基于TM影像的德興銅礦區生態環境變化

查東平，申 展，劉足根，廖 兵，王 偉

(1.江西省環境保護科學研究院，南昌 330029;2.北京林業大學林學院，北京 100083)

0 引言

礦產資源是重要的自然資源，是社會經濟發展的重要物質基礎［1－2］，對其開發和利用能產生巨大的經濟和社會效益，但同時也會對生態環境造成破壞和威脅［3］。礦產開發對生態環境的破壞主要表現在毀壞大面積森林和草地等植被、造成河流等地表水污染、改變原有地區的地表形態和自然景觀以及引發多種地質災害等方面［4－6］。其中，礦產開發對生態環境的影響是我國資源環境可持續發展政策優先關注的焦點問題之一［7］。盡管一些學者對德興銅礦礦產資源開發環境監測和生態修復等方面給予了關注［8－10］，但對于長時間序列下礦區生態環境變化方面的研究還很缺乏。

本文通過對比1992年、1996年、2000年、2004年、2009年和2013年等6個年份遙感影像，分析了德興銅礦礦產資源開發區20 a間生態環境綜合變化情況，評估礦產開發活動對生態環境的影響，為礦區生態環境的模擬、預測和修復提供數據支持。

1 研究區概況

德興銅礦地處長江中下游，位于江西省東北部上饒德興市境內，距德興市22 km，上饒市127 km，南昌市 280 km，中心地理坐標為 E117°43'40″，N29°01'26″。研究區地勢東南高，西北低，屬于江南丘陵地區。地面海拔65～500 m，起伏較大，區內地面切割較強烈，山坡較陡，坡度在20°～40°之間。溝谷密度中等，約為 2～3 km/km2［11］，其中長度大于2 km的有西源溝支溝、楊桃塢溝、祝家溝、黃坑溝和大塢河溝等5條。礦區為以黃銅礦為主的多礦種伴生礦床，其伴生元素共有16種［12］。研究區內水土流失嚴重，并處于較高酸性環境。

2 數據處理與解譯

2.1 數據預處理

利用ENVI5.1軟件Landsat Calibration模塊和FLASSH模塊對TM影像分別進行輻射校正和大氣校正，采用1∶5萬比例尺地形圖對其進行多模式模型配準的幾何精糾正，得到預處理產品。其中，FLAASH方法采用MODTRAN4+輻射傳輸模型，幾何糾正采用鄰近法采樣輸出，結果如圖1所示。

圖1 德興銅礦區遙感影像預處理結果Fig.1 Preprocessing results of remote sensing images of Dexing copper m ine area

2.2 影像解譯

根據研究區具體情況，借鑒《全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目技術指南》劃分體系，將研究區生態類型分為采礦場、排土場、尾礦庫、林地、草地、耕地、湖庫、河流、居民地和交通用地等10種［13］。本文采用基于 eCognition面向對象影像分割技術，具體設置為分割尺度10，形狀因子0.1，緊致度0.6;然后將分割圖斑轉成shp文件并導入ArcMap軟件，采用人工判讀方式進行分類和調整。分割后，影像沒有類似基于像素分類產生的狹小和破碎單元，分類邊界較完整，結果如圖2所示。

圖2－1 影像解譯結果Fig.2－1 Image interpretation results

圖2－2 影像解譯結果Fig.2－2 Image interpretation results

3 結果與分析

3.1 生態系統結構變化分析

利用ArcGIS9.3對1992—2013年6期遙感影像解譯結果進行統計分析，得到生態系統內地物類型面積統計數據，如表1所示。

表1 生態系統內地物類型面積統計表Tab.1 Statistics of ecosystem area

3.1.1 礦區面積變化分析

礦區面積變化能夠反映過去20 a間礦產資源開采活動的強度和礦產資源開采土地剝離后生態恢復的程度。研究區礦產資源區有2個露天采場(德興銅礦和富家塢采礦場)、2個廢石堆(祝家排土場和西源排土場)及2個尾礦庫(2號和4號尾礦庫)，具體位置見圖2。礦區采礦場、排土場和尾礦庫面積變化情況如圖3所示。

圖3 采礦場、排土場和尾礦庫面積變化Fig.3 Changes in them ining field，field area dum p and tailings

從圖3可以看出，20 a間德興銅礦礦產資源區采礦場、排土場和尾礦庫的面積均呈現增大趨勢。其中1992年采礦場面積為5.35 km2、排土場面積為0.79 km2、尾礦庫面積為 1.28 km2。2013 年采礦場、排土場和尾礦庫面積分別達到10.32 km2，6.92 km2和3.61 km2，3種類型占地面積年均分別增長3%，11%和5%。從類型轉移方向上來看，采礦場過去20 a間在原有占地基礎上增大，轉換為其他生態類型面積較小，剝離的表土基本上無修復;2號和4號尾礦庫在原有占地基礎上擴大了面積，2號尾礦庫部分區域得到修復，轉變為草地，修復面積約0.7 km2。從礦區占地類型來看，采礦場和排土場主要侵占的是林地和草地，尾礦庫主要侵占的類型為湖庫。

3.1.2 礦山植被和耕地面積變化分析

本次分類中礦山植被［13］包含草地和林地。礦山植被和耕地是評價礦山功能區重要的生態系統類型，其面積變化如圖4所示。

“快跑，快進洞！”青辰朝著唐玉煙大喊。二人眼下身處絕壁，直接暴露在巖鷹的爪下，若是被撲中，定無生還之理。

圖4 礦山植被和耕地面積變化Fig.4 Changes in m ining vegetation and arable land

從圖4可以看出，礦山內植被和耕地所占有的面積比例最大，占礦區所有生態類型總面積50%以上，其中1992年所占面積為178.72 km2，所占比例為70.29%。2013年礦山植被面積為126.80 km2，所占評估區面積比例57.50%。

20 a間，礦山植被的面積呈逐漸減少趨勢，但生態修復面積有限，僅有部分尾礦庫被修復為草地。從轉換方向來看，林地和草地大部分被轉換為采礦場、排土場、居住地及交通用地等人工表面，2004年后交通用地侵占面積有增快趨勢，部分耕地轉換為林地和草地。

3.2 生態系統景觀格局變化分析

采用景觀生態學中景觀指數方法對德興銅礦礦產資源區1992—2013年解譯提取的礦區生態類型進行評價分析。在 ArcGIS10和 Fragstats4.1平臺下，計算研究區斑塊數(number of patchs，NP)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)、邊界密度(edge density，ED)和聚集度指數(contagion index，CONT)4個景觀指標，結果如表2所示。

表2 景觀格局指數Tab.2 Landscape pattern indices

3.2.1 斑塊數和平均斑塊面積分析

斑塊數和平均斑塊面積反映了景觀破碎化程度。景觀破碎化程度增大表現在不同景觀類型斑塊數增多，平均面積減小，斑塊趨于不規整，系統內部獨立生境面積萎縮，廊道被截斷以及不同景觀之間彼此相隔離［14］。斑塊數和平均斑塊面積變化趨勢見圖5。

圖5 斑塊數(左)和平均斑塊面積(右)變化趨勢Fig.5 Trends of number of patches(left)and mean of patch area(right)

由表2和圖5可以看出，1992—2013年德興銅礦礦產資源開發區各類生態系統類型數量上呈現明顯上升趨勢;平均斑塊面積在不同的景觀類型上表現出不同的變化趨勢。平均斑塊面積20 a間呈現增大趨勢的生態類型有居住地、排土場、尾礦庫及湖庫;而耕地、林地和草地平均斑塊面積呈現減小趨勢。從遙感影像和解譯結果上可以看出，居住地、排土場和尾礦庫均在原有占地面積上向周邊擴張了其范圍，在影像解譯結果中也呈現較為完整的斑塊，因此平均斑塊面積呈現增大趨勢。湖庫平均面積增大從遙感影像和解譯結果中可以找到2方面原因:一是面積較小湖庫被尾礦和廢土填埋消失，致使平均面積增大;二是4號尾礦庫的堆積，致使湖庫中水量增加，水域面積增大。耕地、林地和草地均遭受其他生態系統類型嚴重侵占，斑塊變得更加破碎化。

總體來看，斑塊數增加，平均斑塊面積減小，斑塊破碎化程度增加。

3.2.2 邊界密度變化分析

由表2可知，德興銅礦礦產資源開發區內邊界密度呈上升趨勢的生態系統地物類型有耕地、居住地、尾礦庫、排土場、采礦場和交通用地等人工表面，其他自然生態系統邊界密度變化不大(圖6)。

圖6 邊界密度變化趨勢Fig.6 Trends of boundary density

從圖6可以看出，德興銅礦礦產資源開發區人工表面系統破碎化程度上升，這與斑塊數和斑塊平均面積所反映的結果一致。采礦場等人工表面系統受礦產資源開發等人類活動影響，其人工表面斑塊及其相鄰異質斑塊間的邊緣明顯增長。

3.2.3 聚集度指數變化分析

1992—2013年生態系統聚集度總體呈下降趨勢，但變化范圍較小。從斑塊類別來看，聚集度指數上升的有交通用地、尾礦庫、湖庫和采礦場。礦山呈線狀分布，交通用地斑塊之間總是相鄰，道路的新建和原有道路拓寬能夠使聚集度指數上升(圖7)。

圖7 聚集度指數變化趨勢Fig.7 Trends of aggregation index

從圖7可以看出，尾礦堆放使尾礦庫面積增大，聚集度增加，從數值上來看，尾礦庫的聚集度指數也僅低于采礦場和林地。20 a間湖庫的聚集度指數呈略微上升趨勢，由于小湖庫的消失使得聚集度指數呈上升趨勢。采礦場位置相對固定，主要集中在德興銅礦采礦場和富家塢采礦場，完整性較好，聚集度只有些微上升。草地、林地和河流的聚集度指數分別有所下降，說明礦產資源開發活動對草地、河流和林地的占用和其他影響加劇，使其破碎程度增加。

4 結論與討論

1)1992—2013年20 a間德興銅礦礦產資源開發區生態環境發生了重大變化。主要表現為采礦場、排土場和尾礦庫面積逐年增大，被侵占面積最大的是林地;林地、草地和耕地面積逐年減小，大部分轉變為采礦場、排土場、居民地和交通用地等人工表面。自然生態系統朝著人工生態系統單一方向轉變，生態修復面積較小。

2)1992—2013年20 a間德興銅礦礦產資源開發區內生態系統質量朝變差的方向發展。除采礦場、排土場、尾礦庫和居民地等人工表面平均斑塊面積呈增大趨勢，總體上平均斑塊面積呈現減小趨勢，各類生態系統聚集度指數呈現下降趨勢。說明礦產資源開發活動導致礦區生態系統破碎化程度加重，生態系統質量逐漸下降。

3)建議今后加大生態恢復投入，防范礦產資源開發過多地侵占耕地、林地和草地;對于廢棄不用的固體尾礦區和露天采場應加大植被恢復力度，防止水土流失;尾礦庫內固體和液體含有多種污染物，應防止其擴散流入樂安河;尾礦庫和廢石堆易引發崩塌和泥石流等次生地質災害，應加強尾礦庫的管理，降低尾礦庫引發的環境風險，加強泥石流等次生地質災害的防范措施，提高減災、防災意識。

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