基于高分辨率遙感數據的礦山環境綜合治理研究——以冕寧牦牛坪稀土礦為例

楊顯華，黃 潔，田 立，劉 智，韓 磊

(1.四川省地質調查院，成都 610081;2.成都理工大學地球科學學院，成都 610059)

0 引言

礦山是人類工程活動對地質環境影響最為強烈的場所之一。人類在開發利用礦產資源的同時，也改變或破壞了礦區的自然和地質環境，從而產生諸多地質環境問題。我國政府和社會對礦山環境問題極其重視。為保護礦山環境，減少礦產資源勘查開采活動對礦山環境造成的破壞，促進礦產資源的合理開發利用和經濟社會、資源環境的可持續協調發展，國土資源部制定了《礦山環境保護規定》、《“礦山復綠”行動實施方案》等一系列礦山環境保護政策和措施。因此，如何快速、客觀、有效地掌握礦山的最新地質環境狀況，制定有針對性的綜合治理方案，已經引起了全社會的關注［1］。

隨著對地觀測技術的飛速發展以及觀測基礎數據的不斷積累，高分辨率遙感數據已普遍應用于大規模、高頻率的國土資源調查中，并在礦產資源開發和礦產衛片執法等方面發揮了重要作用。本文以位于四川省西南部的冕寧牦牛坪稀土礦區為研究區，將該區的礦山環境和礦山開發狀況作為研究對象，重點探討了基于高分辨率遙感數據的礦山環境綜合治理方法［2－5］，以期為今后礦山遙感監測中綜合分析重點礦區地質環境、制定恢復治理措施提供借鑒。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

冕寧牦牛坪稀土礦是我國第二大稀土(rareearth elements，REE)礦產地，稀土礦開采始于20世紀80年代末期，在當時“大礦大開、小礦小開、有水快流”的政策背景下，在不足2 km2的范圍內，礦產采選企業曾多達100家以上。多年來，稀土礦資源的大量開采，在拉動地方經濟發展的同時，也引發了一系列地質環境問題，嚴重影響了該地區經濟和社會的健康發展。

1.2 數據源

本研究采用2013年5月21日獲取的SPOT6衛星遙感圖像，空間分辨率為1.5 m。對圖像進行了正射糾正、融合、鑲嵌和坐標轉換等預處理，可以滿足1∶2.5萬比例尺的礦山環境信息識別及提取精度。

2 研究方法

基于SPOT6全分辨率遙感圖像，以ArcGIS為平臺，根據已建立的解譯標志，采用類比法、直譯法、排除法和推測法等解譯方式，開展礦山開發狀況和礦山環境信息提取;在此基礎上，對礦山地質災害、礦山土地壓占、礦山環境污染、礦山恢復治理、尾礦庫分布和礦山開采點等6類地物信息開展綜合分析研究［6－8］，主要分析內容及資料來源見表1。

表1 綜合分析內容一覽表Tab.1 Contents of comprehensive analysis

2.1 遙感解譯

2.1.1 遙感解譯標志

根據研究區礦山環境實際情況，將所提取的6類礦山地物信息進一步細化，細化后的14種主要圖斑類型如表2所示;主要礦山地物的遙感解譯標志如圖1所示。

表2 主要礦山地物遙感解譯標志Tab.2 Remote sensing interpretation keys of main objects in mining area

圖1 主要礦山地物遙感解譯標志Fig.1 Remote sensing interpretation keys of main objects in mining area

2.1.2 解譯精度分析

盛茂產[19]認為，包世臣書學理論的主要特色是大力提倡北碑以矯宋、明以來臨攀閣帖的風氣，至于其不足在于提倡碑版、力求改革時弊的理論中，也有矯枉過正、語過其實之處，他推崇北碑書法，而其在碑版書法方面的成就并不卓著。

按照礦山監測相關技術規范要求［9］，在研究區內共解譯出礦山地物圖斑416個;選擇解譯中存在疑問和隨機抽查圖斑共55個進行了野外驗證。驗證結果表明，55個驗證圖斑中解譯準確的有51個，解譯準確率為92.73%。其中，礦山地質災害、礦山開采點和尾礦庫未出現誤判圖斑，礦山環境污染和礦山環境恢復各有1個誤判點，礦山土地壓占有2個誤判點。驗證后對誤判圖斑均進行了修正。因此，本文解譯的礦山地物類型總體上準確可靠。

2.2 綜合分析

在掌握礦區地物信息基礎上，將礦山環境與礦山開發信息綜合，區分其開發利用狀態(正在利用或已關閉廢棄)和所屬主體(企業名稱或無主礦山)，編制礦山地質災害、礦山占地、礦山環境污染、礦山開采點、礦山環境恢復和尾礦庫分布等專題圖件;最后綜合疊加各專題圖件的信息，參照《四川省礦產資源總體規劃》中關于推進礦山環境恢復治理的相關內容，有針對性地提出礦山環境恢復治理區劃及建議。礦山環境綜合分析流程如圖2所示。

圖2 礦山環境綜合分析流程Fig.2 Flow chart of com prehensive analysis for m ine environment

2.3 綜合分析結果

1)礦山開發。共解譯出稀土礦開采點9個(包括2個采礦硐口和7個露天開采面)，其中正在利用的開采點5個，其余4個處于關閉或廢棄狀態，屬于礦業整治工作開展前無主礦山開采(圖3(a))。根據礦產資源規劃等資料分析，牦牛坪稀土礦區在2006年礦業整治前有100余家礦山亂采濫挖，2010年礦業整頓治理結束后區內僅保留2家大型礦山進行規范生產。綜合分析結果表明，礦區開采秩序已得到一定程度的規范，明確了治理主體，其中2006年以前無主礦山開采形成的環境問題由政府主導治理，2010年整頓治理后礦山開采形成的環境問題由采礦企業主導治理。

2)礦山占地。2013年對礦區進行的遙感調查共發現礦山占地837.70 hm2，其中正在利用礦山占地面積449.91 hm2，停止利用礦山占地面積387.79 hm2(圖3(a))。結合礦山開采狀況的解譯結果，進一步對不同占地類型所屬開采主體和占地狀態分別進行了統計。綜合分析表明，礦區內廢棄礦渣占地問題嚴重，有必要在區分不同利用狀態(在利用或已廢棄)下進行復綠和復墾治理。

圖3 礦山專題信息提取圖斑分布圖Fig.3 Distribution of image spots extracted from m ine feature information

3)礦山地質災害。共解譯出地質災害點及隱患點10個，其中泥石流3個、滑坡1個、不穩定斜坡6個(圖3(b));結合礦山開采狀況的解譯結果，進一步對引發各礦山地質災害的礦山開采企業主體及相關采礦活動狀態進行了統計。綜合分析表明，區內泥石流和不穩定邊坡對礦區內的設施與河流存在威脅，是礦山地質災害治理的主要目標。

4)礦山環境污染。解譯出污染河流長度20.15 km，污染水域面積200.28 hm2(圖3(c))。主要水體污染物質包括有放射性的稀土元素氧化物(rareearth oxides，REO)二氧化釷(ThO2)和重金屬元素Pb，Cr，Cd 等［10］;水污染主要由廢棄礦渣淋濾作用及選礦廢水排放造成。

5)尾礦庫。解譯出稀土礦尾礦庫182.73 hm2，其中在采礦山新建尾礦庫53.31 hm2，正在利用尾礦庫7.78 hm2，已廢棄或停用尾礦庫121.64 hm2(圖3(c))。研究區內尾礦渣富含多種稀有元素，具有綜合利用前景，可利用的主要礦物有螢石、重晶石和細粒氟碳鈰礦。已有研究表明，采用合適的回收方式，螢石的回收率可達到 75.69%，品位為98.30%，達到國家一級品水平;稀土的總回收率可達82.83%［11］。目前主要存在的問題是符合商業化、規模化的選礦工藝還存在技術難度。建議國家可將該類尾礦庫作為潛在資源儲備。綜合分析表明，區內廢棄尾礦庫既有資源保護價值，也是造成水體污染重要因素，因此對廢棄尾礦庫的保護治理工作尤為必要。

6)礦山環境恢復。解譯出恢復治理區5處，其中地質災害治理區1處、主要針對尾礦庫治理的植被復綠及災害治理區4處，共完成恢復治理面積約58.09 hm2(圖3(b))。2013年7月17日冕寧縣牦牛坪稀土礦區遭受了特大暴雨，引發的泥石流災害使19.68 hm2恢復治理區遭受破壞，占已恢復治理面積的33.88%，沖走尾礦渣約1萬余t。

3 礦山環境綜合治理區劃

3.1 區劃原則與方案

確定礦山環境綜合治理區劃的原則時，既要考慮當地的地質環境條件，也要考慮區域社會經濟特征［12－13］。

1)結合實際的原則。對已關閉或廢棄礦山開展全面的恢復治理;對正在利用的礦山則以地質災害和環境污染防治為主，礦山復綠等工作待停止開采(或停止使用)后再進行。

2)區分礦山環境影響主體的原則。在劃分恢復治理區時，需要區分不同礦山企業采礦引發的礦山環境問題與歷史遺留的礦山環境問題，以便確定恢復治理主體。

3)綜合分析研究原則。由于影響礦山環境的因素很多，礦山治理所涉及的問題大多是由多種因素共同作用的結果，因此礦山環境治理區劃分需要在對影響因素作綜合分析研究的基礎上進行。

3.1.2 區劃方案

以牦牛坪稀土礦區的礦山開發狀況和礦山環境遙感解譯及綜合分析成果數據為依據，基于礦山環境綜合治理區劃原則，對不同區域存在的礦山環境問題、治理措施和礦山開采狀況等信息進行組合分析，并在多次聽取專家意見的基礎上，將牦牛坪稀土礦區劃分為4種地質環境綜合治理劃區類型，即礦山地質災害與礦山復綠綜合治理區(Ⅰ)、尾礦資源保護與水污染防治區(Ⅱ)、河道疏通治理區(Ⅲ)和礦山地質災害防治區(Ⅳ)，詳見表3。

表3 礦山環境綜合治理區劃分類Tab.3 Com prehensivemanagement division and classification ofm ine environm ent

3.2 區劃結果

根據建立的礦山環境綜合治理區劃原則和方案，將牦牛坪稀土礦區劃分為10個治理區劃(圖4)，涉及到4種區劃類型:

圖4 牦牛坪稀土礦區礦山環境綜合治理區劃圖Fig.4 Comprehensivemanagement zoning map ofm ine environment in M aoniuping rare－earth m ining area

1)礦山地質災害與礦山復綠治理區(Ⅰ)。本治理區劃有2個分區(Ⅰ1和Ⅰ2)，位于牦牛坪稀土礦區西北和西南部，地勢陡峭，巖體破碎，屬礦業整治前稀土礦采礦遺留的采場、中轉場和廢石堆等地物類型;目前已停止開采，屬無主廢棄礦區。治理區內主要地質環境問題是礦山地質災害、土地損毀和脆弱的地質環境條件。

2)尾礦資源保護與水污染防治區(Ⅱ)。本治理區劃有3個分區(Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅱ3)，位于牦牛坪稀土礦區中南部河道內，屬礦業整治前稀土礦選礦廠沿河道修建的尾礦庫，目前已基本停止使用，對部分尾礦庫已進行了恢復治理工作。主要地質環境問題是尾礦庫修建簡陋，壩體均由礦渣堆積建成，位于陡峭山谷前緣河道內，受水流沖刷、侵蝕作用，尾礦受損嚴重，并造成了次生地質災害、河道水體污染和資源浪費等問題。

3)河道疏通治理區(Ⅲ)。本治理區劃有2個分區(Ⅲ1和Ⅲ2)，位于牦牛坪稀土礦區南部和東部河道內，屬礦業整治前稀土礦開采廢渣、廢土沿河道隨意堆放區域。主要地質環境問題是長期受雨水、河水沖刷作用下形成的河道淤積。

4)礦山地質災害防治區(Ⅳ)。本治理區劃有3個分區(Ⅳ1，Ⅳ2和Ⅳ3)，位于牦牛坪稀土礦區西北部和西部，屬目前正在開采利用的礦業活動區。存在的主要問題是，受特殊地形地貌條件限制，稀土礦露天開采產生的固體廢棄物難以找到合適的地點堆放，通常沿山溝和山坡堆放，形成地質災害隱患。

4 礦山環境綜合治理對策與建議

牦牛坪稀土礦區的礦山環境治理可根據礦業活動狀態、礦山環境問題類型和礦山環境破壞程度的不同，采取不同的保護與治理方案。根據劃分的10個二級礦山環境治理分區提出的對策與建議見表4。

表4 礦山環境綜合治理對策與建議Tab.4 Countermeasures and suggestions for comprehensivemanagement ofm ine environment

5 結論與建議

1)本文研究并總結了基于高分辨率遙感數據的礦山環境綜合治理的方法流程。用高分辨率遙感數據提取的礦山地物類型數據準確、可靠。本研究以提取的各種數據為基礎，綜合分析礦山開發、礦山環境、國家政策規劃等各方面因素，完成了冕山牦牛坪稀土礦區的礦山環境綜合治理區劃，并提出了對策與建議。研究成果可應用于該區礦山環境治理方案和治理規劃的制訂與實施。

2)牦牛坪稀土礦區作為四川省礦山生態環境恢復治理重點礦區之一，其礦山環境、礦山開發和社會經濟等因素具有一定的代表性和可參照性。在礦山遙感監測工作中，與冕寧牦牛坪稀土礦相似的其他礦區也能以其為參照，探索自身的地質環境綜合治理區劃方案。

3)本文立足礦山環境恢復治理的實際，將研究區內礦山環境和礦山開發狀況作為綜合分析研究的對象，重點探討了具體礦山在小尺度上的遙感監測和地質環境綜合治理研究方法;但在國家級、省級等大尺度層面上進行地質環境綜合治理研究時，尚難以建立統一的綜合分析方法和區劃原則，這也是下一步研究工作中需要解決的問題。

志謝:感謝四川省地質調查院和成都理工大學參與礦山遙感監測工作的所有人員。

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