基于自然资源调查数据的矿山修复评价与实践

陆世东，沈 琼，涂美义，李庚勤，余 洋

(1.湖北省国土资源研究院，湖北 武汉 430071； 2.武汉市自然资源和规划信息中心，湖北 武汉 430071； 3.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430070)

矿产资源是支持国家发展和经济进步的重要自然资源，矿产行业也是保障我国社会经济发展的重要产业。在过去的几十年中，我国在追求经济快速发展的同时，忽视了矿山生态环境的影响，导致人民赖以生存的环境受到了极大影响[1-3]。由于露天矿山开采容易造成水土流失、地质灾害、水体污染等严重的生态环境和人居环境的问题，因此对露天矿山的治理与生态修复是当前自然资源部部署的重点工作。2019年5月15日，自然资源部在湖南岳阳专门部署重点区域露天矿山生态修复工作，重点提出了2020年矿山修复工作的主要目标是完成重点地区的废弃露天矿山治理。2020年1月17日，自然资源部发布的《自然资源调查监测体系构建总体方案》更是明确将矿山监测列为了自然资源调查监测体系的重要内容。

对废弃露天矿山的综合治理工作开展监测与评估，不仅是检验废弃露天矿山治理效果的重要手段，也有助于为未完全修复矿山开展针对性治理方案的编制提供有效的数据支持。近年来，对矿山的生态质量、土地占损和环境影响等开展遥感监测调查是国内不少学者研究的重要内容。王晓红等[4]探讨了不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的作用，并定量分析了不同数据源的最小可监测图斑和最佳成图比例尺；白洋等[5]利用无人机数据对河北保定某矿区进行了矿区开采现状的调查，从矿山开发占地、露天矿区坡度、干堆尾砂堆存面积提取等方面验证了无人机航测数据对露天矿山监测的可行性；项谦和等[6]提出了矿山生态环境修复中遥感影像自动配准方法，可以为矿山生态修复调查工作中确定矿山空间位置与设计方案提供保障。在矿山生态环境的调查分析方面，杨金中等[7]利用全国土地变更调查数据和高分遥感数据，查明了2014年全国废弃矿山开发占地和已恢复治理的矿山面积等；查东平等[8]利用不同时期的TM影像对德兴铜矿区的生态系统结构和景观格局变化开展了研究；殷亚秋等[9]通过对2016—2018年的遥感影像变化分析，确定了长江经济带废弃露天矿山占用损毁土地面积，明确了长江上游和中下游地区露天矿山对环境的影响有明显差异，并提出了修复对策和建议。然而，从矿山修复成效的评价来看，现有的矿山修复成效评价体系主要从环境污染、地质灾害、土壤基质、生物群落、生态景观、生态效益、可持续发展等多个方面开展综合性评价[10-11]，涉及的调查监测要素和数据来源极为复杂，指标量化较为困难，因此主要用于单个矿山成效评价，不适用于开展面向省、市尺度的矿山修复成果评估。自然资源调查监测数据不仅包含了遥感监测数据，还包含了国土三调数据，耕地、森林、草原、湿地、水资源等调查数据以及地理国情监测数据[12]，可以极大丰富现有的露天矿山监测数据源，更有利于面向大范围、宏观尺度开展矿山修复成效的监测与评价。然而，如何利用现有的自然资源调查和监测结果评价矿山修复的成效，尚缺乏深入的研究。

基于此，本文重点探讨利用自然资源调查数据开展大范围废弃露天矿山生态修复成效评价的主要评价内容和评价方法，并以安徽省宿州市为例进行试验分析。研究结果表明，基于自然资源调查数据开展废弃露天矿山生态修复成效评价具有重要的现实意义和可操作性，可以为安徽省及近似省份开展废弃露天矿山生态修复成效评价工作提供参考和借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宿州市地处安徽省北部，森林众多，下辖1个直辖区和4个县，总面积9 787 km2。 截至2019年末，全市户籍人口658.27万人。 宿州市现有废弃露天矿区555个，其中，已修复矿区363个，总面积2 042.61 hm2，未修复矿区192个，总面积1 056.26 hm2。

1.2 数据来源

1) 统计数据：收集2019年宿州市各区县统计年鉴资料和由发展和改革委员会等部门提供的规划资料。

2) 空间数据：主要包括基于地理国情要素数据提取的地表覆盖分类数据、地理国情要素数据、空间分辨率为2 m的DEM数据。 采集了2015年7月—2019年10月的多期国产遥感影像数据，并进行了地物解译，影像精度为一般地区1.0 m、城市及周边重点地区0.5 m。

3) 专题数据：经过资料调研、查阅和整理，形成了废弃露天矿山统计数据，具体属性包括矿山名称、矿山企业名称、采矿证编号、矿山地址、矿区面积、矿类、矿种、采矿方式、矿山规模、治理时间；收集2019年安徽省主要交通路网、河流水域范围、大型水库范围、生态保护红线范围、市域县区范围等数据。

2 研究方法与技术流程

2.1 总体技术流程

项目充分利用研究区的第三次国土调查数据(以下简称“三调”)、基础性地理国情监测数据、已完成生态修复矿山名录、全省废弃露天矿山名录、生态保护红线，根据矿山修复进展，对安徽省所有废弃露天矿山(以下简称“矿山”)监测范围内的地表覆盖进行采集分类和修复区的划定，并对有疑问的图斑开展外业调查，对各市县矿山修复面积和修复面积占比进行统计分析，形成监测数据集。

数据集将矿山划分为已治理和规划治理两类，其中对于已治理矿山，项目利用多期遥感数据进一步开展地表覆盖解译，确定其在2015—2019年的地表覆盖变化，并实地调查了矿山的修复现状，确定其属于已修复或未修复，形成最终的矿山调查数据集。

在此基础上，根据矿山治理修复评价要求，以监测数据集为基础，分别从总体状况、地表覆盖类型与数量统计、植被类型与分布统计、“三线三边”范围修复状况统计等方面，对研究区的矿山生态修复项目开展定量统计，并最终从规划限制、植被覆盖、土地利用和景观格局评价四个方面对研究区的矿山修复效果开展评估(图1)。

图1 总体技术路线Fig.1 Technology road map

2.2 数据分类体系

由于矿区评价时的地表覆盖类型与“三调”数据和地理国情监测数据的分类体系均有所差异，分析后发现地理国情监测数据的分类相对更接近矿区的分类体系，因此本文以地理国情监测数据为基础，对所有监测矿山进行地表覆盖地类图斑采集，并将地表覆盖结果归为12个地类，建立分类转化体系见表1。转换完成后，再与国土“三调”数据所蕴含的土地权属信息结合，即得到了研究所需的矿区地表覆盖信息。

表1 矿区地表分类体系Table 1 Land coverage classification system of mining area

2.3 评价分析方法

矿区的生态治理与修复不仅需要综合考虑自然生态环境、地域功能、区域规划政策，还要综合考虑修复后矿区的安全性、稳定性，避免再次造成环境污染，同时还要考虑修复后矿山与周边景观的协调，形成可持续利用的土地，区域整体生态功能得到保护和恢复[13]。因此，在开展露天矿区生态修复评价时，本文遵循全面性、科学性、通用性、可度量性、可操作性的基本原则，参照2013年发布的《矿山生态环境保护与恢复治理技术规范(试行)》，对矿区生态修复成效评价主要从生态管控、地表修复状况和景观格局三个方面开展。

1) 生态管控：针对未修复矿区与国土空间规划之间的矛盾，通过统计未修复区域矿山的面积，发现急需治理的矿山所在区域。其中的限制区主要包括生态红线区域、主要交通沿线、河流沿线、景区周边以及居民聚集区周边。在实际计算过程中，项目通过空间缓冲区分析，在交通沿线、河流沿线、景区周边以及居民聚集区周边建立缓冲区，作为生态管控区域。生态红线虽然同为生态管控区域，但因为本身属于面状要素，不需要建立缓冲区。在此基础上，利用空间叠置分析，提取生态管控范围内的矿山，详细分析其分布、面积、修复情况。

2) 地表修复：通过统计矿山修复后的地表覆盖类型和植被覆盖率等指标，评价矿山修复治理的效果。 其中，地表覆盖类型按表1所列分类进行统计，植被覆盖率则主要考虑草地、乔木、乔灌混合、灌木占矿区总面积的比率。 植被覆盖率计算方法见式(1)。

(1)

3) 景观格局：景观格局分析是评价地块丰富度、景观破碎程度的常见方法。对于矿山而言，修复后主要需要考虑与周边地块的协调一致特性，本文主要计算了矿山修复后的地表覆盖斑块密度。斑块密度是某一类型地表覆盖的斑块个数与该类型景观面积和之比。斑块密度可以反映不同类型地表覆盖的破碎化程度和整个区域景观破碎化程度，因此可以利用斑块密度评估当前区域的景观一致性[14]，计算见式(2)。

(2)

式中：N为某一类型地表覆盖的斑块个数；A为该类型景观面积总和。斑块密度越大，代表该区域的地表覆盖类型较多，地物丰富度较高，但是景观一致性较低，对于矿区生态修复来说，要求景观相互配合协调，所以斑块密度不宜过大。

3 研究区废弃露天矿山修复评价分析

基于以上分析流程，对宿州市的矿山开展数据采集和解译，并最终得到了宿州市的矿山修复现状。

3.1 修复现状分析

所涉及的宿州市矿山空间分布如图2所示。由图2可知，从总体情况来看，砀山县是宿州治理完成最好的地区，全县全部完成了矿山治理，没有规划治理矿山，其次是萧县和埇桥区矿山数量和已治理情况均居于宿州市前列。规划治理矿山则主要分布在除砀山县以外的四个区县，其中灵璧县的数量最多，达到12家。

图2 宿州市各区县矿山数量及治理情况统计Fig.2 Statistics of mines and their treatment in everydistrict and county of Suzhou city

3.2 生态管控区域矿山修复分析

基于安徽省对“三线三边”保护的基本要求，由于宿州市的流域周边无未修复矿山，因此分别统计宿州市各区县生态红线范围内、居民聚集区周边2 km、旅游景区周边2 km、主干道路网周边1 km、铁路周边1 km范围的露天废弃矿山修复情况，未修复矿山分别为101.40 hm2、339.34 hm2、97.98 hm2、421.40 hm2、125.35 hm2，具体见表2。由表2可知，宿州市的主要公路和居民聚集区范围内的矿山未修复面积较大，对于居民的日常出行和生活有可能造成潜在的威胁。萧县未修复矿山在限制区域内的总面积达到了464.25 hm2，也说明萧县的露天矿山修复工作有待进一步加强。

由图3矿山未修复面积可知，泗县的矿山治理情况最好，辖区内没有未修复矿山，其次是砀山县各类型限制区包含的未修复矿山数据量均较少。从各类限制区进行分析，埇桥区的生态保护红线范围内有较多的矿山尚未修复，这也反映出该地区的生态保护红线内部地块的管控还有待加强。从居民聚集区来看，2 km范围内埇桥区和萧县的未修复矿山数量较多，因此对于这两个地区未修复的矿山应该更加关注其潜在地质灾害会造成的居民人身损害和经济财产损失。景区2 km范围内未修复的矿山则主要分布在萧县、埇桥区和灵璧县，容易影响到这些地区的旅游产业。此外，宿州市的主要公路1 km范围内未修复的矿山数量最高，对交通出行和公路运输都容易造成较大的影响，也是后期治理和修复需要重点关注的问题。

图3 宿州市各区县限制区域的矿山未修复面积Fig.3 Statistics of unrepaired mines area in restricted areas of Suzhou city

3.3 地表覆盖修复分析

由宿州市各区县矿山修复后地表覆盖类型统计(表3)可知，从矿山修复情况来看，宿州市矿山修复总面积达到了2 042.6 hm2，其中，埇桥区和萧县的矿山修复面积居宿州市前两位，均超过了650 hm2。按照矿山治理的一般原则，矿山的植被覆盖应依据实际地形和坡度，采取多样化的种植和复绿方式。平缓地区以乔灌混合林为主，坡度超过一定阈值应以藤本植物为主。具体分析研究区修复后的地表覆盖类型和面积可以发现，当前宿州市的矿山修复主要以草地为主，占地面积达到了1 331.9 hm2，而灌木林和乔木林的面积整体较小，仅有69.13 hm2。从地表覆盖面积也可以看出，各区县地表覆盖以草地为主。这也说明尽管当前的矿山复绿工作植被覆盖率总体较好，但是由于植被类型的差异，矿山修复后的效果还有待长期持续的监测，确保治理效果达到矿山修复方案的要求。

表3 宿州市各区县矿山修复后地表覆盖类型统计表Table 3 Area statistics of land coverage of repaired mines in all counties of Suzhou city

此外，将草地、灌木林和乔木林合并后计算各区县矿山修复区域的植被覆盖率，可以发现砀山县和泗县的修复后矿山植被覆盖率不超过25%。依据矿山生态修复的基本要求，修复后矿区的植被覆盖率应优于该地区的平均植被覆盖率。据宿州市2019年国民经济和社会发展统计公报统计的结果，宿州市2019年平均林木绿化率为36.42%，因此砀山县和泗县的矿区植被修复工作还有较大的提升空间。同时，宿州市修复后耕地面积为190.83 hm2，水域面积占286.64 hm2，建筑物、构筑物总面积偏少，按照“宜林则林、宜草则草、宜耕则耕、宜水则水”的原则，未来矿山治理和修复的思路和方案还有待进一步拓展。

3.4 景观格局分析

表4是对各区县修复后斑块密度的统计结果。由表4可知，灵璧县和萧县的矿山修复以草地为主，其余景观的斑块密度与草地相差较大，这也说明灵璧县的矿山修复地物相对较为单一，对于提高矿山的水土保持而言，有待进一步提高物种的丰富度。泗县的水域、草地和耕地斑块密度相对较大，但是林地斑块的缺失也说明泗县的露天矿山修复仍然处于起步阶段，需要进行持续监测，特别是对乔木、灌木的物种提高是保持泗县矿山修复效果的必要途径。埇桥区的矿山修复除草地外，其他类型斑块同样具有一定的密度，这也与埇桥区是宿州市的市府所在地有关，除提高植被覆盖率以外，修复后矿山的用途更加广泛。砀山县各类地物斑块密度相差最小，表明修复后地表覆盖的分布相对均衡。同时，转为耕地的斑块数量较大，这也说明砀山县政府近三年推动拆旧复耕的政策[15]取得了较好的效果。

表4 修复矿山的斑块密度Table 4 Patch density statistics of repaired minesin all counties of Suzhou city 单位：个/km2

4 结 语

本文基于地理国情数据、DEM数据、历年影像和专业资料等自然资源调查数据开展矿山修复成效的大范围监测与评价。研究分析了矿山监测所需地表覆盖体系与现有地理国情监测体系的差异和转化方式，提出了现有自然资源调查数据可以支持的矿山修复评价内容。以安徽省宿州市为例进行实验，构建了露天废弃矿山地表覆盖数据库，并对试验区的矿山修复成果进行了空间统计分析和区县级的修复效果评价。

研究结果表明，以遥感手段为基础，专业调查为辅助的自然资源调查数据可以实现对矿山修复进展和成效的大范围快速监测，对于矿山修复后的地表状态和修复模式可以进行快速的评估分析。当前，自然资源调查体系还处于起步阶段，随着调查内容的不断完善和调查年份的累计，利用自然资源调查可以进一步实现生态廊道、生物多样性等更多内容的监测与评价。在后续研究中，可以进一步引入高精度遥感调查技术手段，细化数据调查的尺度和类型，完善自然资源调查数据支持的矿山修复成效评价方法系，为实现矿山修复工作的规范化、常态化、信息化监察提供有效的监测评价体系。