利用遥感技术开展河北省迁安铁矿区矿山地质环境调查与评价技术研究

谷延群，郭庆十，2

(1．河北省遥感中心，河北石家庄050021;2．河北省遥感协会，河北石家庄050021)

一、引 言

河北省矿产资源丰富，矿业开发历史悠久，矿产资源的开发推动了河北省经济社会的迅速发展。但同时矿产资源的持续开发也引起或诱发了大量的地质环境问题，如地貌景观和土地资源的破坏，采空塌陷、地面沉降等地质灾害及隐患，这些问题不仅对经济社会的可持续发展起着极大的制约作用，而且直接威胁到人民群众的生命财产安全。

目前，政府对矿山地质环境的掌握基本采用逐级统计上报和群众举报的模式，上报数据不真实的情况比较普遍，统计结果难以统一。由于矿山点多面广，且多处偏远山区，交通不利，常规监管较为困难，缺乏适时、客观的数据，难以对矿山环境的动态变化和治理恢复实施更为有效的管理。因此如何科学合理地对矿山环境问题跟踪调查及作出评价，是矿山环境治理恢复研究的一个重大课题。

遥感技术宏观、快速、动态的技术优势能够满足矿山环境监测的要求。利用遥感技术，开展河北省矿山地质环境的遥感调查和监测，能够真实、全面地反映矿区的矿山开发、矿山地质环境等问题，为矿产资源管理等工作提供基础数据。

二、矿山地质环境分类

依据中国国土资源部2011年7月颁布的《矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范》，矿山地质环境是指采矿活动所影响到的岩石圈、水圈、生物圈相互作用的客观地质体。

矿山地质环境问题主要包括受采矿活动影响而产生的地质环境破坏的现象，主要包括矿区地面崩陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、含水层破坏、地形地貌破坏等。其中，含水层破坏主要是含水层结构改变、地下水位下降、水量减少或疏干、水质恶化等现象;地形地貌破坏主要是指矿山建设与采矿活动而改变原有的地形条件与地貌特征，造成土地毁坏、山体破损、岩石裸露、植被破坏等现象。

按照上述矿山地质环境问题分别开展遥感调查工作，根据一定的指标要求和技术方法，定性或定量地评价和估算采矿活动对地质环境的影响程度，即可得出矿山地质环境评价结果，从而根据评价结果开展有针对性的矿山地质环境治理恢复。

三、矿山地质环境遥感调查

1．示范区的选择

选择河北省迁安铁矿区作为研究示范区，该区位于河北省东北部，迁安市西北部，燕山南麓，地貌呈典型的半山区。发源于河北省北部的滦河，流经迁安铁矿区，地理位置优越，交通运输便利。

示范区位于燕山台褶带马兰峪复式背斜的中部，出露地层为迁西群三屯营组二段。含矿变质岩系由紫苏黑云斜长片麻岩，辉石斜长片麻岩及上、下两个铁矿层组成。区内构造为一被断裂所破坏的次一级规模的两个向斜和一个背斜组成的“W”型复式向斜，铁矿层即赋存在两个向斜之中，由3个大矿体和几十个小矿体组成，呈北东40°～50°方向展布。矿石成分简单，以磁铁矿为主。矿体均为厚层且出露地表，适于露天开采。

区内铁矿资源储量居河北省首位，在全国也名列前茅，是我国第二大铁矿开采基地。截至2010年，河北省迁安铁矿区内有铁矿开采企业45处，含国有大型企业1处(首钢矿业公司水厂铁矿)，年开采规模1100万t;中型矿山企业3处(首钢矿业公司大石河铁矿孟家沟采区，首钢矿业公司大石河铁矿二马采区，首钢矿业公司大石河铁矿杏山采区)，均属迁安大石河铁矿(首钢)，年开采规模120万t。集个体矿山企业41家，年开采规模都在10万 t以上。

2．遥感数据源的选择

经选择不同卫星数据在不同地貌类型矿山地质环境信息提取试验，认为肉眼识别彩色影像时，平原或低山丘陵地带能将40像元左右的矿山地物从背景中提取出来，并能大致判定矿山开采性质。地形起伏较大的山区能够区分50个像元左右的矿产开发迹象。

同时矿山地质环境目视解译对彩色影像较为敏感，对于灰度的解析度则相对较低。为了增强影像判读的准确性，本次研究采用3种国际上常用的优于2．5m分辨率的卫星数据开展工作，主要使用SPOT 5、QuickBird和GeoEye-1卫星数据。由于该3种卫星数据已较为成熟，相应参数在此不再赘述，主要对其矿山地质环境信息的提取精度进行分析。不同分辨率遥感数据源解译精度见表1。

表1 不同分辨率遥感数据源解译精度一览表

QuickBird、GeoEye遥感数据，选择合适的影像处理方案，能够提取地表面积在45 m2(平原地区)以上的露天采场及矿业活动用地，对于矿产开采井口及硐口，通过矿山道路、排土场、矸石堆等采矿形迹可以推断其所在位置。矿产开采矿种可通过开采影像形迹，配合其所在矿山地质背景加以判断。开采状况通过开采矿山周围的大型运输车辆停放，地表堆积物光谱特征差异，地表风化，地表植被覆盖等迹象确定。

SPOT 5遥感数据，可以提取地表面积在280m2(平原地区)以上的露天采场及矿业活动用地，对于矿产开采井口、硐口的判读相对困难。由于地面分辨率较低，矿山开采痕迹(矿山道路、排土场、矸石堆等)往往混杂在一起，不能根据影像准确的推断井口和硐口的位置，但可以通过地表形迹推断有开采井口或硐口的存在，通过实地调查确认其所在精确位置。开采矿种解译与1 m分辨率遥感数据类似。矿产开采状态主要通过矿区地表植被覆盖和周边矿山道路的影纹特征进行推断。在矿山开采集中区或采用井采、硐采方式的矿区，需要通过大量的外业验证方可保证数据的正确性。

本次研究获取示范区2006—2010年的遥感数据，数据源概况见表2。

3．遥感数据源处理

应用计算机对遥感图像进行加工处理，以改善图像质量、增强信息。处理内容主要包括几何纠正、融合、拉伸等。

表2 示范区使用遥感数据源一览表

几何纠正中，采用1∶1万地形图和DEM数据。控制点的选取遵循了以下原则：①每景图像上控制点的分布要尽可能的均匀，遵循山区密、矿区密、平原稀疏的原则，要求控制点尽可能的准确和均匀;②区内河道会发生变迁和偏移，因此不选取河流的河汊;③控制点多选取人工地物为参照，如铁路公路的交点，桥梁，标志性建筑的中心点等。每个地面控制点RMS(root ofmean squares)误差与RMS累积误差均要求不超过一个像元。对于一景SPOT 5卫星影像所选择的控制点个数不低于15个。

影像融合采用基于统计原理的Pansharp融合模块，采用最小方差技术对参与融合波段的灰度值进行最佳匹配，调整单个波段的灰度分布减少融合结果的颜色偏差，另外对遥感影像输入的所有波段进行统计运算来消除融合结果对数据集的依赖性并提高融合过程的自动化程度。

采用直方图拉伸、滤波、色彩变换等方法，使图像的亮度直方图呈似近正态分布，增强图像的层次感及暗区信息，经增强处理的图像地形地貌、植被、河流及各种矿产资源等影像特征清楚，实验证明，采用近红外、红、绿波段组合能够更好的识别地面矿山活动信息，以此作为示范区矿山地质环境遥感调查与解译分析的基础底图。

4．矿山地质环境信息提取

所提取矿山地质环境信息主要包括露天采场、矿山建筑物、中转场地(煤堆、矿石堆、洗煤厂、选矿场、选矿池等)、固体废弃物(排土场、废石堆、尾矿库、煤矸石堆等)等占地情况;工作区内的地面沉陷区、地面塌陷坑、地裂缝等地质灾害分布情况和粉尘污染、水体污染等环境污染情况;矿山环境治理恢复及土地复垦情况。

各年度矿业活动占地信息提取情况见表3。

表3 2006—2010年示范区矿业活动信息提取一览表 hm2

示范区内主要是铁矿露天开采，本次监测未发现有地面塌陷、地裂缝及崩滑流等地质灾害迹象。

5．矿山地质环境评价

(1)评价方法

采用综合指数法进行矿山地质环境评价，将矿山地质环境系统分解为4个子系统：自然地理、基础地质、矿山开发和环境影响。然后分别在子系统选取有代表性的评价因子，并将其影响程度确定分级标准，给出归一化指标。运用AHP法确定各子系统和评价因子的权重，将同一子系统内各评价因子的指标值按权重进行叠加，得出一个子系统评价总指标。再将各子系统评价总指标按权重叠加，得出每个评价单元的地质环境质量指数，分析各单元的指数情况，确定等级阈值，从而建立评价等级，进行全区地质环境质量的评价。评价单元为2 km×2 km的网格。

(2)评价因子指标体系

评价因子选择矿山自然地理背景、基础地质环境、矿山开采现状、环境影响因素。

根据各因子的相互关系及层次关系，逐层分解建立矿山地质环境评价子系统。① 先分解为自然地理、基础地质、矿产开发和环境影响4项准则层。②将准则层分解为若干指标，构成要素层。对各要素的评价可由隶属于它的各项指标的综合评价得出。如此自下而上进行2个层次的综合评价(如图1所示)，得出矿山地质环境评价的指标体系。

(3)示范区矿山地质环境评价结果

2006—2010年利用AHP方法对示范区5年的矿山地质环境进行评价(如图2所示)。

图2显示，五年间示范区矿山地质环境总体呈恶化趋势，2010年矿山地质环境影响严重区和较严重区较2006年分别增加2424 hm2和609 hm2。

示范区由于露天开采范围广、深度大，植被覆盖层很薄，矿区自然恢复的能力相对较差。遥感监测显示区内草地、灌木、林地损失极大，整体地貌景观遭到严重破坏，区域山地环境发生了根本的改变(如图3所示)。

近年来，随着采矿规模扩大，占用土地面积不断增加。然而，一些矿山关闭后并未恢复原有土地的功能，而是闲置荒废，形成大量的采矿迹地，由于尾矿堆积和地面板结使得土地复垦率很低，浪费了大量土地资源。监测5年中，采矿迹地面积增加了近1倍。这些土地多数林地、荒草地，少数是农田。

图1 矿山地质环境影响评价因子指标体系图

图3 迁安铁矿区露天采场、固体废弃物破坏植被、地貌景观三维影像图

经分析，造成示范区矿山地质环境破坏的原因一方面由于矿区的开发建设大量占压土地，加之露天开采剥离和废弃物的排放破坏了原有的地表结构和植被，增大了裸露土石层面积，严重破坏了地表水分涵盖的内在条件，致使矿山地质环境及其周边生态环境进一步恶化，导致区域内小气候干旱化和地表植被稀疏，土地荒漠化现象初露端倪，这不仅直接影响矿区的生活和生产条件，而且引起矿区周边地下水位急剧下降，造成饮水困难和农业用水短缺，致使大片水浇地蜕变为旱地或弃耕地(如图4所示)。据统计受采矿影响和破坏的土地3 317．15 hm2，其 中 耕 地 1 272．09 hm2，荒 草 地730．98 hm2，河滩地 772．88 hm2;受影响的村庄 27个，约8万人的生产、生活用水困难。

图4 迁安铁矿区露天采场、废石堆、尾矿沙压占和破坏土地遥感影像图

另一方面流经矿区的滦河污染对该地生态环境也构成严重威胁，该河环境污染范围呈南北宽200～400m，东西长20余公里，总面积达6 km2的污染带。主要环境污染源自两岸分布的铁采场和铁选厂，调查显示在南北长20 km的范围内有矿山企业30余个，其中铁选厂有15处之多，个别矿山企业偷排大量弃渣和废尾(如图5所示)。

近一两年政府采取了一系列强有力的整顿矿业秩序的措施，关停了大量集、个体不法和不规范采矿点，但生态环境的演化有一定惯性，目前，区内国营矿山在环境恢复和治理力度和广度上也是很微不足道的。且随着目前铁矿价格的提升，开采规模的日益扩展，许多已经恢复治理的场地又被重新破坏(如图6所示)。

图5 迁安铁矿区铁矿选场偷排尾砂污染滦河水源

图6 河北省迁安铁矿区北部矿山地质环境治理恢复区遥感监测影像图

可以说迁安铁矿区矿山地质环境总体发展趋势是现阶段平稳发展逐渐恶化和发展末期逐渐恢复阶段为主。

四、结束语

矿山地质环境评价是矿山环境问题研究的一个重要环节，矿山地质环境问题分类和调查是其评价的基础，本研究针对示范区矿业开发特点，基于遥感手段，建立了一套科学合理、实用性强的矿山地质环境评价指标和标准，客观真实地评价了示范区生态环境动态变化，经实地验证所得到的结果客观合理，可信度高。研究的开展为后续进行矿业开发区的发展和矿山环境治理恢复奠定了基础。

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