基于遙感與GIS的礦山地質(zhì)環(huán)境時空演變分析——以東勝礦區(qū)為例

李學淵，趙 博，陳時磊，趙穎旺，邊 凱

(1．中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083;2．中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境反映了在準備、正在或已開發(fā)的礦山及其鄰近區(qū)域為礦山開發(fā)所影響的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和地理環(huán)境等，其以礦業(yè)活動為主要影響因素，不斷改變地球表面和巖石圈的自然平衡狀態(tài)［1］。隨著社會經(jīng)濟活動和采礦規(guī)模的不斷擴大，礦山生態(tài)環(huán)境遭到破壞，這制約著地區(qū)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測涉及到礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀與變化信息提取，以及礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價、承載力研究及驅(qū)動力分析等。在這方面，“3S”技術(shù)起到不可替代的作用。其中遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中的應用已經(jīng)積累了大量研究成果，包括礦山開發(fā)的動態(tài)監(jiān)測［2－4］、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的定量分析評價和等級劃分［5－7］等。本研究著眼于礦山地質(zhì)環(huán)境時空演變分析及定量評價研究，以高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，在礦山地質(zhì)環(huán)境專題信息提取的基礎上構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫，并進行GIS空間分析與數(shù)學模型計算，旨在進一步揭示礦山地質(zhì)環(huán)境的時空演變動態(tài)信息和規(guī)律，為礦山環(huán)境保護、恢復治理和可持續(xù)發(fā)展提供信息和決策服務。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)概況

東勝礦區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原東端，晉陜蒙交界地帶;地處黃土丘陵地區(qū)，地勢西高東低，植被稀疏，屬干旱、半沙漠的高原大陸性氣候區(qū);煤田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層厚且埋藏淺、易于開采。本文研究礦區(qū)涉及準格爾旗西部，介于 N39°43'13．3″～39°35'48．13″，E110°10'04．00″～110°21'38．37″之間，面積約220 km2。區(qū)內(nèi)正在開采的煤礦有20個，以露天開采為主。與礦業(yè)活動有關的生態(tài)破壞現(xiàn)象以草場退化和耕地被占用為主，其次為水土流失和土地沙化等［8］。

1．2 數(shù)據(jù)源

以2007年5月Quick Bird遙感影像與2012年7月World View2影像為數(shù)據(jù)源，基于ENVI和ERDAS等平臺，通過圖像處理(正射糾正、大氣校正、幾何精糾正及圖像融合等)，獲得3(R)2(G)1(B)正射影像，空間參考系設置為高斯－克里格投影、1980西安坐標，糾正精度控制在0．5個像元以內(nèi)［9］。將礦山用地類型(或稱礦山地質(zhì)環(huán)境類型)劃分為:采坑、排土場、恢復治理區(qū)、工業(yè)廣場、積水區(qū)與廢棄采坑等6類。

本研究的技術(shù)流程為:將遙感影像與采礦權(quán)矢量文件作疊置分析［10］;分析影像波譜特征;根據(jù)地物解譯標志，采用人機交互方式解譯，提取礦山地質(zhì)環(huán)境各類專題信息;結(jié)合野外查證，對判別有誤的類型重新歸類;分別構(gòu)建2007和2012年東勝礦山地質(zhì)環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫，繪制現(xiàn)狀分布圖(圖1);分析掌握礦業(yè)活動的占地、礦區(qū)地質(zhì)災害分布和礦山環(huán)境污染的時空變化情況，為礦區(qū)環(huán)境綜合整治提供決策數(shù)據(jù)，同時也為礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理工作提供監(jiān)督手段。

圖1 2007年(左)和2012年(右)東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分布圖Fig．1 Mining geological environment status map of Dongsheng ore district in 2007(left)and 2012(right)

2 礦山地質(zhì)環(huán)境的時間變化

2．1 面積變化

礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化主要體現(xiàn)在各地類面積的變化幅度和變化速度上。變化幅度是指監(jiān)測時段內(nèi)某種礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積的增減量;變化速度指以研究初期某礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積為基礎，反映研究期內(nèi)該類型面積增減的變化率，即該類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積絕對值和變化率。具體來說，變化速度既考慮了特定地質(zhì)環(huán)境的類型變化，揭示其空間轉(zhuǎn)移過程，又定量描述了面積的動態(tài)變化速率。其相應的計算公式［11］為

式中:K1和K2分別為礦山地質(zhì)環(huán)境類型年均變化幅度和年均變化速度;Sia為研究初期礦山地質(zhì)環(huán)境類型i的面積;Sib為研究末期礦山地質(zhì)環(huán)境類型i的面積;△Si1和△Si2分別為監(jiān)測時段內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型i面積增加的絕對值和減少的絕對值;T為監(jiān)測時段。計算得到2007—2012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化情況，如圖2和表1所示。

圖2 2007—2012年東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境面積變化Fig．2 Areas change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

表1 2007—2012年東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積變化Tab．1 Area change ofm ining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表1可以看出，不同的礦山地質(zhì)環(huán)境類型的 面積呈現(xiàn)出不同程度的年均增幅，其由大到小依次為采坑、恢復治理區(qū)、排土場、工業(yè)廣場、積水區(qū)及廢棄采坑。其中2007年規(guī)模較小的極少數(shù)采坑于2012年停止開采或未及時恢復治理而廢棄，導致采坑與廢棄采坑平均年增幅相差近33倍。對可持續(xù)發(fā)展有利的恢復治理區(qū)和工業(yè)廣場的K1合計為343．40，而采坑、排土場、積水區(qū)及廢棄采坑等“污染”因素平均年增幅合計為497．86，由此得出污染趨勢仍大于治理趨勢。從年均變化速度K2來看，恢復治理區(qū)面積最大，廢棄采坑最小，K2由大到小依次為恢復治理區(qū)、采坑、積水區(qū)、工業(yè)廣場、排土場及廢棄采坑，表明在采礦規(guī)模持續(xù)擴大(K2=3．45)的同時，積水區(qū)面積也不可避免地增大(K2=1．96)，但生態(tài)環(huán)境的治理得到了重視(K2=29．99)。其中排土場由于初始面積基數(shù)較大，K2變化并不顯著，但其對環(huán)境的影響仍不容忽視。

2．2 類型轉(zhuǎn)化

隨著采礦污染和生態(tài)治理的同步發(fā)展，礦山地質(zhì)環(huán)境類型隨時間將發(fā)生變化。監(jiān)測時段內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化情況如圖3所示。

轉(zhuǎn)移矩陣Uij可以反映礦山地質(zhì)環(huán)境類型之間相互變化的情況，定義3種變化指標［12－15］。

1)2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)變?yōu)?012年類型j的面積組成的轉(zhuǎn)移矩陣U1，即

圖3 2007—2012年東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化Fig．3 Type change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

2)2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)變?yōu)?012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型j的面積百分比組成的轉(zhuǎn)移矩陣U2，即

3)2012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型j由2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移的面積百分比組成的轉(zhuǎn)移矩陣U3，即

計算結(jié)果如表2所示。

表2 2007—2012年東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Transfer matrix of mining geological environment classification in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表2可以看出，監(jiān)測時段內(nèi)東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)出面積排序為排土場＞采坑＞工業(yè)廣場＞積水區(qū)＞恢復治理區(qū)=廢棄采坑，轉(zhuǎn)出百分比的排序為排土場＞采坑＞積水區(qū)＞工業(yè)廣場＞恢復治理區(qū)=廢棄采坑;轉(zhuǎn)入量的排序為恢復治理區(qū)＞采坑＞工業(yè)廣場＞排土場＞廢棄采坑＞積水區(qū)，轉(zhuǎn)入百分比的排序為恢復治理區(qū)＞廢棄采坑＞采坑＞工業(yè)廣場＞積水區(qū)＞排土場。其中廢棄采坑的轉(zhuǎn)入類型只有采坑，由于其面積基數(shù)較小，導致其轉(zhuǎn)入百分比大，為83．36%;而排土場的面積基數(shù)較大，導致其轉(zhuǎn)入百分比小，為16．41%?？傮w反映出礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化主導趨勢為采坑轉(zhuǎn)變?yōu)榕磐翀龌蚧謴椭卫韰^(qū)，排土場轉(zhuǎn)變?yōu)椴煽踊蚧謴椭卫韰^(qū)，采坑的轉(zhuǎn)入量是轉(zhuǎn)出量的2．6倍，而排土場轉(zhuǎn)出量是轉(zhuǎn)入量的8．9倍，采坑轉(zhuǎn)變?yōu)榕磐翀龅拿娣e是恢復治理區(qū)的1．5倍，排土場轉(zhuǎn)變?yōu)椴煽拥拿娣e與恢復治理區(qū)的基本持平，實際上2007年計劃開采的礦山到2012年已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”為開采區(qū)或生態(tài)治理區(qū)。因此，本區(qū)污染與治理是同步發(fā)展的，如以恢復治理區(qū)和工業(yè)廣場為代表的總治理區(qū)轉(zhuǎn)入量為196．62 hm2，同時采坑、排土場、積水區(qū)及廢棄采坑等總污染區(qū)轉(zhuǎn)入量為194．46 hm2;如果將其總治理與總污染的變化面積考慮在內(nèi)，治理力度略慢于礦業(yè)污染，那么從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，則有必要成倍加大治理力度。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境的空間變化

3．1 面積變化的空間分布差異

本文研究區(qū)內(nèi)共有煤礦20個，以露天開采為主，圖4以采礦權(quán)為空間單元，反映出單個礦山各環(huán)境要素年均變化的增幅分布。

圖4 2007—2012年各礦山不同地質(zhì)環(huán)境年均增幅Fig．4 Different geological environment with average annual increase of each mine from 2007 to 2012

從圖4可以看出，東勝礦區(qū)不同礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積大致呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，其中采坑增幅為誠意煤礦60．91 hm2/a、富民煤礦32．42 hm2/a及泰煤礦28．01 hm2/a;排土場增幅為公溝煤礦44．24 hm2/a、龍?zhí)旱V 25．58 hm2/a 及西梁煤礦23．37 hm2/a;生態(tài)治理方面的增幅為營沙壕煤礦57．67 hm2/a、永利煤礦 41．37 hm2/a、電力滿都拉煤礦28．04 hm2/a、誠意煤礦24．86 hm2/a、哈拉慶煤礦22．79 hm2/a、西梁煤礦 4．04 hm2/a、龍?zhí)旱V 3．13 hm2/a及中興煤礦0;各礦山新建工業(yè)廣場較之采坑相對有限、較積水區(qū)有所增長，年均增幅超過5 hm2/a的礦山為鑫東煤礦13．32 hm2/a、營沙壕煤礦11．36 hm2/a及電力滿都拉煤礦7．85 hm2/a;積水區(qū)增幅較大的是營沙壕、中興、永利及經(jīng)緯等礦山，但最大增幅不超過3 hm2/a;廢棄采坑除烏蘭渠和永智礦山小幅增長外，其余無變化。其中，四道柳煤礦為地下開采，僅工業(yè)廣場用地面積逐年增加;永智煤礦因由露天開采轉(zhuǎn)為地下，一部分采坑已廢棄，另一部分采坑正在進行生態(tài)治理。按照

來計算東勝礦區(qū)單個礦山的地質(zhì)環(huán)境綜合變化Δ。式中:A為采坑面積;B為排土場面積;C為恢復治理區(qū)面積;D為工業(yè)廣場面積;E為積水區(qū)面積;F為廢棄采坑面積。其結(jié)果如表3所示。

表3 2007—2012年各礦山地質(zhì)環(huán)境綜合變化Tab．3 Geological environment comprehensive changes of each mine from 2007 to 2012 (hm2)

如果進一步考慮2007年各礦山不同環(huán)境類型面積變化的基數(shù)，根據(jù)圖4可知，研究區(qū)西北區(qū)域恢復治理區(qū)較其他區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境類型年均增幅顯著，而東南區(qū)域采坑和排土場年均增幅顯著，可見本礦區(qū)在地質(zhì)環(huán)境普遍受破壞的同時，西北區(qū)域的生態(tài)環(huán)境恢復治理結(jié)果明顯優(yōu)于東南區(qū)域。

3．2 類型變化的空間分布差異

單個礦山存在開采方式和規(guī)模等差異，致使礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)化也存在一定的空間差異。采礦權(quán)為空間單元，結(jié)合研究初期(2007年)不同礦山的地質(zhì)環(huán)境面積總和，根據(jù)［16］

計算出20個礦山的地質(zhì)環(huán)境綜合動態(tài)度。式中:Ck為第k個采礦權(quán)的礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化綜合動態(tài)度;△Pi－j為研究時段(T=5)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移為類型j的面積;∑△Pi－j為礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移為非i類的總面積;∑Pi為研究初期各礦山地質(zhì)環(huán)境類型的總面積。計算結(jié)果見圖5。

圖5 2007—2012年東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合動態(tài)度Fig．5 Integrated dynamic degree of mining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從圖5可以看出，除四道柳與經(jīng)緯煤礦，其他各煤礦均呈增加趨勢，即地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)出明顯變化。其中，與泰煤礦和龍?zhí)旱V的年均動態(tài)變化率相差近23倍，這與單個礦山各類地質(zhì)環(huán)境年均增幅相吻合。研究區(qū)綜合動態(tài)度在西北區(qū)域較大，東南區(qū)域較小;在西北區(qū)域，明顯存在由采坑、排土場、積水區(qū)和廢棄采坑向恢復治理區(qū)和工業(yè)廣場類型轉(zhuǎn)移，即由污染向治理過渡。東南區(qū)域則反之，礦業(yè)經(jīng)濟似以環(huán)境污染為代價而發(fā)展。

3．3 空間變化規(guī)律

通過研究區(qū)內(nèi)各礦權(quán)的幾何中心坐標與礦權(quán)內(nèi)某類礦山地質(zhì)環(huán)境的面積加權(quán)計算，得到不同礦山地質(zhì)環(huán)境分布的地理坐標，其計算公式［17］為

式中:Xt和Yt分別表示第t年某種礦山地質(zhì)環(huán)境類型分布重心的經(jīng)緯度坐標;Qti表示第i個采礦權(quán)內(nèi)第t年該地質(zhì)環(huán)境類型的面積;Xi和Yi分別表示第i個礦權(quán)的幾何重心經(jīng)緯度坐標。計算結(jié)果如表4所示。

表4 2007—2012年東勝礦區(qū)各礦山地質(zhì)環(huán)境類型分布的重心坐標Tab．4 Center of gravity coordinate of geological environment distribution in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

基于ArcGIS平均最鄰近距離模型，按重心坐標分別計算2007年和2012年各類礦山地質(zhì)環(huán)境要素與之最鄰近要素之間距離的平均值，比較其與假定隨機分布距離的相似程度，求得標準化值(standard score，ZScore)，如果ZScore為負且越小，則表示要素分布越趨向于集中;相反為離散。計算結(jié)果ZScore2007=－2．91 和ZScore2012=－3．39，表明礦區(qū)不同地質(zhì)環(huán)境類型2007年空間分布較2012年相對離散。根據(jù)統(tǒng)計學原理，離散代表無序，集中代表有序。這暗示了研究初期的無序開采與末期的生產(chǎn)兼治理形成了鮮明對比。在2007—2012年采坑、排土場、恢復治理區(qū)、工業(yè)廣場與積水區(qū)的重心坐標由西北向東南方向轉(zhuǎn)移，揭示出礦山的開采活動兼治理在空間上呈現(xiàn)出由西北向東南的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論

1)本文構(gòu)建了東勝礦區(qū)2007年和2012年礦山地質(zhì)環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫，并計算了監(jiān)測時段內(nèi)其面積變化(變化幅度和變化速度)和類型轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移矩陣)。結(jié)果顯示，各種礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積逐年增加并發(fā)生類型轉(zhuǎn)化，具有不同程度的年均增幅、變化速率和相關性(轉(zhuǎn)移量)，以采坑、排土場和恢復治理區(qū)變化過程最為顯著。根據(jù)野外調(diào)研，將采坑、排土場、積水區(qū)和廢棄采坑視為“污染”因素，將恢復治理區(qū)和工業(yè)廣場視為“治理”因素。整體上，因相關政策條令約束，礦山開采與治理同步進行，但由于經(jīng)濟刺激，“污染”仍大于“治理”，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重建應得到相關部門的重視。

2)以采礦權(quán)為空間單元，計算出東勝礦區(qū)2007—2012年單個礦山不同地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化(變化幅度)與類型轉(zhuǎn)移(綜合動態(tài)度)，結(jié)果表明不同礦山呈現(xiàn)出不同程度的年均增幅與類型轉(zhuǎn)化?？傮w而言，東勝礦區(qū)西北區(qū)域的“治理”力度顯著，破壞環(huán)境的采坑、排土場和積水區(qū)等類型轉(zhuǎn)化為恢復治理區(qū)與工業(yè)廣場等類型的趨勢明顯;東南區(qū)域的“污染”趨勢明顯，需加強礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復力度。本文還結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境類型的空間變化規(guī)律，進一步驗證了上述趨勢。

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