茹 曼，劉 冰，張 斌，白濰銘，姚 暢

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

“百年煤城”江西省萍鄉(xiāng)市正面臨著曾經(jīng)高強(qiáng)度礦業(yè)開采造成的水土流失、環(huán)境惡化、采煤沉陷區(qū)等生態(tài)問題，嚴(yán)重影響群眾生產(chǎn)生活和城鄉(xiāng)環(huán)境面貌。因此，通過科學(xué)、系統(tǒng)化的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，將其進(jìn)行定量化、差異化的區(qū)分，為下一步的環(huán)境治理規(guī)劃與治理模式轉(zhuǎn)型提供具有指導(dǎo)性數(shù)據(jù)支撐具有重要意義。目前在礦山環(huán)境評(píng)價(jià)方面，評(píng)價(jià)方法越來越多元化與跨學(xué)科應(yīng)用化，如綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法、證據(jù)權(quán)法、物元評(píng)價(jià)法、灰色綜合評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-6]。無論從評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立及評(píng)價(jià)方法各個(gè)層面都有了快速發(fā)展，但各種方法在評(píng)價(jià)過程中均存在其自身的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用的局限性[7]，所以對(duì)不同區(qū)域、不同礦種的評(píng)價(jià)因子選取和評(píng)價(jià)方法選擇方面仍需進(jìn)一步研究。

萍鄉(xiāng)市湘東鎮(zhèn)地區(qū)北部為采石場(chǎng)，南部屬于煤礦集中開采區(qū)，為了能更準(zhǔn)確地反映該地區(qū)礦山環(huán)境現(xiàn)狀，在綜合調(diào)查該研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，選取合適的評(píng)價(jià)因子構(gòu)建該區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)體系，并用層次分析法(AHP)確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，采用灰色綜合評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[8-10]，為當(dāng)?shù)馗嗅槍?duì)性地開展“礦山復(fù)綠”行動(dòng)提供具有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處江西省萍鄉(xiāng)市域西部，北接上栗縣，東與安源區(qū)相連，總面積約170 km2。研究區(qū)地貌的基本特征是區(qū)內(nèi)以丘陵、平原為主，在東北部及東南部分布中低山區(qū)；山脈走向與主構(gòu)造方向一致，為北東、北北東走向。

研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，以煤礦為主，礦產(chǎn)開采有著悠久歷史，長(zhǎng)期以來礦山開采造成了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，直接或者間接影響著區(qū)內(nèi)的環(huán)境及生產(chǎn)活動(dòng)。本文詳細(xì)調(diào)查了區(qū)內(nèi)采礦權(quán)礦山46個(gè)，其中，能源類煤礦礦山26個(gè)，建筑類非金屬礦山20個(gè)；按開采方式劃分為露采礦山18個(gè)，地采礦山28個(gè)；按生產(chǎn)狀態(tài)分為生產(chǎn)礦山20個(gè)，廢棄礦山13個(gè)，恢復(fù)治理13個(gè)。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查

2.1 遙感數(shù)據(jù)源的選取

本文采用2019年覆蓋工作區(qū)的國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)(全色波段分辨率為1 m)及2019年夏季Landsat8 OLI_TIRS遙感數(shù)據(jù)(空間分辨率為15 m)。

2.2 遙感解譯提取

本次解譯的內(nèi)容為研究區(qū)內(nèi)的地形地貌、植被覆蓋、巖土體、礦山開發(fā)占地情況、地面塌陷區(qū)、環(huán)境污染面源等地物特征并按閾值進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)與修正。

1) 地形地貌。采用2019年8月的Landsat 8 OLI 752波段假彩色合成，運(yùn)用DEM數(shù)字高程模型根據(jù)地形、坡度資料解譯出研究區(qū)地貌類型分為侵蝕堆積河谷平原、丘陵、中低山三類，并結(jié)合地質(zhì)背景進(jìn)行修正，提取分類結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地形地貌信息提取分類圖Fig.1 Topographic and landform information extraction classification map of the study area

2) 植被覆蓋。采用歸一化差異植被指數(shù)進(jìn)行信息自動(dòng)提取，針對(duì)信息提取結(jié)果，結(jié)合區(qū)內(nèi)植被的基本特征，將植被覆蓋度劃分為三類，提取分類結(jié)果如圖2所示。

3) 巖土體工程特性。在ENVI軟件利用光譜增強(qiáng)，突出影像中的地物類型的輪廓特征，結(jié)合工程地質(zhì)背景，共劃分為三種巖土類型，分類結(jié)果如圖3所示。

4) 礦山開發(fā)占地。采用2019年覆蓋工作區(qū)的國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)，并與實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方式進(jìn)行解譯。分別提取了采礦場(chǎng)、選礦廠、煤矸石堆、廢渣堆、排土場(chǎng)、尾礦庫等各類礦山地物信息，如圖4所示。

圖2 研究區(qū)植被覆蓋信息提取分類圖Fig.2 Classification map of vegetation coverage information extraction in the study area

圖3 研究區(qū)巖土體信息提取分類圖Fig.3 Classification map of rock and soil information extraction in the study area

圖4 礦山開發(fā)遙感解譯標(biāo)志與遙感解譯要素提取圖Fig.4 Mining development remote sensing interpretation signs and remote sensing interpretation elements extraction map

5) 地質(zhì)災(zāi)害(地面塌陷)。研究區(qū)內(nèi)煤礦企業(yè)眾多，煤炭開采歷史悠久，形成了大面積的地下采空區(qū)，主要地災(zāi)類型為地面塌陷，經(jīng)過多期影像比對(duì)結(jié)合實(shí)地調(diào)查，其特征如圖5所示。

圖5 地面塌陷遙感影像特征圖Fig.5 Remote sensing feature map of ground collapse

6) 環(huán)境污染。 環(huán)境污染分為粉塵污染和水體污染。 研究區(qū)北部集中分布采石場(chǎng)，南部煤礦企業(yè)較為集中，在采選過程引發(fā)粉塵污染，廢棄煤渣堆長(zhǎng)期堆放會(huì)對(duì)水體造成一定污染，提取結(jié)果如圖6所示。

3 主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題

通過遙感調(diào)查顯示，研究區(qū)2019年礦山開發(fā)占用破壞土地面積約7.03 km2，地貌景觀破壞面積9.96 km2，在破壞形式上主要為采礦場(chǎng)、固體廢棄物(排土場(chǎng)、煤矸石堆、廢渣堆、尾礦庫)、中轉(zhuǎn)場(chǎng)地(選礦廠、其他礦石堆)；在礦山方面以煤礦開采對(duì)土地資源的損毀破壞及引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重，特別是已關(guān)停的萍鄉(xiāng)巨源煤業(yè)、臘市富盛煤礦隨著時(shí)間推移，地面塌陷程度越發(fā)嚴(yán)重；此外，礦山采選、運(yùn)輸?shù)V石等礦業(yè)活動(dòng)及歷史遺留的礦山也會(huì)引發(fā)不同程度的水體污染、粉塵污染、水土流失等。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)因子選取及分級(jí)

根據(jù)研究區(qū)域特征，通過遙感解譯信息提取，結(jié)合資料收集和實(shí)地調(diào)查，選取影響研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和10個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖7所示。

圖6 環(huán)境污染要素提取圖Fig.6 Extraction map of environmental pollution elements

圖7 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子架構(gòu)圖Fig.7 Framework diagram of evaluation factors of mine geological environment in the study area

地質(zhì)環(huán)境背景從地形地貌C1、植被覆蓋率C2、巖土體工程特性C3三方面進(jìn)行分析；礦山開發(fā)狀況選取礦山開采方式C4、開采礦種C5及土地壓占與破壞C6；礦山地質(zhì)環(huán)境選取針對(duì)礦山活動(dòng)對(duì)環(huán)境具有直接影響的4個(gè)因子，分別是地形地貌景觀破壞C7、地質(zhì)災(zāi)害C8、環(huán)境恢復(fù)治理難易程度C9、礦山環(huán)境污染C10。參照《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》《區(qū)域環(huán)境地質(zhì)勘查遙感技術(shù)規(guī)定》等對(duì)其因子進(jìn)行量化賦值并確定礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)，見表1。

表1 評(píng)價(jià)因子取值和分級(jí)表Table 1 Evaluation factor value and grading table

4.2 確定權(quán)重

層次結(jié)構(gòu)模型將采用圖7所示的模型。利用層次分析法確定本次研究的各子系統(tǒng)權(quán)重及各個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重，詳細(xì)過程和結(jié)果見表2～表5。

表2 判斷矩陣A-UTable 2 Judgment matrix A-U

經(jīng)計(jì)算CR=0.062<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

表3 判斷矩陣U1-CTable 3 Judgment matrix U1-C

經(jīng)計(jì)算CR=0.004<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

表4 判斷矩陣U2-CTable 4 Judgment matrix U2-C

經(jīng)計(jì)算CR=0.062<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

表5 判斷矩陣U3-CTable 5 Judgment matrix U3-C

經(jīng)計(jì)算CR=0.02<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

4.3 評(píng)價(jià)單元的劃分

本次研究區(qū)范圍為規(guī)則四邊形，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況及精度要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元格為邊長(zhǎng)250 m×250 m的正方形，最終研究共劃分為2 714個(gè)評(píng)價(jià)單元。

4.4 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響灰色綜合評(píng)價(jià)

1) 確定要素集及評(píng)價(jià)等級(jí)。 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)：U={U1，U2，U3}；二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)：C={C1，C2，…，C10}。本次礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度指標(biāo)分為一般、較嚴(yán)重、嚴(yán)重3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)：E={E1，E2，E3}。

2) 確定參評(píng)要素的權(quán)重。指標(biāo)因子選取及權(quán)重已經(jīng)通過層次分析法模型確定，直接引用。

3) 樣本評(píng)價(jià)矩陣。按照評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以給出評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，評(píng)價(jià)樣本矩陣[11]見式(1)。

(1)

式中，djp為評(píng)價(jià)者p對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)U的打分。

4) 確定評(píng)價(jià)對(duì)象灰類。本次評(píng)價(jià)采用3個(gè)評(píng)價(jià)灰類，分別代表礦山地質(zhì)環(huán)境影響的程度三個(gè)等級(jí)1(一般)、2(較差)、3(差)，灰數(shù)取值及白化權(quán)函數(shù)[8]如下所述。

第一灰類：m=1，灰數(shù)?∈[0，2，4]，白化權(quán)函數(shù)f1見式(2)。

(2)

第二灰類：m=2，灰數(shù)?∈[0，5，10]，白化權(quán)函數(shù)f2見式(3)。

(3)

第三灰類：m=3，灰數(shù)?∈[7，∞]，白化權(quán)函數(shù)f3見式(4)。

(4)

5) 灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量，見式(5)～式(7)。

fm(dj1)+fm(dj2)+…fm(djp)

(5)

(6)

(7)

式中：Xjm為在m灰類下，評(píng)價(jià)指標(biāo)Cj的灰色評(píng)價(jià)系數(shù)；Xj為評(píng)價(jià)指標(biāo)Cj的總灰色評(píng)價(jià)系數(shù)；rjm為在m灰類下，評(píng)價(jià)指標(biāo)Cj的灰色權(quán)向量。

6) 綜合評(píng)價(jià)。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重W和由所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量組成的灰色評(píng)價(jià)矩陣R合成，最終計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)值，計(jì)算見式(8)和式(9)。

B=W×R=(w1,w2,w3,…,w10)×

(r1,r2,r3,…,r10)T=(B1,B2,B3)

(8)

Z=B×CT

(9)

式中：Z為綜合評(píng)價(jià)值；C為各灰類等級(jí)賦值形成的向量，即CT=(2，5，7)T。 各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 灰色綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Evaluation standard of grey comprehensive evaluation method

本文將研究區(qū)分為2 714個(gè)單元，以第2319號(hào)研究單元為例，之前巨源煤礦地下開采造成地面塌陷、大量遺留的煤矸石堆，造成植被破壞較嚴(yán)重。該單元具體情況為：該評(píng)價(jià)單元主要為侵蝕堆積河谷平原，巖土體類型為堅(jiān)硬碳酸鹽巖夾較軟-半堅(jiān)硬碎屑巖，植被破壞嚴(yán)重；該單元所處礦區(qū)原為萍鄉(xiāng)巨源煤業(yè)有限公司，現(xiàn)已關(guān)閉，破壞土地與占?jí)和恋孛娣e為0.062 5 km2，占該評(píng)價(jià)單元面積的100%；地形地貌景觀破壞面積為0.062 5 km2，占總面積的100%，地面塌陷面積為0.03 km2，屬于小型，環(huán)境恢復(fù)治理難度較大，無粉塵污染，出露地下水，附近均為煤矸石堆，易受污染。評(píng)價(jià)矩陣見式(10)。

(10)

各指標(biāo)的灰色權(quán)向量計(jì)算得出為：r1=(0.117 1，0.515 1，0.367 9)；r2=(0，0.230 8，0.769 2)；r3=(0，0.583 3，0.416 7)；r4=(0.636 4，0.212 1，0.151 6)；r5=(0.421 7，0.337 3，0.241 0)；r6=(0，0.062 5，0.937 5)；r7=(0，0.062 5，0.937 5)；r8=(0，0.411 8，0.588 2)；r9=(0，0.333 3，0.666 7)；r10=(0，0.567 0，0.433 0)。

綜合評(píng)價(jià)為B=WR=(0.042 0，0.218 7，0.739 2)，計(jì)算研究區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)值Z=BCT=6.352 3。由此可知，該區(qū)域的礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)等級(jí)為影響嚴(yán)重區(qū)(Ⅲ)。用上述方法對(duì)所有單元格依次進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，再對(duì)整個(gè)研究區(qū)域的礦山環(huán)境影響等級(jí)進(jìn)行插值分析，得到礦山地質(zhì)環(huán)境分區(qū)結(jié)果見圖8。

圖8 基于灰色綜合評(píng)價(jià)法的研究區(qū)礦山環(huán)境 影響評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of mine environmental impact assessment in the study area based on grey comprehensive evaluation

由圖8可知，基于灰色綜合評(píng)價(jià)的萍鄉(xiāng)市湘東鎮(zhèn)地區(qū)礦山環(huán)境嚴(yán)重影響區(qū)及較嚴(yán)重影響區(qū)分布在研究區(qū)北部及中部采石場(chǎng)區(qū)域、南部及東部的巨源、大金坡、上官嶺、青山等煤礦區(qū)域，分別占比為3.01%和4.34%；一般影響區(qū)分布的面積較廣，占比為92.65%。

4.5 研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境影響模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是目前國(guó)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛且已成為一種成熟的分析模型，其原理和計(jì)算步驟不再具體陳述。經(jīng)過對(duì)所有單元格計(jì)算評(píng)價(jià)得到基于模糊評(píng)價(jià)模型的研究區(qū)礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)分區(qū)，如圖9所示。

由圖9可知，基于模糊綜合評(píng)價(jià)的萍鄉(xiāng)市湘東鎮(zhèn)地區(qū)礦山環(huán)境嚴(yán)重影響區(qū)及較嚴(yán)重影響區(qū)分布在研究區(qū)北部及中部采石場(chǎng)區(qū)域、南部及東部的巨源、大金坡、上官嶺及青山等煤礦區(qū)域，分別占比為2.98%和4.12%；一般影響區(qū)分布的面積較廣，占比為92.90%。

4.6 兩種評(píng)價(jià)結(jié)果分析

如圖10所示，兩種方法得到的各等級(jí)環(huán)境影響區(qū)面積占研究區(qū)面積的百分比大體一致，但仍存在少量差異。

圖9 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的研究區(qū)礦山環(huán)境 影響評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.9 Zoning map of mine environmental impact assessment in the study area based on fuzzy comprehensive evaluation

圖10 礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of results of mine geological environment assessment division

從評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和評(píng)價(jià)方法的復(fù)雜性兩個(gè)方面來進(jìn)行比較，具體如下所述。

1) 評(píng)價(jià)方法的成本。兩種方法在數(shù)據(jù)計(jì)算的過程中，模糊綜合評(píng)價(jià)需要一人提供評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，灰色綜合評(píng)價(jià)法需要三人提供評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)；相同的數(shù)據(jù)量在計(jì)算時(shí)間成本上灰色綜合評(píng)價(jià)也相對(duì)更多一些，即灰色綜合評(píng)價(jià)的成本要高于模糊綜合評(píng)價(jià)。

2) 評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖11所示為青山煤礦礦區(qū)，該礦區(qū)已關(guān)閉，屬于廢棄礦山，還遺留有中轉(zhuǎn)場(chǎng)地及煤矸石堆，根據(jù)該地區(qū)礦山開發(fā)占地在遙感影像上的分布(圖11(c))及實(shí)地調(diào)查(圖11(d))顯示，該區(qū)堆積的煤矸石堆，高度較高、面積較大，對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重，兩種評(píng)價(jià)結(jié)果都顯示為環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)(圖11(a)和(b))，實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)煤矸石堆相鄰的中轉(zhuǎn)場(chǎng)地規(guī)模較廣，與其他較嚴(yán)重影響區(qū)的礦山分布密集程度相似，灰色綜合評(píng)價(jià)得到的結(jié)果更細(xì)化、更符合實(shí)際情況。在具體評(píng)價(jià)計(jì)算過程中，灰色評(píng)價(jià)中的白化權(quán)函數(shù)特征值是該灰類的核心值，白化權(quán)函數(shù)采用“半降梯形”算子，其優(yōu)勢(shì)會(huì)有效避免因評(píng)價(jià)值的微小變化而引起最終評(píng)價(jià)值的波動(dòng)。在模糊綜合評(píng)價(jià)中，采用模糊算子來構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，在計(jì)算過程中，尤其對(duì)研究區(qū)內(nèi)廢棄礦山遺留的中轉(zhuǎn)場(chǎng)地的綜合評(píng)判值較難把握，會(huì)出現(xiàn)由于指標(biāo)評(píng)價(jià)值的微小變化而引起隸屬度等級(jí)的變化[12]。綜上分析，針對(duì)該研究區(qū)，灰色綜合評(píng)價(jià)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更加優(yōu)化。

圖11 青山煤礦礦區(qū)局部評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比圖Fig.11 Comparison of evaluation results of Qingshan Coal Mine

5 結(jié) 論

本文針對(duì)研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境特征，在遙感調(diào)查和實(shí)際調(diào)查基礎(chǔ)上，采用灰色綜合評(píng)價(jià)和模糊綜合評(píng)價(jià)兩種方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，得出結(jié)論如下所述。

1) 萍鄉(xiāng)市湘東鎮(zhèn)地區(qū)礦山環(huán)境嚴(yán)重影響區(qū)及較嚴(yán)重影響區(qū)分布在研究區(qū)北部及中部的建材類采石場(chǎng)區(qū)域，南部及東部的巨源、大金坡、上官嶺、青山等煤礦區(qū)域，這些地區(qū)開采強(qiáng)度高且較為集中，特別是煤礦開采歷史悠久，長(zhǎng)期礦山開采引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。

2) 兩種評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果大體一致，灰色綜合評(píng)價(jià)法可以更好地避免由于評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)臨界值的微小變化而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確性，更真實(shí)反映該地區(qū)等級(jí)分布差異化。