白云鄂博矿绿色矿山建设碳排放研究*

2022-12-14王茜茜吴凯建王路

内蒙古科技大学学报 2022年1期

王茜茜，吴凯建，王路

（1.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古科技大学工业技术研究院，内蒙古包头 014010）

露天矿山的开采会改变区域内的土地利用类型，破坏原有的植被覆盖类型，影响原有生态系统的碳储存功能，进而影响气候的变化[1].因此基于土地利用变化分析碳储量的变化对于研究气候变化具有重要意义[2].

生态系统服务评估与权衡模型（InVEST）是研究生态系统服务功能定量分析的可靠方法[3].国内的学者已经成功将该模型应用于许多区域的碳储量变化研究中，包括城市、流域、生态保护区、海岸带等[4-7].

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种“从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）”的环境管理和分析工具，已成为国际上认定绿色产品或生态产品的主要方法（ISO，2006a；ISO，2006b）[8，9].

文章以白云鄂博矿为研究区，通过InVEST模型模拟白云鄂博矿30年来的碳储量及其变化特征，旨在探究在露天矿山开采导致的土地利用动态变化背景下，如何方便快捷地估算其碳储量变化.同时，利用生命周期评价工具，对白云鄂博矿生产工艺进行评价，为加快绿色矿山建设和绿色采选冶工艺改进提供科学依据.

1 研究区概况

白云鄂博矿位于内蒙古自治区包头市北部，地处乌兰察布草原.地理坐标为东经109°47′～110°04′，北纬41°39′～41°53′.白云鄂博矿气候干旱，降雨少，蒸发量大、昼夜温差大.它是世界上最大的稀土矿，共有5个矿体，包括主矿、东矿、西矿、东介格勒和东部接触带，面积共有48 km2，矿床内包含71种元素和175种矿产资源.

2 研究方法

2.1 土地利用类型数据获取

土地利用类型数据为1990，2000，2010和2020年4个时间段分辨率为30 m的Landsat遥感影像处理后获得.4个时间段的遥感影像通过波段合成、研究区裁剪和非监督分类等处理，根据遥感影像近红波段、红波段和绿波段合成的标准假彩色图像的地物信息特征进行分类.具体步骤如下：

（1）波段合成

Landsat遥感影像为多光谱数据，通过对不同波段组合获得标准假彩色影像，假彩色影像比起真彩色影像更方便进行地物识别和遥感图像解译.假彩色影像需要将近红波段赋予红色，红光波段赋予绿色，绿光波段赋予蓝色，植被在影像中呈现红色.白云鄂博矿区为荒漠草原气候，草地颜色浅淡，形状不规则，分布随机，林地颜色比草地颜色深，同时对比BIGMAP地图的高分辨率影像进行翻译.

（2）影像裁剪

使用与遥感影像投影一致的白云鄂博矿区矢量数据对合成后的影像进行裁剪，获得白云鄂博矿区研究区的标准假彩色遥感影像.

（3）建立解译标志

针对白云鄂博矿遥感影像建立解译标志.草地：白云鄂博矿属于荒漠草原，草地稀疏，分布广泛，在遥感影像上呈现不明显红色；林地：白云鄂博矿及周边树木多为绿化种植区，分布在矿区边缘及道路两侧，具有明显的规律性，在遥感影像上为鲜红色；水体：白云鄂博矿位于干旱区，研究区内有水的区域多为矿区采选用水形成的，面积变化没有规律性，在遥感影像上水体呈现黑色；建设用地：白云鄂博矿面积大，形成时间长，采矿区、选矿区和废矿堆置区等区域聚合在一起，矿区呈现紫色与褐色，其附属设施呈现浅蓝或亮白色，矿区具有明显的规律性；未利用地（裸地）：未利用地将裸地及其余未分类区域合并在一起，极大部分为裸地，在遥感影像上呈现白色，在研究区内只有少量分布.

（4）非监督分类与目视解译

首先使用ENVI5.5非监督分类器的ISODATA方法进行分类，结合目视解译参考中国土地利用现状遥感监测数据库的一级类型分类标准进行分类，将白云鄂博矿区分为林地、草地、水体、建设用地和未利用地5类，再对错误的分类结果进行修改，最后进行分类后处理，将分类影像的小图斑剔除或合并.将土地利用的分类结果导入ArcGIS10.8，使用重分类功能得到所需的土地利用数据.

2.2 碳储量研究方法

文章选用了InVEST模型的碳储量模块研究白云鄂博矿碳储量变化.该模型认为生态系统碳库由4部分组成：地上生物碳、地下生物碳、土壤有机物碳和死亡有机物碳.碳模型假设土地覆盖以总碳密度为特征，总碳密度是地上、地下、土壤和死亡有机物密度的总和.该模型认为，碳储存的变化源于土地利用的变化，从而简化了碳循环的过程[10-12].模型为：

式中：i为土地利用类型；Ci为土地利用类型i的总碳密度，t／hm2；Ci1为地上碳密度，t／hm2；Ci2为地下碳密度，t／hm2；Ci3为土壤碳密度，t／hm2；Ci4为死亡有机物碳密度，t／hm2.

碳模型所需的数据有土地利用类型图和碳密度表.土地利用类型图已通过遥感解译生成，碳密度表如表1[10，13]所示.

表1 白云鄂博矿不同土地利用类型碳密度（t／hm2）

2.3 生命周期评价

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种“从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）”的环境管理和分析工具，对产品生命周期的全过程分析后量化资源消耗与污染物排放，再评价资源消耗与污染物排放对环境造成的影响.目前，公认的生命周期评价方法包括4个阶段：目标与范围的确定、清单分析、影响评价以及结果解释（ISO 14040；ISO 14044）[8，9]，其主要内容如下.

（1）目标与范围的确定

生命周期评价首先需要确定研究目的与研究范围.研究范围的确定是要使研究的广度、深度与研究目标一致，主要包括系统的功能、功能单位和系统边界等.文章的研究目的是分析白云鄂博矿稀土氧化物（REO）的生产工艺对环境的影响，功能单位是生产1 kg REO，该研究不考虑REO的后续生产工艺.

（2）清单分析

清单分析是生命周期影响评价的基础，也是生命周期评价基础数据的表达形式之一.清单分析是对产品在其整个生命周期内的资源消耗、能源消耗和污染物排放数据进行量化分析.该阶段需要明确生命周期的生产工艺所需的输入、输出数据，清单分析包括清单数据的准备、收集、计算，最后进行生命周期清单的总结，得到生命周期结果清单.

（3）影响评价

生命周期影响评价是对各种污染物对环境的影响进行量化评价，根据第二阶段提供的数据用以比较各种污染物以及工艺阶段对环境的影响程度.实际上影响评价是对上一阶段的分析结果进行定量并排序，考虑10个环境影响类型，该阶段包括3个步骤：特征化、标准化和加权.

（4）结果解释

结果解释是对前几个阶段的详细解释，对生命周期清单和影响评价结果进行进一步分析，寻找生产中对环境影响较大的环节和资源，为了减少生产产品所需的能源消耗、材料消耗以及污染物的排放量，提出合理的改进建议，来减少对环境的影响，为产品生产提供科学的建议与指导.

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征分析

如图1所示，白云鄂博矿主要利用类型是草地和矿区，即建设用地。研究期间，由于矿区面积不断扩大，大部分草地转换成矿区，土地利用类型变化极大.从时间上看，矿区面积从16.02 km2增加到63.53 km2，占比从18%到71.38%；草地面积从69.58 km2减少到19.84 km2，占比从78.18%到22.29%，且由于稀土选矿活动，使研究区出现无规律水体.从空间上看，随着采矿活动的推进，除了东部原有的主矿、东矿及其附属区域面积扩张外，西部增加了西矿及排土场、尾矿库、洗选厂等设施，说明其开采重心从东部转移到了西部.

图1 白云鄂博矿土地利用类型变化（a）1990年土地利用类型变化；（b）2020年土地利用类型变化

3.2 碳储量分析

二氧化碳的浓度变化会对气候产生重要影响，但生态系统可以不断地将碳积累到植物和土壤中，对气候调节产生有益贡献，而土地利用类型的变化会使生态系统释放出二氧化碳，使环境状况发生变化.采矿活动会对土地利用造成破坏性影响，拉低矿区环境，因此碳储量估算是研究白云鄂博矿开采环境的重要一环.

由模型得到白云鄂博矿1990～2020年的碳储量空间分布图如图2所示，1990年碳储量2.03×106t，2000年碳储量1.90×106t，2010年碳储量1.54×106t，2020年碳储量1.11×106t.从时间上看，1990～2020年碳储量减少近一半，平均每年损失碳量3.08×104t.从空间上看，导致碳储量减少的原因有：1990～2000年，白云鄂博矿主矿区、东矿区及其排土场尾矿库等区域向外扩张；2000～2010年，白云鄂博矿增加西矿区及其附属功能区；2010～2020年，白云鄂博矿西矿及附属功能区大面积扩张.碳储量的变化跟随矿区面积的变化趋势，矿区面积随着时间的增加在空间上增加，矿区面积的增加必定导致了碳储量的减少，使得碳储量的高值区域不断被低值区域侵占，地面植被的消失导致最直观的反应就是失去光合作用，也就失去了继续固碳能力.

图2 1990～2020年白云鄂博矿碳储量空间分布（a）1990年矿碳储量空间分布；（b）2000年矿碳储量空间分布；（c）2010年矿碳储量空间分布；（d）2020年矿碳储量空间分布

由图3知，白云鄂博矿地上碳、地下碳、土壤碳和死亡有机物4个碳库的平均碳量在1990～2020年间均逐渐下降，下降趋势为先缓慢下降，然后下降速度加快且速度保持一定.从下降速度看，地下生物碳量＞死亡有机物碳量＞地上生物碳量＞土壤碳量；从总量看，土壤碳量＞地下生物碳量＞死亡有机物碳量＞地上生物碳量；在碳量减少量上，地上碳、地下碳和死亡有机物碳损失严重，土壤碳损失较低.土壤碳是白云鄂博矿碳储量的最重要组成部分，随着采矿活动，它不仅在占比上扩大，而且在数量上只有少量减少，是最稳定的碳库类型.而地下生物碳是变化最大的部分，虽然始终是占比第二的碳库类型，但是受到采矿活动影响最大，在1990～2020年期间减少了超过一半的碳量，是导致白云鄂博矿碳储量遭受损失的最大原因.

图3 白云鄂博矿碳库平均碳量变化

3.3 白云鄂博矿开采生命周期评价

首先，确定研究目标和范围，文章对白云鄂博矿生产REO的环境影响进行生命周期评价，功能单位被选为1 kg的REO.其次，建立生命周期清单并分析，获取生命周期数据，进行基于质量的分配，以划分原矿和REO之间的环境影响.然后，进行生命周期的影响评价，生命周期评价模型将包括排放、材料和能量流在内的过程数据转化为对人类健康和环境的具体影响.在这项工作中，利用TRACI方法来量化REO产生的影响，包括能源消耗、颗粒物、臭氧损耗、温室效应、生态毒性、富营养化、光化学烟雾、酸化、人体健康致癌性和人体健康非致癌性等.最后进行生命周期评价的结果解释.

REO的生产第一步是采矿，白云鄂博矿粗矿包含独居石和氟碳铈矿，然后经过破碎和磨矿.该阶段需要大量的能源，再经过脱水后使用磁铁进行弱磁选，将铁与其他矿物区分出来，再经过强磁选获得铁精矿，获得一定浓度的REO.这些REO在磁选之后进入浮选，使用化学溶液经过分离获得稀土精矿.然后进入煅烧阶段，最常用的方法是酸浸法，在煅烧阶段使用浓硫酸在高温下裂解稀土矿得到稀土硫酸盐.下一步是水浸，将REO进行水洗和过滤，所得溶液进入萃取焙烧阶段，先将混合物分离，获得轻、中、重稀土，形成稀土氯化物，然后使用草酸沉淀法对其焙烧得到最终的REO.在这一系列的操作中，使用到的热能来自于煤.

使用TRACI的方法对REO的生命周期碳足迹进行计算，得到温室气体排放范围为每千克稀土氧化物会产生25～35 kg CO2，由于生产中、重稀土氧化物需要额外的化学物质和分离，从轻稀土氧化物到重稀土氧化物的生命周期影响幅度增大.如图4所示，REO的生命周期工艺阶段除选矿阶段，其余阶段对各环境影响类型均有显著贡献.焙烧阶段产生的巨大影响是由于这一步骤所需的大量热量由煤提供；煅烧阶段大大加剧了呼吸效应和臭氧损耗类别，因为煅烧阶段大量使用硫酸而在这一过程中的化学反应会产生氟化氢和二氧化硫，其中臭氧损耗的主要原因是稀土萃取剂的使用.生产REO需要大量能源并严重污染环境，采矿阶段、提取和焙烧阶段对REO生命周期的影响较大，针对这些工艺的改进可以有效减少能源并保护环境.自1990～2020年白云鄂博矿共计开采铁矿石约3亿t，生产钢铁约1.27亿t，生产REO约176.8万t[14-17]，按照每生产1 kg REO排放25 kg CO2计算，共排放温室气体约4000万t.