基于自然資源調查數據的礦山修復評價與實踐

陸世東，沈 瓊，涂美義，李庚勤，余 洋

(1.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430071； 2.武漢市自然資源和規劃信息中心，湖北 武漢 430071； 3.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430070)

礦產資源是支持國家發展和經濟進步的重要自然資源，礦產行業也是保障我國社會經濟發展的重要產業。在過去的幾十年中，我國在追求經濟快速發展的同時，忽視了礦山生態環境的影響，導致人民賴以生存的環境受到了極大影響[1-3]。由于露天礦山開采容易造成水土流失、地質災害、水體污染等嚴重的生態環境和人居環境的問題，因此對露天礦山的治理與生態修復是當前自然資源部部署的重點工作。2019年5月15日，自然資源部在湖南岳陽專門部署重點區域露天礦山生態修復工作，重點提出了2020年礦山修復工作的主要目標是完成重點地區的廢棄露天礦山治理。2020年1月17日，自然資源部發布的《自然資源調查監測體系構建總體方案》更是明確將礦山監測列為了自然資源調查監測體系的重要內容。

對廢棄露天礦山的綜合治理工作開展監測與評估，不僅是檢驗廢棄露天礦山治理效果的重要手段，也有助于為未完全修復礦山開展針對性治理方案的編制提供有效的數據支持。近年來，對礦山的生態質量、土地占損和環境影響等開展遙感監測調查是國內不少學者研究的重要內容。王曉紅等[4]探討了不同遙感數據源在礦山開發狀況及環境調查中的作用，并定量分析了不同數據源的最小可監測圖斑和最佳成圖比例尺；白洋等[5]利用無人機數據對河北保定某礦區進行了礦區開采現狀的調查，從礦山開發占地、露天礦區坡度、干堆尾砂堆存面積提取等方面驗證了無人機航測數據對露天礦山監測的可行性；項謙和等[6]提出了礦山生態環境修復中遙感影像自動配準方法，可以為礦山生態修復調查工作中確定礦山空間位置與設計方案提供保障。在礦山生態環境的調查分析方面，楊金中等[7]利用全國土地變更調查數據和高分遙感數據，查明了2014年全國廢棄礦山開發占地和已恢復治理的礦山面積等；查東平等[8]利用不同時期的TM影像對德興銅礦區的生態系統結構和景觀格局變化開展了研究；殷亞秋等[9]通過對2016—2018年的遙感影像變化分析，確定了長江經濟帶廢棄露天礦山占用損毀土地面積，明確了長江上游和中下游地區露天礦山對環境的影響有明顯差異，并提出了修復對策和建議。然而，從礦山修復成效的評價來看，現有的礦山修復成效評價體系主要從環境污染、地質災害、土壤基質、生物群落、生態景觀、生態效益、可持續發展等多個方面開展綜合性評價[10-11]，涉及的調查監測要素和數據來源極為復雜，指標量化較為困難，因此主要用于單個礦山成效評價，不適用于開展面向省、市尺度的礦山修復成果評估。自然資源調查監測數據不僅包含了遙感監測數據，還包含了國土三調數據，耕地、森林、草原、濕地、水資源等調查數據以及地理國情監測數據[12]，可以極大豐富現有的露天礦山監測數據源，更有利于面向大范圍、宏觀尺度開展礦山修復成效的監測與評價。然而，如何利用現有的自然資源調查和監測結果評價礦山修復的成效，尚缺乏深入的研究。

基于此，本文重點探討利用自然資源調查數據開展大范圍廢棄露天礦山生態修復成效評價的主要評價內容和評價方法，并以安徽省宿州市為例進行試驗分析。研究結果表明，基于自然資源調查數據開展廢棄露天礦山生態修復成效評價具有重要的現實意義和可操作性，可以為安徽省及近似省份開展廢棄露天礦山生態修復成效評價工作提供參考和借鑒。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

宿州市地處安徽省北部，森林眾多，下轄1個直轄區和4個縣，總面積9 787 km2。 截至2019年末，全市戶籍人口658.27萬人。 宿州市現有廢棄露天礦區555個，其中，已修復礦區363個，總面積2 042.61 hm2，未修復礦區192個，總面積1 056.26 hm2。

1.2 數據來源

1) 統計數據：收集2019年宿州市各區縣統計年鑒資料和由發展和改革委員會等部門提供的規劃資料。

2) 空間數據：主要包括基于地理國情要素數據提取的地表覆蓋分類數據、地理國情要素數據、空間分辨率為2 m的DEM數據。 采集了2015年7月—2019年10月的多期國產遙感影像數據，并進行了地物解譯，影像精度為一般地區1.0 m、城市及周邊重點地區0.5 m。

3) 專題數據：經過資料調研、查閱和整理，形成了廢棄露天礦山統計數據，具體屬性包括礦山名稱、礦山企業名稱、采礦證編號、礦山地址、礦區面積、礦類、礦種、采礦方式、礦山規模、治理時間；收集2019年安徽省主要交通路網、河流水域范圍、大型水庫范圍、生態保護紅線范圍、市域縣區范圍等數據。

2 研究方法與技術流程

2.1 總體技術流程

項目充分利用研究區的第三次國土調查數據(以下簡稱“三調”)、基礎性地理國情監測數據、已完成生態修復礦山名錄、全省廢棄露天礦山名錄、生態保護紅線，根據礦山修復進展，對安徽省所有廢棄露天礦山(以下簡稱“礦山”)監測范圍內的地表覆蓋進行采集分類和修復區的劃定，并對有疑問的圖斑開展外業調查，對各市縣礦山修復面積和修復面積占比進行統計分析，形成監測數據集。

數據集將礦山劃分為已治理和規劃治理兩類，其中對于已治理礦山，項目利用多期遙感數據進一步開展地表覆蓋解譯，確定其在2015—2019年的地表覆蓋變化，并實地調查了礦山的修復現狀，確定其屬于已修復或未修復，形成最終的礦山調查數據集。

在此基礎上，根據礦山治理修復評價要求，以監測數據集為基礎，分別從總體狀況、地表覆蓋類型與數量統計、植被類型與分布統計、“三線三邊”范圍修復狀況統計等方面，對研究區的礦山生態修復項目開展定量統計，并最終從規劃限制、植被覆蓋、土地利用和景觀格局評價四個方面對研究區的礦山修復效果開展評估(圖1)。

圖1 總體技術路線Fig.1 Technology road map

2.2 數據分類體系

由于礦區評價時的地表覆蓋類型與“三調”數據和地理國情監測數據的分類體系均有所差異，分析后發現地理國情監測數據的分類相對更接近礦區的分類體系，因此本文以地理國情監測數據為基礎，對所有監測礦山進行地表覆蓋地類圖斑采集，并將地表覆蓋結果歸為12個地類，建立分類轉化體系見表1。轉換完成后，再與國土“三調”數據所蘊含的土地權屬信息結合，即得到了研究所需的礦區地表覆蓋信息。

表1 礦區地表分類體系Table 1 Land coverage classification system of mining area

2.3 評價分析方法

礦區的生態治理與修復不僅需要綜合考慮自然生態環境、地域功能、區域規劃政策，還要綜合考慮修復后礦區的安全性、穩定性，避免再次造成環境污染，同時還要考慮修復后礦山與周邊景觀的協調，形成可持續利用的土地，區域整體生態功能得到保護和恢復[13]。因此，在開展露天礦區生態修復評價時，本文遵循全面性、科學性、通用性、可度量性、可操作性的基本原則，參照2013年發布的《礦山生態環境保護與恢復治理技術規范(試行)》，對礦區生態修復成效評價主要從生態管控、地表修復狀況和景觀格局三個方面開展。

1) 生態管控：針對未修復礦區與國土空間規劃之間的矛盾，通過統計未修復區域礦山的面積，發現急需治理的礦山所在區域。其中的限制區主要包括生態紅線區域、主要交通沿線、河流沿線、景區周邊以及居民聚集區周邊。在實際計算過程中，項目通過空間緩沖區分析，在交通沿線、河流沿線、景區周邊以及居民聚集區周邊建立緩沖區，作為生態管控區域。生態紅線雖然同為生態管控區域，但因為本身屬于面狀要素，不需要建立緩沖區。在此基礎上，利用空間疊置分析，提取生態管控范圍內的礦山，詳細分析其分布、面積、修復情況。

2) 地表修復：通過統計礦山修復后的地表覆蓋類型和植被覆蓋率等指標，評價礦山修復治理的效果。 其中，地表覆蓋類型按表1所列分類進行統計，植被覆蓋率則主要考慮草地、喬木、喬灌混合、灌木占礦區總面積的比率。 植被覆蓋率計算方法見式(1)。

(1)

3) 景觀格局：景觀格局分析是評價地塊豐富度、景觀破碎程度的常見方法。對于礦山而言，修復后主要需要考慮與周邊地塊的協調一致特性，本文主要計算了礦山修復后的地表覆蓋斑塊密度。斑塊密度是某一類型地表覆蓋的斑塊個數與該類型景觀面積和之比。斑塊密度可以反映不同類型地表覆蓋的破碎化程度和整個區域景觀破碎化程度，因此可以利用斑塊密度評估當前區域的景觀一致性[14]，計算見式(2)。

(2)

式中：N為某一類型地表覆蓋的斑塊個數；A為該類型景觀面積總和。斑塊密度越大，代表該區域的地表覆蓋類型較多，地物豐富度較高，但是景觀一致性較低，對于礦區生態修復來說，要求景觀相互配合協調，所以斑塊密度不宜過大。

3 研究區廢棄露天礦山修復評價分析

基于以上分析流程，對宿州市的礦山開展數據采集和解譯，并最終得到了宿州市的礦山修復現狀。

3.1 修復現狀分析

所涉及的宿州市礦山空間分布如圖2所示。由圖2可知，從總體情況來看，碭山縣是宿州治理完成最好的地區，全縣全部完成了礦山治理，沒有規劃治理礦山，其次是蕭縣和埇橋區礦山數量和已治理情況均居于宿州市前列。規劃治理礦山則主要分布在除碭山縣以外的四個區縣，其中靈璧縣的數量最多，達到12家。

圖2 宿州市各區縣礦山數量及治理情況統計Fig.2 Statistics of mines and their treatment in everydistrict and county of Suzhou city

3.2 生態管控區域礦山修復分析

基于安徽省對“三線三邊”保護的基本要求，由于宿州市的流域周邊無未修復礦山，因此分別統計宿州市各區縣生態紅線范圍內、居民聚集區周邊2 km、旅游景區周邊2 km、主干道路網周邊1 km、鐵路周邊1 km范圍的露天廢棄礦山修復情況，未修復礦山分別為101.40 hm2、339.34 hm2、97.98 hm2、421.40 hm2、125.35 hm2，具體見表2。由表2可知，宿州市的主要公路和居民聚集區范圍內的礦山未修復面積較大，對于居民的日常出行和生活有可能造成潛在的威脅。蕭縣未修復礦山在限制區域內的總面積達到了464.25 hm2，也說明蕭縣的露天礦山修復工作有待進一步加強。

由圖3礦山未修復面積可知，泗縣的礦山治理情況最好，轄區內沒有未修復礦山，其次是碭山縣各類型限制區包含的未修復礦山數據量均較少。從各類限制區進行分析，埇橋區的生態保護紅線范圍內有較多的礦山尚未修復，這也反映出該地區的生態保護紅線內部地塊的管控還有待加強。從居民聚集區來看，2 km范圍內埇橋區和蕭縣的未修復礦山數量較多，因此對于這兩個地區未修復的礦山應該更加關注其潛在地質災害會造成的居民人身損害和經濟財產損失。景區2 km范圍內未修復的礦山則主要分布在蕭縣、埇橋區和靈璧縣，容易影響到這些地區的旅游產業。此外，宿州市的主要公路1 km范圍內未修復的礦山數量最高，對交通出行和公路運輸都容易造成較大的影響，也是后期治理和修復需要重點關注的問題。

圖3 宿州市各區縣限制區域的礦山未修復面積Fig.3 Statistics of unrepaired mines area in restricted areas of Suzhou city

3.3 地表覆蓋修復分析

由宿州市各區縣礦山修復后地表覆蓋類型統計(表3)可知，從礦山修復情況來看，宿州市礦山修復總面積達到了2 042.6 hm2，其中，埇橋區和蕭縣的礦山修復面積居宿州市前兩位，均超過了650 hm2。按照礦山治理的一般原則，礦山的植被覆蓋應依據實際地形和坡度，采取多樣化的種植和復綠方式。平緩地區以喬灌混合林為主，坡度超過一定閾值應以藤本植物為主。具體分析研究區修復后的地表覆蓋類型和面積可以發現，當前宿州市的礦山修復主要以草地為主，占地面積達到了1 331.9 hm2，而灌木林和喬木林的面積整體較小，僅有69.13 hm2。從地表覆蓋面積也可以看出，各區縣地表覆蓋以草地為主。這也說明盡管當前的礦山復綠工作植被覆蓋率總體較好，但是由于植被類型的差異，礦山修復后的效果還有待長期持續的監測，確保治理效果達到礦山修復方案的要求。

表3 宿州市各區縣礦山修復后地表覆蓋類型統計表Table 3 Area statistics of land coverage of repaired mines in all counties of Suzhou city

此外，將草地、灌木林和喬木林合并后計算各區縣礦山修復區域的植被覆蓋率，可以發現碭山縣和泗縣的修復后礦山植被覆蓋率不超過25%。依據礦山生態修復的基本要求，修復后礦區的植被覆蓋率應優于該地區的平均植被覆蓋率。據宿州市2019年國民經濟和社會發展統計公報統計的結果，宿州市2019年平均林木綠化率為36.42%，因此碭山縣和泗縣的礦區植被修復工作還有較大的提升空間。同時，宿州市修復后耕地面積為190.83 hm2，水域面積占286.64 hm2，建筑物、構筑物總面積偏少，按照“宜林則林、宜草則草、宜耕則耕、宜水則水”的原則，未來礦山治理和修復的思路和方案還有待進一步拓展。

3.4 景觀格局分析

表4是對各區縣修復后斑塊密度的統計結果。由表4可知，靈璧縣和蕭縣的礦山修復以草地為主，其余景觀的斑塊密度與草地相差較大，這也說明靈璧縣的礦山修復地物相對較為單一，對于提高礦山的水土保持而言，有待進一步提高物種的豐富度。泗縣的水域、草地和耕地斑塊密度相對較大，但是林地斑塊的缺失也說明泗縣的露天礦山修復仍然處于起步階段，需要進行持續監測，特別是對喬木、灌木的物種提高是保持泗縣礦山修復效果的必要途徑。埇橋區的礦山修復除草地外，其他類型斑塊同樣具有一定的密度，這也與埇橋區是宿州市的市府所在地有關，除提高植被覆蓋率以外，修復后礦山的用途更加廣泛。碭山縣各類地物斑塊密度相差最小，表明修復后地表覆蓋的分布相對均衡。同時，轉為耕地的斑塊數量較大，這也說明碭山縣政府近三年推動拆舊復耕的政策[15]取得了較好的效果。

表4 修復礦山的斑塊密度Table 4 Patch density statistics of repaired minesin all counties of Suzhou city 單位：個/km2

4 結 語

本文基于地理國情數據、DEM數據、歷年影像和專業資料等自然資源調查數據開展礦山修復成效的大范圍監測與評價。研究分析了礦山監測所需地表覆蓋體系與現有地理國情監測體系的差異和轉化方式，提出了現有自然資源調查數據可以支持的礦山修復評價內容。以安徽省宿州市為例進行實驗，構建了露天廢棄礦山地表覆蓋數據庫，并對試驗區的礦山修復成果進行了空間統計分析和區縣級的修復效果評價。

研究結果表明，以遙感手段為基礎，專業調查為輔助的自然資源調查數據可以實現對礦山修復進展和成效的大范圍快速監測，對于礦山修復后的地表狀態和修復模式可以進行快速的評估分析。當前，自然資源調查體系還處于起步階段，隨著調查內容的不斷完善和調查年份的累計，利用自然資源調查可以進一步實現生態廊道、生物多樣性等更多內容的監測與評價。在后續研究中，可以進一步引入高精度遙感調查技術手段，細化數據調查的尺度和類型，完善自然資源調查數據支持的礦山修復成效評價方法系，為實現礦山修復工作的規范化、常態化、信息化監察提供有效的監測評價體系。