基于模糊數學法的南四湖地區礦山地質環境現狀綜合評價

孟祥超，李軍，王娜，馮璽平，宋月梅，何平，陳麗靜，馬騰

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100)

0 引言

南四湖是山東省境內最大的淡水湖，于2003年被山東省政府設立為省級自然保護區。該保護區是生態系統完整、極具保護價值的“內陸濕地和水域生態系統”類型的自然保護區[1-3]。南四湖地區煤炭資源豐富、開發歷史悠久。隨著開采強度的增大，給地質環境造成了較大的破壞，尤其是煤礦礦山開采導致的地面塌陷、土地資源破壞等礦山地質環境問題尤為突出[4-9]，對南四湖自然保護區的生態環境造成了一定的威脅。鑒于此，開展南四湖地區的礦山地質環境調查與評價工作顯得極為重要和刻不容緩(1)山東省魯南地質工程勘察院，南四湖省級自然保護區礦山地質環境調查評價報告，2021年。。

礦山地質環境影響綜合評價是一種復雜的量化評價，是需要定性方法與定量方法相結合的評價過程[10-12]。前人為科學有效開展該評價工作采用了多種方法進行研究，如模糊綜合評價法、綜合指數分析法、層次分析法、灰色關聯綜合法等[13-15]。尤其是陳舜、尹俊凱、關英斌、陳哲鋒等[16-20]采用模糊數學法對礦山地質環境評價方面取得了較好的研究成果。本文根據評價區內礦山地質環境特征，采用模糊數學法對與南四湖自然保護區重疊的濟寧市內的12個煤礦進行礦山地質環境現狀評價，并提出了相應的防治措施。為開展南四湖自然保護區內礦山地質環境的治理恢復工作提供科學依據。

1 研究區概況

南四湖位于魯西南濟寧市境內，地跨濟寧市微山縣、魚臺縣和任城區3個縣(區)，是魯西南最大的自然保護區，也是南水北調東線工程的重要輸水儲蓄樞紐。

本次研究區范圍為南四湖省級自然保護區范圍所涉及的濟寧市境內的12處采煤礦山采礦權范圍，總面積517km2(圖1)。研究區北部包括安居煤礦、濟寧三號煤礦、王樓煤礦和泗河煤礦4處礦山；研究區中部包括新安煤礦、崔莊煤礦、高莊煤礦、付村煤礦、三河口煤礦、金源煤礦和昭陽煤礦7處礦山；研究區南部為永勝煤礦。其中現有生產煤礦9個，在建煤礦1個(永勝煤礦)，已關閉煤礦2個(泗河煤礦、昭陽煤礦)。

1—各礦山采礦權(評價區)范圍；2—南四湖省級自然保護區范圍圖1 研究區范圍圖

2 礦山地質環境現狀

礦山地質環境問題指礦產資源開發過程中產生和加劇的地質環境惡化的現象[21-22]。根據資料收集分析及現場調查研究，南四湖省級自然保護區礦山地質環境問題主要有地面塌陷、含水層破壞、土地資源破壞、地形地貌景觀破壞和水土污染。

2.1 礦山地質災害(地面塌陷)特征

通過遙感解譯和現場調查，評價區內的礦山地質災害為礦山地下開采引發的地面塌陷。截至2020年底上述12個礦山均有不同程度的地面塌陷，沉陷區(垂直下沉幅度≥10mm)總面積12859.92km2(表1)。由表1可以看出，部分沉陷區已形成常年積水區或季節性積水，帶來了嚴重的農作物經濟損失。

2.2 地形地貌景觀破壞及土地資源破壞

由于地形地貌景觀破壞和土地資源破壞范圍一致，因此一起對其進行分析研究。主要破壞原因為：一是采煤引起的地面塌陷，二是工業廣場建筑及煤矸石堆的壓占。影響嚴重區：為采煤后地面塌陷形成的常年積水區，嚴重破壞了原地形地貌和土地資源，面積約1840.83km2(表1，圖2)；工業廣場建筑及矸石堆放場改變了原生地形地貌形態、破壞了原有的土地資源，面積約311km2(表1，圖2)。影響較嚴重區：采煤后地面塌陷形成的季節性積水區，季節性改變了原生地形地貌形態、破壞了原有的土地資源，面積約193.07km2(表1，圖2)。影響較輕區：采煤后地表沉降幅度較小，未出現積水現象，由原來平坦地形變為緩坡地，面積約4448.05km2。

2.3 含水層破壞

研究區內主要含水層：第四系松散層孔隙含水層、侏羅系砂巖孔隙裂隙含水層、石炭-二疊紀山西組砂巖裂隙含水層、石炭-二疊紀太原組石灰巖巖溶裂隙含水層、石炭紀本溪組石灰巖含水層、奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層，共6個含水層。

煤礦開采對各含水層地下水位的影響基本上都是通過對含水層的結構破壞導致各含水層形成新的排泄通道所致[23-24]，即對含水層水位的影響與對含水層結構的破壞基本一致。

表2 保護區內12個煤礦開采導水裂隙帶發育高度及含水層破壞統計表

表1 研究區內采煤沉陷區面積統計表 單位：km2

1—常年積水區；2—季節性積水區；3—湖泊水面及河流水面；4—未積水地面；5—工業廣場(含煤矸石場)范圍； 6—地表水檢測點(未超標)；7—地表水檢測點(超標)；8—地下水檢測點(未超標)；9—地下水檢測點(超標)；10—土壤監測點；11—南四湖省級自然保護區范圍；12—各礦山采礦權界線 圖2 研究區內采煤沉陷區及地表水、地下水及土壤監測點分布圖

通過收集各礦山地下水位動態監測資料以及現場對地下水位的統測，礦山開采未對第四系松散層孔隙含水層、奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層的水位造成明顯影響，對其他含水層水位的影響與上述計算結果一致。

2.4 水土污染特征

本次水土污染評價工作采取了綜合污染指數法對具有代表性的地表水、地下水和土壤樣品的化學分析測試結果進行了評價。

(1)地表水狀況。本次對評價區內的121件(圖2)地表水的汞、砷、鉻(六價)、鉛、銅、鎘、鋅、硫酸鹽、氨氮、氟化物10項因子通過綜合污染指數法進行了評價：其中6件水樣為Ⅳ類，屬于中度超標水，占地表水水樣的28.10%；34件水樣為Ⅲ類，屬輕度污染水，占地表水水樣的4.96%；39件水樣為Ⅱ類水，屬尚清潔水，占地表水水樣的32.23%；其余42件水樣為Ⅰ類水，屬清潔水，占地表水水樣的34.71%(圖3)。

圖3 地表水綜合指數法評價結果

(2)地下水狀況。對40件地下水樣(圖2)中總硬度、溶解性固體總量、硫酸鹽、氯化物、氨氮、鈉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物等因子采用綜合指標法進行評價，其中1件為Ⅴ類水，屬超標相當嚴重，占地下水水樣的2.5%；有5件水樣為Ⅳ類水，屬中度超標水，占地下水水樣的12.5%；12件水樣為Ⅲ類水，屬輕度超標水，占地下水水樣的30%；13件水樣為Ⅱ類水，屬尚清潔水，占地下水水樣的32.5%；9件水樣為Ⅰ類水，屬清潔水，占地下水水樣的22.5%(圖4)。

圖4 地下水綜合指數法評價結果

(3)土壤狀況。對區內20件(圖2)土壤樣品進行綜合評價，20件土壤樣品綜合超標指數0.238～0.541，均小于0.7，等級劃定為Ⅰ級，污染等級為安全，污染水平為清潔。

3 模糊數學法進行礦山地質環境影響綜合評價

本次礦山地質環境評價采用模糊數學評價方法，通過評價因子量化，予以評價分區。

3.1 評價單元劃分

遵循“差異性、代表性、綜合性”原則[25-26]，為保證較為精確的評價，選取“地質災害(地面塌陷)、土地資源破壞、地形地貌景觀破壞、含水層破壞、其他礦山地質環境問題點(地表水、地下水、土壤污染點)分布密度”五項評價因子，并將評價區劃分為42個評價單元。由于各評價因子的重要性是有差異的，以權重值區分。五項評價因子權重值由參考前人研究成果并征求部分專家意見提出[26]，評價集的權重系數值，構成如下行列式：

M=[0.3，0.3，0.2，0.1，0.1]

3.2 各評價因子的量化及模糊判別

(1)礦山地質災害量化方法及模糊判別。礦山地質災害量化方法——地面塌陷危害程度：以每平方千米的經濟損失之和(萬元)進行統計，單位面積經濟損失≥500萬元/km2嚴重歸屬度為1，≤100萬元/km2嚴重歸屬度為0.1，其他通過建立函數計算得出0.1～0.9之間值。

(2)土地占損率模糊判別。土地資源破壞量化方法——土地占損率：分區內占損土地面積與分區總面積之比，土地占損大于20歸為嚴重，其他小于20的判別其模糊歸屬度。

(3)地形地貌占損率模糊判別。地形地貌景觀破壞量化方法——地形地貌占損率：分區內占損土地面積與分區總面積之比，土地占損大于20歸為嚴重，其他小于20的判別其模糊歸屬度。

(4)含水層破壞率模糊判別。含水層破壞量化方法——含水層破壞率：礦山開采破壞的含水層數與總含水層層數的之比，對第四系或奧陶系含水層造成破壞才歸為嚴重，除此之外判別其模糊歸屬度。

(5)其他礦山地質環境問題點分布密度模糊判別。其他礦山地質環境問題點分布密度量化方法，分區內礦山地質環境問題點(包括地表水水質超標點、地下水水質超標點和土壤質量超標點等)數量與分區總面積之比，即每平方千米的礦山地質環境問題數量，只要每平方千米出現5個其他礦山地質環境問題點就歸為嚴重，除此之外判別其模糊歸屬度。

3.3 模糊數學法綜合評判評價

根據上述各模糊判別函數，可分別計算出各分區5個評價因子的模糊判別結果，并建立模糊判別矩陣N。

模糊判別矩陣N與權重系數矩陣構成如下“模糊綜合評判隸屬度值”計算式：K=M·N

經過矩陣運算：K=[K1，K2，…Kn]

并按以下規則評判，當模糊綜合評判隸屬度值(K)：K≥0.80，影響嚴重區；K=0.50～0.79，影響較嚴重區；K=0.15～0.49，影響較輕區；K≤0.15，影響輕微區。

經過對各分區單元的模糊綜合評判隸屬度值進行計算，并按以上判別規則進行評判，將評價區共分為42個區(圖5，表3)，12個影響嚴重區、18個影響較嚴重區、11個影響較輕區和1個影響輕微區。

1—影響嚴重區范圍及編號；2—影響較嚴重區范圍及編號；3—影響較輕區范圍及編號；4—影響一般區范圍及編號；5—南四湖省級自然保護區范圍；6—各礦山采礦權界線圖5 礦山地質環境現狀影響模糊數學法綜合評判分區圖

表3 模糊數學法綜合評判結果表

4 礦山地質環境保護與治理方向

評價區與南四湖自然保護區重疊，宜結合“山水林田湖草一體化保護修復”進行統一規劃治理、綜合治理，分步實施。還應根據主要礦山地質環境影響嚴重程度進行分區治理、主次分明。

4.1 嚴重區礦山地質環境特征及防治方向

(1)主要礦山地質環境問題特征。該區為各礦山地面塌陷常年積水區，主要特征為經濟損失大、土地占損率及地形地貌占損率高，其次為存在含水層破壞及局部地表水水質超標現象。

(2)防治方向。該區為礦山的重點防治區。其防治方向為重點是對地面塌陷常年積水區的治理，其次是對含水層破壞、地表水污染的防治工作。

地面塌陷常年積水區的治理。目前，周邊礦山在治理地面塌陷常年積水區方面已取得良好的治理效果：如濟寧二號煤礦采煤挖深墊淺恢復耕地、整治成魚塘與光伏發電場，橫河煤礦已建成太平濕地公園等。建議結合“南四湖自然保護區”的規劃，對該區通過挖深墊淺、土地平整等方案進行土地整治，一部分恢復成耕地，另一部分根據南四湖自然保護區的規劃修建魚塘發展水產養殖或建設成人工濕地公園等。一方面通過恢復成耕地減少了土地占損率和地形地貌占損率；另一方面通過發展養殖業和建設人工濕地公園可增加經濟收入，以減少地面塌陷帶來的經濟損失。

含水層破壞、地表水污染防治。含水層破壞防治：采用煤矸石進行采空區充填、封堵串層污染井及封閉不良鉆孔，對止水不良的供水井或鉆孔進行注漿封堵。對于局部地表水超標區域，展開針對性調查工作，尤其是在各污水處理廠、煤矸石場、生活區下游等敏感處加強水質監測工作。

4.2 較嚴重區礦山地質環境特征及治理方向

(1)主要礦山地質環境問題特征。該區包括礦山地面塌陷季節性積水區和礦山工業廣場，特征為經濟損失較大、土地占損率及地形地貌占損率較高。

(2)防治方向。該區為礦山的次重點防治區。其防治方向主要是對地面塌陷季節性積水區的治理，其次是對工業廣場及煤矸石的防治。

地面塌陷季節性積水區的防治。建議對季節性積水區進行換填墊高，恢復成耕地，以較少經濟損失恢復原有的土地資源及地形地貌景觀，同時加強對地面變形的監測工作。

礦山工業廣場及矸石堆場的防治。對于不使用的工業設施及時拆除并綠化或恢復成耕地；對于矸石堆場內的煤矸石用于井下充填或平整道路；對場地及時綠化或恢復成旱地。

4.3 較輕區礦山地質環境特征及治理方向

(1)主要礦山地質環境問題特征。該區為各礦山地面塌陷常為非積水區，地面下沉及變形幅度小。尚未對土地資源及地形地貌景觀造成明顯的影響，存在交通及水利設施沉降現象，經濟損失較小。

(2)防治方向。防治措施為對交通和水利設施隨塌隨墊；對下沉較嚴重地段進行土地平整以防治季節性積水導致的經濟損失；加強地面變形監測工作，時刻掌控地面變形趨勢。

4.4 輕微區礦山地質環境特征及防治方向

該區為評價區內除了以上3個區外的其他區域，該區遠離塌陷區、礦山工業廣場，受礦山活動影響小。主要礦山地質環境問題為局部存在地表水或地下水水質超標。建議進一步加強水土環境的監測工作。

5 結語

本次工作依托“南四湖省級自然保護區礦山地質環境調查評價”項目，并利用模糊數學法對南四湖礦山地質環境現狀進行了綜合評價，評價中對礦山各評價單元進行了詳細的劃分，著重體現了評價因子的權重系數及模糊判別計算的重要性，充分發揮評價的客觀性，減少了人為的主觀因素，使評價更符合礦山現狀?？勺鳛榈V山建設、管理決策與規劃的重要依據，將對礦山地質環境的治理發揮積極作用。