趙洪濤

（遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學院測繪工程系，遼寧丹東118303）

我國長期粗放式開采導致礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題日益突出，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題包括水體污染、地面沉陷、地裂縫以及山體崩塌滑坡等［1-3］。對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行定量評價，在此基礎(chǔ)上制定合理的治理措施，對于有效修復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展大有裨益。近年來，遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和不斷應用，為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測評價提供了新的思路［4］。本研究以安徽巢湖北郊礦區(qū)為例，將Arc-GIS軟件與層次分析法［5-9］相結(jié)合對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進行定量評價，并對相應的治理措施進行探討。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)位于安徽省巢湖市北部山區(qū)，緊鄰江淮丘陵，三面環(huán)山，一方臨水，地形較為起伏，屬于丘陵或低中山地貌。丘陵地帶及河谷谷底地面高程為800～1 000 m，山峰高程一般為1 100～1 200 m，最高1 385 m，谷底開闊、山峰渾圓為該地區(qū)主要的地貌特征。

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫41.7℃，極端最低氣溫-23.3℃。該區(qū)年平均降水量750 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為965 mm，多年平均徑流深245.6 mm。流域內(nèi)常風向為NEE，年平均風速3.0 m/s。研究區(qū)多年平均徑流量為5.06×108m3。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有二疊系（P）、侏羅系（J）、白堊系（K）、第三系（N）及第四系（Q）。侵入巖出露面積較少，僅有華力西晚期和燕山早期酸性侵入巖零星出露，巖性包括花崗巖、花崗閃長巖、輝長巖等。脈巖種類較多，巖性復雜。

1.2 地質(zhì)災害類型

（1）小型滑坡及滑塌體。研究區(qū)內(nèi)小型滑坡體主要分布于采礦區(qū)礦洞外圍，主要由開挖過程中的浮土和廢棄物堆積而成，少部分為礦渣。小型滑塌體大多位于尖山子東側(cè)平緩臺地和顏小堡村東西側(cè)。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)該類型小型滑塌存在30多處（圖1（a）、圖1（b））。

（2）地裂縫。地裂縫主要位于礦山開采范圍內(nèi)，地表第四系覆蓋層較厚，尤其以馬家坪西側(cè)、平頂山東側(cè)山坡發(fā)育較多，該區(qū)域地下水采掘深度大，棄土多，山坡前緣具備一定臨空面，研究區(qū)地裂縫分布有20多處（圖1（c））。

（3）地面沉陷。地面沉陷部位主要集中于西大林村和尖山子村附近，人類活動較多，開采活動在該區(qū)域底部進行，開采過程中抽排地下水導致水位大幅度降低。地面沉陷部位主要為殘坡積碎石土為主，土體結(jié)構(gòu)松散，具備架空結(jié)構(gòu)，失去地下水浮托力后地面承載能力被破壞，導致該類型地質(zhì)災害發(fā)生，對于人員設備安全造成了重大隱患。現(xiàn)場調(diào)查共發(fā)現(xiàn)了11處地面沉陷點（圖1（d））。

1.3 地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律

研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題較為突出，主要為礦產(chǎn)開發(fā)和人類工程活動引發(fā)。通過現(xiàn)場調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，較大型滑坡地質(zhì)災害主要受礦山開挖導致的邊坡失穩(wěn)所致；小型滑坡、崩塌主要由降雨等惡劣氣候引發(fā)，也與礦山開采導致的水土流失有關(guān)。地質(zhì)構(gòu)造方面，斷層及其破碎帶、順坡向發(fā)育的結(jié)構(gòu)面以及劈理均為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡化的誘導因素，調(diào)查發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)大多位于北部山區(qū)陡峭、巖體構(gòu)造卸荷作用明顯的平頂山、榆木村背斜兩翼等部位。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育情況較巖漿巖地區(qū)嚴重，說明礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與巖土體的力學性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)。

2 基于層次分析的分區(qū)評價法

根據(jù)研究區(qū)自然環(huán)境、地形地質(zhì)條件和地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律，采用層次分析法對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進行分區(qū)評價。

2.1 構(gòu)建判定矩陣

通過判定矩陣可對每一層因子進行相互比較，分析和得出重要性因素，借助專家咨詢結(jié)論進行評分，最終確定標度［10-11］。采用Origin軟件構(gòu)建判定矩陣，再進行正交和歸一化處理。本研究對權(quán)重因子的量化值進行了標準化和歸一化處理，計算公式為

式中，x為權(quán)重因子量化值；a為專家打分值；amax為最大值；amin為最小值。

研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響值計算公式為

式中，M為礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響值，代表礦山地質(zhì)災害的嚴重程度；wn、nn為組合權(quán)重值；n為屬性層中不同因子的權(quán)重值。

2.2 評價因子選取及階梯評價體系建立

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果（表1），研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響因素包括地形地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、廢水廢渣等廢棄物污染以及崩塌滑坡泥石流等4類。本研究據(jù)此選擇了地形地質(zhì)、水文氣候、廢水廢渣污染、地質(zhì)災害等一級評價因子，各一級因子共包含了16個二級因子。根據(jù)《中國地質(zhì)環(huán)境調(diào)查總則（試行）》將各因子劃分為好、較好、較差、差4個等級，其中典型因子的量化評價過程如下。

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（1）地形地質(zhì)。根據(jù)研究1∶50 000地形圖提取地形數(shù)據(jù)，根據(jù)地表坡度將該因素劃分為4級，即0～15°，15～45°，45°～55°以及55°～90°。

（2）地質(zhì)構(gòu)造。通過現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪、地質(zhì)填圖，獲取了工程區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育信息。結(jié)合地殼應力場和動力學特性，研究區(qū)NNE向斷裂發(fā)育規(guī)模較大，斷層兩側(cè)斷裂穩(wěn)定性最差，活動性強，故評價因子等級劃分為4級；區(qū)內(nèi)NW向斷層規(guī)模稍小，發(fā)育位置較少，活動性較強，故劃定為3級；NNW向斷裂發(fā)育長度有限，寬度為0.5～1 m，整體未見大規(guī)模斷層，從規(guī)模上考慮，將該類型斷裂劃定為2級；NE向發(fā)育的斷裂基本為規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面，分布稀松，活動性弱，安全性較高，定位為1級。

（3）巖性條件。本研究經(jīng)過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要巖性為巖漿巖和沉積巖，其中巖漿巖以花崗巖、混合巖類為主，巖體工程性質(zhì)特征與風化程度有關(guān)，故將弱—微風化巖體以及巖體飽和抗壓強度大于60 MPa的巖石的巖性因子定位1級；將巖漿巖以及中硬巖石（30～60MPa）的巖體定位為2級；將沉積巖、軟硬相間的巖體定位為3級；將第四系堆積物，包括沖洪積和殘坡積成因的巖體定義為4級。

（4）礦山開采。礦山開挖和廢棄物堆積是研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的重要因素，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，并根據(jù)礦山采礦范圍、開采規(guī)模等因素，將礦山開采因子劃分為極小、小、極大、大4級。

在因子量化的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建的階梯層次體系主要分為3層結(jié)構(gòu)，第1層為目標層，第2層為準則層，第3層為屬性層，每層均對地質(zhì)環(huán)境因子進行了量化，通過構(gòu)建判定矩陣和專家打分確定了各因子的權(quán)重值（表2）。

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3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價

3.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價體系包含16個影響因子，數(shù)據(jù)來源主要有：

（1）地形地質(zhì)資料。采用中國地質(zhì)調(diào)查局館藏1∶50 000巢縣幅區(qū)域地質(zhì)圖，目前該圖存在ArcGIS軟件格式的電子文件，故無需進行柵格化處理。該圖囊括了礦區(qū)開采范圍，采用北京54坐標系，高程為黃海坐標系，等高線間距20 m，與現(xiàn)場地貌進行對比基本一致，精度符合評價需求。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境評價所采用的地質(zhì)資料均依據(jù)現(xiàn)場鉆探、物探及地質(zhì)測繪等手段獲取，根據(jù)地質(zhì)填圖成果繪制了相同比例尺的區(qū)域地質(zhì)圖，包括地層巖性及產(chǎn)狀、斷裂構(gòu)造及位置、斷層性質(zhì)等地質(zhì)要素。

（2）遙感影像。通過研究區(qū)1∶10 000遙感影像（圖2）可獲取區(qū)內(nèi)水文水系分布、廢水廢渣等污染物分布、地質(zhì)災害分布以及人類活動等信息。

本研究根據(jù)研究區(qū)1∶50 000地質(zhì)圖為底圖，分別將地形地質(zhì)、水文地質(zhì)、廢水廢渣以及地質(zhì)災害等方面的信息以點、線、面的形式反映至圖中。需對山頂、村落和聚居區(qū)以點的形式進行矢量化；將河流流域、廢水廢渣污染區(qū)域、滑坡泥石流潛在危險區(qū)作為面進行矢量化；將斷層、公路、鐵路等要素以線的形式進行繪制，最終得到研究區(qū)地質(zhì)矢量地形圖。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)層次分析法提取的地質(zhì)環(huán)境評價因子，將礦區(qū)地質(zhì)圖中各個要素抽象為矢量數(shù)據(jù)，最終得到矢量化成果［12-13］。

3.2 地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價

通過ArcGIS軟件中的柵格計算模塊，對本研究選取的16個評價因子的矢量數(shù)據(jù)進行疊加分析，并對分析結(jié)果進行分級。如果一區(qū)域M取值越大，反映該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境越惡劣；反之，則代表區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境狀況越好。為對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行定量分級，將研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級劃分為嚴重、較嚴重、中等和較輕。借助ArcGIS軟件的分類功能，將0＜M＜3.3對應的區(qū)域劃分為較輕區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級為1級；將3.3＜M＜5對應的區(qū)域劃分為中等區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級為2級；將5＜M＜7對應的區(qū)域劃分為較嚴重區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級為3級；將7＜M＜10對應的區(qū)域劃分為嚴重區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境等級為4級，應注意防范地質(zhì)環(huán)境惡化。

利用ArcGIS軟件統(tǒng)計模塊，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價結(jié)果見圖3。分析圖3可知：地質(zhì)環(huán)境問題較輕區(qū)域的面積為4.684 km2，占研究區(qū)開采總面積的36.7%；地質(zhì)環(huán)境問題中等區(qū)域的面積為4.01 km2，占研究區(qū)開采總面積的32.7%；地質(zhì)環(huán)境較嚴重區(qū)域的面積為2.67 km2，占研究區(qū)開采總面積的20.1%；地質(zhì)環(huán)境嚴重區(qū)域的面積為1.34 km2，占研究區(qū)開采總面積的10.5%。

根據(jù)上述分區(qū)結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)圖分析，可知研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題嚴重區(qū)域主要集中于區(qū)內(nèi)西南側(cè)，該區(qū)域廢水廢渣以及固體廢棄物堆積較多，呈散點狀分布，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在崩塌地質(zhì)災害的可能性；地質(zhì)環(huán)境問題中等區(qū)域和較嚴重區(qū)域分布于區(qū)內(nèi)中部，海拔高度中等，需防范地質(zhì)災害發(fā)生；地質(zhì)環(huán)境問題較輕區(qū)域主要集中于區(qū)內(nèi)北側(cè)山脊的2處埡口之間，該區(qū)域主要為林場，植被茂密人類活動較小，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)基本未遭受破壞。將評價結(jié)果與野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題中等及較嚴重區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境情況與實際相符，但本研究評價劃定的地質(zhì)環(huán)境問題嚴重區(qū)域的面積較實際情況擴大了約15%，是由于在評價過程中充分考慮了地質(zhì)構(gòu)造的負面影響所致。

3.3 防治與治理措施

野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地質(zhì)災害嚴重區(qū)域發(fā)生大規(guī)?；碌刭|(zhì)災害的可能性較大，對下游人員生產(chǎn)生活潛在的危害最大。礦區(qū)西南側(cè)發(fā)育1處大型潛在滑坡（通順山滑坡），滑坡前緣高程295 m，后緣高程367 m，水平長度約為150 m，垂直落差72 m，滑坡體寬40～100 m，潛在滑動體體積高達42萬m3?；律喜?0～15 m為第四系殘坡積碎石土（Q4），下部為太古界強風化花崗巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)了2條潛在滑動面，1條沿基巖界線發(fā)育，另1條沿全強風化帶發(fā)育。

針對該滑坡現(xiàn)狀，本研究提出的防治措施為：①“避”，建立臨時或永久性監(jiān)測設施，提前組織人員避險；②“排”，在邊坡上緣和坡面開挖截水溝將地表水引出滑坡區(qū)，對滑坡后緣進行回填灌漿，封堵進水通道，滑坡體下緣設置排水孔疏排地下水；③“擋”，滑坡體下緣采用抗滑樁與預應力錨桿相結(jié)合的措施進行支檔，同時對坡腳進行護坡處理，采用混凝土速噴加掛網(wǎng)鋼筋等技術(shù)措施加固坡體；④“固”，利用灌漿孔對滑坡松散堆積體和潛在滑動面進行固結(jié)灌漿，提高邊坡的抗滑能力。

4 結(jié)語

以安徽巢湖北郊礦區(qū)為例，將ArcGIS軟件與層次分析法相結(jié)合對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進行了評價，構(gòu)建了包含目標層、準則層、屬性層共16個因子組成的評價模型，通過將礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境等級劃分為嚴重、較嚴重、中等和較輕4個等級，并計算出了區(qū)內(nèi)各等級對應的區(qū)域面積。針對地質(zhì)環(huán)境問題嚴重區(qū)域存在的滑坡隱患，提出了“避”、“排”、“擋”、“固”4條技術(shù)措施，對于有效防治區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災害有一定的參考意義。

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