青海省聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境遙感監(jiān)測及質量評價

馬世斌， 李生輝， 安萍， 楊文芳， 辛榮芳

(1.青海省地質調查院，西寧 810012；2.青海省青藏高原北祁連地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012)

青海省聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境遙感監(jiān)測及質量評價

馬世斌1,2， 李生輝1,2， 安萍1,2， 楊文芳1,2， 辛榮芳1,2

(1.青海省地質調查院，西寧 810012；2.青海省青藏高原北祁連地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012)

以2011年和2012年獲取的2期IKONOS2數據為信息源，在波段組合、數據融合和正射糾正等圖像預處理基礎上，針對礦山地質環(huán)境問題進行人機交互解譯，對青海省木里煤田聚乎更煤礦區(qū)因煤礦開發(fā)而引發(fā)的礦山地質環(huán)境問題及礦山環(huán)境恢復治理情況進行了遙感調查與監(jiān)測；并將礦山環(huán)境調查結果與礦區(qū)基礎地理及地質資料相結合，根據礦區(qū)環(huán)境的實際狀況，合理選擇礦山地質環(huán)境評價因子及權重指標，對該礦區(qū)的礦山地質環(huán)境質量進行了動態(tài)評價。結果表明：聚乎更煤礦區(qū)的礦山地質環(huán)境質量呈明顯下降的趨勢，2012年采礦活動對礦山地質環(huán)境有影響的面積較2011年增加了近10 km2，主要是地表植被直接或間接地受到破壞，且礦山環(huán)境恢復治理工作進程遠遠跟不上礦山環(huán)境惡化速度。

IKONOS2；聚乎更煤礦；遙感監(jiān)測；礦山地質環(huán)境質量

0 引言

位于青海省海西州天峻縣的木里煤田聚乎更煤礦區(qū)是青海省最具資源潛力的煤礦集中區(qū)之一，是青海省重點鼓勵開采區(qū)。近年來，隨著對煤炭需求量的劇增，在礦產資源開發(fā)監(jiān)管機制不健全和監(jiān)管力度不到位的情況下，往往會導致因煤礦資源的大量開采而對礦區(qū)及其周圍環(huán)境造成一系列負面影響。因此，有必要對礦區(qū)的礦山環(huán)境狀況進行動態(tài)監(jiān)測，獲取客觀數據，掌握礦區(qū)的礦山地質環(huán)境現狀和礦山環(huán)境恢復治理情況；并對礦山地質環(huán)境質量進行評估，為政府部門制定礦山地質環(huán)境恢復治理工作的決策及礦產資源合理開發(fā)利用規(guī)劃提供科學依據。

與其他傳統(tǒng)調查方法相比，遙感技術以其特有的宏觀、高精度定位、重復監(jiān)測及省時省力的高效特點為礦區(qū)礦山地質環(huán)境調查研究工作提供了可靠的技術支持[1-3]。本文以2011年和2012年獲取的2期IKONOS2數據為信息源，通過RS與GIS的相互結合，對青海省木里煤田聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境及礦山環(huán)境恢復治理情況進行遙感調查與監(jiān)測；并結合礦區(qū)基礎地理及地質資料，合理選擇礦山地質環(huán)境評價因子及權重指標，對該礦區(qū)的礦山地質環(huán)境質量進行動態(tài)評價，以掌握礦區(qū)礦山地質環(huán)境質量的現狀及發(fā)展趨勢。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

以青海省聚乎更煤礦區(qū)為研究區(qū)。該區(qū)位于青海省海西州天峻縣木里鎮(zhèn)，南距天峻縣城90 km，地理范圍在E99°03′00″～99°13′00″，N38°05′50″～38°09′30″之間，面積約100 km2。通往礦區(qū)的礦道長約150 km，因礦區(qū)運輸車輛長期碾壓路面致使路面崎嶇不平，交通較為不便。

聚乎更礦區(qū)地處中祁連山高海拔地區(qū)，海拔4 026～4 128 m，相對高差102 m。地形呈西高東低、南高北低之勢，東部努日寺部分溝壑發(fā)育；屬高原丘陵地貌，地表廣為草甸濕地覆蓋，凍土發(fā)育。礦區(qū)內主要河流為哆嗦河，氣候屬內陸高寒大陸性氣候，低氧、氣候寒冷，晝夜溫差大，年均氣溫-4℃。

1.2 地質礦產

1)地層。聚乎更礦區(qū)出露的地層由老至新為上三疊統(tǒng)、下侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、古近系、新近系和第四系[4]。三疊系分布在礦區(qū)的南部、北部和背斜軸部，巖性以細—中粒砂巖為主；侏羅系為組成向斜和各井田的主要地層，自下而上為木里組和江倉組，其中木里組由上至下巖性以中—粗粒砂巖向礫巖過渡，江倉組則發(fā)育厚層的粉砂巖，中夾薄層的細砂巖；古近系—新近系多分布在北部的低凹地帶，巖性為紫紅、灰綠色砂巖，夾礫巖及石膏層；第四系是礦區(qū)主要的覆蓋層，上部地表普遍為腐殖土及草皮，下部為沖洪積成因的含礫亞粘土、沙石和坡積的礫石、冰層等，厚度為0～14.50 m，平均厚度5.90 m。

2)構造。聚乎更礦區(qū)為中生代含煤盆地，礦區(qū)大地構造單元位于中祁連陸塊西段， 屬于瓦乎寺—熱水中生代斷陷-拗陷含煤沉積盆地西部，由一系列山脈和與之相平行的不同期的推覆構造組成構造線，其總體方向為NW-SE向，與之配套的構造有NW和NE向、在拉伸作用下形成的正斷裂[5]。 由于盆地空間的控制，煤系地層沉積后，受南北大通、托賴2條山脈橫向擠壓的影響，礦區(qū)構造轉向與祁連山的NW構造相應一致，以緊密連續(xù)的褶皺為主，并因橫向擠壓力的影響造成與走向平行或斜交的斷裂。聚乎更煤礦區(qū)由南、北2個向斜組成，其中北向斜的聚煤沉積條件優(yōu)于南向斜。

3)礦產。聚乎更煤礦區(qū)煤類以煉焦用煤為主，同時還賦有煤層氣(可燃冰)。從地表至深部布施的各項工程了解到，聚乎更礦區(qū)含有煤層5～6層，煤層總厚度32.59 m，根據構造和煤層的穩(wěn)定情況及賦存狀況，共已探明并劃分為7個井田(一井田、二井田、三井田、四井田、一號露天井田、二號露天井田和三號露天井田)。目前已有2處井田開始開發(fā)建設，其中一號露天井田由青海義海能源煤炭經營有限公司勘探開發(fā)，二井田由青海慶華礦業(yè)有限責任公司勘探開發(fā)。

1.3 礦山環(huán)境

聚乎更礦區(qū)位于青藏高原草沼濕地區(qū)域，區(qū)內草沼密布，雨量充沛，地下1 m處廣泛分布著凍土層；由于土層薄，植被適應性弱差，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱[6]。近年來，隨著煤炭價格的上升，部分企業(yè)在利益驅使下不顧區(qū)域礦產開發(fā)規(guī)劃的要求，造成煤礦無序濫采亂挖的現象非常嚴重，隨之而引發(fā)的礦山地質環(huán)境問題日益嚴重。

對收集到的該區(qū)相關資料[7-8]的分析表明，目前聚乎更煤礦區(qū)的礦山地質環(huán)境問題主要表現在：①露天開采對表層土壤植被的剝離；②排土場堆積的大量煤矸石壓占下方的草地及工業(yè)廣場和行政生活區(qū)建設占用大面積的草沼濕地；③煤礦開采過程中所產生的煤塵以及煤矸石等對周邊河流的污染；④伴隨著煤礦的開發(fā)，草沼濕地下的多年凍土層也遭到不同程度的破壞。一方面，由于在煤礦開采中露天采場的垂直挖掘導致凍土層暴露，引起地表和淺層熱平衡條件的改變，致使凍土層含冰融化；另一方面，由于排土場大面積堆放土石，導致地溫上升，迫使凍土層消融。

隨著煤礦開采活動范圍的擴大，由于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，如不及時采取保護措施及煤礦的合理開發(fā)，被剝離的土壤植被、被壓占的草沼濕地以及凍土層破壞的面積將會逐漸擴大，勢必會加深該礦區(qū)草沼濕地的退化程度，迫使礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境向惡性方向發(fā)展[9]。對該礦區(qū)的實際調查了解到，目前礦區(qū)環(huán)境治理工作是在原來的排土場周圍砌筑擋墻和平整礦區(qū)周邊的礦渣堆積物來減少污染，進而保護周邊環(huán)境。據有關資料顯示：治理前期進行的挖掘機整修坡面工程，共整修坡面面積57萬m2，砌筑擋墻1 260 m3，工程搬運土石方總量約43.5萬m3，截止目前已治理排土場體積2 182.65萬m3。

2 遙感監(jiān)測方法

本研究技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術流程圖Fig.1 Overall technical flow chart

2.1 遙感數據與處理

采用時相為2011年9月和2012年5月的美國IKONOS2數據作為遙感信息源，該數據的全色波段空間分辨率達1 m，多光譜波段空間分辨率達4 m。為保證2期衛(wèi)星數據的信息提取結果的準確性和可對比性，對遙感圖像數據進行處理，其技術流程見圖2。首先，基于ERDAS軟件完成對2011年數據的處理，主要包括波段組合、數據融合及正射糾正等；

圖2 遙感圖像處理流程圖Fig.2 Flow chart of remote sensing image processing

然后，以處理好的2011年數據為基準，通過計算機自動獲取控制點的方法完成對2012年數據的配準。 選擇IKONOS2圖像的B3(R)B2(G)B1(B)進行波段合成，效果較接近于真彩色，有利于對圖像地物信息的判別。數據融合方法采用主成分分析法；正射糾正通過“RPC+DEM+GCP”的方法來實現，即采用IRS-P5衛(wèi)星數據制作的10 m空間分辨率的DEM數據和IKONOS2全色波段數據自帶的RPC有理多項式系數，結合6個野外實測的高精度GCP，輔以二階多項式的方法[10-12]實現，其成圖比例尺可達1∶1萬。運用該方法所得到的正射圖像的空間分辨率能達到1 m，幾何糾正精度在0.2～0.3 mm，成圖比例尺可達到1∶1萬，完全滿足該煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境遙感監(jiān)測要求。

2.2 信息提取

本文以經過正射糾正處理的2011年和2012年2期IKONOS2圖像為基礎圖像，在野外前期踏勘的基礎上，利用ArcGIS平臺，采取人機交互解譯的方法，分別提取與煤礦開采相關的地物信息，主要包括活動開采面、煤礦開采采場、固體廢棄物(棄土棄矸)、中轉場地(煤堆)、礦山建筑(包含礦山道路)、水體污染和礦山環(huán)境恢復與治理等信息[13-14]。聚乎更礦區(qū)地形起伏小，地勢平緩，坡體坡度一般小于3°，這種地形條件決定了礦區(qū)內不會發(fā)生大規(guī)模崩塌、滑坡或泥石流等山體地質災害。

根據聚乎更礦區(qū)煤礦開發(fā)現狀，礦區(qū)內不同地物目標在IKONOS2圖像中具有各自獨特的影像特征，易于區(qū)分和判別。露天采場多沿NW方向展布，呈負地形，邊部有階梯狀剝離臺階發(fā)育，呈深色調；活動開采面范圍較露天采場小，位于露天采場內，色調較采場深，且有機械設備活動跡象(圖3(a))；固體廢棄物(如棄土棄矸)的表面較為新鮮，堆積范圍較為集中，呈錐形，與周邊地表植被邊界明顯(圖3(b))；中轉場地(如煤堆)為明顯的深黑色調，堆放于防護欄內，并與礦區(qū)道路相通(圖3(c))；礦山建筑多為規(guī)則的房屋建筑組成，分布較為集中，多呈淺藍色調(圖3(d))；水體污染在影像上的特征較為明顯，通過對比可以發(fā)現，受污染的水體較未被污染的水體色調要暗(圖3(e))；礦山恢復治理主要是對棄土棄矸的改造，在影像上棄土棄矸的形狀特征仍然保留，但人工改造跡象非常明顯，容易識別(圖3(f))。

(a) 露天采場 (b) 固體廢棄物(c) 中轉場地

(d) 礦山建筑 (e) 水體污染 (f) 礦山環(huán)境恢復治理

圖3 聚乎更煤礦區(qū)地物目標影像特征

Fig.3 Image features of ground objects in Juhugeng coal mining area

前已述及，聚乎更煤礦區(qū)存在的礦山地質環(huán)境問題主要表現在4個方面：①煤礦開采對表層土壤植被的剝離；②礦山建筑、礦山道路以及棄土棄矸對下方植被土壤的壓占；③開采中煤塵和煤矸石等對周邊河流的污染；④露天開采的挖掘對地下凍土層的破壞。

結合本文所提取的礦區(qū)內地物信息可以看出,露天開采場信息能夠反映出煤礦開采剝離表層土壤植被的程度；固體廢棄物、中轉場地及礦山建筑等礦山占地信息能夠較為明確地反映出煤礦開采所堆放的棄土棄矸和礦山建筑等對下方植被的壓占情況；活動開采面占地信息在一定程度上能夠反映出露天開采的挖掘對地下凍土層的破壞程度；水體污染可以反映出該礦區(qū)水資源的被破壞程度。因此，通過對上述地物信息的提取，可以定量化地反映聚乎更煤礦區(qū)的礦山地質環(huán)境問題。

3 礦山地質環(huán)境狀況

應用2期IKONOS2圖像數據對聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境問題的調查結果見表1。

表1 聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境及恢復治理情況遙感調查統(tǒng)計Tab.1 Remote sensing survey statistics of mine geological environment and recovery management in Juhugeng coal mining area (hm2)

2011年針對聚乎更煤礦區(qū)的棄土棄矸問題進行改造，完成礦山環(huán)境恢復治理面積19.76 hm2；但因煤礦開采而造成的土壤植被剝離、土壤植被壓占和對凍土層的破壞面積合計達1 702.23 hm2，污染河流2條，污染水面面積達154.45 hm2。2012年雖然礦山恢復治理面積較2011年增加了近9 hm2，但對土壤植被剝離、壓占和對凍土層的破壞面積合計達2 031.64 hm2，較2011年凈增329.41 hm2；水體污染面積達164.72 hm2，凈增10.27 hm2。上述統(tǒng)計結果表明：2011—2012年，聚乎更煤礦區(qū)因煤礦開發(fā)而造成的礦山環(huán)境惡化程度呈明顯加劇趨勢，尤其對土壤植被的剝離問題最為嚴重，礦山恢復治理工作進程遠遠跟不上礦山環(huán)境惡化速度，與2 a間增加的礦山環(huán)境破壞面積相比較，礦山環(huán)境恢復治理則顯得“杯水車薪”。

4 礦山地質環(huán)境質量評價

本文以網格為單元，對每個單元格內的礦山地質環(huán)境進行評價[15]。在綜合研究礦區(qū)基礎地理數據、地質資料和遙感解譯結果的基礎上，根據聚乎更煤礦區(qū)的礦山地質環(huán)境特征，建立礦山地質環(huán)境評價子系統(tǒng)和評價指標；利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)分別獲得礦山地質環(huán)境評價子系統(tǒng)權值和評價指標權值，并基于ArcGIS平臺，通過網格法對礦區(qū)進行礦山地質環(huán)境子系統(tǒng)評價和礦山地質環(huán)境綜合評價。

4.1 評價原則

根據不同的礦山地質環(huán)境特征,并以各類礦山地質環(huán)境問題的空間分布、發(fā)育現狀及發(fā)展趨勢為依據，以兼顧地質環(huán)境背景和突出重點的地質環(huán)境問題為原則,評價采礦活動對礦山地質環(huán)境影響的程度。

4.2 評價方法

4.2.1 評價單元劃分

礦山地質環(huán)境評價通常采用正方形網格單元劃分方法,即將整個研究區(qū)域劃分成統(tǒng)一大小和形狀的離散網格(通常為正方形)，以其作為基本評價單元[16]。根據評價精度要求，本文以1 km×1 km網格對研究區(qū)進行了劃分，共100個評價單元。

4.2.2 評價因子及等級劃分

根據上述評價原則和聚乎更礦區(qū)礦山地質環(huán)境的特點，確定以礦山開采對礦山地質環(huán)境影響為主、兼顧地質環(huán)境背景的10個評價指標作為本次評價的因子，分別為地形地貌、植被覆蓋度、地質構造、巖性組合、土壤植被剝離比例、土壤植被壓占比例、凍土層破壞比例、地質災害隱患、地質災害和水體污染比例。根據相關規(guī)范，結合研究區(qū)實際情況，采用經驗或專家打分法將評價因子等級劃分為嚴重、較嚴重、較輕和無影響4級；依據該等級劃分方法，將聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境影響程度也劃分為嚴重、較嚴重、較輕和無影響4個等級(表2)。

表2 聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境評價指標及等級劃分Tab.2 Evaluation index and hierarchies of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

4.2.3 評價指標權重

權重的準確度關系到評價結果的可信程度，因此要特別重視權值的確定[17-18]。確定評價指標權值的方法主要有熵值法、AHP法和集值迭代法等[19-20]。其中，AHP基本原理是把復雜系統(tǒng)分解成目標、準則和方案等層次,在此基礎上進行定性和定量分析的決策。本文利用AHP法,通過建立遞階層次結構模型、構造判斷矩陣、計算權向量和一致性檢驗,計算出聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境評價指標權重(表3)。

表3 聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境評價指標權重Tab.3 Evaluation index weight of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

4.3 評價結果

聚乎更煤礦區(qū)2011年和2012年2期礦山地質環(huán)境質量評級結果見表4和圖4。

表4 聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境評價分區(qū)面積統(tǒng)計Tab.4 Statistics of assessment partition area of mine geological environment in Juhugeng coal mining area (km2 )

礦山地質環(huán)境影響程度嚴重區(qū)主要分布在對凍土層破壞和土壤植被剝離嚴重的區(qū)域；礦山地質環(huán)境影響程度較嚴重區(qū)分布于礦山地質環(huán)境影響程度嚴重區(qū)之外，主要為土壤植被壓占較嚴重區(qū)域；礦山地質環(huán)境影響程度較輕區(qū)分布于礦山地質環(huán)境影響程度較嚴重區(qū)之外，主要為因煤礦開采而造成的土地荒漠化。

結果表明：聚乎更煤礦的礦山地質環(huán)境質量呈下降趨勢。其中2011年存在4處礦山地質環(huán)境影響程度嚴重區(qū)，面積為2.63 km2；2012年雖然在礦山環(huán)境恢復治理工作后嚴重區(qū)面積減少為2.44 km2，但嚴重區(qū)的數量增加至11處，且空間展布呈現向外圍擴散的趨勢。2011年較嚴重區(qū)和較輕區(qū)占地面積分別為11.04 km2和13.27 km2，2012年較嚴重區(qū)和較輕區(qū)占地面積與2011年相比均有所增加，分別增加了11.12 km2和24.67 km2，尤其是礦山地質環(huán)境影響程度較輕區(qū)的占地面增加幅度較大，凈增約11 km2。2011年礦山地質環(huán)境無影響區(qū)的占地面積為73.06 km2，2012年則減少為61.77 km2。

圖4 聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境質量評價圖Fig.4 Quality evaluation map of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

5 結論

1)本文利用2011年和2012年獲取的2期IKONOS2數據對聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境進行遙感監(jiān)測，摸清了該礦區(qū)礦山地質環(huán)境的現狀與變化趨勢，并結合基礎地理及地質信息對該礦區(qū)2期礦山地質環(huán)境的質量進行了動態(tài)評價，掌握了該礦區(qū)礦山地質環(huán)境質量的現狀及發(fā)展趨勢,可為政府部門制定下一步礦山地質環(huán)境恢復治理工作的決策及礦產資源合理開發(fā)利用規(guī)劃提供科學依據。

2)聚乎更煤礦區(qū)存在的礦山地質環(huán)境問題主要是直接或間接地破壞地表植被，且礦山環(huán)境恢復治理工作進程遠遠跟不上礦山環(huán)境惡化速度，礦山環(huán)境惡化程度呈明顯加劇趨勢，尤其對土壤植被的剝離問題最為嚴重。另外，礦區(qū)礦山地質環(huán)境質量呈明顯下降的趨勢，露天采場在露采過程中表土被完全剝離，挖掘程度深，致使原有地貌形態(tài)發(fā)生了根本改變，植被遭受破壞；采礦過程中剝離排出的廢土、廢石堆造成了土地資源的二次占用，毀壞了原生植被，惡化了植被的生存條件，從而加速了工礦型荒漠化，極易引發(fā)水土流失。

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(責任編輯：邢宇)

Remote sensing monitoring and quality evaluation for the mine geological environment of the Juhugeng coal mining area in Qinghai Province

MA Shibin1,2， LI Shenghui1,2， AN Ping1,2， YANG Wenfang1,2， XIN Rongfang1,2

(1.InstituteofGeologicalSurveyofQinghaiProvince，Xining810012，China；2.QinghaiKeyLaboratoryforNorthQilianGeologicalProcessandMineralResourcesofTibetanPlateau，Xining810012，China)

Taking the two-period IKONOS2 data acquired in 2011 and 2012 as the information sources,based on the band combination,data fusion and ortho-rectification,the authors made interactive interpretation of the mine geological environment problems,carried out the remote sensing investigation and monitoring work on coal mine environment problems and mine environmental recovery governance of the Juhugeng coal mining area in the Yushania coalfield of Qinghai,combined the mine environment survey results with the geographic and geological data of the mining area,and selected mine geological environment evaluation factors and weight indicators according to the environment condition of the mining area. The dynamic evaluation was conducted for the quality of mine geological environment. The results show that the mine geological environment quality of the Juhugeng coal mining area exhibits a downward trend,the area that affected the mine geological environment by mining activities in 2012 increased by nearly 10 km2as compared with that in 2011,the vegetation was destroyed directly or indirectly,and the process of the work to control mine recovery couldn’t keep up with the process of mine environmental degradation.

IKONOS2；Juhugeng coal mine；remote sensing monitoring；mine geological environment quality

2014-03-06；

2014-04-08

中國地質調查局地質調查項目“青海省重點礦集區(qū)礦產資源開發(fā)遙感調查與監(jiān)測”(編號：1212011121286)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.22

馬世斌，李生輝，安萍，等.青海省聚乎更煤礦區(qū)礦山地質環(huán)境遙感監(jiān)測及質量評價[J].國土資源遙感，2015，27(2)：139-145.(Ma S B，Li S H，An P，et al.Remote sensing monitoring and quality evaluation for the mine geological environment of the Juhugeng coal mining area in Qinghai Province[J].Remote Sensing for Land and Resources，2015，27(2)：139-145.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0139-07

馬世斌(1983-)，男，工程師，主要從事遙感地質及遙感圖像處理方面的研究。Email：msb19831010711@sohu.com。