开阳磷矿区地质环境敏感性评价研究探讨
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发布时间：2022-04-28 17:33
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时间：2022-06-21 01:10
冯春涛
（中国国土资源经济研究院，河北三河，101149）
摘要 地质环境敏感性评价是进行地质环境综合整治规划的基础，本文以开阳磷矿区为例，通过采用专家赋值和层次分析法（AHP）对磷矿区地质环境问题诱发的主要影响因素的分析，系统选取评价指标体系，建立地质环境敏感性综合评价模型，最终划分出磷矿区地质环境敏感性区域，从而明确未来可能发生地质灾害的易发程度。
关键词 地质环境 地质环境敏感性评价 层次分析法（AHP）
前言
由岩石环境、土壤环境和水环境三个子系统组成的开阳磷矿区地质环境是作为矿区开发主体开采利用磷矿资源所影响的环境空间和当地人民生存的空间，近些年来曾一度由于人类工程活动的加剧使得对其的扰动达到了极限，造成了种种较为严重的水土流失、崩塌、滑坡、泥石流等地质环境问题，引发地质灾害现象的发生，诸如：“1995.6.24”特大泥石流灾害，造成死亡15人，重伤13人的重大伤亡事故，直接经济损失达1.36亿元，1999、2000、2002年又发生不同程度的泥石流灾害，这在一定程度上导致了矿区内的自然生态失衡，影响了当地民众生存的环境质量，因此，在开展磷矿区地质环境整治中，查明地质环境恶化的背景，力争作到“防患于未然”，使已破坏的环境达到治理恢复，是矿区开发和建设中的一项迫切任务，也是一项投入少收益大的可持续发展系统工程，而对于地质环境综合整治需要以科学的规划为先决条件。其中对包括磷矿区自然条件（含地质条件）以及多种自然和人为诱发灾害（含地质灾害）等种种约束条件的科学评价构成最基础的内容，即：评价地质环境基本状况和其敏感性程度，在综合考虑影响磷矿区地质环境诸多方面要素的基础上，借助恰当的数学模型和专家经验，对矿区的地质环境进行分区，从而明确未来可能发生地质环境恶化引起得直接结果—地质灾害的易发程度[1]。基于此，开展矿区地质环境敏感性研究，将对于合理利用磷矿区地质环境，避免和减少由于各种潜在自然地质环境灾害与工程活动诱发灾害带来的昂贵的工程处理费用，从而对最大限度地促进矿区资源效益与环境、经济、社会效益的统一和协调发展，具有重要的实际和理论意义。
1 开阳磷矿区地质环境背景
矿区地质构造属扬子准地台中的黔北台隆复杂的地质构造变形区，断裂、褶皱构造发育。整个矿区位于隆起洋水背斜上，为一短轴背斜，形似梭状，背斜两翼不对称，背斜核部为元古宙板溪群和震旦系，翼部为寒武系、二叠系、三叠系。是构成该区构造格架的主体之一。该背斜由于背斜转折端断裂、节理和裂隙构造发育，因此长期的风化剥蚀使背斜转折端基本剥蚀殆尽，形成沿背斜轴展布的深切沟谷，区内洋水河即为沿谷底径流。矿区岩石较破碎，其中走向近20°、110°、225°的三组节理裂隙较发育。矿区总体地势南高北低，槽谷内山高坡陡，地形破碎，地形复杂，切割剧烈，谷深坡陡，溪沟众多，沟壑发育，在矿区出露地层主要是板溪群，震旦系南沱组、陡山沱组、灯影组，寒武系下统牛蹄塘组、金顶山组和第四系，出露地层岩性软硬相间，差异较大，在矿区内除震旦系灯影组为厚层白云岩外，全部为软弱岩石，震旦系灯影组厚层白云岩两组垂直节理及卸荷裂隙极为发育。
2 磷矿区地质环境敏感性综合评价的方法与思路
2.1 磷矿区地质环境敏感性综合评价的基本思想
磷矿区的地质环境问题的诱发来自各种自然地质因素和人为作用因素的共同作用下所形成或产生的各种地质环境问题，甚至地质灾害。针对该区的地质环境敏感性评价就是根据已有地质环境问题的发育机理以及分布规律，对将来发生崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝的潜在可能性进行综合分析评价，并对这种可能性从大到小进行分级。对其敏感性进行评价的关键是对众多影响因素的综合处理，为此，评价中必须解决一系列问题，主要包括，各地质环境问题影响因素的确定、影响因素的处理及取值、敏感性评价模型的建立以及整个工作区的地质环境敏感性评价。
2.2 磷矿区地质环境敏感性综合评价的思路
评价的最高目标为地质环境敏感性程度，次一级目标为5类地质环境问题，再下一级目标为诱发地质环境问题发生的各影响因素。评价过程第1步为各单一地质环境问题分析，第2步为以5种地质环境问题为因子的区域性分析。建立模型的层次结构。
评价层次结构见图1。
图1 评价体系构建思路图
评价矿区地质环境敏感性分区为最高目标；其次为选定评价区内已有地质环境问题，即崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝，最底层目标为选取诱发各地质环境问题的主要因子，如坡度、矿体坡角、岩性结构、降雨、岩性、结构构造、人类活动。
2.3 评价层次模型的建立（见图2）
图2 磷矿区地质环境综合敏感性评价层次模型
2.4 磷矿区地质环境敏感性评价建模方法
采用多项式来综合考虑各因素的影响，建立评价模型，即：
Gs=A1·X1+A2·X2＋…＋An·Xn
式中：Gs为矿区地质环境敏感性，Xi为各影响因素，Ai为权重。
模型中各影响因素权重的确定，是矿区地质环境敏感性评价的关键，考虑到资料的精度及评价尺度，采用层次分析法（AHP）来确定各影响因素的权重。
层次分析法中，每一层次的因素相对于上一层次某一因素的相对重要性权值的确定可简化为一系列成对因素的判断比较，为了将比较判断定量化，引入1-9比率标度法。见表1。
表1 判断矩阵标度及其含义
假定A层因素中Ak与下一层次中B1,B2，…，Bn有联系，则判断矩阵形式如下：
地质环境经济论文集.第2辑
对于1-9阶判断矩阵，RI分别为：
地质环境经济论文集.第2辑
2.5 磷矿区单项地质环境问题敏感性评价
2.5.1 磷矿区滑坡敏感性评价
考虑到矿区实际状况，我们选取影响滑坡发育的背景因素为：岩性、岩体结构、斜坡坡度、降雨。按照标度指数得到的统计计算量。构成滑坡影响因素的判断矩阵。
地质环境经济论文集.第2辑
对应于上述矩阵，计算出各因素对应的权向量为：
U（K）=（0.11702,0.42553,0.222340,0.23404）T
经一致性检验，可得CR=0＜0.1。该判断矩阵正确。
影响因子指数的确定对于影响各地质环境问题发育的主要因子降雨、岩性、结构构造、坡度等，按照其对各灾种影响因素的大小进行分级并给以不同的量化取值。以降雨为例，本区全年降水量的80%主要集中在6～8月份，而又以7月下旬至8月上旬最为集中，降水强度大，历时短。此时恰为灾害多发期，所以对该区域内平均降雨量分级，共分为5级。见表2。
表2 降雨量对各地质环境问题影响分级量化取值表
同样，可以对岩性、岩性结构构造、斜坡坡度给出不同的分级量化取值。
滑坡敏感度评价的模型
地质环境经济论文集.第2辑
式中：B滑坡——滑坡敏感性指数；Vi——量化取值；Wi——权重。
B滑坡＝V1×0.11702+V2×0.42553+V3×0.22234+V4×0.23404
V1——单元岩性指数；V2——单元岩体结构指数；V3——单元斜坡坡度指数；V4——单元人类活动影响指数
通过对模型试运算，将滑坡敏感性程度分为4级。分别是滑坡敏感性强区＞0.7、滑坡敏感性较强区0.7～0.6、滑坡较轻微区0.6～0.4、滑坡极轻微区域＜0.4。滑坡敏感性强的区域主要分布在大水村老街组、大水村大新组、中心村龙洞沟组，受威胁人数106余人，滑坡敏感性较强的区域主要集中金华村雷光组、麻窝厂，区内受威胁人数68人，受威胁的财产损失10万余元；滑坡较轻微区域主要集中于在丰厚村后山组、茅坡村沙沟组、寨子村寨子组内，区内受威胁人数约102人。滑坡极轻微区域主要集中于中心村汤家沟组，受威胁人数4人。
2.5.2 磷矿区崩塌敏感性评价
考虑到矿区实际状况，崩塌形成的条件及影响因素大致与滑坡相同，故我们选取背景因素有：岩性、岩体结构、斜坡坡度、人类活动影响。按照标度指数得到的统计计算量。构成崩塌影响因素的判断矩阵。具体过程与滑坡评价基本一致，这里不再赘述。依据此方法，我们可以得出初步评价结果：整个磷矿区崩塌敏感性强的区域位于沙坝村和寨子村岩上、金华村雷打岩。受威胁人数大致214人，受威胁的财产达43万元；崩塌敏感性较强的区域集中在寨子村寨子、丰厚村后山崩塌带、大水村大岩脚。受威胁人数130人，受威胁的财产达35万元。
2.5.3 磷矿区地裂缝与地面塌陷敏感性评价
进行磷矿区地裂缝敏感性评价所要考虑的影响因素主要有：断裂发育的程度、裂缝的宽度、发展趋势、地下采矿程度、受威胁对象距离，按照标度指数得到的统计计算量。分别构筑地裂缝及地面塌陷影响因素的判断矩阵。具体过程与滑坡评价基本一致，这里不再赘述。依据此方法，我们可以得出初步结果，银厂坡一带的地裂缝、涂家寨地裂缝为敏感性强的区域，其余为较强敏感性区域，银厂坡一带的地裂缝多年来一直在增加，直接威胁寨子村60余人的生命财产。涂家寨一带地裂缝由于地下采空直接威胁130人的生命财产。
2.5.4 磷矿区水土流失敏感性评价
水土流失敏感性评价是为了识别容易形成水土流失的区域，评价水土流失对人类活动的敏感程度。而正如前面现状分析，磷矿区的水土流失表现形式为重力侵蚀，因此对于水土流失的敏感性评价可以初步得出：大水村为水土流失敏感性强的区域，茅坡村、丰厚村为水土流失敏感性较强区域，寨子村，茶园村、岩脚村，沙坝村为水土流失较轻微区域，金华村、中心村为水土流失极轻微区域。
2.6 磷矿区地质环境敏感性程度综合评价
对整个区域进行评价。将各单地质环境问题作为区域性分析的因子，顺序由1至n依次为滑坡、泥石流、崩塌、地裂缝与地面塌陷、水土流失。构成综合判断矩阵。
地质环境经济论文集.第2辑
对应于上述矩阵，可求出各因素对应的权向量为：
U（K）=（0.2618,0.09388,0.23574,0.3755,0.0331）T，经一致性检验可得CR＜0.1。该判断矩阵正确。
整个矿区敏感性程度评价的模型：
地质环境经济论文集.第2辑
式中：B矿区——磷矿区地质环境敏感度指数；Vi——指数；Wi——权重
B矿区＝V1×0.2618+V2×0.09388+V3×0.23574+V4×0.3755+V5×0.0331
V1——单元滑坡敏感性指数；V2——单元泥石流敏感性指数；V3——单元崩塌敏感性指数；V4——单元地面裂缝敏感性指数；V5——单元水土流失敏感性指数。
综上分析计算，可将磷矿区地质环境综合敏感性分成如下区域：磷矿区地质环境综合敏感性极轻微区域大致主要分布在中心村所在区域。磷矿区地质环境敏感性较轻微区大致分布在丰厚村与茶园村之间的范围内（即两岔河矿段以东，极乐矿段以西之间的范围），磷矿区地质环境敏感性较强区大致分布在大水村和沙坝村之间的范围内（即极乐矿段、沙坝土矿段以及马路坪矿段大部），磷矿区地质环境敏感性强的区域大致分布在金华村、寨子村、用沙村之间的范围内（即牛赶冲矿段以及用沙坝矿段）。
3 结语
本次研究例证了由近年来广泛用于定性定量指标混存的多因子权重评价的层次分析法在地质环境敏感性综合评价中的应用过程[2]。在这一过程中，需要注意的是评价因素的恰当选取及其分级指标和权重值的科学确定是地质环境敏感性评价的重要环节，评价应尽可能地体现影响其敏感性的所有环境因素的贡献程度，这有待于对地质环境认识程度的深入及资料的积累，而基于专家知识的智能化推理与数学模型处理方法的有机结合则是客观科学地确定分级指标和因子权重的理想途径[3]。
参考文献
[1]黄润秋，向喜琼.GIS技术在生态环境地质评价中的应用.地质通报，2002,21（2）:98～101.
[2]王莲芬，许树柏.层次分析法引论.北京：中国人民大学出版社，1989.
[3]周爱国，蔡鹤生.地质环境质量评价理论与应用.武汉：中国地质大学出版社，1998.
