李學(xué)淵，趙 博，陳時(shí)磊，趙穎旺，邊 凱

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境反映了在準(zhǔn)備、正在或已開(kāi)發(fā)的礦山及其鄰近區(qū)域?yàn)榈V山開(kāi)發(fā)所影響的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和地理環(huán)境等，其以礦業(yè)活動(dòng)為主要影響因素，不斷改變地球表面和巖石圈的自然平衡狀態(tài)［1］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦山生態(tài)環(huán)境遭到破壞，這制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及到礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀與變化信息提取，以及礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)、承載力研究及驅(qū)動(dòng)力分析等。在這方面，“3S”技術(shù)起到不可替代的作用。其中遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已經(jīng)積累了大量研究成果，包括礦山開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［2－4］、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的定量分析評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分［5－7］等。本研究著眼于礦山地質(zhì)環(huán)境時(shí)空演變分析及定量評(píng)價(jià)研究，以高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，在礦山地質(zhì)環(huán)境專題信息提取的基礎(chǔ)上構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行GIS空間分析與數(shù)學(xué)模型計(jì)算，旨在進(jìn)一步揭示礦山地質(zhì)環(huán)境的時(shí)空演變動(dòng)態(tài)信息和規(guī)律，為礦山環(huán)境保護(hù)、恢復(fù)治理和可持續(xù)發(fā)展提供信息和決策服務(wù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)概況

東勝礦區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原東端，晉陜蒙交界地帶;地處黃土丘陵地區(qū)，地勢(shì)西高東低，植被稀疏，屬干旱、半沙漠的高原大陸性氣候區(qū);煤田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層厚且埋藏淺、易于開(kāi)采。本文研究礦區(qū)涉及準(zhǔn)格爾旗西部，介于 N39°43'13．3″～39°35'48．13″，E110°10'04．00″～110°21'38．37″之間，面積約220 km2。區(qū)內(nèi)正在開(kāi)采的煤礦有20個(gè)，以露天開(kāi)采為主。與礦業(yè)活動(dòng)有關(guān)的生態(tài)破壞現(xiàn)象以草場(chǎng)退化和耕地被占用為主，其次為水土流失和土地沙化等［8］。

1．2 數(shù)據(jù)源

以2007年5月Quick Bird遙感影像與2012年7月World View2影像為數(shù)據(jù)源，基于ENVI和ERDAS等平臺(tái)，通過(guò)圖像處理(正射糾正、大氣校正、幾何精糾正及圖像融合等)，獲得3(R)2(G)1(B)正射影像，空間參考系設(shè)置為高斯－克里格投影、1980西安坐標(biāo)，糾正精度控制在0．5個(gè)像元以內(nèi)［9］。將礦山用地類型(或稱礦山地質(zhì)環(huán)境類型)劃分為:采坑、排土場(chǎng)、恢復(fù)治理區(qū)、工業(yè)廣場(chǎng)、積水區(qū)與廢棄采坑等6類。

本研究的技術(shù)流程為:將遙感影像與采礦權(quán)矢量文件作疊置分析［10］;分析影像波譜特征;根據(jù)地物解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互方式解譯，提取礦山地質(zhì)環(huán)境各類專題信息;結(jié)合野外查證，對(duì)判別有誤的類型重新歸類;分別構(gòu)建2007和2012年?yáng)|勝礦山地質(zhì)環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制現(xiàn)狀分布圖(圖1);分析掌握礦業(yè)活動(dòng)的占地、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布和礦山環(huán)境污染的時(shí)空變化情況，為礦區(qū)環(huán)境綜合整治提供決策數(shù)據(jù)，同時(shí)也為礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作提供監(jiān)督手段。

圖1 2007年(左)和2012年(右)東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀分布圖Fig．1 Mining geological environment status map of Dongsheng ore district in 2007(left)and 2012(right)

2 礦山地質(zhì)環(huán)境的時(shí)間變化

2．1 面積變化

礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化主要體現(xiàn)在各地類面積的變化幅度和變化速度上。變化幅度是指監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)某種礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積的增減量;變化速度指以研究初期某礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積為基礎(chǔ)，反映研究期內(nèi)該類型面積增減的變化率，即該類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積絕對(duì)值和變化率。具體來(lái)說(shuō)，變化速度既考慮了特定地質(zhì)環(huán)境的類型變化，揭示其空間轉(zhuǎn)移過(guò)程，又定量描述了面積的動(dòng)態(tài)變化速率。其相應(yīng)的計(jì)算公式［11］為

式中:K1和K2分別為礦山地質(zhì)環(huán)境類型年均變化幅度和年均變化速度;Sia為研究初期礦山地質(zhì)環(huán)境類型i的面積;Sib為研究末期礦山地質(zhì)環(huán)境類型i的面積;△Si1和△Si2分別為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型i面積增加的絕對(duì)值和減少的絕對(duì)值;T為監(jiān)測(cè)時(shí)段。計(jì)算得到2007—2012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化情況，如圖2和表1所示。

圖2 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境面積變化Fig．2 Areas change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

表1 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積變化Tab．1 Area change ofm ining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表1可以看出，不同的礦山地質(zhì)環(huán)境類型的 面積呈現(xiàn)出不同程度的年均增幅，其由大到小依次為采坑、恢復(fù)治理區(qū)、排土場(chǎng)、工業(yè)廣場(chǎng)、積水區(qū)及廢棄采坑。其中2007年規(guī)模較小的極少數(shù)采坑于2012年停止開(kāi)采或未及時(shí)恢復(fù)治理而廢棄，導(dǎo)致采坑與廢棄采坑平均年增幅相差近33倍。對(duì)可持續(xù)發(fā)展有利的恢復(fù)治理區(qū)和工業(yè)廣場(chǎng)的K1合計(jì)為343．40，而采坑、排土場(chǎng)、積水區(qū)及廢棄采坑等“污染”因素平均年增幅合計(jì)為497．86，由此得出污染趨勢(shì)仍大于治理趨勢(shì)。從年均變化速度K2來(lái)看，恢復(fù)治理區(qū)面積最大，廢棄采坑最小，K2由大到小依次為恢復(fù)治理區(qū)、采坑、積水區(qū)、工業(yè)廣場(chǎng)、排土場(chǎng)及廢棄采坑，表明在采礦規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大(K2=3．45)的同時(shí)，積水區(qū)面積也不可避免地增大(K2=1．96)，但生態(tài)環(huán)境的治理得到了重視(K2=29．99)。其中排土場(chǎng)由于初始面積基數(shù)較大，K2變化并不顯著，但其對(duì)環(huán)境的影響仍不容忽視。

2．2 類型轉(zhuǎn)化

隨著采礦污染和生態(tài)治理的同步發(fā)展，礦山地質(zhì)環(huán)境類型隨時(shí)間將發(fā)生變化。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化情況如圖3所示。

轉(zhuǎn)移矩陣Uij可以反映礦山地質(zhì)環(huán)境類型之間相互變化的情況，定義3種變化指標(biāo)［12－15］。

1)2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)變?yōu)?012年類型j的面積組成的轉(zhuǎn)移矩陣U1，即

圖3 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化Fig．3 Type change of mining geological environment of Dongsheng ore district from 2007 to 2012

2)2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)變?yōu)?012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型j的面積百分比組成的轉(zhuǎn)移矩陣U2，即

3)2012年礦山地質(zhì)環(huán)境類型j由2007年礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移的面積百分比組成的轉(zhuǎn)移矩陣U3，即

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab．2 Transfer matrix of mining geological environment classification in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從表2可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)東勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)出面積排序?yàn)榕磐翀?chǎng)＞采坑＞工業(yè)廣場(chǎng)＞積水區(qū)＞恢復(fù)治理區(qū)=廢棄采坑，轉(zhuǎn)出百分比的排序?yàn)榕磐翀?chǎng)＞采坑＞積水區(qū)＞工業(yè)廣場(chǎng)＞恢復(fù)治理區(qū)=廢棄采坑;轉(zhuǎn)入量的排序?yàn)榛謴?fù)治理區(qū)＞采坑＞工業(yè)廣場(chǎng)＞排土場(chǎng)＞廢棄采坑＞積水區(qū)，轉(zhuǎn)入百分比的排序?yàn)榛謴?fù)治理區(qū)＞廢棄采坑＞采坑＞工業(yè)廣場(chǎng)＞積水區(qū)＞排土場(chǎng)。其中廢棄采坑的轉(zhuǎn)入類型只有采坑，由于其面積基數(shù)較小，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)入百分比大，為83．36%;而排土場(chǎng)的面積基數(shù)較大，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)入百分比小，為16．41%?？傮w反映出礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化主導(dǎo)趨勢(shì)為采坑轉(zhuǎn)變?yōu)榕磐翀?chǎng)或恢復(fù)治理區(qū)，排土場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煽踊蚧謴?fù)治理區(qū)，采坑的轉(zhuǎn)入量是轉(zhuǎn)出量的2．6倍，而排土場(chǎng)轉(zhuǎn)出量是轉(zhuǎn)入量的8．9倍，采坑轉(zhuǎn)變?yōu)榕磐翀?chǎng)的面積是恢復(fù)治理區(qū)的1．5倍，排土場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煽拥拿娣e與恢復(fù)治理區(qū)的基本持平，實(shí)際上2007年計(jì)劃開(kāi)采的礦山到2012年已經(jīng)“轉(zhuǎn)移”為開(kāi)采區(qū)或生態(tài)治理區(qū)。因此，本區(qū)污染與治理是同步發(fā)展的，如以恢復(fù)治理區(qū)和工業(yè)廣場(chǎng)為代表的總治理區(qū)轉(zhuǎn)入量為196．62 hm2，同時(shí)采坑、排土場(chǎng)、積水區(qū)及廢棄采坑等總污染區(qū)轉(zhuǎn)入量為194．46 hm2;如果將其總治理與總污染的變化面積考慮在內(nèi)，治理力度略慢于礦業(yè)污染，那么從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，則有必要成倍加大治理力度。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境的空間變化

3．1 面積變化的空間分布差異

本文研究區(qū)內(nèi)共有煤礦20個(gè)，以露天開(kāi)采為主，圖4以采礦權(quán)為空間單元，反映出單個(gè)礦山各環(huán)境要素年均變化的增幅分布。

圖4 2007—2012年各礦山不同地質(zhì)環(huán)境年均增幅Fig．4 Different geological environment with average annual increase of each mine from 2007 to 2012

從圖4可以看出，東勝礦區(qū)不同礦山地質(zhì)環(huán)境類型的面積大致呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，其中采坑增幅為誠(chéng)意煤礦60．91 hm2/a、富民煤礦32．42 hm2/a及泰煤礦28．01 hm2/a;排土場(chǎng)增幅為公溝煤礦44．24 hm2/a、龍?zhí)旱V 25．58 hm2/a 及西梁煤礦23．37 hm2/a;生態(tài)治理方面的增幅為營(yíng)沙壕煤礦57．67 hm2/a、永利煤礦 41．37 hm2/a、電力滿都拉煤礦28．04 hm2/a、誠(chéng)意煤礦24．86 hm2/a、哈拉慶煤礦22．79 hm2/a、西梁煤礦 4．04 hm2/a、龍?zhí)旱V 3．13 hm2/a及中興煤礦0;各礦山新建工業(yè)廣場(chǎng)較之采坑相對(duì)有限、較積水區(qū)有所增長(zhǎng)，年均增幅超過(guò)5 hm2/a的礦山為鑫東煤礦13．32 hm2/a、營(yíng)沙壕煤礦11．36 hm2/a及電力滿都拉煤礦7．85 hm2/a;積水區(qū)增幅較大的是營(yíng)沙壕、中興、永利及經(jīng)緯等礦山，但最大增幅不超過(guò)3 hm2/a;廢棄采坑除烏蘭渠和永智礦山小幅增長(zhǎng)外，其余無(wú)變化。其中，四道柳煤礦為地下開(kāi)采，僅工業(yè)廣場(chǎng)用地面積逐年增加;永智煤礦因由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)為地下，一部分采坑已廢棄，另一部分采坑正在進(jìn)行生態(tài)治理。按照

來(lái)計(jì)算東勝礦區(qū)單個(gè)礦山的地質(zhì)環(huán)境綜合變化Δ。式中:A為采坑面積;B為排土場(chǎng)面積;C為恢復(fù)治理區(qū)面積;D為工業(yè)廣場(chǎng)面積;E為積水區(qū)面積;F為廢棄采坑面積。其結(jié)果如表3所示。

表3 2007—2012年各礦山地質(zhì)環(huán)境綜合變化Tab．3 Geological environment comprehensive changes of each mine from 2007 to 2012 (hm2)

如果進(jìn)一步考慮2007年各礦山不同環(huán)境類型面積變化的基數(shù)，根據(jù)圖4可知，研究區(qū)西北區(qū)域恢復(fù)治理區(qū)較其他區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境類型年均增幅顯著，而東南區(qū)域采坑和排土場(chǎng)年均增幅顯著，可見(jiàn)本礦區(qū)在地質(zhì)環(huán)境普遍受破壞的同時(shí)，西北區(qū)域的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理結(jié)果明顯優(yōu)于東南區(qū)域。

3．2 類型變化的空間分布差異

單個(gè)礦山存在開(kāi)采方式和規(guī)模等差異，致使礦山地質(zhì)環(huán)境類型轉(zhuǎn)化也存在一定的空間差異。采礦權(quán)為空間單元，結(jié)合研究初期(2007年)不同礦山的地質(zhì)環(huán)境面積總和，根據(jù)［16］

計(jì)算出20個(gè)礦山的地質(zhì)環(huán)境綜合動(dòng)態(tài)度。式中:Ck為第k個(gè)采礦權(quán)的礦山地質(zhì)環(huán)境類型變化綜合動(dòng)態(tài)度;△Pi－j為研究時(shí)段(T=5)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移為類型j的面積;∑△Pi－j為礦山地質(zhì)環(huán)境類型i轉(zhuǎn)移為非i類的總面積;∑Pi為研究初期各礦山地質(zhì)環(huán)境類型的總面積。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合動(dòng)態(tài)度Fig．5 Integrated dynamic degree of mining geological environment in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

從圖5可以看出，除四道柳與經(jīng)緯煤礦，其他各煤礦均呈增加趨勢(shì)，即地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)出明顯變化。其中，與泰煤礦和龍?zhí)旱V的年均動(dòng)態(tài)變化率相差近23倍，這與單個(gè)礦山各類地質(zhì)環(huán)境年均增幅相吻合。研究區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度在西北區(qū)域較大，東南區(qū)域較小;在西北區(qū)域，明顯存在由采坑、排土場(chǎng)、積水區(qū)和廢棄采坑向恢復(fù)治理區(qū)和工業(yè)廣場(chǎng)類型轉(zhuǎn)移，即由污染向治理過(guò)渡。東南區(qū)域則反之，礦業(yè)經(jīng)濟(jì)似以環(huán)境污染為代價(jià)而發(fā)展。

3．3 空間變化規(guī)律

通過(guò)研究區(qū)內(nèi)各礦權(quán)的幾何中心坐標(biāo)與礦權(quán)內(nèi)某類礦山地質(zhì)環(huán)境的面積加權(quán)計(jì)算，得到不同礦山地質(zhì)環(huán)境分布的地理坐標(biāo)，其計(jì)算公式［17］為

式中:Xt和Yt分別表示第t年某種礦山地質(zhì)環(huán)境類型分布重心的經(jīng)緯度坐標(biāo);Qti表示第i個(gè)采礦權(quán)內(nèi)第t年該地質(zhì)環(huán)境類型的面積;Xi和Yi分別表示第i個(gè)礦權(quán)的幾何重心經(jīng)緯度坐標(biāo)。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 2007—2012年?yáng)|勝礦區(qū)各礦山地質(zhì)環(huán)境類型分布的重心坐標(biāo)Tab．4 Center of gravity coordinate of geological environment distribution in Dongsheng ore district from 2007 to 2012

基于ArcGIS平均最鄰近距離模型，按重心坐標(biāo)分別計(jì)算2007年和2012年各類礦山地質(zhì)環(huán)境要素與之最鄰近要素之間距離的平均值，比較其與假定隨機(jī)分布距離的相似程度，求得標(biāo)準(zhǔn)化值(standard score，ZScore)，如果ZScore為負(fù)且越小，則表示要素分布越趨向于集中;相反為離散。計(jì)算結(jié)果ZScore2007=－2．91 和ZScore2012=－3．39，表明礦區(qū)不同地質(zhì)環(huán)境類型2007年空間分布較2012年相對(duì)離散。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，離散代表無(wú)序，集中代表有序。這暗示了研究初期的無(wú)序開(kāi)采與末期的生產(chǎn)兼治理形成了鮮明對(duì)比。在2007—2012年采坑、排土場(chǎng)、恢復(fù)治理區(qū)、工業(yè)廣場(chǎng)與積水區(qū)的重心坐標(biāo)由西北向東南方向轉(zhuǎn)移，揭示出礦山的開(kāi)采活動(dòng)兼治理在空間上呈現(xiàn)出由西北向東南的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1)本文構(gòu)建了東勝礦區(qū)2007年和2012年礦山地質(zhì)環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，并計(jì)算了監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)其面積變化(變化幅度和變化速度)和類型轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移矩陣)。結(jié)果顯示，各種礦山地質(zhì)環(huán)境類型面積逐年增加并發(fā)生類型轉(zhuǎn)化，具有不同程度的年均增幅、變化速率和相關(guān)性(轉(zhuǎn)移量)，以采坑、排土場(chǎng)和恢復(fù)治理區(qū)變化過(guò)程最為顯著。根據(jù)野外調(diào)研，將采坑、排土場(chǎng)、積水區(qū)和廢棄采坑視為“污染”因素，將恢復(fù)治理區(qū)和工業(yè)廣場(chǎng)視為“治理”因素。整體上，因相關(guān)政策條令約束，礦山開(kāi)采與治理同步進(jìn)行，但由于經(jīng)濟(jì)刺激，“污染”仍大于“治理”，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重建應(yīng)得到相關(guān)部門的重視。

2)以采礦權(quán)為空間單元，計(jì)算出東勝礦區(qū)2007—2012年單個(gè)礦山不同地質(zhì)環(huán)境類型的面積變化(變化幅度)與類型轉(zhuǎn)移(綜合動(dòng)態(tài)度)，結(jié)果表明不同礦山呈現(xiàn)出不同程度的年均增幅與類型轉(zhuǎn)化?？傮w而言，東勝礦區(qū)西北區(qū)域的“治理”力度顯著，破壞環(huán)境的采坑、排土場(chǎng)和積水區(qū)等類型轉(zhuǎn)化為恢復(fù)治理區(qū)與工業(yè)廣場(chǎng)等類型的趨勢(shì)明顯;東南區(qū)域的“污染”趨勢(shì)明顯，需加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力度。本文還結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境類型的空間變化規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述趨勢(shì)。

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