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基于遥感的木里煤矿区矿山地质环境监测及评价

发布时间:2019-08-19所属分类:建筑师职称论文浏览:1

摘要:为揭示木里煤矿开采对生态环境的破坏程度,通过2010年和2013年2期高分辨遥感影像监测,野外调查和水土样品采集,开展了矿山地质环境问题和承载力的调查,查明了问题并对其破坏程度和承载能力进行了评价。结果表明,矿区地形地貌景观和土地资源占压与破

  摘要:为揭示木里煤矿开采对生态环境的破坏程度,通过2010年和2013年2期高分辨遥感影像监测,野外调查和水土样品采集,开展了矿山地质环境问题和承载力的调查,查明了问题并对其破坏程度和承载能力进行了评价。结果表明,矿区地形地貌景观和土地资源占压与破坏严重,河水受到Cu、Pb、Cr和Zn的污染,土壤受到Cd、As污染,高山草甸和沼泽地破坏及退化现象严重,冻土含水层结构遭到破坏,地质环境承载力适中。评价结果可为政府和矿山企业开展矿山地质环境恢复治理提供基础资料。

基于遥感的木里煤矿区矿山地质环境监测及评价

  关键词:木里煤矿区;矿山地质环境问题;矿山遥感;遥感监测;地质环境承载力评价

  青海木里煤矿是青海省重点开发的煤矿,煤炭品种以焦煤为主,已探明的煤炭资源量近 12.8× 108 t,是世界海拔最高的露天煤矿之一。2003 年开始建矿,经过10多年开发,到2013年在这片土地上留下了巨大的露天采坑、煤矸石堆、废渣堆,造成生态环境的严重破坏。为了查明矿产资源开发造成的地质环境问题及其破坏的严重程度,以及地质环境承载能力,2012—2015年中国地质调查局西安地质调查中心开展了“青海矿业开发地质环境效应调查”项目,对木里煤矿区进行调查。项目组通过 2010年和2013年2期高分辨率遥感图像监测、地面调查和水土样品采集,查明了木里煤矿区地质环境问题变化情况。本文重点介绍利用 2 期遥感影像对木里煤矿区进行解译和评价的成果、水土样品采集分析评价成果、地质环境承载力评价成果。本文介绍的地质环境问题评价方法与以往发表的论文不同,以往论文大多采用了指标加权综合评价法[1-6] 、模糊数学综合评价法[7-10] 、灰色局势决策分析法[11] 、灰色关联投影模型[12] 等方法,这些评价注重对矿山地质环境质量评价,大多需要给出评价指标的权重,评价结果受权重变化的影响。本文对地质环境问题的评价采用“矿山地质环境调查评价规范”(DD/ 2014—05)[13] 中的评价方法,不受权重变化的影响;地质环境承载力评价采用了中国地质大学(武汉)开展的“青藏高原矿产资源开发地质环境承载力评价”评价方法。文中地质环境问题评价时,不考虑地质环境背景因素,其结果能直接反映问题的严重程度。而地质环境承载力的评价注重对地质环境背景的评价,结果反映采矿区域地质环境承载力的强弱。地质环境问题评价和地质环境承载力评价成果的结合,可以全面反映矿业开发对地质环境的影响程度。评价成果可为政府部门和企业了解矿区地质环境问题的严重程度和地质环境承载力,为开展矿山地质环境恢复治理提供科学依据。

  1 地质背景

  木里煤矿区位于青海省海西州天峻县木里镇,南距天峻县城 90km,调查区面积 159.13km2 。矿区地处青藏高原中祁连山高海拔地区,海拔 4026~ 4128m,相对高差 102m。地貌类型为高原丘陵,地形呈西高东低、南高北低之势,东部努日寺部分沟壑发育。地表广为草甸湿地覆盖,冻土发育。矿区内主要河流为哆嗦河。气候属内陆高寒大陆性气候,低氧、气候寒冷。通往矿区的交通较不方便[1,14] 。

  木里煤矿2003年开始建矿,当年就建成了一座现代化的矿山。矿区主要为露天开采,由于煤层埋藏较浅(最浅的地方只有几十厘米),开采方式为开挖揭露原始草场后将盖层堆放至开采区以外的草场,进行开采。开采作业已经在高原上挖出约百米深的沟壑,旁边是堆积如山的渣石,大面积的露天采煤,已经严重破坏了当地的高山草甸、湿地和冻土层[15] ;矿区由多家矿山企业进入开采,由于重生产、轻环保,缺乏统一规划和管理,执法、监管等缺位,开发秩序混乱,资源浪费严重,无序的破坏性开采使生态环境遭到严重的破坏,引起社会舆论的广泛关注。

  2 监测与评价方法

  2.1 地质环境监测

  为了查明矿业开发对地质环境的破坏情况和地质环境承载能力,采用遥感监测、地面调查、水土样品采集的工作手段开展调查工作。遥感监测选择分辨率均为0.5m的2010年WorldView-2数据和 2013 年 Pleiades 数据,利用 ERDAS IMAGINE 软件平台,对2期数据分别进行多光谱和全色数据影像融合、正射处理、几何纠正、调色,形成了2幅与地形图配准的高分辨率影像图[16] ,在MapGIS软件中开展解译工作。同时采集9个水样和12个土样,利用测试数据分别对水土环境污染情况进行评价。

  2.2 评价方法

  本文主要是对因矿产资源开发引起的地质环境问题和地质环境承载力进行评价。地质环境问题评价包括对地形地貌景观破坏、土地资源破坏、地表水和土壤污染程度的评价,采用“矿山地质环境调查评价规范”(DD/2014-05)的评价方法。地质环境承载力评价主要是对地质环境进行评价,采用了中国地质大学(武汉)完成的“青藏高原矿产资源开发地质环境承载力评价”的评价指标和评价方法。

  (1)地形地貌景观破坏评价

  地形地貌景观破坏指矿产资源开采活动改变了原有的地形地貌特征,造成山体破损、岩石裸露、植被破坏等现象。包括露天开采、矿山固体废弃物堆场、地面塌陷等造成矿区地形地貌改变与破坏。

  地形地貌景观破坏评价等级以破坏率表示,破坏率(%)=破坏面积/矿权区面积,评价等级分三级:严重级(破坏率大于40%)、较严重级(破坏率20%~ 40%)和较轻级(破坏率小于20%)。

  (2)土地资源破坏评价

  矿山土地资源破坏指矿产资源开发活动导致土地原有功能丧失、土壤质量下降的现象。主要表现为矿山地面塌陷(地裂缝)破坏土地、固体废弃物堆排压占土地、露天开采剥离挖损土地、土壤污染等。破坏程度划分为严重、较严重和较轻三级(表 1)。

  (3)水土污染评价

  木里煤矿地处祁连山自然保护区,以地表水环境质量标准(GB 3838—2002)[18] Ⅰ类标准值和土壤环境质量标准(GB 15618—1995)[19] 一级标准值为标准,依据采集样品的测试结果,计算水土样品的超标倍数、超标率、单项污染指数、综合污染指数,评价重金属单元素的超标情况,按农田土壤质量监测技术规范(NY/T 395—2000)[20] 的土壤污染分级标准(表2)评价水土环境的综合污染情况。

  (4)地质环境承载力评价

  地质环境承载力评价的对象是地质环境,评价结果是某个采矿区域地质环境承载力的强弱[21] 。本文对木里煤矿区地质环境承载力的评价,采用了中国地质大学(武汉)完成的“青藏高原矿产资源开发地质环境承载力评价”项目,对区域矿山地质环境承载力进行评价时选择的评价指标,根据各指标在木里煤矿区的重要性计算获取的权重及采用的数学模型,计算其承载力综合指数值,以此来确定木里煤矿区地质环境承载力的强弱。

  3 动态变化特征

  3.1 地质环境的变化

  通过2期遥感解译,了解了木里煤矿区地质环境变化情况。2期解译面积为306.38km2 ,解译内容主要为地质环境背景、地质环境破坏、地质环境恢复、矿区设施和生活区占地、河流湖泊五部分。解译成果见图1、图2及表3。

  从图 1、图 2 及表 3 可以看出,木里煤矿区 2010 年高山草甸区面积42.36km2 ,2013年40.59km2 ,减少了 1.77km2 。2010 年沼泽地面积 92.72km2 ,2013 年 76.07km2 ,减少了 16.65km2 。2010 年开采对地质环境的破坏面积为13.21km2 ,2013年29.48km2 ,增加了 16.27km2 ,其中露天采场(包括采坑内积水区)面积增加了5.81km2 ;煤炭堆积区面积增加了0.29km2 ;排矸场及废渣堆面积增加了10.17km2 。工矿场房、生活区、道路的建设也从 2011 年的 1.38km2 ,增加到 2013年的3.80km2 ,增加了2.42km2 ,地质环境恢复治理面积仅0.25km2 。露天采场、煤炭堆积、矸石及废渣堆积、矿区基础设施、生活区占地等严重破坏了高山草甸和沼泽地原有的生态环境。开挖造成的露天采场不但破坏了原有的地形地貌景观,形成的高陡边坡若失稳易引发崩塌、滑坡等突发性地质灾害。大量的废渣堆积不但压占、破坏土地资源,而且因其长期堆放于露天场所,其中的有害、有毒物质易氧化分解,通过地表水、地下水污染水土环境,危害人体和动植物的健康及生命安全,对矿区生态环境构成严重威胁[22] 。

  露天开采也导致含水层结构遭到破坏,坑内积水 面 积 从 2010 年 的 0.02km2 增 加 到 2013 年 的 0.22km2 ,造成哆嗦河表层潜水被破坏,形成以采坑为中心的降落漏斗。

  矿业开发导致沼泽地退化现象严重,2010 年,矿区92.72km2 沼泽地有14.76 km2 处于退化状态,占 15.92%,2013 年 76.07km2 的沼泽地有 13.54km2 处于退化状态,占 17.90%。沼泽湿地草甸退化的原因是沼泽地草甸生长在冻土层上,随着露天开采深度的加大,深度为60~95m冻土层遭到了破坏 [15] ,冻土层的破坏影响了含水层原有的水平衡格局,使地表水不断下渗,导致地表沼泽草甸赖以生存的水分越来越少,从而影响沼泽植被的正常发育,使湿地面积减少,其影响是不可逆的[23] 。

  木里煤矿区因生态环境破坏严重,社会关注度高。2014年8月28日,青海省人民政府办公厅发布了《木里煤田综合整治工作实施方案》,开始了对木里煤矿区的地质环境恢复治理工作。

  3.2 地形地貌景观的变化

  据野外调查与收集资料,调查区范围内2010年有5个露天采场,2013年有6个露天采场。

  按地形地貌破坏评价等级标准,分别对 2010年的5个采场和2013年的6个采场对地形地貌景观破坏程度进行了评价,评价指标包括露天采坑、煤炭堆积、排矸场及排矸场外堆积的废渣。2010 年 5 个采场采矿权面积合计 25.63km2 ,2013 年 6 个采场采矿权面积合计 31.54km2 。评价结果见图3、图4及表4、表5。

  从图3、图4 及表4、表5 可以看出,木里煤矿区 2010 年到 2013 年地形地貌破坏面积由 13.21km2 增加到29.48km2 ,增加了16.26km2 ,破坏率由51.54%增加到93.47%,增加了41.88%,综合评价为严重级。2010年开采的5个采场中4~ 6号3个采场对地形地貌景观破坏程度为严重级,1~2号2个采场破坏程度为较轻级;2013年扩大到6个采场,其中1号、4~6号4个采场对地形地貌景观的破坏程度为严重级,3号采场为较严重级,2号采场为较轻级。

  3.3 土地资源的变化

  木里煤矿开采区地处高山草甸区及沼泽地,土地资源的破坏严重程度分级以表1中占用破坏林地或草地的数值为标准,占用破坏林地或草地面积大于0.04km2 为严重级,0.02~0.04km2 为较严重级;小于 0.02km2 为较经级。评价指标包括露天采坑、煤炭堆积、废渣堆积,按以上标准分别评价 2010年的5个采场和2013年的6个采场对土地资源的破坏程度。结果见图5、图6及表6。

  从图5、图6及表6可以看出,木里煤矿2010年到 2013 年 土 地 破 坏 面 积 由 13.21km2 增 加 到 29.48km2 ,增加了 16.26km2 。2010 年的 5 个采场和 2013年的6个采场对土地资源的破坏均为严重级,其中 4 号采场破坏面积最大,其次为 6 号和 5 号采场。总体评价为严重级别。

  3.4 水土环境污染

  为了查明开矿对地表水土壤的污染程度,在露天采坑、煤炭堆积、排矸场及废渣堆附近的河水和土壤中分别采集了 9 个水样和12 个土壤样(图7),对每个样品中的 Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg 元素进行测试,测试单位为西安地质调查中心实验测试中心,Cu、Pb、Zn、Cr、Cd用等离子质谱法检测,As、Hg 用原子荧光光度法检测,仪器设备为原子荧光光度计(AFS-2202E)和等离子体质谱仪(ICP-MS),实验条件:土样为温度 25℃,湿度 60%;水样为温度 25℃,湿度45%。精度和误差范围按“地质矿产实验室测试质量管理规范”(DZ/T 0130.1—2006)执行 。依据测试结果对水样和土壤样超标倍数、超标率、单项污染指数、综合污染指数进行计算[24-28] 。结果表明,9 个水样中有 2 个样超标,其中 1 个样品 Cu、Pb、Zn、Cr超标倍数分别为3.6、3.4、0.86、1.3,另一个样品Cu超标0.9倍(表7),河水受到了Cu、Pb、 Cr 的中度污染,Zn 的轻度污染。综合评价结果显示,1个样重度污染,1个样轻度污染(表8),说明哆嗦河河水在不同地段受到一定程度的综合污染,虽然污染样品只有2个,但因木里煤矿水循环的自净能力差,水污染问题应引起重视[16] 。

  12个土壤样中,2个样受到Cd污染,1个样受到 As 污染,Cd、As 超标倍数分别为 0.05~0.10、0.08,土壤受到Cd、As的轻度污染(表9)。综合评价显示,6 个样品为警戒线,6个样品为安全(表10),说明土壤污染处于警戒状态,属尚清洁土壤。

  3.5 地质环境承载力

  木里矿区地质环境承载力通过年平均气温、年平均降雨量、地形坡度、土地利用类型、植被覆盖度、土壤类型、地层岩性7个指标评价(表11)。煤矿区多年平均气温-5.1℃,温度偏低;多年平均降雨量约 477.1mm,降雨适中;地形坡度小于5°,地形平坦;土地利用类型主要为工矿用地;植被覆盖度小于5%;土壤类型为沼泽土;矿区出露的地层主要为古近系—新近系及第四系沉积物,以粘土为主。按前述数学模型,通过加权综合评价,得出综合指数为2.78分,说明木里煤矿区地质环境承载力适中。但由于其地处中国生态环境脆弱区,露天开采必然会对高山草甸和沼泽地造成严重的破坏,深大的采坑也会破坏冻土层,影响水循环系统,从而影响整个生态环境的平衡。

  4 讨 论

  以往对地形地貌景观破坏程度等级的划分,大多采用定性方式确定。本文应用了破坏率这个概念,使得评价成为定量化。

  在对地形地貌景观破坏和土地资源压占与破坏评价指标的选择上,矿区开采进行的基础设施建设(如道路、工矿场房等)是否应属于对土地资源的占用与破坏,还需进一步研究。根据“矿山地质环境调查评价规范”(DD/2014-05)对以上 2 个问题的定义,不属于土地资源占用,这势必造成道路和工矿场房等设施的建设对土地植被的占用不包括在破坏范围之内。

  本文依据对地形地貌景观破坏和土地资源压占与破坏的定义,选择的评价指标是相同的,只是采用的评价方法不同,是否两者都需要评价值得商榷。

  期刊推荐:《国土资源遥感》主要刊登实用性强的遥感、GIS及GPS(3S)技术应用论文,宣传3S技术在国土资源(土地资源、矿产资源、海洋资源、水资源、气象资源、生物资源及旅游资源等)调查与开发、国土整治的规划与管理,环境和灾害监测,水文地质、工程地质勘查,建设工程选址、选线及城市规划等领域应用的新方法和重要成果,以从事国土资源遥感及其相关研究领域的研究人员、应用人员及大专院校有关师生为读者对象。

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