基于高分卫星遥感数据的金属矿开发现状及环境问题研究——以江西省德兴多金属矿集区为例

李 丽，汪 洁，汪 劲，王 昊，荆青青

（中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

基于高分卫星遥感数据的金属矿开发现状及环境问题研究
——以江西省德兴多金属矿集区为例

李 丽，汪 洁，汪 劲，王 昊，荆青青

（中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

为及时、准确地掌握金属矿山的开发状况，有针对性地对金属矿山开发引起的环境问题进行恢复治理，以ZY-3等高分辨率卫星遥感数据为信息源，对江西省上饶市德兴多金属矿集区金属矿的开采状况及引发的环境问题进行了研究。在广泛收集矿区地质矿产资料、地形资料和遥感资料的基础上，结合露天开采、地下开采、联合开采等不同开采方式的金属矿的影像特征和实地调查验证，建立了金属矿开发占地的直接和间接解译标志；根据各类矿山地物的影像特征和解译标志，对研究区金属矿山开采情况和环境状况进行目视解译和人机交互解译，获取了研究区内各时相的矿山开发状况和环境状况信息；利用ArcGIS平台中空间分析模块功能对各类开发占地的面积进行了统计分析；根据统计数据对研究区的金属矿开采状况及其诱发的地质灾害、植被破坏、污染水体和固体废弃物等矿山环境问题进行分析，指明研究区矿山环境问题的研究现状及发展趋势，有针对性地提出建议，为矿山环境监测和矿山环境恢复治理工程提供参考依据。

遥感；金属矿山；解译标志；开发占地；环境问题

0 引言

金属矿产分为黑色金属、有色金属、贵金属和稀有稀土分散元素金属矿产4大类。据全国矿山遥感调查结果分析，2014年全国陆域金属矿山开发占损土地面积为353 058.32 hm2。其中，黑色金属开发占损土地面积最大（231 808 hm2），占金属矿产开发占损土地面积的66%；有色金属和贵金属开发占损土地面积分别排在第二位和第三位。我国东部地区金属矿产分布广、类型多，而长江中下游地区的江西省则是我国有色金属的主要产地之一。2014年江西省因金属矿产开发导致的占损土地4 963.54 hm2中，以有色金属矿产开发占损土地面积最大（46.8%）。江西省德兴市境内的金矿是目前我国江南地区规模最大、建设条件最好的金矿之一，而德兴铜矿则是亚洲最大的露天铜矿。但是，大规模金属矿产的开采在创造巨大社会经济效益的同时，也产生了许多地质环境问题；同时，不规范的开发活动、违法开采现象和部分矿山开采工艺的落后又进一步加剧了地质环境问题。显然，实时掌握金属矿产的开采状况，是解决这一问题的一个重要前提。遥感技术具有宏观、快速和同步观测等优点，可直观反映研究区域的各种情况，弥补以往矿山开发状况调查中人工采集信息时效性差、采集范围有限等缺陷，能够为准确掌握矿产开发现状提供快捷、高效的手段。同时，遥感技术相对于地面常规方法还具有获取“多时相”信息的能力，从而可满足矿山监管部门及时了解和掌握矿山环境动态变化信息的需求［1-3］。

目前遥感技术在矿山开发环境遥感调查与监测领域已经积累了丰富的经验，高分辨率卫星遥感技术的高速发展不断满足高精度矿山开发占损土地调查和地质灾害解译的实际需求。2006年起，中国地质调查局部署开展了“矿产资源开发遥感调查与监测”工作，对国土资源部公告的全国整顿和规范矿产资源开发秩序重点矿区的矿产资源规划执行情况、开发状况和矿山地质环境问题实施遥感调查与动态监测。该项目建立了矿山遥感监测的基本理论和较为完善的矿山遥感监测技术体系［4］，虽然目前已有一些工作基础，但对局部矿产资源集中区矿山开发引起的地质环境问题的针对性研究尚浅。本文以高分辨率的ZY-3等卫星数据为基础，以ArcGIS软件为解译平台，对江西省上饶市德兴地区金属矿的开采状况及其引发的地质环境问题进行探索性研究，旨在为金属矿山环境监测和矿山环境恢复治理工程提供参考依据。

1 研究区概况及调查方法

1.1 研究区概况

研究区地处江西省德兴市北部山区（图1），面积335.65 km2，为低山丘陵地貌类型区，森林覆盖率高，由矿山开发引起的植被破坏和土地占损情况在遥感影像中更加明显。区内主要矿种为金矿和铜矿，共有16座金矿矿山、2座铜矿矿山和1座铅锌矿矿山，其中15座为地下开采矿山、2座为露天开采矿山、2座为联合开采矿山。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Sketch map of study area

研究区内金属矿大部分为金矿，其矿床多为岩金，采用地下开采方式，矿体呈隐伏或半隐伏状态。岩金大都采用氰化钠（钾）浸取金的工艺提炼，即利用氰化钠（钾）溶液将矿石中的金溶解出来后，再经过活性炭或树脂吸附—解吸—电解—冶炼等流程得到黄金。因此，岩金矿的开采除了对地形地貌和植被的破坏外，还有开矿过程中产生的废石尾矿伴生的Hg、As、Pb、Zn等重金属污染问题，废石被风化淋滤后释放出的这些重金属和炼金过程中的氰化物都加重了对环境的污染［5］。同时，运矿的车辆会对矿区内的植被造成一定的影响，而开矿活动也会成为山区崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害的诱因［6］。

经调查，研究区内近3 a未发现违法开采现象；但因研究区内矿权区较密集，故矿山开发占损土地面积较大，且尚无矿山环境恢复治理的迹象。

1.2 调查方法

采用遥感地质解译与实地调查验证相结合的方法，获取区域矿山开发环境基本信息；利用Arc-GIS软件平台，对区域矿山开发环境变化信息进行统计和分析。主要技术流程如图2所示。

图2 主要技术流程Fig.2 W orkflow ofmain technology

1.2.1 遥感影像选取

为查明区域矿山开发环境现状和变化情况，采用了3期卫星遥感数据，分别为2012年9月的RapidEye卫星影像、2013年8月的天绘一号卫星影像和2014年6月的ZY-3卫星影像数据。上述卫星影像的空间分辨率均优于2.5 m，可满足1∶5万比例尺矿山开发环境遥感监测的精度要求。基于区域1∶5万比例尺地形图数据，分别对各期卫星遥感数据进行了正射纠正、融合、镶嵌等预处理，制作的用于遥感解译和调查的图像色调丰富、影像清晰，可满足目视解译需要。

1.2.2 遥感信息提取

图3 各类矿山地物遥感解译标志Fig.3 Remote sensing interpretation keys for different objects in m ine

遥感解译标志是指那些能够用来区分目标物的影像特征，可分为直接解译标志和间接解译标志。前者指根据地物或现象本身反映的信息特征可以直接解译目标物的影像特征，亦即能够直接反映地物或现象的影像特征，包括色调、形状、大小、阴影、结构和图形等；后者则指与之关联的其他地物的影像特征，亦即与地物属性有内在联系、通过相关分析能推断其性质的影像特征，如空间位置和相关布局等。在解译过程中，根据本次遥感调查的目的和各类矿山目标地物的典型影像特征，建立了采场、堆浸场、尾矿库、排土场、矿山建筑和开采井口等的遥感影像解译标志（图3）。其中，采场、堆浸场、尾矿库、排土场、矿山建筑为直接解译标志；而开采井口、硐口上方一般有简易建筑物遮盖，为间接解译标志。

根据各类矿山地物的影像特征和解译标志，利用ArcGIS软件平台，对研究区金属矿山开采情况和环境问题进行目视解译和人机交互解译，获取了研究区内各时相的矿山开发状况和环境状况信息。对解译的结果进行野外实地验证和进一步修改完善后，再利用ArcGIS平台中空间分析模块的功能进行了面积计算和分析［7］。

2 矿山开发占地状况分析

矿山开发占地主要分为4类：采场、中转场地、固体废弃物堆放场和矿山建筑。采场是指矿山开采生产工作的现场（工作区域）。在露天开采中，采场包含开采面；中转场地包括煤堆、矿石堆、洗煤厂、选矿场和选矿池等占地；固体废弃物堆放场包括排土场、废石堆、尾矿库和煤矸石堆等占地；矿山建筑是指人工建造的各种生产、生活用建筑物。

2.1 矿山开发占损土地现状

2014年研究区内因矿山开发共占损土地2 788.2 hm2，占研究区总面积的8.3%（图4）。

在各类矿山开发占地中，固体废弃物堆放场占地最多（占矿山开发总占地的63%），其次是采场占地（占30%），中转场地和矿山建筑占地较少。

在固体废弃物占地的1 765.1 hm2中，尾矿库占地929.3 hm2（约占固体废弃物堆放占地的52.6%）；排土场占地827.2 hm2（占固体废弃物堆放占地的46.8%）。可见，尾矿库和排土场占地是研究区内金属矿山开发占地的主要成分。排土场的面积较大，在很大程度上侵占了农业用地和林地；此外，排土场的变形容易成为滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生的温床，不仅危及生产安全，而且容易造成重大经济损失，对附近农田林地和自然环境带来极大威胁。尾矿是指金属或非金属矿山开采出的矿石经选矿厂选出有价值的精矿后排放的“废渣”，尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以堆存矿山选矿后排出的尾矿或其他工业废渣的场所［8］。尾矿库内的矿渣含有暂时不能处理的各种化学成分，若随意排放，就会造成资源流失，并大面积覆没农田或淤塞河道，污染环境。研究区内现有大小不同的尾矿库23座。

图4 研究区矿山开发占损土地现状示意图Fig.4 Status diagram of land occupied and damaged by m ine exploitaion in study area

区内矿山开发采场占地面积有835.4 hm2，严重破坏了农田和林地。虽然分层开采在一定程度上减少了采矿事故的发生，但较大的采场面积和较深的采场深度仍存在诱发边坡失稳等采矿地质灾害隐患。同时，采场对自然景观、生态环境也造成了破坏，因此对采场进行复垦、复绿十分重要。

2.2 矿山开发占损土地变化情况

研究区内2012—2014年间矿山开发占损土地变化情况见表1。

表1 2012—2014年研究区矿山开发占损土地统计Tab.1 Statistics of land occupied and damaged by m ine development in study area from 2012 to 2014（hm2）

从表1可以看出，在2012—2014年间，研究区内因矿山开发占用土地的面积呈逐年上升趋势，且前期增幅大、后期增长放缓。2013年矿山开发占地总面积比2012年增加了88%，涨幅较大；2014年矿山开发占地面积比2013年仅增长了2.6%，增速变缓。随着矿业生产的扩大，矿山建筑占地面积也有明显增加。受整体经济大环境和国家政策等因素的影响，2014年比2013年采场、中转场地和固体废弃物占地面积的增长量均小于2013年比2012年的增长量。

以研究区内某露天开采的锌铜矿山为例。该矿山2012—2014年的3 a间影像变化如图5所示。

图5 2012—2014年某矿山影像变化Fig.5 Image changes of am ine from 2012 to 2014

该矿区有1个大型露天采场、1个大型排土场和2处较大规模的尾矿库，矿山建筑等配备齐全。从图5可以看出，随着时间的推移，其采场、排土场、尾矿库的面积均在缓慢增加。排土场逐渐向北部和西部延伸，最北的1处尾矿库2014年占地范围明显大于2012年影像显示的尾矿库占地范围。详细的矿山开发占地面积变化见表2。

表2 2012—2014年某矿山开发占损土地面积统计Tab.2 Statistics of land occupied and damaged by m ine development from 2012 to 2014（hm2）

从表2可以看出，所有占地类型中，占地面积由大到小依次是排土场、尾矿库和采场。在2012—2014年期间，该矿山开发占地面积逐渐增加。2014年该矿山开发占地总面积为261.4 hm2，比2012年增加了29%。2014年排土场的占地面积为85.73 hm2，占开发占地总面积的32.8%，比2012年增加了38%；2014年采场占地面积为72.81 hm2，占开发占总地面积的28%，比2012年增加了23%；2014年尾矿库的占地面积为80.05 hm2，占开发占地总面积的31%，比2012年增加了21%。

近年来，我国加大了矿山地质环境治理的投入。据有关报道，截至2014年，全国矿山地质环境治理共投入资金901.8亿元，已治理恢复毁损土地81万hm2，治理率为26.7%，治理矿山3 310座，总面积10.3万hm2［9］。研究区内虽然矿山开发损毁土地面积达到了261.4 hm2，但本次遥感调查却没有发现有矿山恢复治理的痕迹，这不能不说是个严重问题。

3 矿山环境问题分析

通过对研究区内矿山开采状况的分析研究，发现该区金属矿山开采造成的环境污染问题主要有诱发地质灾害、破坏植被、污染水体和固体废弃物破坏环境。

（1）诱发地质灾害。在露天开采的金属矿山中，主要存在可能引发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的隐患；在地下开采的金属矿山中，主要有采空塌陷、地裂缝等地质灾害隐患。

从表2可以看到，矿山开发排土量较大且逐年持续堆积，排土场占地面积2013年比2012年增加了23%，2014年比2013年增加了13%。排土均从山脊往下倾倒至山谷，这种人工松散堆积体达到一定规模后，若遇持续降雨天气，极易失稳引起垮塌滑坡事故或泥石流灾害。

研究区内的金属矿山中有79%的矿山为地下开采，长时间的地下开采极易引发采空塌陷。区内的一个地下开采金矿附近地段就是采空塌陷隐患区，可看到隐患区内已有一些小型塌陷坑形成（图6）。研究区内发现的塌陷地占地总面积约有40.14 hm2，占区内开发占地总面积的1.4%。

图6 地下开采金矿塌陷区影像Fig.6 Image of underground m ining subsidence area of gold m ine

（2）破坏植被。采场、排土场等占地面积大，图5中的矿山开发采场和排土场占了占地总面积的61%，被占用的土地植被破坏严重，极易引起水土流失；同时也影响该矿区周围林地生物的多样性，直接破坏了矿山周边区域环境的完整性，恢复被破坏的生态环境则需要相当长的时间。

（3）污染水体。地下开采形成的矿区塌陷、裂缝或矿井疏干排水，会使开采区域及周边地区的地下储水构造发生改变，从而引起井泉干涸和地下水位下降，严重的甚至会形成大面积的疏干漏斗；而地表径流的变更，则会使水源枯竭，水利设施丧失原有功能，直接影响农作物耕种。同时，矿山开采过程中产生的矿坑水、废石淋滤水等，一般较少达到工业废水排放标准，会严重影响水生生物的生存繁衍与人畜生活饮用。以研究区内某锌铜矿为例，该矿区大型尾矿库的西南方就有居民聚集地和农田，尾矿库中含有的重金属离子会污染地下水，对居民生活造成巨大影响。影像显示，尾矿库附近的河道中有一段修建了拦水坝的水体，其色调明显与别处不同，存在水体污染的迹象。又如，研究区内有条河流总长度约49.4 km，其中受矿山开采影响，疑似有水体污染的河道长度约有2.3 km（图7）。

图7 某锌铜矿区周边水体污染影像Fig.7 Im age of water pollution around a zinc copper m ine

（4）固体废弃物破坏环境。从统计数据看，研究区内固体废弃物堆放场占地为占地总面积的63%，是造成矿山地质环境问题的祸首。固体废弃物堆占土地，破坏了矿区周边的环境，也容易形成沟壑或导致河道淤塞。金属矿开采产生的尾矿也是固体废弃物的一种，尾矿库在开采占地中所占的面积也较大，其中含有一些目前尚不能提取出的有用或有害物质，若随意排放，不仅会造成资源流失，而且尾矿库往往会大面积侵占农田或河道，极易污染水体，影响周边农作物的生长和居民健康；同时，尾矿库也是潜在的泥石流危险物源，存在溃坝危险，一旦失事，危害无穷。

4 结论与建议

（1）2014年研究区内金属矿山开发占损土地总面积为2 788.2 hm2，且在本次调查期内有逐年持续扩大趋势。

（2）在研究区内所有的占损土地类型中，矿山开采产生的固体废弃物占地面积最大（占开发占地总面积的63%），且排土场、尾矿库面积都在随着时间的推移持续增加。建议对各矿山制定科学的开采计划，边开采、边治理，对金属矿开采产生的固体废弃物要及时处理，避免含重金属的采矿废渣因过久堆放而造成二次污染。

（2）研究区内金矿分布较为密集，19个金属矿权中有16个是金矿，其中又有15个为地下开采。长期的地下开采容易引发采空塌陷，在开采时应及时采取相应措施，防范于未然。

（3）研究区中金矿或铜矿的排土场大多依山而建，且有扩大趋势。为避免排土场堆积过多而成为崩塌、滑坡或泥石流等地质灾害的危险物源，应在排土场选址之前进行专门的地质勘探工作，排土场坡脚与采场或矿山建筑之间应保持一定距离，并设置拦挡设施。区内露天采场占地面积仅次于固体废弃物占地，应注意及时复垦绿化。

（4）研究区内尾矿资源丰富，对矿山附近的河道造成了一定程度的污染，例如金属矿开采造成某河流水体污染长度约有2.3 km。应提高对尾矿资源的再利用效率，对尾矿中含有的贵金属成分再次分选提炼，对含氰废水进行科学有效处理，将尾矿库中的水进行回收、净化和再利用，以有效保护环境；同时做好安全监测，排查隐患，防止发生尾矿库溃坝事故。

（5）研究区内未见到矿山地质环境恢复治理的痕迹。建议有关部门和矿山尽快规划和部署矿山地质环境恢复治理工作，早日归还矿区优美的绿水青山。

［1］ 赵祥，刘素红，王安建，等.基于卫星遥感数据的江西德兴铜矿开采环境影响动态监测分析［J］.中国环境监测，2005，21（2）：68-74.

［2］ 李万伦，甘甫平.矿山环境高光谱遥感监测研究进展［J］.国土资源遥感，2016，28（2）：1-7.

［3］ 杨显华，黄洁，田立，等.基于高分辨率遥感数据的矿山环境综合治理研究——以冕宁牦牛坪稀土矿为例［J］.国土资源遥感，2015，27（4）：115-121.

［4］ 杨金中，秦绪文，聂洪峰，等.全国重点矿区矿山遥感监测综合研究［J］.中国地质调查，2015，2（4）：24-30.

［5］ 李社红.金矿开采中的生态破坏与环境污染［EB/OL］.（2009-09-03）.http：//csmpg.gyig.cas.cn/kphd/kpzs/ 200909/t20090903_2961948.html.

［6］ 何璐瑶.矿山开发项目环境影响评价的方法及应用——以某金矿露天开采工程为例［J］.工程建设，2008，40（4）：51-54，60.

［7］ 王瑜玲，刘少峰，李婧，等.基于高分辨率卫星遥感数据的稀土矿开采状况及地质灾害调查研究［J］.江西有色金属，2006，20（1）：10-14.

［8］ 刘丽华.尾矿综合回收与利用的效益［J］.南方金属，2009（3）：29-31，52.

［9］ 雷丽娜.国土资源部：我国治理恢复毁损土地81万公顷［EB/ OL］.（2015-07-06）.http：//www.gov.cn/xinwen/2015-07/06/content_2891155.htm.

（责任编辑：常艳）

Study ofmetalm ine development situation and environmental problem s using high resolution satellite remote sensing data：A case of polymetallic ore concentration area in Dexing，Jiangxi Province

LILi，WANG Jie，WANG Jin，WANG Hao，JING Qingqing
（China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China）

To acquire the development situation of themetalmine and restore the environmental problems caused by themetalmine exploitation accurately and specifically，themining situation and environmental pollution problems caused by themining in Dexing，Shangrao of Jiangxi Province were investigated based on the ZY-3 remote sensing image data.After widely collecting the geological and mineral information，topographic data and remote sensing information，combining with the field survey and image features of differentmining methods such as the surface，underground and unitized mining，the direct and indirect interpretation keys ofmetalmine development area were established.According to the image features and interpretation keys of differentmining ground objects，the mining situation and the environmental problems ofmetalmine were interpreted by visual and human-computer interactive interpretation，and themining conditions and environment information ofmine exploitation under different time phase of study area were acquired.The statistical analysis of the different development area was made by using the ArcGIS spatial analysismodel.According to the statistics data of the study area，environment damages such as the geological disasters，deforestation，polluted water and solid waste that caused by themining were analyzed.The present characteristics，the targeted suggestions and the further development ofmine environmental pollution were pointed out，providing a good reference to the mine environmentalmonitoring and environmental recovery engineering.

remote sensing；metalmine；interpretation key；development area；environmental pollution

李丽，汪洁，汪劲，等.基于高分卫星遥感数据的金属矿开发现状及环境问题研究——以江西省德兴多金属矿集区为例［J］.中国地质调查，2016，3（5）：60-66.

TP79

A

2095-8706（2016）05-0060-07

2016-05-04；

2016-06-17。

中国地质调查局“江西省矿产资源开发环境遥感监测（编号：1212031513054）”项目资助。

李丽（1988—），女，硕士，助理工程师，主要从事矿产资源开发环境遥感监测研究。Email：dairywoman@126.com。