方雪娟，丁 鐳，張 志

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

遙感技術(shù)能迅速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地獲取大面積的地面信息，是對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)狀況調(diào)查和礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)的一種較為成熟的技術(shù)方法[2-4]。隨著IKONOS，QuickBird，SPOT5和WorldView等新型傳感器的相繼問(wèn)世，遙感圖像的空間分辨率由10 m逐步提高到亞米級(jí)，極大地提高了對(duì)礦區(qū)復(fù)雜地物的分辨能力，使尾礦庫(kù)信息也能得到很好的反映和識(shí)別。例如郝利娜等[5]基于WorldView-2圖像建立了尾礦庫(kù)高分辨率遙感圖像識(shí)別因子，在鄂東南地區(qū)取得較好的尾礦庫(kù)識(shí)別效果。流域指水系的匯水區(qū)域，是具有水文功能的連續(xù)體[6]，有較明顯、穩(wěn)定、可辨識(shí)的自然邊界。從19世紀(jì)80年代始，隨著水環(huán)境問(wèn)題研究的不斷深入，以流域?yàn)樗h(huán)境管理基本單元的理念在國(guó)際上得到了日益廣泛的認(rèn)可[7-10]。以流域思想為基礎(chǔ)開(kāi)展尾礦庫(kù)的環(huán)境影響分析和管理研究，可遵循流域內(nèi)水文和污染物輸移的自然過(guò)程，從全局上確定出受影響區(qū)域的范圍，從而為污染防治和環(huán)境治理工作提供可靠資料。

本文將遙感技術(shù)與流域分析方法相結(jié)合，研究不受重視的小型尾礦庫(kù)。以WorldView-2高分辨率遙感圖像和DEM為數(shù)據(jù)源，通過(guò)目視解譯在ArcGIS軟件平臺(tái)提取出研究區(qū)大冶陳貴鎮(zhèn)的尾礦庫(kù)信息，總結(jié)其分布特征及規(guī)律，進(jìn)而采用流域分析方法確定小型尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境影響的范圍，預(yù)測(cè)和分析其潛在的環(huán)境影響程度，為相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)小型尾礦庫(kù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)管提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)陳貴鎮(zhèn)位于湖北省大冶市中部，距大冶市區(qū)16 km;東與金湖街道辦事處相鄰，南與劉仁八鎮(zhèn)交界，西與靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)接壤，北與金山店鎮(zhèn)和茗山鄉(xiāng)毗鄰，面積為160.4 km2。武(武漢市)靈(靈鄉(xiāng)鎮(zhèn))鐵路通過(guò)境內(nèi)，與京廣線接軌。大金省道沿EW向橫貫陳貴鎮(zhèn)，東接滬蓉高速公路，西接106國(guó)道。大港河是流經(jīng)陳貴鎮(zhèn)的主要河流，發(fā)源于大冶靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)紅峰水庫(kù)，由陳貴鎮(zhèn)西南邊流入，東北端流出，最終匯入大冶湖(圖1)。

陳貴鎮(zhèn)地處幕阜山脈北側(cè)的邊緣丘陵地帶，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，是大冶市重要的礦冶基地，現(xiàn)已探明的礦產(chǎn)資源有鐵、金、錳、鈷等10多種。主要開(kāi)礦活動(dòng)集中在陳貴鎮(zhèn)東南部銅山口和大廣山一帶，以銅礦和鐵礦為主，現(xiàn)擁有銅山口銅礦和獅子山銅礦2個(gè)銅礦的采礦權(quán)和大廣山鐵礦、張泗朱鐵礦等6個(gè)鐵礦的采礦權(quán)。經(jīng)遙感圖像解譯和野外驗(yàn)證，確定正在開(kāi)采銅、鐵礦的露天開(kāi)采區(qū)2處和地下開(kāi)采區(qū)8處。

2 尾礦庫(kù)分布特征分析

2.1 尾礦庫(kù)遙感解譯

本次研究使用的遙感數(shù)據(jù)為WorldView-2衛(wèi)星在2010-05-30獲取的多光譜圖像(星下點(diǎn)分辨率為1.8 m)和全色圖像(星下點(diǎn)分辨率為0.46 m)。對(duì)原始圖像進(jìn)行圖像融合、正射糾正等預(yù)處理，得到覆蓋研究區(qū)的空間分辨率為0.5 m的多光譜圖像，為尾礦庫(kù)信息提取提供了高分辨率的遙感數(shù)據(jù)。

對(duì)經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理的WorldView-2圖像進(jìn)行B3(R)，B2(G)，B1(B)波段組合的假彩色合成，在湖北省1∶5萬(wàn)地形圖、礦權(quán)數(shù)據(jù)、地層和巖體地質(zhì)數(shù)據(jù)的輔助下，根據(jù)圖像中不同地物的色調(diào)、紋理和形狀等影像特征(表1)，建立了目標(biāo)信息的解譯標(biāo)志;采用目視解譯方法進(jìn)行目標(biāo)信息提取，最終勾畫(huà)出目標(biāo)信息范圍，生成shape格式的矢量文件;并賦予相應(yīng)的屬性，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基變形整治新技術(shù)研究……………………………………………………… 張東亮（10-74）

陳貴鎮(zhèn)尾礦庫(kù)主要為銅、鐵尾礦庫(kù)。依據(jù)尾礦庫(kù)的規(guī)模和使用狀況，可將尾礦庫(kù)分為以下3類:

表1 尾礦庫(kù)影像特征及野外照片Tab.1 Image features and field photos of tailing ponds

1)大中型尾礦庫(kù)。形狀如水庫(kù)，外圍有庫(kù)壩為界，庫(kù)內(nèi)可區(qū)分出灰色含尾砂量很高的裸露泥漿區(qū)和深色廢水區(qū);尾砂量從邊緣泥漿區(qū)向中間廢水區(qū)漸減，可見(jiàn)發(fā)射狀扇形紋理。

2)小型正在使用的尾礦庫(kù)。呈方形或不規(guī)則形狀的水塘，庫(kù)內(nèi)為灰色發(fā)射狀泥漿與廢水的混合物;庫(kù)壩呈灰白色，由土或尾砂堆砌而成。尾礦庫(kù)周圍可見(jiàn)少數(shù)藍(lán)頂或灰頂廠房及灰色選礦場(chǎng)地。有些小尾礦庫(kù)隨著尾礦的不斷增多而向下游擴(kuò)大庫(kù)容，形成多級(jí)尾礦壩，尾礦庫(kù)呈階梯狀分布。

3)小型已廢棄的尾礦庫(kù)。形狀和特征與使用中的小型尾礦庫(kù)相似，區(qū)別在于庫(kù)內(nèi)很少有水體，幾乎都是干涸的固體泥漿，有些庫(kù)內(nèi)已生長(zhǎng)有少量綠色植被。

根據(jù)尾礦庫(kù)解譯標(biāo)志，本文通過(guò)目視解譯從研究區(qū)中共提取出76個(gè)尾礦庫(kù)(其中大中型2個(gè)，小型74個(gè))和43個(gè)選礦場(chǎng)地，作為本文的研究對(duì)象(圖2)。對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行了野外實(shí)地驗(yàn)證，結(jié)果表明解譯精度可達(dá)95%以上。

圖2 陳貴鎮(zhèn)尾礦庫(kù)解譯結(jié)果Fig.2 Interpretation result of the tailing ponds in the Chengui town

2.2 尾礦庫(kù)分布規(guī)律及特征分析

2.2.1 尾礦庫(kù)的空間分布

尾礦庫(kù)一般地處山谷中，離礦區(qū)不遠(yuǎn);與選礦場(chǎng)地伴生，在選礦場(chǎng)附近就地而建。由于小選礦場(chǎng)的企業(yè)主多為私營(yíng)(甚至部分是違規(guī))開(kāi)采，其開(kāi)礦、選礦的隨意性加劇了尾礦庫(kù)分布的散亂性，且多靠近農(nóng)耕地、水源、居民地和道路等地物。本文選用最鄰近距離法，結(jié)合地形等高線、河流等地形要素，確定出距上述4類地物最近的尾礦庫(kù);并利用ArcGIS軟件量算出距離，作為分析尾礦庫(kù)對(duì)周邊環(huán)境影響的依據(jù)之一。表2為陳貴鎮(zhèn)小型尾礦庫(kù)距最鄰近地物的情況。

表2 陳貴鎮(zhèn)小型尾礦庫(kù)最鄰近地物情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of the most adjacent ground features of the small tailing ponds in the Chengui town

從表2可以看出，距離農(nóng)耕地最近的尾礦庫(kù)共有25個(gè)，最鄰近距離范圍0.6～71 m，平均距離約13.9 m;距離農(nóng)耕地在5 m以內(nèi)的尾礦庫(kù)有7個(gè)，2 m以內(nèi)的有2個(gè)。距離道路最近的尾礦庫(kù)共有23個(gè)，最鄰近距離范圍為0.5～42 m，平均距離約7.6 m;距離道路在5 m以內(nèi)的尾礦庫(kù)有10個(gè)，距離道路2 m以內(nèi)的尾礦庫(kù)有6個(gè)。距離水體最近的尾礦庫(kù)有9個(gè)，最臨近距離范圍3.6～13 m，平均距離約7.7 m;距離水體在5 m以內(nèi)的尾礦庫(kù)有2個(gè)。距離居民點(diǎn)最近的尾礦庫(kù)有4個(gè)，最鄰近距離范圍5.3～55 m，平均距離約19.9 m;距離居民點(diǎn)在5 m左右的尾礦庫(kù)有2個(gè)。與以上幾類地物均不鄰近、不會(huì)構(gòu)成直接危害的小型尾礦庫(kù)有13個(gè)。

2.2.2 尾礦庫(kù)的規(guī)模和數(shù)量

小型尾礦庫(kù)庫(kù)容小，但數(shù)量眾多。本文從研究區(qū)中共提取出74個(gè)小型尾礦庫(kù)，在陳貴鎮(zhèn)的平均分布密度約為1個(gè)/1.1 km2，占地面積均小于4 hm2，總面積達(dá)58.95 hm2，平均每個(gè)小型尾礦庫(kù)占地面積為0.8 hm2;占地面積小于1 hm2的小型尾礦庫(kù)就有55個(gè)(占小型尾礦庫(kù)總數(shù)的74.32%)。

2.2.3 尾礦庫(kù)的壩體設(shè)施和管理

在壩體設(shè)施上，尾礦壩多用土和尾砂堆積而成，較松散，不牢固;且設(shè)備簡(jiǎn)陋，缺乏必要的配套設(shè)施(如排洪、回水系統(tǒng)等)。

在管理上，有關(guān)部門對(duì)中小型選礦場(chǎng)監(jiān)管不嚴(yán)，對(duì)小型尾礦庫(kù)隨地搭建不予重視，利用完畢后多棄之或聽(tīng)之任之而不加治理。74個(gè)小尾礦庫(kù)中有26個(gè)處于廢棄狀態(tài)，占地面積達(dá)17.95 hm2(占小型尾礦庫(kù)總占地面積的30.44%)。企業(yè)主對(duì)這類尾礦庫(kù)沒(méi)有采取有效的處理措施，而是原地?cái)R置，既占用大量土地、破壞自然景觀，也為后期的生態(tài)恢復(fù)帶來(lái)極大的困擾。

3 小型尾礦庫(kù)環(huán)境影響分析

3.1 環(huán)境影響范圍分析

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌及水文信息，是流域地形和地物識(shí)別的重要原始資料。應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)模擬流域輪廓、地形、水系和坡度等信息，可用于分析流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各子流域間的空間關(guān)系[11]，對(duì)流域管理的主要問(wèn)題(如水土流失、非點(diǎn)源污染等)能提供一定的參數(shù)，可用于對(duì)尾礦庫(kù)環(huán)境影響范圍的預(yù)測(cè)和分析。本文為體現(xiàn)流域的宏觀性和整體性，以陳貴鎮(zhèn)所在的大冶市為分析背景，從湖北省1∶5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)中提取出覆蓋整個(gè)大冶市的DEM數(shù)據(jù);使用ArcGIS的水文分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括地表徑流模擬過(guò)程中的水流方向確定、水流累積矩陣生成、分級(jí)河流網(wǎng)絡(luò)生成以及流域分割提取等步驟[12](圖3)。

圖3 流域分析技術(shù)流程Fig.3 Flow chart of watershed analysis

通過(guò)對(duì)上述水文因子的提取，可再現(xiàn)水流的流動(dòng)過(guò)程，確定出受污染源影響的區(qū)域，進(jìn)而進(jìn)行環(huán)境影響分析。用DEM進(jìn)行流域分析所得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)有分級(jí)河網(wǎng)和集水流域。圖4是提取出的尾礦庫(kù)與分級(jí)河網(wǎng)、集水流域的空間疊合圖，各種地理信息的集合體及其空間展布為研究區(qū)的環(huán)境效應(yīng)分析提供了充分、直觀的基礎(chǔ)信息。

圖4 尾礦庫(kù)與分級(jí)河網(wǎng)等要素疊合圖Fig.4 Overlapping map of the tailing ponds and hierarchical river streams

從圖4中的分級(jí)河網(wǎng)可以看出，途經(jīng)陳貴鎮(zhèn)的主水流方向?yàn)橛晌飨驏|。從尾礦庫(kù)所在位置的高程最高區(qū)域開(kāi)始，按1—4級(jí)的順序搜索分級(jí)河網(wǎng);以搜索到的可能受尾礦庫(kù)影響的流域分水嶺為界，圈定出尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的區(qū)域。圖4中藍(lán)色虛線圈定的區(qū)域是本次研究確定的尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境的影響范圍(面積達(dá)59.96 km2)。

3.2 潛在環(huán)境影響分析

3.2.1 小型尾礦庫(kù)災(zāi)害

陳貴鎮(zhèn)的小型尾礦庫(kù)壩體松散、庫(kù)容小、設(shè)施簡(jiǎn)陋，容易發(fā)生潰壩、滲流和小型滑坡等災(zāi)害，導(dǎo)致尾礦液泄露。研究區(qū)處于亞熱帶濕潤(rùn)環(huán)境，常年多雨，如遇到強(qiáng)暴雨季節(jié)，更容易發(fā)生潰壩;而尾礦庫(kù)在位置上多靠近農(nóng)耕地、水源、居民地和道路等與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)的地物，一旦發(fā)生潰壩等災(zāi)害，將會(huì)直接危害尾礦庫(kù)周邊及其下游的村莊、農(nóng)田、道路或工礦企業(yè)等，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)上文計(jì)算得到的平均距離可以判斷，尾礦庫(kù)對(duì)上述4類地物潛在的滲流等危害由大到小依次為:道路＞水體＞農(nóng)耕地＞居民點(diǎn)。從環(huán)境監(jiān)測(cè)角度來(lái)看，目前可以重點(diǎn)做好與上述4類地物距離較近(5 m以內(nèi))的21個(gè)尾礦庫(kù)的整治工作;對(duì)于緊靠道路、農(nóng)耕地(距離2 m以內(nèi))的8個(gè)小型尾礦庫(kù)尤其要注重壩體加固和安全監(jiān)測(cè)工作。

3.2.2 重金屬和水土污染

受限于選礦工藝技術(shù)或出于經(jīng)濟(jì)考慮，多數(shù)選礦廠僅能提取銅、鐵礦原料，而將其他物質(zhì)排入尾礦庫(kù)中;同時(shí)，選礦過(guò)程要加入各種浮選藥劑(有些是劇毒的，如黃藥)，據(jù)劉忠明等[13]對(duì)鄂東南地區(qū)尾礦進(jìn)行的化學(xué)成分分析，在銅、鐵尾礦庫(kù)的廢液中含有S，Pb，Zn，Cu，Cr，As和 Hg 等 50 多種化學(xué)元素。大量重金屬和有毒藥劑滯存于尾礦庫(kù)，受表土風(fēng)化、雨淋和地表徑流沖蝕等作用，尾礦廢液很容易滲入土壤與河流，造成水土污染。根據(jù)流域分析的結(jié)果，尾礦庫(kù)的潛在環(huán)境影響面積達(dá)59.96 km2，范圍很大;而進(jìn)入水體和土壤的重金屬，又可能通過(guò)水生生物、牧草、莊稼等植被進(jìn)入食物鏈，被吸收、富集，進(jìn)而對(duì)尾礦庫(kù)周邊的居民和家畜的健康產(chǎn)生潛在威脅。這種危害是潛移默化的，短期不易被察覺(jué)，一旦長(zhǎng)久積累則危害極大。因此，有必要定期對(duì)尾礦庫(kù)周圍的水體和農(nóng)田進(jìn)行重金屬元素測(cè)試，并及時(shí)采取相應(yīng)的整治措施。

3.2.3 占用土地與破壞植被和景觀

選礦廢液堆存于尾礦庫(kù)內(nèi)，占用了大量土地;而大量廢液若滲入土壤與河流，造成土壤酸化或鹽漬化，改變土地原有的性質(zhì)，破壞土地資源，影響植被生長(zhǎng)(在對(duì)尾礦庫(kù)的實(shí)地調(diào)查中可見(jiàn)到多處尾礦庫(kù)附近的植被稀疏萎黃，生長(zhǎng)不良)。隨意修建的簡(jiǎn)陋尾礦庫(kù)與原有自然景觀極不協(xié)調(diào)，增加了景觀破碎度，降低了原景觀的審美價(jià)值。因此，有必要對(duì)礦山開(kāi)采秩序進(jìn)行整頓，規(guī)范尾礦庫(kù)的建設(shè)和管理。

4 結(jié)論與建議

1)陳貴鎮(zhèn)小型尾礦庫(kù)具有數(shù)量多、規(guī)模小、分布亂、管理設(shè)施差等特點(diǎn)，在空間位置上多鄰近水體、農(nóng)耕地、道路和居民點(diǎn)等4類地物。根據(jù)最鄰近平均距離，確定尾礦庫(kù)對(duì)4類地物的潛在危害由大到小依次為道路＞水體＞農(nóng)耕地＞居民點(diǎn)。因此，可重點(diǎn)排查和監(jiān)控靠近道路和水體的小型尾礦庫(kù)，近期可加固尾礦庫(kù)的壩體。

2)根據(jù)流域分析結(jié)果，陳貴鎮(zhèn)小型尾礦庫(kù)對(duì)流域的影響面積達(dá)59.96 km2，主要存在3大方面的危害:①尾礦庫(kù)潰壩、滲流而引發(fā)次生災(zāi)害;②重金屬污染和水土污染;③占用土地、破壞植被與自然景觀等。

小型尾礦庫(kù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境災(zāi)害防治是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，需要引起社會(huì)和學(xué)術(shù)界的高度重視;關(guān)于小型尾礦庫(kù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法還需要進(jìn)一步探索和研究。本文以陳貴鎮(zhèn)的小型尾礦庫(kù)為例，旨在呼吁有關(guān)部門在礦山環(huán)境整治的過(guò)程中，特別要加強(qiáng)對(duì)小型尾礦庫(kù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)治理，為營(yíng)造更加安全、和諧的礦山環(huán)境創(chuàng)造條件。

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