利用遙感技術(shù)開展河北省遷安鐵礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)研究

谷延群，郭慶十，2

(1．河北省遙感中心，河北石家莊050021;2．河北省遙感協(xié)會(huì)，河北石家莊050021)

一、引 言

河北省礦產(chǎn)資源豐富，礦業(yè)開發(fā)歷史悠久，礦產(chǎn)資源的開發(fā)推動(dòng)了河北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展。但同時(shí)礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)也引起或誘發(fā)了大量的地質(zhì)環(huán)境問題，如地貌景觀和土地資源的破壞，采空塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害及隱患，這些問題不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著極大的制約作用，而且直接威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前，政府對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的掌握基本采用逐級(jí)統(tǒng)計(jì)上報(bào)和群眾舉報(bào)的模式，上報(bào)數(shù)據(jù)不真實(shí)的情況比較普遍，統(tǒng)計(jì)結(jié)果難以統(tǒng)一。由于礦山點(diǎn)多面廣，且多處偏遠(yuǎn)山區(qū)，交通不利，常規(guī)監(jiān)管較為困難，缺乏適時(shí)、客觀的數(shù)據(jù)，難以對(duì)礦山環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化和治理恢復(fù)實(shí)施更為有效的管理。因此如何科學(xué)合理地對(duì)礦山環(huán)境問題跟蹤調(diào)查及作出評(píng)價(jià)，是礦山環(huán)境治理恢復(fù)研究的一個(gè)重大課題。

遙感技術(shù)宏觀、快速、動(dòng)態(tài)的技術(shù)優(yōu)勢能夠滿足礦山環(huán)境監(jiān)測的要求。利用遙感技術(shù)，開展河北省礦山地質(zhì)環(huán)境的遙感調(diào)查和監(jiān)測，能夠真實(shí)、全面地反映礦區(qū)的礦山開發(fā)、礦山地質(zhì)環(huán)境等問題，為礦產(chǎn)資源管理等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、礦山地質(zhì)環(huán)境分類

依據(jù)中國國土資源部2011年7月頒布的《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范》，礦山地質(zhì)環(huán)境是指采礦活動(dòng)所影響到的巖石圈、水圈、生物圈相互作用的客觀地質(zhì)體。

礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要包括受采礦活動(dòng)影響而產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境破壞的現(xiàn)象，主要包括礦區(qū)地面崩陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、含水層破壞、地形地貌破壞等。其中，含水層破壞主要是含水層結(jié)構(gòu)改變、地下水位下降、水量減少或疏干、水質(zhì)惡化等現(xiàn)象;地形地貌破壞主要是指礦山建設(shè)與采礦活動(dòng)而改變?cè)械牡匦螚l件與地貌特征，造成土地毀壞、山體破損、巖石裸露、植被破壞等現(xiàn)象。

按照上述礦山地質(zhì)環(huán)境問題分別開展遙感調(diào)查工作，根據(jù)一定的指標(biāo)要求和技術(shù)方法，定性或定量地評(píng)價(jià)和估算采礦活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度，即可得出礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果，從而根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果開展有針對(duì)性的礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)。

三、礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查

1．示范區(qū)的選擇

選擇河北省遷安鐵礦區(qū)作為研究示范區(qū)，該區(qū)位于河北省東北部，遷安市西北部，燕山南麓，地貌呈典型的半山區(qū)。發(fā)源于河北省北部的灤河，流經(jīng)遷安鐵礦區(qū)，地理位置優(yōu)越，交通運(yùn)輸便利。

示范區(qū)位于燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)式背斜的中部，出露地層為遷西群三屯營組二段。含礦變質(zhì)巖系由紫蘇黑云斜長片麻巖，輝石斜長片麻巖及上、下兩個(gè)鐵礦層組成。區(qū)內(nèi)構(gòu)造為一被斷裂所破壞的次一級(jí)規(guī)模的兩個(gè)向斜和一個(gè)背斜組成的“W”型復(fù)式向斜，鐵礦層即賦存在兩個(gè)向斜之中，由3個(gè)大礦體和幾十個(gè)小礦體組成，呈北東40°～50°方向展布。礦石成分簡單，以磁鐵礦為主。礦體均為厚層且出露地表，適于露天開采。

區(qū)內(nèi)鐵礦資源儲(chǔ)量居河北省首位，在全國也名列前茅，是我國第二大鐵礦開采基地。截至2010年，河北省遷安鐵礦區(qū)內(nèi)有鐵礦開采企業(yè)45處，含國有大型企業(yè)1處(首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)，年開采規(guī)模1100萬t;中型礦山企業(yè)3處(首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦孟家溝采區(qū)，首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦二馬采區(qū)，首鋼礦業(yè)公司大石河鐵礦杏山采區(qū))，均屬遷安大石河鐵礦(首鋼)，年開采規(guī)模120萬t。集個(gè)體礦山企業(yè)41家，年開采規(guī)模都在10萬 t以上。

2．遙感數(shù)據(jù)源的選擇

經(jīng)選擇不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)在不同地貌類型礦山地質(zhì)環(huán)境信息提取試驗(yàn)，認(rèn)為肉眼識(shí)別彩色影像時(shí)，平原或低山丘陵地帶能將40像元左右的礦山地物從背景中提取出來，并能大致判定礦山開采性質(zhì)。地形起伏較大的山區(qū)能夠區(qū)分50個(gè)像元左右的礦產(chǎn)開發(fā)跡象。

同時(shí)礦山地質(zhì)環(huán)境目視解譯對(duì)彩色影像較為敏感，對(duì)于灰度的解析度則相對(duì)較低。為了增強(qiáng)影像判讀的準(zhǔn)確性，本次研究采用3種國際上常用的優(yōu)于2．5m分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展工作，主要使用SPOT 5、QuickBird和GeoEye-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)。由于該3種衛(wèi)星數(shù)據(jù)已較為成熟，相應(yīng)參數(shù)在此不再贅述，主要對(duì)其礦山地質(zhì)環(huán)境信息的提取精度進(jìn)行分析。不同分辨率遙感數(shù)據(jù)源解譯精度見表1。

表1 不同分辨率遙感數(shù)據(jù)源解譯精度一覽表

QuickBird、GeoEye遙感數(shù)據(jù)，選擇合適的影像處理方案，能夠提取地表面積在45 m2(平原地區(qū))以上的露天采場及礦業(yè)活動(dòng)用地，對(duì)于礦產(chǎn)開采井口及硐口，通過礦山道路、排土場、矸石堆等采礦形跡可以推斷其所在位置。礦產(chǎn)開采礦種可通過開采影像形跡，配合其所在礦山地質(zhì)背景加以判斷。開采狀況通過開采礦山周圍的大型運(yùn)輸車輛停放，地表堆積物光譜特征差異，地表風(fēng)化，地表植被覆蓋等跡象確定。

SPOT 5遙感數(shù)據(jù)，可以提取地表面積在280m2(平原地區(qū))以上的露天采場及礦業(yè)活動(dòng)用地，對(duì)于礦產(chǎn)開采井口、硐口的判讀相對(duì)困難。由于地面分辨率較低，礦山開采痕跡(礦山道路、排土場、矸石堆等)往往混雜在一起，不能根據(jù)影像準(zhǔn)確的推斷井口和硐口的位置，但可以通過地表形跡推斷有開采井口或硐口的存在，通過實(shí)地調(diào)查確認(rèn)其所在精確位置。開采礦種解譯與1 m分辨率遙感數(shù)據(jù)類似。礦產(chǎn)開采狀態(tài)主要通過礦區(qū)地表植被覆蓋和周邊礦山道路的影紋特征進(jìn)行推斷。在礦山開采集中區(qū)或采用井采、硐采方式的礦區(qū)，需要通過大量的外業(yè)驗(yàn)證方可保證數(shù)據(jù)的正確性。

本次研究獲取示范區(qū)2006—2010年的遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源概況見表2。

3．遙感數(shù)據(jù)源處理

應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)遙感圖像進(jìn)行加工處理，以改善圖像質(zhì)量、增強(qiáng)信息。處理內(nèi)容主要包括幾何糾正、融合、拉伸等。

表2 示范區(qū)使用遙感數(shù)據(jù)源一覽表

幾何糾正中，采用1∶1萬地形圖和DEM數(shù)據(jù)?？刂泣c(diǎn)的選取遵循了以下原則：①每景圖像上控制點(diǎn)的分布要盡可能的均勻，遵循山區(qū)密、礦區(qū)密、平原稀疏的原則，要求控制點(diǎn)盡可能的準(zhǔn)確和均勻;②區(qū)內(nèi)河道會(huì)發(fā)生變遷和偏移，因此不選取河流的河汊;③控制點(diǎn)多選取人工地物為參照，如鐵路公路的交點(diǎn)，橋梁，標(biāo)志性建筑的中心點(diǎn)等。每個(gè)地面控制點(diǎn)RMS(root ofmean squares)誤差與RMS累積誤差均要求不超過一個(gè)像元。對(duì)于一景SPOT 5衛(wèi)星影像所選擇的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)不低于15個(gè)。

影像融合采用基于統(tǒng)計(jì)原理的Pansharp融合模塊，采用最小方差技術(shù)對(duì)參與融合波段的灰度值進(jìn)行最佳匹配，調(diào)整單個(gè)波段的灰度分布減少融合結(jié)果的顏色偏差，另外對(duì)遙感影像輸入的所有波段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算來消除融合結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)集的依賴性并提高融合過程的自動(dòng)化程度。

采用直方圖拉伸、濾波、色彩變換等方法，使圖像的亮度直方圖呈似近正態(tài)分布，增強(qiáng)圖像的層次感及暗區(qū)信息，經(jīng)增強(qiáng)處理的圖像地形地貌、植被、河流及各種礦產(chǎn)資源等影像特征清楚，實(shí)驗(yàn)證明，采用近紅外、紅、綠波段組合能夠更好的識(shí)別地面礦山活動(dòng)信息，以此作為示范區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與解譯分析的基礎(chǔ)底圖。

4．礦山地質(zhì)環(huán)境信息提取

所提取礦山地質(zhì)環(huán)境信息主要包括露天采場、礦山建筑物、中轉(zhuǎn)場地(煤堆、礦石堆、洗煤廠、選礦場、選礦池等)、固體廢棄物(排土場、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆等)等占地情況;工作區(qū)內(nèi)的地面沉陷區(qū)、地面塌陷坑、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害分布情況和粉塵污染、水體污染等環(huán)境污染情況;礦山環(huán)境治理恢復(fù)及土地復(fù)墾情況。

各年度礦業(yè)活動(dòng)占地信息提取情況見表3。

表3 2006—2010年示范區(qū)礦業(yè)活動(dòng)信息提取一覽表 hm2

示范區(qū)內(nèi)主要是鐵礦露天開采，本次監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)有地面塌陷、地裂縫及崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害跡象。

5．礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

(1)評(píng)價(jià)方法

采用綜合指數(shù)法進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，將礦山地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)分解為4個(gè)子系統(tǒng)：自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦山開發(fā)和環(huán)境影響。然后分別在子系統(tǒng)選取有代表性的評(píng)價(jià)因子，并將其影響程度確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，給出歸一化指標(biāo)。運(yùn)用AHP法確定各子系統(tǒng)和評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，將同一子系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)值按權(quán)重進(jìn)行疊加，得出一個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)。再將各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)按權(quán)重疊加，得出每個(gè)評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，分析各單元的指數(shù)情況，確定等級(jí)閾值，從而建立評(píng)價(jià)等級(jí)，進(jìn)行全區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)單元為2 km×2 km的網(wǎng)格。

(2)評(píng)價(jià)因子指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)因子選擇礦山自然地理背景、基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境、礦山開采現(xiàn)狀、環(huán)境影響因素。

根據(jù)各因子的相互關(guān)系及層次關(guān)系，逐層分解建立礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。① 先分解為自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)開發(fā)和環(huán)境影響4項(xiàng)準(zhǔn)則層。②將準(zhǔn)則層分解為若干指標(biāo)，構(gòu)成要素層。對(duì)各要素的評(píng)價(jià)可由隸屬于它的各項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)得出。如此自下而上進(jìn)行2個(gè)層次的綜合評(píng)價(jià)(如圖1所示)，得出礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。

(3)示范區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

2006—2010年利用AHP方法對(duì)示范區(qū)5年的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)(如圖2所示)。

圖2顯示，五年間示范區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境總體呈惡化趨勢，2010年礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)和較嚴(yán)重區(qū)較2006年分別增加2424 hm2和609 hm2。

示范區(qū)由于露天開采范圍廣、深度大，植被覆蓋層很薄，礦區(qū)自然恢復(fù)的能力相對(duì)較差。遙感監(jiān)測顯示區(qū)內(nèi)草地、灌木、林地?fù)p失極大，整體地貌景觀遭到嚴(yán)重破壞，區(qū)域山地環(huán)境發(fā)生了根本的改變(如圖3所示)。

近年來，隨著采礦規(guī)模擴(kuò)大，占用土地面積不斷增加。然而，一些礦山關(guān)閉后并未恢復(fù)原有土地的功能，而是閑置荒廢，形成大量的采礦跡地，由于尾礦堆積和地面板結(jié)使得土地復(fù)墾率很低，浪費(fèi)了大量土地資源。監(jiān)測5年中，采礦跡地面積增加了近1倍。這些土地多數(shù)林地、荒草地，少數(shù)是農(nóng)田。

圖1 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)因子指標(biāo)體系圖

圖3 遷安鐵礦區(qū)露天采場、固體廢棄物破壞植被、地貌景觀三維影像圖

經(jīng)分析，造成示范區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境破壞的原因一方面由于礦區(qū)的開發(fā)建設(shè)大量占?jí)和恋?，加之露天開采剝離和廢棄物的排放破壞了原有的地表結(jié)構(gòu)和植被，增大了裸露土石層面積，嚴(yán)重破壞了地表水分涵蓋的內(nèi)在條件，致使礦山地質(zhì)環(huán)境及其周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)小氣候干旱化和地表植被稀疏，土地荒漠化現(xiàn)象初露端倪，這不僅直接影響礦區(qū)的生活和生產(chǎn)條件，而且引起礦區(qū)周邊地下水位急劇下降，造成飲水困難和農(nóng)業(yè)用水短缺，致使大片水澆地蛻變?yōu)楹档鼗驐壐?如圖4所示)。據(jù)統(tǒng)計(jì)受采礦影響和破壞的土地3 317．15 hm2，其 中 耕 地 1 272．09 hm2，荒 草 地730．98 hm2，河灘地 772．88 hm2;受影響的村莊 27個(gè)，約8萬人的生產(chǎn)、生活用水困難。

圖4 遷安鐵礦區(qū)露天采場、廢石堆、尾礦沙壓占和破壞土地遙感影像圖

另一方面流經(jīng)礦區(qū)的灤河污染對(duì)該地生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成嚴(yán)重威脅，該河環(huán)境污染范圍呈南北寬200～400m，東西長20余公里，總面積達(dá)6 km2的污染帶。主要環(huán)境污染源自兩岸分布的鐵采場和鐵選廠，調(diào)查顯示在南北長20 km的范圍內(nèi)有礦山企業(yè)30余個(gè)，其中鐵選廠有15處之多，個(gè)別礦山企業(yè)偷排大量棄渣和廢尾(如圖5所示)。

近一兩年政府采取了一系列強(qiáng)有力的整頓礦業(yè)秩序的措施，關(guān)停了大量集、個(gè)體不法和不規(guī)范采礦點(diǎn)，但生態(tài)環(huán)境的演化有一定慣性，目前，區(qū)內(nèi)國營礦山在環(huán)境恢復(fù)和治理力度和廣度上也是很微不足道的。且隨著目前鐵礦價(jià)格的提升，開采規(guī)模的日益擴(kuò)展，許多已經(jīng)恢復(fù)治理的場地又被重新破壞(如圖6所示)。

圖5 遷安鐵礦區(qū)鐵礦選場偷排尾砂污染灤河水源

圖6 河北省遷安鐵礦區(qū)北部礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)區(qū)遙感監(jiān)測影像圖

可以說遷安鐵礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境總體發(fā)展趨勢是現(xiàn)階段平穩(wěn)發(fā)展逐漸惡化和發(fā)展末期逐漸恢復(fù)階段為主。

四、結(jié)束語

礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)是礦山環(huán)境問題研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，礦山地質(zhì)環(huán)境問題分類和調(diào)查是其評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，本研究針對(duì)示范區(qū)礦業(yè)開發(fā)特點(diǎn)，基于遙感手段，建立了一套科學(xué)合理、實(shí)用性強(qiáng)的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)了示范區(qū)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證所得到的結(jié)果客觀合理，可信度高。研究的開展為后續(xù)進(jìn)行礦業(yè)開發(fā)區(qū)的發(fā)展和礦山環(huán)境治理恢復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

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