（环境工程专业论文）矿山环境多元信息处理系统的开发与应用.pdf

论文题目：矿山环境多元信息处理系统的开发与应用 专 业：环境工程 研 究 生：李晓霞 (签名) 导 师：薛喜成 (签名) 摘 要 随着矿产资源的持续开发，矿区及周边生态环境正面临巨大的威胁。在矿产资源开 采、选矿和冶炼过程中，伴随着采矿废石、尾砂的连续排放与累积，矿区周边及河沟下 游的自然环境日益恶化，不少矿区的地表水、地下水、土壤和植被已被污染，矿区环境 正在遭受空前的威胁与破坏。近年来，频频出现的矿区环境污染事件，已引起人们的广 泛关注。不少矿区因此加强了环境调查、监测和恢复治理等工作，逐步积累了大量的矿 山环境信息。 论文在广泛收集矿区环境信息的基础上，采用回归分析、聚类分析、趋势分析、对 应分析和判别分析等线性数学模型，以及模糊数学、灰色系统等非线性数学模型，综合 各类数学模型之优点，借助 visual basic 6.0 程序开发工具，设计并开发了一套矿山环境 多元信息处理软件，实现了矿区环境信息的多方面深度处理。 论文以矿区环境数据信息为基础，使用专用软件对矿区环境数据进行数学处理。实 例数据信息结果显示：本次开发的软件系统模块功能正确，操作界面友好，系统功能全 面，信息处理结果可靠。该软件系统可以充分利用矿山环境信息，帮助人类获得矿区环 境问题的规律性认识，从而为矿区环境恢复治理与管理决策提供技术支持。 关 键 词：矿山环境；环境信息处理；数学模型；软件开发 研究类型：应用研究 subject : the exploitation and application of the software system on dealing with the multiple mining environment information specialty : environmental engineering name : li xiaoxia (signature)_ instructor : xue xicheng (signature)_ abstract with the continued development and utilization of mineral resources,mine and the surrounding ecological environment are in serious danger. during the mineral mining, ore dressing and smelting, natural environment of around mine and ditches downstream are deteriorating along with the continuous emission and accumulation of mining waste rock and tailings.the surface water,groundwater,soil,and vegetation of many mining has been contaminated. mining area is suffering the unprecedented threat and the destruction. in recent years, the frequent event of mining environment pollution has attracted much attention. so environmental investigation, monitoring ,recovery management,and etc has been strengthened by many mining and so much mining environmental information has been accumulated gradually. on the basis of extensive collection of mining environmental information, paper selected regression analysis, cluster analysis, trend analysis, correspondence analysis and discriminant analysis which are linear mathematical model and fuzzy math ,grey system which are nonlinear mathematical model.compositing the advantages and disadvantages of mathematical model which exceed and complement each other ,the paper ,with visual basic 6.0 development tools have designed and developed a multi-mine environment information processing software,which have basically realized the depth processing of various mining environmental information. papers use the software for data processing relying on mining environment. the results of dealing with the example data show that the function of of the software system module we designed are correct and comprehensive.the result are accurate and reliable which can make the evaluation results accurate and reliable, and moreover it can provide the scientific basis and reliable technical support for mine environmental rehabilitation and mining environmental management and decision ultimately. key words : mine environment environmental information processing mathematical model software development thesis : application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景 作为社会经济产业链的最前端， 矿业为我国经济建设提供 80%以上的原材料和 90% 以上的能源， 产生广泛的传递功能和辐射效应， 为经济发展作出了显著而特殊的贡献 1。 然而， 在矿产资源的开发、 加工和使用过程中， 又不可避免地给矿山环境带来负面影响， 给环境和人身健康带来直接和间接、近期和远期、急性和慢性的不利影响2-5。 事实证明，一些国家或地区的环境污染状况是和该国家或地区的矿产资源消耗水平 一致的，所以矿产开发所面临的环境问题日益引起各国的重视。特别是我国在改革开放 30 多年以来， 一些地区以矿产资源开发作为工业化的基础和农村致富的途径， 大小不一 的矿山企业像雨后春笋般发展起来， 为地方经济带来繁荣的同时也付出了沉重的代价4。 资料显示，目前我国矿山开采占地总面积 586.7 万 hm2，而矿山周围被破坏的土地面积 约为 157 万 hm2。全国固体矿产采选每年产生的尾矿和废弃物超过 5 亿 t，各类固体废 弃物累计存放约 70 亿 t， 直接占有和破坏土地 1.7-2.3 万km2， 而且每年以 200 至 300 km2 的速度增加5。土地复垦率只有 6%左右，远低于其地矿业大国 60%以上的复垦率6。据 了解，我国每年仅采煤排放矿井水 22 亿 t。每选 1t 矿需 5t 水，疏干、选矿用水和排水 引起地表水萎缩，地下水位下降，造成缺水，甚至造成地面沉降、地面塌陷、地裂缝和 海水入侵等地质灾害。矸石堆经常发生自燃并放出有害气体，污染大气7。目前我国煤 矿除一些浅埋煤层在自燃外，还有 80 多座矸石山在燃烧；湖南湘潭锰矿的废石堆中因 含黄铁矿而发生自燃，放出有害气体。另外，在尾矿和矸石堆中含有许多有害的干燥废 渣物，在刮风的日子里，随风吹到城市和居民区，影响人民生活和身体健康。另外，露 天开采对大气的污染甚为严重；地表水、地下水、土壤、植被等受到重金属污染的现象 也非常普遍。总之，我国大部分矿山资源的开发对矿区生态环境产生了巨大的透支89。 所幸的是，鉴于采矿活动带来的巨大的矿山环境问题，人们加深了对矿山环境的关 注程度，基于地理信息系统(gis)的环境信息系统(eis)方面的研究也方兴未艾，并已经 建成以国家、省、市(县)等多级环境管理信息系统，积累了大量的数据与信息，这些系 统对于加强我国的环境管理、环境保护有重要作用，但其中大部分系统在矿区环境研究 中的应用还非常有限，一个很重要的原因就是环境信息数据缺少合适的数学模型对其进 行处理，非线性数学模型在矿山环境信息处理领域应用较少，矿山环境数据并没有得到 很好的处理与利用。因此，各种数学模型及时对矿山大量环境信息进行深度处理，无疑 西安科技大学硕士学位论文 2 可为矿山环境评价、管理及恢复治理工作奠定坚实的基础 11-13。 1.1.2 研究意义 （1）理论意义 21世纪是科学技术高速发展的信息时代。随着各种科学技术手段的突破和发展，研 究程度更加深入，将一些适用的数学模型与计算机科学相结合应用到矿山环境领域，对 环境信息进行处理，将是今后矿山环境信息处理方法发展的必然趋势。数学模型就是将 现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进 行深入的分析和研究，进而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实 问题提供精确的数据或可靠的指导 14。随着数学模型的发展越来越成熟，针对不 同的现实条件，各种各样的数学模型使我们应用更方便快捷。多年来对矿山环境 的监测，积累了大量的环境信息数据，由于矿山环境的特殊性，对于信息是否偶 然单靠经验与主观判断已经不能得到准确的判定结果，并且数据之多单靠常规的 计算工具已经无法实现对现象与变量间关系的准确反映，线性回归分析是研究随 机现象中变量之间关系的一种数理统计方法，将其与计算机相结合，过去常规计 算工具很难解决的逐步回归分析已经变得比较容易，可以充分利用在矿山环境信 息处理过程中，探索矿山环境因子之间的内在联系和主控因素，为进一步的环境工作 提供基础。在矿山环境信息的处理中，由于气象、地理等条件的限制，信息通常存 在许多模糊的因素，是不明确的，而模糊综合评判数学模型由于能够考虑评判问题中的 模糊因素，并取得满意的结果而可以被应用与环境信息的处理中；另外，矿山环境信息 较为零散和难以监测，而灰色系统模型适用于信息不完全或不充分的问题，正好解决了 这一难题，在矿山环境领域也会有更好的应用 15。 数学模型在矿山环境领域还可以有更为广泛的应用，但各种数学模型都有其适用范 围和优缺点， 并已在实践中暴露出各自的局限性， 多种数学方法之间的融合性亟待加强。 因此，在前人对矿区环境信息调查研究的基础上，本论文结合回归分析、聚类分析、趋 势分析、对应分析、判别分析、模糊数学以及灰色系统等线性、非线性数学模型，综合 各数学模型的优缺点，扬长避短，相互补充，提出了一种新的研究方法和思路，加强了 数学模型与计算机技术在矿区环境研究领域的应用。同时，通过对矿山环境信息系统的 研究， 对矿山环境信息进行综合处理， 为矿山地质环境的管理提供方便的决策分析 16-18。 （2）现实意义 在矿山建设和开发过程中，对自然资源的掠夺性开采，使得生态环境急剧恶化，带 来了一系列环境问题， 根据地矿部门的初步统计， 现今全国矿区被破坏的土地面积达 288 万 hm2，并且每年以大约 4.67 万 hm2的速度增大。这么大面积的矿业废弃地，直接毁坏 了大片森林草地和农田，把生产性地变为非生产性地，同时还造成水土流失。另外，由 1 绪论 3 尾矿场流出的废水，流入河流、湖泊，因其本身的物理化学性质，污染水质，危害人畜 和水生动植物的正常生活，这种污染可持续 100 年或 100 年以上。用尾矿场流出的废水 灌溉农田，会使土壤板结，土地肥力衰退，造成农作物减产。人类理应高度重视矿产开 发活动对人类生存环境产生的巨大影响，尊重自然规律，合理规划对矿产资源的开发活 动，加强对矿山环境及其负效应的监测、评估、控制和治理，将环境负效应所造成的损 失降到最低限度，使资源、环境和人类活动三者尽可能保持平衡关系。然而一个准确的 评估预测结果将为矿山环境的污染防治提供可靠的科学依据，减少对当地居民生命财产 的威胁。因此，一套先进、完整的针对矿山环境信息的处理系统研究对矿山的建设、资 源的可持续开采、环境保护等方面都具有重要的现实意义20。 本论文开发的矿山环境多元信息处理系统，以计算机技术为基础，结合多种数学模 型，针对不同的矿山环境信息，研究矿山环境因子间相互关系以及现象与变量之间的相 互关系，挑选出影响矿山环境污染的主要因素，得到准确的处理结果，从而简化矿山环 境监测工作，并使得评价结果更准确有效，最终为矿区的环境恢复治理提供科学依据， 为政府部门和矿山企业合理规划开发活动和采取先进开采工艺，最大限度地减少和防止 开采带来的环境污染、矿山泥石流隐患以及对矿产资源的浪费和破坏，保护矿区的地表 景观和生态环境提供参考，同时为矿区的矿业发展创造良好的经济效益、社会效益、生 态效益和环境效益。 1.2 国内外研究动态 1.2.1 国外研究动态 国外的环境信息处理系统的开发始于上世纪60年代中期，上世纪70年代蓬勃发展， 上世纪80年代以来，随着计算机的普及，一些先进技术尤其是遥感、全球定位系统和地 理信息系统开始应用于环境科学领域。上世纪90年代以来，国外的环境质量评价无论是 方法还是技术上都取得了飞速发展，而且针对评价结果进行环境方面的改造、治理质量 彻底改善21。美国是最早开展环境质量评价工作的国家之一。它对大气、水污染综合评 价早在上世纪60年代已经开始，如格林大气污染综合指数（1966年）和r.k.hortom等提 出的质量指数（1966年），以后又陆续推出了可呼吸的厌恶污染物含量指数（mvrc）、 橡树岭大气污染指数极值指数、污染物标准指数、水质质量指数（wqi）等22。日本工 业发展迅速，污染负荷重，在借鉴美国的基础上，也提出了一些环境质量评价模型，如 环境管理通用系统模型和环境污染分析模型等。西欧各国也不同程度地受到美国的影响 23，但这些生态环境评价主要集中在城市环境，对矿区的生态环境进行综合评价的工作 比较少见。 随着模糊数学、灰色系统、物元分析、层次分析和人工神经网络等理论的兴起，国 西安科技大学硕士学位论文 4 外许多学者提出了新的环境质量综合评价方法，并广泛运用于环境科学研究领域。例如 目前国际上许多水环境数学模型已进行了可视化，有的还进一步开发成商业模型软件。 如美国国家环保局对wasp进行升级推出了基于windows环境的wasp6，美国 brigham young大学图形实验室基于rma 系列模型、feswms、hivel等开发了可视 化的商业软件sms等24-26。 近几十年来， 国际上还十分重视生态环境的预警工作， 1975 年建立了全球环境监测 系统（gems）27，对全球的环境质量进行监测，实施比较、排序和预警。在国际组织 倡导下，许多国家开展了生态环境的监测、评价和预警工作。 以英国科学家齐舒姆为首的区域学派，通过出版区域预测一书，较好总结了英 国的人口、资源、城市、经济和生态环境等方面的成果，为预警的开展奠定基础；以美 国学者怀特(white g.f.，1973)为首的灾害学派，在洪水泛滥的风险决策中发展了单项预 警体系，取得了显著的经济效益和生态效益28；以罗马俱乐部为代表的未来学派，对全 球发展进行预和综合研究，试图以综合预警的方式，达到整体识别的目的；以美国内布 拉斯加大学为代表的系统学派于 1982 年研制成功 agent 系统，把美国内布拉斯加州 的区域管理问题，在预警的基础上实施全面的优化调控和智能决策，并成为联邦政府决 策体系的基本组成部分，受到广泛的关注。 国际上关于生态环境评价的理论不断完善，方法和手段不断更新，但关于矿区的生 态环境信息处理及评价工作比较少。 1.2.2 国内研究动态 随着环境科学研究理论、 技术以及计算机在环境科学中日益广泛、 深入的发展， 我 国在污染控制、环境规划、生物监测等方面对计算机的应用得到一定的发展。2000 年之 后，得益于计算机技术迅猛发展和普及，回归分析、模糊数学、灰色系统、“3s”（gis、 rs、gps）技术也逐渐应用到环境信息处理系统当中。 陈盛建运用多元回归法，通过预测模型的选择、数学模型的建立、基础数据的整理 和回归效果的检验，建立环境污染范围与诸条件的关系，达到快速估算的目的，从而形 成一种有效的大气环境污染事故范围预测的方法。马明涛、张菁等运用 gis 的回归分析 集成技术对某地主要大气污染因子与相关变量进行回归分析，对主要污染物的减排目标 进行预测，所建立回归模型的结果对城市区域环境质量改善具有一定的参考价值。孙福 杰，陆晶利用 s-plus 软件与回归分析相结合，建立同一组数据所对应的不同次数的多 项式回归模型, 对某城市近十年的地下水环境进行评价和预测。陈业勤、徐浙峰用多元 统计分析中聚类分析的基本原理，对黄河 20042006 年的水质进行评价，并用牛顿插 值法进行水质预测，为环保工作提供有效参考。 与传统的概率论数理统计方法相比，模糊数学方法不用对所给问题进行一个完美划 1 绪论 5 分。扎德在 1965 年创立模糊数学方法到现在，该方法被广泛应用于与环境相关的各种 领域中。国内的许多学术研究也都应用了相关方法。廖国礼和吴超（2004）对模糊数学 方法在矿山环境综合评价中的应用进行了研究，他们认为环境质量是一个涉及多因素多 层级的模糊概念，用经典数学进行环境质量评价，评判环境质量的等级只能用一个绝对 判据来划分，无法处理模糊因素边界不清晰、中间过渡不分明的问题。他们应用模糊数 学方法，在单环境因素模糊综合评价的基础上，进行了总体环境质量模糊综合评价的探 讨，结合某区域环境实例，对其总体环境质量进行了模糊综合评价，并将评价结果与用 经典数学评价结果进行了比较，比较表明，环境质量模糊评价方法较经典数学评价方法 更客观更准确29。 张跃进等对污染程度的模糊综合评判方法进行了探讨，他认为，污染程度的制定受 多种污染因素的影响和制约，他在论文中用模糊数学方法分析了含油废水各种污染因素 的模糊性和随机性， 通过主观和客观评价、 模糊变换而得出污染程度的综合评判模式30。 刘加龙(2001)、王昕(2002)等也曾先后应用模糊数学综合评判方法对泥石流的危险性进 行了综合评价31。张丽萍等(2002)以神府东胜矿区矿山泥石流成灾的人为特殊性为基 础，应用运筹学原理，将层次分析与模糊信息推断相结合，进行了成灾程度分析32。北 京大学环境科学中心大气环境模拟实验室用先进的环境模拟手段研究环境科学与工程 中的重大理论问题、以科学研究与工程技术相结合的方式发展高新污染控制技术及环境 管理策略，其研究手段有野外观测、实验室模拟和数值模拟等。 清华紫光环保公司利用国际上先进的计算机预测模型、gis(地理信息系统)和 mis(管理信息)等高新技术，凭借 10 多年从事环境工程和环境咨询的经验积累，为各级 政府提供短、中、和长期的全国环境规划及大区、省域、流域、城市、乡镇、小区等环 境规划服务。而上海环境保护科学研究院的“黄浦江上游水生生物监测方法及指示生物 的生态研究”课题在上海水环境保护工作中首次较系统地提出了水生生物监测的方法的 技术，填补了上海水环境管理中缺少生物监测技术的空白，并在有关的理论依据、取样 设计、数据处理、指示生物等方面结合国内外研究成果，提出适合于上海地区的、有地 方特色的技术方法，为上海水环境监测与国际发展趋势相适应提供了坚实、可靠的技术 保障，其计算机化的研究工作达到国内领先水平。这些都说明我国在环境科学中对计算 机的应用有了一定的发展 33。 综上所述，国内外专家在环境信息处理方面已做了大量工作，积累了丰硕的研究成 果。但从目前研究现状来看，环境信息技术应用还是过多的集中于城市水气监测与处理 领域， 而在矿山环境信息处理方面研究成果较少。 另外， 在环境信息系统普及应用方面， ， 许多部门的环境信息管理软件还局限于数据存储与简单汇总，软件系统普遍缺少信息深 度处理模块，使得庞杂环境信息中蕴含的自然规律难以被人类充分的揭示。因此，面向 矿山环境信息处理技术的适用数学模型应用有待加强，相关专用数据处理软件需要及时 西安科技大学硕士学位论文 6 补充和完善。 1.3 研究内容及技术路线 1.3.1 研究内容 论文以矿山多元环境信息为研究对象，通过原型调研、指标参数提取，综合运用回 归分析、聚类分析、趋势分析、对应分析和判别分析等线性数学模型，以及模糊数学、 灰色系统等非线性数学模型对矿区的大气、 水、 土壤等矿山环境多元信息进行分析研究， 能够更加全面的针对矿山环境信息作出评价和预测，为环境保护与生态恢复提供决策支 持。并结合这 7 种数学模型的自身特点，详细介绍了这 7 种数学模型在金属矿山地质环 境信息处理中的应用范围。主要内容包括： （1） 矿山环境评价因素与指标体系确定 矿产资源的开发与利用，带来了非常严重而又复杂的环境问题。影响矿区环境质量 的因素众多，影响的程度和效应也各不相同，因此，必须建立一套由若干相互联系、相 互补充、 具有层次性和结构性指标组成的指标体系， 才能对矿区地质环境质量进行科学、 客观的评价。 （2） 数学模型的建立 从现有的矿山环境信息分析研究数学模型来看，各种数学模型都有其适用范围和优 缺点， 并已在实践中暴露出各自的局限性， 多种数学方法之间的融合性亟待加强。 因此， 论文尝试综合运用回归分析、聚类分析、趋势分析、对应分析和判别分析等线性数学模 型，以及模糊数学、灰色系统等非线性数学模型，对矿山环境信息进行多方面的分析研 究。 （3） 矿山环境多元信息处理软件的开发与调试 运用 visual basic 6.0 编程，通过简明的界面设计，实现回归分析、趋势分析等线性 数学模型以及模糊数学、灰色系统等非线性数学模型的软件设计与模块开发。 （4） 矿山环境信息的深度处理与应用 通过对矿山环境多元信息资料收集，运用本文所开发的矿山环境多元信息处理系 统，对矿山环境信息进行分析，结合环境影响评价，对具体矿区环境污染状况给出相应 的解释。 1.3.2 技术路线 根据上述研究内容，确定论文的技术路线（图 1.1） 。 1 绪论 7 现 场 调 研 收 集 资 料 环 境 回 归 分 析 模 型 算 法 环 境 趋 势 分 析 模 型 算 法 环 境 对 应 分 析 模 型 算 法 系 统 聚 类 分 析 模 型 算 法 灰 色 系 统 模 型 算 法 模 糊 数 学 模 型 算 法 环 境 判 别 分 析 模 型 算 法 矿区 环境 污染 指标 信息 面向对象编程 应用实例测试 线性数学模型非线性数学模型 图 1.1 研究工作技术路线示意图 西安科技大学硕士学位论文 8 2 矿山环境评价因素与指标体系 2.1 矿山环境评价因素 矿山环境污染是指矿山开发的采、选矿过程中排放的“三废”废水、废气和废渣 中的有毒、有害物质，包括烟（粉）尘、二氧化硫、氰化物、砷、重金属石油类等，造 成的地表水、地下水、大气、土壤等环境的污染和噪声污染等。通过现场调查及资料的 查询，综合考虑矿山开采的实际情况，总结在进行矿山地质环境信息处理中需要考虑的 影响因素有 35： 2.1.1 水污染 矿山废水主要包括两个方面，一是矿山开采过程中产生的矿井水、洗选废水等，排 放量大，持续性强，而且含有大量的重金属离子、酸和碱、固体悬浮物、选矿各种药剂， 个别矿山废水中还含有放射性物质等。这些废水多未加处理而直接排入地表水体，对地 表和地下区域水环境造成较大的影响；二是生活污水。不同类型的矿山其排放的污染因 子会有所不同，评价因子选择确定后在权重系数的数学确定分析过程中要考虑到不同排 污口的同一种污染物叠加影响。 矿山废水常通过以下途径造成污染: （1）渗透污染。矿山废水池或选矿废水排入尾矿池以后，由于选矿时产生的废水， 能通过土壤及岩石层的裂隙渗透而进入含水层，造成地下水源污染。同时还会渗过防水 墙，造成污染地表水体。 （2）渗流污染。含硫化物的废石堆及煤研石石雄，直接暴露在空气中，不断进行 氧化分解，生成硫酸盐类。当降雨侵入废石堆以后，在废石堆中所形成的酸性水就会大 量渗流出来，污染地表水体。 （3）径流污染。采矿工作会破坏地表或山区植被，因而会造成水土流失；降雨或 雪融后的水流，搬运大量泥砂，不但堵塞河流渠道，而且会造成农田污染。 矿山废水在排放过程中对环境的污染是特别严重的，其污染的特点主要表现在以下 几方面： （1）排放量大，持续时间长。一般情况下，矿山废水的排放量是相当大的，且持 续时间也比较长。 尤其是选矿厂废水的排放量相当惊人。 据统计， 若不考虑回水利用时， 每产 1t 矿石，废水的排放量大约为 lm3左右。而且有些矿山在关闭之后，还会有大量废 水继续排放出来，长时间持续污染矿区环境。 （2）污染范围大，影响地区广。矿山废水引起的污染，不仅限于矿区本身，而影 2 矿山环境评价因素与指标体系 9 响的范围远较矿区范围广。 （3）成分复杂，浓度极不稳定。矿山废水中有害物质的化学成分比较复杂，含量 变化也比较大。如选矿厂的废水中含有多种化学物质，是由于选矿时使用了量大且品种 繁多的化学药剂所造成的。 2.1.2 大气污染 造成矿区大气污染的原因是多方面的，一般来说，所有采、选矿生产过程，都在或 多或少地向矿区大气中排放有毒、有害物质，使矿区大气受到污染。其中主要的污染因 素有: （1）地下及露天矿采矿生产中，由于大量使用炸药落矿，采用柴油机为动力设备 等原因，产生大量的有毒气体。常见的有 co、co2、h2s、nh3、含氧碳氢化合物等。 造成了采矿场局部大气污染；不利的气象条件及不良的自然通风方式，可使局部污染扩 展为全矿区大气污染。 （2）选矿生产过程中产生的大量粉尘和有毒物质，也是矿区大气污染的重要因素。 如有的矿区在选矿过程中进行露天作业碎矿产生的大量粉尘和选矿化学药剂产生的有 毒气体在极差的防护措施下严重污染矿区大气。 （3）此外，矿区繁忙的交通运输产生富含重金属物质的废气，矿区冶炼厂、烧结 厂、电厂产生的浓烟以及矿区燃煤产生的有害物质，都可构成矿区大气的污染。相比较 而言露天开采对大气环境的影响比地下开采更为严重，钻孔、爆破、挖掘、运输等产生 的扬尘，机械排出的废气对矿区的局部环境产生重大影响，特别是西部干旱地区扬尘的 危害更加突出。矿山开采过程中，风井排风、煤层和研石自然及废渣堆放排入大气的烟 尘、二氧化硫、氮氧化物等对大气污染严重，特别是二氧化硫的污染将形成酸雨，危害 非常严重。矿山开发破坏大气环境主要污染物是悬浮颗粒和有毒有害气体的影响，在对 具体因子的影响程度在权重系数的数学确定分析过程中要注意分析到其影响范围和对 附近敏感目标的影响。 2.1.3 固体废物污染 矿山开发过程中伴有大量的固体废物外排，因其利用率低，大量堆积己构成矿区所 特有的固体废物污染的环境效应，对矿区环境治理构成严重的环境污染。 矿山固体废物是指各类矿山在开采过程中产生的废石以及选矿过程中排出的尾矿。 由于地壳是由各种金属或非金属矿石与围岩构成的，在开采矿石过程中，必须要剥离围 岩，排放废石，而且采出的矿石通常也需要经过洗选以提高品位，因此还会排出尾矿， 矿石的开采量愈大，废石和尾矿的排放量也愈大。尤其是随着工业的迅速发展，矿石的 需求量将急剧增加，而富矿却日益减少，贫矿将成为今后开采的主要对象。可见，随着 西安科技大学硕士学位论文 10 矿石开采量的增加，矿山固体废物的排放量将急剧增加。目前全世界每年排放的废石和 尾矿已高达 300 亿 t，这些固体废物的排放和堆积，严重地污染了矿山环境，危害人体 健康和矿山安全。因此，开展矿山固体废物的研究和治理是矿山环境保护的重要内容之 一。 矿山固体废物的危害主要有以下几个方面: （1）占用土地、损伤地表，浪费资源。矿山固体废物的危害，首先突出表现在对 土地的占用与破坏上。而且我国不少矿山地处城市和风景区，占用和破坏土地面积的数 量也不容忽视。在矿山固体废物中，常含有多种金属元素，如果长期堆放和流失，不仅 污染环境，而且若不及时进行回收和综合利用，对国家矿产资源来说，也是一个极大的 浪费。 （2）污染水质和土壤，危害生物、影响农业生产。由于矿山固体废物中含有多种 有毒有害物质，如重金属元素 pb、zn、cd、as、hg 等及一些放射性物质，当这些固体 废物在露天场所长期堆放，与空气发生氧化、分解及溶滤等作用，使其中的有毒有害物 质随着雨水流失，污染水体和土壤，并被植物的根部所吸收，影响农作物生长，造成农 业减产。同时还会通过食物链进入人体，危及人体健康。矿山废石和尾矿的长期堆积， 还会导致固体废物的大量流失、造成水溪、河流堵塞，水体严重污染，危害农业生产。 矿山固体废物中的重金属元素，渗入土壤后，还会导致土壤毒化，严重破坏土质，使土 壤中的微生物大量死亡，土壤失去腐解能力，最终土壤贫瘠、砂化变成“死土” 。 （3）废石滑动塌方，危及人身安全。矿山固体废物长期堆放，不仅在经济上带来 巨大的损失，还会对矿工及群众的生命安全造成巨大威胁，甚至会造成灾难性的后果。 （4）污染环境，破坏生态平衡。长期堆放于矿山地表的固体废物，由于终年暴露 在大气之中，往往因风化作用易变成粉状，干旱季节，在一定风速作用下扬起大量粉尘 而污染矿区大气。其次，有些矿山固体废物中含有硫铁矿、碳素等可燃性物质，在大气 供氧充分的条件下，往往会导致自热和自燃，生成大量的 s02等有毒有害气体，严重污 染矿区大气，危害矿区植物和附近农作物的生长，导致生态失调。并且这些重金属含量 很高的废弃物露天堆放后，会迅速风化，并通过降雨、风扬等作用向周边地区扩散从而 导致了一系列的重金属污染问题。重金属可迁移性差，不能降解，因而会在生态系统中 不断积累，毒性不断增强，从而导致生态系统的退化，并通过食物链影响人体健康。此 外，含有放射性元素的矿山固体废物及其制品也会使矿区环境污染范围扩大，造成严重 后果。 2.1.4 噪声污染 矿山噪声具有强度大、声级高、噪声源多、干扰时间长、连续噪声多和频率高、频 带宽以及频谱较复杂的特点，此外，还具有噪声反射能力强、衰减弱的特点。根据噪音 2 矿山环境评价因素与指标体系 11 产生地点不同，矿山噪声源可分为井下噪声源和矿山地面噪声源；地面噪声源又可分为 选厂噪声源、露天采场噪声源和机修厂噪声源等。 井下噪声源，主要是由于凿岩、爆破、通风、运输、提升、排水等生产工艺过程产 生。井下噪声最大、作用时间最长的是凿岩和通风设备产生的噪声。其次是爆破、装卸 矿石、运输、二次破碎等产生的噪声。井下噪声的声级，大都在 95 一 110db(a)之间， 个别的噪声级超过 110db(a)， 是矿山噪声强度最大的噪声源， 而且从噪声的频谱特性来 看，多呈中、高频噪声。矿山地面噪声产生的噪声也是矿山噪声的重要来源。选矿厂、 露天采场主要设备以及扇风机、空压机、缎钎机等产生的噪声大都超过 100db(a)。 总之噪声的来源是多方面的，己成为污染矿山环境的主要因素之一。它严重威胁着 矿山人员的身心健康和生命安全。 2.1.5 景观污染与破坏 景观是指由地貌和各种干扰作用而形成的，具有特定的结构功能和动态特征的宏观 系统。 矿山的环境景观是指在一定的视点和视距内矿山在人的视觉体系里形成的整体环 境印象。矿山的开发建设一般都会给当地的自然环境景观造成不同程度的破坏，具体可 归结为以下几个方面: （1）采掘及土方工程对地貌的破坏。露天采矿剥离出的新岩面及烟土地建设厂房 开挖的台阶立面，往往与环境背景色调反差很大，尤其是以天空和茂密植被为背景时， 景观破坏程度更为突出。 （2）废石和废土堆存对景观的破坏。矿山无论是露天采还是坑采都会产生大量废 石、剥离废土，即使是开采时考虑废石回填的矿山，在井巷工程建设和开采前期仍有相 当数量的废石无法利用，废石和剥离废土的堆置将引起严重的景色干扰。 （3）尾矿对景观的破坏。尾矿一般以尾矿库的形式堆存。当尾矿库弃置不用而干 涸后，尾矿因颗粒细小，极松散、易流动，在大风时会漫天飞扬，对景观的影响也很大。 （4）外排污染物对景观的影响。尾矿库溢流水、废石堆场经雨水淋溶形成的浊流， 常常使河流出现颜色杂乱的污染带；高大烟囱及车间天窗排出的烟气弥漫缭绕，这都矿 山景观干扰范围。 2.2 矿山环境评价指标 由于矿产资源的开发和利用，带来了非常严重而又复杂的环境问题。影响矿区环境 的因素多种多样，影响的程度和效应也各不相同，因此，首先必须建立一套由若干相互 联系、相互补充、具有层次性和结构性指标组成的指标体系，才能对矿区的环境质量进 行科学、客观的评价，并且深入研究矿区环境问题，给后期矿区环境治理提供充分的条 件与准备。 西安科技大学硕士学位论文 12 2.2.1 指标体系建立的原则 （1）针对性原则 指标体系的建立和选择要针对矿区这一特定目标，针对该区域发展中面临的主要生 态环境问题及主要矛盾。 （2）全面性原则 在指标的选取过程中，我们并不局限于指标是否具有历史统计数据，而是根据矿区 的实际情况，合理、全面的选择指标。此原则意味着指标体系的信息量既必要又非常充 分，由若干指标构成一个完整的指标群。 （3）实用性原则 指标设计要实用，要适应矿区的经济发展水平、环境统计水平和管理水平。要考虑 指标的量化及数据获取的难易程度和可靠性。 （4）可比性原则 为了便于与相似地区的比较，要求指标数据的选取和计算采取通行的口径和标准， 保证评价指标和结果在横向上具有类比性质。 （5）可操作性原则 计算方法要明确，便于操作，指标设计时必须明确计算方法、表述方法，便于数字 表达和数字计算。 （6）优先原则 对环境污染指标的选取，要考虑优先原则。即：对环境质量影响大的污染物优先； 有可靠监测手段并能获得准确数据的污染物优先；已有环境标准或有可靠性资料依据的 污染物优先；人类社会行为中预计会向环境排放的污染物优先。 2.2.2 具体评价指标体系 矿区主要环境要素与其它区域的要素有比较大的差异，而环境要素是建立评价指标 体系和方法的基础，所以必须有针对性地进行广泛的调研。通过以上所介绍的各种环境 要素，配合如上所述的指标体系建立原则，针对矿区所特有的环境问题，本论文建立了 适合矿区行业特色的矿区空气质量评价指标体系（图 2.1） 、矿区噪声评价指标体系 （图 2.2） 、矿区生态质量评价的指标体系（图 2.3） 、矿区地表水环境质量评价指标体 系（图 2.4） 、矿区地下水环境质量评价指标体系（图 2.5）和矿区土壤质量评价指标体 系（图 2.6） 。 2 矿山环境评价因素与指标体系 13 矿区大气质量 评价指标体系 颗粒物 气态污染物 pm10 co so2 no2 苯并a芘 图 2.1 矿区大气污染指标体系结构图 矿区噪声 评价的指 标体系 矿区生活居住区噪声 矿区生产区噪声 矿区交通噪声 矿区办公室噪声 图 2.2 矿区噪声评价的指标体系结构图 矿 区 生 态 质 量 评 价 指 标 体 系 土地指标 绿地指标 土地万吨塌陷率 矿山土地复垦率 矸石占地面积 矿区绿地覆盖率 矿区人均绿地面积 绿地可达性 引进物种生长状况 图 2.3 矿区生态质量评价指标体系结构图 西安科技大学硕士学位论文 14 地 表 水 评 价 指 标 耗氧有机物codcr或bod5 重金属指标 总汞 可溶性镉 可溶性铅 铬（六价） 总砷 总硒 ph 氰化物 氟化物 硫化物 氨氮 总氮 总磷 酸碱盐类 植物营养物 挥发酚 石油类 卫生学指标粪大肠菌群 图 2.4 地表水评价指标体系结构图 2 矿山环境评价因素与指标体系 15 地 下 水 评 价 指 标 总硬度 重金属类指标 总汞 可溶性镉 可溶性铅 铬（六价） 总砷 铁 锰 氰化物 氟化物 氯化物 氨氮 挥发酚 高锰酸盐指 数 无机盐类 有机污染物 卫生学指标粪大肠菌群 ph 溶解性总固体 亚硝酸盐 硝酸盐 硫酸盐 图 2.5 地下水评价指标体系结构图 西安科技大学硕士学位论文 16 土 壤 评 价 指 标 ph 重金属指标 汞 镉 铅 铬（六价） 总砷 铜 紧实度 渗透性 体积比含水率 孔隙水电导率 水分 有机质 微生物种数及总量 图 2.6 土壤评价指标体系结构图 3 矿山环境信息数学处理模型的建立 17 3 矿山环境信息数学处理模型的建立 近年来，随着现代数学模型与面向对象编程技术的普及与应用，各种基于数学模型 的针对城市水、大气、噪声等环境信息的研究方法不断的得到尝试和发展，然而针对矿 山环境信息的处理研究还比较有限且较为零散，并且各种数学模型在也都有其适用范围 和优缺点，鉴此，结合矿山环境信息处理的实际需求，本论文尝试运用回归分析、聚类 分析、趋势分析、判别分析、对应分析、模糊数学以及灰色系统七类数学分析模块，扬 长避短，借以形成一套完整的针对矿山环境信息处理研究的一套专用软件系统，最终实 现矿山环境信息的深度处理，为后续矿山环境保护工作提供依据与技术支持。本章主要 对专用软件系统开发涉及到数学模型的基本功能与处理过程进行必要的陈述。 3.1 环境回归分析 3.1.1 基本功能 回归分析是研究随机现象中变量之间相关关系的一种数理统计方法。通过对变量实 际观测值的分析、计算，建立一个变量与另一个（或一组）变量的所谓回归方程，经统 计检验认为回归效果显著后，可根据回归方程中的自变量对因变量进行预测，或按照因 变量的要求对自变量加以控制。 按照是否剔除自变量，线性回归分析法又分为多元线性回归分析法和逐步回归分析 法。多元线性回归分析方法不剔除变量，研究所选自变量与因变量之间的相互关系；逐 步回归分析方法即从一个变量开始，按自变量对 y 影响的显著性，由大到小依次引入回 归方程，同时每一步都要检验先前引入方程的变量，这是由于后来引入的变量会改变先 前引入的变量的显著性。若发现先前引入的变量中有变为不显著的，则必须立即从方程 中加以剔除，直到既无变量可以剔除，又无变量可以引入为止。这种“有进有出”的方 法就是逐步回归分析的基本思想37。 在矿山环境信息处理系统中，利用多元线性回归分析方法，研究地质环境信息因变 量与自变量之间的一元或多元相关关系，通过建立的回归方程，在一定程度上实现环境 信息的动态预测；利用逐步线性回归分析方法，从较多的地质环境信息自变量中选出对 因变量变化影响较大的若干自变量，能够很好的指导环境工作者的环境监测工作。 3.1.2 数学处理过程 按照是否剔除自变量，线性回归分析法又分为多元线性回归分析法和逐步回归分析 法。首先介绍多元线性回归分析。 西安科技大学硕士学位论文 18 设随机变量 y 与变量 x1，x2，xp有关，则其 p 元线性回归模型为： 01 122pp yxxx （3.1） 其中 是随机误差服从正态分布 n(0，2)。0，1，p为回归系数。当 p=1 时， 称为一元线性回归模型；当 p1 时，称为多元线性回归模型。多元线性回归分析，其数 学处理采用线性代数和概率论与数理统计理论知识，具体处理步骤如下： （1）环境数据预处理 确定因变量与自变量，将原始数据排成 n 行 p+1 列的矩阵。 一般，因变量 y 是需要进行估计和预测的环境变量，自变量 x1，x2，xp是可以 取得确定的环境变量。在原始数据矩阵中，自变量在前，因变量在后： 111211 212222 12 p p nnnpn xxxy xxxy xxxy （3.2） 鉴别并剔除因变量中的异常值。若 yi为异常值，则应删去原始数据矩阵中第 i 行的所有元素。 对因变量 y 进行正态分布检验，若 y 不服从正态分布，应选择适当的方法进行 正态变换（若用变换后的数据进行回归分析，则在预测时，应对因变量的回归值进行反 变换） ；若无法通过变换使因变量服从正态分布，则不