基于RS和GIS的臨武縣礦山地質環境調查評價

劉 博，姚騰飛，皮建高，周 鑫，王 璨

(湖南省地質礦產勘查開發局402隊，湖南 長沙 410000)

0 引言

湖南省臨武縣位于湖南省最南部，南部與廣東省接壤，湘江、珠江兩江之源，境內礦藏資源豐富，被譽為“小有色金屬之鄉”和“煤炭之鄉”。由于長期的礦山開采，引發了地質災害、水土污染、土地資源占用與破壞等一系列礦山地質環境問題。礦山開采不僅影響了臨武縣礦產資源可持續利用和生態文明建設，也對湘江流域和珠江流域下游造成了危害。因此從2017年開始對臨武縣礦山地質環境開展調查評價工作。

隨著遙感技術的發展，遙感數據已顯現出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的“三高”特征。越來越多的遙感數據應用于礦山地質環境調查中。如利用SPOT-6高分辨率影像調查礦山土地壓占破壞和地質災害[1]；應用高光譜進行礦山重金屬濃度反演[2]；應用InSAR技術在礦區地表沉降監測[3]。而GIS技術廣泛應用于礦山地質環境綜合評價中[4-5]，本文從地質環境背景條件和礦產資源開采活動影響兩個方面對礦山地質環境進行綜合評價。調查成果為加強礦山地質環境保護與監督管理，提供基礎資料，促進臨武縣綠色礦業發展與生態文明建設。

1 研究區概況

1.1 自然地理

臨武縣地處湖南省最南部，南嶺山脈東段北麓，境內以山地、丘陵為主，有少量的溪谷平地。水系發育，屬珠江、湘江兩大水系。氣候溫和，雨量充沛，光熱充足，年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降雨量為1 421.8 mm。

1.2 礦產資源開發利用現狀

全縣已發現的固體礦種有46種，已發現礦床82處，其中共有大型及以上礦床2處，中型礦床8處，小型礦床24處，其余各類礦點48處。根據全縣的礦山地質環境調查，全縣共有發證礦山60個，其中部級礦山1個，省級礦山37個，市級礦山1個，縣級礦山21個；按礦類劃分，能源礦產20 個，有色金屬17個，黑色金屬1個，建材及其它非金屬礦產22個；按礦山規模劃分，中型2個，小型58個。

2 礦山地質環境遙感調查

2.1 數據源選擇

根據需要解譯的礦山地質環境背景條件及地質環境問題有針對性的選取遙感影像。此次礦山調查主要選擇Landsat8 oli數據和Worldview-2等高分率遙感影像(表1)。

2.2 建立遙感解譯標志

遙感影像的解譯標志，也稱判讀要素，它是遙感影像上能直接反映和判別地物信息的影像特征。判讀的基本要素包括形狀、大小、色調、顏色、紋理、圖案、陰影、位置和布局。表2為臨武縣主要礦山地質環境問題遙感解譯標志。

表1 遙感數據源及其特征Table 1 Remote sensing data source and its characteristics

表2 臨武縣主要礦山地質環境問題遙感解譯標志Table 2 Remote sensing interpretation mark of major mine geological environment problems in Linwu County

續表

2.3 遙感解譯和實地核查

根據建立的遙感解譯標志，對高分辨率遙感影像進行人機交互解譯。在ArcGIS中，導入已有礦權信息和收集的礦山圖件，提取露天采場、工業廣場、礦山公路、廢石堆、尾礦庫、煤矸石堆、泥石流等信息。把遙感影像和室內解譯的數據導入到平板礦山調查系統，到實地進行核查，對誤判圖斑進行修正、對遺漏圖斑進行補充，并完善相關信息。

3 主要的礦山地質環境問題

根據全縣礦山地質環境調查，因礦山開采引發的地質災害22處，其中滑坡2處、地面塌陷5處、地面沉陷9處、泥石流(尾砂、廢石流)6處(表3、圖1)。礦山開采占用破壞土地資源573.23 ha，其中占用工礦倉儲用地277.18 ha、水田7.68 ha、其它耕地14.37 ha、園地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。固體廢棄物排放累積量1.263×107m3。存在排水的礦坑47處，其中抽排水19處，自然排水28處。全縣共采集337組地表水樣，其中118組水樣重金屬超標；采集11組地下水水樣并檢測，其中4組水樣達到Ⅲ類水標準，7組水樣達到Ⅳ類水標準；采集226組土樣，根據土壤污染綜合指數，污染超標的土壤樣品有178組，占總樣品數的78.76%。

4 礦山地質環境綜合評價方法

4.1 評價指標體系構建

在遵循評價指標的完整性、層次性、客觀性、簡明性等選取原則的基礎上，建立研究區科學的礦山地質環境綜合評價指標體系。

礦山地質環境影響綜合評價除了考慮礦產資源開采活動對礦山地質環境直接造成影響外，還應該考慮礦區地質環境背景條件，如地形地貌、生態條件、水文條件、工程地質條件等，因為礦山地質環境本身也受上述背景條件的控制，在某種程度上會減緩或加劇采礦對地質環境的影響程度。綜合考慮礦山地質環境背景條件和礦產資源開采活動影響兩方面因素，從而構成了礦山地質環境綜合評價一級指標；二級指標包括地形地貌、生態條件、水文條件、工程地質條件等10個指標(表4)；三級指標包括地形坡度、高差、植被覆蓋度、土地利用等14個指標(表4)。

4.2 評價指標等級的確定

在確定的14項評價指標中，綜合分析各項指標的特征，借鑒《礦山地質環境調查評價規范》、《礦山地質環境綜合防治方案編制規范》等相關行業規范標準，結合專家經驗確定評價等級并賦值(表5、表6)。

4.3 評價指標權重的確定

本文中使用主觀定權法中的“專家打分-層次分析法”。該方法較好地結合了定性分析與定量分析。由專家組對各指標兩兩之間的重要程度做出比較判斷，建立一個判斷矩陣，再通過層次分析，得到各層次中每個指標的權重，并進行一致性檢驗以確保其客觀性(表4)。

表3 臨武縣部省市級礦山主要礦山地質環境問題Table 3 Major geological environment problems of mines in Linwu County

續表

表4 綜合評價指標體系Table 4 Comprehensive evaluation index system

4.4 評價模型的建立

綜合評價分區：按照礦業活動對礦山地質環境綜合影響評價指標體系，將地質背景條件與礦產資源開采活動對礦山地質環境的直接影響評價圖進行疊加分析[6]，最終得出礦山地質環境影響綜合評價分區圖，計算公式如下：

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——綜合評價值；

Gpd、Ggc、Gzb、Gtd、Gjy、Gfs、Gys、Gdl——分別為地形坡度、高差、植被覆蓋度、土地利用現狀圖、年平均降雨量、巖層富水性、近地表巖性和斷裂構造密度圖的單元格值；

Kdz、Ksz、Ksh、Kth、Ktd、Kgf——分別為柵格化的礦產資源開采活動影響的地質災害、水資源破壞、水環境破壞、土石環境破壞、土地資源占用和固體廢棄物排放等級評價的單元格值。

5 指標因子信息提取

5.1 評價單元劃分

評價單元是具有相同特性的最小地域單元，同一評價單元在地質環境條件方面具有一致性[7]。因礦山地質環境背景條件和礦產資源開采活動影響指標的差異性，選用多尺度的評價單元劃分?？紤]礦產資源開采活動對地質環境影響的區域性和系統性及水土樣采集的精度，在較大尺度上評價礦產資源開采活動影響指標，本文選取1 km×1 km正方形網格[8]。因礦山地質環境背景條件指標變化大，因素離散性大，為了滿足精度要求，選用小尺度進行單元劃分，本文選擇50 m×50 m正方形網格。兩種不同尺度單元格進行疊加分析前，先要對其進行重采樣。因為同一副影像從低分辨率向高分辨率進行重采樣，它的信息量基本是保持不變[9]，所以以50 m×50 m的柵格圖作為參考影像，對1 km×1 km的柵格圖進行重采樣，可以使1 km×1 km信息基本不丟失。

表5 礦山地質環境背景條件指標打分標準Table 5 Scoring standard of mine geological environment background condition indexes

表6 礦產資源開采活動影響指標打分標準Table 6 Scoring standards of the impact indicators of Mineral resources mining

5.2 礦山地質環境背景條件信息提取

(1)坡度信息提?。旱乇硪稽c的坡度是過該點切平面和水平地面的夾角，表示地面在該點的傾斜程度。在ArcGIS中應用地形圖的等高線生成Tin數據，再轉換成數字高程模型DEM，利用坡度計算工具求出研究區的坡度分布圖。

(2)地形起伏度(高差)計算：地形起伏度是在一個特定的范圍內，最高點海拔與最低點海拔之間的差值，反應區域地表切割剝蝕程度，可以反映構造活動強度。地形起伏度是構造運動與地表剝蝕侵蝕相互作用的結果。本文中選擇的最佳計算尺度為0.6 km[10]。利用ArcGIS中的焦點統計工具進行計算，得到臨武縣高差分布圖(圖2)。

(3)植被覆蓋度：植被覆蓋度計算目前廣泛應用的方法是歸一化植被指數(NDVI)。利用landsat-8的oli數據，先進行大氣校正，再計算歸一化植被指數，對計算結果進行統計，取累積概率5%作為植被覆蓋度的最小值，95%作為植被覆蓋度的最大值。

(4)土地利用現狀圖：根據臨武縣土地利用現狀圖，對耕地、林地、草地、裸地、水體和居民區，按照礦山地質環境背景條件分級評分標準，對原圖中的分區屬性賦予新的評分值，作為柵格轉換的字段值。

圖2 臨武縣高差分布圖Fig.2 Height difference distribution of Linwu County

(5)年平均降雨量：由氣象局提供臨武縣年平均降雨量圖，按照礦山地質環境背景條件分級評分標準，對原圖中的分區屬性賦予新的評分值，作為柵格轉換的字段值。

(6)巖層富水性：根據臨武縣范圍內水文地質圖上的富水性分類信息，將圖進行幾何校正，然后對含水層巖性及巖層富水性信息在 ArcGIS 平臺中進行矢量化并賦值，得到臨武縣含水巖層富水性分布圖。

(7)近地表巖性：在 ArcGIS 中對臨武縣范圍內地質圖進行幾何校正，根據地質圖判斷近地表巖性，得到臨武縣近地表巖性分布圖。

(8)斷裂構造密度：本文以每平方千米范圍內斷裂構造長度之和來表示，單位 km/km2。同樣利用臨武縣境內地質圖對斷裂構造進行矢量化，然后計算1 km×1 km 網格內斷裂長度。

5.3 礦產資源開采活動影響指標評價分區

在ArcGIS中，利用漁網功能，把圖層按1 km×1 km網格進行剖分，對每一個網格進行編號，導入礦山地質環境調查的地災點、井口點、水土樣采樣點、土地資源占用與破壞五個圖層，對五個圖層按照網格進行剖分，然后對每個網格內的礦產資源開采活動影響指標進行評價。

按照礦產資源開采活動影響指標的分級評分標準，對六個指標進行賦值，作為柵格轉換的字段值，把矢量圖層轉換成柵格圖。

5.4 綜合評價分區

在ArcGIS軟件中，利用空間分析工具的柵格計算器計算，根據上文建立的綜合評價模型，先把臨武縣地質環境背景條件和采礦活動影響分別進行疊加分析，再對這兩個一級指標進行相乘，得到礦山地質環境影響綜合評價的分值圖，按照評價等級分級分類標準(表7)對柵格圖進行重分類，得到臨武縣礦山地質環境綜合評價圖(圖3)。

表7 臨武縣礦山地質環境綜合評價分級標準Table 7 Comprehensive evaluation and grading standard for mine geological environment in Linwu County

圖3 臨武縣礦山地質環境綜合評價分區圖Fig.3 Comprehensive evaluation map of mine geological environment in Linwu County

臨武縣礦山地質環境綜合評價結果與實際情況基本吻合，說明建立的評價指標體系較合理。由臨武縣礦山地質環境綜合評價圖可以看出，臨武縣礦山地質環境影響嚴重區有兩個：(1)花塘鄉和香花嶺鎮的三十六灣多金屬礦區，開采礦種為鉛鋅錫等多金屬礦，主要的礦山地質環境問題有固體廢棄物排放，土地資源占用、水土污染、泥石流等地質災害；(2)水東鎮梅田礦區，開采礦種主要為煤礦，區內主要的礦山地質環境問題有土地資源占用破壞、水資源破壞、固體廢棄物排放，地面沉陷等地質災害。臨武縣礦山地質環境影響較重區有四個：(1)麥市鎮袁家礦區，區內開采礦種為煤礦，主要的礦山地質環境問題有土地資源占用與破壞、廢水廢液和固體廢棄物排放；(2)金江鎮梅田礦區，區內主要開采煤礦和石墨礦，主要的礦山地質環境問題有土地資源占用、固體廢棄物排放、泥石流等地質災害；(3)楚江鎮-花塘鄉，區內開采礦種為建筑石料用灰巖，主要的礦山地質環境問題有土地資源占用與破壞、固體廢棄物排放；(4)土地鄉-同益鄉，區內開采礦種為建筑石料用灰巖和磚瓦用頁巖，主要的礦山地質環境問題有土地資源占用與破壞、固體廢棄物排放、土石環境污染，土石環境污染主要為重金屬污染，污染源為武水河上游三十六灣多金屬礦區排放的廢水廢液和固體廢棄物。礦山地質環境影響較輕區，為零散分布的一些建材礦山。

6 結論

(1)根據礦山地質環境遙感調查，通過建立遙感解譯標志和分析已有礦山資料，可以有效提高遙感解譯的效率和精度；

(2)根據遙感解譯、實地核查和水土樣采集測試，臨武縣主要的礦山地質環境問題有地質災害、土地資源占用與破壞、水土污染及廢水廢液和固體廢棄物排放。

(3)根據地質環境背景條件和礦產資源開采活動影響指標的差異，選用1 km×1 km和50 m×50 m兩種尺度的單元格，兼顧礦產資源開采影響的區域性和評價的精度。

(4)從地質環境背景條件和礦產資源開采活動影響考慮，構建礦山地質環境綜合評價指標體系，確定指標權重、建立評價數學模型、對指標進行提取賦值，得到臨武縣礦山地質環境綜合評價圖。評價結果與實際情況基本吻合，說明建立的評價指標體系較合理，為臨武縣礦山地質環境保護與礦產資源可持續開發提供重要的參考價值。