基于RS和GIS的臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)

劉 博，姚騰飛，皮建高，周 鑫，王 璨

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì)，湖南 長沙 410000)

0 引言

湖南省臨武縣位于湖南省最南部，南部與廣東省接壤，湘江、珠江兩江之源，境內(nèi)礦藏資源豐富，被譽(yù)為“小有色金屬之鄉(xiāng)”和“煤炭之鄉(xiāng)”。由于長期的礦山開采，引發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害、水土污染、土地資源占用與破壞等一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題。礦山開采不僅影響了臨武縣礦產(chǎn)資源可持續(xù)利用和生態(tài)文明建設(shè)，也對湘江流域和珠江流域下游造成了危害。因此從2017年開始對臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境開展調(diào)查評價(jià)工作。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)已顯現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的“三高”特征。越來越多的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中。如利用SPOT-6高分辨率影像調(diào)查礦山土地壓占破壞和地質(zhì)災(zāi)害[1]；應(yīng)用高光譜進(jìn)行礦山重金屬濃度反演[2]；應(yīng)用InSAR技術(shù)在礦區(qū)地表沉降監(jiān)測[3]。而GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)中[4-5]，本文從地質(zhì)環(huán)境背景條件和礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響兩個(gè)方面對礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。調(diào)查成果為加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與監(jiān)督管理，提供基礎(chǔ)資料，促進(jìn)臨武縣綠色礦業(yè)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

臨武縣地處湖南省最南部，南嶺山脈東段北麓，境內(nèi)以山地、丘陵為主，有少量的溪谷平地。水系發(fā)育，屬珠江、湘江兩大水系。氣候溫和，雨量充沛，光熱充足，年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降雨量為1 421.8 mm。

1.2 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

全縣已發(fā)現(xiàn)的固體礦種有46種，已發(fā)現(xiàn)礦床82處，其中共有大型及以上礦床2處，中型礦床8處，小型礦床24處，其余各類礦點(diǎn)48處。根據(jù)全縣的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，全縣共有發(fā)證礦山60個(gè)，其中部級礦山1個(gè)，省級礦山37個(gè)，市級礦山1個(gè)，縣級礦山21個(gè)；按礦類劃分，能源礦產(chǎn)20 個(gè)，有色金屬17個(gè)，黑色金屬1個(gè)，建材及其它非金屬礦產(chǎn)22個(gè)；按礦山規(guī)模劃分，中型2個(gè)，小型58個(gè)。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查

2.1 數(shù)據(jù)源選擇

根據(jù)需要解譯的礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件及地質(zhì)環(huán)境問題有針對性的選取遙感影像。此次礦山調(diào)查主要選擇Landsat8 oli數(shù)據(jù)和Worldview-2等高分率遙感影像(表1)。

2.2 建立遙感解譯標(biāo)志

遙感影像的解譯標(biāo)志，也稱判讀要素，它是遙感影像上能直接反映和判別地物信息的影像特征。判讀的基本要素包括形狀、大小、色調(diào)、顏色、紋理、圖案、陰影、位置和布局。表2為臨武縣主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題遙感解譯標(biāo)志。

表1 遙感數(shù)據(jù)源及其特征Table 1 Remote sensing data source and its characteristics

表2 臨武縣主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題遙感解譯標(biāo)志Table 2 Remote sensing interpretation mark of major mine geological environment problems in Linwu County

續(xù)表

2.3 遙感解譯和實(shí)地核查

根據(jù)建立的遙感解譯標(biāo)志，對高分辨率遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯。在ArcGIS中，導(dǎo)入已有礦權(quán)信息和收集的礦山圖件，提取露天采場、工業(yè)廣場、礦山公路、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆、泥石流等信息。把遙感影像和室內(nèi)解譯的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到平板礦山調(diào)查系統(tǒng)，到實(shí)地進(jìn)行核查，對誤判圖斑進(jìn)行修正、對遺漏圖斑進(jìn)行補(bǔ)充，并完善相關(guān)信息。

3 主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題

根據(jù)全縣礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，因礦山開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害22處，其中滑坡2處、地面塌陷5處、地面沉陷9處、泥石流(尾砂、廢石流)6處(表3、圖1)。礦山開采占用破壞土地資源573.23 ha，其中占用工礦倉儲(chǔ)用地277.18 ha、水田7.68 ha、其它耕地14.37 ha、園地6.15 ha、林地143.01 ha、草地15.35 ha、住宅用地22.85 ha、其他86.63 ha。固體廢棄物排放累積量1.263×107m3。存在排水的礦坑47處，其中抽排水19處，自然排水28處。全縣共采集337組地表水樣，其中118組水樣重金屬超標(biāo)；采集11組地下水水樣并檢測，其中4組水樣達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，7組水樣達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；采集226組土樣，根據(jù)土壤污染綜合指數(shù)，污染超標(biāo)的土壤樣品有178組，占總樣品數(shù)的78.76%。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)方法

4.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在遵循評價(jià)指標(biāo)的完整性、層次性、客觀性、簡明性等選取原則的基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)科學(xué)的礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)指標(biāo)體系。

礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價(jià)除了考慮礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)對礦山地質(zhì)環(huán)境直接造成影響外，還應(yīng)該考慮礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件，如地形地貌、生態(tài)條件、水文條件、工程地質(zhì)條件等，因?yàn)榈V山地質(zhì)環(huán)境本身也受上述背景條件的控制，在某種程度上會(huì)減緩或加劇采礦對地質(zhì)環(huán)境的影響程度。綜合考慮礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件和礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響兩方面因素，從而構(gòu)成了礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)一級指標(biāo)；二級指標(biāo)包括地形地貌、生態(tài)條件、水文條件、工程地質(zhì)條件等10個(gè)指標(biāo)(表4)；三級指標(biāo)包括地形坡度、高差、植被覆蓋度、土地利用等14個(gè)指標(biāo)(表4)。

4.2 評價(jià)指標(biāo)等級的確定

在確定的14項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中，綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)的特征，借鑒《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)規(guī)范》、《礦山地質(zhì)環(huán)境綜合防治方案編制規(guī)范》等相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)確定評價(jià)等級并賦值(表5、表6)。

4.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

本文中使用主觀定權(quán)法中的“專家打分-層次分析法”。該方法較好地結(jié)合了定性分析與定量分析。由專家組對各指標(biāo)兩兩之間的重要程度做出比較判斷，建立一個(gè)判斷矩陣，再通過層次分析，得到各層次中每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)以確保其客觀性(表4)。

表3 臨武縣部省市級礦山主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題Table 3 Major geological environment problems of mines in Linwu County

續(xù)表

表4 綜合評價(jià)指標(biāo)體系Table 4 Comprehensive evaluation index system

4.4 評價(jià)模型的建立

綜合評價(jià)分區(qū)：按照礦業(yè)活動(dòng)對礦山地質(zhì)環(huán)境綜合影響評價(jià)指標(biāo)體系，將地質(zhì)背景條件與礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)對礦山地質(zhì)環(huán)境的直接影響評價(jià)圖進(jìn)行疊加分析[6]，最終得出礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價(jià)分區(qū)圖，計(jì)算公式如下：

Kf=(0.1×Gpd+0.1×Ggc+0.1×Gzb+0.15×

Gtd+0.1×Gjy+0.15×Gfs+0.15×Gys+0.15×

Gdl)×(0.2×Kdz+0.15×Ksz+0.1×Ksh+

0.15×Kth+0.25×Ktd+0.15×Kgf)

式中：Kf——綜合評價(jià)值；

Gpd、Ggc、Gzb、Gtd、Gjy、Gfs、Gys、Gdl——分別為地形坡度、高差、植被覆蓋度、土地利用現(xiàn)狀圖、年平均降雨量、巖層富水性、近地表巖性和斷裂構(gòu)造密度圖的單元格值；

Kdz、Ksz、Ksh、Kth、Ktd、Kgf——分別為柵格化的礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響的地質(zhì)災(zāi)害、水資源破壞、水環(huán)境破壞、土石環(huán)境破壞、土地資源占用和固體廢棄物排放等級評價(jià)的單元格值。

5 指標(biāo)因子信息提取

5.1 評價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

評價(jià)單元是具有相同特性的最小地域單元，同一評價(jià)單元在地質(zhì)環(huán)境條件方面具有一致性[7]。因礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件和礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)的差異性，選用多尺度的評價(jià)單元?jiǎng)澐??？紤]礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境影響的區(qū)域性和系統(tǒng)性及水土樣采集的精度，在較大尺度上評價(jià)礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)，本文選取1 km×1 km正方形網(wǎng)格[8]。因礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件指標(biāo)變化大，因素離散性大，為了滿足精度要求，選用小尺度進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，本文選擇50 m×50 m正方形網(wǎng)格。兩種不同尺度單元格進(jìn)行疊加分析前，先要對其進(jìn)行重采樣。因?yàn)橥桓庇跋駨牡头直媛氏蚋叻直媛蔬M(jìn)行重采樣，它的信息量基本是保持不變[9]，所以以50 m×50 m的柵格圖作為參考影像，對1 km×1 km的柵格圖進(jìn)行重采樣，可以使1 km×1 km信息基本不丟失。

表5 礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件指標(biāo)打分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Scoring standard of mine geological environment background condition indexes

表6 礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)打分標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Scoring standards of the impact indicators of Mineral resources mining

5.2 礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件信息提取

(1)坡度信息提取：地表一點(diǎn)的坡度是過該點(diǎn)切平面和水平地面的夾角，表示地面在該點(diǎn)的傾斜程度。在ArcGIS中應(yīng)用地形圖的等高線生成Tin數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字高程模型DEM，利用坡度計(jì)算工具求出研究區(qū)的坡度分布圖。

(2)地形起伏度(高差)計(jì)算：地形起伏度是在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔之間的差值，反應(yīng)區(qū)域地表切割剝蝕程度，可以反映構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度。地形起伏度是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地表剝蝕侵蝕相互作用的結(jié)果。本文中選擇的最佳計(jì)算尺度為0.6 km[10]。利用ArcGIS中的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具進(jìn)行計(jì)算，得到臨武縣高差分布圖(圖2)。

(3)植被覆蓋度：植被覆蓋度計(jì)算目前廣泛應(yīng)用的方法是歸一化植被指數(shù)(NDVI)。利用landsat-8的oli數(shù)據(jù)，先進(jìn)行大氣校正，再計(jì)算歸一化植被指數(shù)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取累積概率5%作為植被覆蓋度的最小值，95%作為植被覆蓋度的最大值。

(4)土地利用現(xiàn)狀圖：根據(jù)臨武縣土地利用現(xiàn)狀圖，對耕地、林地、草地、裸地、水體和居民區(qū)，按照礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件分級評分標(biāo)準(zhǔn)，對原圖中的分區(qū)屬性賦予新的評分值，作為柵格轉(zhuǎn)換的字段值。

圖2 臨武縣高差分布圖Fig.2 Height difference distribution of Linwu County

(5)年平均降雨量：由氣象局提供臨武縣年平均降雨量圖，按照礦山地質(zhì)環(huán)境背景條件分級評分標(biāo)準(zhǔn)，對原圖中的分區(qū)屬性賦予新的評分值，作為柵格轉(zhuǎn)換的字段值。

(6)巖層富水性：根據(jù)臨武縣范圍內(nèi)水文地質(zhì)圖上的富水性分類信息，將圖進(jìn)行幾何校正，然后對含水層巖性及巖層富水性信息在 ArcGIS 平臺中進(jìn)行矢量化并賦值，得到臨武縣含水巖層富水性分布圖。

(7)近地表巖性：在 ArcGIS 中對臨武縣范圍內(nèi)地質(zhì)圖進(jìn)行幾何校正，根據(jù)地質(zhì)圖判斷近地表巖性，得到臨武縣近地表巖性分布圖。

(8)斷裂構(gòu)造密度：本文以每平方千米范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造長度之和來表示，單位 km/km2。同樣利用臨武縣境內(nèi)地質(zhì)圖對斷裂構(gòu)造進(jìn)行矢量化，然后計(jì)算1 km×1 km 網(wǎng)格內(nèi)斷裂長度。

5.3 礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)評價(jià)分區(qū)

在ArcGIS中，利用漁網(wǎng)功能，把圖層按1 km×1 km網(wǎng)格進(jìn)行剖分，對每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行編號，導(dǎo)入礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的地災(zāi)點(diǎn)、井口點(diǎn)、水土樣采樣點(diǎn)、土地資源占用與破壞五個(gè)圖層，對五個(gè)圖層按照網(wǎng)格進(jìn)行剖分，然后對每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

按照礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)的分級評分標(biāo)準(zhǔn)，對六個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值，作為柵格轉(zhuǎn)換的字段值，把矢量圖層轉(zhuǎn)換成柵格圖。

5.4 綜合評價(jià)分區(qū)

在ArcGIS軟件中，利用空間分析工具的柵格計(jì)算器計(jì)算，根據(jù)上文建立的綜合評價(jià)模型，先把臨武縣地質(zhì)環(huán)境背景條件和采礦活動(dòng)影響分別進(jìn)行疊加分析，再對這兩個(gè)一級指標(biāo)進(jìn)行相乘，得到礦山地質(zhì)環(huán)境影響綜合評價(jià)的分值圖，按照評價(jià)等級分級分類標(biāo)準(zhǔn)(表7)對柵格圖進(jìn)行重分類，得到臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)圖(圖3)。

表7 臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Comprehensive evaluation and grading standard for mine geological environment in Linwu County

圖3 臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)分區(qū)圖Fig.3 Comprehensive evaluation map of mine geological environment in Linwu County

臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，說明建立的評價(jià)指標(biāo)體系較合理。由臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)圖可以看出，臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)有兩個(gè)：(1)花塘鄉(xiāng)和香花嶺鎮(zhèn)的三十六灣多金屬礦區(qū)，開采礦種為鉛鋅錫等多金屬礦，主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有固體廢棄物排放，土地資源占用、水土污染、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；(2)水東鎮(zhèn)梅田礦區(qū)，開采礦種主要為煤礦，區(qū)內(nèi)主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有土地資源占用破壞、水資源破壞、固體廢棄物排放，地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境影響較重區(qū)有四個(gè)：(1)麥?zhǔn)墟?zhèn)袁家礦區(qū)，區(qū)內(nèi)開采礦種為煤礦，主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有土地資源占用與破壞、廢水廢液和固體廢棄物排放；(2)金江鎮(zhèn)梅田礦區(qū)，區(qū)內(nèi)主要開采煤礦和石墨礦，主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有土地資源占用、固體廢棄物排放、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；(3)楚江鎮(zhèn)-花塘鄉(xiāng)，區(qū)內(nèi)開采礦種為建筑石料用灰?guī)r，主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有土地資源占用與破壞、固體廢棄物排放；(4)土地鄉(xiāng)-同益鄉(xiāng)，區(qū)內(nèi)開采礦種為建筑石料用灰?guī)r和磚瓦用頁巖，主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有土地資源占用與破壞、固體廢棄物排放、土石環(huán)境污染，土石環(huán)境污染主要為重金屬污染，污染源為武水河上游三十六灣多金屬礦區(qū)排放的廢水廢液和固體廢棄物。礦山地質(zhì)環(huán)境影響較輕區(qū)，為零散分布的一些建材礦山。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查，通過建立遙感解譯標(biāo)志和分析已有礦山資料，可以有效提高遙感解譯的效率和精度；

(2)根據(jù)遙感解譯、實(shí)地核查和水土樣采集測試，臨武縣主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題有地質(zhì)災(zāi)害、土地資源占用與破壞、水土污染及廢水廢液和固體廢棄物排放。

(3)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境背景條件和礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響指標(biāo)的差異，選用1 km×1 km和50 m×50 m兩種尺度的單元格，兼顧礦產(chǎn)資源開采影響的區(qū)域性和評價(jià)的精度。

(4)從地質(zhì)環(huán)境背景條件和礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響考慮，構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)指標(biāo)體系，確定指標(biāo)權(quán)重、建立評價(jià)數(shù)學(xué)模型、對指標(biāo)進(jìn)行提取賦值，得到臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)圖。評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，說明建立的評價(jià)指標(biāo)體系較合理，為臨武縣礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)提供重要的參考價(jià)值。