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摘要:在對(duì)河北省主要的關(guān)閉煤礦實(shí)地調(diào)查和遙感影像解譯基礎(chǔ)上,將關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為3個(gè)要素和11個(gè)指標(biāo),利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立了關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型,采用改良指數(shù)標(biāo)度的層次分析法確定各權(quán)重。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,在118處較大規(guī)模的關(guān)閉煤礦中,36處煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度為嚴(yán)重和較嚴(yán)重狀態(tài),82處為輕微和較輕狀態(tài)。嚴(yán)重、較嚴(yán)重的煤礦主要分布在蔚縣礦區(qū)、宣下礦區(qū)、邯鄲礦區(qū)。地質(zhì)環(huán)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(guān)鍵詞:河北省;關(guān)閉煤礦;地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià);改進(jìn)指數(shù)標(biāo)度;層次分析法;模糊綜合評(píng)價(jià)

河北省是我國(guó)重要的煤炭基地,煤炭資源長(zhǎng)期大規(guī)模開采不僅導(dǎo)致多地煤炭資源枯竭,也造成了礦山及其周邊地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的破壞。針對(duì)煤礦開采帶來的各種問題,國(guó)家曾出臺(tái)《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五冶規(guī)劃》《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五冶規(guī)劃》《加強(qiáng)礦產(chǎn)資源開發(fā)管控十條措施》等多項(xiàng)政策措施,大力化解煤炭過剩產(chǎn)能、淘汰落后產(chǎn)能,以促進(jìn)煤炭行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。據(jù)河北省能源局煤炭處數(shù)據(jù)顯示,“十二五冶期間,河北省淘汰落后產(chǎn)能煤礦237處,淘汰落后產(chǎn)能1650萬(wàn)t。2016—2018年,河北省共化解過剩產(chǎn)能111處,其中關(guān)閉煤礦104處,縮減產(chǎn)能7處,壓減產(chǎn)能共計(jì)3801萬(wàn)t;2019—2020年,河北省計(jì)劃關(guān)閉煤礦33處,縮減產(chǎn)能5處,縮減產(chǎn)能共計(jì)1630萬(wàn)t。煤礦的大量關(guān)閉使之前煤礦生產(chǎn)活動(dòng)所遺留的地質(zhì)災(zāi)害、資源損毀等地質(zhì)環(huán)境問題日益凸顯,引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-3]。由于關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境問題的復(fù)雜性和多樣性,合理評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境影響程度仍有較大難度。近年來一些新的方法應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià),如模糊綜合評(píng)價(jià)法[4-7]、層次分析法[8-12]、SVM算法[13-14]、集對(duì)分析[15-16]等。礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)涉及的影響因素眾多,由于各影響因素分級(jí)的模糊性和部分因素的難定量化,選擇適合的評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是關(guān)鍵。本研究在對(duì)河北省關(guān)閉煤礦實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)氐V山地質(zhì)環(huán)境問題特征,探索適合的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)方法,開展關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià),為關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境治理、生態(tài)修復(fù)及資源再利用提供依據(jù)。

1河北省關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境問題

2019—2020年,課題組對(duì)河北省主要礦區(qū)193個(gè)關(guān)閉煤礦開展了地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查,通過資料收集、遙感解譯和實(shí)地調(diào)查的方式,基本查明了研究區(qū)內(nèi)關(guān)閉煤礦的主要地質(zhì)環(huán)境問題,問題主要表現(xiàn)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(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),河北省全省較大規(guī)模采空塌陷區(qū)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(zhì)環(huán)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(yán)重破壞,導(dǎo)致部分礦區(qū)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(qū)土壤受到重金屬污染。

2評(píng)價(jià)指標(biāo)

河北省關(guān)閉煤礦分布在山區(qū)、丘陵及平原地區(qū),地形地貌條件復(fù)雜,地質(zhì)環(huán)境問題的表現(xiàn)形式多樣,在參照DD2014—05《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》[17]的基礎(chǔ)上,考慮到河北省關(guān)閉煤礦的實(shí)際情況,將整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)要素層和11個(gè)指標(biāo)層,具體見圖1。

3評(píng)價(jià)方法與模型

關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的模糊的系統(tǒng)。模糊綜合評(píng)價(jià)能夠同時(shí)兼顧這種復(fù)雜性和模糊性,對(duì)模糊特征對(duì)象具有較好的評(píng)判效果[18]。因此,采用模糊綜合評(píng)價(jià)法,將整個(gè)系統(tǒng)分為目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層,構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型[19]。

31模糊綜合評(píng)價(jià)方法與模型

311要素集、指標(biāo)集與評(píng)價(jià)集

要素集K為:K={K1,K2,K3}(1)式中:K1為地質(zhì)環(huán)境背景要素;K2為資源損毀要素;K3為地質(zhì)災(zāi)害要素。指標(biāo)集K1(K2、K3依此類推):K1={k1,k2,k3}(2)式中k1、k2、k3為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)集E為:E={e1,e2,e3,e4}(3)式中:e1為輕微;e2為較輕;e3為較嚴(yán)重;e4為嚴(yán)重。

312隸屬度函數(shù)

依據(jù)本次評(píng)價(jià)因子特征,對(duì)于完全定量化指標(biāo),參考文獻(xiàn)[20]選擇連續(xù)線性函數(shù)形式構(gòu)造隸屬度函數(shù),對(duì)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(biāo),在實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上采用單項(xiàng)條件滿足即認(rèn)為該等級(jí)隸屬度為1,并且上一等級(jí)優(yōu)先的方法確定隸屬度。

313綜合評(píng)判

利用隸屬度函數(shù)得到各指標(biāo)的隸屬度,從而得到隸屬度矩陣K1,K2,K3,例如地質(zhì)環(huán)境背景矩陣K1,余下的隸屬度函數(shù)矩陣依此類推。K1=k11…k14左左k31…kéëêêêêùûúúúú34(4)根據(jù)指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)建指標(biāo)層權(quán)重集W1、W2、W3。利用隸屬度矩陣和權(quán)重集求得各要素的評(píng)判結(jié)果Y1、Y2、Y3:Yi=Wi·Ki={yi1,yi2,yi3,yi4},i=1,2,3(5)根據(jù)上述結(jié)果構(gòu)建要素層隸屬度矩陣Y:Y=Y1Y2Yéëêêêêùûúúúú3(6)利用要素層的權(quán)值集P與隸屬度函數(shù)矩陣Y,得到調(diào)查區(qū)關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境的模糊綜合評(píng)判的結(jié)果:E=P·Y={e1,e2,e3,e4}(7)e1、e2、e3、e4中計(jì)算結(jié)果最大的元素所對(duì)應(yīng)的等級(jí)即是關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的等級(jí)。

32權(quán)重確定方法

在礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中,層次分析法常用的標(biāo)度為1~9標(biāo)度,但是傳統(tǒng)的1~9標(biāo)度有許多缺陷:其一是1~9標(biāo)度排序權(quán)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(duì)幾種標(biāo)度的研究對(duì)比得出1~9標(biāo)度法權(quán)重?cái)M合性最差,而指數(shù)標(biāo)度的擬合性最好,且適用于多準(zhǔn)則下的排序問題。因此,本次關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)選擇改進(jìn)指數(shù)標(biāo)度的層次分析法確定權(quán)重。利用韋伯-費(fèi)希納定律,建立權(quán)重標(biāo)度通式[24]:U=an=13161n(8)式中:n為0,1,2,…,8的重要性程度等級(jí);a為待定參數(shù)。通過a8=9計(jì)算得到a=13161,從而得到改進(jìn)的權(quán)重標(biāo)度[25],見表1。根據(jù)38位專家打分,整理并計(jì)算得到調(diào)查區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)要素層和各類指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果見表2。

4結(jié)果與分析

河北省關(guān)閉煤礦眾多,本次對(duì)118處規(guī)模較大、井田邊界較清晰的關(guān)閉煤礦開展了地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià),具體結(jié)果見表3。由表3評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,關(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境問題總體較輕,但仍有部分地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境存在較大問題。其中地質(zhì)環(huán)境問題為輕微、較輕的關(guān)閉煤礦占總數(shù)的6949%左右,較嚴(yán)重地區(qū)約占678%,嚴(yán)重地區(qū)約占2373%。28處評(píng)價(jià)結(jié)果為嚴(yán)重的煤礦分別為峰峰礦區(qū)的峰峰四礦、王鳳煤礦,邯鄲礦區(qū)的亨健煤礦、聚隆煤礦、陶一煤礦,邢臺(tái)礦區(qū)的章村煤礦三井,井陘礦區(qū)的井陘一礦,開灤礦區(qū)的趙各莊煤礦、荊各莊煤礦,興隆礦區(qū)的凱興二井、汪莊煤礦,宣下礦區(qū)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(qū)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(xì)莊煤礦、玉峰山井煤礦。8處評(píng)價(jià)結(jié)果為較嚴(yán)重的煤礦為峰峰礦區(qū)的通順煤礦,邯鄲礦區(qū)的康城煤礦,開灤礦區(qū)的林南倉(cāng)煤礦,宣下礦區(qū)的興隆山煤礦,蔚縣礦區(qū)的百安礦業(yè)、東升礦業(yè)、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(jié)論

在河北省主要礦區(qū)關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查的基礎(chǔ)上,建立了由地質(zhì)環(huán)境背景、資源損毀、地質(zhì)災(zāi)害3個(gè)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(gè)指標(biāo)層構(gòu)成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采取改良指數(shù)標(biāo)度的層次分析法確定權(quán)重。根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境的多樣性、多層次性和復(fù)雜性的特點(diǎn),采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)河北省關(guān)閉煤礦進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果表明調(diào)查區(qū)118個(gè)規(guī)模較大的關(guān)閉煤礦中,3051%的關(guān)閉煤礦處于嚴(yán)重和較嚴(yán)重狀態(tài)。這些煤礦主要分布在蔚縣礦區(qū)、宣下礦區(qū)、邯鄲礦區(qū),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(guān)閉煤礦的地質(zhì)環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)工作,并在此基礎(chǔ)上開展關(guān)閉煤礦的土地、地下水、煤層氣等資源的調(diào)查評(píng)價(jià)及再利用。

作者:顧一芳 馮啟言 孟磊 陳中山 單位:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省老工業(yè)基地資源利用與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心 河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì)