布、特征、成因、災(zāi)害及其發(fā)展變化趨勢。（2）礦山開發(fā)加劇和引發(fā)新的環(huán)境地質(zhì)問題。如水土流失、土地沙漠化、水質(zhì)污染、水資源破壞，地面變形破壞等的分布、特征、成因、災(zāi)害及其發(fā)展變化趨勢。（3）調(diào)查評價礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，預(yù)測其發(fā)展趨勢。1.2 調(diào)查范圍工作區(qū)位于陜西省北部，隸屬于榆林市的榆陽區(qū)、神木縣、府谷縣、佳縣。東以黃河為界，南以榆神礦區(qū)南邊為界，西北至陜（內(nèi)）蒙

6、邊界。地理坐標(biāo)為東徑109°00111°00，北緯38°1039°40。面積約1500km2。2調(diào)查評價方法的確定2.1 影響因素的確定要調(diào)查研究清楚一個地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及其發(fā)展變化趨勢，就必須查清本區(qū)存在的主要環(huán)境地質(zhì)問題及其發(fā)展變化趨勢，而要查清這些主要環(huán)境地質(zhì)問題及其發(fā)展變化趨勢，首先就要查清其影響因素及其發(fā)展變化趨勢。根據(jù)本區(qū)自然地理、地質(zhì)環(huán)境條件和前人調(diào)查研究成果，影響本區(qū)礦山環(huán)境質(zhì)量的主要環(huán)境地質(zhì)問題是：水土流失、土地沙漠化、水環(huán)境、地面變形、固體廢棄物。影響這些環(huán)境地質(zhì)問題的主要因素是：氣象、水文、地形地貌、地表組成物質(zhì)、土地利用、植

7、被及人類工程經(jīng)濟(jì)活動等。因此本次調(diào)查的重點就是要查清這些影響因素及其發(fā)展變化趨勢。其它諸如滑坡、崩塌、泥石流等次要環(huán)境地質(zhì)問題只作一般性調(diào)查。2.2 評價方法的確定對于礦山環(huán)境質(zhì)量及其主要環(huán)境地質(zhì)問題，其影響因素是一些交織在一起的可定量因素與可定性因素，難以全部用純數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合概括刻化。為此本次礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價，引入美國著名運(yùn)籌學(xué)家匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty提出的層次決策分析法，用于土地沙漠化、水土流失、礦山環(huán)境質(zhì)量的評價預(yù)測。水環(huán)境變化采用改進(jìn)型的可拓評價方法，配以一些常規(guī)方法進(jìn)行。地面變形程度預(yù)測采用實地調(diào)查、前人工作成果以及Flac模擬三種手段綜合進(jìn)行。2.3 調(diào)查方法的確

8、定根據(jù)調(diào)查的目的任務(wù)、調(diào)查內(nèi)容以及工作區(qū)礦山環(huán)境地質(zhì)特征，調(diào)查工作以現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境地學(xué)理論為指導(dǎo)，充分利用遙感（RS）、全球定系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等新技術(shù)新方法。調(diào)查手段采用在充分收集利用已有資料的基礎(chǔ)上，以多期遙感解譯和地面調(diào)查為主，輔以適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)外測試，環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測等綜合方法進(jìn)行。 收集資料收集工作區(qū)內(nèi)氣象、水文、信息地理、社會經(jīng)濟(jì)、礦業(yè)開發(fā)以及以往地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘探研究成果等資料。 遙感（RS）解譯工作區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題的影響因素及其發(fā)展變化，了解礦山開發(fā)前后主要環(huán)境地質(zhì)問題及其發(fā)展變化趨勢。本次調(diào)查采用煤礦大規(guī)模開發(fā)初期（1987年）、中期（1992年）及近期

9、（1999年）三期美國陸地資源衛(wèi)星（Landsat.5、7）TM543波段假彩色合成圖像。很好地控制并了解了礦山開發(fā)對該區(qū)地質(zhì)環(huán)境的影響及其變化規(guī)律。 地面調(diào)查以1：5萬地形圖為底圖，采用穿越法為主，追索法為輔的方法進(jìn)行。野外定點采用GPS（全球定位系統(tǒng)）定位儀。地面調(diào)查的目的是：（1）驗證遙感解譯成果；（2）調(diào)查遙感解譯無法完成的內(nèi)容，如各種環(huán)境地質(zhì)問題的危害，礦山分布開采狀況以及產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題的分布范圍、規(guī)模、形成機(jī)理和危害，滑坡、崩塌、泥石流等；（3）采取巖土水樣；（4）樣方調(diào)查：確定植被覆蓋度和土壤侵蝕強(qiáng)度。2.3.4 實驗測試了解掌握工作區(qū)地表水、地下水水質(zhì)現(xiàn)狀，污染情況，巖土物

10、理力學(xué)性質(zhì)，煤、煤矸石有毒有害成份，土壤污染情況，含水層頂板滲透性，含水層吸附性，采礦前后隔水層滲透性等。 監(jiān)測監(jiān)測地表水流量、含沙量、水質(zhì)變化；地下水，特別是采礦對地下水有影響的區(qū)段的水位、水質(zhì)、泉流量變化；采礦形成的地面變形的發(fā)展變化情況。2.4 調(diào)查評價工作程序礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作程序見圖1 接受調(diào)查委托搜集資料、遙感初步解釋、野外踏勘、綜合分析、調(diào)查研究 編寫調(diào)查設(shè)計遙感解釋（詳細(xì)、綜合）地面調(diào)查驗證、測試試驗、動態(tài)監(jiān)測整理資料、信息庫建設(shè) 綜合研究，評價、預(yù)測、編制成果圖件 調(diào)查報告 圖1 礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作程序框圖3評價體系3.1 礦山環(huán)境地質(zhì)評價體系的建立根據(jù)陜北地區(qū)礦

11、山環(huán)境地質(zhì)條件及層次分析評價方法的特點。本次評價系統(tǒng)由三層構(gòu)成：綜合層、專題層、因子層。首先經(jīng)過反復(fù)研究比較選擇確定影響本區(qū)礦山環(huán)境質(zhì)量的幾個決定性環(huán)境地質(zhì)問題，建立專題圖層，即水土流失、土地沙漠化、水環(huán)境及礦山開發(fā)（地面變形），然后再反復(fù)研究比較選擇確定影響這些主要環(huán)境地質(zhì)問題的影響因素，建立因子圖層。評價體系分級層次結(jié)構(gòu)模式見圖2。3.2 體系運(yùn)行與驗證首先應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）強(qiáng)大的疊加分析功能建立數(shù)學(xué)模型，通過專家按其相對重要性排序，再對每一因素的內(nèi)部分類進(jìn)一步排隊，賦予評估分值，然后對專題層進(jìn)行相互比較，建立判斷矩降，并計算，得出權(quán)重的初值。經(jīng)過空間數(shù)據(jù)疊加分析與屬性的加權(quán)運(yùn)算后

12、，再根據(jù)專題層（因子）之間的相互關(guān)系，通過反復(fù)擬合與交叉運(yùn)算，最終達(dá)到與實際調(diào)查（代表性區(qū)段）和已有資料值一致的滿意結(jié)果，生成新圖層。最后根據(jù)規(guī)范要求和計算的綜合指數(shù)對新圖層進(jìn)行屬性化。 礦山環(huán)境質(zhì)量礦山開發(fā)(地面變形)水環(huán)境土地沙漠化水土流失 地 表 水水 水量 質(zhì) 地 下 水水 水量 質(zhì)固體廢棄物溝壑密度地貌類型母質(zhì)類型植被覆蓋度地貌類型植被覆蓋度母質(zhì)類型圖2 評價體系分級層次結(jié)構(gòu)模式圖4技術(shù)方法目前用于環(huán)境地質(zhì)評價的方法很多，但是由于我國在這方面工作開展較晚，至今未能形成一套系統(tǒng)、科學(xué)、可操作性強(qiáng)的區(qū)域性礦山環(huán)境地質(zhì)評價理論。在此僅就本次工作應(yīng)用較好的一些主要評價方法及筆者認(rèn)為較有前景的

13、評價方法簡要介紹如下：4.1 層次決策分析法（AHP）該方法是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析法。它是一種決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化，數(shù)量化的過程。決策者可通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，在各因素之間進(jìn)行簡單的比較和計算，從而得出不同方案的權(quán)重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)。層次決策分析法是本次工作采用的主要評價方法，用于水土流失、土地沙漠化、礦山環(huán)境質(zhì)量的評價，與以往不同的是，采用了GIS模型識別。具體方法是利用GIS強(qiáng)大的疊加分析功能，根據(jù)災(zāi)情發(fā)展和各致災(zāi)子之間相互關(guān)系的已知觀測數(shù)據(jù)，本著反復(fù)擬合和交叉選值運(yùn)算的基本原則，對已知災(zāi)情進(jìn)行危險性擬合，直到滿意為止。4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

14、法用非線性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)刻劃影響礦山環(huán)境地質(zhì)問題形成與發(fā)展的各類致災(zāi)因子之間的相互因果關(guān)系，并定量描述它們之間的關(guān)系，使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題從以往的定性靜態(tài)描述轉(zhuǎn)向以過程為目標(biāo)的精確定量的動力學(xué)研究。ANN的工作原理實際上就是一個反復(fù)模擬與反復(fù)識別的正反演過程（見圖3），其具體原理如下：是否收斂？利用Sigmoid函數(shù)計算隱含層的輸入與輸出利用Sigmoid函數(shù)計算輸出層的輸入與輸出目標(biāo)值與實際值相比較后的符合程度給一組新的樣本進(jìn)行評價或預(yù)測NOYES不甚滿意 令人滿意 圖 3 BP網(wǎng)基本工作原理框圖4.3 Flac模型法 Flac是目前國際最流行、最先進(jìn)、最完善的巖土力學(xué)有限差分三維數(shù)值

15、模擬軟件。本次工作利用該軟件對采煤引起的頂板變形破壞進(jìn)行模擬，計算出采煤活動誘發(fā)的上三帶發(fā)育高度，得出采空區(qū)破壞變化情況，然后據(jù)此對采煤引發(fā)的地面變形破壞，對地下水資源的影響進(jìn)行分區(qū)評價。4.4 改進(jìn)型的可拓評價法可拓學(xué)是從定性和定量兩個角度，通過建立多指標(biāo)參數(shù)的質(zhì)量評定模型，來完整地反映樣品的綜合質(zhì)量水平?？赏貙W(xué)理論的基本方法稱為可拓方法，可拓方法在評價中主 要應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量的評價上。本次工作將可拓方法用于地下水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價中。 具體方法步驟如下：（1）確定經(jīng)典域與節(jié)域：評價類別對應(yīng)的評價指標(biāo)所取的數(shù)據(jù)范圍為典域，評價指標(biāo)所取的量值范圍為節(jié)域。（2）確定待評物元：檢測得到的數(shù)據(jù)或分析結(jié)

16、果。（3）確定權(quán)系數(shù)：利用層次分析法計算，因為每一類水都有標(biāo)準(zhǔn)，針對某一水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，計算其綜合指數(shù)，然后根據(jù)其值的大小兩兩比較，計算出權(quán)值。（4）確定待評事物關(guān)于各類別等級的關(guān)聯(lián)度。（5）計算事物關(guān)于等級的關(guān)聯(lián)度。（6）等級評定。4.5 空間數(shù)據(jù)疊加法該方法是一種基于GIS強(qiáng)大的空間疊加分析功能的多元信息均權(quán)疊加法。在本次工作中，根據(jù)該區(qū)礦山環(huán)境地質(zhì)問題的變化特征，以及GIS空間數(shù)據(jù)庫的功能和特點，應(yīng)用多元信息復(fù)合疊加原理進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境綜合發(fā)展趨勢預(yù)測評價工作的探索。5結(jié)論（1）詳細(xì)調(diào)查評價礦山地質(zhì)環(huán)境是合理開發(fā)利用資源，保護(hù)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的前提。根據(jù)我們在陜北地區(qū)的礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作，提出了一套礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價方法。（2）運(yùn)用“3S”技術(shù)，以及一些目前最先進(jìn)的水文地質(zhì)、工程