露天采礦區(qū)地表水環(huán)境空間特征及其影響因素

王會(huì)宇 王杰 崔玉環(huán) 趙玏洋

摘要 [目的]探究露天采礦區(qū)地表水環(huán)境空間特征及其影響因素。[方法]選取安徽省馬鞍山礦區(qū)的南山礦為研究區(qū)，以礦區(qū)高分辨率遙感影像與地表水樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在分析采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)土地利用類(lèi)型改變的基礎(chǔ)上，從礦區(qū)土地利用方式、采礦場(chǎng)地理位置2個(gè)方面綜合分析了露天采礦區(qū)地表水環(huán)境空間特征及影響因素。[結(jié)果]礦區(qū)內(nèi)部地表水受Fe3+不斷氧化作用的影響，造成水體酸化嚴(yán)重（pH為2.38～5.54），電導(dǎo)率隨水體酸化程度的加大而增大。礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，水質(zhì)下降，總氮含量為32.35～83.12 mg/L。礦區(qū)內(nèi)部及周?chē)r(nóng)田水體中SO42-含量要高于礦區(qū)外部坑塘水體，為411.55 ～ 20 645.04 mg/L，而水體的COD均小于8.00 mg/L。[結(jié)論]該研究可為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與地表水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 礦產(chǎn)開(kāi)采；地表水環(huán)境；高分辨率影像；土地利用；富營(yíng)養(yǎng)化

中圖分類(lèi)號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）04-0051-04

Spatial Characteristics and Influencing Factors of Surface Water Environment in Open Pit Mining Area—A Case Study of Nanshan Mining Area in Maanshan City，Anhui Province

WANG Hui-yu1，WANG Jie1，2*，CUI Yu-huan3 et al （1.School of Resources and Environmental Engineering，Anhui University，Hefei，Anhui 230039； 2.Anhui Provincial GIS Engineering Center，Hefei，Anhui 230601； 3.School of Science，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui 230036）

Abstract [Objective] To explore spatial characteristics and influencing factors of surface water environment in open pit mining area.[Method] Selecting Nanshan mining area in Maanshan City in Anhui Province as the study area，with high-resolution remote sensing image and field measurement data as information sources，based on analyzing the change of mining activities to the land use types，spatial characteristics and influencing factors of surface water environment in open pit mining area were analyzed from two aspects of land use way and mining location.[Result] Surface water of mining was affected by Fe3+ continuous oxidation，resulting in severe acidification of water bodies，with pH values of 2.38-5.54，the conductivity degree increased with the increase of water acidification.Water body of farmland near mining regions had the high degree of eutrophication，water quality declined，total nitrogen content ranging from 32.35-83.12 mg/L.Water content of SO42- in and around mining area farmland was higher than that in mine peripheral water body，values ranging from 411.55-20 645.04 mg/L，and the content of dissolved oxygen in water sample was less than 8.00 mg/L.[Conclusion] These conclusions above can provide the scientific basis for restoration of mining ecosystem and the prevention of surface water pollution.

Key words Mineral exploitation； Surface water environment； High-resolution image； Land use； Eutrophication

礦業(yè)作為我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有重要的地位和作用。我國(guó)95%以上的一次能源、80%以上的工業(yè)原料和70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料來(lái)自礦業(yè)。然而，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)不僅占用大量的土地資源，還導(dǎo)致嚴(yán)重的植被破壞，通過(guò)地表水-地下水循環(huán)過(guò)程造成礦區(qū)地表水環(huán)境、土壤環(huán)境的污染，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和人們身體健康造成不利影響。目前，研究礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表水環(huán)境的影響已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來(lái)，俄羅斯廢棄的數(shù)百座非盈利性虧損煤礦，造成了大面積地下水和地表水污染[1]； 美國(guó)馬里蘭州近150 個(gè)煤礦外排酸性礦井水污染河流水系，造成當(dāng)?shù)卮罅縿?dòng)植物死亡[2]； 我國(guó)兩淮、唐山、鐵法、雙鴨山地、阜新采礦破壞了地表、地下水系，形成了大面積低洼區(qū)，成為污垢匯集之地[3-4]。從目前的研究進(jìn)展看，研究區(qū)域多集中在大型煤礦區(qū)，如大同、阜新、兩淮礦區(qū)以地下開(kāi)采方式為主，分析煤炭開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)水環(huán)境的影響，并進(jìn)行水資源環(huán)境安全評(píng)價(jià)[5-8]，而從流域尺度上開(kāi)展金屬礦區(qū)的露天開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表水環(huán)境影響的研究較少，僅有部分學(xué)者對(duì)個(gè)別金屬礦區(qū)地表水體中的重金屬離子含量（Cd、Cu、Pb、Sb）與污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)[9-12]。

安徽省馬鞍山礦區(qū)作為全國(guó)七大鐵礦產(chǎn)區(qū)之一，開(kāi)采活動(dòng)以露天開(kāi)采為主。該礦區(qū)地處長(zhǎng)江主干下游水網(wǎng)地區(qū)，河流、湖泊交錯(cuò)分布，水域總面積達(dá)360 km2，其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)地位極為重要。因而，有必要從流域尺度上開(kāi)展金屬礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表水環(huán)境的影響過(guò)程研究?，F(xiàn)代遙感技術(shù)尤其是高分辨率遙感技術(shù)，地面分辨率最高可達(dá)0.3 m，該技術(shù)為從宏觀尺度上獲取礦區(qū)開(kāi)發(fā)規(guī)模與土地利用模式變化信息提供了便捷的技術(shù)手段。筆者選取馬鞍山礦區(qū)南山礦（凹山礦場(chǎng)、和尚橋礦場(chǎng)）為調(diào)查區(qū)，以Worldview-II高分辨率遙感數(shù)據(jù)和地表水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合遙感解譯、實(shí)地勘察與地表水質(zhì)測(cè)定的方法，探討了礦區(qū)開(kāi)發(fā)活動(dòng)影響下的土地利用類(lèi)型變化特征，并從礦區(qū)土地利用方式、采礦場(chǎng)地理位置2個(gè)方面，探討了露天采礦區(qū)地表水環(huán)境空間特征及影響因素，以期為礦區(qū)地表水環(huán)境的治理與保護(hù)措施的制訂提供理論參考與決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

馬鞍山鐵礦資源豐富，地處長(zhǎng)江下游寧蕪—羅河成礦帶。礦區(qū)內(nèi)鐵礦山有馬鋼集團(tuán)所屬南山、姑山、桃沖鐵礦及待開(kāi)發(fā)的羅河鐵礦，已探明的鐵礦產(chǎn)地有31處，伴生礦產(chǎn)地10處，鐵礦總儲(chǔ)量16.35億t，占安徽全省鐵礦總儲(chǔ)量的57.32%，其中能滿(mǎn)足工業(yè)開(kāi)采的10億t以上。

南山礦位于馬鞍山市郊區(qū)的向山鎮(zhèn)附近，礦產(chǎn)類(lèi)型以硫鐵礦為主，伴生礦產(chǎn)類(lèi)型為磷礦、明礬礦，共包括凹山礦場(chǎng)、和尚橋礦場(chǎng)2個(gè)采礦場(chǎng)（圖1）。其中，凹山采礦場(chǎng)為年代較老的采礦場(chǎng)，自20世紀(jì)初開(kāi)采至今，礦產(chǎn)資源頻臨枯竭，現(xiàn)已停止開(kāi)采；而和尚橋礦場(chǎng)為馬鞍山礦區(qū)的后備采礦場(chǎng)，礦產(chǎn)資源豐富，于21世紀(jì)初投入開(kāi)采，近年來(lái)礦產(chǎn)開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大。

1.2 數(shù)據(jù)資料處理

采用的數(shù)據(jù)資料有2012年夏季馬鞍山礦區(qū)南山礦的高分辨率遙感影像， 1∶5萬(wàn)地形圖， 1∶1 萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖及行政區(qū)劃圖。根據(jù)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程及其對(duì)周邊環(huán)境造成的影響，將礦區(qū)土地利用方式進(jìn)行細(xì)化，完成3級(jí)分類(lèi)解譯得到的土地利用類(lèi)型體系（圖2）。

結(jié)合2013年7月對(duì)南山礦區(qū)開(kāi)展的野外調(diào)查記錄和2006年馬鞍山市土地利用現(xiàn)狀圖，采用面向?qū)ο蠓诸?lèi)方式對(duì)該礦區(qū)高分辨率遙感影像進(jìn)行土地利用類(lèi)型解譯，并根據(jù)實(shí)地勘察記錄對(duì)遙感解譯結(jié)果進(jìn)行人工修正和檢驗(yàn)，以提高解譯結(jié)果的精度。

根據(jù)馬鞍山地區(qū)的1∶5萬(wàn)地形圖，數(shù)字化獲得等高線，通過(guò)構(gòu)建TIN格式地形轉(zhuǎn)換生成南山礦區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM）。而后借助ArcGIS軟件中的水文分析工具提取出礦場(chǎng)附近的地表水系和流域邊界（圖3）。

1.3 水體采樣與水質(zhì)參數(shù)測(cè)定

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣獲取礦區(qū)地表水環(huán)境數(shù)據(jù)，以在礦區(qū)積水區(qū)采集的地表水樣數(shù)據(jù)為主。在采集水樣過(guò)程中，按照調(diào)查樣點(diǎn)的前后順序進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，與各類(lèi)型觀測(cè)儀器所測(cè)定參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同步記錄該樣點(diǎn)所屬土地利用類(lèi)型、GPS定位數(shù)據(jù)等，生成.shp格式的矢量數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)庫(kù)。共取17個(gè)水樣點(diǎn)，其中位于礦區(qū)內(nèi)部水樣為4個(gè)，編號(hào)為1～4；位于礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水樣為8個(gè)，編號(hào)為5～12；位于礦區(qū)外部坑塘水樣為5個(gè)，編號(hào)為13～17。樣地空間分布見(jiàn)圖3。

對(duì)于野外采集的礦區(qū)地表水樣品，經(jīng)冷凍保護(hù)后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)成分測(cè)定，測(cè)定參數(shù)包括pH、電導(dǎo)率、總氮、硝氮、氨氮、總磷、溶磷、化學(xué)需氧量（COD）、SO42-9個(gè)參數(shù)。最后將測(cè)定的各項(xiàng)成分含量參數(shù)加入.shp格式的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的屬性表中。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀 為獲取馬鞍山南山礦區(qū)的開(kāi)采規(guī)模與土地利用方式狀況，筆者根據(jù)2012年夏季獲取的礦區(qū)高分辨率遙感影像，采用面向?qū)ο蠓诸?lèi)的計(jì)算機(jī)解譯結(jié)果與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方式，獲得礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖（圖4），并分析礦區(qū)露天采礦活動(dòng)對(duì)區(qū)域土地利用模式的影響。

根據(jù)2012年夏季礦區(qū)遙感影像解譯結(jié)果，截至2012年馬鞍山南山礦區(qū)開(kāi)采面積為6.12 km2。其中，位于南山礦區(qū)北部的和尚橋礦區(qū)開(kāi)采規(guī)模急劇擴(kuò)大，表現(xiàn)在采礦坑開(kāi)采深度的增加（截至2013年7月開(kāi)采深度為27 m），排土場(chǎng)占地面積和高度的不斷增加。而2003—2007年凹山礦區(qū)的采礦規(guī)模增大，2007年以后開(kāi)采規(guī)模基本保持不變。

為了深入分析礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)土地利用模式的影響，筆者對(duì)遙感解譯后的礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖中各類(lèi)型的面積、面積比例進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，隨著露天采礦規(guī)模的加大，南山礦區(qū)土地利用類(lèi)型仍以灌叢、耕地、居民地為主（占59.86%），露天采場(chǎng)、排土場(chǎng)與草地土也占相當(dāng)大的面積比例（占33.90%），造成了礦區(qū)原有土地利用模式的改變。在礦區(qū)露天采礦、生產(chǎn)加工、堆放、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，礦物離子通過(guò)地表水系擴(kuò)散及地表水—地下水循環(huán)的方式改變了區(qū)域地表水環(huán)境。

2.2 地表水環(huán)境空間特征及影響因素為了從礦物離子擴(kuò)散角度分析礦區(qū)地表水環(huán)境空間特征及影響因素，筆者根據(jù)地表水采樣點(diǎn)在采礦場(chǎng)所在流域的不同地理位置，分析礦物離子通過(guò)地表水—地下水循環(huán)對(duì)區(qū)域地表水環(huán)境的影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)馬鞍山南山礦區(qū)17個(gè)水體樣品的成分測(cè)定結(jié)果，分析其內(nèi)部物質(zhì)成分的空間變化特征，包括pH、電導(dǎo)率、總氮、硝氮、氨氮、總磷、溶磷、COD、SO42-。

2.2.1 pH、電導(dǎo)率。從圖5可以看出，礦區(qū)地表水體的pH、電導(dǎo)率數(shù)值空間差異較大。其中，礦區(qū)內(nèi)部水樣（1～4號(hào)）的pH在2.0 ～ 3.0，呈強(qiáng)酸性；礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水樣（5～12號(hào)）的pH在2.5 ～ 6.0，呈弱酸性；礦區(qū)外部坑塘水樣（13～17號(hào)）的pH在7.0左右，呈中性。水樣的電導(dǎo)率隨酸化程度的加大而增大。這說(shuō)明地表水體的酸化程度與距采礦點(diǎn)的距離有關(guān)，距離越近，酸化程度越大。此外，礦區(qū)所在流域外部水體的酸堿度呈中性，也間接反映了礦物離子按照地表水系的流向不斷向外圍擴(kuò)散。

2.2.2 總氮、硝氮、氨氮含量。從圖6可以看出，位于礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水樣（5～12號(hào)）的總氮、硝氮、氨氮含量均高于礦區(qū)內(nèi)部、礦區(qū)外部坑塘水體含量，為32.35～83.12 mg/L，遠(yuǎn)高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》中II類(lèi)水體的氮含量標(biāo)準(zhǔn)。這主要與農(nóng)田農(nóng)作物種植中施用的氮素化學(xué)肥料有關(guān)，氮素離子隨著地表水體流動(dòng)而擴(kuò)散；同時(shí)也間接說(shuō)明采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)地表水體的氮素含量影響不顯著。其中，水樣中氨氮含量較低，不同水樣的氨氮含量差異不大。

2.2.3 總磷、溶磷含量。從圖7可以看出，礦區(qū)的總磷含量為0.04 ～ 9.41 mg/L，礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水體的總磷含量高于礦區(qū)內(nèi)部、礦區(qū)外部坑塘；溶磷僅占總磷含量的小部分，礦區(qū)內(nèi)部水體的溶磷含量略高于礦區(qū)周?chē)?、礦區(qū)外部坑塘。這說(shuō)明礦區(qū)地表水體的有機(jī)物污染并不嚴(yán)重，主要與農(nóng)田的種植施肥有關(guān)，與采礦活動(dòng)的影響相關(guān)性不大。

2.2.4 COD、SO42-含量。從圖8可以看出，礦區(qū)內(nèi)部及周?chē)r(nóng)田水體中SO42-含量較高，其含量為411.55 ～ 20 645.04 mg/L，其中礦區(qū)內(nèi)部水體SO42-含量明顯高于礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水體，這說(shuō)明該礦區(qū)采礦過(guò)程中有大量的可溶性SO42-隨著地表、地下徑流進(jìn)入周?chē)w、土壤；而礦區(qū)外部坑塘水體中SO42-含量不高，為15.96 ～ 126.05 mg/L，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》中的要求。此外，礦區(qū)水體的COD為1.76 ～ 22.93 mg/L，且絕大部分水樣的COD不超過(guò)8.00 mg/L，這說(shuō)明該礦區(qū)地表水體受采礦活動(dòng)導(dǎo)致的有機(jī)物污染程度并不明顯。

3 結(jié)論與討論

礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致礦區(qū)土地利用類(lèi)型的改變，進(jìn)而影響地表水環(huán)境的污染程度。該研究以安徽省馬鞍山南山礦區(qū)為研究區(qū)，以礦區(qū)高分辨率遙感數(shù)據(jù)和地表水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)分析結(jié)果，探討礦區(qū)地表水環(huán)境的空間分布特征及影響因素，得到以下結(jié)論：

（1）在礦區(qū)所在流域內(nèi)，距采礦中心越近，水體酸化程度越大，pH可達(dá)2.3；在礦區(qū)所在流域以外，水體酸堿度呈中性。水體的電導(dǎo)率隨著酸化程度的加大而增大。

（2）礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水體的總氮、硝氮含量比礦區(qū)內(nèi)部、礦區(qū)外部坑塘水體高，這說(shuō)明礦區(qū)周?chē)乃w富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，主要與農(nóng)田種植施用的氮素肥料有關(guān)。礦區(qū)水體中總磷、溶磷含量的空間差異不明顯，礦區(qū)內(nèi)部水體的磷含量略高于礦區(qū)周?chē)?、礦區(qū)外部坑塘，說(shuō)明礦區(qū)地表水體的有機(jī)物污染不嚴(yán)重，受采礦活動(dòng)的影響不顯著。

（3）礦區(qū)內(nèi)部及周?chē)r(nóng)田水體中SO42-含量較高，為411.55 ～ 20 645.04 mg/L，其中礦區(qū)內(nèi)部水體SO42-含量明顯高于礦區(qū)周?chē)r(nóng)田水體。這說(shuō)明采礦過(guò)程中有大量可溶

性SO42-隨著地表、地下徑流進(jìn)入礦區(qū)周?chē)w；而礦區(qū)外部坑塘水體中SO42-含量不高，為15.96 ～ 126.05 mg/L。礦區(qū)水體的COD為1.76 ～ 22.93 mg/L，且絕大部分水樣的COD不超過(guò)8.00 mg/L。

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