基于高分卫星遥感数据的冀东地区矿山开发现状及环境问题研究

鱼 磊， 李应真， 高俊华， 刘 立， 许兆军， 邹 蒲

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430000； 2.湖南省遥感中心，长沙 410000；3.湖南航天远望科技有限公司，长沙 410000)

0 引言

河北省是我国矿产资源大省，其沉积变质型铁矿96%的资源量集中分布在冀东变质岩区[1]。冀东地区具有良好的成矿大地构造背景[2-3]，在不大的范围内形成了众多矿床和矿点，也是我国除了鞍山、本溪和攀西地区以外的又一特大型铁矿石资源产地。经过多年的地质勘探，已探明有开采价值的铁矿石资源储量逾70亿t[4]。该区丰富的矿产资源对当地经济发展起到了至关重要的作用，但与此同时矿产资源的不合理开发和利用时有发生，也引发了各种矿山地质环境问题[5]。仅依靠传统的技术方法，难以实现大范围的矿产资源开发管护和矿山环境监测。

遥感技术具有时效性强、覆盖面广、经济成本低和测量统计便捷等优点，在矿政管理工作方面表现出明显的优势[6]。特别是近年来高空间分辨率卫星遥感技术的高速发展，在矿山开发过程中占损土地调查和矿山地质灾害解译等方面取得了良好的应用效果。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，针对原国土资源部公告的“全国整顿和规范矿产资源开发秩序重点矿区名单”，就矿产资源规划执行情况、矿产资源开发状况、矿山地质环境等问题实施遥感调查与动态监测[7]。通过建立较为完善的矿山遥感监测技术体系，开发矿山遥感监测信息系统，初步查明了全国重点矿区矿产资源开发秩序、矿山环境、矿产资源规划执行情况等方面的现状和存在的问题。总体说来，该项工作虽然已有一定的工作基础和成果，但针对各大矿业集中开采区的矿山开发状况和矿山环境问题研究尚浅。其中涉及冀东地区的矿山遥感调查与监测相关成果的研究还很少[8]。本文以高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)等高空间分辨率卫星数据为基础，基于ArcGIS平台，采用人机交互式解译方法，对冀东唐山、秦皇岛地区的矿山开发占地和各种矿山环境问题进行了遥感调查与研究，旨在为当地矿产资源管护、矿山环境恢复治理提供理论依据。

1 研究区概况

冀东地区位于北京市以东，河北省青龙—山海关以西，承德—平泉一线以南，滦南—天津市宝坻一线以北。在构造体系上，该区位于阴山—天山复杂构造带内，马兰峪—山海关EW向隆起带与新华夏系大兴安岭NNE向隆起带交汇部位，总面积约为40 000 km2，地理坐标为117°00′～119°30′E，39°20′～41°20′N[9]。区内矿产资源较为丰富，铁矿、建材及其他非金属矿企业居多； 煤矿企业数量虽相对较少，但其集中区面积大，开采历史长，对矿区周边地质环境影响较大。区内80%以上的矿山企业主要集中在唐山地区的遵化、迁西、迁安、开平、丰润、丰南、古冶、路南、滦县和秦皇岛地区的青龙、抚宁等地，因此以唐山和秦皇岛地区作为主要研究区域。目前区内共设有效矿权759个，其中，铁矿360个，建材及其他非金属矿313个，煤矿49个，其他类矿种37个； 矿区露天开采338个，地下开采346个，联合开采75个(图1)。

图1 研究区矿产资源分布

2 遥感调查方法

2.1 遥感数据源

遥感数据源分别采用2014年的YG-4、2015年的GF-2和2016年的GF-1与GF-2 卫星影像数据。对这些数据分别进行了辐射校正、几何纠正、数据融合、彩色合成、图像增强和图像镶嵌等预处理，并针对局部区域使用匀色软件进行匀色，使得地物要素更加容易辨识。所有数据的空间分辨率均优于2 m，符合1∶5万比例尺矿山开发和矿山地质环境要素提取的精度要求[10]。

2.2 遥感信息提取

根据遥感影像中地物的亮度值或像元值的大小及地物空间变化来表示不同地物的差异，不同目标物的大小、形状、阴影、颜色、纹理、图案、位置及周围环境具有较明显的区别[11]，结合以往遥感解译及实地验证的结果，建立了采场(硐口)、中转场地、固体废弃物和矿山建筑等各种矿山地物的解译标志(图2)。采用人机交互解译方法，进行了矿山地物及环境信息的提取。主要技术流程如图3所示[12]。

(a) 金属类矿山各类地物要素 (b) 采石场各类地物要素 (c) 地下开采煤矿各类地物要素 (GF-2 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成)

图3 主要技术流程

3 矿山占损土地分析

3.1 矿山占损土地现状

2016年矿山占损土地总面积为49 755.47 hm2，占研究区总面积的2.26%。在各类占损土地类型中，占损土地面积最大的为中转场地，总面积为28 211.69 hm2，约占总占损面积的56.7%； 其次为采场，总面积为15 183.66 hm2，占比为30.5%； 最少的占损类型为矿山建筑，总面积为69.88 hm2，占比不到1%(图4)。因此，研究区矿山占损土地的主要类型为中转场地和采场。

在中转场地占损土地类型中，选矿场占地面积最大，为24 721.11 hm2，约占中转场地的87.63%。选矿场是矿山企业重要的组成部分，是通过各种选矿方法和工艺流程，从原矿中获取品位较高的精矿的场所。选矿场的建立直接剥离了地表覆盖植被，破坏了土地耕作层，是研究区主要的损地方式； 矿产品及废渣的不合理堆放，易形成孕灾区，威胁矿区的生产和生活安全； 金属类矿山堆场的不合理堆放极易造成附近农田或水源的重金属污染。区内的采场大多直接剥离地表层对矿体和围岩进行开采，对植被和自然景观破坏较大； 部分矿山对开采面进行了梯形护坡处理，但由于开采面的采深大，开采面较陡，存在诱发生产事故的风险。

图4 研究区矿山占地分布

3.2 矿山占损土地与恢复治理变化情况

研究区矿山占损土地在2014—2016年间一直处于增长趋势，且增幅持续扩大，统计信息如表1所示。

表1 2014—2016年间各类矿山开发占损土地统计

从表1的统计信息中可以看出，采场面积和中转场地面积在稳步增长，2015年采场面积相较2014年增长3.8%，2016年采场面积比2015年增长17%； 2015年中转场地面积相对2014年增长8.1%，而2016年中转场地面积相对2015年增长23%。近年来国家政策调控和矿业经济市场变化对全国的矿企冲击较大，但对于冀东地区这样的富矿区域抑制作用较小。

矿山地质环境是生态环境的重要组成部分，恢复治理是矿山恢复自然景观和治理矿山环境的重要举措。研究区近2 a的各类开发占地恢复治理变化情况如表2所示。

表2 2015—2016年各类矿山开发占损土地恢复治理统计

从表2可以看出: 2015年完成恢复治理面积为1 304.23 hm2，治理率为2.9%； 2016年完成恢复治理面积为2 337.99 hm2，同比增长79.3%，治理率为4.69%。虽然研究区内有关部门逐年加大恢复治理力度，但相对于矿山开发对土地的占损而言，治理程度还远远不够。恢复治理力度最大的一般是中转场地和固体废弃物堆场，而采场的恢复治理取得的进展一般，这说明了以矿山占地为主的土地利用方式易于恢复，以矿山损地为主的土地利用方式不易于恢复治理。在一系列矿山环境治理保护政策的出台和各项治理资金的投入下，研究区矿山地质环境恢复治理取得了一些进展，但仍不适应新形势要求，粗放开发方式对矿山地质环境造成的影响依然严重，地面塌陷、土地损毁、植被和地形地貌景观破坏等一系列问题依然突出。

以研究区某露天开采矿山为例，2014—2016年间该矿山的各项占地方式发生了不同程度的变化，如表3和图5所示。

表3 研究区某矿山2014—2016年来开发占损土

(YG-14全色波段)(P1 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成) (BJ-2 B3(R)B2(G)B1(B)真彩色合成)

由表3可看出，该矿山3 a间占损土地面积明显变化的是中转场地和固体废弃物面积。采场面积在3 a间由17.09 hm2增至24.21 hm2； 固体废弃物面积随着矿产企业生产在3 a间也不断扩大。2015年采场和中转场地面积出现小范围波动，和不同时相的影像数据质量也有一定的关系。从恢复治理面积变化可以看出，该矿山3 a来持续推进矿山恢复治理工作，治理面积从2015年的7.17 hm2增至2016年的18.05 hm2。被恢复治理的类型主要是固体废弃物和中转场地，这也间接说明了矿山占地比矿山损地更易恢复治理。

近年来，国家高度重视生态文明建设，中央和各地方财政不断加大矿山环境恢复治理方面的投入。据报道，截至2015年，中央和地方及企业投入超过900亿元，全国共治理矿山地质环境面积超过80万hm2，2016年新增5.29万hm2。研究区2016年矿山环境恢复治理率为4.7%。

4 主要矿山环境问题分析

矿产资源开发过程中除了占地、损毁土地之外，还会产生矿山环境问题。通过对研究区域综合调查与分析，发现其主要的矿山环境问题有: 固体废弃物堆放和地表植被破坏易诱发各种地质灾害; 金属矿的地表尾矿库和地下开采对水资源安全构成威胁; 长期地下开采导致大面积的采空沉陷区。

4.1 地表植被破坏

研究区内的矿山企业具有开采历史长、影响范围广、治理措施滞后等特点。矿山长期露天开采对地表植被和自然景观产生了难以恢复的破坏。研究区共设有矿权759处，仅露天开采方式的占比为44.53%，而地下开采和联合开采也都有地表设施，因此研究区露天开采破坏地表面积占总面积的70%以上，对该区的地表植被产生严重破坏，影响区域生态稳定，给后期的自然复绿和人工治理带来了严峻挑战。

地表植被破坏后在降水或风化等外力作用下，极易产生地质灾害，如： 固体废弃物的不合理堆放容易导致泥石流或滑坡； 开采面的面积和深度不断扩大在局部应力作用下存在崩塌隐患等。研究区共调查出崩塌灾害(隐患)9处、泥石流和滑坡灾害(隐患)各1处，危害土地面积约26 hm2，威胁乡村公路1条。因此，当地政府及矿产企业应加强对矿山环境的恢复治理，及时恢复矿山周边生态，预防各种次生地质灾害的发生。

4.2 污染水体

金属矿山开采过程中产生的废渣、尾砂等会对周边水体构成严重威胁。研究区内水资源特点为总量少、人均占有量少、利用率低、可利用水资源量与发展需求不相适应。通过分析，区内重要地表水体500 m范围内有金属矿露天开采点177处、地下开采点29处[13]，矿种以铁矿为主。由图6可以看出，研究区靠近地表水源的金属矿山主要集中在中北部。

图6 研究区重要水源周边金属矿开采点

铁矿在选矿过程中需要大量的水，矿产企业往往就近寻找水源取水，由于选矿废水酸度高、悬浮物浓度大且伴生矿里的各种重金属含量高，产生的废水若未经处理直接排放则会导致水体的严重污染。固体废渣和尾矿在淋滤作用下又会渗入地下，对土壤、地下水和周边生态造成连续性的化学污染。地下开采的金属矿区形成的采空塌陷区，直接导致周边储水层构造变化，进而影响地下水势平衡、潜水面下降，若地下水涌入矿井则会威胁生产安全，并导致矿井水的二次污染[14]。有报道称，北方某尾矿库下游潜水层以Ⅳ类水为主，已不适用于生活饮用[15]。因此，针对金属矿开采过程中引起的生态环境问题不容忽视。以研究区内某铁矿选矿厂为例(图7)，该选矿厂距河流仅10 m左右，若该选矿厂对产生的废水不进行妥善处理，则直接威胁到该水体。

图7 研究区内某铁矿选矿厂与周边水体空间位置关系

4.3 采空区沉陷

研究区内煤矿和金属矿山有超过一半为地下开采，且开采时间长，影响范围广，局部已经出现了采空沉陷区。本次调查发现区内共有采空沉陷区7处，影响面积总计24 351 hm2，受威胁的村庄有13个。在遥感影像上，采空沉陷区相较采坑边界一般更为圆滑平缓，部分存在积水或周围出现易于识别的陡坎，部分则由于时间较长表面已经被改造治理[16]，形成了新的景观(图8)。

采空沉陷大范围地破坏土地和村庄，影响群众正常生产和生活。区内有开滦煤矿、冀东煤矿等大型煤矿，上百年的开采导致开平区、古冶区、丰润区、丰南区和迁西县等地区出现了大面积的采空沉陷地面及大量大小、长短不一的地裂缝。仅唐山南部的沉陷区就涉及20多个村庄，处于采空沉陷区内的房屋均出现不同程度的倾斜和墙体开裂，地面由于不断塌陷下沉而低于周边并形成积水坑塘。根据房屋受损程度，当地几十年来一直进行村庄搬迁，政府也积极投入沉陷区的恢复治理，如唐山市的东湖风景区和南湖风景区均为采空沉陷区的治理结果(图9)。

图8 研究区内某塌陷区遥感影像

图9 采矿沉陷区积水淹没后的自然景观

5 结论与建议

(1)冀东地区矿产资源丰富，采矿产生的土地压占和损毁情况严重。在进一步明确占地和损地的概念后，调查出研究区2016年占损土地总面积为49 755.47 hm2，占该区总面积的2.26%。

(2)区内矿山占损土地具有逐年增长趋势，由此带来占地、损地、破坏植被和污染生态环境等一系列问题。而当地矿山恢复治理的措施相对滞后，治理程度远远跟不上开采和污染的进展，建议有关部门制定有效的治理计划，加强治理力度，尽早完成生态环境恢复，以免发生连续性的生态恶化效应。

(3)研究区金属矿产丰富，而金属矿的开采和生产过程中产生的废水、废渣和尾矿很容易导致水体和土壤污染。区内177个露天开采和29个地下开采金属矿处于重要水源的500 m范围内，对重要河流、水库等构成威胁，希望相关部门引起重视，建立长期有效的矿区附近水体专项监测机制。

(4)研究区为重要的产煤区，煤矿企业多，开采历史长，影响范围大。煤矿和金属矿的地下开采导致区内形成了严重的采空沉陷区，直接影响面积达24 351 hm2，对当地居民的生产、生活安全以及生态环境稳定性造成了严重影响。建议当地提前排查，以预防为主，妥善做好沉陷区的居民搬迁及恢复治理工作。

(5)国产高空间分辨率遥感卫星具有高空间分辨率、高时间分辨率、高效、经济等特点，在矿山开发占地和矿山环境调查研究中可发挥重要作用。