科技和产业

人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度/ (°)	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率/%	评分F_i	等级
非密集区	无地质灾害影响	无矿业活动区	≤15	硬质岩区	断裂构造、节理极不发育	干旱地区	≥80	4	好
一般密集区	受地质灾害影响	中专场地	[15,30)	软质岩区	断裂构造、节理不发育	半干旱地区	[40,80)	3	较好
较密集区	一般级地质灾害	矿山恢复治理区	[30,45)	软硬相间岩区	断裂构造、节理较发育	半湿润地区	[5,40)	2	一般
密集区	较大级地质灾害	除上述之外的地区	≥45	松散堆积区	断裂构造发育强烈、节理发育	湿润地区	≤5	1	较差

人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度/ (°)	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率/%	评分F_i	等级
非密集区	无地质灾害影响	无矿业活动区	≤15	硬质岩区	断裂构造、节理极不发育	干旱地区	≥80	4	好
一般密集区	受地质灾害影响	中专场地	[15,30)	软质岩区	断裂构造、节理不发育	半干旱地区	[40,80)	3	较好
较密集区	一般级地质灾害	矿山恢复治理区	[30,45)	软硬相间岩区	断裂构造、节理较发育	半湿润地区	[5,40)	2	一般
密集区	较大级地质灾害	除上述之外的地区	≥45	松散堆积区	断裂构造发育强烈、节理发育	湿润地区	≤5	1	较差

评价因素	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率
权重值W_i	0.12	0.08	0.08	0.08	0.09	0.10	0.20	0.25

评价因素	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率
权重值W_i	0.12	0.08	0.08	0.08	0.09	0.10	0.20	0.25

乡镇名称	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率	Q	等级
东都镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
汶南镇	1	1	1	4	3	1	1	4	1.66	较差
翟镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
禹村镇	3	1	2	4	3	1	1	4	2.10	一般
谷里镇	3	1	4	4	2	1	1	1	2.25	一般

乡镇名称	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率	Q	等级
东都镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
汶南镇	1	1	1	4	3	1	1	4	1.66	较差
翟镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
禹村镇	3	1	2	4	3	1	1	4	2.10	一般
谷里镇	3	1	4	4	2	1	1	1	2.25	一般

利用GIS方法评价新泰地区矿山地质环境及生态修复效果

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刘一粟 ¹ , 李晓晖 ² , 曹运江 ²

科技和产业 | 科技创新 2025,25(5): 130-134

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利用GIS方法评价新泰地区矿山地质环境及生态修复效果

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刘一粟¹, 李晓晖², 曹运江²

作者信息

¹ 中石化胜利油田有限公司河采地质所, 山东东营 257000

² 湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院, 湖南湘潭 411201

刘一粟(1998—),男,山东济南人,研究方向为石油勘探;

李晓晖(1998—),女,山东青岛人,硕士,研究方向为资源与环境。

通讯作者:

曹运江(1967—),男,湖南湘潭人,博士,教授,研究方向为工程地质。

GIS Method Was Used to Evaluate the Geological Environment and Ecological Restoration Effect of Mines in Xintai Area

Yisu LIU¹, Xiaohui LI², Yunjiang CAO²

Affiliations

¹ Sinopec Shengli Oilfield Co., Ltd., River Mining Geology Institute, Dongying 257000, Shandong, China

² School of Earth Science and Spatial Information Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan, China

出版时间: 2025-03-10

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摘要

收起

由于过度开山采矿,以及缺少完善合适的矿山修复措施,导致新泰地区部分村庄出现压煤采空区及岩溶塌陷区。通过实地勘察和民意调查,基于GIS(地理信息系统)及Origin综合3大类型8种评价因子对矿山地质环境进行评价。以工程岩组地层岩性为底图进行新泰重大采煤压空乡镇地质环境等级评价制图。结果表明,新泰地区矿山环境一般,可以根据评价结果对新泰地区依据乡镇为单元进行针对性修复及生态治理。利用GIS和Origin及协同矩阵计算方法对新泰地区各乡镇矿山环境进行评价,发现汶南镇的矿山地质环境质量相对而言最差,评价等级为较差,其他乡镇等级结果为一般。矿山生态修复和土地生态利用是重要的环境保护措施,建议通过植被恢复和绿化、土壤改良和保育、合理利用水资源、保护生物多样性、土地再利用和综合开发、结构梯度恢复等手段恢复矿山环境,整理土地和进行城市规划。研究方法可应用于其他矿山地质环境评价。

关键词

GIS(地理信息系统) / 矿山环境 / 压煤采矿 / 土地规划 / 新泰地区

Abstract

收起

Due to the excessive mining and the lack of perfect and suitable mine restoration measures, some villages in Xintai area have coal goaf and karst collapse area. Through field investigation and public opinion survey, GIS(geographic information system)technology and Origin comprehensive three types of eight evaluation factors were used to evaluate the mine geological environment. With the engineering rock group stratigraphic lithology as the base map for the evaluation of the geological environment of Xintai major coal mining and hollowing township geological environment grade mapping, the results show that the mine environment in Xintai area is average. According to the evaluation results, targeted restoration and ecological management can be carried out in Xintai area according to the township as a unit. After using GIS and Origin and synergy matrixcalculation methods to evaluate the mine environment of each township in Xintai area, it is found that the mine geological environment quality of Wennan Town is relatively the worst, and the evaluation grade is poor, while the results of other township grades are average. Mine ecological restoration and land ecological utilization are important environmental protection measures, and it is recommended to restore the mine environment, organize land and carry out urban planning through vegetation restoration and greening, soil improvement and conservation, rational use of water resources, protection of biodiversity, land reuse and comprehensive development, and structural gradient restoration.The research method can be applied to the geological environment assessment of other mines.

Key words

GIS(geographic information system) / mining environment / coal pressure mining / land planning / Xintai Region

引用本文

刘一粟, 李晓晖, 曹运江. 利用GIS方法评价新泰地区矿山地质环境及生态修复效果. 科技和产业, 2025 , 25 (5) : 130 -134 .

Yisu LIU, Xiaohui LI, Yunjiang CAO. GIS Method Was Used to Evaluate the Geological Environment and Ecological Restoration Effect of Mines in Xintai Area[J]. Science Technology and Industry, 2025 , 25 (5) : 130 -134 .

正文

收起

新泰地区位于泰沂山脉中段,处于郯城-营口地震带,且存在众多大小煤矿,容易造成采煤塌陷,存在污染水源等问题。由于地形地貌及城市发展而不宜继续进行村庄建设的区域,主要包括采煤塌陷区^[1]、岩溶塌陷区、地震断裂带、油库及危化品影响区、水源地保护区、基本农田保护区域。通过对矿山环境等地质问题进行分析,针对新泰地区此类问题村庄进行搬迁撤并^[2],保障人民生命安全,并且进行矿山环境生态修复及土地复垦,以期恢复土地的可供利用状态,促进新泰地区土地的集约利用^[3]。

国外对于采煤塌陷问题采取治理措施起步较早。早在19世纪20年代,美国、德国等国家就开始探索如何治理塌陷土地;19世纪50年代开始,通过《露天采矿管理与复垦法》和《国家环境政策法》,据矿区生态恢复设立SMCRA、CERCLA等法律法规;19世纪70年代以来,通过共享理念,集地质学、采矿学、林学、农学、数学、经济学等各个学科共同治理,经过长时间不断试错改正,国外对于采煤塌陷的治理已经有了一套系统化的管理及治理措施。

国内于20世纪80年代开始研究治理采煤塌陷区,目前研究集中在两个方面,一方面是介绍和借鉴国外现成经验、法规、政策,另一方面是因地制宜,走中国特色道路,根据国内实际情况,提出相应建议。中国现如今正在进行一套合时宜又因地制宜、各不相同的修复模式^[4],听取民意、集思广益,走中国特色道路。

采煤塌陷造成大量的农用地、居民房屋、工业场地被破坏,而且水资源污染严重,严重影响当地居民生活质量^[5]。针对矿山环境问题进行治理,可很大程度上恢复水资源,恢复山体结构及土壤环境,恢复绿植^[6],恢复土壤生产力^[7]。为了促进资源的可持续,有效利用土地,改善矿山环境,针对现存问题提出切实可行的适合新泰地区的治理措施。由于评估结果及评估指标之间常为非线性相关关系,故根据地理信息系统(geographic information system,GIS)及Oring综合考虑地质环境质量评价的定性定量相结合^[8]及层次分析^[9]的评价方法,以便于分乡镇进行针对性治理措施和后续发展。

1 矿山地质背景及环境问题

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1.1 矿山地质背景

新泰地区地形地貌、地质构造和地层岩性等地质环境条件比较复杂,同时由于过度开山采石以及地下水等问题,导致了崩塌和岩溶塌陷等地质灾害^[10]。新泰地区矿产资源丰富,随着科技时代迅速发展以及人类大量生产生存需求,矿产资源在开发利用过程中诱发了种种矿山地质环境问题。现如今矿山地质灾害频发,地形地貌景观受到影响^[11],导致部分地区已不适宜居住。某些地区闭坑矿山已经采取相应的治理措施,但是收效甚微。根据自然资源部2019年发布的《矿山地质环境保护规定》,将矿山环境保护及土地复垦作为重点。依据规划分析确定发现175个煤炭压覆采空区及影响区的村庄、10个岩溶塌陷等地质灾害易发生的村庄,为解决该问题,提出一套行之有效的解决方案。

土地综合整治成为用地整理领域新的发展趋势,生态环境的修复也急需解决。在全球变暖,多地区出现气候恶劣的现象,保护生态环境日益成为重要任务^[12]。在这个物质发展十分迅速的科技时代,土地资源仍然是一个不可再生资源,而且中国地广人多,据第七次人口普查结果显示,新泰市属泰安市常住人口最多、超过100万人的县级市。中国人口近10年来保持着低速增长的趋势,但土地资源十分有限,中国虽然面积很大,可供利用的并不算很多。近几年人均用地越来越少,合理地使用规划土地资源显得十分重要。随着人口增加,建设用地面积需求会进一步扩大。将许多不合理利用、闲置废弃建设用地整理出来,一部分可以用来作为耕地,另一部分可以作为城市发展所需要的建设用地的后备资源,实现可持续发展。

1.2 矿山环境问题

1.2.1 压煤区和采空塌陷区

废弃石灰岩矿山由于常年采矿,形成了大面积的废弃采坑及废渣堆,形成了破损山体。目前,新泰压煤区村庄涉及乡镇(街道)共计11个,受影响村庄高达170余个,已完成13个村庄搬迁,未搬迁的162个压煤村已出现塌陷的村庄达128个(图1)。新泰地区采空塌陷总面积为10.50 km²,塌陷深度1.1~4.4 m。上万余房屋出现不同程度的开裂及极个别倒塌等情形,造成严重的经济损失及居民安全。塌陷造成了耕地失耕,严重影响土地的集约利用,对于城市和社会的可持续发展有极大的不利影响,所以急需进行土地规划。对这些不适宜居住和耕作的村庄进行搬迁撤并及融合发展之后,再对矿山环境采取一系列生态修复措施^[13]。

新泰市已出现压煤采空区的村庄集中在铁路沿线,大多靠近河流,这些村庄已经不适合村民居住。根据民意调查,征求村民意见,结合常住人口数量分城镇和农村社区两种模式进行搬迁撤并,并且采用填充法治理塌陷区,最后进行土地复垦。

1.2.2 岩溶塌陷等地质灾害易发区

新泰地区岩溶塌陷主要分布于果都镇 (1处) 、宫里镇 (2处) 和禹村镇 (1处),塌陷坑最大直径达9 m,深6 m。岩溶塌陷使部分农田被破坏,部分房屋开裂、下沉,局部伴有地裂缝,造成经济损失约80万元。

2 矿山环境评价

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2.1 评价方案

在遵循科学性、可比性、可操作性、针对性、相对独立性原则的前提下选取3种类型(矿山开发背景、矿业活动、矿山地质灾害)8个因子进行矿山环境评价^[14]。矿山开发背景因素包括地表坡度、森林覆盖率、岩土体类型、地质构造、降水量^[15]和人类工程活动等;矿业活动因素包括采场、中转场、固体废弃物和矿山建筑等;矿山地质灾害因素包括崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等。分乡镇^[16]分级^[17]对3类影响因素中的8大影响因子分别确定评价指标权重^[18]。

通过定性定量结合分析组建风险矩阵,将影响露天矿洪水模型结果的因素所构成的集合称为评价因素集W,各个评价因素的评价结果为评判集F;矩阵R=WF。

(1)

$W=\{{w}_{1},{w}_{2},\dots,{w}_{n}\}$

(2)

$F=\{{f}_{1},{f}_{2},\dots,{f}_{m}\}$

式中:W为因素集;w₁,w₂,…,w_n为第1,第2,…,第n个因素;F为评判集;f₁,f₂,…,f_m为第1,第2,…,第m个评价结果。根据因素w_i对事物做出的评价称作单因素评判:

(3)r_i=(r_i₁,r_i₂, …,r_im)

式中:r_i为第i个因素的单因素评判向量;r_i₁,r_i₂,…,r_im为第i个因素的单因素评判的第1、第2、…、第m个评价结果。将n个因素的单因素评判向量组成矩阵,即为评价模型的单因素评判矩阵:

(4)

$R=\left[\begin{array}{llll}{r}_{11}& {r}_{12}& \dots & {r}_{1m}\\ {r}_{21}& {r}_{22}& \dots & {r}_{2m}\\ ︙& ︙& & ︙\\ {r}_{n1}& {r}_{n2}& \dots & {r}_{nm}\end{array}\right]$

式中:R为单因素评判矩阵;r_ij第i个因素的单因素评判的第j个结果。

再将矩阵进行量化分析,对矩阵归一化^[19]累加计算最终评价分值Q。

(5)

$Q=\sum _{i=1}^{8}({W}_{i}{F}_{i})$

式中:W_i为评价因子的权重值;F_i为评价因子的评分。将所得分值根据《区域环境地质调查总则(试行)》(DD 2004-02)中对地质环境质量分级的规定,将评定矿山地质环境的评价因子及矿山地质环境质量划分为 “好”“较好”“一般”“较差”4个等级^[20]。以国家和行业标准为基础,征求业内专家的意见,采用以下评价等级标准和权值作为研究区矿山地质环境评价的依据。具体内容见表1、表2。

2.2 评价结果

新泰地区矿山环境地质评价结果见表3。新泰市地层岩组及乡镇地质环境等级如图2所示。各镇评分等级如图3所示。新泰市矿山环境质量等级密度分布如图4所示。

根据评价方案得出上述乡镇矿山环境质量一般,汶南镇矿山环境质量较差需引起重视,而且据图3和图4所示,新泰市整个区域的矿山环境质量比较均匀连续。由于存在较为严重的矿山环境问题,影响土地生态利用,新泰市需采取措施恢复生态治理,保护矿山环境,合理有节地使用资源。

3 矿山环境生态修复及综合治理

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3.1 治理原则

在加强保护人民的生命安全及个人财产安全的前提下对矿山环境问题进行生态修复,促进矿产资源的合理开发和正确利用,并且促进资源环境与社会经济的协调发展,遵守《中华人民共和国矿产资源法》,坚持预防为主、防治结合的理念,由地方自然资源主管部门负责本行政区的矿山地质环境保护工作。开展矿山地质环境保护科学技术研究,普及相关的科学知识,推广先进的技术和方法,制定严格的技术标准,提高保护土地生态水平。

3.2 治理思路

(1)治理边界明确原则。治理地区土地权属要明确,要符合国家土地利用规划政策,尊重民意,因地制宜。

(2)制定相应的可行性计划并落实。依据不同地区地质灾害具体问题及遵守相关出台政策情况下,制定可实施的计划。重点对于压煤压矿区及岩溶塌陷区的治理提出相关措施,以保证居民的生命财产安全,并促进土地复垦,以便提高土地集约利用率。矿山地质环境问题涉及多个部门,为了高效合理地完成矿山环境生态修复,需要相关的行政人员及技术人员严格落实并执行相关治理措施。

(3)实行监测监管制度。为了科学高效地恢复矿山地质环境生态问题,应实行动态监测实时更新系统,以便及时反馈治理过程中遇到的问题。

3.3 治理措施

(1)搬迁撤并。因地制宜,合理规划,首先将严重受灾区村庄进行搬迁撤并,根据人口数量分两类进行撤并,研究社区选址,科学制定建设模式,创新探索编制方法,既可以处理地质灾害也可以进行土地集约利用。

(2)压煤采空治理。可以将无人机倾斜摄影测量技术应用到矿山生态环境修复的测绘和施工阶段。结合新泰地区的塌陷情况及地质环境特点,将塌陷区分成不同程度的先后紧急情况。塌陷程度较低的情况可以平沟填壑进行土地复垦,复垦为耕地,进行生态修复,力求达到被破坏前的土地资源潜力;对于塌陷程度较重的情况,可进行水产渔业发展,围湖造田或者进行湿地生态建设,进行矸石回填,表层覆盖一定厚度的耕地进行农田建设,增加植被率,恢复生态建设。

(3)岩溶塌陷治理。中国对于地质灾害的处理措施较为成熟,一般来说首选控水措施,主要是防止地表水进入塌陷区,其次是实行动态监测技术,合理开采地下水。对于危险地段进行局部注浆或帷幕灌浆措施;第2种是对相关工程进行加固,对于新泰地区的零散型岩溶塌陷灾害情况来说,主要措施有强夯式、清除填堵式以及灌注填充式等。采用先进科学技术措施,不断改良,以便保护水资源。

(4)结构梯度恢复。通过建立不同结构和功能的生态系统,降低不良开发矿山对周边环境的影响,促进生态系统的自然修复。

4 结语

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在新时代背景下,新泰地区开始进一步加快城乡融合。新泰地区政府坚持“自求平衡、一村(居)一策”和尽量节约建设用地的原则,根据各村(居)实际的矿山地质环境情况,采取多样化模式改造。积极引导和鼓励有条件的村(居)合村并点,对分布零散、规模较小的村(居)实行集中联片建设,稳步推进改造工程实施。新泰地区存在个别受多个煤矿影响的村庄,比如高佐、韩庄,这些情况都是必须要搬迁的,搬迁撤并有利于提高居民生活质量,有利于节约建设用地,提高土地利用率产出率等,还可以提供耕地后备资源。针对采煤塌陷地区尽可能恢复绿植,恢复植被能力,对不可修复的可发展矿山旅游公园,可以落实好相关工作,优化城乡建设用地布局,将部分农村建设用地以及工矿废弃地等建设用地规模调整到城镇使用。优先进行矿山地质环境生态修复,积极推进城市有机更新,促进新泰地区可持续发展。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第25卷第5期

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251

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接收时间：2024-09-29
首发时间：2025-07-21
出版时间：2025-03-10

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收稿日期：2024-09-29

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¹ 中石化胜利油田有限公司河采地质所, 山东东营 257000

² 湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院, 湖南湘潭 411201

通讯作者:

曹运江(1967—),男,湖南湘潭人,博士,教授,研究方向为工程地质。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度/ (°)	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率/%	评分F_i	等级
非密集区	无地质灾害影响	无矿业活动区	≤15	硬质岩区	断裂构造、节理极不发育	干旱地区	≥80	4	好
一般密集区	受地质灾害影响	中专场地	[15,30)	软质岩区	断裂构造、节理不发育	半干旱地区	[40,80)	3	较好
较密集区	一般级地质灾害	矿山恢复治理区	[30,45)	软硬相间岩区	断裂构造、节理较发育	半湿润地区	[5,40)	2	一般
密集区	较大级地质灾害	除上述之外的地区	≥45	松散堆积区	断裂构造发育强烈、节理发育	湿润地区	≤5	1	较差

人口密度

地质灾害

矿山占地

地表坡度/
(°)

工程岩组

地质构造

降雨状况

森林覆盖
率/%

评分F_i

等级

非密集区

无地质灾
害影响

无矿业
活动区

≤15

硬质岩区

断裂构造、
节理极不发育

干旱地区

≥80

好

一般密集区

受地质
灾害影响

中专场地

[15,30)

软质岩区

断裂构造、
节理不发育

半干旱
地区

[40,80)

较好

较密集区

一般级地
质灾害

矿山恢复
治理区

[30,45)

软硬相
间岩区

断裂构造、
节理较发育

半湿润
地区

[5,40)

一般

密集区

较大级地
质灾害

除上述之外
的地区

≥45

松散堆积区

断裂构造
发育强烈、
节理发育

湿润地区

≤5

较差

评价因素	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率
权重值W_i	0.12	0.08	0.08	0.08	0.09	0.10	0.20	0.25

评价因素

人口密度

地质灾害

矿山占地

地表坡度

工程岩组

地质构造

降雨状况

森林覆盖率

权重值W_i

0.12

0.08

0.09

0.10

0.20

0.25

乡镇名称	人口密度	地质灾害	矿山占地	地表坡度	工程岩组	地质构造	降雨状况	森林覆盖率	Q	等级
东都镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
汶南镇	1	1	1	4	3	1	1	4	1.66	较差
翟镇	2	1	4	4	3	1	1	4	2.38	一般
禹村镇	3	1	2	4	3	1	1	4	2.10	一般
谷里镇	3	1	4	4	2	1	1	1	2.25	一般

乡镇
名称

人口
密度

地质
灾害

矿山
占地

地表
坡度

工程
岩组

地质
构造

降雨
状况

森林覆
盖率

等级

东都镇

2.38

一般

汶南镇

1.66

较差

翟镇

2.38

一般

禹村镇

2.10

一般

谷里镇

2.25

一般