黑龍江省礦集區(qū)尾礦庫遙感監(jiān)測與分析

高永志， 初禹， 梁偉

(黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150036)

黑龍江省礦集區(qū)尾礦庫遙感監(jiān)測與分析

高永志， 初禹， 梁偉

(黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150036)

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重大或特大事故。尾礦庫不僅占據(jù)了大量的土地資源、破壞土地植被，給環(huán)境安全帶來隱患，同時尾礦中含有的各種重金屬礦物和毒性物質(zhì)經(jīng)過淋濾和滲透，會嚴(yán)重污染尾礦庫周邊和下游的生態(tài)環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)對尾礦庫的遙感監(jiān)測與分析，以黑龍江省重點(diǎn)礦集區(qū)尾礦庫為研究對象，利用高分辨率遙感圖像建立準(zhǔn)確的遙感解譯標(biāo)志，對尾礦庫進(jìn)行遙感解譯；利用GIS軟件提取尾礦庫的相關(guān)信息，摸清現(xiàn)有尾礦的基本類型、堆存數(shù)量、地理位置和有害因素等；同時了解和掌握尾礦堆放區(qū)的環(huán)境地質(zhì)情況和生態(tài)狀況，以期為尾礦庫的監(jiān)督和管理提供科學(xué)依據(jù)。

尾礦庫；高分辨率圖像；遙感監(jiān)測；黑龍江省

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口、河床或者圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所。而對冶煉廢渣形成的赤泥庫和發(fā)電廢渣形成的儲灰場也應(yīng)按尾礦庫進(jìn)行管理。黑龍江省的尾礦庫主要由金屬(金、鐵、銅、鉬、鉛)、非金屬(石墨)的尾礦和煤發(fā)電形成的廢渣庫組成。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重大或特大事故，給環(huán)境安全帶來隱患；尾礦中含有的各種重金屬礦物和毒性物質(zhì)經(jīng)過淋濾和滲透，會嚴(yán)重污染尾礦庫周邊和下游的生態(tài)環(huán)境。因此，對尾礦庫的監(jiān)測和管理勢在必行。

以往對尾礦庫的統(tǒng)計完全依靠人工野外勘測、數(shù)據(jù)采集、圖件清繪、數(shù)據(jù)加工的方法，投入高、周期長、效率低。利用遙感技術(shù)對尾礦庫的狀況進(jìn)行監(jiān)測，可以迅速獲得尾礦庫的全面、客觀、準(zhǔn)確和動態(tài)的第一手資料，有效和智能化地對尾礦庫進(jìn)行空間分析和管理，提高對尾礦庫安全的科學(xué)預(yù)見性和動態(tài)監(jiān)控水平。在這方面國內(nèi)已有過許多研究，閻永忠等[1]基于“3S”技術(shù)進(jìn)行了尾礦庫的監(jiān)測分析；郝利娜等[2]開展了鄂東南尾礦庫高分辨率遙感圖像識別因子的研究；方雪娟等[3]對大冶陳貴鎮(zhèn)小型尾礦庫分布特征及其對環(huán)境影響做了分析；南竣祥等[4]對云南宣威煤礦的開發(fā)進(jìn)行了遙感調(diào)查研究；初步形成了尾礦庫遙感監(jiān)測的技術(shù)方法。本文在綜合以上技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合黑龍江省尾礦庫的特征，研究了省內(nèi)主要礦集區(qū)尾礦庫的基本情況和有害因素，以期為尾礦庫的監(jiān)督和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省是礦產(chǎn)資源大省，礦產(chǎn)資源分布廣泛又相對集中。本文選取鶴崗、雙鴨山、七臺河、雞西、黑河、伊春、佳木斯、哈爾濱、牡丹江等礦山集中區(qū)為研究區(qū)，以尾礦庫作為研究對象。研究區(qū)內(nèi)的尾礦庫大部分是在金屬礦開采過程中修建的。金屬礦的尾礦顆粒極細(xì)，含有多種金屬元素和浮選藥劑，毒性較強(qiáng)；尾礦中固態(tài)物質(zhì)僅占20%，濃度較低。尾礦庫多建于山區(qū)，主要有山谷型尾礦庫和截河型尾礦庫2種類型。

2 技術(shù)方法

尾礦庫的遙感監(jiān)測，主要是利用高分辨率遙感圖像在ERDAS軟件中進(jìn)行正射糾正、圖像融合等數(shù)據(jù)預(yù)處理；在ArcGIS中基于尾礦庫的光譜、紋理等特征，建立尾礦庫的遙感識別和解譯標(biāo)志，對尾礦庫進(jìn)行遙感解譯；結(jié)合GPS和GIS為尾礦庫的動態(tài)監(jiān)測與分析提供實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時的DEM信息；利用遙感解譯提取尾礦庫所處的自然環(huán)境、地形地貌等空間動態(tài)數(shù)據(jù)，摸清現(xiàn)有尾礦的基本類型、堆存數(shù)量、地理位置和有害因素等；應(yīng)用ArcGIS的三維分析功能(如等高線分析、視域分析、表面積與體積分析等)實(shí)現(xiàn)尾礦庫上游匯水分析，從而確定尾礦庫的潛在危險性以及潛在危險區(qū)范圍；應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能(主要是緩沖區(qū)分析)，確定尾礦庫下游地下水重金屬污染范圍以及對生態(tài)環(huán)境影響的范圍[5-8](圖1)。

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technique flowchart

3 尾礦庫遙感監(jiān)測

3.1 解譯標(biāo)志的建立

1)山谷型尾礦庫。在山谷谷口筑壩形成尾礦庫，規(guī)模普遍較大，壩體呈典型的三角形狀，分布著有規(guī)律的條紋狀排水設(shè)施和綠化帶；尾礦庫在形狀上表現(xiàn)為不規(guī)則的幾何形態(tài)，一般處于地勢低洼處，受壩體高度控制明顯；尾礦庫選礦廠大多數(shù)位于壩體附近，且有明顯道路相連(圖2)。

圖2 山谷型尾礦庫遙感解譯標(biāo)志Fig.2 Remote sensing interpretation keys of valley tailings

2)截河型尾礦庫。壩體受河道展布和人為因素控制，人工跡象明顯。由于壩體由人工沿河道開挖，呈規(guī)則幾何形態(tài)，四周建有攔渣大壩，以防止尾礦外流，規(guī)模普遍不大；尾礦庫選礦廠大多數(shù)位于壩體附近，且有明顯道路相連(圖3)。

圖3 截河型尾礦庫遙感解譯標(biāo)志Fig.3 Remote sensing interpretation keys of river-section tailings

3.2 解譯與驗(yàn)證

在建立尾礦庫遙感解譯標(biāo)志基礎(chǔ)上，可快速識別和解譯出尾礦庫，并確定尾礦庫的基本類型、堆存數(shù)量、地理位置、庫面面積、有害因素及其周圍的地形、地貌、下游居民點(diǎn)密度、土地類型等相關(guān)信息。經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證解譯結(jié)果，并測量壩體高度，然后疊加DEM，計算尾礦庫的剩余庫容量；利用ArcGIS的三維分析功能，計算匯水面積；根據(jù)坡度分析，確定地表徑流速度和在多大降雨量情況下達(dá)到最大庫容，從而確定尾礦庫的潛在危險性和潛在危險區(qū)范圍。

以西林鋼鐵廠尾礦庫(圖4)為例，該尾礦庫的壩體結(jié)構(gòu)較為簡單，且接近滿庫容，存在潰壩的潛在危險性。圖中黃色線圈定的是潛在危險區(qū)范圍，主要涉及尾礦庫下游的工廠、民居、省道303和湯旺河的安全。由于該尾礦庫使用時間長，尾礦庫中重金屬物質(zhì)和酸性硫化物經(jīng)過雨水沖刷和淋濾作用，很容易滲透到周圍及下游的土壤和水系中。紅色線圈定的是根據(jù)緩沖區(qū)分析確定的潛在生態(tài)環(huán)境影響范圍，隨著歷史推移，該范圍會繼續(xù)擴(kuò)大，必將影響湯旺河的水質(zhì)。

圖4 西林鋼鐵廠尾礦庫影響范圍Fig.4 Influence region of tailings ponds in Xilin steel factory

經(jīng)過遙感解譯和地面調(diào)查驗(yàn)證，在黑龍江省黑河、伊春、鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河、雞西、牡丹江及哈爾濱等9個重點(diǎn)礦集區(qū)內(nèi)共查出47座尾礦庫(其中燃煤發(fā)電后廢渣庫9座、金礦尾礦庫5座、鐵礦尾礦庫16座、銅礦尾礦庫3座、鉬礦尾礦庫1座、鉛鋅礦尾礦庫2座、石墨礦尾礦庫11座)，庫面總面積為1 165.96 hm2(表1)。

表1 研究區(qū)各礦種尾礦庫面積Tab.1 Areas of each mineral tailings in study area

4 尾礦庫分析

4.1 潛在危險性分析

4.1.1 煤礦尾礦庫潛在危險性

煤礦尾礦庫是煤燃燒后剩余的煤灰存儲場所。研究區(qū)內(nèi)的9座煤礦尾礦庫主要分布在雙鴨山、七臺河、牡丹江和佳木斯等地區(qū)的發(fā)電廠附近，庫面總面積為733.43 hm2。這些煤礦尾礦庫一般占地面積較其他礦種大(如中國國電雙鴨山發(fā)電廠的尾礦庫占地達(dá)122.92 hm2)，壩體都未發(fā)現(xiàn)裂縫、變形、塌陷、流土等安全隱患，且壩體較高，剩余庫容面積較大，目前尚未發(fā)現(xiàn)安全隱患。

4.1.2 金礦尾礦庫潛在危險性

金礦尾礦庫是金礦提煉過程中產(chǎn)生的尾礦存儲場所。研究區(qū)內(nèi)的5座金礦尾礦庫多為山谷型尾礦庫，主要分布在雙鴨山老柞山、佳木斯東風(fēng)山、牡丹江金場和伊春烏拉嘎等幾個大中型金礦附近，庫面總面積為135.11 hm2。這些尾礦庫的壩體均為夯土結(jié)構(gòu)，匯水面積較大，使用歷史較為悠久。如伊春烏拉嘎金礦尾礦庫自20世紀(jì)60年代就開始使用，至今尾礦庫使用已超過50 a，剩余庫容已不多，存在一定的安全隱患。

4.1.3 其他金屬礦尾礦庫潛在危險性

其他金屬礦尾礦庫共22座，包括鐵礦尾礦庫16座、銅礦尾礦庫3座、鉛鋅礦尾礦庫2座和鉬礦尾礦庫1座，主要分布在雙鴨山羊鼻山、牡丹江古城、哈爾濱松江和遜克翠宏山等礦山附近，庫面總面積為204.11 hm2。這些金屬礦尾礦庫多為山谷型尾礦庫，其壩體均為夯土結(jié)構(gòu)，匯水面積較大，且剩余庫容不多，存在一定的安全隱患。

4.1.4 石墨礦尾礦庫潛在危險性

石墨礦尾礦庫共11座，主要分布在鶴崗云山和雞西柳毛礦山附近，多為截河型尾礦庫，庫面總面積為93.31 hm2。其壩體均由礦山廢石廢土修筑，匯水面積較小，地勢相對平緩，尚未發(fā)現(xiàn)安全隱患。

4.2 潛在生態(tài)環(huán)境影響分析

尾礦庫中的尾礦對周邊生態(tài)環(huán)境主要存在2個方面的影響：

1)尾礦庫揚(yáng)塵。由于尾礦是各種礦石在磨碎選礦后形成的,巖礦粉粒度細(xì)小,直接撒落后暴露于地表,起風(fēng)時極易隨風(fēng)擴(kuò)散到尾礦庫周邊區(qū)域；在風(fēng)化條件下極易與地表的空氣、水和生物發(fā)生氧化反應(yīng)，從而污染周邊生態(tài)環(huán)境。研究區(qū)內(nèi)9座燃煤發(fā)電廠的儲灰場揚(yáng)塵最為明顯；其他尾礦庫由于規(guī)模較小，揚(yáng)塵尚不明顯。

2)尾礦庫重金屬污染。因?yàn)槲驳V由金屬礦物、非金屬礦物和巖屑組成，其中重金屬物質(zhì)和酸性硫化物經(jīng)過雨水沖刷和淋濾，很容易滲透到周圍及下游的土壤和水系中，致使農(nóng)作物和水環(huán)境受到污染；硫化礦物的風(fēng)化和酸化則會導(dǎo)致重金屬元素進(jìn)一步活化、釋放并遷移,使尾礦庫中溶液的重金屬含量升高,從而對周圍的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生影響,威脅人類的健康和生存。研究區(qū)內(nèi)27座金屬礦的尾礦庫對周邊地區(qū)潛在的生態(tài)環(huán)境影響最大。

5 結(jié)論

1)黑龍江省研究區(qū)中金屬尾礦庫匯水面積大，剩余庫容小，壩體結(jié)構(gòu)簡單，相對煤礦、非金屬礦尾礦庫而言，潛在安全隱患較大。

2)從尾礦庫成分分析，儲灰場揚(yáng)塵危害較大；金屬尾礦庫中重金屬元素的淋濾作用會對周圍環(huán)境和下游地區(qū)造成污染；還可能通過食物鏈傳播到人類生活中。因此，金屬尾礦庫對周邊地區(qū)的潛在生態(tài)環(huán)境影響最大。

綜上所述，黑龍江省研究區(qū)內(nèi)尾礦庫存在安全隱患和潛在的生態(tài)環(huán)境影響2個方面的問題，應(yīng)成為相關(guān)部門監(jiān)測和管理的重點(diǎn)對象。

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(責(zé)任編輯： 劉心季)

Remote sensing monitoring and analysis of tailings ponds in the ore concentration area of Heilongjiang Province

GAO Yongzhi， CHU Yu， LIANG Wei

(GeologicalSurveyandResearchInstituteofHeilongjiangProvince，Harbin150036，China)

The tailings pond is a man-made debris flow hazard source with high potential energy in that there exists the risk of dam failure. Once the dam crashes，it is easy to cause serious accidents. Tailings ponds could produce a lot of hidden troubles to the environment due to occupying lots of land resources and destroying land vegetation; what is more，varieties of heavy metal materials and toxic substances contained in mineral tailings could cause serious pollution to the ecological environment around the tailings ponds and in the downstream area through leaching and permeating. For the realization of the remote sensing monitoring and analysis of the tailings ponds, the authors chose the tailings ponds in major ore concentration areas of Heilongjiang Province as the research objects, used high resolution remote sensing images to establish the accurate remote sensing interpretation keys，and finally accomplished the remote sensing interpretation of tailings ponds. And then the GIS software was utilized to extract relevant information so as to evaluate such basic data as the basic types，existing number of stockpiling tailings，geographic locations and harmful factors and understand and grasp the environmental geological conditions and ecological situations. The results achieved by the authors can provide a reliable and effective scientific basis for the tailings ponds supervision and management.

tailings pond；high resolution remote sensing images；remote sensing monitoring；Heilongjiang Province

2013-12-17；

2014-02-11

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“黑龍江省礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測”(編號： 1212011120034)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.25

高永志，初禹，梁偉.黑龍江省礦集區(qū)尾礦庫遙感監(jiān)測與分析[J].國土資源遙感，2015，27(1)：160-163.(Gao Y Z，Chu Y，Lian W.Remote sensing monitoring and analysis of tailings ponds in the ore concentration area of Heilongjiang Province[J].Remote Sensing for Land and Resources，2015，27(1)：160-163.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0160-04

高永志(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事遙感地質(zhì)相關(guān)工作。Email： gaoyz@qq.com。