基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境綜合治理研究——以冕寧牦牛坪稀土礦為例

楊顯華，黃 潔，田 立，劉 智，韓 磊

(1.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081;2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059)

0 引言

礦山是人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境影響最為強(qiáng)烈的場所之一。人類在開發(fā)利用礦產(chǎn)資源的同時，也改變或破壞了礦區(qū)的自然和地質(zhì)環(huán)境，從而產(chǎn)生諸多地質(zhì)環(huán)境問題。我國政府和社會對礦山環(huán)境問題極其重視。為保護(hù)礦山環(huán)境，減少礦產(chǎn)資源勘查開采活動對礦山環(huán)境造成的破壞，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)社會、資源環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，國土資源部制定了《礦山環(huán)境保護(hù)規(guī)定》、《“礦山復(fù)綠”行動實施方案》等一系列礦山環(huán)境保護(hù)政策和措施。因此，如何快速、客觀、有效地掌握礦山的最新地質(zhì)環(huán)境狀況，制定有針對性的綜合治理方案，已經(jīng)引起了全社會的關(guān)注［1］。

隨著對地觀測技術(shù)的飛速發(fā)展以及觀測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，高分辨率遙感數(shù)據(jù)已普遍應(yīng)用于大規(guī)模、高頻率的國土資源調(diào)查中，并在礦產(chǎn)資源開發(fā)和礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法等方面發(fā)揮了重要作用。本文以位于四川省西南部的冕寧牦牛坪稀土礦區(qū)為研究區(qū)，將該區(qū)的礦山環(huán)境和礦山開發(fā)狀況作為研究對象，重點探討了基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境綜合治理方法［2－5］，以期為今后礦山遙感監(jiān)測中綜合分析重點礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、制定恢復(fù)治理措施提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

冕寧牦牛坪稀土礦是我國第二大稀土(rareearth elements，REE)礦產(chǎn)地，稀土礦開采始于20世紀(jì)80年代末期，在當(dāng)時“大礦大開、小礦小開、有水快流”的政策背景下，在不足2 km2的范圍內(nèi)，礦產(chǎn)采選企業(yè)曾多達(dá)100家以上。多年來，稀土礦資源的大量開采，在拉動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，嚴(yán)重影響了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會的健康發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究采用2013年5月21日獲取的SPOT6衛(wèi)星遙感圖像，空間分辨率為1.5 m。對圖像進(jìn)行了正射糾正、融合、鑲嵌和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，可以滿足1∶2.5萬比例尺的礦山環(huán)境信息識別及提取精度。

2 研究方法

基于SPOT6全分辨率遙感圖像，以ArcGIS為平臺，根據(jù)已建立的解譯標(biāo)志，采用類比法、直譯法、排除法和推測法等解譯方式，開展礦山開發(fā)狀況和礦山環(huán)境信息提取;在此基礎(chǔ)上，對礦山地質(zhì)災(zāi)害、礦山土地壓占、礦山環(huán)境污染、礦山恢復(fù)治理、尾礦庫分布和礦山開采點等6類地物信息開展綜合分析研究［6－8］，主要分析內(nèi)容及資料來源見表1。

表1 綜合分析內(nèi)容一覽表Tab.1 Contents of comprehensive analysis

2.1 遙感解譯

2.1.1 遙感解譯標(biāo)志

根據(jù)研究區(qū)礦山環(huán)境實際情況，將所提取的6類礦山地物信息進(jìn)一步細(xì)化，細(xì)化后的14種主要圖斑類型如表2所示;主要礦山地物的遙感解譯標(biāo)志如圖1所示。

表2 主要礦山地物遙感解譯標(biāo)志Tab.2 Remote sensing interpretation keys of main objects in mining area

圖1 主要礦山地物遙感解譯標(biāo)志Fig.1 Remote sensing interpretation keys of main objects in mining area

2.1.2 解譯精度分析

盛茂產(chǎn)[19]認(rèn)為，包世臣書學(xué)理論的主要特色是大力提倡北碑以矯宋、明以來臨攀閣帖的風(fēng)氣，至于其不足在于提倡碑版、力求改革時弊的理論中，也有矯枉過正、語過其實之處，他推崇北碑書法，而其在碑版書法方面的成就并不卓著。

按照礦山監(jiān)測相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求［9］，在研究區(qū)內(nèi)共解譯出礦山地物圖斑416個;選擇解譯中存在疑問和隨機(jī)抽查圖斑共55個進(jìn)行了野外驗證。驗證結(jié)果表明，55個驗證圖斑中解譯準(zhǔn)確的有51個，解譯準(zhǔn)確率為92.73%。其中，礦山地質(zhì)災(zāi)害、礦山開采點和尾礦庫未出現(xiàn)誤判圖斑，礦山環(huán)境污染和礦山環(huán)境恢復(fù)各有1個誤判點，礦山土地壓占有2個誤判點。驗證后對誤判圖斑均進(jìn)行了修正。因此，本文解譯的礦山地物類型總體上準(zhǔn)確可靠。

2.2 綜合分析

在掌握礦區(qū)地物信息基礎(chǔ)上，將礦山環(huán)境與礦山開發(fā)信息綜合，區(qū)分其開發(fā)利用狀態(tài)(正在利用或已關(guān)閉廢棄)和所屬主體(企業(yè)名稱或無主礦山)，編制礦山地質(zhì)災(zāi)害、礦山占地、礦山環(huán)境污染、礦山開采點、礦山環(huán)境恢復(fù)和尾礦庫分布等專題圖件;最后綜合疊加各專題圖件的信息，參照《四川省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃》中關(guān)于推進(jìn)礦山環(huán)境恢復(fù)治理的相關(guān)內(nèi)容，有針對性地提出礦山環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)劃及建議。礦山環(huán)境綜合分析流程如圖2所示。

圖2 礦山環(huán)境綜合分析流程Fig.2 Flow chart of com prehensive analysis for m ine environment

2.3 綜合分析結(jié)果

1)礦山開發(fā)。共解譯出稀土礦開采點9個(包括2個采礦硐口和7個露天開采面)，其中正在利用的開采點5個，其余4個處于關(guān)閉或廢棄狀態(tài)，屬于礦業(yè)整治工作開展前無主礦山開采(圖3(a))。根據(jù)礦產(chǎn)資源規(guī)劃等資料分析，牦牛坪稀土礦區(qū)在2006年礦業(yè)整治前有100余家礦山亂采濫挖，2010年礦業(yè)整頓治理結(jié)束后區(qū)內(nèi)僅保留2家大型礦山進(jìn)行規(guī)范生產(chǎn)。綜合分析結(jié)果表明，礦區(qū)開采秩序已得到一定程度的規(guī)范，明確了治理主體，其中2006年以前無主礦山開采形成的環(huán)境問題由政府主導(dǎo)治理，2010年整頓治理后礦山開采形成的環(huán)境問題由采礦企業(yè)主導(dǎo)治理。

2)礦山占地。2013年對礦區(qū)進(jìn)行的遙感調(diào)查共發(fā)現(xiàn)礦山占地837.70 hm2，其中正在利用礦山占地面積449.91 hm2，停止利用礦山占地面積387.79 hm2(圖3(a))。結(jié)合礦山開采狀況的解譯結(jié)果，進(jìn)一步對不同占地類型所屬開采主體和占地狀態(tài)分別進(jìn)行了統(tǒng)計。綜合分析表明，礦區(qū)內(nèi)廢棄礦渣占地問題嚴(yán)重，有必要在區(qū)分不同利用狀態(tài)(在利用或已廢棄)下進(jìn)行復(fù)綠和復(fù)墾治理。

圖3 礦山專題信息提取圖斑分布圖Fig.3 Distribution of image spots extracted from m ine feature information

3)礦山地質(zhì)災(zāi)害。共解譯出地質(zhì)災(zāi)害點及隱患點10個，其中泥石流3個、滑坡1個、不穩(wěn)定斜坡6個(圖3(b));結(jié)合礦山開采狀況的解譯結(jié)果，進(jìn)一步對引發(fā)各礦山地質(zhì)災(zāi)害的礦山開采企業(yè)主體及相關(guān)采礦活動狀態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計。綜合分析表明，區(qū)內(nèi)泥石流和不穩(wěn)定邊坡對礦區(qū)內(nèi)的設(shè)施與河流存在威脅，是礦山地質(zhì)災(zāi)害治理的主要目標(biāo)。

4)礦山環(huán)境污染。解譯出污染河流長度20.15 km，污染水域面積200.28 hm2(圖3(c))。主要水體污染物質(zhì)包括有放射性的稀土元素氧化物(rareearth oxides，REO)二氧化釷(ThO2)和重金屬元素Pb，Cr，Cd 等［10］;水污染主要由廢棄礦渣淋濾作用及選礦廢水排放造成。

5)尾礦庫。解譯出稀土礦尾礦庫182.73 hm2，其中在采礦山新建尾礦庫53.31 hm2，正在利用尾礦庫7.78 hm2，已廢棄或停用尾礦庫121.64 hm2(圖3(c))。研究區(qū)內(nèi)尾礦渣富含多種稀有元素，具有綜合利用前景，可利用的主要礦物有螢石、重晶石和細(xì)粒氟碳鈰礦。已有研究表明，采用合適的回收方式，螢石的回收率可達(dá)到 75.69%，品位為98.30%，達(dá)到國家一級品水平;稀土的總回收率可達(dá)82.83%［11］。目前主要存在的問題是符合商業(yè)化、規(guī)模化的選礦工藝還存在技術(shù)難度。建議國家可將該類尾礦庫作為潛在資源儲備。綜合分析表明，區(qū)內(nèi)廢棄尾礦庫既有資源保護(hù)價值，也是造成水體污染重要因素，因此對廢棄尾礦庫的保護(hù)治理工作尤為必要。

6)礦山環(huán)境恢復(fù)。解譯出恢復(fù)治理區(qū)5處，其中地質(zhì)災(zāi)害治理區(qū)1處、主要針對尾礦庫治理的植被復(fù)綠及災(zāi)害治理區(qū)4處，共完成恢復(fù)治理面積約58.09 hm2(圖3(b))。2013年7月17日冕寧縣牦牛坪稀土礦區(qū)遭受了特大暴雨，引發(fā)的泥石流災(zāi)害使19.68 hm2恢復(fù)治理區(qū)遭受破壞，占已恢復(fù)治理面積的33.88%，沖走尾礦渣約1萬余t。

3 礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃

3.1 區(qū)劃原則與方案

確定礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃的原則時，既要考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境條件，也要考慮區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)特征［12－13］。

1)結(jié)合實際的原則。對已關(guān)閉或廢棄礦山開展全面的恢復(fù)治理;對正在利用的礦山則以地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境污染防治為主，礦山復(fù)綠等工作待停止開采(或停止使用)后再進(jìn)行。

2)區(qū)分礦山環(huán)境影響主體的原則。在劃分恢復(fù)治理區(qū)時，需要區(qū)分不同礦山企業(yè)采礦引發(fā)的礦山環(huán)境問題與歷史遺留的礦山環(huán)境問題，以便確定恢復(fù)治理主體。

3)綜合分析研究原則。由于影響礦山環(huán)境的因素很多，礦山治理所涉及的問題大多是由多種因素共同作用的結(jié)果，因此礦山環(huán)境治理區(qū)劃分需要在對影響因素作綜合分析研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.1.2 區(qū)劃方案

以牦牛坪稀土礦區(qū)的礦山開發(fā)狀況和礦山環(huán)境遙感解譯及綜合分析成果數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃原則，對不同區(qū)域存在的礦山環(huán)境問題、治理措施和礦山開采狀況等信息進(jìn)行組合分析，并在多次聽取專家意見的基礎(chǔ)上，將牦牛坪稀土礦區(qū)劃分為4種地質(zhì)環(huán)境綜合治理劃區(qū)類型，即礦山地質(zhì)災(zāi)害與礦山復(fù)綠綜合治理區(qū)(Ⅰ)、尾礦資源保護(hù)與水污染防治區(qū)(Ⅱ)、河道疏通治理區(qū)(Ⅲ)和礦山地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)(Ⅳ)，詳見表3。

表3 礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃分類Tab.3 Com prehensivemanagement division and classification ofm ine environm ent

3.2 區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)建立的礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃原則和方案，將牦牛坪稀土礦區(qū)劃分為10個治理區(qū)劃(圖4)，涉及到4種區(qū)劃類型:

圖4 牦牛坪稀土礦區(qū)礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃圖Fig.4 Comprehensivemanagement zoning map ofm ine environment in M aoniuping rare－earth m ining area

1)礦山地質(zhì)災(zāi)害與礦山復(fù)綠治理區(qū)(Ⅰ)。本治理區(qū)劃有2個分區(qū)(Ⅰ1和Ⅰ2)，位于牦牛坪稀土礦區(qū)西北和西南部，地勢陡峭，巖體破碎，屬礦業(yè)整治前稀土礦采礦遺留的采場、中轉(zhuǎn)場和廢石堆等地物類型;目前已停止開采，屬無主廢棄礦區(qū)。治理區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)環(huán)境問題是礦山地質(zhì)災(zāi)害、土地?fù)p毀和脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件。

2)尾礦資源保護(hù)與水污染防治區(qū)(Ⅱ)。本治理區(qū)劃有3個分區(qū)(Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅱ3)，位于牦牛坪稀土礦區(qū)中南部河道內(nèi)，屬礦業(yè)整治前稀土礦選礦廠沿河道修建的尾礦庫，目前已基本停止使用，對部分尾礦庫已進(jìn)行了恢復(fù)治理工作。主要地質(zhì)環(huán)境問題是尾礦庫修建簡陋，壩體均由礦渣堆積建成，位于陡峭山谷前緣河道內(nèi)，受水流沖刷、侵蝕作用，尾礦受損嚴(yán)重，并造成了次生地質(zhì)災(zāi)害、河道水體污染和資源浪費(fèi)等問題。

3)河道疏通治理區(qū)(Ⅲ)。本治理區(qū)劃有2個分區(qū)(Ⅲ1和Ⅲ2)，位于牦牛坪稀土礦區(qū)南部和東部河道內(nèi)，屬礦業(yè)整治前稀土礦開采廢渣、廢土沿河道隨意堆放區(qū)域。主要地質(zhì)環(huán)境問題是長期受雨水、河水沖刷作用下形成的河道淤積。

4)礦山地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)(Ⅳ)。本治理區(qū)劃有3個分區(qū)(Ⅳ1，Ⅳ2和Ⅳ3)，位于牦牛坪稀土礦區(qū)西北部和西部，屬目前正在開采利用的礦業(yè)活動區(qū)。存在的主要問題是，受特殊地形地貌條件限制，稀土礦露天開采產(chǎn)生的固體廢棄物難以找到合適的地點堆放，通常沿山溝和山坡堆放，形成地質(zhì)災(zāi)害隱患。

4 礦山環(huán)境綜合治理對策與建議

牦牛坪稀土礦區(qū)的礦山環(huán)境治理可根據(jù)礦業(yè)活動狀態(tài)、礦山環(huán)境問題類型和礦山環(huán)境破壞程度的不同，采取不同的保護(hù)與治理方案。根據(jù)劃分的10個二級礦山環(huán)境治理分區(qū)提出的對策與建議見表4。

表4 礦山環(huán)境綜合治理對策與建議Tab.4 Countermeasures and suggestions for comprehensivemanagement ofm ine environment

5 結(jié)論與建議

1)本文研究并總結(jié)了基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境綜合治理的方法流程。用高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取的礦山地物類型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。本研究以提取的各種數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合分析礦山開發(fā)、礦山環(huán)境、國家政策規(guī)劃等各方面因素，完成了冕山牦牛坪稀土礦區(qū)的礦山環(huán)境綜合治理區(qū)劃，并提出了對策與建議。研究成果可應(yīng)用于該區(qū)礦山環(huán)境治理方案和治理規(guī)劃的制訂與實施。

2)牦牛坪稀土礦區(qū)作為四川省礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理重點礦區(qū)之一，其礦山環(huán)境、礦山開發(fā)和社會經(jīng)濟(jì)等因素具有一定的代表性和可參照性。在礦山遙感監(jiān)測工作中，與冕寧牦牛坪稀土礦相似的其他礦區(qū)也能以其為參照，探索自身的地質(zhì)環(huán)境綜合治理區(qū)劃方案。

3)本文立足礦山環(huán)境恢復(fù)治理的實際，將研究區(qū)內(nèi)礦山環(huán)境和礦山開發(fā)狀況作為綜合分析研究的對象，重點探討了具體礦山在小尺度上的遙感監(jiān)測和地質(zhì)環(huán)境綜合治理研究方法;但在國家級、省級等大尺度層面上進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境綜合治理研究時，尚難以建立統(tǒng)一的綜合分析方法和區(qū)劃原則，這也是下一步研究工作中需要解決的問題。

志謝:感謝四川省地質(zhì)調(diào)查院和成都理工大學(xué)參與礦山遙感監(jiān)測工作的所有人員。

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