基于遙感與GIS的礦山地質環境時空演變分析——以東勝礦區為例

李學淵，趙 博，陳時磊，趙穎旺，邊 凱

(1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083;2．中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

礦山地質環境反映了在準備、正在或已開發的礦山及其鄰近區域為礦山開發所影響的地質環境、生態環境和地理環境等，其以礦業活動為主要影響因素，不斷改變地球表面和巖石圈的自然平衡狀態［1］。隨著社會經濟活動和采礦規模的不斷擴大，礦山生態環境遭到破壞，這制約著地區經濟和社會的可持續發展。礦山地質環境監測涉及到礦山地質環境現狀與變化信息提取，以及礦山地質環境綜合評價、承載力研究及驅動力分析等。在這方面，“3S”技術起到不可替代的作用。其中遙感技術在礦山地質環境監測中的應用已經積累了大量研究成果，包括礦山開發的動態監測［2－4］、礦區地質環境質量的定量分析評價和等級劃分［5－7］等。本研究著眼于礦山地質環境時空演變分析及定量評價研究，以高分辨率遙感影像為數據源，在礦山地質環境專題信息提取的基礎上構建時空數據庫，并進行GIS空間分析與數學模型計算，旨在進一步揭示礦山地質環境的時空演變動態信息和規律，為礦山環境保護、恢復治理和可持續發展提供信息和決策服務。

1 研究區概況與數據源

1．1 研究區概況

東勝礦區位于內蒙古鄂爾多斯高原東端，晉陜蒙交界地帶;地處黃土丘陵地區，地勢西高東低，植被稀疏，屬干旱、半沙漠的高原大陸性氣候區;煤田地質構造簡單，煤層厚且埋藏淺、易于開采。本文研究礦區涉及準格爾旗西部，介于 N39°43'13．3″～39°35'48．13″，E110°10'04．00″～110°21'38．37″之間，面積約220 km2。區內正在開采的煤礦有20個，以露天開采為主。與礦業活動有關的生態破壞現象以草場退化和耕地被占用為主，其次為水土流失和土地沙化等［8］。

1．2 數據源

以2007年5月Quick Bird遙感影像與2012年7月World View2影像為數據源，基于ENVI和ERDAS等平臺，通過圖像處理(正射糾正、大氣校正、幾何精糾正及圖像融合等)，獲得3(R)2(G)1(B)正射影像，空間參考系設置為高斯－克里格投影、1980西安坐標，糾正精度控制在0．5個像元以內［9］。將礦山用地類型(或稱礦山地質環境類型)劃分為:采坑、排土場、恢復治理區、工業廣場、積水區與廢棄采坑等6類。

本研究的技術流程為:將遙感影像與采礦權矢量文件作疊置分析［10］;分析影像波譜特征;根據地物解譯標志，采用人機交互方式解譯，提取礦山地質環境各類專題信息;結合野外查證，對判別有誤的類型重新歸類;分別構建2007和2012年東勝礦山地質環境時空數據庫，繪制現狀分布圖(圖1);分析掌握礦業活動的占地、礦區地質災害分布和礦山環境污染的時空變化情況，為礦區環境綜合整治提供決策數據，同時也為礦山地質環境恢復治理工作提供監督手段。

圖1 2007年(左)和2012年(右)東勝礦區礦山地質環境現狀分布圖Fig．1 Mining geological environment status map of Dongsheng ore district in 2007(left)and 2012(right)

2 礦山地質環境的時間變化

2．1 面積變化

礦山地質環境類型的面積變化主要體現在各地類面積的變化幅度和變化速度上。變化幅度是指監測時段內某種礦山地質環境類型面積的增減量;變化速度指以研究初期某礦山地質環境類型面積為基礎，反映研究期內該類型面積增減的變化率，即該類型轉入和轉出面積絕對值和變化率。具體來說，變化速度既考慮了特定地質環境的類型變化，揭示其空間轉移過程，又定量描述了面積的動態變化速率。其相應的計算公式［11］為

式中:K1和K2分別為礦山地質環境類型年均變化幅度和年均變化速度;Sia為研究初期礦山地質環境類型i的面積;Sib為研究末期礦山地質環境類型i的面積;△Si1和△Si2分別為監測時段內礦山地質環境類型i面積增加的絕對值和減少的絕對值;T為監測時段。計算得到2007—2012年礦山地質環境類型的面積變化情況，如圖2和表1所示。

圖2 2007—2012年東勝礦區礦山地質環境面積變化Fig．2 Areas change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

表1 2007—2012年東勝礦區礦山地質環境類型面積變化Tab．1 Area change ofm ining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表1可以看出，不同的礦山地質環境類型的 面積呈現出不同程度的年均增幅，其由大到小依次為采坑、恢復治理區、排土場、工業廣場、積水區及廢棄采坑。其中2007年規模較小的極少數采坑于2012年停止開采或未及時恢復治理而廢棄，導致采坑與廢棄采坑平均年增幅相差近33倍。對可持續發展有利的恢復治理區和工業廣場的K1合計為343．40，而采坑、排土場、積水區及廢棄采坑等“污染”因素平均年增幅合計為497．86，由此得出污染趨勢仍大于治理趨勢。從年均變化速度K2來看，恢復治理區面積最大，廢棄采坑最小，K2由大到小依次為恢復治理區、采坑、積水區、工業廣場、排土場及廢棄采坑，表明在采礦規模持續擴大(K2=3．45)的同時，積水區面積也不可避免地增大(K2=1．96)，但生態環境的治理得到了重視(K2=29．99)。其中排土場由于初始面積基數較大，K2變化并不顯著，但其對環境的影響仍不容忽視。

2．2 類型轉化

隨著采礦污染和生態治理的同步發展，礦山地質環境類型隨時間將發生變化。監測時段內礦山地質環境類型變化情況如圖3所示。

轉移矩陣Uij可以反映礦山地質環境類型之間相互變化的情況，定義3種變化指標［12－15］。

1)2007年礦山地質環境類型i轉變為2012年類型j的面積組成的轉移矩陣U1，即

圖3 2007—2012年東勝礦區礦山地質環境類型變化Fig．3 Type change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

2)2007年礦山地質環境類型i轉變為2012年礦山地質環境類型j的面積百分比組成的轉移矩陣U2，即

3)2012年礦山地質環境類型j由2007年礦山地質環境類型i轉移的面積百分比組成的轉移矩陣U3，即

計算結果如表2所示。

表2 2007—2012年東勝礦區礦山地質環境類型轉移矩陣Tab．2 Transfer matrix of mining geological environment classification in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表2可以看出，監測時段內東勝礦區礦山地質環境類型轉出面積排序為排土場＞采坑＞工業廣場＞積水區＞恢復治理區=廢棄采坑，轉出百分比的排序為排土場＞采坑＞積水區＞工業廣場＞恢復治理區=廢棄采坑;轉入量的排序為恢復治理區＞采坑＞工業廣場＞排土場＞廢棄采坑＞積水區，轉入百分比的排序為恢復治理區＞廢棄采坑＞采坑＞工業廣場＞積水區＞排土場。其中廢棄采坑的轉入類型只有采坑，由于其面積基數較小，導致其轉入百分比大，為83．36%;而排土場的面積基數較大，導致其轉入百分比小，為16．41%。總體反映出礦山地質環境類型變化主導趨勢為采坑轉變為排土場或恢復治理區，排土場轉變為采坑或恢復治理區，采坑的轉入量是轉出量的2．6倍，而排土場轉出量是轉入量的8．9倍，采坑轉變為排土場的面積是恢復治理區的1．5倍，排土場轉變為采坑的面積與恢復治理區的基本持平，實際上2007年計劃開采的礦山到2012年已經“轉移”為開采區或生態治理區。因此，本區污染與治理是同步發展的，如以恢復治理區和工業廣場為代表的總治理區轉入量為196．62 hm2，同時采坑、排土場、積水區及廢棄采坑等總污染區轉入量為194．46 hm2;如果將其總治理與總污染的變化面積考慮在內，治理力度略慢于礦業污染，那么從可持續發展角度出發，則有必要成倍加大治理力度。

3 礦山地質環境的空間變化

3．1 面積變化的空間分布差異

本文研究區內共有煤礦20個，以露天開采為主，圖4以采礦權為空間單元，反映出單個礦山各環境要素年均變化的增幅分布。

圖4 2007—2012年各礦山不同地質環境年均增幅Fig．4 Different geological environment with average annual increase of each mine from 2007 to 2012

從圖4可以看出，東勝礦區不同礦山地質環境類型的面積大致呈現逐年增加的趨勢，其中采坑增幅為誠意煤礦60．91 hm2/a、富民煤礦32．42 hm2/a及泰煤礦28．01 hm2/a;排土場增幅為公溝煤礦44．24 hm2/a、龍太煤礦 25．58 hm2/a 及西梁煤礦23．37 hm2/a;生態治理方面的增幅為營沙壕煤礦57．67 hm2/a、永利煤礦 41．37 hm2/a、電力滿都拉煤礦28．04 hm2/a、誠意煤礦24．86 hm2/a、哈拉慶煤礦22．79 hm2/a、西梁煤礦 4．04 hm2/a、龍太煤礦 3．13 hm2/a及中興煤礦0;各礦山新建工業廣場較之采坑相對有限、較積水區有所增長，年均增幅超過5 hm2/a的礦山為鑫東煤礦13．32 hm2/a、營沙壕煤礦11．36 hm2/a及電力滿都拉煤礦7．85 hm2/a;積水區增幅較大的是營沙壕、中興、永利及經緯等礦山，但最大增幅不超過3 hm2/a;廢棄采坑除烏蘭渠和永智礦山小幅增長外，其余無變化。其中，四道柳煤礦為地下開采，僅工業廣場用地面積逐年增加;永智煤礦因由露天開采轉為地下，一部分采坑已廢棄，另一部分采坑正在進行生態治理。按照

來計算東勝礦區單個礦山的地質環境綜合變化Δ。式中:A為采坑面積;B為排土場面積;C為恢復治理區面積;D為工業廣場面積;E為積水區面積;F為廢棄采坑面積。其結果如表3所示。

表3 2007—2012年各礦山地質環境綜合變化Tab．3 Geological environment comprehensive changes of each mine from 2007 to 2012 (hm2)

如果進一步考慮2007年各礦山不同環境類型面積變化的基數，根據圖4可知，研究區西北區域恢復治理區較其他區域的地質環境類型年均增幅顯著，而東南區域采坑和排土場年均增幅顯著，可見本礦區在地質環境普遍受破壞的同時，西北區域的生態環境恢復治理結果明顯優于東南區域。

3．2 類型變化的空間分布差異

單個礦山存在開采方式和規模等差異，致使礦山地質環境類型轉化也存在一定的空間差異。采礦權為空間單元，結合研究初期(2007年)不同礦山的地質環境面積總和，根據［16］

計算出20個礦山的地質環境綜合動態度。式中:Ck為第k個采礦權的礦山地質環境類型變化綜合動態度;△Pi－j為研究時段(T=5)內礦山地質環境類型i轉移為類型j的面積;∑△Pi－j為礦山地質環境類型i轉移為非i類的總面積;∑Pi為研究初期各礦山地質環境類型的總面積。計算結果見圖5。

圖5 2007—2012年東勝礦區礦山地質環境綜合動態度Fig．5 Integrated dynamic degree of mining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從圖5可以看出，除四道柳與經緯煤礦，其他各煤礦均呈增加趨勢，即地質環境呈現出明顯變化。其中，與泰煤礦和龍太煤礦的年均動態變化率相差近23倍，這與單個礦山各類地質環境年均增幅相吻合。研究區綜合動態度在西北區域較大，東南區域較小;在西北區域，明顯存在由采坑、排土場、積水區和廢棄采坑向恢復治理區和工業廣場類型轉移，即由污染向治理過渡。東南區域則反之，礦業經濟似以環境污染為代價而發展。

3．3 空間變化規律

通過研究區內各礦權的幾何中心坐標與礦權內某類礦山地質環境的面積加權計算，得到不同礦山地質環境分布的地理坐標，其計算公式［17］為

式中:Xt和Yt分別表示第t年某種礦山地質環境類型分布重心的經緯度坐標;Qti表示第i個采礦權內第t年該地質環境類型的面積;Xi和Yi分別表示第i個礦權的幾何重心經緯度坐標。計算結果如表4所示。

表4 2007—2012年東勝礦區各礦山地質環境類型分布的重心坐標Tab．4 Center of gravity coordinate of geological environment distribution in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

基于ArcGIS平均最鄰近距離模型，按重心坐標分別計算2007年和2012年各類礦山地質環境要素與之最鄰近要素之間距離的平均值，比較其與假定隨機分布距離的相似程度，求得標準化值(standard score，ZScore)，如果ZScore為負且越小，則表示要素分布越趨向于集中;相反為離散。計算結果ZScore2007=－2．91 和ZScore2012=－3．39，表明礦區不同地質環境類型2007年空間分布較2012年相對離散。根據統計學原理，離散代表無序，集中代表有序。這暗示了研究初期的無序開采與末期的生產兼治理形成了鮮明對比。在2007—2012年采坑、排土場、恢復治理區、工業廣場與積水區的重心坐標由西北向東南方向轉移，揭示出礦山的開采活動兼治理在空間上呈現出由西北向東南的發展趨勢。

4 結論

1)本文構建了東勝礦區2007年和2012年礦山地質環境時空數據庫，并計算了監測時段內其面積變化(變化幅度和變化速度)和類型轉化(轉移矩陣)。結果顯示，各種礦山地質環境類型面積逐年增加并發生類型轉化，具有不同程度的年均增幅、變化速率和相關性(轉移量)，以采坑、排土場和恢復治理區變化過程最為顯著。根據野外調研，將采坑、排土場、積水區和廢棄采坑視為“污染”因素，將恢復治理區和工業廣場視為“治理”因素。整體上，因相關政策條令約束，礦山開采與治理同步進行，但由于經濟刺激，“污染”仍大于“治理”，礦區生態環境的重建應得到相關部門的重視。

2)以采礦權為空間單元，計算出東勝礦區2007—2012年單個礦山不同地質環境類型的面積變化(變化幅度)與類型轉移(綜合動態度)，結果表明不同礦山呈現出不同程度的年均增幅與類型轉化。總體而言，東勝礦區西北區域的“治理”力度顯著，破壞環境的采坑、排土場和積水區等類型轉化為恢復治理區與工業廣場等類型的趨勢明顯;東南區域的“污染”趨勢明顯，需加強礦區生態環境恢復力度。本文還結合礦山地質環境類型的空間變化規律，進一步驗證了上述趨勢。

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