基于遥感技术的区域矿产资源开发生态风险评价

万华伟　王昌佐　肖如林　刘慧明　李　静　张利峰，2

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京　100094；2.中国矿业大学(北京)，北京　100083)



基于遥感技术的区域矿产资源开发生态风险评价

万华伟1王昌佐1肖如林1刘慧明1李静1张利峰1，2

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094；2.中国矿业大学(北京)，北京100083)

【摘要】矿产资源的开发不可避免地会对当地生态环境造成破坏，为客观反映由资源开发带来的区域生态风险状况，本文构建了面向业务化应用的资源开发生态风险评价体系，该体系基于空间数据，并利用多时相的遥感数据，具有客观、宏观、数据可达性和更新性强的特点。综合考虑矿产生态影响和遥感技术特点，本文中选取了3个一级指标：资源开发现状、资源开发扩张、区域自然环境本底和7个二级指标：矿产占开采区面积比例、斑块密度、河流与居民地周边矿区面积比例、矿区扩张比例、林草湿地占扩张面积比例、干旱地区面积比例、敏感区比例。指标体系在蒙陕甘宁金三角52个县域上进行了初步应用，该区域是我国能源发展格局中的国家特大级能源基地，文中搜集了本区域的自然地理区域县界、河流、居民点等基础地理数据、2000年和2010年的遥感数据，结合中高低卫星数据，获取了2个时段的矿产开发遥感解译数据，对指标进行了计算和评价。评价结果显示：准格尔旗1个县资源开发带来的生态风险较高，达拉特旗、东胜区、伊金霍洛旗、神木县和庆阳县5个县生态风险中等，府谷县、杭锦旗等8个生态风险较低，其余38个县均处于资源开发低生态风险。该评价结果验证了本文提出的评价指标体系，同时也可服务于区域内的资源开发相关政策的制定。

【关键词】矿产开发；生态风险评价；能源金三角；遥感

矿产资源是不可或缺的重要生产资料，我国是世界上少数几个矿产资源总量丰富的资源大国之一，95%以上的一次性能源，80%以上的工业原料，70%以上的农业生产资料都来自矿产资源[1]。但有些不合理的矿产资源开发利用，引发了地表沉陷、植被破坏、地下水位下降、水土流失和土地沙化等生态问题，严重影响到国土生态安全，直接威胁到当地群众的生产生活，部分地区生态破坏严重甚至生态失衡[2]。

很多学者针对区域生态风险评价方法进行了研究[3-4]。矿区生态风险评价作为一种特殊类型的区域生态风险评价，具有多因素、多风险受体、空间异质性等一般区域生态风险评价的特点，也因矿区生态风险的特殊性而有别于一般区域生态风险评价。近年来，国外的矿区生态风险评价逐渐形成了新的研究范式，由原先的单一风险评价向多级风险评价转移，风险受体逐步由人体扩展到不同种类的生态系统[5]。国内学者在矿区生态风险评价方面也开展了大量工作，探讨了由重金属土壤污染导致的生态风险评价[6-7]、生态梯度风险评价方法[8]、基于土地破坏的矿区生态风险评价[9]、煤矿区景观生态风险评价[10-11]等方法，前两种方法均在基于大量的地面调查数据开展，前者针对重金属土壤污染单一风险源进行了方法研究和评价进行了生态风险方法的研究和试验，后者将生态梯度风险评价方法用于矿区生态风险评价，揭示了多风险源对多个风险受体、多类型生态效应之间的相关性和因果关系。后两种方法在评价过程中引入了遥感数据作为重要的数据源，但主要是针对单一方面的风险评价，前者为土地破坏的生态风险，后者主要是景观方面的风险评价。可以看出，尽管已经建立了多种矿产资源开发生态风险的方法和指标体系，但大多仍需要基于大量地面调查数据的，而基于低成本的可重复观测的卫星数据的大尺度评价方法主要集中在单一方面，缺乏在大的空间范围内的，简单快速的综合评价方法。遥感技术具有宏观、客观的特性，可以快速获取地表状况，已被广泛用于矿山地质环境的调查、矿山违法开采的执法等矿区管理工作，也在矿区规划和生态环境监测和评价中得到大量应用[12-14]。与常规手段相比，遥感技术用高空鸟瞰的形式进行探测，可以跨越交通的阻隔和视野的限制，洞察地面调查的禁区和死角，对大面积的环境状况进行全面彻底的调查；同时，它远离观察对象，不损害研究对象及其环境条件，保证了获取信息资料的客观性、可靠性。因此，充分利用遥感技术，对资源开发区的生态状况进行调查和快速评价，对于资源开发区的生态保护工作具有非常重要的意义。

本文中为客观快速地评估区域内由于矿产资源开发引起的生态风险水平，利用遥感技术获取了区域内资源开发的现状及动态扩展信息，并结合区域生态背景指标、周边敏感生态目标影响等指标，构建了区域矿产资源开发生态风险评估指标体系，并在蒙陕甘宁金三角区域内进行了示范。

1资源开发生态风险评估方法

1.1风险评估指标设计的基本原则

区域矿产资源开发生态风险评估指标体系设计的过程中，遵循以下原则：

(1)科学性和指示性原则：指标的设计应遵循生态学、地理学的原理，在深入研究资源开发生态风险影响因子的基础上，提出指标体系，描述由资源开发引起的生态风险状况；

(2)简单性和可行性原则：要求每项指标数据均可通过现有技术手段获取和计算，指标尽可能简单明了，具有指示性意义，并可推广使用。

1.2风险评估指标体系构建

(1)一级指标。根据矿产资源开发对区域的影响因素，本文中主要考虑以下3个一级指标：资源开发现状、资源开发扩张、区域自然环境本底。

资源开发现状即区域内矿产开采现状，包括资源开发分布面积、位置和景观格局。面积越大，分布在敏感生态区内的比例越高，景观格局越破碎，给区域带来的生态风险越高。

资源开发扩张状况即监测年份和本底年份2个时间段之间的资源开发扩张状况。扩张规模越大，破坏的林地、草地和湿地自然生态系统比例越高，区域生态风险越高。

自然环境本底主要反映区域对矿产资源开发的生态承载能力，注意反映在水资源和自然生态资源上，干旱区和重要的生态功能保护区域开展资源开发随之带来的风险更高。

(2)二级指标。为客观地反映一级指标的实际状况，选取了7项二级指标作为具体指标项(表1)。

表1　矿产资源开发生态风险评价指标体系与权重表

各二级指标的具体定义和解释如下：

X1：矿产开发面积比例，为评价单元内矿产开发面积占评价单元总面积的百分比，反映了区域内资源开发的规模。计算公式为：

X1=矿产开采面积/评价单元总面积

X2：斑块密度，为评价单元内平均每平方公里内矿产开发的斑块数，反映了资源开发的破碎水平。计算公式为：

X2=矿产开采斑块数/评价单元总面积

X3：河流与居民地周边矿区面积比例，为评价单元内河流周边500米范围和居民地周边1km范围内的矿产开发面积所占的比例。反映了分布在生态敏感区域内的资源开发比例。计算公式为：

X3=潜在影响河流和居民地的矿产开采面积/评价单元内矿产开发总面积

X4：矿区扩张比例，为评价单元内矿产开发增加的面积与本底年矿产开发面积的比值。反映了区域内资源开发扩张的规模。计算公式为：

X4=矿产开发扩张面积/本底年矿产开发面积

X5：占用林草湿地面积比例，为评价单元内矿产开发扩张过程中占用林地、草地、湿地3类生态用地面积占全部扩张面积的比值。反映了矿产资源开发过程中破坏自然生态系统的程度。计算公式为：

X5=(侵占林地面积+侵占草地面积+侵占湿地面积)/矿产开采扩张总面积

X6：干旱区面积比例，为评价单元内干旱区占整个区域的面积比例。反映了该区域的水资源承载水平。计算公式为：

X6=(亚干旱区面积+干旱区面积+极干旱区面积)/评价单元总面积

X7：生态敏感区比例，为评价单元内生态重要区的比例。反映了该区域的生态重要程度。计算公式为：

X7=生态敏感区面积/评价单元总面积

为保证大尺度的一致性，本文中采用《国家主体功能区划》中所划定的重点生态功能区作为生态重要区。

(3)生态风险综合评价。在上述一、二级指标的基础上，需要对其进行综合量化，以反映区域资源开发生态风险的综合水平。本文采用专家打分和层次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)相结合方法，设立了各指标的权重(表1)，具体在不同区域应用时可以根据实际情况进行调整。在计算过程中，先将各指标进行归一化，本文采用最大最小值线性函数法将各指标归一化到[0，1]范围内，再进行加权和分级评价。

2应用示范和结果分析

2.1示范区域

蒙陕甘宁能源金三角地区(以下简称金三角地区)处于黄河上中游，包括内蒙古自治区鄂尔多斯市，陕西省榆林市、延安市，甘肃省庆阳市、平凉市，宁夏回族自治区银川市、石嘴山市、吴忠市和中卫市，共涉及4省(区)9地(市)总面积24×104km2，总人口约1598万人，能源资源与矿产资源较丰富，是我国能源发展格局中可集中综合开发的国家特大级能源基地，在我国能源发展中具有重要的战略地位[15-16]。

2.2示范区域数据搜集情况

本文中搜集了区域县界、河流、居民点等基础地理数据，图1为该地区气候分区数据，图2为河流两侧500m和居民地周边1km区域，图3为该区域内的重点生态功能区分布，其中佳县等17个县域在2010年国务院发布的《全国主体功能区划》中被划进黄土高原丘陵沟壑水土保持生态功能区[17]。同时搜集了2000年、2010年环境一号卫星数据和2010年前后的高分辨率卫星影像，以高分数据为参考，结合多次地面调查，建立了矿区占地解译标志，包括因采挖和压占等因采矿活动而对原地貌形成改变的所有区域。并通过人机交互解译进行了矿产资源开发状况的遥感解译。图4为2010年该区域矿产开发解译结果，可以开出该区域内的资源开发主要集中在准格尔旗、神木、府谷等西北部和灵武、盐池等中西部县域。

图1　金三角地区气候分区

图2　金三角地区重点生态功能区分布

2.3生态风险评价结果与分析

按照本文提出的矿产资源开发生态风险评估方法，以县域为评估单元，对该区域52个县域进行了生态风险评价，最终得到的评价结果见表2和图5。可以看出，资源开发生态风险较高的县域有1个：准格尔旗；处于中等生态风险水平的县域有5个：达拉特旗、东胜区、伊金霍洛旗、神木县和庆阳县；处于较低生态风险水平的县域有8个：府谷县、杭锦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、灵武、盐池、靖边和同心县；其余38个县均处于资源开发低生态风险。该评价结果，可服务于该区域资源开发相关政策的制定。

图3　金三角地区河流两侧500m与居民地周边1km

图4　金三角地区2010年遥感解译矿区

生态风险等级县域个数县域名称高0较高1准格尔旗中5达拉特旗、东胜区、伊金霍洛旗、神木县、庆阳县较低8府谷县、杭锦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、灵武市、盐池县、靖边县、同心县低38乌审旗、绥德县、吴堡县等

图5　金三角地区资源开发生态风险评价结果

3结论与讨论

本文构建了基于空间数据的资源开发生态风险评价体系，并在蒙陕甘宁金三角52个县域上进行了初步应用。主要结论为：

(1)本文建立的资源开发生态风险指标体系具有非常明确的含义，充分考虑了区域的自然背景要素、资源开发现状和扩张状况，可以快速有效地表达区域内不同评估单元因资源开发带来的区域生态风险水平。

(2)该指标体系中所用的数据均来源于遥感数据，具有客观性，而且充分考虑了动态变化，可更新性强，随着国产高分辨率遥感数据的获取成本越来越低，可服务于省级、地市级和资源开发集中区域的生态保护监督管理部门，纳入资源开发生态监管业务化的评价体系框架进行推广使用。

(3)利用本文提出矿产资源开发生态风险评价体系，蒙陕甘宁金三角52个县域评价结果为：准格尔旗县生态风险较高，达拉特旗、东胜区、伊金霍洛旗、神木县和庆阳县5个县生态风险中等，其余面临的矿产资源开发生态风险均处于较低或低水平。该结果，可服务于该区域内的资源开发相关政策的制定。

但本文工作仍存在不足之处，如：关于资源开发至只考虑面积因素，而对于矿产类型以及对地表占用和破坏的程度没有加以区别。而且对于指标权重的设定目前为专家打分法确定。在下一步的工作中可以进一步对指标进行优化，并引入更为有效的权重设定方法。

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作者简介：万华伟，博士，正高级工程师，主要从事生态环境遥感应用研究

通讯作者：李静，高级工程师，博士，主要从事生态环境遥感应用研究

中图分类号：TP751

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0054-04

Assessment of Regional Ecological Risk from Exploitation ofMineralResourcesbyRemoteSensing

WAN Huawei1WANG Changzuo1XIAO Rulin1LIU Huiming1LI Jing1ZHANG Lifeng1，2

(1.Satellite Environmental Application Center，Ministry of Enviromental Protection，Bejing 100094，China；2.ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing100083，China)

Abstract：The exploitation of mineral resources will damage the local ecological environment.To assess the regional ecological risk caused by resource development objectively，in this paper one evaluation index system resource development and ecological risk for operational applications were constructed.The system was based on spatial data，and multi-temporal remote sensing data was used，which had the features of objective，macro，easy data accessibility and strong updating.The evaluation results on 52 counties in the “Golden Triangle” of MSGN (Inner Mongolia，Shaanxi，Gansu，Ningxia) showed：the ecological risk of Zhunger counties is higher，and the risk Dalateqi，Dongsheng District，Yijinhuoluo，Shenmu and Qingyang was in the medium level，the ecological risk of Fugu County，Hangjinqi and other six counties was in the lower level，the ecological risk caused by resources development of the rest 38 counties was very low.The evaluation results verified the evaluation index system proposed in this paper and can provide support for the relevant policy making of resource development in this region.

Keywords：Mineral resources exploitation；Ecological risk assessment；Golden Triangle Energy；Remote Sensing

项目资助：全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目( 项目编号STSN-10)

引用文献格式：万华伟等.基于遥感技术的区域矿产资源开发生态风险评价[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：54-57.