环境类论文
水文地质工程地质2005年第3期
矿山环境评价方法综述
武强,薛东,连会青
(中国矿业大学水资源与环境研究所,北京100083)
摘要:根据5大类型的矿山环境地质问题和矿山整体环境综合评价问题,本文提}JI:矿山环境评价可划分为单环境
问题(要素)评价和多环境问题(要素)综合评价2大类型。
关键词:矿山环境;单环境问题评价;多环境问题综合评价
中图分类号:P641.4 文献标识码:A 文章编号:1000—3665(2005)03—0o84一o5
1 前言
矿产资源的开发利用,促进了国民经济的发展。
但随着矿产资源开发规模的不断扩大,特别是长期无
序不合理开发,诱发了相当严重的矿山环境问题,改变
甚至破坏了人类的生存环境。因此如何科学合理的对
矿山环境问题作出评价,是矿山环境研究的一个重大
课题。
根据提出问题、分析评价问题和解决问题的研究
思路,在进行矿山环境评价之前,首先需要对矿山环境
所存在的问题进行分类研究,之后依据不同精度的矿
山环境调查成果和基础数据. ,针对不同问题,选择不
同方法和方案进行矿山环境评价,在此基础上,才能提
出合理解决矿山环境问题、保护与修复矿山环境的各
种治理方案,最后应用现代信息与可视化技术,研发
矿山环境信息系统。因此,矿山环境问题分类、调查、
评价、修复和信息系统建设之间环环相扣,缺一不可,
是矿山环境研究的5大内容。
矿山环境评价是在现场调查和收集分析整理已有
资料基础上,根据矿区所存在的各类环境问题所作出
的现状模拟和预测预报。根据评价的环境要素,矿山
环境评价可划分为单环境问题(要素)评价和多环境问
题(要素)综合评价两大类。
2 矿山环境分类
矿山环境评价的对象就是矿山环境问题。根据问
题的性质,矿山环境问题可划分为:“三废”问题、地面
变形、矿山排水、供水、生态环保三者之间的矛盾、沙漠 化和水土流失等5大类型。
3 矿山环境问题评价
上述矿山环境问题的分类较为全面概括了我国各
类矿山企业目前所存在的因矿产资源不合理开发诱发 的主要环境问题,这些问题在一些矿山是以单独形式 存在的,但我国大部分矿山往往是同时存在多个矿山 环境问题,只不过有些问题是相对严重一点,而另一些 则相对较轻。因此,矿山环境问题评价应该划分为单 问题评价和多问题综合评价两大类。另外从时间角度 出发,矿山环境评价又包括过去演变历史评价、现状评 价和演化趋势预测评价三大部分。
3.1 单环境问题评价
(1)“三废”问题固体废弃物:固体废弃物堆积
是矿山环境面临的一个主要问题,它一般包括煤矸石、 粉煤灰、剥离废弃物、废石(渣)、尾矿库和含放射性物 质等固体废料。固体废弃物堆积一般具有6大环境效
应问题,即占地、堆积体边坡稳定、淋滤污染、风化扬尘 污染、自燃的大气污染和放射性效应J。
占地效应评价:根据固体废弃物在航卫片上成相
的形态、色调、纹型图案等识别标志,进行遥感解译,可 圈定固体废弃物的堆积范围,确定占地大小。不同性 质、不同类型的固体废弃物在彩红外航片上呈现出不 同色彩及形态特征。另外,GPS技术在其占地效应现 场调查评价中也具有明显优势。
遥感解译法具有一系列诸如直观性强、内容丰富、
视域广、不受调查条件限制等优点,但因航卫片受气候 和解译人主观经验等影响,其解译效果有时也受到限 制,故建议采用将宏观与微观、已知与未知、室内与室 外、定性与定量、遥感解译与现场调查、目视解译与计 算机图像处理等相互结合对比的技术路线,以减少误 差,提高评价精度。
堆积体边坡稳定效应评价:边坡稳定性评价的理
论主要是针对岩土体组成的边坡,因固体废弃物堆积 边坡与之不同的仅在于组成物质不同,因而完全可应
用岩土体边坡稳定性评价理论和方法作出评价。
固体废弃物堆积形成的边坡属人工边坡。边坡稳
定性评价内容主要包括:确定边坡破坏方式和变形形 式以及演变阶段;判定促进边坡失稳的主控因素;计算 边坡的稳定系数和失稳概率等。其中计算已知边坡稳 定系数、判断边坡稳定性和确定稳定边坡坡角坡高、设 计边坡是两个主要解决的问题。控制边坡稳定性主要 有两个方面,即自然的和人为的影响因素,具体为斜坡 的物质组成和性质,斜坡的高度、坡度、形态、结构构造 和裂隙,水的作用,气候因素,工程活动等,这些因素决 定了边坡的失稳条件,在边坡评价中占有重要地位,运 用测绘、调查、实验等方法查清这些因素是其评价的 基础。
关于边坡稳定有多种评价方法,根据其评价机理
不同,一般可划分为以下6种主要评价方法:安全系
数;可靠度或破坏概率;边坡岩体的位移、应力、位移速 度等;定性经验结论;干扰能量和声发射率。
淋滤污染效应评价:固体废弃物淋滤污染可分为
土壤污染和水体污染。渗出液和滤沥液中所含有的
有害物质能改变土质和土壤结构,影响土壤中微生物 的活性,有碍植物的根茎生长,而且有毒物质会在植物 体内积累,对人体危害极大。对于水体污染的评价可 以参照液体废料的评价方法评价。对土壤的污染采用 土壤中微量元素和有害元素的评价方法进行评价。通 常采用淋滤试验法等。
淋滤实验可分为3种类型,即分批浸出
(BatchLeaching)、柱淋滤(ColumnLeaching)和现场液度 估定计方法(FieldLysimeter) 。淋滤试验的程序以美 国环保局(1988)制定的“毒性特征淋滤试验(TCLP)”
(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)为代表,该程序采用两种淋滤液,即pH为4.93的乙酸钠缓冲溶液 和pH为2.88的乙酸溶液,淋滤时间为18h。分批浸出 和柱淋滤要求的设备条件较为简单,成本低,而现场液 度估定计方法所要求的设备及维护费用都比较昂贵, 因此目前应用较多的是分批浸出和柱淋滤实验。
风化扬尘污染效应评价:长期暴露地表的固体废
弃物在空气、水、太阳能和生物等的共同作用和影响 下,将发生物理的和化学的变化,并使固体废弃物风化 解体,形成碎屑、粘土和溶解物3类风化物质。这些物 质在风力作用下,将产生风化扬尘,污染矿区大气 环境。
风化扬尘的矿物成分不同,危害各异,粒度与形状 不同,危害也不同,能进入人体肺部的扬尘皆小于 5 m。对扬尘而言,以1~2ttm危害最大,具棱角尘粒 远较圆粒尘粒危害为大。风化扬尘污染效应评价可参 照大气质量评价方法。
煤矸石等自燃的大气污染效应评价:含碳煤矸石
的自燃是一个氧化过程,暴露大气的煤矸石堆在氧化 和压实作用下,当温度上升到燃点即可发生自燃,当其 中热量不能散发或矸石中混有易燃物时,燃烧会更加 明显。煤矸石的自燃会产生大量一氧化碳和二氧化硫 等严重污染环境和危害人体健康的有毒有害气体]。 由于煤矸石氧化和自燃产生的升温效应,使得自
燃区和烧变区的热辐射温度和反射光谱与其它正常地 层比较存在明显差异,它们的红外遥感影像特征(色
彩、色调、纹理、亮度和对比度)也具有显著差别。因此 以不同时段红外遥感图像为信息载体进行自燃要素解 译,可以圈定煤矸石山或煤层露头的自燃范围和具体 边界,其图像的地面分辨率可达10~15m。将RS和 GPS所获得的数据按照空间数据库标准进行建库并实 施相关查询计算,形成满足GIS标准的空间分析数据, 可进一步提高对煤矸石自燃的评价精度。
放射性效应评价:铀矿等废弃物除4大环境效应
外,还具有放射性污染效应。放射性效应的评价可采 用生物效应评价法。所谓生物效应评价法是计算出被 污染生物吸收放射性的剂量率,从而间接评价放射性 效应,具体步骤如下:①生物的吸收剂量率不仅取决于 核素的浓度,也与生物大小和形状有关。为便于计算, 首先应选择己遭受放射性污染地区的生物,对复杂的 生物形态进行概括和简化;② 确定被污染生物受到放
射性照射的途径;③对a粒子和B射线的剂量率采用 IAEA推荐的点源剂量分布公式经积分获得,对7射线
的剂量率利用MCNP V.3a/PC Monte—Carlo程序并编入 所需辐射源的描述及其抽样方法先计算能量吸收分 数,再根据在无限大体积内的剂量率计算公式得到。 宇宙线的剂量率套用UNSCEAR的有关数据。
(1)液体废弃物矿山液体废弃物一般是指在矿
山勘探、开采、采后和洗选过程中所产生的废水。目前 有关水环境质量评价方法达数十种,但由于评价视角 不同,至今尚未形成统一的标准评价方法。目前常 用的评价方法主要包括:综合指数法、模糊数学法、加 维普资讯http://www.cqvip.com
水文地质工程地质2005年第3期
权灰关联度法、人工神经网络法、国家标准F值打分 法和层次分析法等。
(2)气体废弃物关于采场、排(岩)土场的风化扬
尘和煤层矸石自燃的评价已在前部分论述。对天然气 和煤层气自燃产生的废气问题,可采取大气环境质量 评价方法进行研究‘8]。大气环境质量的一般评价程序 为:①绘制各种污染物的浓度分布图,掌握各种污染物 在环境中分布和扩散的情况,根据3年取得的监测资 料,绘制出大气污染中飘尘量分布图,二氧化硫分布 图,锰、铁、镉金属分布图;②确定计算环境质量系数的 数学模型,“环境质量系数”可表达多种污染物的综合 污染状况;③根据计算出的环境质量系数,对环境质量 进行等级或类型划分,绘制环境质量图。
(2)地面变形开采沉陷:主要评价方法包括:
经验公式法、剖面函数法、影响函数法、解析模型法、物 理模型法、应力应变数值模拟法等。
经验公式法是在对地表移动实测资料进行综合分
析基础上建立经验公式,然后应用于类似地质采矿条 件下的开采沉陷的评价预测。由于经验公式法只能应 用统计学知识来预测预报,故这种方法并不能真正仿 真模拟开采沉陷的整个过程,而且考虑的因素也不全 面,因此它只适用于开采沉陷的估算。
影响函数和剖面函数法都是利用一定的数学公
式,根据实际的地质采矿条件,确定参数,计算出开采 沉陷值。但这2种方法所取用的参数和所建立的模型 只是从一个或几个方面简单的模拟开采沉陷,比如影 响函数法计算开采沉陷值,它只是一点沉陷值简单的 叠加,并没有考虑点之间的影响;而剖面函数法的剖面 函数不一定符合实际沉降盆地形状,特别是预报地表 变形值时可能出现较大偏差,而且沉降盆地形状还可 能取决于在剖面函数中未考虑到的一些地质采矿条件 影响。因此利用这两种方法计算出来的结果不一定 可靠。
解析模型法是通过建立开采沉陷数理模型,并根
据岩体的弹性特征建立评价开采沉陷的方程组,由J. LitwiniSzyn提出的随机介质模型是最普遍使用的方法 之一,理论模型采用正态分布密度函数,通过求解计算 出开采沉陷值。但这种方法岩体特征参数的选择比较 困难,岩体特征参数常常不能反映实际的地质情况。 物理模型法是应用小比例尺相似材料模拟实验法
再现矿产资源开发过程中岩层与地表移动特征的一种 方法,物理模型法相对便于考虑地质采矿方面的参数, 适用面广,并且很容易观测到开采沉陷过程中诱发的 裂缝生长和扩展情况以及其它伴生的移动变形特征, 还能结合特殊地质采矿条件进行反复试验,包括多矿 层开采或矿柱布设等复杂情况J。
应力应变数值模拟法是根据岩土体力学性质和采
矿方法以及开采条件等具体情况,应用数值计算软件 系统评价开采沉陷,如基于有限差分法的FLAC 3D软 件系统等。
地面岩溶塌陷:评价方法主要包括:地理信息系统 (GIS)评价、两级模糊综合评判、人工神经网络评价和 直接测氡法等。其中前3种方法均是先确定控制岩溶 塌陷的影响因素,比如岩溶条件、地下水条件和覆盖层 条件等,然后结合一定方法评价岩溶塌陷情况。直接 测氡法是利用氡及其子体具有沿垂直通道向上运移的 特点,它们可沿着岩石的裂隙或微裂隙以及松散介质
孔隙等不断地垂直向上运移直至地表,然后缓慢向空 中逸散,通过检测地表氡气的分布特征,即可确定氡气 的运移轨迹,从而确定评价岩溶塌陷情况。
地面沉降:地面沉降与深层液相或气相矿产资源
超量开采密切相关。只要液(气)相压力面以下存在可 压缩地层,由于压力(上覆地层浮托力)降低,多孔介质 有效应力增加,其孔隙度降低,地层必然会受到压密, 即诱发地面沉降u 。
评价地面沉降的方法主要有一维固结理论解析法
和数值模拟法等。一维固结理论的解析法就是利用太 沙基固结理论确定地面沉降范围和沉降值。利用数值 模拟法评价地面沉降,首先根据水文地质概念模型建 立地下水运移的数学和数值模型,分析确定地下水的 渗流场及其变化规律,然后建立垂向一维的沉降模型, 数值求解地面沉降范围和沉降值。但我国目前地面沉 降数值模拟评价方法尚存在一些不足.J,如水流模型 大部分为仅考虑越流而未考虑弱透水层弹性释放的拟 三维模型,水流模型在沉降过程中的水文地质参数均 为常数,沉降模型为线弹性的垂向一维模型,水流模拟 与沉降模拟未能达到真正意义上的耦合等。
边坡问题:矿山环境地质的边坡问题除了固体废
弃物堆积边坡外,还包括露天采坑边坡、排土(岩)场边 坡、尾矿库边坡和矿山边坡等。
边坡稳定问题评价方法除可采用边坡岩体结构控
制理论外,其它评价方法与固体废弃物边坡评价相同。 泥石流:泥石流的发生往往具有不确定性,在漫长 的酝酿过程中突然发生。因此,它的定量评价研究较 为困难。目前主要有以下几种评价方法:效果测度 法、地理信息系统(GIS)、模糊综合评判法、神经网络 法、数值仿真模拟法等。
前5种方法均为先确定控制泥石流的影响因子,
再利用一定的方法确定各影响因子对泥石流发生的贡 献大小,之后建立模型对泥石流作出评价;数值仿真模 拟法以理论方程和计算数学为基础,利用泥石流的野 外观测数据或实验数据作为对照,通过对泥石流运动
的理论方程数值求解并反演识别,从而对泥石流作出 评价。
地裂缝:目前地裂缝的主要评价方法包括:土力学 模型法、直接测氡法和地质雷达法等。
土力学模型法是建立土层动力计算模型,采用数
值模拟方法,对地裂缝作出评价;直接测氡法是通过测 定氡气的运动轨迹及分布特征来评价地裂缝;地质雷 达探测是应用电磁波的反射原理,通过发射天线向地 下介质发射毫微秒级的脉冲电磁波,电磁波在介质中 传播时,其路径、速度和波形将随介质的介电性质及几 何形态改变而变化,因此,可根据收到反射波旅行时 间、强弱、波形特征及天线位置来确定异常体的位置和 规模。如果电磁波波形连续性破坏,说明地层发生错 断,若电磁波发生畸变,则是裂缝对电磁波的吸收或衰 减作用造成。但是,在裂缝、裂隙发育地段,上述特征 往往是并存的。
(3)沙漠化目前评价沙漠化的方法主要包括:
监测指标评价、遥感(RS)解译评价、沙漠化危险度分 区评价、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)与层次分析法 (AHP)耦合法等。
沙漠化监测指标评价是首先确定沙漠化的指标体
系,再针对各个指标进行监测,从而评价沙漠化;遥感 解译法是利用遥感信息的周期性、宏观性、现势性和系 统性等优势,评价沙漠化问题,该方法可以快速地获取 较为理想的土地沙漠化动态监测结果;沙漠化危险度 分区评价方法是首先确定影响沙漠化各因子,根据这 些因子确定评价指标体系及分级标准,再建立沙漠化 危险度综合评价模型,运用此模型计算沙漠化危险度 指数(MHD),再依据评价指数的分级标准将MHD作4
级划分,以此标准判别各地的沙漠化危险度;地理信息 系统(GIS)、遥感(RS)与层次分析法(AHP)耦合法是首 先分析确定控制沙漠化的各影响因素,之后利用RS 解译获得各影响因素的空间数据,再应用GIS建立各 影响因素的子专题层图,应用AHP确定各影响因素对
沙漠化影响的权重大小,然后根据多源地学信息复合 叠加原理,组建耦合模型对沙漠化作出动态评价¨ 。
(4)水土流失目前水土流失的评价方法主要
包括:预测模型法和地理信息系统(GIS)、遥感(RS)与 层次分析法(AHP)耦合法等。
预测模型法是指采用定性讨论与定量分析相结合
的方法,对影响水土流失的气候因素、土壤因素、地质 因素、地形因素、植被因素和人为因素进行统计分析与 评价,总结、归纳各因素对水土流失影响的一般规律, 在对影响水土流失单因素分析评价的基础上,选取坡
位、坡形、坡度、土壤类型、有效土层厚度、植被盖度、土 地利用类型7个指标为自变量,土壤侵蚀模数为因变 量,利用数字化模型进行回归分析,获得水土流失预测 模型。运用该模型可以预测水土流失模数,及时准确 掌握水土流失演变的趋势¨ 。
地理信息系统(GIS)、遥感(RS)与层次分析法
(AHP)耦合法等评价水土流失问题与上述的沙漠化评 价思路类同。
(5)矿山排水、供水、生态环保三者之间的矛盾
岩溶充水矿床的排水、供水、生态环保三者之间的 矛盾问题主要包括2大类型,即华北型煤田的底板突 (涌)水诱发的矛盾和矽卡岩型矿床周边充水诱发的 矛盾。
从可持续发展和大系统理论出发,将矿区的排水、 供水和生态环境保护作为一个整体进行系统研究,建 立矿井水资源合理开发利用的科学模式——排、供、生 态环保三位一体的优化结合,是解决三者之间日益严 重的矛盾问题的关键。所谓三位一体优化结合总的技 术思路是既考虑排水子系统的疏降效果和安全运营, 又考虑供水子系统的供水需求和生态环保子系统的质 量要求;其主要技术手段是通过调度各种集水建筑物 运营,控制矿区各充水含水层地下水水位,使其不仅保 证矿山安全生产和生态环境质量,而且确保矿区及其 周围地区的供水需求,这是优化结合的水力要素部分; 同时根据不同供水用户需求,通过比较不同供水目标
创造的经济效益,自动优化设计具体供水方案,这是优 化结合的经济要素部分。将水力和经济要素两个方面 同时考虑,建立管理模型,即可解决三者之间的矛盾问 题。
3.2 多环境问题综合评价
对大部分矿山,往往会同时存在若干个矿山环境
问题,如何对这些矿区整体环境作出综合评价是矿山 环境评价的另一个难题。就综合评价而言,我国学者
在“上市业绩效”、“现代化体系”和“指标相关性”lJ 等 评价中,进行了卓有成效的研究,但这些方法基本上均 以确定性数据为主;虽然在“环境”和“地质灾害危险 性”的综合评价方面,我国许多学者也作过一些研究, 并提出了多指标综合评价等方法¨引。但这些方法基 本上以人为划分为主,在加上各个环境地质问题的不 可量化性,因此对环境地质问题综合评价的可信度急 剧降低。针对上述不足,本文主要介绍一种突变数评 价方法。
所谓突变数即为同等级的矿山环境问题叠加后能
达到致灾效果的矿山环境问题的个数。在自然界中, 任何一种现象的发生都充分体现着从量变到质变过程 的原则,所以在空间操作或专题层图代数叠加运算时, 根据频数分布理论确定阀值,只要能找到突变数,就能 判断从一个级别跳跃到另一个级别的质变界限,因此 突变数法能够较客观地对矿山多环境问题作出综合 评价。
4 结论
矿山环境评价是矿山环境问题研究的一个重要环
节。矿山环境问题分类和调查是其评价的基础,矿山环 境修复和信息系统建设是其评价的后续研究内容,五 者之间环环相扣,缺一不可,是矿山环境研究的5大内 容之一。
根据评价的环境要素,矿山环境评价可划分为单
环境问题(要素)评价和多环境问题(要素)综合评价两 大类。
参考文献:
[2]
武强,李云龙,董东.矿山环境地质调查技术要求
研究[J].水文地质工程地质,2004,31(2):97—100.
武强,薛东.矿山土地复垦方法类型划分研究[J].
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[12]
[13]
[14]
西北地质,2003,36(增刊):247—252.
武强.我国矿山环境地质问题类型划分研究[J].
水文地质工程地质,2003,30(5):107—112.
孔德坊.生活垃圾卫生填埋及地质环境效应概论
[J].地质灾害与环境保护.1999,(3):10一l4。
赵峰华,任德贻.燃煤产物中有害元素淋滤实验的
研究现状[J].煤田地质与勘探,1998,(4):22—26.
刘培云,王明建.浅析煤矸石的自燃机理及燃烧控
制[J].中洲煤炭,2000,(5):37—46.
濮静娟.遥感图像目视解译原理与方法[M].北
京:中国科学技术出版社,1992.
马傅如,程声通.环境质量评价[M].北京:中国环
境科学出版社,199o.66—68.
Galvin J M.Subsidenee Control in urban environment
[J].Mining Engineering,1995,(1):43—45.
Gu X Y,Deng W ,Xu D N,et a1.Computation of land Sub sidence in Shanghai with secondary Consolidation Efect[C].Proc of soft soil en~neefing,1993.65—70. 薛禹群.我国地面沉降模拟现状及需要解决的问题
[J].水文地质工程地质,2003,3O(5):1—4.
马宗晋,李闵锋.自然灾害评估、灾度和对策[A].
中国减轻自然灾害研究会.全国减轻自然灾害研讨
会论文集[c].北京:中国科学技术出版社,1990.
11— 19.
武强,杨明,董东林.基于GIS与AHP耦合技术的土
地沙漠化模型研究[J].工程勘察,2003,(2):30—
33.
李锐,杨勤科,赵永安.水土流失动态监测与评价
研究现状与问题[J].中国水土保持,1999,(11):31
— 33.
[15] 宋之杰,高晓红.一种多指标综合评价中确定指标
权重的方法[J].燕山大学学报,2002,(1):20—26.
A review on assessment methods of mining environments wU Qiang,XUE Dong,LIAN Hui—qing
(Water Resource and Environment Institute,China University ofMining and Echnology,Beijing 100083,China)
Abstract:On the basis of a synthetic assessment of mining environments and five kinds of mining environmental
problems,it is put forward in this article that mi ning environmental assessment can be divided into a single— factor(environmental problem)assessment and a multi—factor(environmental problem)synthetic assessment.
Key words:mining environment;single—problem assessment;multi—problem synthetic assessment
维普资讯http://www.cqvip.com