鐵礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)及治理對(duì)策研究

鐵礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)及治理對(duì)策研究

馮宇，王瑾*，畢如田，呂春娟

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為量化識(shí)別露天采礦造成的土地破壞，提高礦區(qū)生態(tài)退化修復(fù)的有效性，以垣曲縣國(guó)泰公司鐵礦區(qū)為例，提出基于小尺度合理有效修復(fù)礦區(qū)環(huán)境的方法。結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查，將研究區(qū)土地劃分為7種類型(開采地、尾礦庫(kù)、排棄場(chǎng)、裸地、草地、林地及廠房占用地)，通過主成分分析確定土地破壞程度。結(jié)果表明：礦區(qū)土地中度和高度破壞比例高達(dá)27.21%和46.91%；未經(jīng)復(fù)墾的裸露地塊土地破壞程度較大，破壞后采取復(fù)墾措施的地塊土地破壞程度一般，林地土地破壞程度最小，但仍有破壞危險(xiǎn)。結(jié)合自然地理?xiàng)l件分析各地塊損毀原因，研究結(jié)果可為礦區(qū)環(huán)境修復(fù)與生態(tài)礦建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：土地類型；土地破壞評(píng)價(jià)；治理對(duì)策；露天鐵礦區(qū)

收稿日期：2015-08-04修回日期：2015-09-13

作者簡(jiǎn)介：馮宇(1989-)，男(漢)，山西晉城人，碩士，研究方向：土地信息技術(shù)

通訊作者：*王瑾，副教授，碩士生導(dǎo)師。Tel:0354-6289483；E-mail: sxauwj@163.com

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(412576)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后研究項(xiàng)目(614144)；山西省科技廳科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目(2013121005)

中圖分類號(hào)：F301.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Evaluation of Land Damage and Countermeasures in Iron Mining Region

Feng Yu, Wang Jin*， Bi Rutian, Lv Chunjuan

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Abstract:In order to quantify the land damage caused by open pit mining and improve the effectiveness of ecological restoration in mining area, a method for the reasonable and effective remediation of the mine environment was proposed based on the small scale and reasonable effective restoration of the Guotai iron mining area in Yuanqu county.By present situation investigation, we divided the land of study area into seven types: mining land, tailing pond, waste disposal site, bare land, grassland, shrub land and construction land, analyzed the land destruction degree of every plot by principal component analysis (PCA). The result showed that the area proportion of moderate damage land and severe damage land were 27.21% and 46.91%. Besides, the land damage degree of bare plots without reclamation measures was the highest, of damaged plots with reclamation measures was higher, and of shrub plots was the lowest which still remain dangerous. Analysis of the causes of damage to the land by the natural geographical conditions, the research can provide a reference for the environmental restoration and ecological mining in mining areas.

Key words:Land types; Land damage evaluation; Countermeasures for reclamation; Open pit iron mining region

鐵礦山采掘量、排棄量大，對(duì)生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)巨大[1]，生產(chǎn)過程易引發(fā)區(qū)域內(nèi)不同程度的土地破壞，且作用過程復(fù)雜，同時(shí)帶來(lái)廢水、粉塵及重金屬污染物[2]。礦區(qū)廢棄地復(fù)墾及污染物處理需要依靠生態(tài)修復(fù)，但我國(guó)復(fù)墾率較國(guó)外仍有差距[3～5]。采礦嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境質(zhì)量及可持續(xù)發(fā)展，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行土地破壞評(píng)價(jià)對(duì)于保護(hù)土地資源，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

礦區(qū)土地破壞評(píng)價(jià)是對(duì)礦山土地質(zhì)量變化程度的評(píng)價(jià)[6]，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)礦區(qū)土地破壞進(jìn)行了評(píng)估：針對(duì)礦區(qū)不同類型土地進(jìn)行的研究，如對(duì)塌陷地、耕地?fù)p毀程度的評(píng)價(jià)[7～10]；針對(duì)土地破壞評(píng)價(jià)方法的研究，常用的有極限條件法[11]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[6,12]、基于GIS的統(tǒng)計(jì)學(xué)[9]及基于可拓分析的數(shù)學(xué)方法[13]等；對(duì)土地破壞評(píng)價(jià)的指標(biāo)選取研究，主要考慮的因素包括地質(zhì)條件方面[14]、土壤環(huán)境[15]和生態(tài)等方面[2,13]。礦山開采損毀土地基本表現(xiàn)為煤礦山多于其他礦山[16]，且研究集中于較大尺度、分布集中的礦區(qū)[17，18]，對(duì)小尺度、布局分散礦區(qū)的研究較少。

本文通過對(duì)礦區(qū)土地破壞程度的評(píng)價(jià)與分析，旨在揭示小尺度礦區(qū)土地?fù)p毀的關(guān)鍵因素，為防治土地進(jìn)一步破壞，緩解鐵礦對(duì)周邊環(huán)境影響提供借鑒。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

國(guó)泰礦業(yè)集團(tuán)研究區(qū)位于山西省運(yùn)城市垣曲縣境內(nèi)(閆家池鐵礦區(qū)，西園磨選廠，李家窯干排尾礦場(chǎng))(圖1)，總面積1.72 km2。閆家池鐵礦生產(chǎn)規(guī)模10萬(wàn)噸·年-1，資源儲(chǔ)量175.6萬(wàn)噸，平均含鐵量為13.61%，礦區(qū)主要進(jìn)行礦石開采與粗選；西園磨選廠位于垣曲縣城東南，主要進(jìn)行鐵礦細(xì)選與磁選，并形成面積較大的尾礦庫(kù)；李家窯干排尾礦場(chǎng)采取干排方式，降低了潰壩風(fēng)險(xiǎn)，但仍大量占用土地。礦區(qū)多處在黃土丘陵溝壑區(qū)，較易發(fā)生水土流失；由于鐵礦分布多而散、礦石品位不高，多年開采破壞土地資源，形成了較大規(guī)模的廢棄地。目前，國(guó)泰礦業(yè)集團(tuán)土地破壞影響的面積達(dá)1.12 km2，占礦區(qū)總面積的69.1%。

圖1　研究區(qū)地理位置圖 Fig.1　Location of study area

1.2研究方法

1.2.1研究區(qū)土地利用類型劃分

礦區(qū)損毀土地可以按損毀地類型、損毀方式、損毀原因等分類[19]。通過實(shí)地調(diào)查，結(jié)合露天鐵礦生產(chǎn)特點(diǎn)及土地利用情況，將研究區(qū)土地類型劃分為開采地、尾礦庫(kù)、排棄場(chǎng)、裸地、草地、林地、廠房占用地7種類型；并將各地塊單元進(jìn)行編號(hào)。礦區(qū)各類土地基本情況見表1和圖2。

表1露天鐵礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及說明

Table 1Land use structure and explanation in open pit mining region

土地分類Landtype面積/km2Are/km2百分比/%Percentage/%涉及圖斑號(hào)Spotnumber開采地0.20812.1214,22尾礦庫(kù)0.53331.066,28,29,31排棄場(chǎng)0.23813.872,15,21,23,32廠房占用地0.0955.547,9,11,12,30裸地0.1126.5316,20,26草地0.0754.373,13,17,25林地0.45526.521,4,5,8,10,18,19,24,27總計(jì)1.716100.00

注：6為未閉庫(kù)尾礦庫(kù)；29,31為初步復(fù)墾的閉庫(kù)尾礦；28為復(fù)墾后尾礦壩體；2,15,21,23均為廢石堆；32為干排尾礦堆；9為礦區(qū)辦公地；7,11,12,30均為磨選廠地。

Note: Plot number 6 is the applying tailing pond. Plot 29, 31 are the closed tailing pond that had preliminary reclamation measures. Plot 28 is the tailing pond dam. Plot 2, 15, 21, 23 are all waste rock piles. Plot 32 is the dry-type discharge piles. Plot 9 is the construction area. 7, 11, 12, 30 are the areas for ore grinding and separation.

本研究通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘、采土(表層土0～25 cm)、進(jìn)行礦區(qū)土壤、植被、地形、地貌等典型調(diào)查；通過主成分分析法評(píng)估研究區(qū)土地破壞程度，并利用SPSS和ArcGIS軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與制圖。收集數(shù)據(jù)資料包括露天鐵礦區(qū)工程CAD圖、《閆家池礦區(qū)環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告》(2006年)、《閆家池礦區(qū)水土保持方案》(2008年)等。

1.2.2研究區(qū)土地破壞程度評(píng)價(jià)方法

(1)評(píng)價(jià)因子選擇及評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

基于露天金屬礦土地?fù)p毀類型，遵循因子選取普適性強(qiáng)、數(shù)量少、便于直接獲得和應(yīng)用的原則，考慮地形、地表狀況、損毀、植被4種類型作為土地破壞程度的評(píng)價(jià)因素(表2)。

(2)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

以鐵礦區(qū)的32個(gè)地塊為樣本，以表2中的7個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)為變量構(gòu)建矩陣，得出矩陣的特征根和相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，選擇主成分后得到因子提取結(jié)果和因子回歸系數(shù)，根據(jù)因子回歸系數(shù)計(jì)算各地塊因子得分，公式為[20]：

(1)

圖2　鐵礦區(qū)土地分類圖 Fig.2　Land types in iron mining region

破壞類型Damagetype影響因子Impactfactor無(wú)影響(1)Noimpact輕度(3)Mildimpact中度(5)Moderateimpact高度(7)Highlyimpact重度(9)Severeimpact地形條件地表狀況土地?fù)p毀狀況植被條件坡度/°≤5°5°～10°10°～20°20°～30°≥30°土壤pH6.5～7.56.0～6.5或7.5～8.05.0～6.0或8.0～8.54.5～5.0或8.5～9.0≤4.5或≥9.0地表物質(zhì)組成基巖粘質(zhì)土土石砂礫尾礦壓占高度/挖損深度/m0≤11～55～10≥10裂縫寬度/cm00～11～55～10≥10植被類型喬灌混合喬木灌木草地裸地植被覆蓋率/%≥6045～6030～455～30≤5

(2)

(3)

(4)

式中：Pij為標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)值；Xj為第j個(gè)指標(biāo)的算術(shù)平均值；j為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；Aik為第i個(gè)地塊第k個(gè)主成分的因子得分；Wj為第j個(gè)指標(biāo)的因子回歸系數(shù)；Bk為所選用主成分的方差貢獻(xiàn)率；Si為樣本綜合因子得分；Fi為第i個(gè)地塊的主成分百分制得分；Smax為地塊主成分綜合得分的最大值；Smin為地塊主成分綜合得分的最小值。

結(jié)合本文研究區(qū)域的得分特點(diǎn)，通過專家征詢和意見反饋確定礦區(qū)土地破壞程度劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3礦區(qū)土地破壞程度分級(jí)

Table 3The division standard of land damage degree in mining area

綜合得分區(qū)間Comprehensivescoreinterval破壞等級(jí)Damagedegree包含的地塊Plotscontained0無(wú)影響8,271～30輕度破壞1,4,5,10,17,18,1930～60中度破壞3,7,9,12,13,15,20,21,24,25,28,29,3060～100高度破壞2,6,11,14,16,22,23,26,31,32

2結(jié)果與分析

SPSS軟件處理數(shù)據(jù)進(jìn)行Bartlett球度檢驗(yàn)，結(jié)果相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.05，證明適合于因子分析；然后得出矩陣的特征根和相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率。特征值>0.5的主成分有4個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率即主成分包含原變量信息87.68%>85%，取前4個(gè)主成分。主成分F1、F2、F3、F4在各變量上的載荷矩陣見表4；根據(jù)載荷矩陣，進(jìn)一步計(jì)算特征向量矩陣，見表4。

表4　主成分在各變量上的載荷數(shù)及特征向量矩陣

根據(jù)表4得到主成分綜合模型F的表達(dá)式：F=0.014X1+0.333X2+0.281X3+0.09X4+0.167X5+0.247X6+0.25X7；根據(jù)F表達(dá)式，得到各地綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

表5　各地塊綜合評(píng)價(jià)得分

由表3可知，得分最高的地塊32為李家窯干排尾礦庫(kù)圖斑，其土地破壞程度最高；得分最低為地塊8和27，土地幾乎未受采礦活動(dòng)影響；此外，各破壞等級(jí)下的土地面積比例情況見表6。綜合分析和制圖得到礦區(qū)的土地破壞程度等級(jí)分布(圖3)。

表6　不同地類土地破壞程度統(tǒng)計(jì)表

從表6中可以看出，高度破壞面積比例達(dá)到46.91%，其中，尾礦庫(kù)面積最大，達(dá)0.279 km2，排棄場(chǎng)和開采地面積分別占0.201 km2和0.208 km2；中度破壞面積占27.21%，仍是尾礦庫(kù)面積最多0.254 km2?？傮w來(lái)看，中度、高度破壞的土地占研究區(qū)總面積的74.12%；其中，尾礦庫(kù)、排棄場(chǎng)和開采地占到中度和高度破壞面積的約77%。說明造成礦區(qū)土地破壞的首要原因是壓占和開采，尾礦庫(kù)、廢礦堆以及開采場(chǎng)地應(yīng)成為礦區(qū)治理的重點(diǎn)區(qū)域。

總之，造成鐵礦區(qū)土地破壞的因素較多，作用過程復(fù)雜，生態(tài)修復(fù)過程中要全面考慮。將研究區(qū)地形、地表狀況、損毀條件、植被等條件下各因子綜合賦值，得到不同自然地理因素分值圖(圖4)，結(jié)合圖4和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)造成當(dāng)?shù)罔F礦區(qū)土地破壞原因進(jìn)行分析。

2.1地形條件對(duì)露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

地形因素在主成分評(píng)價(jià)中綜合模型系數(shù)為0.014，說明地形因素對(duì)土地破壞并不是主要因素。如地塊10與地塊25，平均坡度相差不大，但綜合得分仍有差異(得分18.44和37.07)；又如地塊5和地塊18同樣是坡度條件相似，得分仍有差異。造成差異的主要原因是地塊10與25的植被類型有差異，地塊5和18的地表物質(zhì)組成差異。

圖3　土地破壞程度綜合評(píng)價(jià)圖 Fig.3　The comprehensive evaluation figure of land damage degree

圖4　不同條件分值圖 Fig.4　The score of different conditions 注：(a)地形條件分值圖　(b)地表狀況分值圖　(c)損毀條件分值圖　(d)植被條件分值圖 Note：(a) the score of terrain condition　(b) the score of surface condition　(c) the score of damage condition　　(d) the score of vegetation condition

在研究區(qū)部分地區(qū)，坡度較大，地貌屬侵蝕低山類型。植被破壞后，表土缺少保護(hù)，坡度大的地方較易造成水土侵蝕。此條件下土地?fù)p毀后，若不及時(shí)采取復(fù)墾措施，較易發(fā)生水土流失和重金屬遷移帶來(lái)的土壤污染等問題。

2.2地表狀況對(duì)露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

土壤pH和地表物質(zhì)組成兩個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重為0.614，對(duì)土地破壞的影響作用較大。在基質(zhì)條件較差地塊，如礦區(qū)尾礦堆(地塊15、23)，雖然進(jìn)行了部分復(fù)墾措施(栽植刺槐、播撒草籽等措施)，但是得分為53.33和60.11，屬于中度破壞。采礦活動(dòng)不同環(huán)節(jié)的排棄與堆放，形成了同一礦區(qū)當(dāng)中不同基質(zhì)條件的現(xiàn)象；同時(shí)，鐵礦區(qū)土壤易受廢水、廢氣等影響，過酸或過堿都不宜生長(zhǎng)植物，缺乏植物保護(hù)，則進(jìn)一步引發(fā)水土流失、滑坡等災(zāi)害。

2.3開采破壞對(duì)露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

開采采取爆破與機(jī)械作業(yè)的方式進(jìn)行，表土剝離與挖掘?qū)ι襟w的破壞是劇烈且不可逆的。研究區(qū)內(nèi)的山體大多挖損深度在10 m以上，部分地區(qū)可達(dá)50 m。與采掘深度相同，采礦活動(dòng)的壓占對(duì)原有土地的破壞也是巨大的，壓占面積和高度都是評(píng)判土地?fù)p毀的重要指標(biāo)。

2.4植被條件對(duì)露天鐵礦區(qū)土地破壞的影響

植被條件直接決定了地塊綜合得分的高低。以地塊16和24為例，兩地塊除植被指標(biāo)外其他各指標(biāo)均相似，均屬礦區(qū)內(nèi)原有地貌類型，山體多石，地形起伏較大，未經(jīng)挖損或壓占。但由于地塊24植被覆蓋度較高，植被種類較豐富，破壞程度較地塊16小，地塊24得分54.03(中度破壞)，地塊16為71.85(高度破壞)；植被條件評(píng)價(jià)結(jié)果有這樣的規(guī)律：植被類型多樣、覆蓋度高的區(qū)域土地破壞的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。在采礦區(qū)，原有林地植被類型多樣，喬灌草結(jié)合，不易發(fā)生土地破壞，且通常在已復(fù)墾區(qū)域內(nèi)，復(fù)墾植被增加了土地覆蓋度，降低了水土流失發(fā)生率；而在植被覆蓋度較低和植被類型較單一的區(qū)域(如僅有灌木或僅有草地的地塊)較易發(fā)生土地破壞。

3討論與結(jié)論

1)針對(duì)露天鐵礦區(qū)地形、開采條件、地表物質(zhì)組成及植被條件等多因素相互作用的情況，鐵礦區(qū)復(fù)墾措施也應(yīng)當(dāng)是多種手段配合使用。改善當(dāng)前較差土壤條件可以通過客土調(diào)節(jié)、添加石灰、微生物修復(fù)等措施；對(duì)開采破壞的土地，堆放廢石應(yīng)注重科學(xué)性，合理規(guī)劃與布置、及時(shí)覆土、栽植；尾礦庫(kù)壩體要定期進(jìn)行加固和監(jiān)測(cè)，防止?jié)?；采取植物生態(tài)修復(fù)措施，要考慮植物的抗逆性、適應(yīng)性以及協(xié)調(diào)性，遵循當(dāng)?shù)刈匀灰?guī)律，注重喬、灌、草植物群落的組合，增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)做到科學(xué)復(fù)墾，降低修復(fù)成本，需要找到鐵礦土地分異的關(guān)鍵因素。排棄所產(chǎn)生的廢石堆與尾礦庫(kù)是鐵礦區(qū)復(fù)墾的主要對(duì)象。鐵礦廢石堆放要遵循開采時(shí)序和注重堆放層次，合理布置排土場(chǎng)、廢石堆。應(yīng)當(dāng)避免粗選尾礦與土石的混合排放，可根據(jù)土石粒徑分離土壤和礦石，節(jié)約山區(qū)礦本就稀缺的土地資源；當(dāng)前，尾礦庫(kù)干排處理技術(shù)大大降低了濕排工藝尾礦庫(kù)潰壩的風(fēng)險(xiǎn)，積極探索干排尾礦再利用的新途徑(如燒制磚瓦、工程墊填等)，是促進(jìn)資源集約與環(huán)境友好型綠色礦山建設(shè)的根本方略。

綜合以上分析，尾礦庫(kù)、廢礦堆和開采場(chǎng)成為造成垣曲縣露天鐵礦土地破壞的罪魁禍?zhǔn)?，不及時(shí)采取復(fù)墾措施只會(huì)讓土地進(jìn)一步破壞并大大增加后期復(fù)墾成本。垣曲縣離真正意義的“生態(tài)縣”還存在現(xiàn)實(shí)的差距，對(duì)礦區(qū)破壞土地進(jìn)行科學(xué)分類，是高效地采取復(fù)墾措施的前提，在采礦企業(yè)采用先進(jìn)、適合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)修復(fù)措施也成為當(dāng)前最主要的任務(wù)。

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(編輯：馬榮博)