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摘要:在對河北省主要的關閉煤礦實地調查和遙感影像解譯基礎上,將關閉煤礦的地質環境影響評價指標體系劃分為3個要素和11個指標,利用模糊綜合評價方法建立了關閉煤礦的地質環境影響評價模型,采用改良指數標度的層次分析法確定各權重。評價結果顯示,在118處較大規模的關閉煤礦中,36處煤礦地質環境影響程度為嚴重和較嚴重狀態,82處為輕微和較輕狀態。嚴重、較嚴重的煤礦主要分布在蔚縣礦區、宣下礦區、邯鄲礦區。地質環境問題主要影響因子為土地資源壓占、含水層破壞、地面塌陷和地裂縫等。

關鍵詞:河北省;關閉煤礦;地質環境影響評價;改進指數標度;層次分析法;模糊綜合評價

河北省是我國重要的煤炭基地,煤炭資源長期大規模開采不僅導致多地煤炭資源枯竭,也造成了礦山及其周邊地區地質環境的破壞。針對煤礦開采帶來的各種問題,國家曾出臺《煤炭工業發展“十二五冶規劃》《煤炭工業發展“十三五冶規劃》《加強礦產資源開發管控十條措施》等多項政策措施,大力化解煤炭過剩產能、淘汰落后產能,以促進煤炭行業健康可持續發展。據河北省能源局煤炭處數據顯示,“十二五冶期間,河北省淘汰落后產能煤礦237處,淘汰落后產能1650萬t。2016—2018年,河北省共化解過剩產能111處,其中關閉煤礦104處,縮減產能7處,壓減產能共計3801萬t;2019—2020年,河北省計劃關閉煤礦33處,縮減產能5處,縮減產能共計1630萬t。煤礦的大量關閉使之前煤礦生產活動所遺留的地質災害、資源損毀等地質環境問題日益凸顯,引起了學者們的廣泛關注[1-3]。由于關閉煤礦地質環境問題的復雜性和多樣性,合理評價地質環境影響程度仍有較大難度。近年來一些新的方法應用于礦山地質環境影響評價,如模糊綜合評價法[4-7]、層次分析法[8-12]、SVM算法[13-14]、集對分析[15-16]等。礦山地質環境影響評價涉及的影響因素眾多,由于各影響因素分級的模糊性和部分因素的難定量化,選擇適合的評價方法,構建適合的評價指標體系是關鍵。本研究在對河北省關閉煤礦實際調查的基礎上,結合當地礦山地質環境問題特征,探索適合的地質環境評價方法,開展關閉煤礦的地質環境影響評價,為關閉煤礦的地質環境治理、生態修復及資源再利用提供依據。

1河北省關閉煤礦地質環境問題

2019—2020年,課題組對河北省主要礦區193個關閉煤礦開展了地質環境問題調查,通過資料收集、遙感解譯和實地調查的方式,基本查明了研究區內關閉煤礦的主要地質環境問題,問題主要表現為地面塌陷、地裂縫、矸石山(堆)、土地資源壓占與破壞、地形地貌景觀破壞、含水層破壞、地表水和土壤污染。據調查統計,河北省全省較大規模采空塌陷區150處,面積約32877km2;塌陷(群)坑145處,面積約215km2;地裂(群)縫134處;矸石山(堆)49處;各類地質環境問題共占用和破壞土地3178km2;地形地貌景觀破壞36055km2;地下水均衡受到嚴重破壞,導致部分礦區地下水水位下降,地表水、地下水均受到不同程度的污染;部分礦區土壤受到重金屬污染。

2評價指標

河北省關閉煤礦分布在山區、丘陵及平原地區,地形地貌條件復雜,地質環境問題的表現形式多樣,在參照DD2014—05《礦山地質環境調查評價規范》[17]的基礎上,考慮到河北省關閉煤礦的實際情況,將整個系統分為3個要素層和11個指標層,具體見圖1。

3評價方法與模型

關閉煤礦的地質環境影響評價是一個復雜的模糊的系統。模糊綜合評價能夠同時兼顧這種復雜性和模糊性,對模糊特征對象具有較好的評判效果[18]。因此,采用模糊綜合評價法,將整個系統分為目標層、要素層和指標層,構建模糊綜合評價模型[19]。

31模糊綜合評價方法與模型

311要素集、指標集與評價集

要素集K為:K={K1,K2,K3}(1)式中:K1為地質環境背景要素;K2為資源損毀要素;K3為地質災害要素。指標集K1(K2、K3依此類推):K1={k1,k2,k3}(2)式中k1、k2、k3為各個評價指標。評價集E為:E={e1,e2,e3,e4}(3)式中:e1為輕微;e2為較輕;e3為較嚴重;e4為嚴重。

312隸屬度函數

依據本次評價因子特征,對于完全定量化指標,參考文獻[20]選擇連續線性函數形式構造隸屬度函數,對于地形地貌、地表水污染、土壤污染及含水層破壞等不能量化的指標,在實際調查的基礎上采用單項條件滿足即認為該等級隸屬度為1,并且上一等級優先的方法確定隸屬度。

313綜合評判

利用隸屬度函數得到各指標的隸屬度,從而得到隸屬度矩陣K1,K2,K3,例如地質環境背景矩陣K1,余下的隸屬度函數矩陣依此類推。K1=k11…k14左左k31…kéëêêêêùûúúúú34(4)根據指標權重,構建指標層權重集W1、W2、W3。利用隸屬度矩陣和權重集求得各要素的評判結果Y1、Y2、Y3:Yi=Wi·Ki={yi1,yi2,yi3,yi4},i=1,2,3(5)根據上述結果構建要素層隸屬度矩陣Y:Y=Y1Y2Yéëêêêêùûúúúú3(6)利用要素層的權值集P與隸屬度函數矩陣Y,得到調查區關閉煤礦地質環境的模糊綜合評判的結果:E=P·Y={e1,e2,e3,e4}(7)e1、e2、e3、e4中計算結果最大的元素所對應的等級即是關閉煤礦地質環境影響評價的等級。

32權重確定方法

在礦山地質環境影響評價中,層次分析法常用的標度為1~9標度,但是傳統的1~9標度有許多缺陷:其一是1~9標度排序權值較粗,與人的判斷差別較大;其二是判斷矩陣一致性與思維一致性矛盾[21-22]。駱正清等[23]對幾種標度的研究對比得出1~9標度法權重擬合性最差,而指數標度的擬合性最好,且適用于多準則下的排序問題。因此,本次關閉煤礦的地質環境影響評價選擇改進指數標度的層次分析法確定權重。利用韋伯-費希納定律,建立權重標度通式[24]:U=an=13161n(8)式中:n為0,1,2,…,8的重要性程度等級;a為待定參數。通過a8=9計算得到a=13161,從而得到改進的權重標度[25],見表1。根據38位專家打分,整理并計算得到調查區地質環境影響評價要素層和各類指標的權重,結果見表2。

4結果與分析

河北省關閉煤礦眾多,本次對118處規模較大、井田邊界較清晰的關閉煤礦開展了地質環境影響評價,具體結果見表3。由表3評價結果顯示,關閉煤礦的地質環境問題總體較輕,但仍有部分地區的地質環境存在較大問題。其中地質環境問題為輕微、較輕的關閉煤礦占總數的6949%左右,較嚴重地區約占678%,嚴重地區約占2373%。28處評價結果為嚴重的煤礦分別為峰峰礦區的峰峰四礦、王鳳煤礦,邯鄲礦區的亨健煤礦、聚隆煤礦、陶一煤礦,邢臺礦區的章村煤礦三井,井陘礦區的井陘一礦,開灤礦區的趙各莊煤礦、荊各莊煤礦,興隆礦區的凱興二井、汪莊煤礦,宣下礦區的艾家溝煤礦、懷來煤礦、雞鳴驛煤礦、水窯溝煤礦、宣東二井、宣東一井,蔚縣礦區的百安一礦、成尚榮煤礦、康河煤礦、崔家寨煤礦、滑嘴煤礦、孟家堡煤礦、南留莊煤礦、水東煤礦、水西煤礦、西細莊煤礦、玉峰山井煤礦。8處評價結果為較嚴重的煤礦為峰峰礦區的通順煤礦,邯鄲礦區的康城煤礦,開灤礦區的林南倉煤礦,宣下礦區的興隆山煤礦,蔚縣礦區的百安礦業、東升礦業、蔚西煤礦、鄭溝灣煤礦。這些煤礦在土地資源壓占、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、地面塌陷和地裂縫等方面仍存在較大問題。

5結論

在河北省主要礦區關閉煤礦地質環境問題調查的基礎上,建立了由地質環境背景、資源損毀、地質災害3個要素層,以及地形地貌、年平均降水量、植被覆蓋度、土地資源壓占、含水層破壞、地表水污染、土壤污染、地形地貌景觀破壞、地面塌陷、地裂縫、矸石山(崩塌)11個指標層構成的評價指標體系,采取改良指數標度的層次分析法確定權重。根據礦山地質環境的多樣性、多層次性和復雜性的特點,采用模糊綜合評價方法對河北省關閉煤礦進行地質環境影響評價,評價結果表明調查區118個規模較大的關閉煤礦中,3051%的關閉煤礦處于嚴重和較嚴重狀態。這些煤礦主要分布在蔚縣礦區、宣下礦區、邯鄲礦區,主要問題包括土地資源壓占、地形地貌景觀破壞、地面塌陷和地裂縫等方面。建議盡快開展關閉煤礦的地質環境治理與生態修復工作,并在此基礎上開展關閉煤礦的土地、地下水、煤層氣等資源的調查評價及再利用。

作者:顧一芳 馮啟言 孟磊 陳中山 單位:中國礦業大學江蘇省老工業基地資源利用與生態修復協同創新中心 中國礦業大學環境與測繪學院 中國礦業大學物聯網(感知礦山)研究中心 河北省煤田地質局物測地質隊