基于RS和GIS的临武县矿山地质环境调查评价

2020-03-05姚腾飞皮建高

中国地质灾害与防治学报 2020年1期

刘博，姚腾飞，皮建高，周鑫，王璨

(湖南省地质矿产勘查开发局402队，湖南长沙 410000)

0 引言

湖南省临武县位于湖南省最南部，南部与广东省接壤，湘江、珠江两江之源，境内矿藏资源丰富，被誉为“小有色金属之乡”和“煤炭之乡”。由于长期的矿山开采，引发了地质灾害、水土污染、土地资源占用与破坏等一系列矿山地质环境问题。矿山开采不仅影响了临武县矿产资源可持续利用和生态文明建设，也对湘江流域和珠江流域下游造成了危害。因此从2017年开始对临武县矿山地质环境开展调查评价工作。

随着遥感技术的发展，遥感数据已显现出高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的“三高”特征。越来越多的遥感数据应用于矿山地质环境调查中。如利用SPOT-6高分辨率影像调查矿山土地压占破坏和地质灾害[1]；应用高光谱进行矿山重金属浓度反演[2]；应用InSAR技术在矿区地表沉降监测[3]。而GIS技术广泛应用于矿山地质环境综合评价中[4-5]，本文从地质环境背景条件和矿产资源开采活动影响两个方面对矿山地质环境进行综合评价。调查成果为加强矿山地质环境保护与监督管理，提供基础资料，促进临武县绿色矿业发展与生态文明建设。

1 研究区概况

1.1 自然地理

临武县地处湖南省最南部，南岭山脉东段北麓，境内以山地、丘陵为主，有少量的溪谷平地。水系发育，属珠江、湘江两大水系。气候温和，雨量充沛，光热充足，年平均气温为17.9 ℃，年平均降雨量为1 421.8 mm。

1.2 矿产资源开发利用现状

全县已发现的固体矿种有46种，已发现矿床82处，其中共有大型及以上矿床2处，中型矿床8处，小型矿床24处，其余各类矿点48处。根据全县的矿山地质环境调查，全县共有发证矿山60个，其中部级矿山1个，省级矿山37个，市级矿山1个，县级矿山21个；按矿类划分，能源矿产20 个，有色金属17个，黑色金属1个，建材及其它非金属矿产22个；按矿山规模划分，中型2个，小型58个。

2 矿山地质环境遥感调查

2.1 数据源选择

根据需要解译的矿山地质环境背景条件及地质环境问题有针对性的选取遥感影像。此次矿山调查主要选择Landsat8 oli数据和Worldview-2等高分率遥感影像(表1)。

2.2 建立遥感解译标志

遥感影像的解译标志，也称判读要素，它是遥感影像上能直接反映和判别地物信息的影像特征。判读的基本要素包括形状、大小、色调、颜色、纹理、图案、阴影、位置和布局。表2为临武县主要矿山地质环境问题遥感解译标志。

表1 遥感数据源及其特征Table 1 Remote sensing data source and its characteristics

表2 临武县主要矿山地质环境问题遥感解译标志Table 2 Remote sensing interpretation mark of major mine geological environment problems in Linwu County

续表

2.3 遥感解译和实地核查

根据建立的遥感解译标志，对高分辨率遥感影像进行人机交互解译。在ArcGIS中，导入已有矿权信息和收集的矿山图件，提取露天采场、工业广场、矿山公路、废石堆、尾矿库、煤矸石堆、泥石流等信息。把遥感影像和室内解译的数据导入到平板矿山调查系统，到实地进行核查，对误判图斑进行修正、对遗漏图斑进行补充，并完善相关信息。

3 主要的矿山地质环境问题

根据全县矿山地质环境调查，因矿山开采引发的地质灾害22处，其中滑坡2处、地面塌陷5处、地面沉陷9处、泥石流(尾砂、废石流)6处(表3、图1)。矿山开采占用破坏土地资源573.23 ha，其中占用工矿仓储用地277.18 ha、水田7.68 ha、其它耕地14.37 ha、园地6.15 ha、林地143.01 ha、草地15.35 ha、住宅用地22.85 ha、其他86.63 ha。固体废弃物排放累积量1.263×107m3。存在排水的矿坑47处，其中抽排水19处，自然排水28处。全县共采集337组地表水样，其中118组水样重金属超标；采集11组地下水水样并检测，其中4组水样达到Ⅲ类水标准，7组水样达到Ⅳ类水标准；采集226组土样，根据土壤污染综合指数，污染超标的土壤样品有178组，占总样品数的78.76%。

4 矿山地质环境综合评价方法

4.1 评价指标体系构建

在遵循评价指标的完整性、层次性、客观性、简明性等选取原则的基础上，建立研究区科学的矿山地质环境综合评价指标体系。

矿山地质环境影响综合评价除了考虑矿产资源开采活动对矿山地质环境直接造成影响外，还应该考虑矿区地质环境背景条件，如地形地貌、生态条件、水文条件、工程地质条件等，因为矿山地质环境本身也受上述背景条件的控制，在某种程度上会减缓或加剧采矿对地质环境的影响程度。综合考虑矿山地质环境背景条件和矿产资源开采活动影响两方面因素，从而构成了矿山地质环境综合评价一级指标；二级指标包括地形地貌、生态条件、水文条件、工程地质条件等10个指标(表4)；三级指标包括地形坡度、高差、植被覆盖度、土地利用等14个指标(表4)。

4.2 评价指标等级的确定

在确定的14项评价指标中，综合分析各项指标的特征，借鉴《矿山地质环境调查评价规范》、《矿山地质环境综合防治方案编制规范》等相关行业规范标准，结合专家经验确定评价等级并赋值(表5、表6)。

4.3 评价指标权重的确定

本文中使用主观定权法中的“专家打分-层次分析法”。该方法较好地结合了定性分析与定量分析。由专家组对各指标两两之间的重要程度做出比较判断，建立一个判断矩阵，再通过层次分析，得到各层次中每个指标的权重，并进行一致性检验以确保其客观性(表4)。

表3 临武县部省市级矿山主要矿山地质环境问题Table 3 Major geological environment problems of mines in Linwu County

续表

表4 综合评价指标体系Table 4 Comprehensive evaluation index system

4.4 评价模型的建立

综合评价分区：按照矿业活动对矿山地质环境综合影响评价指标体系，将地质背景条件与矿产资源开采活动对矿山地质环境的直接影响评价图进行叠加分析[6]，最终得出矿山地质环境影响综合评价分区图，计算公式如下：

Kf=(0.1×Gpd+0.1×Ggc+0.1×Gzb+0.15×

Gtd+0.1×Gjy+0.15×Gfs+0.15×Gys+0.15×

Gdl)×(0.2×Kdz+0.15×Ksz+0.1×Ksh+

0.15×Kth+0.25×Ktd+0.15×Kgf)

式中：Kf——综合评价值；

Gpd、Ggc、Gzb、Gtd、Gjy、Gfs、Gys、Gdl——分别为地形坡度、高差、植被覆盖度、土地利用现状图、年平均降雨量、岩层富水性、近地表岩性和断裂构造密度图的单元格值；

Kdz、Ksz、Ksh、Kth、Ktd、Kgf——分别为栅格化的矿产资源开采活动影响的地质灾害、水资源破坏、水环境破坏、土石环境破坏、土地资源占用和固体废弃物排放等级评价的单元格值。

5 指标因子信息提取

5.1 评价单元划分

评价单元是具有相同特性的最小地域单元，同一评价单元在地质环境条件方面具有一致性[7]。因矿山地质环境背景条件和矿产资源开采活动影响指标的差异性，选用多尺度的评价单元划分。考虑矿产资源开采活动对地质环境影响的区域性和系统性及水土样采集的精度，在较大尺度上评价矿产资源开采活动影响指标，本文选取1 km×1 km正方形网格[8]。因矿山地质环境背景条件指标变化大，因素离散性大，为了满足精度要求，选用小尺度进行单元划分，本文选择50 m×50 m正方形网格。两种不同尺度单元格进行叠加分析前，先要对其进行重采样。因为同一副影像从低分辨率向高分辨率进行重采样，它的信息量基本是保持不变[9]，所以以50 m×50 m的栅格图作为参考影像，对1 km×1 km的栅格图进行重采样，可以使1 km×1 km信息基本不丢失。

表5 矿山地质环境背景条件指标打分标准Table 5 Scoring standard of mine geological environment background condition indexes

表6 矿产资源开采活动影响指标打分标准Table 6 Scoring standards of the impact indicators of Mineral resources mining

5.2 矿山地质环境背景条件信息提取

(1)坡度信息提取：地表一点的坡度是过该点切平面和水平地面的夹角，表示地面在该点的倾斜程度。在ArcGIS中应用地形图的等高线生成Tin数据，再转换成数字高程模型DEM，利用坡度计算工具求出研究区的坡度分布图。

(2)地形起伏度(高差)计算：地形起伏度是在一个特定的范围内，最高点海拔与最低点海拔之间的差值，反应区域地表切割剥蚀程度，可以反映构造活动强度。地形起伏度是构造运动与地表剥蚀侵蚀相互作用的结果。本文中选择的最佳计算尺度为0.6 km[10]。利用ArcGIS中的焦点统计工具进行计算，得到临武县高差分布图(图2)。

(3)植被覆盖度：植被覆盖度计算目前广泛应用的方法是归一化植被指数(NDVI)。利用landsat-8的oli数据，先进行大气校正，再计算归一化植被指数，对计算结果进行统计，取累积概率5%作为植被覆盖度的最小值，95%作为植被覆盖度的最大值。

(4)土地利用现状图：根据临武县土地利用现状图，对耕地、林地、草地、裸地、水体和居民区，按照矿山地质环境背景条件分级评分标准，对原图中的分区属性赋予新的评分值，作为栅格转换的字段值。

图2 临武县高差分布图Fig.2 Height difference distribution of Linwu County

(5)年平均降雨量：由气象局提供临武县年平均降雨量图，按照矿山地质环境背景条件分级评分标准，对原图中的分区属性赋予新的评分值，作为栅格转换的字段值。

(6)岩层富水性：根据临武县范围内水文地质图上的富水性分类信息，将图进行几何校正，然后对含水层岩性及岩层富水性信息在 ArcGIS 平台中进行矢量化并赋值，得到临武县含水岩层富水性分布图。

(7)近地表岩性：在 ArcGIS 中对临武县范围内地质图进行几何校正，根据地质图判断近地表岩性，得到临武县近地表岩性分布图。

(8)断裂构造密度：本文以每平方千米范围内断裂构造长度之和来表示，单位 km/km2。同样利用临武县境内地质图对断裂构造进行矢量化，然后计算1 km×1 km 网格内断裂长度。

5.3 矿产资源开采活动影响指标评价分区

在ArcGIS中，利用渔网功能，把图层按1 km×1 km网格进行剖分，对每一个网格进行编号，导入矿山地质环境调查的地灾点、井口点、水土样采样点、土地资源占用与破坏五个图层，对五个图层按照网格进行剖分，然后对每个网格内的矿产资源开采活动影响指标进行评价。

按照矿产资源开采活动影响指标的分级评分标准，对六个指标进行赋值，作为栅格转换的字段值，把矢量图层转换成栅格图。

5.4 综合评价分区

在ArcGIS软件中，利用空间分析工具的栅格计算器计算，根据上文建立的综合评价模型，先把临武县地质环境背景条件和采矿活动影响分别进行叠加分析，再对这两个一级指标进行相乘，得到矿山地质环境影响综合评价的分值图，按照评价等级分级分类标准(表7)对栅格图进行重分类，得到临武县矿山地质环境综合评价图(图3)。

表7 临武县矿山地质环境综合评价分级标准Table 7 Comprehensive evaluation and grading standard for mine geological environment in Linwu County

图3 临武县矿山地质环境综合评价分区图Fig.3 Comprehensive evaluation map of mine geological environment in Linwu County

临武县矿山地质环境综合评价结果与实际情况基本吻合，说明建立的评价指标体系较合理。由临武县矿山地质环境综合评价图可以看出，临武县矿山地质环境影响严重区有两个：(1)花塘乡和香花岭镇的三十六湾多金属矿区，开采矿种为铅锌锡等多金属矿，主要的矿山地质环境问题有固体废弃物排放，土地资源占用、水土污染、泥石流等地质灾害；(2)水东镇梅田矿区，开采矿种主要为煤矿，区内主要的矿山地质环境问题有土地资源占用破坏、水资源破坏、固体废弃物排放，地面沉陷等地质灾害。临武县矿山地质环境影响较重区有四个：(1)麦市镇袁家矿区，区内开采矿种为煤矿，主要的矿山地质环境问题有土地资源占用与破坏、废水废液和固体废弃物排放；(2)金江镇梅田矿区，区内主要开采煤矿和石墨矿，主要的矿山地质环境问题有土地资源占用、固体废弃物排放、泥石流等地质灾害；(3)楚江镇-花塘乡，区内开采矿种为建筑石料用灰岩，主要的矿山地质环境问题有土地资源占用与破坏、固体废弃物排放；(4)土地乡-同益乡，区内开采矿种为建筑石料用灰岩和砖瓦用页岩，主要的矿山地质环境问题有土地资源占用与破坏、固体废弃物排放、土石环境污染，土石环境污染主要为重金属污染，污染源为武水河上游三十六湾多金属矿区排放的废水废液和固体废弃物。矿山地质环境影响较轻区，为零散分布的一些建材矿山。