基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的冀東地區(qū)礦山開發(fā)現(xiàn)狀及環(huán)境問題研究

魚 磊， 李應(yīng)真， 高俊華， 劉 立， 許兆軍， 鄒 蒲

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430000； 2.湖南省遙感中心，長沙 410000；3.湖南航天遠望科技有限公司，長沙 410000)

0 引言

河北省是我國礦產(chǎn)資源大省，其沉積變質(zhì)型鐵礦96%的資源量集中分布在冀東變質(zhì)巖區(qū)[1]。冀東地區(qū)具有良好的成礦大地構(gòu)造背景[2-3]，在不大的范圍內(nèi)形成了眾多礦床和礦點，也是我國除了鞍山、本溪和攀西地區(qū)以外的又一特大型鐵礦石資源產(chǎn)地。經(jīng)過多年的地質(zhì)勘探，已探明有開采價值的鐵礦石資源儲量逾70億t[4]。該區(qū)豐富的礦產(chǎn)資源對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，但與此同時礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)和利用時有發(fā)生，也引發(fā)了各種礦山地質(zhì)環(huán)境問題[5]。僅依靠傳統(tǒng)的技術(shù)方法，難以實現(xiàn)大范圍的礦產(chǎn)資源開發(fā)管護和礦山環(huán)境監(jiān)測。

遙感技術(shù)具有時效性強、覆蓋面廣、經(jīng)濟成本低和測量統(tǒng)計便捷等優(yōu)點，在礦政管理工作方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[6]。特別是近年來高空間分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的高速發(fā)展，在礦山開發(fā)過程中占損土地調(diào)查和礦山地質(zhì)災(zāi)害解譯等方面取得了良好的應(yīng)用效果。2006年起，中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展了“礦產(chǎn)資源開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測”工作，針對原國土資源部公告的“全國整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序重點礦區(qū)名單”，就礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況、礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況、礦山地質(zhì)環(huán)境等問題實施遙感調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測[7]。通過建立較為完善的礦山遙感監(jiān)測技術(shù)體系，開發(fā)礦山遙感監(jiān)測信息系統(tǒng)，初步查明了全國重點礦區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序、礦山環(huán)境、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況等方面的現(xiàn)狀和存在的問題。總體說來，該項工作雖然已有一定的工作基礎(chǔ)和成果，但針對各大礦業(yè)集中開采區(qū)的礦山開發(fā)狀況和礦山環(huán)境問題研究尚淺。其中涉及冀東地區(qū)的礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測相關(guān)成果的研究還很少[8]。本文以高分一號(GF-1)、高分二號(GF-2)等高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS平臺，采用人機交互式解譯方法，對冀東唐山、秦皇島地區(qū)的礦山開發(fā)占地和各種礦山環(huán)境問題進行了遙感調(diào)查與研究，旨在為當?shù)氐V產(chǎn)資源管護、礦山環(huán)境恢復(fù)治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

冀東地區(qū)位于北京市以東，河北省青龍—山海關(guān)以西，承德—平泉一線以南，灤南—天津市寶坻一線以北。在構(gòu)造體系上，該區(qū)位于陰山—天山復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)，馬蘭峪—山海關(guān)EW向隆起帶與新華夏系大興安嶺NNE向隆起帶交匯部位，總面積約為40 000 km2，地理坐標為117°00′～119°30′E，39°20′～41°20′N[9]。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源較為豐富，鐵礦、建材及其他非金屬礦企業(yè)居多； 煤礦企業(yè)數(shù)量雖相對較少，但其集中區(qū)面積大，開采歷史長，對礦區(qū)周邊地質(zhì)環(huán)境影響較大。區(qū)內(nèi)80%以上的礦山企業(yè)主要集中在唐山地區(qū)的遵化、遷西、遷安、開平、豐潤、豐南、古冶、路南、灤縣和秦皇島地區(qū)的青龍、撫寧等地，因此以唐山和秦皇島地區(qū)作為主要研究區(qū)域。目前區(qū)內(nèi)共設(shè)有效礦權(quán)759個，其中，鐵礦360個，建材及其他非金屬礦313個，煤礦49個，其他類礦種37個； 礦區(qū)露天開采338個，地下開采346個，聯(lián)合開采75個(圖1)。

圖1 研究區(qū)礦產(chǎn)資源分布

2 遙感調(diào)查方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

遙感數(shù)據(jù)源分別采用2014年的YG-4、2015年的GF-2和2016年的GF-1與GF-2 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)分別進行了輻射校正、幾何糾正、數(shù)據(jù)融合、彩色合成、圖像增強和圖像鑲嵌等預(yù)處理，并針對局部區(qū)域使用勻色軟件進行勻色，使得地物要素更加容易辨識。所有數(shù)據(jù)的空間分辨率均優(yōu)于2 m，符合1∶5萬比例尺礦山開發(fā)和礦山地質(zhì)環(huán)境要素提取的精度要求[10]。

2.2 遙感信息提取

根據(jù)遙感影像中地物的亮度值或像元值的大小及地物空間變化來表示不同地物的差異，不同目標物的大小、形狀、陰影、顏色、紋理、圖案、位置及周圍環(huán)境具有較明顯的區(qū)別[11]，結(jié)合以往遙感解譯及實地驗證的結(jié)果，建立了采場(硐口)、中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物和礦山建筑等各種礦山地物的解譯標志(圖2)。采用人機交互解譯方法，進行了礦山地物及環(huán)境信息的提取。主要技術(shù)流程如圖3所示[12]。

(a) 金屬類礦山各類地物要素 (b) 采石場各類地物要素 (c) 地下開采煤礦各類地物要素 (GF-2 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成)

圖3 主要技術(shù)流程

3 礦山占損土地分析

3.1 礦山占損土地現(xiàn)狀

2016年礦山占損土地總面積為49 755.47 hm2，占研究區(qū)總面積的2.26%。在各類占損土地類型中，占損土地面積最大的為中轉(zhuǎn)場地，總面積為28 211.69 hm2，約占總占損面積的56.7%； 其次為采場，總面積為15 183.66 hm2，占比為30.5%； 最少的占損類型為礦山建筑，總面積為69.88 hm2，占比不到1%(圖4)。因此，研究區(qū)礦山占損土地的主要類型為中轉(zhuǎn)場地和采場。

在中轉(zhuǎn)場地占損土地類型中，選礦場占地面積最大，為24 721.11 hm2，約占中轉(zhuǎn)場地的87.63%。選礦場是礦山企業(yè)重要的組成部分，是通過各種選礦方法和工藝流程，從原礦中獲取品位較高的精礦的場所。選礦場的建立直接剝離了地表覆蓋植被，破壞了土地耕作層，是研究區(qū)主要的損地方式； 礦產(chǎn)品及廢渣的不合理堆放，易形成孕災(zāi)區(qū)，威脅礦區(qū)的生產(chǎn)和生活安全； 金屬類礦山堆場的不合理堆放極易造成附近農(nóng)田或水源的重金屬污染。區(qū)內(nèi)的采場大多直接剝離地表層對礦體和圍巖進行開采，對植被和自然景觀破壞較大； 部分礦山對開采面進行了梯形護坡處理，但由于開采面的采深大，開采面較陡，存在誘發(fā)生產(chǎn)事故的風險。

圖4 研究區(qū)礦山占地分布

3.2 礦山占損土地與恢復(fù)治理變化情況

研究區(qū)礦山占損土地在2014—2016年間一直處于增長趨勢，且增幅持續(xù)擴大，統(tǒng)計信息如表1所示。

表1 2014—2016年間各類礦山開發(fā)占損土地統(tǒng)計

從表1的統(tǒng)計信息中可以看出，采場面積和中轉(zhuǎn)場地面積在穩(wěn)步增長，2015年采場面積相較2014年增長3.8%，2016年采場面積比2015年增長17%； 2015年中轉(zhuǎn)場地面積相對2014年增長8.1%，而2016年中轉(zhuǎn)場地面積相對2015年增長23%。近年來國家政策調(diào)控和礦業(yè)經(jīng)濟市場變化對全國的礦企沖擊較大，但對于冀東地區(qū)這樣的富礦區(qū)域抑制作用較小。

礦山地質(zhì)環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，恢復(fù)治理是礦山恢復(fù)自然景觀和治理礦山環(huán)境的重要舉措。研究區(qū)近2 a的各類開發(fā)占地恢復(fù)治理變化情況如表2所示。

表2 2015—2016年各類礦山開發(fā)占損土地恢復(fù)治理統(tǒng)計

從表2可以看出: 2015年完成恢復(fù)治理面積為1 304.23 hm2，治理率為2.9%； 2016年完成恢復(fù)治理面積為2 337.99 hm2，同比增長79.3%，治理率為4.69%。雖然研究區(qū)內(nèi)有關(guān)部門逐年加大恢復(fù)治理力度，但相對于礦山開發(fā)對土地的占損而言，治理程度還遠遠不夠?；謴?fù)治理力度最大的一般是中轉(zhuǎn)場地和固體廢棄物堆場，而采場的恢復(fù)治理取得的進展一般，這說明了以礦山占地為主的土地利用方式易于恢復(fù)，以礦山損地為主的土地利用方式不易于恢復(fù)治理。在一系列礦山環(huán)境治理保護政策的出臺和各項治理資金的投入下，研究區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理取得了一些進展，但仍不適應(yīng)新形勢要求，粗放開發(fā)方式對礦山地質(zhì)環(huán)境造成的影響依然嚴重，地面塌陷、土地損毀、植被和地形地貌景觀破壞等一系列問題依然突出。

以研究區(qū)某露天開采礦山為例，2014—2016年間該礦山的各項占地方式發(fā)生了不同程度的變化，如表3和圖5所示。

表3 研究區(qū)某礦山2014—2016年來開發(fā)占損土

(YG-14全色波段)(P1 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成) (BJ-2 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成)

由表3可看出，該礦山3 a間占損土地面積明顯變化的是中轉(zhuǎn)場地和固體廢棄物面積。采場面積在3 a間由17.09 hm2增至24.21 hm2； 固體廢棄物面積隨著礦產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)在3 a間也不斷擴大。2015年采場和中轉(zhuǎn)場地面積出現(xiàn)小范圍波動，和不同時相的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量也有一定的關(guān)系。從恢復(fù)治理面積變化可以看出，該礦山3 a來持續(xù)推進礦山恢復(fù)治理工作，治理面積從2015年的7.17 hm2增至2016年的18.05 hm2。被恢復(fù)治理的類型主要是固體廢棄物和中轉(zhuǎn)場地，這也間接說明了礦山占地比礦山損地更易恢復(fù)治理。

近年來，國家高度重視生態(tài)文明建設(shè)，中央和各地方財政不斷加大礦山環(huán)境恢復(fù)治理方面的投入。據(jù)報道，截至2015年，中央和地方及企業(yè)投入超過900億元，全國共治理礦山地質(zhì)環(huán)境面積超過80萬hm2，2016年新增5.29萬hm2。研究區(qū)2016年礦山環(huán)境恢復(fù)治理率為4.7%。

4 主要礦山環(huán)境問題分析

礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中除了占地、損毀土地之外，還會產(chǎn)生礦山環(huán)境問題。通過對研究區(qū)域綜合調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)其主要的礦山環(huán)境問題有: 固體廢棄物堆放和地表植被破壞易誘發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害; 金屬礦的地表尾礦庫和地下開采對水資源安全構(gòu)成威脅; 長期地下開采導(dǎo)致大面積的采空沉陷區(qū)。

4.1 地表植被破壞

研究區(qū)內(nèi)的礦山企業(yè)具有開采歷史長、影響范圍廣、治理措施滯后等特點。礦山長期露天開采對地表植被和自然景觀產(chǎn)生了難以恢復(fù)的破壞。研究區(qū)共設(shè)有礦權(quán)759處，僅露天開采方式的占比為44.53%，而地下開采和聯(lián)合開采也都有地表設(shè)施，因此研究區(qū)露天開采破壞地表面積占總面積的70%以上，對該區(qū)的地表植被產(chǎn)生嚴重破壞，影響區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定，給后期的自然復(fù)綠和人工治理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

地表植被破壞后在降水或風化等外力作用下，極易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，如： 固體廢棄物的不合理堆放容易導(dǎo)致泥石流或滑坡； 開采面的面積和深度不斷擴大在局部應(yīng)力作用下存在崩塌隱患等。研究區(qū)共調(diào)查出崩塌災(zāi)害(隱患)9處、泥石流和滑坡災(zāi)害(隱患)各1處，危害土地面積約26 hm2，威脅鄉(xiāng)村公路1條。因此，當?shù)卣暗V產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強對礦山環(huán)境的恢復(fù)治理，及時恢復(fù)礦山周邊生態(tài)，預(yù)防各種次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4.2 污染水體

金屬礦山開采過程中產(chǎn)生的廢渣、尾砂等會對周邊水體構(gòu)成嚴重威脅。研究區(qū)內(nèi)水資源特點為總量少、人均占有量少、利用率低、可利用水資源量與發(fā)展需求不相適應(yīng)。通過分析，區(qū)內(nèi)重要地表水體500 m范圍內(nèi)有金屬礦露天開采點177處、地下開采點29處[13]，礦種以鐵礦為主。由圖6可以看出，研究區(qū)靠近地表水源的金屬礦山主要集中在中北部。

圖6 研究區(qū)重要水源周邊金屬礦開采點

鐵礦在選礦過程中需要大量的水，礦產(chǎn)企業(yè)往往就近尋找水源取水，由于選礦廢水酸度高、懸浮物濃度大且伴生礦里的各種重金屬含量高，產(chǎn)生的廢水若未經(jīng)處理直接排放則會導(dǎo)致水體的嚴重污染。固體廢渣和尾礦在淋濾作用下又會滲入地下，對土壤、地下水和周邊生態(tài)造成連續(xù)性的化學(xué)污染。地下開采的金屬礦區(qū)形成的采空塌陷區(qū)，直接導(dǎo)致周邊儲水層構(gòu)造變化，進而影響地下水勢平衡、潛水面下降，若地下水涌入礦井則會威脅生產(chǎn)安全，并導(dǎo)致礦井水的二次污染[14]。有報道稱，北方某尾礦庫下游潛水層以Ⅳ類水為主，已不適用于生活飲用[15]。因此，針對金屬礦開采過程中引起的生態(tài)環(huán)境問題不容忽視。以研究區(qū)內(nèi)某鐵礦選礦廠為例(圖7)，該選礦廠距河流僅10 m左右，若該選礦廠對產(chǎn)生的廢水不進行妥善處理，則直接威脅到該水體。

圖7 研究區(qū)內(nèi)某鐵礦選礦廠與周邊水體空間位置關(guān)系

4.3 采空區(qū)沉陷

研究區(qū)內(nèi)煤礦和金屬礦山有超過一半為地下開采，且開采時間長，影響范圍廣，局部已經(jīng)出現(xiàn)了采空沉陷區(qū)。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)共有采空沉陷區(qū)7處，影響面積總計24 351 hm2，受威脅的村莊有13個。在遙感影像上，采空沉陷區(qū)相較采坑邊界一般更為圓滑平緩，部分存在積水或周圍出現(xiàn)易于識別的陡坎，部分則由于時間較長表面已經(jīng)被改造治理[16]，形成了新的景觀(圖8)。

采空沉陷大范圍地破壞土地和村莊，影響群眾正常生產(chǎn)和生活。區(qū)內(nèi)有開灤煤礦、冀東煤礦等大型煤礦，上百年的開采導(dǎo)致開平區(qū)、古冶區(qū)、豐潤區(qū)、豐南區(qū)和遷西縣等地區(qū)出現(xiàn)了大面積的采空沉陷地面及大量大小、長短不一的地裂縫。僅唐山南部的沉陷區(qū)就涉及20多個村莊，處于采空沉陷區(qū)內(nèi)的房屋均出現(xiàn)不同程度的傾斜和墻體開裂，地面由于不斷塌陷下沉而低于周邊并形成積水坑塘。根據(jù)房屋受損程度，當?shù)貛资陙硪恢边M行村莊搬遷，政府也積極投入沉陷區(qū)的恢復(fù)治理，如唐山市的東湖風景區(qū)和南湖風景區(qū)均為采空沉陷區(qū)的治理結(jié)果(圖9)。

圖8 研究區(qū)內(nèi)某塌陷區(qū)遙感影像

圖9 采礦沉陷區(qū)積水淹沒后的自然景觀

5 結(jié)論與建議

(1)冀東地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，采礦產(chǎn)生的土地壓占和損毀情況嚴重。在進一步明確占地和損地的概念后，調(diào)查出研究區(qū)2016年占損土地總面積為49 755.47 hm2，占該區(qū)總面積的2.26%。

(2)區(qū)內(nèi)礦山占損土地具有逐年增長趨勢，由此帶來占地、損地、破壞植被和污染生態(tài)環(huán)境等一系列問題。而當?shù)氐V山恢復(fù)治理的措施相對滯后，治理程度遠遠跟不上開采和污染的進展，建議有關(guān)部門制定有效的治理計劃，加強治理力度，盡早完成生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，以免發(fā)生連續(xù)性的生態(tài)惡化效應(yīng)。

(3)研究區(qū)金屬礦產(chǎn)豐富，而金屬礦的開采和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣和尾礦很容易導(dǎo)致水體和土壤污染。區(qū)內(nèi)177個露天開采和29個地下開采金屬礦處于重要水源的500 m范圍內(nèi)，對重要河流、水庫等構(gòu)成威脅，希望相關(guān)部門引起重視，建立長期有效的礦區(qū)附近水體專項監(jiān)測機制。

(4)研究區(qū)為重要的產(chǎn)煤區(qū)，煤礦企業(yè)多，開采歷史長，影響范圍大。煤礦和金屬礦的地下開采導(dǎo)致區(qū)內(nèi)形成了嚴重的采空沉陷區(qū)，直接影響面積達24 351 hm2，對當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活安全以及生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性造成了嚴重影響。建議當?shù)靥崆芭挪?，以預(yù)防為主，妥善做好沉陷區(qū)的居民搬遷及恢復(fù)治理工作。

(5)國產(chǎn)高空間分辨率遙感衛(wèi)星具有高空間分辨率、高時間分辨率、高效、經(jīng)濟等特點，在礦山開發(fā)占地和礦山環(huán)境調(diào)查研究中可發(fā)揮重要作用。