基于RS和GIS的宿州市祁东矿区生态环境评价

叶　伸，白洪伟

(宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000)



基于RS和GIS的宿州市祁东矿区生态环境评价

叶伸，白洪伟

(宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000)

目的祁东矿是淮北煤田的大型煤矿之一，近年来，随着对矿区煤炭资源的持续开发，矿区引发了一系列生态环境问题。通过调查矿区的生态环境状况指数，了解矿区生态环境现状，为矿区环境治理提供决策。方法运用RS和GIS技术与数理统计方法，将宿州市祁东矿区土地利用/覆盖类型分为10类，并进行遥感影像解译，统计矿区土地利用/覆盖类型现状；以生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、污染负荷指数为指标，对宿州市祁东矿区生态环境进行评价。结果2015年评价区内的主要土地利用/覆盖类型为耕地和居民建设用地，两者之和占总矿区面积的84.50%，宿州市祁东矿区生态环境状况指数为61.75，生态环境等级为良，说明祁东矿区植被覆盖度较高、生物多样性较丰富、适合人类生活。结论运用这种方法对矿区环境进行长时间的监测和评价，观察矿区生态环境变化，可为矿区环境治理提供依据。

生态环境评价；祁东矿区；RS；GIS

0　前　言

矿区资源的开发给社会带来经济效益的同时，也会引发了一系列生态环境问题，如土地资源破坏、水资源破坏、生态退化、环境污染等。因此，对矿区开发所在地区进行生态环境状况评价以及预测该区域生态环境状况的变化趋势显得尤为重要。正确认识和评价区域生态环境质量是合理开发资源、制定经济社会可持续发展规划和生态环境保护对策的前提和基础[1]。近年来，RS和GIS技术已逐步应用于各省市地区生态环境质量的监测和评价中[2-6]。利用GIS技术可为矿区生态环境调查提供准确数据，实现快速、准确、实时的调查评价矿区生态环境。以宿州市祁东矿区为研究区，运用遥感影像提取矿区土地利用类型，植被、水体等覆盖度，对矿区生态环境状况进行评价，获取矿区生态环境现状，为矿区环境治理提供决策依据。

1　研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

祁东矿位于安徽省宿州市埇桥区祁县镇、西寺坡镇和固镇县湖沟区内，东至龙王庙勘探区，西以F22断层与淮北矿业(集团)公司祁南煤矿分界；南起二叠系山西组10煤层露头，北至32煤层-800 m水平地面投影线为界[7]。矿区属暖温带半湿润季风性气候，年均降水量840 mm。矿区煤矿资源丰富，可采储量为1.89亿t[8]。研究区域面积为8.49 km2。

1.2数据来源

祁东矿生态环境状况评价中含土地利用/覆盖数据，环境背景数据(区域年降水总量、水资源等)、环境统计数据等。其中，遥感数据源为Google Earth卫星影像，基本地形图数据为配准后的1∶5万宿州市地区地形图，土地利用/覆盖数据为对遥感影像的解译，污染负荷评价体系中COD年排放量、SO2年排放量、氮氧化物年排放量、固体废物年排放量等来源于2015年宿州市统计年鉴[1-3]。

2　评价指标及计算方法

依据“生态环境状况评价技术规范(发布稿)”(HJ192-2015)对矿区生态环境状况进行评价[2]。生态环境状况指数主要包括生物丰度指数、植物覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、污染负荷指数5个分指数和1个环境限制指数，并赋予各指数不同的权重，计算区域生态环境状况指数EI(ecological index)，反映区域生态环境的整体状态。

2.1生物丰度指数

评价区域内生物的丰贫程度，利用生物栖息地质量和生物多样性综合表示。由林地、草地、水域湿地、耕地、建设用地和未利用地的面积与区域面积的权重比计算得到。

生物丰度指数=(BI+HQ)/2，式中：BI为生物多样性指数，评价方法执行HJ623;HQ为生境质量指数；当生物多样性指数没有动态更新数据时，生物丰度指数变化等于生境质量指数的变化。

生境指数=Abiox(0.35x林地+0.21x草地+0.28x水域湿地+0.11x耕地+0.04x建设用地+0.01x未利用地)/区域面积

(1)

式中：Abio是生境质量指数的归一化系数，参考值为511.2642131067。

2.2植物覆盖指数

评价区域植物覆盖的程度，利用评价区域单位面积归一化植被指数(NDVI)表示。

植物覆盖指数=NDVI区域均值=Avegx(∑i=1pi/n)

(2)

式中:pi—5-9月象元NDVI月最大值的均值

n—区域象元数

Aveg—植被覆盖指数的归一化系数，参考值为0.0121165124。

2.3水网密度系数

评价区域内水的丰富程度，利用评价区域内单位面积河流总长度、水域面积和水资源量表示。

水网密度系数=(河流长度/区域面积+水域面积/区域面积+水资源量/区域面积)/3

(3)

式中：—河流长度的归一化系数，参考值为84.3704083981

—水域面积的归一化系数，参考值为591.7908642005

—水资源的归一化系数，参考值为86.3869548281

2.4土地胁迫指数

评价区域内土地质量遭受胁迫的程度，利用评价区域内单位面积上水土流失、土地沙化、土地开发等胁迫类型面积表示。

土地胁迫指数=Aerox(0.4x重度侵蚀面积+0.2x中度侵蚀面积+0.2x建设用地面积+0.2x其他土地胁迫)/区域面积

(4)

式中：Aero—土地胁迫指数的归一化系数，参考值为236.0435677948

2.5污染负荷指数

评价区域内所受纳的环境污染压力，利用评价区域单位面积所受纳的污染负荷表示。

污染负荷指数=0.2xACODxCOD排放量/区域年降水总量+0.2xANH3x氨氮排放量/区域年降水总量+0.2xASO2xSO2排放量/区域面积+0.1xAYFCx烟(粉)尘排放量/区域面积+0.2xANOXx氮氧化物排放量/区域面积+0.1xASOLx固体废物丢弃量/区域面积

(5)

式中：ACOD——COD的归一化系数，参考值为4.3937397289

ANH3——氨氮的归一化系数，参考值为40.1764754986

ASO2——SO2的归一化系数，参考值为0.0648660287

AYFC——烟(粉)尘的归一化系数，参考值为4.0904459321

ANOX——氮氧化物的归一化系数，参考值为0.5103049278

ASOL——固体废物的归一化系数，参考值为0.0749894283

2.6环境限制指数

环境限制指数是生态环境状况的约束性指标，指根据区域内出现的严重影响人居生产生活安全的生态破坏和污染事项，如重大生态破坏、环境污染和突发环境事件等，对生态环境状况类型进行限制和调节。

3　生态环境状况分级

生态环境质量指数的计算方法如下：

生态环境状况指数(EI)=0.35x生物丰度指数+0.25x植物覆盖指数+0.15x水网密度指数+0.15x(100-土地胁迫指数)+0.10x(100-污染负荷指数)+环境限制指数

(6)

根据环境状况指数，将生态环境分为5级，即优、良、一般、较差和差，见表1。

表1　生态环境状况分级[2]

4　祁东矿区生态环境状况评价

4.1数据预处理

几何校正：由于所研究的矿区面积较小，采用传统的遥感影像解译达不到很高的精度，所以采用在Google Earth上截取分辨率达到米级的卫星影像作为数据源。由于地球自转、地球表面曲率等方面的影像，影像中的地理位置位置上会发生偏移，故需要利用高精度的地形图进行配准及正射处理才能进行使用。本文利用配准后的1∶5万宿州市地区地形图对卫星影像进行校正，位置校正采用二次多项式，控制点选取在易分辨的地物上，均匀分布于图上，个数不少于30个，校正误差小于1个像元以内。

图像裁剪：利用配准后的卫星影像，根据在宿州市地形图上获取的研究区域边界，裁剪得到祁东矿区影像数据。

4.2遥感影像解译

根据生态环境状况评价技术规范中注明的生态环境类型，再根据祁东矿区土地利用的实际情况，将祁东矿区的土地利用/覆盖类型分为：采矿用地、居民建设用地、道路、草地、工业用地、湖泊、耕地、林地、河流、未利用地10类。

利用ArcGIS软件对影像进行目视解译，获取2015年宿州市祁东矿区土地利用现状分类图，如图1所示；并提取土地利用现状统计数据，见表2。2015年评价区内的主要土地利用/覆盖类型为耕地和居民建设用地，两者之和占总矿区面积的84.50%。

本次研究采用的SiO2温标为无蒸汽损失SiO2温标、最大蒸汽损失在100 ℃SiO2温标、无蒸汽损失玉髓温标，阳离子温标主要采用Na-K、Na-K-Ca、K-Mg温标。

图1　祁东矿区2015年土地利用/覆盖类型现状分类图

土地类型面积(hm2)百分比(%)采矿区 10.331.22居民建设用地154.2218.16道路 13.041.54草地 6.370.75工业建设用地3.240.38湖泊 32.363.81耕地 564.2666.44林地 54.876.46河流 6.80.80未利用土地 3.740.44合计 849.23100.00

4.3计算结果分析

通过查询2015年宿州市统计年鉴，宿州市区域年降水总量为842.2 mm[3]，COD年排放量为105 401.08 t[3]，SO2年排放量为32 208.51 t[3]，烟尘年排放量为34 779.44 t[3]。根据上述指标和计算方法，得出2015年宿州市祁东矿区生态环境状况指数和各分指数值(表3)，宿州市祁东矿区生态环境状况指数为61.75。根据表1的生态环境状况分级，祁东矿区生态环境等级为良，说明祁东矿区植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，适合人类生活。

表3　2015年宿州市祁东矿区生态环境状况指数计算结果

5　宿州市祁东矿区生态环境状况原因及对策建议

根据遥感影像解译结果分析，宿州市祁东矿区生态环境状况指数EI的主要影响因素是生物丰度指数和植被覆盖指数，这两个指数主要取决于该地区的林地、草地、耕地的面积。影响宿州市祁东矿区生态环境状况的主要原因有：一是矿区建设用地、采矿区、居民建设用地等基础设施占据大量的土地；二是政府加大绿化造林的力度，增加林地面积。因此，根据祁东矿区的实际情况，为不断改善矿区的生态环境质量，提出以下几点建议：

1)定期进行矿区的环境治理，加强对废石、尾矿等废弃物的监督处理，防止环境污染事件的发生；

2)加大对水利设施的保护，疏浚河道，控制生活污水、垃圾等污染，防止湖泊等水资源产生富营养化；

3)继续实施政府的各项举措，加大退耕还林还草等环境治理工程，保护生物多样性；

4)建立生态环境监测网络，长期对矿区生态环境现状进行监测，提高环境保护力度。

6　结论与讨论

利用遥感卫星提供的实时影像数据，经过数据预处理、遥感影像解译的方式对矿区土地类型现状进行提取，根据提取的信息和收集到的资料对矿区生态环境进行评价，这种方法显得方便和准确。评价结果表明，宿州市祁东矿区生态环境状况指数为62.929，生态环境等级为良，说明祁东矿区植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，适合人类生活。

遥感等实时数据的加入将会提高对环境变化的监控能力，特别是提高对重点、敏感地区生态变化的快速直观的监控，可以降低人为统计造成的数据误差[11-12]。运用此种方法对矿区生态环境进行长时间的动态监测和评价，观察矿区生态环境变化，为矿区环境治理提供依据。

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[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]

Evaluation of Mining Eco-environment of Qidong in Suzhou Based on RS and GIS

YE Shen,BAI Hong-wei

(Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

ObjectiveQidong coal mine is one of the large coal mines of Huaibei coalfield.In recent years,with the continuous development of coal resources,the mining area has caused a series of problems of ecological environment.By the ecological environment indices of the mining area,the current situation of ecological environment in the mining area was obtained and suggestions for decision-making were provide for mine environment control.MethodsRS and GIS technology and mathematical statistics methods were used to divide the land use/land cover types in Suzhou Qidong mining area into 10 categories.And they were interpreted by remote sensing images.And the statistics of current mining area land use/land cover types were conducted.Based on biological richness index,vegetation coverage index,water network denseness index,land stress index and pollution load index,ecological environment of Qidong mining area was evaluated.ResultsIn 2015,the main use/cover types in the land evaluation area were farmland and urban construction land,accounting for 84.50% of the total mining area,and ecological environment grades in Qidong mine area was good with ecological index at 61.75.That showed that in Qidong mine area had higher vegetation coverage and richer biological diversity,suitable for human life.ConclusionUsing this method to monitor and evaluate the mine environment for a long time,and observing the changes of the ecological environment in the mining area can provide a basis for controlling the environment in the mining area.

evaluation of ecological environment;Qidong mining area;RS;GIS

安徽省大学生创新创业训练计划项目(201510379046、201510379084、201510379080)；宿州学院卓越人才教育培养计划项目(szxy2015zjjh01)；2015年宿州区域发展协同创新中心学生开放课题(2015SZXTXSKF11)

叶伸(1994-),男,安徽黄山人，宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术中心在读学生。

白洪伟(1987-)，男，安徽宿州人，讲师，硕士，主要研究方向：测绘与3S技术。

S 127

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.09.009