0 引言
随着国民经济的快速增长 ,矿产资源对社会经济进步的支持和促进作用日益凸显。但在许多矿区,由于矿产资源的开发大量的土地资源被侵占,引发矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡等地质灾害以及粉尘污染、水体污染等环境问题,对人类的生存环境造成了破坏。为了实现矿产资源开发及生态环境的可持续发展,必须对矿山环境状况做出客观的评价,选择合理的评价因素、建立科学的评价体系是进行矿山环境评价的前提和基础。
矿山环境评价是开展矿山环境修复整治工作的基础。利用不同的方法,开展矿山环境评价是当前环境科学研究的前沿热点之一。目前矿山环境评价常用的方法比较多[1,2,3,4,5,6,7,8,9],如BP神经网络法、支持向量机(support vector machine,SVM)、集对分析、物元分析法和层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)等。矿山环境的影响因素有很多种,定量评价过程易受人为因素干预。AHP法是一种将定性与定量分析方法相结合的多目标决策分析方法。该方法将决策者的经验给予量化,特别适用于目标结构复杂且缺乏数据的情况,是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。本文利用AHP法,以海南岛涉矿用地、矿山占损土地、新增损毁土地、矿山恢复治理、矿山污染、矿山开采引发的地质灾害等遥感调查与监测成果为基础,综合其他相关资料,对海南岛矿山环境进行了综合分析和评价,探讨了该方法在矿山环境评价中的方法、步骤,以抛砖引玉,促进AHP在矿山环境评价工作中的应用。
1 研究区概况及数据源
本文研究区为海南岛,其位于我国海南省,面积约为3.4万km2。区内矿产资源丰富,已发现各类矿产88种,经评价有工业储量的矿产达70种。其中,已探明列入资源储量统计的矿产有56种,包括能源矿产、黑色金属矿产、有色金属矿产等类型,产地426处。矿产资源的开发利用促进了经济的发展,但同时也给矿区的生态环境造成了一系列的影响。
本文采用遥感、地理信息系统(geographic information system,GIS)与野外验证相结合的方法,对海南岛矿山开发状况与矿山地质环境进行调查监测。调查使用的遥感影像以2016年和2017年土地变更调查数据为基础,凡土地变更调查遥感数据空间分辨率低于2.5 m的区域,使用当年的高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)、资源三号(ZY-3)等国产高空间分辨率数据进行补充和替换。因此,本次监测使用的遥感数据的空间分辨率均优于2.5 m。利用上述遥感影像,先后查明了2016—2017年海南岛矿山开发占地、新增矿山环境恢复治理和新增矿山开发损毁土地、矿山地质灾害、矿山环境污染等矿山环境状况与变化情况。
2 研究方法
2.1 矿山地质环境评价方法体系
要实现矿产资源开发及生态环境的可持续发展,需对矿山环境状况做出客观的评价,而选择合理的评价因素、建立科学的评价体系是进行矿山环境评价的前提和基础。
矿山地质环境系统是一个复杂的系统,矿山地质环境评价的目标是为矿山生态环境重建和保护提供参考依据,以实现矿业的可持续发展。
目前国内对矿山环境的研究多集中于定性研究,定量研究相对较少,并且所采用的评价方法及标准各有不同。本文采用专家打分与AHP法相结合的方法,确定评价单元,建立评价指标体系,对海南岛矿山环境进行评价。采用的评价网格大小为1 km×1 km。
2.2 AHP法的设计与实现
1)建立层次结构模型。本文从4个方面结合自然与人为两大影响因素,选取矿山地质环境评价指标,并建立矿山地质环境质量评价指标体系。该体系分为评价目标层、评价要素层和评价因子层3个层次。
2)矿山地质环境质量评价值计算。矿山地质环境质量评价值计算公式为
式中: A为某一矿区评价值; Di为因子指标标准化值; ωi为因子指标的相应权重值; i为相应指标的序号; m为指标个数。利用式(1)对目标层逐层进行计算,直到最高层。
3)评价等级值计算。评价等级标准值的建立是为了使矿山地质环境评价结果具有可比性。根据所计算的等级综合阈值,建立矿山地质环境综合评定等级,即利用计算所得的各等级值,确定各等级的区间范围值。
3 海南岛矿山地质环境评价
3.1 评价因子的选择
本次评价工作根据海南的矿山环境特征,选定了自然地理(地形地貌、降雨量、植被覆盖度、区域重要程度)、基础地质(构造、岩性组合、边坡结构)、资源损毁(开采矿山密度、开采强度、主要开采方式、主要矿种、占用土地比例)和地质环境(地质灾害、水体污染、生态环境恢复治理)等4个方面共15个评价因子。
表1 矿山地质环境评价因子一览表
Tab.1
| 评价系统A | 评价因子P | 分级 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1级 | 2级 | 3级 | ||
| 自然地理C1 | 地形地貌P11 | 坡度为0°~20°的面积大于80% | 其他 | 坡度为35°~90°的面积大于30% |
| 降雨量P12 | 按年平均降雨量,划分为3级 | |||
| 植被覆盖度P13 | 植被覆盖度大于80% | 植被覆盖度为30%~80% | 植被覆盖度小于30% | |
| 区域重要程度P14 | 按照《矿山地质环境保护与治理恢复方案编制规范》,进行3级划分 | |||
| 基础地质C2 | 构造P21 | 断层长度小于50 m,褶皱不发育 | 其他 | 断层长度大于500 m,或者断层长度大于50 m且褶皱极其发育 |
| 岩性组合P22 | 硬质岩为主 | 软质岩为主 | 松散堆积物 | |
| 边坡结构P23 | 顺坡 | 横向坡 | 逆坡 | |
| 资源损毁C3 | 开采矿山密度P31 | 无开采矿山 | 开采矿山数量小于3 | 开采矿山数量大于等于3 |
| 开采强度P32 | 小于10万t/a | 10~50万t/a | 大于10万t/a | |
| 主要开采方式P33 | 无矿山 | 露天开采 | 地下开采 | |
| 主要矿种P34 | 非金属矿或无矿山占地地区 | 能源矿 | 金属矿 | |
| 占用土地比例P35 | 占地比例小于1% | 占地比例1%~15% | 占地比例大于15% | |
| 地质环境C4 | 地质灾害P41 | 0个 | 数量1~2个 | 数量大于等于3个 |
| 水体污染P42 | 无 | 轻微污染 | 严重污染 | |
| 生态环境恢复治理P43 | 无矿山占地和地质灾害 | ①矿山占地面积大于10%; ②有1个小型地质灾害 | ①开采面、尾矿库面积大于10%; ②2个以上小型或1个以上大型地质灾害 | |
3.2 构建判断矩阵及一致性检验
采用Saaty提出的1~9标度法,将矿山环境子系统两两进行重要性比较,将比较结果以重要性标度值1~9(及其倒数)来表示,即得到判断矩阵。见表2—6。判断矩阵中得到的权重分配是否合理,还需要对判断矩阵进行一致性检验,计算一致性比例CR,公式为
式中: RI为平均随机一致性指标; CI为偏离完全一致性指标,判断矩阵越接近完全一致性,其值越小。当CR<0.10 时,表示判断矩阵的一致性符合要求; 当CR≥0.10 时,则要调整判断矩阵来重新获得CR值。
表2 要素层权重矩阵表①
Tab.2
| 环境评价 | 自然地理 | 基础地质 | 资源损毁 | 地质环境 | ωi |
|---|---|---|---|---|---|
| 自然地理 | 1 | 2 | 0.125 | 0.166 7 | 0.067 7 |
| 基础地质 | 0.5 | 1 | 0.111 1 | 0.25 | 0.050 3 |
| 资源损毁 | 8 | 9 | 1 | 5 | 0.654 9 |
| 地质环境 | 6 | 4 | 0.2 | 1 | 0.227 1 |
①: 一致性比例CR为0.094 2; 对“环境评价”的权重为1.000 0; 矩阵最大特征值λmax为4.251 6。
表3 自然地理因子C1-P 权重矩阵表①
Tab.3
| 自然地理 | 区域重 要程度 | 地形地貌 | 降雨量 | 植被覆 盖度 | ωi |
|---|---|---|---|---|---|
| 区域重要程度 | 1 | 5 | 4 | 4 | 0.583 4 |
| 地形地貌 | 0.2 | 1 | 1 | 0.5 | 0.111 2 |
| 降雨量 | 0.25 | 1 | 1 | 1 | 0.139 0 |
| 植被覆盖度 | 0.25 | 2 | 1 | 1 | 0.166 4 |
①: 一致性比例CR为0.017 7; 对“环境评价”的权重为0.067 7; 矩阵最大特征值λmax为4.047 3。
表4 基础地质因子C2-P各因子权重①
Tab.4
| 基础地质 | 岩性组合 | 边坡结构 | 构造 | ωi |
|---|---|---|---|---|
| 岩性组合 | 1 | 0.333 3 | 0.25 | 0.122 0 |
| 边坡结构 | 3 | 1 | 0.5 | 0.319 6 |
| 构造 | 4 | 2 | 1 | 0.558 4 |
①: 一致性比例CR为0.017 6; 对“环境评价”的权重为0.050 3; 矩阵最大特征值λmax为3.018 3。
表5 资源损毁因子C3-P权重矩阵表①
Tab.5
| 资源损毁 | 开采 方式 | 开采矿 山密度 | 开采 强度 | 开采 矿种 | 占用土 地比例 | ωi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 开采方式 | 1 | 5 | 3 | 2 | 5 | 0.407 6 |
| 开采矿山密度 | 0.2 | 1 | 0.25 | 0.25 | 1 | 0.065 5 |
| 开采强度 | 0.333 3 | 4 | 1 | 0.25 | 0.5 | 0.118 4 |
| 开采矿种 | 0.5 | 4 | 4 | 1 | 4 | 0.304 8 |
| 占用土地比例 | 0.2 | 1 | 2 | 0.25 | 1 | 0.103 6 |
①: 一致性比例CR为0.098 5; 对“环境评价”的权重为0.654 9; 矩阵最大特征值λmax为5.441 3。
表6 地质环境因子C4-P权重矩阵表①
Tab.6
| 地质环境 | 地质灾害 | 恢复治理 | 污染 | ωi |
|---|---|---|---|---|
| 地质灾害 | 1 | 0.333 3 | 0.25 | 0.126 |
| 恢复治理 | 3 | 1 | 1 | 0.416 1 |
| 污染 | 4 | 1 | 1 | 0.457 9 |
①: 一致性比例CR为0.008 8; 对“环境评价”的权重为0.227 1; 矩阵最大特征值λmax为3.009 2。
3.3 利用AHP法计算各因子的权重
表7 海南岛矿山地质环境评价因子及权重表
Tab.7
| 评价因子 | ωi | 评价因子 | ωi |
|---|---|---|---|
| 开采方式 | 0.267 0 | 地质灾害 | 0.028 6 |
| 开采矿种 | 0.199 7 | 构造 | 0.028 1 |
| 污染 | 0.104 0 | 边坡结构 | 0.016 1 |
| 恢复治理 | 0.094 5 | 植被覆盖度 | 0.011 3 |
| 开采强度 | 0.077 6 | 降雨量 | 0.009 4 |
| 占用土地比例 | 0.067 8 | 地形地貌 | 0.007 5 |
| 开采矿山密度 | 0.042 9 | 岩性组合 | 0.006 1 |
| 区域重要程度 | 0.039 5 |
3.4 矿山环境分级
表8 矿山环境分级方案
Tab.8
| 等级 | 级别名称 | 对应分值区间 |
|---|---|---|
| 0级 | 无影响区 | [0,40] |
| 1级 | 一般影响区 | (40,50] |
| 2级 | 较重影响区 | (50,60] |
| 3级 | 严重影响区 | (60,100] |
3.5 海南岛矿山地质环境综合评价图
图1
图1
海南岛矿山环境综合评价
Fig.1
Comprehensive evaluation map of mine geological environment of Hainan Island
图2
图2
矿山地质环境严重区野外实地照片及遥感影像示例
Fig.2
Filedwork photos and remote sensing images of typical mine geological environment affected areas
4 结论
1)本文采用AHP法、结合ArcGIS空间叠加与分析,开展海南岛矿山地质环境评价,得到了合理的、量化的评价结果。本次评价较客观地反映了海南岛矿山地质环境综合实际情况。这些分析评价数据为相关职能部门对于进一步的矿山开发和保护提供了科学依据。
2)从海南岛矿山地质环境评价结果来看,海南岛总体矿山地质环境较好,不过也存在少数较为集中的差区。其中存在5个严重影响区、10个较严重区、51个一般影响区。
3)为实现海南国际旅游岛建设的目标及“一点、两区、三地”的战略定位,建议加快国土空间利用规划编制工作,开展矿山开采的适宜性评价、风险评价,划定生态红线; 开展矿山环境恢复治理适宜性评价,明确治理目标、治理方向和治理措施。根据资源配置和实际需求情况,优化矿权布设,建议开展“开采总量”和“开发强度”双管控; 合理关闭严重影响区的部分矿山,严格控制矿山开采中的新增挖损土地、塌陷土地面积,加大矿山环境恢复治理投入,消减矿山开发损毁土地存量; 控制较严重影响区和一般影响区的矿山开采的规模和强度,进行矿山开采损毁土地总量控制,有计划地开展在建/生产矿山的生态恢复治理工作,实现“边开发、边治理”和“谁开发、谁治理”,严格控制矿山开采损毁土地增量。
志谢:
在项目实施和本文撰写过程中得到了杨金中、王海庆、荆青青、殷亚秋、刘琼、孙娅琴、汪洁、李丽、王晓红、姚维岭,以及中国地质大学(北京)硕士研究生夏玉计、杜文晓、何金宝、赵航、张汉等多位同志的帮助,在此谨表谢忱。
参考文献
BP神经网络和SVM在矿山环境评价中的应用分析
[J].
Application of BP neural network and SVM in mine environmental assessment
[J].
基于模糊综合评判法的矿山地质环境质量评价——以陕南铅锌矿为例
[J].
Evaluation of geo-environment quality of mining area based on fuzzy comprehensive evaluation method:Taking southern Shanxi lead-zinc mine Area as an example
[J].
基于集对分析的矿山地质环境影响评价研究
[J].
Study on assessment of geological environment impact in mines based on set pair analysis
[J].
现代统计信息分析技术在安全工程方面的应用——层次分析法原理
[J].
Application of modern statistical information analysis technology in safety engineering:Principle of AHP
[J].
层次分析法(AHP)在矿山环境地质评价中的应用
[J].
Application of AHP in mine environmental geological evaluation
[J].
多指标综合评价方法综述
[J].
Synjournal of multiple indicator comprehensive evaluation methods
[J].
层次分析法确定权重的研究
[J].
Research on the weight of coefficient through analytic hierarchy process
[J].
层次分析法中几种标度的比较
[J].
Comparative study on several scales in AHP
[J].
基于AHP法的矿山生态环境综合评价模式研究
[J].
Study on the synthetical assessment model of mine eco-environments based on AHP
[J].
海南国际旅游岛建设发展规划纲要(2010—2020)
[EB/OL]. (
Hainan International Tourism Island Construction and Development Plan Outline(2010-2020)
.[EB/OL]. (
海南省总体规划(2015—2030)纲要内容摘要
[EB/OL](
Summary of the Master Plan for Hainan Province
[EB/OL] (
层次分析法在矿山水环境质量评价中的应用
[J].
Application of analytic hierarchy process method to quality evaluation of mine water environment
[J].
基于AHP的矿山指标自适应评价系统设计
[J].
Design of adaptive evaluation system of mine ecological index based on AHP
[J].
矿区生态环境评价系统研究与实现
[J].
Mining area ecological environment evaluation system design
[J].
DZ/T 0266—2014矿产资源开发遥感监测技术规范
[S].
DZ/T 0266—2014 Regulation on Remote Sensing Monitoring of Mining Exploration
[S].
