西北地区矿山环境地质问题及动态数据库建设
The problems of environmental geology and database for mining in Northwestern China
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摘要: 西北地区矿产资源丰富,矿业开发已成为地区经济发展的主要经济支柱。但是由于该区生态环境脆弱,不合理的矿业开发导致矿山环境地质问题严峻,部分矿区呈现加速恶化势态。资源损毁、地质灾害、环境污染是矿业活动的主要环境地质问题。矿业引发的地质环境问题与矿产资源类型、开发方式、地域条件及矿山企业的规模、性质关系密切。在研究分析矿山环境地质问题的基础上,建立了以MAPGIS为平台的可视化动态环境地质数据库。Abstract: The mineral resources in the Northwestern China are very abundant,and mining industry has become the importan teconomic main stay of the district. The ecologic environmental backg round in the area is very poor,the predatory mine exploration in the recent 50 years makes it more serious. The main environmental geological problems of mine exploration are to destroy environmental resources,to cause geologicaldisa sters and result environmental contamination.The different mines in differen tareas,such as petroleum,gas, coal,metal,nonmetal,building material and salt,may cause differen tenvironmental geological problems.Based on MAPGIS,the database of Windows'style is set up.
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Keywords:
- mine environmental geology /
- mining /
- database /
- Northwestern China
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资源环境条件是一个地区经济社会发展的重要基础,随着数十年来社会、经济的迅速发展,资源短缺和环境污染问题日益严重,资源环境与发展之间的矛盾愈发突出,对资源环境进行承载潜力评价尤为重要(周伟等,2016;王秦等,2020)。资源环境承载力是指在一定的时期和一定的地域空间内,自然资源环境不受危害并维系良好生态系统前提下,资源禀赋和环境容量所能承载的人类各种社会经济活动的总和,是实现区域经济、社会、环境协调发展的支撑基础,是对资源开发强度与环境承载能力之间是否协调进行判断的一个重要标志(岳文泽等,2018;刘金花等,2019;王念秦等,2019;张茂省等,2019)。近年来,国内外学者在资源环境承载力评价方面作了一系列研究,王雪军等(2013)基于GIS对赣州市资源环境承载力进行了评价;王立东等(2015)从地质方面对黄河三角洲地区进行资源环境承载力评价。武凤阳等(2016)运用TOPSIS和熵值法评价了贵州省资源环境承载力状况。笔者拟从地学角度出发结合了地质环境、地下水资源、矿产资源各要素的承载本底和承载状态对济南市资源环境承载力进行评价,全面反映了资源环境的一个变化过程,提出了济南市国土资源开发利用和可持续发展的建议,以期为国土资源开发利用提供更可靠的技术支撑。
1. 研究区概况及数据来源
1.1 研究区概况
本次评价区范围是济南市(除莱芜区、钢城区)10个行政区,面积7 998 km2。济南市南依泰山,北跨黄河,地势南高北低,地形差异较大,分为北部黄河冲积平原区、中部山前平原带、南部中低山丘陵带,整体呈现“南山北原、玉带环绕”的地理格局。济南市自然资源门类多、分布广,主要包括林木资源、矿产资源、水资源等,山前地带蕴藏着丰富的煤矿、铁矿、石灰岩矿等矿产资源,同时济南市地质环境问题也比较突出,主要体现在南部山区崩滑流地质灾害、山前煤矿–铁矿开采区的采空塌陷、岩溶塌陷和地下水污染等方面。
1.2 数据来源
空间数据来源于济南市国土及其他政府部门,地质环境数据来源于山东省地质矿产勘察开发局八〇一水文地质工程地质大队组织实施的山东省环境地质综合调查研究项目以及济南市地质灾害排查项目。水资源数据来源于政府部门公布的水资源公报,矿产资源数据来源于济南市矿产资源总体规划(2016~2020年)。
2. 评价指标体系和评价方法
2.1 评价指标体系的建立
资源环境承载力是一个动态过程,从承载本底和承载状态2个方面综合考虑对资源环境承载力进行评价(于洋等,2018;丁月清等,2019)。笔者根据国土资源环境承载力评价要求,结合济南市现状,选取地质环境、地下水资源、矿产资源3个方面进行研究评价,按承载本底评价、承载状态评价选取评价指标,构建评价指标体系(牛方曲等,2018;李念春等,2021)。地质环境承载力评价分为地质环境安全类和农业生态环境类,评价指标为可连续获取的量化指标。根据济南市矿产资源种类和分布情况,选取主要矿种作为评价因子,结合评价矿种资源特点选取评价指标(白莹等,2020)(表1)。
表 1 地质资源环境承载力评价指标体系表Table 1. Evaluation index system of geological resources and environmental carrying capacity环境类型 因子类型 评价因子 本底评价指标 状态评价指标 地质环境 地质环境安全类 构造稳定性 断裂活动性、地震动峰值加速度 - 地面沉降 地面累计沉降量、地裂缝发育程度 区域地面沉降速率、
沉降中心地面沉降速率崩滑流 崩滑流易发程度 崩滑流风险性 岩溶塌陷 岩溶塌陷易发程度、岩溶塌陷发育程度 岩溶塌陷风险性 采空塌陷 采空塌陷易发程度 采空塌陷风险性 农业生态环境类 损毁土地 – 损毁土地程度 盐渍化 土地盐渍化敏感性 土地盐渍化程度 土地质量地球化学 土壤质量地球化学背景等级 土壤质量地球化学等级 地下水资源 – – 地下水资源可开采模数 地下水资源开采程度 矿产资源 – – 资源可利用占比 矿业开发指数 2.2 评价方法
2.2.1 地质环境承载本底和承载状态评价
采用综合指数法,进行地质环境本底和状态评价。
$$ {{R = }}\sum\limits_{{\text{i = 1}}}^{\text{n}} w_{i} \times r_{i} $$ (1) 式中,R为地质环境承载本底(状态)分值;ri 为评价因子分值;wi 为评价因子权重。
承载本底评价有断裂活动性、构造稳定性等10个评价因子,承载状态有地面沉降现状、崩滑流风险性、土壤盐渍化等7个评价因子。表2中地震动峰值加速度根据中国地震动参数区划图(据GB 18307–2015划分)来确定,各类地质灾害的本底评价依据它的易发程度来确定,各类地质灾害的风险性依据《地质灾害危险性评估技术规范》来确定,主要考虑了地质灾害所造成的人口及经济财产损失。地面沉降的承载状态根据区域地面沉降速率和沉降中心地面沉降速率,采用就劣原则确定地面沉降的承载状态。对各评价因子进行分级赋值(表2,表3),然后利用层次分析法计算各指标权重,最后加权求和获得地质环境承载本底和状态评价值,承载本底根据分值>4.75、4.5~4.75、3~4.5、1~3、<1分为高、较高、中、较低、低5个等级,承载状态根据分值>4.5、2~4.5、<2分为盈余、均衡、超载3个等级。
表 2 地质环境承载本底评价因子赋值表Table 2. Assignment table of geological environment bearing background evaluation factors评价因子 指标 赋值 1 2 3 4 5 断裂活动性 与活动断裂距离(m) 0~30 30~100 100~200 200~400 >400 构造稳定性 地震动峰值加速度 ≥0.30 0.20 0.15 0.10 ≤0.05 地面沉降 地面沉降累计沉降量(mm) ≥1600 800~1600 200~800 100~200 <100 地裂缝 地裂缝发育程度 强 中 弱 崩滑流 崩滑流易发程度 极高易发 高易发 中易发 低易发 不易发 岩溶塌陷 岩溶塌陷易发程度 极高易发 高易发 中易发 低易发 不易发 岩溶发育 岩溶发育程度 强 中 弱 采空塌陷 采空地面塌陷易发程度 强 中 弱 土壤盐渍化 盐渍化敏感性 极敏感 高度敏感 中度敏感 轻度敏感 不敏感 土壤地球化学质量 土壤地球化学质量等级 1等 2等 3等 4等 5等 表 3 地质环境承载状态评价因子赋值表Table 3. Evaluation factor assignment table of geologicalenvironment bearing state指标 赋值 1 3 5 地面沉降承载状态等级 低 中 高 崩滑流风险性 高 中 低 岩溶塌陷风险性 高 中 低 采空塌陷风险性 高 中 低 损毁土地程度 3级 2级 1级 盐渍化程度 重度 中度 轻度 土壤地球化学质量 恶劣 中等 良好 2.2.2 地下水资源承载本底和承载状态评价
从济南市水资源的丰富程度来分析,地下水资源承载力本底采用地下水资源补给模数指标来体现,分级标准见表4。承载状态采用地下水资源开采程度来体现,地下水资源开采程度是指地下水开发利用量与地下水可开采资源量之比,0~70%为盈余,70%~100%为均衡,大于100%为超载。考虑水资源可持续开发利用,水资源承载状态需用地下水位降幅、地下水质量及地表水水功能区达标率3个指标进行修正评价。对于地下水降幅低于临界值的面积占比,地下水质量劣于Ⅲ类区,水功能区未达标的区域进行地下水资源状态评价修正。
表 4 地下水资源承载本底评价分级标准表Table 4. Classification standard for background evaluation of groundwater resources carrying capacity等级 高 较高 中 较低 低 地下水资源模数
(万m3/km2·a)≥20 15~20 10~15 5~10 <5 2.2.3 矿产资源承载本底和状态评价
根据国土资源环境承载力评价技术要求(国土资源部办公厅,2016)结合济南市矿产资源种类和分布情况,选取煤炭、铁矿、水泥用灰岩作为评价因子。承载本底通过资源可利用量占比指标来实现(表5),资源可利用量占比计算公式如下:
表 5 矿产资源承载本底分级标准表Table 5. Classification standard for carrying background of mineral resources承载本底等级 高 较高 中 较低 低 资源可利用量占比 煤炭 ≥4% 3%,4% 0.4%,3% 0.1%,0.4% ≤0.1% 铁矿 ≥7% 2.25%,7% 0.7%,2.25% 0.15%,0.7% ≤0.15% 水泥用灰岩 ≥35% 25%,35% 15%,25% 5%,15% ≤5% $$ {{P}}_{{r}{o}}=\frac{{{R}}_{{t}}}{{{R}}_{{T}}}\times 100\text{%} $$ (2) 式中,Pro 为资源可利用量占比;Rt 为县域某种矿产的资源保有量;RT 为地市该类矿产资源的资源保有量。
矿产资源承载状态评价利用一个综合指标(矿业开发指数,MDI)反映评价区域上可利用矿产资源适宜开发的整体状况。包括矿业对当地GDP的贡献程度(Em),因矿业而带动的就业情况(Jm),矿业开发破坏的总面积占比(Imdb),废物排放总和(Tpdq)等4个方面。根据综合评价求取矿业开发指数(MDI),MDI≥75为盈余,50~75为均衡,<50为超载。
$$ \begin{split} {{MDI}}=& 0.2×E_{m}+0.3×J_{m}+0.25×(100-I_{mdb})\\& +0.25×(100-T_{pdq}) \end{split} $$ (3) 2.2.4 地质资源环境承载力综合评价
构建由承载本底和承载状态评价等级组成的判断矩阵(表6),判定各要素承载能力等级,对各要素承载力进行分级赋值,利用层次分析法确定各要素承载能力的权重,最后加权求和获得地质资源环境承载力评价值,经专家会商得出承载能力分级标准(表7),根据分级标准进行承载力分级。
表 6 各要素承载力分级表Table 6. Classification table of bearing capacity of each element承载力等级 本底评价等级 高 较高 中 较低 低 状态评价
等级盈余 强 较强 中 较弱 弱 均衡 较强 中 较弱 弱 弱 超载 中 较弱 弱 弱 弱 表 7 地质资源环境承载力分级标准表Table 7. Classification standard of geological resources and environmental carrying capacity地质资源环境
承载力分级强 较强 中 较弱 弱 值域 ≥4.5 3.5~4.5 2.5~3.5 1.5~2.5 <1.5 3. 评价过程
济南市北部地处华北平原地面沉降区的东南边缘,如商河县南部及以西地区、章丘区水寨镇均出现了地面沉降现象。南部低山丘陵区多为变质岩、石灰岩裸露区,崩滑流等地质灾害易发,但地质灾害的风险性整体较低。济南市活动断裂较多,地震活动较频繁,地震动峰值加速度为0.05~0.10g。土壤质量地球化学等级大部分区域为优质和良好(图1)。综合分析各评价因子,得出地质环境承载本底和承载状态等级。
济南市地下水资源空间分布不均。南部岩溶分布区地下水资源较丰富,地下水资源模数一般大于20万m3/km2·a;山前平原及北部黄河冲积平原区,地下水资源模数一般为15~20万m3/km2·a;南部新太古代地层及侵入岩分布区,地下水资源模数一般为5~10万m3/km2·a。历下区、市中区、槐荫区、天桥区、长清区、济阳区等6个区(县)水资源开发利用程度高,平阴县水资源开发利用程度一般,历城区、章丘区和商河县开发利用程度较低。对于2017年水位与历史稳定水位相比,地下水水位降幅大于2 m分布区,地下水质量劣于Ⅲ类区,水功能区未达标的进行水资源状态评价修正,水资源承载状态下调一级(图2)。
济南市矿产资源分布不均,其资源承载状态评价按照MDI包含要素一一进行分析。其中,就对当地GDP贡献程度而言,市中区、济阳区及平阴县的矿业开发工业产值对当地的GDP贡献较大;就业情况方面,济阳区矿业从业人员最多;考虑矿业开发破坏面积因素,章丘区的破坏面积最大,平阴县及济阳区的破坏面积次之;污染影响方面,长清区铁矿及水泥用灰岩分布较多,历城区主要分布有铁矿,章丘区、济阳区主要分布有煤矿,历城区铁矿和煤矿的废水废液排放较多,废物排放指数较高,章丘区水泥用灰岩和煤矿的固体废物和废水废液的排放相差不多,废物排放指数次之,其他各区(县)均无废弃物排放。综合以上各要素,评价给出济南市整体矿产资源承载状态情况。
4. 评价结果与分析
济南市地质环境整体较好,地质环境承载力分为强、较强、中、较弱4个等级(图3a)。地质环境承载力等级强区主要分布于济阳、天桥、商河、历下及章丘北部、长清南部区域,较强区主要分布于商河东北部、长清区南部以及山前平原区,中等区主要分布于平阴–济南–章丘南部。
济南市地下水资源承载能力整体不高,水资源紧缺(图3b)。地下水资源承载能力较强区主要分布历城区中南部及章丘区南部,该区多为岩溶分布区;地下水资源承载能力中等区主要分布在历城区、章丘区北部、商河县大部分、平阴县南部区域,该区多为岩溶发育弱区;其余为水资源承载能力较弱及弱区,该区水资源开发利用程度较高,承载状态为超载,综合评价得出承载力较弱。
济南市各区县矿产资源承载能力等级分为强、较强、中、较弱和弱5个级别(图3c)。其中历下区、槐荫区、天桥区及商河县矿产资源承载力为弱,长清区矿产资源承载力为较弱,市中区及章丘区矿产资源承载力为中,历城区矿产资源承载力为较强,平阴县和济阳区矿产资源承载力等级为强。
结合地质环境、地下水资源、矿产资源,综合评价得出济南市地质资源环境承载力整体较好,分为强、较强、中、较弱4个等级,大部分区域地质资源环境承载力为较强,在各区县均有分布(图4)。北部区域地形以平原为主,土壤地球化学质量好,地质灾害不易发,地质环境承载力强;南部低山丘陵区地质灾害易发,但地下水资源丰富,故地质资源环境承载力为较强。承载力强区分布在济阳县的东北部、历城区中部区域,该区域地形以平原为主,地质环境承载力强,且济阳县及历城区的矿产资源丰富,承载力等级为较强以上;承载力中区分布在商河县东北部、历下区、市中区、长清区的大部分区域、章丘区南部,该区多为灰岩裸露区域,崩滑流、岩溶塌陷、采空塌陷等地质灾害易发性较大,且矿产资源承载力中等以下;承载力较弱区主要分布在平阴县北部、南部、天桥区南部及历城、章丘、长清部分区域,平阴县岩溶风险性较高、损毁土地面积较大,地质环境承载力较弱;济阳区、历城及章丘采空塌陷、岩溶塌陷风险性较高,地质环境承载力较弱,天桥区地下水资源及矿产资源承载力较弱,章丘区南部地下水资源开发利用程度较高,承载状态为超载,地下水资源承载力较弱。
5. 结论
(1)济南市地质资源环境承载力等级整体在中等以上,少部分区域承载力等级为较弱。影响因素为岩溶塌陷、采空塌陷、崩滑流等地质灾害。这些区域应建立资源环境承载能力监测预警长效机制,圈划地质红线,设立监测靶区,将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内,同时合理有序的进行灾害点的治理工作。城镇开发建设中应充分考虑突发地质灾害的影响,基于地质灾害提出城镇建设用地更加合理的空间布局方案。
(2)济南市商河、章丘、天桥区地面沉降应引起重视,在城镇开发建设中考虑地面沉降的影响。建议加强该地区地面沉降机理研究,建立健全地面沉降监测预警体系和地面沉降综合防治长效机制,为济南市和新旧动能转换先行区的进一步规划提供依据。
(3)济南市水资源承载能力整体不高,水资源紧缺,各区县地下水资源开发利用程度不同,应加强水资源的有效开发和合理利用,严格控制地下水开采量,合理调整地下水的取水层位,调整地下水开采量和地表水的回灌增储。
(4)受地质条件控制,济南市各区县矿产资源承载能力差异较大。矿产资源的开发虽能带动GDP,但对环境有一定的破坏,应积极开发利用太阳能、风能等可再生能源,降低对化石燃料等传统资源的依赖性。
(5)依据资源环境承载力强弱,建议中心城市优先开发地区为历城区北部,中心城镇优先开发地区为历城仲宫镇。该区域资源相对丰富,地质环境、生态环境较稳定,资源环境承载能力整体较强,能够为城市发展提供保障。
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