基于遙感技術的區域礦產資源開發生態風險評價

萬華偉　王昌佐　肖如林　劉慧明　李　靜　張利峰，2

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京　100094；2.中國礦業大學(北京)，北京　100083)

?

基于遙感技術的區域礦產資源開發生態風險評價

萬華偉1王昌佐1肖如林1劉慧明1李靜1張利峰1，2

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京100094；2.中國礦業大學(北京)，北京100083)

【摘要】礦產資源的開發不可避免地會對當地生態環境造成破壞，為客觀反映由資源開發帶來的區域生態風險狀況，本文構建了面向業務化應用的資源開發生態風險評價體系，該體系基于空間數據，并利用多時相的遙感數據，具有客觀、宏觀、數據可達性和更新性強的特點。綜合考慮礦產生態影響和遙感技術特點，本文中選取了3個一級指標：資源開發現狀、資源開發擴張、區域自然環境本底和7個二級指標：礦產占開采區面積比例、斑塊密度、河流與居民地周邊礦區面積比例、礦區擴張比例、林草濕地占擴張面積比例、干旱地區面積比例、敏感區比例。指標體系在蒙陜甘寧金三角52個縣域上進行了初步應用，該區域是我國能源發展格局中的國家特大級能源基地，文中搜集了本區域的自然地理區域縣界、河流、居民點等基礎地理數據、2000年和2010年的遙感數據，結合中高低衛星數據，獲取了2個時段的礦產開發遙感解譯數據，對指標進行了計算和評價。評價結果顯示：準格爾旗1個縣資源開發帶來的生態風險較高，達拉特旗、東勝區、伊金霍洛旗、神木縣和慶陽縣5個縣生態風險中等，府谷縣、杭錦旗等8個生態風險較低，其余38個縣均處于資源開發低生態風險。該評價結果驗證了本文提出的評價指標體系，同時也可服務于區域內的資源開發相關政策的制定。

【關鍵詞】礦產開發；生態風險評價；能源金三角；遙感

礦產資源是不可或缺的重要生產資料，我國是世界上少數幾個礦產資源總量豐富的資源大國之一，95%以上的一次性能源，80%以上的工業原料，70%以上的農業生產資料都來自礦產資源[1]。但有些不合理的礦產資源開發利用，引發了地表沉陷、植被破壞、地下水位下降、水土流失和土地沙化等生態問題，嚴重影響到國土生態安全，直接威脅到當地群眾的生產生活，部分地區生態破壞嚴重甚至生態失衡[2]。

很多學者針對區域生態風險評價方法進行了研究[3-4]。礦區生態風險評價作為一種特殊類型的區域生態風險評價，具有多因素、多風險受體、空間異質性等一般區域生態風險評價的特點，也因礦區生態風險的特殊性而有別于一般區域生態風險評價。近年來，國外的礦區生態風險評價逐漸形成了新的研究范式，由原先的單一風險評價向多級風險評價轉移，風險受體逐步由人體擴展到不同種類的生態系統[5]。國內學者在礦區生態風險評價方面也開展了大量工作，探討了由重金屬土壤污染導致的生態風險評價[6-7]、生態梯度風險評價方法[8]、基于土地破壞的礦區生態風險評價[9]、煤礦區景觀生態風險評價[10-11]等方法，前兩種方法均在基于大量的地面調查數據開展，前者針對重金屬土壤污染單一風險源進行了方法研究和評價進行了生態風險方法的研究和試驗，后者將生態梯度風險評價方法用于礦區生態風險評價，揭示了多風險源對多個風險受體、多類型生態效應之間的相關性和因果關系。后兩種方法在評價過程中引入了遙感數據作為重要的數據源，但主要是針對單一方面的風險評價，前者為土地破壞的生態風險，后者主要是景觀方面的風險評價。可以看出，盡管已經建立了多種礦產資源開發生態風險的方法和指標體系，但大多仍需要基于大量地面調查數據的，而基于低成本的可重復觀測的衛星數據的大尺度評價方法主要集中在單一方面，缺乏在大的空間范圍內的，簡單快速的綜合評價方法。遙感技術具有宏觀、客觀的特性，可以快速獲取地表狀況，已被廣泛用于礦山地質環境的調查、礦山違法開采的執法等礦區管理工作，也在礦區規劃和生態環境監測和評價中得到大量應用[12-14]。與常規手段相比，遙感技術用高空鳥瞰的形式進行探測，可以跨越交通的阻隔和視野的限制，洞察地面調查的禁區和死角，對大面積的環境狀況進行全面徹底的調查；同時，它遠離觀察對象，不損害研究對象及其環境條件，保證了獲取信息資料的客觀性、可靠性。因此，充分利用遙感技術，對資源開發區的生態狀況進行調查和快速評價，對于資源開發區的生態保護工作具有非常重要的意義。

本文中為客觀快速地評估區域內由于礦產資源開發引起的生態風險水平，利用遙感技術獲取了區域內資源開發的現狀及動態擴展信息，并結合區域生態背景指標、周邊敏感生態目標影響等指標，構建了區域礦產資源開發生態風險評估指標體系，并在蒙陜甘寧金三角區域內進行了示范。

1資源開發生態風險評估方法

1.1風險評估指標設計的基本原則

區域礦產資源開發生態風險評估指標體系設計的過程中，遵循以下原則：

(1)科學性和指示性原則：指標的設計應遵循生態學、地理學的原理，在深入研究資源開發生態風險影響因子的基礎上，提出指標體系，描述由資源開發引起的生態風險狀況；

(2)簡單性和可行性原則：要求每項指標數據均可通過現有技術手段獲取和計算，指標盡可能簡單明了，具有指示性意義，并可推廣使用。

1.2風險評估指標體系構建

(1)一級指標。根據礦產資源開發對區域的影響因素，本文中主要考慮以下3個一級指標：資源開發現狀、資源開發擴張、區域自然環境本底。

資源開發現狀即區域內礦產開采現狀，包括資源開發分布面積、位置和景觀格局。面積越大，分布在敏感生態區內的比例越高，景觀格局越破碎，給區域帶來的生態風險越高。

資源開發擴張狀況即監測年份和本底年份2個時間段之間的資源開發擴張狀況。擴張規模越大，破壞的林地、草地和濕地自然生態系統比例越高，區域生態風險越高。

自然環境本底主要反映區域對礦產資源開發的生態承載能力，注意反映在水資源和自然生態資源上，干旱區和重要的生態功能保護區域開展資源開發隨之帶來的風險更高。

(2)二級指標。為客觀地反映一級指標的實際狀況，選取了7項二級指標作為具體指標項(表1)。

表1　礦產資源開發生態風險評價指標體系與權重表

各二級指標的具體定義和解釋如下：

X1：礦產開發面積比例，為評價單元內礦產開發面積占評價單元總面積的百分比，反映了區域內資源開發的規模。計算公式為：

X1=礦產開采面積/評價單元總面積

X2：斑塊密度，為評價單元內平均每平方公里內礦產開發的斑塊數，反映了資源開發的破碎水平。計算公式為：

X2=礦產開采斑塊數/評價單元總面積

X3：河流與居民地周邊礦區面積比例，為評價單元內河流周邊500米范圍和居民地周邊1km范圍內的礦產開發面積所占的比例。反映了分布在生態敏感區域內的資源開發比例。計算公式為：

X3=潛在影響河流和居民地的礦產開采面積/評價單元內礦產開發總面積

X4：礦區擴張比例，為評價單元內礦產開發增加的面積與本底年礦產開發面積的比值。反映了區域內資源開發擴張的規模。計算公式為：

X4=礦產開發擴張面積/本底年礦產開發面積

X5：占用林草濕地面積比例，為評價單元內礦產開發擴張過程中占用林地、草地、濕地3類生態用地面積占全部擴張面積的比值。反映了礦產資源開發過程中破壞自然生態系統的程度。計算公式為：

X5=(侵占林地面積+侵占草地面積+侵占濕地面積)/礦產開采擴張總面積

X6：干旱區面積比例，為評價單元內干旱區占整個區域的面積比例。反映了該區域的水資源承載水平。計算公式為：

X6=(亞干旱區面積+干旱區面積+極干旱區面積)/評價單元總面積

X7：生態敏感區比例，為評價單元內生態重要區的比例。反映了該區域的生態重要程度。計算公式為：

X7=生態敏感區面積/評價單元總面積

為保證大尺度的一致性，本文中采用《國家主體功能區劃》中所劃定的重點生態功能區作為生態重要區。

(3)生態風險綜合評價。在上述一、二級指標的基礎上，需要對其進行綜合量化，以反映區域資源開發生態風險的綜合水平。本文采用專家打分和層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)相結合方法，設立了各指標的權重(表1)，具體在不同區域應用時可以根據實際情況進行調整。在計算過程中，先將各指標進行歸一化，本文采用最大最小值線性函數法將各指標歸一化到[0，1]范圍內，再進行加權和分級評價。

2應用示范和結果分析

2.1示范區域

蒙陜甘寧能源金三角地區(以下簡稱金三角地區)處于黃河上中游，包括內蒙古自治區鄂爾多斯市，陜西省榆林市、延安市，甘肅省慶陽市、平涼市，寧夏回族自治區銀川市、石嘴山市、吳忠市和中衛市，共涉及4省(區)9地(市)總面積24×104km2，總人口約1598萬人，能源資源與礦產資源較豐富，是我國能源發展格局中可集中綜合開發的國家特大級能源基地，在我國能源發展中具有重要的戰略地位[15-16]。

2.2示范區域數據搜集情況

本文中搜集了區域縣界、河流、居民點等基礎地理數據，圖1為該地區氣候分區數據，圖2為河流兩側500m和居民地周邊1km區域，圖3為該區域內的重點生態功能區分布，其中佳縣等17個縣域在2010年國務院發布的《全國主體功能區劃》中被劃進黃土高原丘陵溝壑水土保持生態功能區[17]。同時搜集了2000年、2010年環境一號衛星數據和2010年前后的高分辨率衛星影像，以高分數據為參考，結合多次地面調查，建立了礦區占地解譯標志，包括因采挖和壓占等因采礦活動而對原地貌形成改變的所有區域。并通過人機交互解譯進行了礦產資源開發狀況的遙感解譯。圖4為2010年該區域礦產開發解譯結果，可以開出該區域內的資源開發主要集中在準格爾旗、神木、府谷等西北部和靈武、鹽池等中西部縣域。

圖1　金三角地區氣候分區

圖2　金三角地區重點生態功能區分布

2.3生態風險評價結果與分析

按照本文提出的礦產資源開發生態風險評估方法，以縣域為評估單元，對該區域52個縣域進行了生態風險評價，最終得到的評價結果見表2和圖5。可以看出，資源開發生態風險較高的縣域有1個：準格爾旗；處于中等生態風險水平的縣域有5個：達拉特旗、東勝區、伊金霍洛旗、神木縣和慶陽縣；處于較低生態風險水平的縣域有8個：府谷縣、杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、靈武、鹽池、靖邊和同心縣；其余38個縣均處于資源開發低生態風險。該評價結果，可服務于該區域資源開發相關政策的制定。

圖3　金三角地區河流兩側500m與居民地周邊1km

圖4　金三角地區2010年遙感解譯礦區

生態風險等級縣域個數縣域名稱高0較高1準格爾旗中5達拉特旗、東勝區、伊金霍洛旗、神木縣、慶陽縣較低8府谷縣、杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、靈武市、鹽池縣、靖邊縣、同心縣低38烏審旗、綏德縣、吳堡縣等

圖5　金三角地區資源開發生態風險評價結果

3結論與討論

本文構建了基于空間數據的資源開發生態風險評價體系，并在蒙陜甘寧金三角52個縣域上進行了初步應用。主要結論為：

(1)本文建立的資源開發生態風險指標體系具有非常明確的含義，充分考慮了區域的自然背景要素、資源開發現狀和擴張狀況，可以快速有效地表達區域內不同評估單元因資源開發帶來的區域生態風險水平。

(2)該指標體系中所用的數據均來源于遙感數據，具有客觀性，而且充分考慮了動態變化，可更新性強，隨著國產高分辨率遙感數據的獲取成本越來越低，可服務于省級、地市級和資源開發集中區域的生態保護監督管理部門，納入資源開發生態監管業務化的評價體系框架進行推廣使用。

(3)利用本文提出礦產資源開發生態風險評價體系，蒙陜甘寧金三角52個縣域評價結果為：準格爾旗縣生態風險較高，達拉特旗、東勝區、伊金霍洛旗、神木縣和慶陽縣5個縣生態風險中等，其余面臨的礦產資源開發生態風險均處于較低或低水平。該結果，可服務于該區域內的資源開發相關政策的制定。

但本文工作仍存在不足之處，如：關于資源開發至只考慮面積因素，而對于礦產類型以及對地表占用和破壞的程度沒有加以區別。而且對于指標權重的設定目前為專家打分法確定。在下一步的工作中可以進一步對指標進行優化，并引入更為有效的權重設定方法。

參考文獻：

[1]李富平，劉仁義，楊福海，甘德清.礦山生態復墾與露天地下聯合開采[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[2]姜建軍，劉建偉，張進德，石磊.我國礦產資源開發的環境問題及對策探析[J].國土資源情報，2005，(8)：22-26.

[3]QuC.S.，ChenW.BiJ.，HuangL.，LiF.Y.EcologicalriskassessmentofpesticideresiduesinTaihuLakewetland.China[J].EcologicalModelling.2011，222：287-292

[4]YaxinWang，ShiCheng，HongboJu，HuaiqingZhang，DongJiang，DafangZhuang.Evaluatingsustainabilityofwetlandsystem：AcasestudyinEastDongtingLakeArea，China[J].AfricanJournalofAgriculturalResearch.2011，6(28)：6167-6176.

[5]潘雅婧，王仰麟，彭建，韓憶楠.礦區生態風險評價研究述評[J].生態學報，2012，32(20)：6566-6574.

[6]R.Pereira，S.C.Antunes，S.M.Marques，F.Gonalves.Contributionfortier1oftheecologicalriskassessmentofCunhaBaixauraniummine(CentralPortugal)：ISoilchemicalcharacterization[J].ScienceofTheTotalEnvironment，2008，390(2-3)：377-386.

[7]Xiao-boMIN，Xian-deXIE，Li-yuanCHAI，Yan-jieLIANG，MiLI，YongKE.Environmentalavailabilityandecologicalriskassessmentofheavymetalsinzincleachingresidue[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina，2013，23(1)：208-218.

[8]張思鋒，張立，張一恒.基于生態梯度風險評價方法的榆林煤炭開采區生態風險評價[J].資源科學，2011，33(10)：1914-1923.

[9]常青，邱瑤，謝苗苗，彭建.基于土地破壞的礦區生態風險評價：理論與方法[J].生態學報，2012，32(16)：5164-5174.

[10]李昭陽，張楠，湯潔，籍瑤，劉繼莉.吉林省煤礦區景觀生態風險分析[J].吉林大學學報(地球科學版)，2011，41(1)：207-214.

[11]A.Braun，H.-J.Rosner，R.Hagensieker，S.Dieball.Multi-methoddynamicalreconstructionoftheecologicalimpactofcopperminingonChinesehistoricallandscapes[J].EcologicalModelling，2015，303(10)：42-54.

[12]楊金中，秦緒文，張志，王曉紅，黃潔，況順達.礦山遙感監測理論方法與實踐[M].北京：測繪出版社，2011.

[13]秦緒文，楊金中，康高峰，黃潔.礦山遙感監測技術方法研究[M].北京：測繪出版社，2011.

[14]LeiLiu，JunZhou，DongJiang，DafangZhuang，LaminRMansaray，BingZhang.TargetingmineralresourceswithremotesensingandfielddataintheXiemisitaiarea，WestJunggar，Xinjiang，China[J].RemoteSensing.2013，5(7)：3156-3171.

[15]李云玲，汪黨獻，張敏秋.蒙陜甘寧能源金三角地區水資源需求分析與保障對策[J].水電能源科學，2012，30(6)：35-37.

[16]孫剛，萬華偉，王昌佐，王秀.蒙陜甘寧能源金三角植被覆蓋遙感監測與動態分析[J].農業機械學報，2013，44(S2)：247-250.

[17]國務院，全國主體功能區規劃[OL]，國發【2010】46號.http：//www.gov.cn/zwgk/2011-06/08/content_1879180.htm

作者簡介：萬華偉，博士，正高級工程師，主要從事生態環境遙感應用研究

通訊作者：李靜，高級工程師，博士，主要從事生態環境遙感應用研究

中圖分類號：TP751

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0054-04

Assessment of Regional Ecological Risk from Exploitation ofMineralResourcesbyRemoteSensing

WAN Huawei1WANG Changzuo1XIAO Rulin1LIU Huiming1LI Jing1ZHANG Lifeng1，2

(1.Satellite Environmental Application Center，Ministry of Enviromental Protection，Bejing 100094，China；2.ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing100083，China)

Abstract：The exploitation of mineral resources will damage the local ecological environment.To assess the regional ecological risk caused by resource development objectively，in this paper one evaluation index system resource development and ecological risk for operational applications were constructed.The system was based on spatial data，and multi-temporal remote sensing data was used，which had the features of objective，macro，easy data accessibility and strong updating.The evaluation results on 52 counties in the “Golden Triangle” of MSGN (Inner Mongolia，Shaanxi，Gansu，Ningxia) showed：the ecological risk of Zhunger counties is higher，and the risk Dalateqi，Dongsheng District，Yijinhuoluo，Shenmu and Qingyang was in the medium level，the ecological risk of Fugu County，Hangjinqi and other six counties was in the lower level，the ecological risk caused by resources development of the rest 38 counties was very low.The evaluation results verified the evaluation index system proposed in this paper and can provide support for the relevant policy making of resource development in this region.

Keywords：Mineral resources exploitation；Ecological risk assessment；Golden Triangle Energy；Remote Sensing

項目資助：全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目( 項目編號STSN-10)

引用文獻格式：萬華偉等.基于遙感技術的區域礦產資源開發生態風險評價[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：54-57.