遙感技術(shù)在新疆南部地區(qū)礦山環(huán)境調(diào)查及生態(tài)修復中的應(yīng)用

強建華

(中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局,陜西 西安 710054)

新疆地處中國西北，生態(tài)環(huán)境脆弱。多年來，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用為國民經(jīng)濟發(fā)展做出重要貢獻，給當?shù)匕l(fā)展帶來了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益；然而，由于地處內(nèi)陸，特殊的氣候環(huán)境導致在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中產(chǎn)生了多種多樣的礦山地質(zhì)環(huán)境問題亟待解決。遙感技術(shù)作為一項高新技術(shù)，伴隨航天航空技術(shù)的發(fā)展及遙感數(shù)據(jù)挖掘處理方法的進步，遙感應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，尤其在區(qū)域礦山環(huán)境底數(shù)調(diào)查及生態(tài)修復中日益發(fā)揮出重要作用。

1 區(qū)域概況

新疆地貌可以概括為“三山夾兩盆”，北面是阿爾泰山，南面是昆侖山，天山橫貫中部，將新疆分為南北兩部分。研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南部，行政上包括阿克蘇地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、和田地區(qū)和喀什地區(qū)，面積約98.07萬km2。區(qū)內(nèi)的塔里木盆地是中國最大的內(nèi)陸盆地，面積52.34萬km2；盆地中部的塔克拉瑪干沙漠是中國第一、世界第二大流動沙漠，分布面積約33萬km2。工作區(qū)內(nèi)大的河流有塔里木河、孔雀河、葉爾羌河、和田河、車爾臣河等，其中塔里木河全長2 486 km，貫穿塔里木盆地，是中國最長的內(nèi)陸河；大型湖泊主要有博斯騰湖、阿其克庫勒湖、阿牙克庫木湖、阿克賽欽湖等。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，以煤礦、鐵礦、金礦、銅礦、磚瓦黏土和建筑砂石為主。作為當?shù)貒窠?jīng)濟主要支柱，礦產(chǎn)資源開發(fā)強度較大，產(chǎn)生了一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題。例如，土地損毀、地面塌陷、土地荒漠化等，加之脆弱的生態(tài)環(huán)境，恢復治理難度大。

2 工作方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)處理

遙感影像是本研究的主要數(shù)據(jù)來源，采用了多期次、多類型的遙感影像，主要包括遙感2號、遙感8號、資源1號、資源3號和高分1號等中高空間分辨率遙感影像，其空間分辨率介于2 m～5 m，對于重點礦集區(qū)采用了Quickbird-2、WorldView-2和Pleiades等高空間分辨率遙感影像，其空間分辨率優(yōu)于1 m，遙感影像獲取時段為2015～2018年。

在遙感影像正射校正的基礎(chǔ)上，GF-1影像等采用1(R)2(G)3(B)波段組合；Quickbird-2等影像采用3(R)2(G)1(B)波段組合，并利用Brovey 變換方法進行影像融合和增強處理，形成遙感專題數(shù)據(jù)提取分析的本底數(shù)據(jù)。

2.2 遙感信息提取

新疆地區(qū)植被覆蓋度低，可解譯程度相對較高，礦山開采活動形跡在遙感影像上特征明顯，通過分析遙感影像光譜信息特征和空間形態(tài)特征，根據(jù)礦山分布位置、區(qū)位、地形地貌特征、圖斑形狀、周圍植被覆蓋情況等宏觀因子和影像色調(diào)、紋理、規(guī)模等微觀因子分別建立不同礦種、不同開采方式的開采面、固體廢棄物、中轉(zhuǎn)場地等解譯標志(圖1)，采用機器自動識別和人機交互識別相結(jié)合的方法提取礦山井口空間位置信息，圈定礦山開采圖斑范圍，計算礦山采場分布面積，最終獲取礦山占地、礦山地質(zhì)災(zāi)害、礦山環(huán)境污染、礦山環(huán)境恢復治理等專題要素的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及空間分布信息。

圖1 典型地物類型解譯標志圖Fig.1 Interpretation of typical figure spot

3 礦山環(huán)境調(diào)查結(jié)果分析

3.1 礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況

南疆礦產(chǎn)資源豐富，集中分布在南天山成礦帶和西昆侖-阿爾金成礦帶。能源類礦山主要分布在溫宿煤礦區(qū)、拜城托克遜煤礦區(qū)、輪臺陽霞煤礦區(qū)、庫車俄霍布拉克煤礦區(qū)和庫爾勒煤礦區(qū)，開采方式以地下開采為主；金屬類礦山以銅、鉛鋅、砂金為主，銅、鉛鋅主要分布于阿圖什北鉛鋅礦區(qū)，開采方式既有地下開采又有露天開采，砂金主要分布于阿克陶，以露天開采為主；非金屬礦山包括灰?guī)r、砂巖、砂石、黏土等，開采方式主要為露天開采，各區(qū)均有分布。

遙感監(jiān)測結(jié)果顯示，研究區(qū)礦山共計2 096個。按礦種統(tǒng)計，能源礦山113個，金、鐵、錳等金屬礦山431個，非金屬礦山1 552個，以磚瓦黏土和建筑砂石為主。

3.2 礦山開發(fā)占損土地

3.2.1 礦山占地類型情況

礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生最直接和最顯著的環(huán)境問題表現(xiàn)為對土地資源的壓占和損毀。區(qū)內(nèi)礦山開發(fā)占損土地面積約286.445 7 km2，其中采場、固體廢棄物、中轉(zhuǎn)場地、礦山建筑等直接壓占、破壞土地面積284.162 9 km2，因煤礦地下開采間接引起的土地損毀面積2.282 8 km2。按照對土地資源占損類型劃分，采場直接破壞土地資源數(shù)量最大，面積為178.369 3 km2，占全部的62.27%，中轉(zhuǎn)場地和固體廢棄物壓占土地資源面積分別為75.759 3 km2和26.223 6 km2，占比分別為26.45%和9.15%，礦山建筑等臨時占用土地資源數(shù)量最小，面積3.810 7 km2，占全部1.33%(表1、圖2)。

圖2 新疆南部礦山占地分布圖Fig.2 Land occupation map of mine in south Xinjiang

表1 2018年礦山占地遙感調(diào)查結(jié)果表Tab.1 Remote sensing investigation data of land coverage of mine in 2018

3.2.2 礦山占損土地空間分布特征

在南疆五地(州)中，礦山開發(fā)占損土地面積最大的是巴音郭楞蒙古自治州，面積約98.489 9 km2，其次為和田地區(qū)和喀什地區(qū)，占損土地面積分別為56.881 8 km2和51.102 4 km2，阿克蘇地區(qū)礦山開發(fā)占損土地面積42.784 2 km2，占損土地面積最小的是克孜勒蘇柯爾克孜自治州，為36.560 4 km2。從縣級行政區(qū)劃看，主要集中在阿克蘇市、拜城縣庫車縣、若羌縣、和靜縣、阿克陶縣、莎車縣、疏附縣和墨玉縣。

3.2.3 不同礦種和土地資源損毀情況分析

按礦種大類統(tǒng)計，占地以非金屬為主，礦種包括磚瓦黏土、建筑用砂等，其占地面積為16 445.60 ha，占全部的57.41%，這類占地分布廣泛，集中分布于城區(qū)周邊及交通干線沿線，嚴重破壞了自然地貌和部分耕地，由于水資源匱乏，難以進行恢復。其次為金屬礦占地，面積為105.899 4 km2，以貴金屬占地為主，主要為砂金和金礦，該礦種主要分布于克孜勒蘇柯爾克孜自治州地區(qū)，開采方式以露天開采為主，對于土地破壞情況最為嚴重。如阿克陶縣奧依塔克砂金礦區(qū)砂金礦沿河道無序開采，規(guī)模巨大，對環(huán)境影響最大。能源礦占地面積最少，為1 609.03 ha，主要分布于阿克蘇地區(qū)庫車縣、拜城縣，主要是煤礦的堆煤場、洗煤廠、選煤廠占地。

3.3 礦山地質(zhì)災(zāi)害

受地質(zhì)環(huán)境背景、礦種類型、開發(fā)利用方式、開采規(guī)模及開發(fā)強度等影響，區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和空間分布呈現(xiàn)不同特征。區(qū)內(nèi)因礦山開發(fā)引起的對礦區(qū)或居民產(chǎn)生威脅的地質(zhì)災(zāi)害共計13處，破壞和影響土地面積2.282 8 km2，主要是煤礦開發(fā)引起的地面塌陷，其數(shù)量較多，分布廣泛，危害礦區(qū)安全生產(chǎn)及周邊居民、牧民生產(chǎn)生活。在空間上分布集中，主要在阿克蘇地區(qū)的拜城縣、溫宿縣、庫車縣和巴音郭楞蒙古自治州的庫爾勒市。

3.4 礦山環(huán)境污染

區(qū)內(nèi)降水稀少，氣候干旱，大部分地區(qū)為植被稀疏的荒原、荒漠，露天開采的建筑砂石礦及煤矸石自燃等多形成粉塵污染，距離河流較近的礦山在開采及選礦過程中還會引發(fā)水體污染。遙感調(diào)查結(jié)果表明，礦山開發(fā)造成環(huán)境污染27處(粉塵污染24處，水體污染3處)，規(guī)模較小，以小區(qū)域污染為主。

4 生態(tài)修復治理建議

4.1 生態(tài)修復綜合評價分區(qū)

以礦業(yè)開采活動影響區(qū)域為評價單元，綜合考慮自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、資源毀損、礦山地質(zhì)環(huán)境等評價因子，建立評價指標體系，進行礦山地質(zhì)環(huán)境定量綜合評價，揭示礦山開發(fā)對環(huán)境的綜合影響程度，并依據(jù)以下分區(qū)原則進行生態(tài)修復范圍分區(qū)。

(1)綜合考慮礦山開發(fā)所導致的環(huán)境問題的類型及破壞程度。根據(jù)遙感調(diào)查結(jié)果，綜合分析已發(fā)生的礦山地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模，占用及破壞土地的面積和類型，廢水、廢渣對環(huán)境的影響，評估礦山環(huán)境問題造成的危害程度及經(jīng)濟損失。

(2)綜合考慮礦山開采對地質(zhì)環(huán)境破壞或影響程度及恢復治理的難易程度。充分考慮不同礦種誘發(fā)礦山環(huán)境問題的特征及發(fā)展趨勢，綜合分析礦業(yè)開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境條件及社會經(jīng)濟發(fā)展的影響程度，同時考慮礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復治理的難易程度。

(3)定性與定量評估相結(jié)合的原則。礦山環(huán)境問題受多種因素的影響，就目前的工作手段和研究程度來看，尚難定量地評價區(qū)域內(nèi)礦山環(huán)境問題的影響程度。因此，評價采用所選取的礦山環(huán)境影響因素量化指標評判和定性分析相結(jié)合，對礦山環(huán)境影響進行綜合分區(qū)評價。

(4)以采礦區(qū)為基本單元，考慮其所處的地質(zhì)環(huán)境條件、采礦引發(fā)的礦山環(huán)境問題及主要環(huán)境問題類型等。通過網(wǎng)格剖分法將地質(zhì)環(huán)境條件及礦山環(huán)境問題相似的單元劃分為一個區(qū)，而將差異性明顯的單元劃分為不同的區(qū)。

依據(jù)礦山環(huán)境問題的強度、對生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境的影響程度，以及恢復治理難易程度，將區(qū)內(nèi)礦山環(huán)境問題區(qū)分為重點治理區(qū)、次重點治理區(qū)和一般治理區(qū)(圖3)，治理區(qū)數(shù)量分別是10個、26個和35個，并針對不同類型生態(tài)治理區(qū)提出分區(qū)分策的生態(tài)修復治理建議。

圖3 生態(tài)修復規(guī)劃分區(qū)圖Fig.3 Map of ecological restoration planning in Xinjiang

4.2 生態(tài)修復治理建議

(1)重點治理區(qū)。面積約3 406.31 km2，主要集中在喀什、庫爾勒、莎車和庫車等地，區(qū)內(nèi)以露天開采礦山為主，主要為磚瓦黏土、建筑砂石礦，距離城鎮(zhèn)較近，對城區(qū)居民生存、生活環(huán)境影響巨大，建議優(yōu)先進行治理，采用土地平整、復墾等工程措施加大廢棄礦山的治理，尤其加強廢棄磚瓦黏土礦土地復墾工作，恢復為耕地或草地，改善生態(tài)環(huán)境。

(2)次重點治理區(qū)。面積約12 661.9 km2，主要集中在拜城縣、阿圖什市、尉犁縣、和田市、澤普縣、博湖縣、葉城縣等地。這類區(qū)域礦山點多面廣，開采方式既有露天開采、又有地下開采。開采礦種以煤礦、鐵礦、金礦、銅礦、磚瓦黏土和建筑砂石為主，恢復難度較大，建議針對性地開展礦山生態(tài)環(huán)境修復工作，對具有自然恢復條件的礦山，增強封育力度，促進植被有效恢復；對較難自然恢復的礦山開展工程治理。

(3)一般治理區(qū)。面積約38 097.14 km2，主要集中在烏什縣、且末縣、溫宿縣、庫車縣、輪臺縣、阿克陶縣、英吉沙縣、阿克蘇市等地。開采礦種以煤礦、鐵礦、金礦、銅礦、磚瓦黏土和建筑砂石為主。這類區(qū)域礦山分布零散，開采規(guī)模相對較小，礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度較輕，建議以自然恢復為主。

5 結(jié)論與建議

(1)利用遙感技術(shù)能快速獲取礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及變化數(shù)據(jù)，其成果客觀、真實，能有力支撐礦山環(huán)境調(diào)查和礦山地質(zhì)環(huán)境整治工作，提升政府管理水平和治理能力。

(2)調(diào)查結(jié)果顯示，新疆南部地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境問題較為嚴重，與脆弱的生態(tài)環(huán)境矛盾突出。總體上看，區(qū)內(nèi)礦山環(huán)境恢復治理的量小、效果不佳，大部分礦山未進行生態(tài)環(huán)境治理工作，且關(guān)停礦山在失去人工維護的狀態(tài)下，地質(zhì)環(huán)境問題將更加顯化和突出，擴大影響的范圍，產(chǎn)生新的環(huán)境問題，加重已有環(huán)境問題的危害程度。建議利用遙感技術(shù)持續(xù)開展礦山開發(fā)環(huán)境監(jiān)測工作，為新疆地區(qū)綜合整治礦山地質(zhì)環(huán)境提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與決策依據(jù)。

(3)建議在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，各地(州)自然資源主管部門按照“問題導向”的要求，組織開展全面摸底調(diào)查工作，并按照統(tǒng)一要求建立檔案，明確礦山位置、范圍、存在的主要環(huán)境問題，明確責任主體，提出應(yīng)采取的措施，確定治理時限，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)管。在礦山生態(tài)修復及山水林田湖草全域整治方面進行積極探索，更好服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)。