基于自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)的礦山修復評價與實踐

陸世東，沈 瓊，涂美義，李庚勤，余 洋

(1.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430071； 2.武漢市自然資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430071； 3.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430070)

礦產(chǎn)資源是支持國家發(fā)展和經(jīng)濟進步的重要自然資源，礦產(chǎn)行業(yè)也是保障我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。在過去的幾十年中，我國在追求經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，忽視了礦山生態(tài)環(huán)境的影響，導致人民賴以生存的環(huán)境受到了極大影響[1-3]。由于露天礦山開采容易造成水土流失、地質(zhì)災害、水體污染等嚴重的生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境的問題，因此對露天礦山的治理與生態(tài)修復是當前自然資源部部署的重點工作。2019年5月15日，自然資源部在湖南岳陽專門部署重點區(qū)域露天礦山生態(tài)修復工作，重點提出了2020年礦山修復工作的主要目標是完成重點地區(qū)的廢棄露天礦山治理。2020年1月17日，自然資源部發(fā)布的《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構建總體方案》更是明確將礦山監(jiān)測列為了自然資源調(diào)查監(jiān)測體系的重要內(nèi)容。

對廢棄露天礦山的綜合治理工作開展監(jiān)測與評估，不僅是檢驗廢棄露天礦山治理效果的重要手段，也有助于為未完全修復礦山開展針對性治理方案的編制提供有效的數(shù)據(jù)支持。近年來，對礦山的生態(tài)質(zhì)量、土地占損和環(huán)境影響等開展遙感監(jiān)測調(diào)查是國內(nèi)不少學者研究的重要內(nèi)容。王曉紅等[4]探討了不同遙感數(shù)據(jù)源在礦山開發(fā)狀況及環(huán)境調(diào)查中的作用，并定量分析了不同數(shù)據(jù)源的最小可監(jiān)測圖斑和最佳成圖比例尺；白洋等[5]利用無人機數(shù)據(jù)對河北保定某礦區(qū)進行了礦區(qū)開采現(xiàn)狀的調(diào)查，從礦山開發(fā)占地、露天礦區(qū)坡度、干堆尾砂堆存面積提取等方面驗證了無人機航測數(shù)據(jù)對露天礦山監(jiān)測的可行性；項謙和等[6]提出了礦山生態(tài)環(huán)境修復中遙感影像自動配準方法，可以為礦山生態(tài)修復調(diào)查工作中確定礦山空間位置與設計方案提供保障。在礦山生態(tài)環(huán)境的調(diào)查分析方面，楊金中等[7]利用全國土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)和高分遙感數(shù)據(jù)，查明了2014年全國廢棄礦山開發(fā)占地和已恢復治理的礦山面積等；查東平等[8]利用不同時期的TM影像對德興銅礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結構和景觀格局變化開展了研究；殷亞秋等[9]通過對2016—2018年的遙感影像變化分析，確定了長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山占用損毀土地面積，明確了長江上游和中下游地區(qū)露天礦山對環(huán)境的影響有明顯差異，并提出了修復對策和建議。然而，從礦山修復成效的評價來看，現(xiàn)有的礦山修復成效評價體系主要從環(huán)境污染、地質(zhì)災害、土壤基質(zhì)、生物群落、生態(tài)景觀、生態(tài)效益、可持續(xù)發(fā)展等多個方面開展綜合性評價[10-11]，涉及的調(diào)查監(jiān)測要素和數(shù)據(jù)來源極為復雜，指標量化較為困難，因此主要用于單個礦山成效評價，不適用于開展面向省、市尺度的礦山修復成果評估。自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅包含了遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，還包含了國土三調(diào)數(shù)據(jù)，耕地、森林、草原、濕地、水資源等調(diào)查數(shù)據(jù)以及地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)[12]，可以極大豐富現(xiàn)有的露天礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)源，更有利于面向大范圍、宏觀尺度開展礦山修復成效的監(jiān)測與評價。然而，如何利用現(xiàn)有的自然資源調(diào)查和監(jiān)測結果評價礦山修復的成效，尚缺乏深入的研究。

基于此，本文重點探討利用自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)開展大范圍廢棄露天礦山生態(tài)修復成效評價的主要評價內(nèi)容和評價方法，并以安徽省宿州市為例進行試驗分析。研究結果表明，基于自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)開展廢棄露天礦山生態(tài)修復成效評價具有重要的現(xiàn)實意義和可操作性，可以為安徽省及近似省份開展廢棄露天礦山生態(tài)修復成效評價工作提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

宿州市地處安徽省北部，森林眾多，下轄1個直轄區(qū)和4個縣，總面積9 787 km2。 截至2019年末，全市戶籍人口658.27萬人。 宿州市現(xiàn)有廢棄露天礦區(qū)555個，其中，已修復礦區(qū)363個，總面積2 042.61 hm2，未修復礦區(qū)192個，總面積1 056.26 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)：收集2019年宿州市各區(qū)縣統(tǒng)計年鑒資料和由發(fā)展和改革委員會等部門提供的規(guī)劃資料。

2) 空間數(shù)據(jù)：主要包括基于地理國情要素數(shù)據(jù)提取的地表覆蓋分類數(shù)據(jù)、地理國情要素數(shù)據(jù)、空間分辨率為2 m的DEM數(shù)據(jù)。 采集了2015年7月—2019年10月的多期國產(chǎn)遙感影像數(shù)據(jù)，并進行了地物解譯，影像精度為一般地區(qū)1.0 m、城市及周邊重點地區(qū)0.5 m。

3) 專題數(shù)據(jù)：經(jīng)過資料調(diào)研、查閱和整理，形成了廢棄露天礦山統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具體屬性包括礦山名稱、礦山企業(yè)名稱、采礦證編號、礦山地址、礦區(qū)面積、礦類、礦種、采礦方式、礦山規(guī)模、治理時間；收集2019年安徽省主要交通路網(wǎng)、河流水域范圍、大型水庫范圍、生態(tài)保護紅線范圍、市域縣區(qū)范圍等數(shù)據(jù)。

2 研究方法與技術流程

2.1 總體技術流程

項目充分利用研究區(qū)的第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)(以下簡稱“三調(diào)”)、基礎性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、已完成生態(tài)修復礦山名錄、全省廢棄露天礦山名錄、生態(tài)保護紅線，根據(jù)礦山修復進展，對安徽省所有廢棄露天礦山(以下簡稱“礦山”)監(jiān)測范圍內(nèi)的地表覆蓋進行采集分類和修復區(qū)的劃定，并對有疑問的圖斑開展外業(yè)調(diào)查，對各市縣礦山修復面積和修復面積占比進行統(tǒng)計分析，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)集將礦山劃分為已治理和規(guī)劃治理兩類，其中對于已治理礦山，項目利用多期遙感數(shù)據(jù)進一步開展地表覆蓋解譯，確定其在2015—2019年的地表覆蓋變化，并實地調(diào)查了礦山的修復現(xiàn)狀，確定其屬于已修復或未修復，形成最終的礦山調(diào)查數(shù)據(jù)集。

在此基礎上，根據(jù)礦山治理修復評價要求，以監(jiān)測數(shù)據(jù)集為基礎，分別從總體狀況、地表覆蓋類型與數(shù)量統(tǒng)計、植被類型與分布統(tǒng)計、“三線三邊”范圍修復狀況統(tǒng)計等方面，對研究區(qū)的礦山生態(tài)修復項目開展定量統(tǒng)計，并最終從規(guī)劃限制、植被覆蓋、土地利用和景觀格局評價四個方面對研究區(qū)的礦山修復效果開展評估(圖1)。

圖1 總體技術路線Fig.1 Technology road map

2.2 數(shù)據(jù)分類體系

由于礦區(qū)評價時的地表覆蓋類型與“三調(diào)”數(shù)據(jù)和地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類體系均有所差異，分析后發(fā)現(xiàn)地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類相對更接近礦區(qū)的分類體系，因此本文以地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，對所有監(jiān)測礦山進行地表覆蓋地類圖斑采集，并將地表覆蓋結果歸為12個地類，建立分類轉(zhuǎn)化體系見表1。轉(zhuǎn)換完成后，再與國土“三調(diào)”數(shù)據(jù)所蘊含的土地權屬信息結合，即得到了研究所需的礦區(qū)地表覆蓋信息。

表1 礦區(qū)地表分類體系Table 1 Land coverage classification system of mining area

2.3 評價分析方法

礦區(qū)的生態(tài)治理與修復不僅需要綜合考慮自然生態(tài)環(huán)境、地域功能、區(qū)域規(guī)劃政策，還要綜合考慮修復后礦區(qū)的安全性、穩(wěn)定性，避免再次造成環(huán)境污染，同時還要考慮修復后礦山與周邊景觀的協(xié)調(diào)，形成可持續(xù)利用的土地，區(qū)域整體生態(tài)功能得到保護和恢復[13]。因此，在開展露天礦區(qū)生態(tài)修復評價時，本文遵循全面性、科學性、通用性、可度量性、可操作性的基本原則，參照2013年發(fā)布的《礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復治理技術規(guī)范(試行)》，對礦區(qū)生態(tài)修復成效評價主要從生態(tài)管控、地表修復狀況和景觀格局三個方面開展。

1) 生態(tài)管控：針對未修復礦區(qū)與國土空間規(guī)劃之間的矛盾，通過統(tǒng)計未修復區(qū)域礦山的面積，發(fā)現(xiàn)急需治理的礦山所在區(qū)域。其中的限制區(qū)主要包括生態(tài)紅線區(qū)域、主要交通沿線、河流沿線、景區(qū)周邊以及居民聚集區(qū)周邊。在實際計算過程中，項目通過空間緩沖區(qū)分析，在交通沿線、河流沿線、景區(qū)周邊以及居民聚集區(qū)周邊建立緩沖區(qū)，作為生態(tài)管控區(qū)域。生態(tài)紅線雖然同為生態(tài)管控區(qū)域，但因為本身屬于面狀要素，不需要建立緩沖區(qū)。在此基礎上，利用空間疊置分析，提取生態(tài)管控范圍內(nèi)的礦山，詳細分析其分布、面積、修復情況。

2) 地表修復：通過統(tǒng)計礦山修復后的地表覆蓋類型和植被覆蓋率等指標，評價礦山修復治理的效果。 其中，地表覆蓋類型按表1所列分類進行統(tǒng)計，植被覆蓋率則主要考慮草地、喬木、喬灌混合、灌木占礦區(qū)總面積的比率。 植被覆蓋率計算方法見式(1)。

(1)

3) 景觀格局：景觀格局分析是評價地塊豐富度、景觀破碎程度的常見方法。對于礦山而言，修復后主要需要考慮與周邊地塊的協(xié)調(diào)一致特性，本文主要計算了礦山修復后的地表覆蓋斑塊密度。斑塊密度是某一類型地表覆蓋的斑塊個數(shù)與該類型景觀面積和之比。斑塊密度可以反映不同類型地表覆蓋的破碎化程度和整個區(qū)域景觀破碎化程度，因此可以利用斑塊密度評估當前區(qū)域的景觀一致性[14]，計算見式(2)。

(2)

式中：N為某一類型地表覆蓋的斑塊個數(shù)；A為該類型景觀面積總和。斑塊密度越大，代表該區(qū)域的地表覆蓋類型較多，地物豐富度較高，但是景觀一致性較低，對于礦區(qū)生態(tài)修復來說，要求景觀相互配合協(xié)調(diào)，所以斑塊密度不宜過大。

3 研究區(qū)廢棄露天礦山修復評價分析

基于以上分析流程，對宿州市的礦山開展數(shù)據(jù)采集和解譯，并最終得到了宿州市的礦山修復現(xiàn)狀。

3.1 修復現(xiàn)狀分析

所涉及的宿州市礦山空間分布如圖2所示。由圖2可知，從總體情況來看，碭山縣是宿州治理完成最好的地區(qū)，全縣全部完成了礦山治理，沒有規(guī)劃治理礦山，其次是蕭縣和埇橋區(qū)礦山數(shù)量和已治理情況均居于宿州市前列。規(guī)劃治理礦山則主要分布在除碭山縣以外的四個區(qū)縣，其中靈璧縣的數(shù)量最多，達到12家。

圖2 宿州市各區(qū)縣礦山數(shù)量及治理情況統(tǒng)計Fig.2 Statistics of mines and their treatment in everydistrict and county of Suzhou city

3.2 生態(tài)管控區(qū)域礦山修復分析

基于安徽省對“三線三邊”保護的基本要求，由于宿州市的流域周邊無未修復礦山，因此分別統(tǒng)計宿州市各區(qū)縣生態(tài)紅線范圍內(nèi)、居民聚集區(qū)周邊2 km、旅游景區(qū)周邊2 km、主干道路網(wǎng)周邊1 km、鐵路周邊1 km范圍的露天廢棄礦山修復情況，未修復礦山分別為101.40 hm2、339.34 hm2、97.98 hm2、421.40 hm2、125.35 hm2，具體見表2。由表2可知，宿州市的主要公路和居民聚集區(qū)范圍內(nèi)的礦山未修復面積較大，對于居民的日常出行和生活有可能造成潛在的威脅。蕭縣未修復礦山在限制區(qū)域內(nèi)的總面積達到了464.25 hm2，也說明蕭縣的露天礦山修復工作有待進一步加強。

由圖3礦山未修復面積可知，泗縣的礦山治理情況最好，轄區(qū)內(nèi)沒有未修復礦山，其次是碭山縣各類型限制區(qū)包含的未修復礦山數(shù)據(jù)量均較少。從各類限制區(qū)進行分析，埇橋區(qū)的生態(tài)保護紅線范圍內(nèi)有較多的礦山尚未修復，這也反映出該地區(qū)的生態(tài)保護紅線內(nèi)部地塊的管控還有待加強。從居民聚集區(qū)來看，2 km范圍內(nèi)埇橋區(qū)和蕭縣的未修復礦山數(shù)量較多，因此對于這兩個地區(qū)未修復的礦山應該更加關注其潛在地質(zhì)災害會造成的居民人身損害和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。景區(qū)2 km范圍內(nèi)未修復的礦山則主要分布在蕭縣、埇橋區(qū)和靈璧縣，容易影響到這些地區(qū)的旅游產(chǎn)業(yè)。此外，宿州市的主要公路1 km范圍內(nèi)未修復的礦山數(shù)量最高，對交通出行和公路運輸都容易造成較大的影響，也是后期治理和修復需要重點關注的問題。

圖3 宿州市各區(qū)縣限制區(qū)域的礦山未修復面積Fig.3 Statistics of unrepaired mines area in restricted areas of Suzhou city

3.3 地表覆蓋修復分析

由宿州市各區(qū)縣礦山修復后地表覆蓋類型統(tǒng)計(表3)可知，從礦山修復情況來看，宿州市礦山修復總面積達到了2 042.6 hm2，其中，埇橋區(qū)和蕭縣的礦山修復面積居宿州市前兩位，均超過了650 hm2。按照礦山治理的一般原則，礦山的植被覆蓋應依據(jù)實際地形和坡度，采取多樣化的種植和復綠方式。平緩地區(qū)以喬灌混合林為主，坡度超過一定閾值應以藤本植物為主。具體分析研究區(qū)修復后的地表覆蓋類型和面積可以發(fā)現(xiàn)，當前宿州市的礦山修復主要以草地為主，占地面積達到了1 331.9 hm2，而灌木林和喬木林的面積整體較小，僅有69.13 hm2。從地表覆蓋面積也可以看出，各區(qū)縣地表覆蓋以草地為主。這也說明盡管當前的礦山復綠工作植被覆蓋率總體較好，但是由于植被類型的差異，礦山修復后的效果還有待長期持續(xù)的監(jiān)測，確保治理效果達到礦山修復方案的要求。

表3 宿州市各區(qū)縣礦山修復后地表覆蓋類型統(tǒng)計表Table 3 Area statistics of land coverage of repaired mines in all counties of Suzhou city

此外，將草地、灌木林和喬木林合并后計算各區(qū)縣礦山修復區(qū)域的植被覆蓋率，可以發(fā)現(xiàn)碭山縣和泗縣的修復后礦山植被覆蓋率不超過25%。依據(jù)礦山生態(tài)修復的基本要求，修復后礦區(qū)的植被覆蓋率應優(yōu)于該地區(qū)的平均植被覆蓋率。據(jù)宿州市2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報統(tǒng)計的結果，宿州市2019年平均林木綠化率為36.42%，因此碭山縣和泗縣的礦區(qū)植被修復工作還有較大的提升空間。同時，宿州市修復后耕地面積為190.83 hm2，水域面積占286.64 hm2，建筑物、構筑物總面積偏少，按照“宜林則林、宜草則草、宜耕則耕、宜水則水”的原則，未來礦山治理和修復的思路和方案還有待進一步拓展。

3.4 景觀格局分析

表4是對各區(qū)縣修復后斑塊密度的統(tǒng)計結果。由表4可知，靈璧縣和蕭縣的礦山修復以草地為主，其余景觀的斑塊密度與草地相差較大，這也說明靈璧縣的礦山修復地物相對較為單一，對于提高礦山的水土保持而言，有待進一步提高物種的豐富度。泗縣的水域、草地和耕地斑塊密度相對較大，但是林地斑塊的缺失也說明泗縣的露天礦山修復仍然處于起步階段，需要進行持續(xù)監(jiān)測，特別是對喬木、灌木的物種提高是保持泗縣礦山修復效果的必要途徑。埇橋區(qū)的礦山修復除草地外，其他類型斑塊同樣具有一定的密度，這也與埇橋區(qū)是宿州市的市府所在地有關，除提高植被覆蓋率以外，修復后礦山的用途更加廣泛。碭山縣各類地物斑塊密度相差最小，表明修復后地表覆蓋的分布相對均衡。同時，轉(zhuǎn)為耕地的斑塊數(shù)量較大，這也說明碭山縣政府近三年推動拆舊復耕的政策[15]取得了較好的效果。

表4 修復礦山的斑塊密度Table 4 Patch density statistics of repaired minesin all counties of Suzhou city 單位：個/km2

4 結 語

本文基于地理國情數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、歷年影像和專業(yè)資料等自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)開展礦山修復成效的大范圍監(jiān)測與評價。研究分析了礦山監(jiān)測所需地表覆蓋體系與現(xiàn)有地理國情監(jiān)測體系的差異和轉(zhuǎn)化方式，提出了現(xiàn)有自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)可以支持的礦山修復評價內(nèi)容。以安徽省宿州市為例進行實驗，構建了露天廢棄礦山地表覆蓋數(shù)據(jù)庫，并對試驗區(qū)的礦山修復成果進行了空間統(tǒng)計分析和區(qū)縣級的修復效果評價。

研究結果表明，以遙感手段為基礎，專業(yè)調(diào)查為輔助的自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對礦山修復進展和成效的大范圍快速監(jiān)測，對于礦山修復后的地表狀態(tài)和修復模式可以進行快速的評估分析。當前，自然資源調(diào)查體系還處于起步階段，隨著調(diào)查內(nèi)容的不斷完善和調(diào)查年份的累計，利用自然資源調(diào)查可以進一步實現(xiàn)生態(tài)廊道、生物多樣性等更多內(nèi)容的監(jiān)測與評價。在后續(xù)研究中，可以進一步引入高精度遙感調(diào)查技術手段，細化數(shù)據(jù)調(diào)查的尺度和類型，完善自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)支持的礦山修復成效評價方法系，為實現(xiàn)礦山修復工作的規(guī)范化、常態(tài)化、信息化監(jiān)察提供有效的監(jiān)測評價體系。