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摘 要： 摘要：為揭示木里煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的破壞程度，通過2010年和2013年2期高分辨遙感影像監(jiān)測，野外調(diào)查和水土樣品采集，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境問題和承載力的調(diào)查，查明了問題并對其破壞程度和承載能力進行了評價。結(jié)果表明，礦區(qū)地形地貌景觀和土地資源占壓與破
摘要：為揭示木里煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的破壞程度，通過2010年和2013年2期高分辨遙感影像監(jiān)測，野外調(diào)查和水土樣品采集，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境問題和承載力的調(diào)查，查明了問題并對其破壞程度和承載能力進行了評價。結(jié)果表明，礦區(qū)地形地貌景觀和土地資源占壓與破壞嚴重，河水受到Cu、Pb、Cr和Zn的污染，土壤受到Cd、As污染，高山草甸和沼澤地破壞及退化現(xiàn)象嚴重，凍土含水層結(jié)構(gòu)遭到破壞，地質(zhì)環(huán)境承載力適中。評價結(jié)果可為政府和礦山企業(yè)開展礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理提供基礎資料。
關鍵詞：木里煤礦區(qū);礦山地質(zhì)環(huán)境問題;礦山遙感;遙感監(jiān)測;地質(zhì)環(huán)境承載力評價
青海木里煤礦是青海省重點開發(fā)的煤礦，煤炭品種以焦煤為主，已探明的煤炭資源量近 12.8× 108 t，是世界海拔最高的露天煤礦之一。2003 年開始建礦，經(jīng)過10多年開發(fā)，到2013年在這片土地上留下了巨大的露天采坑、煤矸石堆、廢渣堆，造成生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞。為了查明礦產(chǎn)資源開發(fā)造成的地質(zhì)環(huán)境問題及其破壞的嚴重程度，以及地質(zhì)環(huán)境承載能力，2012—2015年中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心開展了“青海礦業(yè)開發(fā)地質(zhì)環(huán)境效應調(diào)查”項目，對木里煤礦區(qū)進行調(diào)查。項目組通過 2010年和2013年2期高分辨率遙感圖像監(jiān)測、地面調(diào)查和水土樣品采集，查明了木里煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題變化情況。本文重點介紹利用 2 期遙感影像對木里煤礦區(qū)進行解譯和評價的成果、水土樣品采集分析評價成果、地質(zhì)環(huán)境承載力評價成果。本文介紹的地質(zhì)環(huán)境問題評價方法與以往發(fā)表的論文不同，以往論文大多采用了指標加權(quán)綜合評價法[1-6] 、模糊數(shù)學綜合評價法[7-10] 、灰色局勢決策分析法[11] 、灰色關聯(lián)投影模型[12] 等方法，這些評價注重對礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價，大多需要給出評價指標的權(quán)重，評價結(jié)果受權(quán)重變化的影響。本文對地質(zhì)環(huán)境問題的評價采用“礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范”(DD/ 2014—05)[13] 中的評價方法，不受權(quán)重變化的影響;地質(zhì)環(huán)境承載力評價采用了中國地質(zhì)大學(武漢)開展的“青藏高原礦產(chǎn)資源開發(fā)地質(zhì)環(huán)境承載力評價”評價方法。文中地質(zhì)環(huán)境問題評價時，不考慮地質(zhì)環(huán)境背景因素，其結(jié)果能直接反映問題的嚴重程度。而地質(zhì)環(huán)境承載力的評價注重對地質(zhì)環(huán)境背景的評價，結(jié)果反映采礦區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力的強弱。地質(zhì)環(huán)境問題評價和地質(zhì)環(huán)境承載力評價成果的結(jié)合，可以全面反映礦業(yè)開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境的影響程度。評價成果可為政府部門和企業(yè)了解礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的嚴重程度和地質(zhì)環(huán)境承載力，為開展礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理提供科學依據(jù)。
1 地質(zhì)背景
木里煤礦區(qū)位于青海省海西州天峻縣木里鎮(zhèn)，南距天峻縣城 90km，調(diào)查區(qū)面積 159.13km2 。礦區(qū)地處青藏高原中祁連山高海拔地區(qū)，海拔 4026~ 4128m，相對高差 102m。地貌類型為高原丘陵，地形呈西高東低、南高北低之勢，東部努日寺部分溝壑發(fā)育。地表廣為草甸濕地覆蓋，凍土發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)主要河流為哆嗦河。氣候?qū)賰?nèi)陸高寒大陸性氣候，低氧、氣候寒冷。通往礦區(qū)的交通較不方便[1,14] 。
木里煤礦2003年開始建礦，當年就建成了一座現(xiàn)代化的礦山。礦區(qū)主要為露天開采，由于煤層埋藏較淺(最淺的地方只有幾十厘米)，開采方式為開挖揭露原始草場后將蓋層堆放至開采區(qū)以外的草場，進行開采。開采作業(yè)已經(jīng)在高原上挖出約百米深的溝壑，旁邊是堆積如山的渣石，大面積的露天采煤，已經(jīng)嚴重破壞了當?shù)氐母呱讲莸�、濕地和凍土層[15] ;礦區(qū)由多家礦山企業(yè)進入開采，由于重生產(chǎn)、輕環(huán)保，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和管理，執(zhí)法、監(jiān)管等缺位，開發(fā)秩序混亂，資源浪費嚴重，無序的破壞性開采使生態(tài)環(huán)境遭到嚴重的破壞，引起社會輿論的廣泛關注。
2 監(jiān)測與評價方法
2.1 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測
為了查明礦業(yè)開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境的破壞情況和地質(zhì)環(huán)境承載能力，采用遙感監(jiān)測、地面調(diào)查、水土樣品采集的工作手段開展調(diào)查工作。遙感監(jiān)測選擇分辨率均為0.5m的2010年WorldView-2數(shù)據(jù)和 2013 年 Pleiades 數(shù)據(jù)，利用 ERDAS IMAGINE 軟件平臺，對2期數(shù)據(jù)分別進行多光譜和全色數(shù)據(jù)影像融合、正射處理、幾何糾正、調(diào)色，形成了2幅與地形圖配準的高分辨率影像圖[16] ，在MapGIS軟件中開展解譯工作。同時采集9個水樣和12個土樣，利用測試數(shù)據(jù)分別對水土環(huán)境污染情況進行評價。
2.2 評價方法
本文主要是對因礦產(chǎn)資源開發(fā)引起的地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)環(huán)境承載力進行評價。地質(zhì)環(huán)境問題評價包括對地形地貌景觀破壞、土地資源破壞、地表水和土壤污染程度的評價，采用“礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范”(DD/2014-05)的評價方法。地質(zhì)環(huán)境承載力評價主要是對地質(zhì)環(huán)境進行評價，采用了中國地質(zhì)大學(武漢)完成的“青藏高原礦產(chǎn)資源開發(fā)地質(zhì)環(huán)境承載力評價”的評價指標和評價方法。
(1)地形地貌景觀破壞評價
地形地貌景觀破壞指礦產(chǎn)資源開采活動改變了原有的地形地貌特征，造成山體破損、巖石裸露、植被破壞等現(xiàn)象。包括露天開采、礦山固體廢棄物堆場、地面塌陷等造成礦區(qū)地形地貌改變與破壞。
地形地貌景觀破壞評價等級以破壞率表示，破壞率(%)=破壞面積/礦權(quán)區(qū)面積，評價等級分三級：嚴重級(破壞率大于40%)、較嚴重級(破壞率20%~ 40%)和較輕級(破壞率小于20%)。
(2)土地資源破壞評價
礦山土地資源破壞指礦產(chǎn)資源開發(fā)活動導致土地原有功能喪失、土壤質(zhì)量下降的現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為礦山地面塌陷(地裂縫)破壞土地、固體廢棄物堆排壓占土地、露天開采剝離挖損土地、土壤污染等。破壞程度劃分為嚴重、較嚴重和較輕三級(表 1)。
(3)水土污染評價
木里煤礦地處祁連山自然保護區(qū)，以地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838—2002)[18] Ⅰ類標準值和土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)[19] 一級標準值為標準，依據(jù)采集樣品的測試結(jié)果，計算水土樣品的超標倍數(shù)、超標率、單項污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)，評價重金屬單元素的超標情況，按農(nóng)田土壤質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范(NY/T 395—2000)[20] 的土壤污染分級標準(表2)評價水土環(huán)境的綜合污染情況。
(4)地質(zhì)環(huán)境承載力評價
地質(zhì)環(huán)境承載力評價的對象是地質(zhì)環(huán)境，評價結(jié)果是某個采礦區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力的強弱[21] 。本文對木里煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力的評價，采用了中國地質(zhì)大學(武漢)完成的“青藏高原礦產(chǎn)資源開發(fā)地質(zhì)環(huán)境承載力評價”項目，對區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境承載力進行評價時選擇的評價指標，根據(jù)各指標在木里煤礦區(qū)的重要性計算獲取的權(quán)重及采用的數(shù)學模型，計算其承載力綜合指數(shù)值，以此來確定木里煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力的強弱。
3 動態(tài)變化特征
3.1 地質(zhì)環(huán)境的變化
通過2期遙感解譯，了解了木里煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境變化情況。2期解譯面積為306.38km2 ，解譯內(nèi)容主要為地質(zhì)環(huán)境背景、地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)環(huán)境恢復、礦區(qū)設施和生活區(qū)占地、河流湖泊五部分。解譯成果見圖1、圖2及表3。
從圖 1、圖 2 及表 3 可以看出，木里煤礦區(qū) 2010 年高山草甸區(qū)面積42.36km2 ，2013年40.59km2 ，減少了 1.77km2 。2010 年沼澤地面積 92.72km2 ，2013 年 76.07km2 ，減少了 16.65km2 。2010 年開采對地質(zhì)環(huán)境的破壞面積為13.21km2 ，2013年29.48km2 ，增加了 16.27km2 ，其中露天采場(包括采坑內(nèi)積水區(qū))面積增加了5.81km2 ;煤炭堆積區(qū)面積增加了0.29km2 ;排矸場及廢渣堆面積增加了10.17km2 。工礦場房、生活區(qū)、道路的建設也從 2011 年的 1.38km2 ，增加到 2013年的3.80km2 ，增加了2.42km2 ，地質(zhì)環(huán)境恢復治理面積僅0.25km2 。露天采場、煤炭堆積、矸石及廢渣堆積、礦區(qū)基礎設施、生活區(qū)占地等嚴重破壞了高山草甸和沼澤地原有的生態(tài)環(huán)境。開挖造成的露天采場不但破壞了原有的地形地貌景觀，形成的高陡邊坡若失穩(wěn)易引發(fā)崩塌、滑坡等突發(fā)性地質(zhì)災害。大量的廢渣堆積不但壓占、破壞土地資源，而且因其長期堆放于露天場所，其中的有害、有毒物質(zhì)易氧化分解，通過地表水、地下水污染水土環(huán)境，危害人體和動植物的健康及生命安全，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅[22] 。
露天開采也導致含水層結(jié)構(gòu)遭到破壞，坑內(nèi)積水 面 積 從 2010 年 的 0.02km2 增 加 到 2013 年 的 0.22km2 ，造成哆嗦河表層潛水被破壞，形成以采坑為中心的降落漏斗。
礦業(yè)開發(fā)導致沼澤地退化現(xiàn)象嚴重，2010 年，礦區(qū)92.72km2 沼澤地有14.76 km2 處于退化狀態(tài)，占 15.92%，2013 年 76.07km2 的沼澤地有 13.54km2 處于退化狀態(tài)，占 17.90%。沼澤濕地草甸退化的原因是沼澤地草甸生長在凍土層上，隨著露天開采深度的加大，深度為60~95m凍土層遭到了破壞 [15] ，凍土層的破壞影響了含水層原有的水平衡格局，使地表水不斷下滲，導致地表沼澤草甸賴以生存的水分越來越少，從而影響沼澤植被的正常發(fā)育，使?jié)竦孛娣e減少，其影響是不可逆的[23] 。
木里煤礦區(qū)因生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，社會關注度高。2014年8月28日，青海省人民政府辦公廳發(fā)布了《木里煤田綜合整治工作實施方案》，開始了對木里煤礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境恢復治理工作。
3.2 地形地貌景觀的變化
據(jù)野外調(diào)查與收集資料，調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)2010年有5個露天采場，2013年有6個露天采場。
按地形地貌破壞評價等級標準，分別對 2010年的5個采場和2013年的6個采場對地形地貌景觀破壞程度進行了評價，評價指標包括露天采坑、煤炭堆積、排矸場及排矸場外堆積的廢渣。2010 年 5 個采場采礦權(quán)面積合計 25.63km2 ，2013 年 6 個采場采礦權(quán)面積合計 31.54km2 。評價結(jié)果見圖3、圖4及表4、表5。
從圖3、圖4 及表4、表5 可以看出，木里煤礦區(qū) 2010 年到 2013 年地形地貌破壞面積由 13.21km2 增加到29.48km2 ，增加了16.26km2 ，破壞率由51.54%增加到93.47%，增加了41.88%，綜合評價為嚴重級。2010年開采的5個采場中4~ 6號3個采場對地形地貌景觀破壞程度為嚴重級，1~2號2個采場破壞程度為較輕級;2013年擴大到6個采場，其中1號、4~6號4個采場對地形地貌景觀的破壞程度為嚴重級，3號采場為較嚴重級，2號采場為較輕級。
3.3 土地資源的變化
木里煤礦開采區(qū)地處高山草甸區(qū)及沼澤地，土地資源的破壞嚴重程度分級以表1中占用破壞林地或草地的數(shù)值為標準，占用破壞林地或草地面積大于0.04km2 為嚴重級，0.02~0.04km2 為較嚴重級;小于 0.02km2 為較經(jīng)級。評價指標包括露天采坑、煤炭堆積、廢渣堆積，按以上標準分別評價 2010年的5個采場和2013年的6個采場對土地資源的破壞程度。結(jié)果見圖5、圖6及表6。
從圖5、圖6及表6可以看出，木里煤礦2010年到 2013 年 土 地 破 壞 面 積 由 13.21km2 增 加 到 29.48km2 ，增加了 16.26km2 。2010 年的 5 個采場和 2013年的6個采場對土地資源的破壞均為嚴重級，其中 4 號采場破壞面積最大，其次為 6 號和 5 號采場�？傮w評價為嚴重級別。
3.4 水土環(huán)境污染
為了查明開礦對地表水土壤的污染程度，在露天采坑、煤炭堆積、排矸場及廢渣堆附近的河水和土壤中分別采集了 9 個水樣和12 個土壤樣(圖7)，對每個樣品中的 Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg 元素進行測試，測試單位為西安地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試中心，Cu、Pb、Zn、Cr、Cd用等離子質(zhì)譜法檢測，As、Hg 用原子熒光光度法檢測，儀器設備為原子熒光光度計(AFS-2202E)和等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)，實驗條件：土樣為溫度 25℃，濕度 60%;水樣為溫度 25℃，濕度45%。精度和誤差范圍按“地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范”(DZ/T 0130.1—2006)執(zhí)行 。依據(jù)測試結(jié)果對水樣和土壤樣超標倍數(shù)、超標率、單項污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)進行計算[24-28] 。結(jié)果表明，9 個水樣中有 2 個樣超標，其中 1 個樣品 Cu、Pb、Zn、Cr超標倍數(shù)分別為3.6、3.4、0.86、1.3，另一個樣品Cu超標0.9倍(表7)，河水受到了Cu、Pb、 Cr 的中度污染，Zn 的輕度污染。綜合評價結(jié)果顯示，1個樣重度污染，1個樣輕度污染(表8)，說明哆嗦河河水在不同地段受到一定程度的綜合污染，雖然污染樣品只有2個，但因木里煤礦水循環(huán)的自凈能力差，水污染問題應引起重視[16] 。
12個土壤樣中，2個樣受到Cd污染，1個樣受到 As 污染，Cd、As 超標倍數(shù)分別為 0.05~0.10、0.08，土壤受到Cd、As的輕度污染(表9)。綜合評價顯示，6 個樣品為警戒線，6個樣品為安全(表10)，說明土壤污染處于警戒狀態(tài)，屬尚清潔土壤。
3.5 地質(zhì)環(huán)境承載力
木里礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力通過年平均氣溫、年平均降雨量、地形坡度、土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型、地層巖性7個指標評價(表11)。煤礦區(qū)多年平均氣溫-5.1℃，溫度偏低;多年平均降雨量約 477.1mm，降雨適中;地形坡度小于5°，地形平坦;土地利用類型主要為工礦用地;植被覆蓋度小于5%;土壤類型為沼澤土;礦區(qū)出露的地層主要為古近系—新近系及第四系沉積物，以粘土為主。按前述數(shù)學模型，通過加權(quán)綜合評價，得出綜合指數(shù)為2.78分，說明木里煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力適中。但由于其地處中國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，露天開采必然會對高山草甸和沼澤地造成嚴重的破壞，深大的采坑也會破壞凍土層，影響水循環(huán)系統(tǒng)，從而影響整個生態(tài)環(huán)境的平衡。
4 討 論
以往對地形地貌景觀破壞程度等級的劃分，大多采用定性方式確定。本文應用了破壞率這個概念，使得評價成為定量化。
在對地形地貌景觀破壞和土地資源壓占與破壞評價指標的選擇上，礦區(qū)開采進行的基礎設施建設(如道路、工礦場房等)是否應屬于對土地資源的占用與破壞，還需進一步研究。根據(jù)“礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范”(DD/2014-05)對以上 2 個問題的定義，不屬于土地資源占用，這勢必造成道路和工礦場房等設施的建設對土地植被的占用不包括在破壞范圍之內(nèi)。
本文依據(jù)對地形地貌景觀破壞和土地資源壓占與破壞的定義，選擇的評價指標是相同的，只是采用的評價方法不同，是否兩者都需要評價值得商榷。
期刊推薦：《國土資源遙感》主要刊登實用性強的遙感、GIS及GPS(3S)技術應用論文，宣傳3S技術在國土資源(土地資源、礦產(chǎn)資源、海洋資源、水資源、氣象資源、生物資源及旅游資源等)調(diào)查與開發(fā)、國土整治的規(guī)劃與管理，環(huán)境和災害監(jiān)測，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘查，建設工程選址、選線及城市規(guī)劃等領域應用的新方法和重要成果，以從事國土資源遙感及其相關研究領域的研究人員、應用人員及大專院校有關師生為讀者對象。
