铁矿区土地破坏评价及治理对策研究

铁矿区土地破坏评价及治理对策研究

冯宇，王瑾*，毕如田，吕春娟

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

摘要：为量化识别露天采矿造成的土地破坏，提高矿区生态退化修复的有效性，以垣曲县国泰公司铁矿区为例，提出基于小尺度合理有效修复矿区环境的方法。结合现状调查，将研究区土地划分为7种类型(开采地、尾矿库、排弃场、裸地、草地、林地及厂房占用地)，通过主成分分析确定土地破坏程度。结果表明：矿区土地中度和高度破坏比例高达27.21%和46.91%；未经复垦的裸露地块土地破坏程度较大，破坏后采取复垦措施的地块土地破坏程度一般，林地土地破坏程度最小，但仍有破坏危险。结合自然地理条件分析各地块损毁原因，研究结果可为矿区环境修复与生态矿建设提供参考。

关键词：土地类型；土地破坏评价；治理对策；露天铁矿区

收稿日期：2015-08-04修回日期：2015-09-13

作者简介：冯宇(1989-)，男(汉)，山西晋城人，硕士，研究方向：土地信息技术

通讯作者：*王瑾，副教授，硕士生导师。Tel:0354-6289483；E-mail: sxauwj@163.com

基金项目：山西农业大学博士科研启动项目(412576)；山西农业大学博士后研究项目(614144)；山西省科技厅科技惠民计划项目(2013121005)

中图分类号：F301.24文献标识码：A

Evaluation of Land Damage and Countermeasures in Iron Mining Region

Feng Yu, Wang Jin*， Bi Rutian, Lv Chunjuan

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Abstract:In order to quantify the land damage caused by open pit mining and improve the effectiveness of ecological restoration in mining area, a method for the reasonable and effective remediation of the mine environment was proposed based on the small scale and reasonable effective restoration of the Guotai iron mining area in Yuanqu county.By present situation investigation, we divided the land of study area into seven types: mining land, tailing pond, waste disposal site, bare land, grassland, shrub land and construction land, analyzed the land destruction degree of every plot by principal component analysis (PCA). The result showed that the area proportion of moderate damage land and severe damage land were 27.21% and 46.91%. Besides, the land damage degree of bare plots without reclamation measures was the highest, of damaged plots with reclamation measures was higher, and of shrub plots was the lowest which still remain dangerous. Analysis of the causes of damage to the land by the natural geographical conditions, the research can provide a reference for the environmental restoration and ecological mining in mining areas.

Key words:Land types; Land damage evaluation; Countermeasures for reclamation; Open pit iron mining region

铁矿山采掘量、排弃量大，对生态环境扰动巨大[1]，生产过程易引发区域内不同程度的土地破坏，且作用过程复杂，同时带来废水、粉尘及重金属污染物[2]。矿区废弃地复垦及污染物处理需要依靠生态修复，但我国复垦率较国外仍有差距[3～5]。采矿严重影响区域环境质量及可持续发展，对矿区进行土地破坏评价对于保护土地资源，实现矿区经济转型具有重要意义。

矿区土地破坏评价是对矿山土地质量变化程度的评价[6]，国内不少学者对矿区土地破坏进行了评估：针对矿区不同类型土地进行的研究，如对塌陷地、耕地损毁程度的评价[7～10]；针对土地破坏评价方法的研究，常用的有极限条件法[11]、模糊综合评价法[6,12]、基于GIS的统计学[9]及基于可拓分析的数学方法[13]等；对土地破坏评价的指标选取研究，主要考虑的因素包括地质条件方面[14]、土壤环境[15]和生态等方面[2,13]。矿山开采损毁土地基本表现为煤矿山多于其他矿山[16]，且研究集中于较大尺度、分布集中的矿区[17，18]，对小尺度、布局分散矿区的研究较少。

本文通过对矿区土地破坏程度的评价与分析，旨在揭示小尺度矿区土地损毁的关键因素，为防治土地进一步破坏，缓解铁矿对周边环境影响提供借鉴。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

国泰矿业集团研究区位于山西省运城市垣曲县境内(闫家池铁矿区，西园磨选厂，李家窑干排尾矿场)(图1)，总面积1.72 km2。闫家池铁矿生产规模10万吨·年-1，资源储量175.6万吨，平均含铁量为13.61%，矿区主要进行矿石开采与粗选；西园磨选厂位于垣曲县城东南，主要进行铁矿细选与磁选，并形成面积较大的尾矿库；李家窑干排尾矿场采取干排方式，降低了溃坝风险，但仍大量占用土地。矿区多处在黄土丘陵沟壑区，较易发生水土流失；由于铁矿分布多而散、矿石品位不高，多年开采破坏土地资源，形成了较大规模的废弃地。目前，国泰矿业集团土地破坏影响的面积达1.12 km2，占矿区总面积的69.1%。

图1　研究区地理位置图 Fig.1　Location of study area

1.2研究方法

1.2.1研究区土地利用类型划分

矿区损毁土地可以按损毁地类型、损毁方式、损毁原因等分类[19]。通过实地调查，结合露天铁矿生产特点及土地利用情况，将研究区土地类型划分为开采地、尾矿库、排弃场、裸地、草地、林地、厂房占用地7种类型；并将各地块单元进行编号。矿区各类土地基本情况见表1和图2。

表1露天铁矿区土地利用结构及说明

Table 1Land use structure and explanation in open pit mining region

土地分类Landtype面积/km2Are/km2百分比/%Percentage/%涉及图斑号Spotnumber开采地0.20812.1214,22尾矿库0.53331.066,28,29,31排弃场0.23813.872,15,21,23,32厂房占用地0.0955.547,9,11,12,30裸地0.1126.5316,20,26草地0.0754.373,13,17,25林地0.45526.521,4,5,8,10,18,19,24,27总计1.716100.00

注：6为未闭库尾矿库；29,31为初步复垦的闭库尾矿；28为复垦后尾矿坝体；2,15,21,23均为废石堆；32为干排尾矿堆；9为矿区办公地；7,11,12,30均为磨选厂地。

Note: Plot number 6 is the applying tailing pond. Plot 29, 31 are the closed tailing pond that had preliminary reclamation measures. Plot 28 is the tailing pond dam. Plot 2, 15, 21, 23 are all waste rock piles. Plot 32 is the dry-type discharge piles. Plot 9 is the construction area. 7, 11, 12, 30 are the areas for ore grinding and separation.

本研究通过现场踏勘、采土(表层土0～25 cm)、进行矿区土壤、植被、地形、地貌等典型调查；通过主成分分析法评估研究区土地破坏程度，并利用SPSS和ArcGIS软件分别进行数据分析与制图。收集数据资料包括露天铁矿区工程CAD图、《闫家池矿区环境影响评价报告》(2006年)、《闫家池矿区水土保持方案》(2008年)等。

1.2.2研究区土地破坏程度评价方法

(1)评价因子选择及评价等级标准

基于露天金属矿土地损毁类型，遵循因子选取普适性强、数量少、便于直接获得和应用的原则，考虑地形、地表状况、损毁、植被4种类型作为土地破坏程度的评价因素(表2)。

(2)评价模型构建

以铁矿区的32个地块为样本，以表2中的7个指标的标准化数据为变量构建矩阵，得出矩阵的特征根和相应的方差贡献率，选择主成分后得到因子提取结果和因子回归系数，根据因子回归系数计算各地块因子得分，公式为[20]：

(1)

图2　铁矿区土地分类图 Fig.2　Land types in iron mining region

破坏类型Damagetype影响因子Impactfactor无影响(1)Noimpact轻度(3)Mildimpact中度(5)Moderateimpact高度(7)Highlyimpact重度(9)Severeimpact地形条件地表状况土地损毁状况植被条件坡度/°≤5°5°～10°10°～20°20°～30°≥30°土壤pH6.5～7.56.0～6.5或7.5～8.05.0～6.0或8.0～8.54.5～5.0或8.5～9.0≤4.5或≥9.0地表物质组成基岩粘质土土石砂砾尾矿压占高度/挖损深度/m0≤11～55～10≥10裂缝宽度/cm00～11～55～10≥10植被类型乔灌混合乔木灌木草地裸地植被覆盖率/%≥6045～6030～455～30≤5

(2)

(3)

(4)

式中：Pij为标准化以后的数值；Xj为第j个指标的算术平均值；j为样本标准差；Aik为第i个地块第k个主成分的因子得分；Wj为第j个指标的因子回归系数；Bk为所选用主成分的方差贡献率；Si为样本综合因子得分；Fi为第i个地块的主成分百分制得分；Smax为地块主成分综合得分的最大值；Smin为地块主成分综合得分的最小值。

结合本文研究区域的得分特点，通过专家征询和意见反馈确定矿区土地破坏程度划分标准(表3)。

表3矿区土地破坏程度分级

Table 3The division standard of land damage degree in mining area

综合得分区间Comprehensivescoreinterval破坏等级Damagedegree包含的地块Plotscontained0无影响8,271～30轻度破坏1,4,5,10,17,18,1930～60中度破坏3,7,9,12,13,15,20,21,24,25,28,29,3060～100高度破坏2,6,11,14,16,22,23,26,31,32

2结果与分析

SPSS软件处理数据进行Bartlett球度检验，结果相伴概率为0.000，小于显著性水平0.05，证明适合于因子分析；然后得出矩阵的特征根和相应的方差贡献率。特征值>0.5的主成分有4个，累计贡献率即主成分包含原变量信息87.68%>85%，取前4个主成分。主成分F1、F2、F3、F4在各变量上的载荷矩阵见表4；根据载荷矩阵，进一步计算特征向量矩阵，见表4。

表4　主成分在各变量上的载荷数及特征向量矩阵

根据表4得到主成分综合模型F的表达式：F=0.014X1+0.333X2+0.281X3+0.09X4+0.167X5+0.247X6+0.25X7；根据F表达式，得到各地综合评价结果见表5。

表5　各地块综合评价得分

由表3可知，得分最高的地块32为李家窑干排尾矿库图斑，其土地破坏程度最高；得分最低为地块8和27，土地几乎未受采矿活动影响；此外，各破坏等级下的土地面积比例情况见表6。综合分析和制图得到矿区的土地破坏程度等级分布(图3)。

表6　不同地类土地破坏程度统计表

从表6中可以看出，高度破坏面积比例达到46.91%，其中，尾矿库面积最大，达0.279 km2，排弃场和开采地面积分别占0.201 km2和0.208 km2；中度破坏面积占27.21%，仍是尾矿库面积最多0.254 km2。总体来看，中度、高度破坏的土地占研究区总面积的74.12%；其中，尾矿库、排弃场和开采地占到中度和高度破坏面积的约77%。说明造成矿区土地破坏的首要原因是压占和开采，尾矿库、废矿堆以及开采场地应成为矿区治理的重点区域。

总之，造成铁矿区土地破坏的因素较多，作用过程复杂，生态修复过程中要全面考虑。将研究区地形、地表状况、损毁条件、植被等条件下各因子综合赋值，得到不同自然地理因素分值图(图4)，结合图4和综合评价结果，对造成当地铁矿区土地破坏原因进行分析。

2.1地形条件对露天铁矿区土地破坏的影响

地形因素在主成分评价中综合模型系数为0.014，说明地形因素对土地破坏并不是主要因素。如地块10与地块25，平均坡度相差不大，但综合得分仍有差异(得分18.44和37.07)；又如地块5和地块18同样是坡度条件相似，得分仍有差异。造成差异的主要原因是地块10与25的植被类型有差异，地块5和18的地表物质组成差异。

图3　土地破坏程度综合评价图 Fig.3　The comprehensive evaluation figure of land damage degree

图4　不同条件分值图 Fig.4　The score of different conditions 注：(a)地形条件分值图　(b)地表状况分值图　(c)损毁条件分值图　(d)植被条件分值图 Note：(a) the score of terrain condition　(b) the score of surface condition　(c) the score of damage condition　　(d) the score of vegetation condition

在研究区部分地区，坡度较大，地貌属侵蚀低山类型。植被破坏后，表土缺少保护，坡度大的地方较易造成水土侵蚀。此条件下土地损毁后，若不及时采取复垦措施，较易发生水土流失和重金属迁移带来的土壤污染等问题。

2.2地表状况对露天铁矿区土地破坏的影响

土壤pH和地表物质组成两个指标的综合权重为0.614，对土地破坏的影响作用较大。在基质条件较差地块，如矿区尾矿堆(地块15、23)，虽然进行了部分复垦措施(栽植刺槐、播撒草籽等措施)，但是得分为53.33和60.11，属于中度破坏。采矿活动不同环节的排弃与堆放，形成了同一矿区当中不同基质条件的现象；同时，铁矿区土壤易受废水、废气等影响，过酸或过碱都不宜生长植物，缺乏植物保护，则进一步引发水土流失、滑坡等灾害。

2.3开采破坏对露天铁矿区土地破坏的影响

开采采取爆破与机械作业的方式进行，表土剥离与挖掘对山体的破坏是剧烈且不可逆的。研究区内的山体大多挖损深度在10 m以上，部分地区可达50 m。与采掘深度相同，采矿活动的压占对原有土地的破坏也是巨大的，压占面积和高度都是评判土地损毁的重要指标。

2.4植被条件对露天铁矿区土地破坏的影响

植被条件直接决定了地块综合得分的高低。以地块16和24为例，两地块除植被指标外其他各指标均相似，均属矿区内原有地貌类型，山体多石，地形起伏较大，未经挖损或压占。但由于地块24植被覆盖度较高，植被种类较丰富，破坏程度较地块16小，地块24得分54.03(中度破坏)，地块16为71.85(高度破坏)；植被条件评价结果有这样的规律：植被类型多样、覆盖度高的区域土地破坏的风险大大降低。在采矿区，原有林地植被类型多样，乔灌草结合，不易发生土地破坏，且通常在已复垦区域内，复垦植被增加了土地覆盖度，降低了水土流失发生率；而在植被覆盖度较低和植被类型较单一的区域(如仅有灌木或仅有草地的地块)较易发生土地破坏。

3讨论与结论

1)针对露天铁矿区地形、开采条件、地表物质组成及植被条件等多因素相互作用的情况，铁矿区复垦措施也应当是多种手段配合使用。改善当前较差土壤条件可以通过客土调节、添加石灰、微生物修复等措施；对开采破坏的土地，堆放废石应注重科学性，合理规划与布置、及时覆土、栽植；尾矿库坝体要定期进行加固和监测，防止溃坝；采取植物生态修复措施，要考虑植物的抗逆性、适应性以及协调性，遵循当地自然规律，注重乔、灌、草植物群落的组合，增加生态系统的稳定性。

2)做到科学复垦，降低修复成本，需要找到铁矿土地分异的关键因素。排弃所产生的废石堆与尾矿库是铁矿区复垦的主要对象。铁矿废石堆放要遵循开采时序和注重堆放层次，合理布置排土场、废石堆。应当避免粗选尾矿与土石的混合排放，可根据土石粒径分离土壤和矿石，节约山区矿本就稀缺的土地资源；当前，尾矿库干排处理技术大大降低了湿排工艺尾矿库溃坝的风险，积极探索干排尾矿再利用的新途径(如烧制砖瓦、工程垫填等)，是促进资源集约与环境友好型绿色矿山建设的根本方略。

综合以上分析，尾矿库、废矿堆和开采场成为造成垣曲县露天铁矿土地破坏的罪魁祸首，不及时采取复垦措施只会让土地进一步破坏并大大增加后期复垦成本。垣曲县离真正意义的“生态县”还存在现实的差距，对矿区破坏土地进行科学分类，是高效地采取复垦措施的前提，在采矿企业采用先进、适合当地的生态修复措施也成为当前最主要的任务。

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(编辑：马荣博)