基于TM影像的德興銅礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化

查東平，申 展，劉足根，廖 兵，王 偉

(1.江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，南昌 330029;2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

0 引言

礦產(chǎn)資源是重要的自然資源，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［1－2］，對其開發(fā)和利用能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但同時也會對生態(tài)環(huán)境造成破壞和威脅［3］。礦產(chǎn)開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的破壞主要表現(xiàn)在毀壞大面積森林和草地等植被、造成河流等地表水污染、改變原有地區(qū)的地表形態(tài)和自然景觀以及引發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害等方面［4－6］。其中，礦產(chǎn)開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響是我國資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展政策優(yōu)先關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一［7］。盡管一些學(xué)者對德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境監(jiān)測和生態(tài)修復(fù)等方面給予了關(guān)注［8－10］，但對于長時間序列下礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化方面的研究還很缺乏。

本文通過對比1992年、1996年、2000年、2004年、2009年和2013年等6個年份遙感影像，分析了德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)20 a間生態(tài)環(huán)境綜合變化情況，評估礦產(chǎn)開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境的影響，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的模擬、預(yù)測和修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

德興銅礦地處長江中下游，位于江西省東北部上饒德興市境內(nèi)，距德興市22 km，上饒市127 km，南昌市 280 km，中心地理坐標(biāo)為 E117°43'40″，N29°01'26″。研究區(qū)地勢東南高，西北低，屬于江南丘陵地區(qū)。地面海拔65～500 m，起伏較大，區(qū)內(nèi)地面切割較強(qiáng)烈，山坡較陡，坡度在20°～40°之間。溝谷密度中等，約為 2～3 km/km2［11］，其中長度大于2 km的有西源溝支溝、楊桃塢溝、祝家溝、黃坑溝和大塢河溝等5條。礦區(qū)為以黃銅礦為主的多礦種伴生礦床，其伴生元素共有16種［12］。研究區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，并處于較高酸性環(huán)境。

2 數(shù)據(jù)處理與解譯

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ENVI5.1軟件Landsat Calibration模塊和FLASSH模塊對TM影像分別進(jìn)行輻射校正和大氣校正，采用1∶5萬比例尺地形圖對其進(jìn)行多模式模型配準(zhǔn)的幾何精糾正，得到預(yù)處理產(chǎn)品。其中，F(xiàn)LAASH方法采用MODTRAN4+輻射傳輸模型，幾何糾正采用鄰近法采樣輸出，結(jié)果如圖1所示。

圖1 德興銅礦區(qū)遙感影像預(yù)處理結(jié)果Fig.1 Preprocessing results of remote sensing images of Dexing copper m ine area

2.2 影像解譯

根據(jù)研究區(qū)具體情況，借鑒《全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估項(xiàng)目技術(shù)指南》劃分體系，將研究區(qū)生態(tài)類型分為采礦場、排土場、尾礦庫、林地、草地、耕地、湖庫、河流、居民地和交通用地等10種［13］。本文采用基于 eCognition面向?qū)ο笥跋穹指罴夹g(shù)，具體設(shè)置為分割尺度10，形狀因子0.1，緊致度0.6;然后將分割圖斑轉(zhuǎn)成shp文件并導(dǎo)入ArcMap軟件，采用人工判讀方式進(jìn)行分類和調(diào)整。分割后，影像沒有類似基于像素分類產(chǎn)生的狹小和破碎單元，分類邊界較完整，結(jié)果如圖2所示。

圖2－1 影像解譯結(jié)果Fig.2－1 Image interpretation results

圖2－2 影像解譯結(jié)果Fig.2－2 Image interpretation results

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化分析

利用ArcGIS9.3對1992—2013年6期遙感影像解譯結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)地物類型面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)地物類型面積統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of ecosystem area

3.1.1 礦區(qū)面積變化分析

礦區(qū)面積變化能夠反映過去20 a間礦產(chǎn)資源開采活動的強(qiáng)度和礦產(chǎn)資源開采土地剝離后生態(tài)恢復(fù)的程度。研究區(qū)礦產(chǎn)資源區(qū)有2個露天采場(德興銅礦和富家塢采礦場)、2個廢石堆(祝家排土場和西源排土場)及2個尾礦庫(2號和4號尾礦庫)，具體位置見圖2。礦區(qū)采礦場、排土場和尾礦庫面積變化情況如圖3所示。

圖3 采礦場、排土場和尾礦庫面積變化Fig.3 Changes in them ining field，field area dum p and tailings

從圖3可以看出，20 a間德興銅礦礦產(chǎn)資源區(qū)采礦場、排土場和尾礦庫的面積均呈現(xiàn)增大趨勢。其中1992年采礦場面積為5.35 km2、排土場面積為0.79 km2、尾礦庫面積為 1.28 km2。2013 年采礦場、排土場和尾礦庫面積分別達(dá)到10.32 km2，6.92 km2和3.61 km2，3種類型占地面積年均分別增長3%，11%和5%。從類型轉(zhuǎn)移方向上來看，采礦場過去20 a間在原有占地基礎(chǔ)上增大，轉(zhuǎn)換為其他生態(tài)類型面積較小，剝離的表土基本上無修復(fù);2號和4號尾礦庫在原有占地基礎(chǔ)上擴(kuò)大了面積，2號尾礦庫部分區(qū)域得到修復(fù)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，修?fù)面積約0.7 km2。從礦區(qū)占地類型來看，采礦場和排土場主要侵占的是林地和草地，尾礦庫主要侵占的類型為湖庫。

3.1.2 礦山植被和耕地面積變化分析

本次分類中礦山植被［13］包含草地和林地。礦山植被和耕地是評價礦山功能區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，其面積變化如圖4所示。

“快跑，快進(jìn)洞！”青辰朝著唐玉煙大喊。二人眼下身處絕壁，直接暴露在巖鷹的爪下，若是被撲中，定無生還之理。

圖4 礦山植被和耕地面積變化Fig.4 Changes in m ining vegetation and arable land

從圖4可以看出，礦山內(nèi)植被和耕地所占有的面積比例最大，占礦區(qū)所有生態(tài)類型總面積50%以上，其中1992年所占面積為178.72 km2，所占比例為70.29%。2013年礦山植被面積為126.80 km2，所占評估區(qū)面積比例57.50%。

20 a間，礦山植被的面積呈逐漸減少趨勢，但生態(tài)修復(fù)面積有限，僅有部分尾礦庫被修復(fù)為草地。從轉(zhuǎn)換方向來看，林地和草地大部分被轉(zhuǎn)換為采礦場、排土場、居住地及交通用地等人工表面，2004年后交通用地侵占面積有增快趨勢，部分耕地轉(zhuǎn)換為林地和草地。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)景觀格局變化分析

采用景觀生態(tài)學(xué)中景觀指數(shù)方法對德興銅礦礦產(chǎn)資源區(qū)1992—2013年解譯提取的礦區(qū)生態(tài)類型進(jìn)行評價分析。在 ArcGIS10和 Fragstats4.1平臺下，計(jì)算研究區(qū)斑塊數(shù)(number of patchs，NP)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)、邊界密度(edge density，ED)和聚集度指數(shù)(contagion index，CONT)4個景觀指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 景觀格局指數(shù)Tab.2 Landscape pattern indices

3.2.1 斑塊數(shù)和平均斑塊面積分析

斑塊數(shù)和平均斑塊面積反映了景觀破碎化程度。景觀破碎化程度增大表現(xiàn)在不同景觀類型斑塊數(shù)增多，平均面積減小，斑塊趨于不規(guī)整，系統(tǒng)內(nèi)部獨(dú)立生境面積萎縮，廊道被截?cái)嘁约安煌坝^之間彼此相隔離［14］。斑塊數(shù)和平均斑塊面積變化趨勢見圖5。

圖5 斑塊數(shù)(左)和平均斑塊面積(右)變化趨勢Fig.5 Trends of number of patches(left)and mean of patch area(right)

由表2和圖5可以看出，1992—2013年德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)量上呈現(xiàn)明顯上升趨勢;平均斑塊面積在不同的景觀類型上表現(xiàn)出不同的變化趨勢。平均斑塊面積20 a間呈現(xiàn)增大趨勢的生態(tài)類型有居住地、排土場、尾礦庫及湖庫;而耕地、林地和草地平均斑塊面積呈現(xiàn)減小趨勢。從遙感影像和解譯結(jié)果上可以看出，居住地、排土場和尾礦庫均在原有占地面積上向周邊擴(kuò)張了其范圍，在影像解譯結(jié)果中也呈現(xiàn)較為完整的斑塊，因此平均斑塊面積呈現(xiàn)增大趨勢。湖庫平均面積增大從遙感影像和解譯結(jié)果中可以找到2方面原因:一是面積較小湖庫被尾礦和廢土填埋消失，致使平均面積增大;二是4號尾礦庫的堆積，致使湖庫中水量增加，水域面積增大。耕地、林地和草地均遭受其他生態(tài)系統(tǒng)類型嚴(yán)重侵占，斑塊變得更加破碎化。

總體來看，斑塊數(shù)增加，平均斑塊面積減小，斑塊破碎化程度增加。

3.2.2 邊界密度變化分析

由表2可知，德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)內(nèi)邊界密度呈上升趨勢的生態(tài)系統(tǒng)地物類型有耕地、居住地、尾礦庫、排土場、采礦場和交通用地等人工表面，其他自然生態(tài)系統(tǒng)邊界密度變化不大(圖6)。

圖6 邊界密度變化趨勢Fig.6 Trends of boundary density

從圖6可以看出，德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)人工表面系統(tǒng)破碎化程度上升，這與斑塊數(shù)和斑塊平均面積所反映的結(jié)果一致。采礦場等人工表面系統(tǒng)受礦產(chǎn)資源開發(fā)等人類活動影響，其人工表面斑塊及其相鄰異質(zhì)斑塊間的邊緣明顯增長。

3.2.3 聚集度指數(shù)變化分析

1992—2013年生態(tài)系統(tǒng)聚集度總體呈下降趨勢，但變化范圍較小。從斑塊類別來看，聚集度指數(shù)上升的有交通用地、尾礦庫、湖庫和采礦場。礦山呈線狀分布，交通用地斑塊之間總是相鄰，道路的新建和原有道路拓寬能夠使聚集度指數(shù)上升(圖7)。

圖7 聚集度指數(shù)變化趨勢Fig.7 Trends of aggregation index

從圖7可以看出，尾礦堆放使尾礦庫面積增大，聚集度增加，從數(shù)值上來看，尾礦庫的聚集度指數(shù)也僅低于采礦場和林地。20 a間湖庫的聚集度指數(shù)呈略微上升趨勢，由于小湖庫的消失使得聚集度指數(shù)呈上升趨勢。采礦場位置相對固定，主要集中在德興銅礦采礦場和富家塢采礦場，完整性較好，聚集度只有些微上升。草地、林地和河流的聚集度指數(shù)分別有所下降，說明礦產(chǎn)資源開發(fā)活動對草地、河流和林地的占用和其他影響加劇，使其破碎程度增加。

4 結(jié)論與討論

1)1992—2013年20 a間德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了重大變化。主要表現(xiàn)為采礦場、排土場和尾礦庫面積逐年增大，被侵占面積最大的是林地;林地、草地和耕地面積逐年減小，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴傻V場、排土場、居民地和交通用地等人工表面。自然生態(tài)系統(tǒng)朝著人工生態(tài)系統(tǒng)單一方向轉(zhuǎn)變，生態(tài)修復(fù)面積較小。

2)1992—2013年20 a間德興銅礦礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量朝變差的方向發(fā)展。除采礦場、排土場、尾礦庫和居民地等人工表面平均斑塊面積呈增大趨勢，總體上平均斑塊面積呈現(xiàn)減小趨勢，各類生態(tài)系統(tǒng)聚集度指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。說明礦產(chǎn)資源開發(fā)活動導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)破碎化程度加重，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量逐漸下降。

3)建議今后加大生態(tài)恢復(fù)投入，防范礦產(chǎn)資源開發(fā)過多地侵占耕地、林地和草地;對于廢棄不用的固體尾礦區(qū)和露天采場應(yīng)加大植被恢復(fù)力度，防止水土流失;尾礦庫內(nèi)固體和液體含有多種污染物，應(yīng)防止其擴(kuò)散流入樂安河;尾礦庫和廢石堆易引發(fā)崩塌和泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)尾礦庫的管理，降低尾礦庫引發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的防范措施，提高減災(zāi)、防災(zāi)意識。

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