李中陽,張金林,駱茂林,羅 歡,張 強(qiáng)
(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)
礦產(chǎn)資源作為國家經(jīng)濟(jì)和人民生活的基礎(chǔ),在經(jīng)歷幾十年的高速發(fā)展后,帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。同時(shí),伴隨著經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展,國家和人民對(duì)環(huán)境問題越來越重視。因此,對(duì)已有礦山地質(zhì)環(huán)境做出科學(xué)合理的評(píng)價(jià),是礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理的關(guān)鍵。
自貢市屬礦產(chǎn)資源貧乏但種類豐富的地區(qū),礦產(chǎn)資源種類有煤礦、鹽礦、石灰?guī)r礦、水泥配料用砂巖礦、磚瓦用頁巖礦、高嶺土、陶瓷土、膨潤土、礦泉水、石英巖礦等,主要礦種為鹽和煤。 自貢市自明朝時(shí)期便開始進(jìn)行鹽鹵礦開采,區(qū)內(nèi)共有歷史遺留礦井上萬處,加上近二十年其他礦種的持續(xù)開采,導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人民的生命財(cái)產(chǎn)的威脅持續(xù)加大,因此有必要對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià),為后續(xù)的治理恢復(fù)與保護(hù)提供依據(jù)。
自貢市礦產(chǎn)種類豐富,且多數(shù)為沉積成因所形成,已開采的礦產(chǎn)種類有煤、鹵鹽礦、天然氣、石灰石、高嶺土、頁巖和石英砂巖等,礦產(chǎn)資源的分布受地層條件和構(gòu)造條件影響明顯。
本次自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查對(duì)自貢市下轄的榮縣、富順縣、自流井區(qū)、貢井區(qū)、大安區(qū)、沿灘區(qū)進(jìn)行了調(diào)查,共計(jì)覆蓋1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅16幅,野外調(diào)查線路共計(jì)36條,共計(jì)調(diào)查礦山424個(gè),具體見表1。
表1 自貢市礦山現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表
區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要是采礦活動(dòng)和礦區(qū)堆積物引起的地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、水資源污染、土地資源污染、含水層結(jié)構(gòu)破壞及疏干、土地壓占與損毀、地貌地形景觀影響等[1-2]。據(jù)本次調(diào)查,自貢市因礦業(yè)開發(fā)造成土地占用與損毀面積6.919 4 km2,主要表現(xiàn)在工業(yè)廣場(chǎng)壓占土地資源,共計(jì)2.229 2 km2;露天采場(chǎng)損毀土地,共計(jì)3.288 1 km2;煤矸石及廢渣壓占土地,共計(jì)0.149 1 km2;礦山廢渣壓占土地資源0.286 2 km2;地面變形損毀土地,共計(jì)0.021 km2,為煤礦山開采地面變形損毀土地;土地質(zhì)量下降,共計(jì)0.943 2 km2,為煤礦地下開采造成含水層結(jié)構(gòu)破壞。詳見表2。
表2 自貢市礦山礦業(yè)活動(dòng)占用及破壞土地統(tǒng)計(jì)表(按破壞方式)
隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,礦山地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)方法也隨著多學(xué)科和多鄰域的交叉發(fā)展而變得多樣而成熟。主要評(píng)價(jià)方法有GIS空間數(shù)據(jù)迭加法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、專家打分法以及綜合評(píng)判法等[5]。礦山地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)綜合且復(fù)雜的環(huán)境問題,不僅影響因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多,而且評(píng)價(jià)結(jié)果往往具有模糊性。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確合理,需要將評(píng)價(jià)因子分級(jí)賦值再利用相關(guān)評(píng)價(jià)方法得出評(píng)價(jià)結(jié)果的分值,再將分值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)等級(jí),得出礦山地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此,本文應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)與層次分析相結(jié)合的方法對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。
根據(jù)對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查,結(jié)合收集的相關(guān)資料,本文將自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)分為礦山地質(zhì)環(huán)境影響與礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理2個(gè)子體系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4,6]。
礦山地質(zhì)環(huán)境影響子體系包含突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響和持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響2個(gè)評(píng)價(jià)因素,以及泥石流、滑坡、地面塌陷、崩塌、地裂縫、水資源污染、含水層結(jié)構(gòu)破壞及疏干、土壤污染、地形地貌景觀影響、土地壓占與損毀10個(gè)評(píng)價(jià)因子。
以環(huán)境恢復(fù)治理需要結(jié)合實(shí)際情況及以人為本為前提,礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理包含礦山恢復(fù)治理難易程度和人為條件2個(gè)評(píng)價(jià)因素,這2個(gè)評(píng)價(jià)因素分別包含單位面積治理資金投入量與所需治理資金的比例、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)率、政府治理意愿和民眾要求4個(gè)評(píng)價(jià)因子。其中,政府治理意愿通過政府對(duì)該區(qū)域治理資金投入量與所需治理資金的比例來確定,民眾要求則是通過實(shí)地走訪該區(qū)域的居民來確定其意愿程度。詳見圖1。
圖1 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系
根據(jù)對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境實(shí)地調(diào)查及已有資料的收集整理,通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)、咨詢相關(guān)專家和參考相關(guān)規(guī)定規(guī)范,將自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)指標(biāo)分為優(yōu)、良、中、差四個(gè)等級(jí)[7],具體分級(jí)見表3。
礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及多因素、多層次、多指標(biāo)以及帶有人為主觀判定的綜合問題。本文在自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查資料基礎(chǔ)上,查閱相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)合已構(gòu)建的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法,建立自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型[8-9]。綜合評(píng)價(jià)的具體步驟如下所述。
1) 確定評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)P。結(jié)合2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)量化,將礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果P分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)分值區(qū)間:大于6.5為優(yōu),6.5~4.5為良,4.5~2.5為中,2.5~1為差。
2) 確定評(píng)價(jià)因素U。由自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系可知,自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)因素分別有突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響、持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響、礦山恢復(fù)治理難易程度和人為條件四類。則U={U1,U2,U3,U4},每個(gè)因素Ui各包含若干評(píng)價(jià)因子Uij(i≤4,j≤5且i,j都為大于0的整數(shù))。因此,U1={U11,U12,U13,U14,U15},U2={U21,U22,U23,U24,U25},U3={U31,U32},U4={U41,U42}。
3) 模糊綜合評(píng)價(jià)模型。根據(jù)已建立的自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系,需要建立多級(jí)評(píng)價(jià)模型逐層依次進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先,在每個(gè)獨(dú)立影響因素下,用與其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià),則一級(jí)評(píng)價(jià)模型為式(1)。
Di=W×Ni
(1)
式中:Di為單個(gè)影響因素的評(píng)價(jià)結(jié)果;W為獨(dú)立評(píng)價(jià)因素下的所有評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重構(gòu)成的權(quán)重矩陣;Ni為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)與之對(duì)應(yīng)的獨(dú)立評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣。
表3 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
通過一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果,構(gòu)成因素評(píng)價(jià)集B,假設(shè)各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重為Ki,構(gòu)成權(quán)重矩陣K,評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)的子體系的評(píng)價(jià)結(jié)果為Ci,則二級(jí)評(píng)價(jià)模型為式(2)。
Ci=K×Bi
(2)
通過二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果,構(gòu)成評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)的子體系集C,假設(shè)評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)的子體系的權(quán)重為Ti,礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果為Pi,則構(gòu)成礦山地質(zhì)環(huán)境三級(jí)評(píng)價(jià)模型為式(3)。
Pi=Ti×Ci
(3)
通過逐層依次三級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)計(jì)算,可得出最后的評(píng)價(jià)結(jié)果P的分值,再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí),可得出研究區(qū)最終的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果。
由于礦山地質(zhì)環(huán)境的各影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性不同,所以礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的核心即是確定各要素及評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是計(jì)算權(quán)重較為科學(xué)和理想的方法,因此,本次礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重使用層次分析法結(jié)合專家打分法來確定。
1) 通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域的專家,對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的子體系和評(píng)價(jià)因素的重要性進(jìn)行打分評(píng)判。
2) 構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算各因素、指標(biāo)的權(quán)重。通過層次分析法構(gòu)建出的評(píng)價(jià)體系,在每一個(gè)相互獨(dú)立的影響因素下,對(duì)下一層的指標(biāo)進(jìn)行重要性賦值;再結(jié)合專家所打分值構(gòu)造判斷矩陣;最后輸入到Matlab軟件中,計(jì)算出各矩陣的最大特征值與特征向量。歸一化處理矩陣的最大特征向量作為各對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重,計(jì)算結(jié)果見表4。評(píng)價(jià)因子權(quán)重結(jié)果見表5。
表4 子系統(tǒng)及評(píng)價(jià)因子權(quán)重結(jié)果表
表5 評(píng)價(jià)因子權(quán)重結(jié)果表
3) 判斷矩陣一致性驗(yàn)證。引入一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI來驗(yàn)證,見式(4)。
(4)
式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣的階數(shù)。
為了確定判斷矩陣的一致性程度,通過CI值與數(shù)值0的靠近程度來確定判斷矩陣一致性的好壞,CI值越接近0,則表明判斷矩陣的一致性越好。當(dāng)CI值等于數(shù)值0時(shí),判斷矩陣就具有完全一致性。當(dāng)判斷矩陣為3階及以上時(shí),引入平均隨機(jī)性一致性指標(biāo)RI與隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI,通過CR值來判定矩陣的一致性。本文判斷矩陣最高為5階,因此本文引入1~6階判斷矩陣RI的值[7],見表6。
表6 平均隨機(jī)性一致性指標(biāo)
若CR<0.1,表示判斷矩陣具有一致性,反之就表示判斷矩陣不具有一致性,則需要通過調(diào)整矩陣使其達(dá)到一致性。經(jīng)檢驗(yàn),本文所構(gòu)造的判斷矩陣都具有一致性。
自貢市礦山時(shí)間跨度長,分布范圍廣,呈現(xiàn)集中連片分布特征。根據(jù)這一特征,可以把自貢市劃分為6個(gè)礦集區(qū),分別為自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū),威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū),青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū),威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū),大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū),富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū),詳見圖2。
根據(jù)自貢市綜合分區(qū)情況,使用上述綜合模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。
圖2 自貢市礦集區(qū)分區(qū)圖
表7 自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果表
續(xù)表7
通過表7可知,自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境等級(jí)“優(yōu)”區(qū)1個(gè),“良”區(qū)1個(gè),“中”區(qū)2個(gè),“差”區(qū)2個(gè)。分別為富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū);大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū);青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū)和威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū);自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)和威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū)。
礦山地質(zhì)環(huán)境為“差”的分區(qū),基本為鹽鹵礦區(qū)和煤礦區(qū),一是因?yàn)檠芯繀^(qū)鹽鹵礦開采歷史久遠(yuǎn)、開采量巨大,二是煤礦的開采導(dǎo)致大面積的采空區(qū)出現(xiàn),兩者對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境影響都是持續(xù)性的,且恢復(fù)治理難度較大、恢復(fù)速度較慢、時(shí)間較長,需持續(xù)投入大量資金,從而導(dǎo)致政府的治理意愿不夠強(qiáng)烈。對(duì)于此類地質(zhì)環(huán)境“差”的區(qū)域,地方政府需通過政策傾斜來吸引社會(huì)力量,通過地方政府—社會(huì)力量的共同合作來對(duì)該區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的治理修復(fù)。
礦山地質(zhì)環(huán)境為“中”的分區(qū),基本為石灰?guī)r礦種的開采區(qū)。此類地質(zhì)環(huán)境影響主要是因?yàn)殚_采活動(dòng)對(duì)地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)以及周邊的土地資源、植被資源的破壞。相較于鹽鹵礦、煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響,灰?guī)r礦礦產(chǎn)資源的開采導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理較容易,所需治理資金量不大。此類礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理則需政府主導(dǎo),部分社會(huì)資本參與,加強(qiáng)對(duì)開礦企業(yè)的管控。
礦山地質(zhì)環(huán)境為“優(yōu)”“良”的分區(qū),則是頁巖礦開采區(qū)。此類地質(zhì)環(huán)境影響多為地形地貌和植被破壞,所需治理資金少,治理難度低,多數(shù)只需在加強(qiáng)邊坡防護(hù)的前提下進(jìn)行人工復(fù)綠或者自然復(fù)綠。相較于地質(zhì)環(huán)境“差”“中”的分區(qū),此類礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理則完全可由地方政府或者生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行治理修復(fù)。
礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)影響因素不同,評(píng)價(jià)因子因地因礦而異,評(píng)價(jià)結(jié)果無法數(shù)字化,因此對(duì)于礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)往往都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)定進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。本文采用定性評(píng)價(jià)對(duì)上述提出的多級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)法所得出的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 從突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境影響、持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響、礦山恢復(fù)治理難易程度和人為條件4個(gè)方面結(jié)合表3進(jìn)行分區(qū)定性評(píng)價(jià)。
自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)區(qū)內(nèi)主要礦種為鹽鹵礦,分布少量的灰?guī)r礦。鹽鹵礦的開采造成的主要是持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境問題,灰?guī)r礦開采造成的則是突發(fā)型地質(zhì)環(huán)境問題。根據(jù)實(shí)地調(diào)查及相關(guān)水土樣品的檢測(cè)結(jié)果可知,該區(qū)部分水資源中,地表水和地下水中Na+和Cl-最高濃度分別達(dá)1 709 mg/L、730 mg/L,土壤含鹽量最高接近0.5%,表明該區(qū)水土資源污染嚴(yán)重。其次自貢市開采鹽鹵礦歷史長遠(yuǎn),開采井?dāng)?shù)量眾多,歷史遺留的大量礦井主要集中在該區(qū),對(duì)該區(qū)含水層結(jié)構(gòu)破壞及疏干影響嚴(yán)重,區(qū)內(nèi)部分地方地面出現(xiàn)不同程度的沉降,部分居民房屋出現(xiàn)裂縫。再者,區(qū)內(nèi)石灰?guī)r的開采嚴(yán)重剝蝕上層的植被及覆蓋層,對(duì)周邊土地的壓占與損毀嚴(yán)重,地形地貌破壞嚴(yán)重。對(duì)于上述地質(zhì)環(huán)境影響尤其是持續(xù)型地質(zhì)環(huán)境影響,治理難度大,持續(xù)時(shí)間長,政府投入治理資金少,治理意愿低。綜上所述,將自流井背斜大安區(qū)-自流井區(qū)鹽鹵礦礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)為“環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)”,即為“差”。
利用定性評(píng)價(jià),對(duì)自貢市其他地質(zhì)環(huán)境分區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià),威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣煤礦、石灰?guī)r礦、高嶺土礦礦集區(qū)、青山嶺背斜富順煤礦、石英砂巖礦礦集區(qū)、威遠(yuǎn)背斜南翼榮縣東興石灰?guī)r礦礦集區(qū)、大安牛佛磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)、富順王井-東湖磚瓦用頁巖礦礦集區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果為影響嚴(yán)重、影響較嚴(yán)重、影響較嚴(yán)重、影響一般和基本無影響,與上述多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。但前文構(gòu)建的多級(jí)綜合模糊評(píng)價(jià)法與層次分析法是將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為半定量評(píng)價(jià),極大地減少了人為主觀因素和定性描述帶來的不穩(wěn)定性和不確定性,使礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的結(jié)果更科學(xué)、更合理。
1) 在本著礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理需根據(jù)實(shí)際情況和以人為本的前提下,將單位面積治理資金投入量與所需治理資金的比例、政府意愿和民眾要求作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的一部分,使自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、合理和貼近實(shí)際情況。
2) 通過對(duì)自貢市礦山地質(zhì)環(huán)境的綜合分區(qū)評(píng)價(jià),結(jié)果表明:自貢市有1個(gè)地質(zhì)環(huán)境“優(yōu)”區(qū)(面積141.32 km2)、1個(gè)“良”區(qū)(面積86.87 km2)、2個(gè)“中”區(qū)(面積226.24 km2)和2個(gè)“差”區(qū)(面積564 km2)。
3) 政府治理意愿不強(qiáng)烈的礦區(qū),主要是礦山地質(zhì)環(huán)境影響范圍大,持續(xù)時(shí)間長,治理難度大,持續(xù)資金投入量大,恢復(fù)時(shí)間長。其中主要原因則是需要持續(xù)投入大量治理資金,而地方財(cái)政收入及中央撥款有限,導(dǎo)致政府治理意愿不強(qiáng)。對(duì)于此類礦山的恢復(fù)治理,則需要轉(zhuǎn)變思路,可以通過地方政策(如免稅、給予治理恢復(fù)土地一定的免費(fèi)使用年限等)吸引社會(huì)資本進(jìn)行恢復(fù)治理,一方面可以極大的減輕財(cái)政的壓力,另一方面可以積極調(diào)動(dòng)社會(huì)力量參與。