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基于ArcGIS与层次分析法的巢湖北郊矿区地质环境评价
2018-07-10
目前,矿区地质环境分区和评价通常以定性方法为主,定量化评价手段较缺乏。以安徽巢湖北郊矿区为例,详细分析了矿区地质灾害类型和发育规律,通过层次分析法建立评价函数,对地质灾害隐患进行分区评价和赋值,共建立了4 个准则层,拓展出16 个评价因子;而后借助ArcGIS 软件进行源数据提取和预处理,构建了矿区地质灾 害4 级分区评价模型。研究表明:矿区地质环境问题较轻区域面积为4.684 km2,占矿区开采总面积的36.7%;地质环境问题中等区域面积为4.177 km2,占矿区总面积的32.7%;地质环境问题较严重区域面积为2.566 km2,占矿区总面积的20.1%;地质环境问题严重区域面积为1.33...
Series No. 504 June 2018 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 504 期 2018 年第 6 期 基于ArcGIS与层次分析法的巢湖北郊矿区 地质环境评价 赵洪涛 (辽宁地质工程职业学院测绘工程系,辽宁 丹东 118303) 摘 要 目前,矿区地质环境分区和评价通常以定性方法为主,定量化评价手段较缺乏。以安徽巢湖北郊矿区 为例,详细分析了矿区地质灾害类型和发育规律,通过层次分析法建立评价函数,对地质灾害隐患进行分区评价和赋 值,共建立了4个准则层,拓展出16个评价因子;而后借助ArcGIS软件进行源数据提取和预处理,构建了矿区地质灾 2 害4级分区评价模型。研究表明:矿区地质环境问题较轻区域面积为4.684 km ,占矿区开采总面积的36.7%;地质环境 2 2 问题中等区域面积为4.177 km ,占矿区总面积的32.7%;地质环境问题较严重区域面积为2.566 km ,占矿区总面积的 2 20.1%;地质环境问题严重区域面积为 1.335 km ,占矿区总面积的 10.5%,与实地调查结果基本一致。在上述分析的 基础上,针对矿区西南侧发育的典型滑动体,提出了“避”、“排”、“挡”、“固”4条治理措施,即:①建立临时或永久性监 测设施,提前组织人员避险;②在边坡上缘和坡面开挖截水沟将地表水引出滑坡区;③滑坡体下缘采用抗滑桩与预应 力锚杆相结合的措施进行支档;④利用灌浆孔对滑坡松散堆积体和潜在滑动面进行固结灌浆,对于有效治理该矿区地 质环境有一定的借鉴价值。 关键词 矿区地质环境 ArcGIS 层次分析法 评价模型 治理措施 滑坡监测 中图分类号 TD167 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-06-167-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201806031 Evaluation on the Geological Environment of the North of Chaohu County Based on ArcGIS and Analytic Hierarchy Process Zhao Hongtao (Department of Surveying and Mapping,Liaoning Geology Engineering Vocational College,Dandong 118303,China) Abstract At present,mine geological environment division and evaluation method is belongs to qualitative evaluation method,the quantitative evaluation methods are few.Taking the mining area of the north of Chaohu Area in Anhui Province as the study example,the types and development regularities of the geological hazards in the mining area are discussed,the evalu⁃ ation function is established by using analytic hierarchy process,regional evaluation and valuation of geological hazards in the mining area are carried out,4 criteria layers is established and 16 evaluation factors are extended,then,the source data is ex⁃ tracted and pre-processed based on ArcGIS software,4 level regional evaluation model of the geological hazards in the mining area is established.The study results show that:the area of the geological environment problem area with lightest degree is 4.46 2 km ,which accounts for 36.7%of the total area of the mining area;the area of the geological environment problem area with me⁃ 2 dium degree is 4.177 km ,which accounts for 32.7%of the total area of the mining area;the area of the geological environment 2 problem area with more severe degree is 2.566 km ,which accounts for 20.1%of the total area of the mining area;the area of 2 the geological environment problem area with severe degree is 1.335 km ,which accounts for 10.5% of the total area of the mining area.The above quantitative evaluation results is basically consistence to the actual situation of the mining area.Based on the above study results,geological environment treatment measures of aoviding,draingae,retaining and reinforcement are proposed.The above measures can be detailed as:①establish temporary or permanent monitoring facilities,and organize per⁃ sonnel to avoid geological hazards in advance;②ditches are digged in the upper edge and surface of the slope,so as to drain the surface water out of the lanslide area;③the lwoer ege of the slope can be supported by anti-slide and prestressed bolt;④ consolidation grouting of loose accumulation body and potential sliding surface can be carried out by drilling grouting hole.The 收稿日期 2017-10-19 作者简介 赵洪涛(1983—),男,讲师。 · 167 · 总第504期 金 属 矿 山 2018年第6期 above technical measures can provide reliable reference for the teratment of mine geological enbironment. Keywords Ming geological environment,ArcGIS,Analytic hierarchy process,Evaluation model,Treatment measures, Lanslide monitoring 我国长期粗放式开采导致矿区环境地质问题日 益突出,矿区地质环境问题包括水体污染、地面沉 (3)地面沉陷。地面沉陷部位主要集中于西大 林村和尖山子村附近,人类活动较多,开采活动在该 区域底部进行,开采过程中抽排地下水导致水位大 幅度降低。地面沉陷部位主要为残坡积碎石土为 主,土体结构松散,具备架空结构,失去地下水浮托 力后地面承载能力被破坏,导致该类型地质灾害发 生,对于人员设备安全造成了重大隐患。现场调查 共发现了11处地面沉陷点(图1(d))。 [1-3] 陷、地裂缝以及山体崩塌滑坡等 。对矿区地质环 境进行定量评价,在此基础上制定合理的治理措施, 对于有效修复矿区生态环境、实现矿区可持续发展 大有裨益。近年来,遥感与地理信息系统技术的发 展和不断应用,为矿区地质环境监测评价提供了新 [ 4] 的思路 。本研究以安徽巢湖北郊矿区为例,将Arc- [ 5-9] GIS 软件与层次分析法 相结合对区内地质环境进 行定量评价,并对相应的治理措施进行探讨。 1 矿区地质环境概况 1 . 1 地质特征 研究区位于安徽省巢湖市北部山区,紧邻江淮 丘陵,三面环山,一方临水,地形较为起伏,属于丘陵 或低中山地貌。丘陵地带及河谷谷底地面高程为 8 00~1 000 m,山峰高程一般为1 100~1 200 m,最高 385 m,谷底开阔、山峰浑圆为该地区主要的地貌特 1 征。 研究区属于温带大陆性季风气候,年平均气 温 12.1 ℃ ,极 端 最 高 气 温 41.7 ℃ ,极 端 最 低 气 温-23.3 ℃。该区年平均降水量750 mm,多年平均水 面蒸发量为 965 mm,多年平均径流深 245.6 mm。流 域内常风向为 NEE,年平均风速 3.0 m/s。研究区多 1. 3 地质灾害发育规律 研究区地质环境问题较为突出,主要为矿产开发 和人类工程活动引发。通过现场调查分析发现,较 大型滑坡地质灾害主要受矿山开挖导致的边坡失稳 所致;小型滑坡、崩塌主要由降雨等恶劣气候引发, 也与矿山开采导致的水土流失有关。地质构造方 面,断层及其破碎带、顺坡向发育的结构面以及劈理 均为矿区地质环境恶化的诱导因素,调查发现地质 灾害多发区大多位于北部山区陡峭、岩体构造卸荷 作用明显的平顶山、榆木村背斜两翼等部位。同时, 调查发现石灰岩地区地质灾害发育情况较岩浆岩地 区严重,说明矿区地质环境与岩土体的力学性质有 一定关联。 8 3 年平均径流量为5.06×10 m 。 研究区内出露的地层主要有二叠系(P)、侏罗系 ( J)、白垩系(K)、第三系(N)及第四系(Q)。侵入岩出 露面积较少,仅有华力西晚期和燕山早期酸性侵入 岩零星出露,岩性包括花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩 等。脉岩种类较多,岩性复杂。 1 . 2 地质灾害类型 (1)小型滑坡及滑塌体。研究区内小型滑坡体主 要分布于采矿区矿洞外围,主要由开挖过程中的浮 土和废弃物堆积而成,少部分为矿渣。小型滑塌体 大多位于尖山子东侧平缓台地和颜小堡村东西侧。 经统计,研究区该类型小型滑塌存在 30 多处(图 1 2 基于层次分析的分区评价法 根据研究区自然环境、地形地质条件和地质灾 (a)、图1(b))。 ( 2)地裂缝。地裂缝主要位于矿山开采范围内, 害发育规律,采用层次分析法对区内地质环境进行 分区评价。 地表第四系覆盖层较厚,尤其以马家坪西侧、平顶山 东侧山坡发育较多,该区域地下水采掘深度大,弃土 多,山坡前缘具备一定临空面,研究区地裂缝分布有 2 . 1 构建判定矩阵 通过判定矩阵可对每一层因子进行相互比较, 20多处(图1(c))。 分析和得出重要性因素,借助专家咨询结论进行评 · 168 · 赵洪涛:基于ArcGIS与层次分析法的巢湖北郊矿区地质环境评价 2018年第6期 [ 10-11] 分,最终确定标度 。采用Origin软件构建判定矩 的严重程度;w n 、n n 为组合权重值;n 为属性层中不同 阵,再进行正交和归一化处理。本研究对权重因子 的量化值进行了标准化和归一化处理,计算公式为 x = a - amin 因子的权重值。 2. 2 评价因子选取及阶梯评价体系建立 依据现场调查结果(表1),研究区地质环境影响 因素包括地形地质条件、水文地质条件、废水废渣等 废弃物污染以及崩塌滑坡泥石流等 4 类。本研究据 此选择了地形地质、水文气候、废水废渣污染、地质 灾害等一级评价因子,各一级因子共包含了 16 个二 级因子。根据《中国地质环境调查总则(试行)》将各 因子划分为好、较好、较差、差 4 个等级,其中典型因 子的量化评价过程如下。 , (1) a - a max 式中,x为权重因子量化值;a为专家打分值;amax 为最 大值;amin为最小值。 研究区地质环境影响值计算公式为 ∞ M = (wn cos nπ + vn sin nπ) , (2) ∑ n = 1 式中,M为矿区地质环境影响值,代表矿山地质灾害 ( 1)地形地质。根据研究 1∶50 000 地形图提取 地形数据,根据地表坡度将该因素划分为 4级,即0~ 5°,15~45°,45°~55°以及55°~90°。 2)地质构造。通过现场工程地质测绘、地质填 在因子量化的基础上,本研究构建的阶梯层次 体系主要分为3层结构,第1层为目标层,第2层为准 则层,第 3 层为属性层,每层均对地质环境因子进行 了量化,通过构建判定矩阵和专家打分确定了各因 子的权重值(表2)。 1 ( 图,获取了工程区断裂构造发育信息。结合地壳应力 场和动力学特性,研究区NNE向断裂发育规模较大, 断层两侧断裂稳定性最差,活动性强,故评价因子等 级划分为4级;区内NW向断层规模稍小,发育位置较 少,活动性较强,故划定为3级;NNW向断裂发育长度 有限,宽度为0.5~1 m,整体未见大规模断层,从规模上 考虑,将该类型断裂划定为2级;NE向发育的断裂基 本为规模较大的结构面,分布稀松,活动性弱,安全性 较高,定位为1级。 (3)岩性条件。本研究经过野外调查发现主要 岩性为岩浆岩和沉积岩,其中岩浆岩以花岗岩、混合 岩类为主,岩体工程性质特征与风化程度有关,故将 弱—微风化岩体以及岩体饱和抗压强度大于60 MPa 的岩石的岩性因子定位1级;将岩浆岩以及中硬岩石 ( 30~60MPa)的岩体定位为 2级;将沉积岩、软硬相间 的岩体定位为 3 级;将第四系堆积物,包括冲洪积和 残坡积成因的岩体定义为4级。 (4)矿山开采。矿山开挖和废弃物堆积是研究 3 3. 1 数据来源及预处理 矿区地质环境评价 区地质环境的重要因素,根据现场调查,并根据矿山 采矿范围、开采规模等因素,将矿山开采因子划分为 极小、小、极大、大4级。 本研究矿区地质环境评价体系包含16个影响因 · 169 · 总第504期 金 属 矿 山 2018年第6期 子,数据来源主要有: 重区域,地质环境等级为 4 级,应注意防范地质环境 恶化。 (1)地形地质资料。采用中国地质调查局馆藏 1 ∶50 000 巢县幅区域地质图,目前该图存在 ArcGIS 利用 ArcGIS 软件统计模块,研究区地质环境分 区评价结果见图 3。分析图 3 可知:地质环境问题较 软件格式的电子文件,故无需进行栅格化处理。该 图囊括了矿区开采范围,采用北京54坐标系,高程为 黄海坐标系,等高线间距20 m,与现场地貌进行对比 基本一致,精度符合评价需求。矿区地质环境评价 所采用的地质资料均依据现场钻探、物探及地质测 绘等手段获取,根据地质填图成果绘制了相同比例 尺的区域地质图,包括地层岩性及产状、断裂构造及 位置、断层性质等地质要素。 2 轻区域的面积为 4.684 km ,占研究区开采总面积的 2 36.7%;地质环境问题中等区域的面积为 4.01 km ,占 研究区开采总面积的32.7%;地质环境较严重区域的 2 面积为2.67 km ,占研究区开采总面积的20.1%;地质 2 环境严重区域的面积为1.34 km ,占研究区开采总面 积的10.5%。 (2)遥感影像。通过研究区 1∶10 000 遥感影像 (图2)可获取区内水文水系分布、废水废渣等污染物 分布、地质灾害分布以及人类活动等信息。 本研究根据研究区 1∶50 000 地质图为底图,分 别将地形地质、水文地质、废水废渣以及地质灾害等 方面的信息以点、线、面的形式反映至图中。需对山 顶、村落和聚居区以点的形式进行矢量化;将河流流 域、废水废渣污染区域、滑坡泥石流潜在危险区作为 面进行矢量化;将断层、公路、铁路等要素以线的形 式进行绘制,最终得到研究区地质矢量地形图。在 此基础上,根据层次分析法提取的地质环境评价因 子,将矿区地质图中各个要素抽象为矢量数据,最终 根据上述分区结果,并结合研究区地质图分析, 可知研究区地质环境问题严重区域主要集中于区内 西南侧,该区域废水废渣以及固体废弃物堆积较多, 呈散点状分布,根据现场调查发现存在崩塌地质灾 害的可能性;地质环境问题中等区域和较严重区域 分布于区内中部,海拔高度中等,需防范地质灾害发 生;地质环境问题较轻区域主要集中于区内北侧山 脊的 2 处垭口之间,该区域主要为林场,植被茂密人 类活动较小,现场调查发现基本未遭受破坏。将评 价结果与野外地质调查结果对比,发现地质环境问 题中等及较严重区域的地质环境情况与实际相符, 但本研究评价划定的地质环境问题严重区域的面积 较实际情况扩大了约15%,是由于在评价过程中充分 考虑了地质构造的负面影响所致。 [12-13] 得到矢量化成果 。 3 . 2 地质环境分区评价 通过 ArcGIS 软件中的栅格计算模块,对本研究 选取的 16 个评价因子的矢量数据进行叠加分析,并 对分析结果进行分级。如果一区域 M 取值越大,反 映该地区地质环境越恶劣;反之,则代表区内地质环 境状况越好。为对矿区地质环境进行定量分级,将 研究区地质环境等级划分为严重、较严重、中等和较 轻。借助 ArcGIS 软件的分类功能,将 0<M<3.3 对应 的区域划分为较轻区域,地质环境等级为 1 级;将 3. 3 防治与治理措施 野外地质调查发现,研究区地质灾害严重区域发 生大规模滑坡地质灾害的可能性较大,对下游人员生 产生活潜在的危害最大。矿区西南侧发育 1 处大型 潜在滑坡(通顺山滑坡),滑坡前缘高程295 m,后缘高 程 367 m,水平长度约为 150 m,垂直落差 72 m,滑坡 3.3<M<5对应的区域划分为中等区域,地质环境等级 3 体宽 40~100 m,潜在滑动体体积高达 42 万 m 。滑坡 为2级;将5<M<7对应的区域划分为较严重区域,地 质环境等级为 3 级;将 7<M<10 对应的区域划分为严 上部10~15 m为第四系残坡积碎石土(Q4),下部为太 · 170 · 赵洪涛:基于ArcGIS与层次分析法的巢湖北郊矿区地质环境评价 2018年第6期 manufacturer based on analytic hierarchy process[J].Journal of 古界强风化花岗岩,岩体节理裂隙较发育,呈碎裂结 构。经调查发现了 2 条潜在滑动面,1 条沿基岩界线 发育,另1条沿全强风化带发育。 Electronic Science and Technology of China,2006(4):434-437. [ 6] 王炳强,沈智慧,白喜庆,等.层次分析法(AHP)在矿山环境地质 评价中的应用[J].中国煤田地质,2007(S2):57-59. Wang Bingqiang,Shen Zhihui,Bai Xiqing,et al.Application of AHP in mine environmental geological evaluation[J].Coal Geology of China,2007(S2):57-59. 针对该滑坡现状,本研究提出的防治措施为:① “ 避”,建立临时或永久性监测设施,提前组织人员避 险;②“排”,在边坡上缘和坡面开挖截水沟将地表水 引出滑坡区,对滑坡后缘进行回填灌浆,封堵进水通 道,滑坡体下缘设置排水孔疏排地下水;③“挡”,滑 坡体下缘采用抗滑桩与预应力锚杆相结合的措施进 行支档,同时对坡脚进行护坡处理,采用混凝土速喷 加挂网钢筋等技术措施加固坡体;④“固”,利用灌浆 孔对滑坡松散堆积体和潜在滑动面进行固结灌浆, 提高边坡的抗滑能力。 [ 7] 张金朝,石长柏,张 波,等.层次分析法在鄂州金属矿集区矿山 地质环境影响分区评价中的应用[J].资源环境与工程,2016 (6):934-937. Zhang Jinchao,Shi Changbo,Zhang Bo et al.The Application of AHP in zoning evaluation of mine geological environment implica- tion in concentration[J].Resources Environment & Engineering, 2016(6):934-937. [ 8] 刘晓晨,张 宁,张敬凯,等.层次分析法在矿山水环境质量评价 中的应用[J].能源环境保护,2008(4):51-53. 4 结 语 以安徽巢湖北郊矿区为例,将 ArcGIS 软件与层 Liu Xiaocheng,Zhang Ning,Zhang Jinkai,et al.Application of ana- lytic hierarchy process method to quality evaluation of mine water environmen[t J].Energy Environmental Protection,2008(4):51-53. 次分析法相结合对矿区地质环境进行了评价,构建 了包含目标层、准则层、属性层共16个因子组成的评 价模型,通过将矿区地质环境等级划分为严重、较严 重、中等和较轻 4 个等级,并计算出了区内各等级对 应的区域面积。针对地质环境问题严重区域存在的 滑坡隐患,提出了“避”、“排”、“挡”、“固”4 条技术措 施,对于有效防治区内滑坡地质灾害有一定的参考 意义。 [ 9] 汪少勇,李建忠,郭秋麟,等.层次分析法在致密油有利区优选中 的应用 —以川中侏罗系大安寨段为例[J].地球科学进展, 015(6):715-723. — 2 Wang Shaoyong,Li Jianzhong,Guo Qiuling,et al.Application of AHP method to favorable area optimization for tight oil: a case study in Daanzhai formation,Jurassic,central of the Sichuan Basin[J]. Advances in Earth Science,2015(6):715-723. [ 10] 陈荣彬.层次分析法在重庆市南川区矿山地质环境评价中的应 用[D].成都:成都理工大学,2016. Chen Rongbin. 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