廣西賀州市里松-賀縣地區礦山開發活動及礦山地質環境遙感監測

倪 斌，黃照強，李祥強，閆東川，張亞龍，江 淼，閆清華

(中國冶金地質總局礦產資源研究院，北京 101300)

0 引言

黨的十八大以來，生態文明建設作為“五位一體”總體布局的一部分，得到了社會各界的高度重視，相應的生態文明建設工作隨之在全國各地深入開展，而礦山地質環境問題作為生態文明建設的重要組成部分也獲得了廣泛關注(張永雙等，2017)。礦山開發在獲得豐富的礦產的同時，難免會占損大量土地，引發嚴重的礦山地質災害，破壞和污染生態環境，與“綠水青山就是金山銀山”的理念大相徑庭。而放眼國際礦業的發展，近十幾年來，礦產資源的開發與環境保護一體化已成為重要的發展趨勢(Zhang et al.,2013；Adiansyah et al.,2015；張永雙等，2017；Gastauer et al.,2018)。研究區所處的廣西賀州市位于巖溶地貌區，礦產資源豐富，尤其是石灰巖采石場等非金屬礦山主要采用露天開采方式開采，對地表、植被和動植物資源造成一定破壞，并存在崩塌、滑坡等隱患(廖振威等，2016)。

近年來，遙感技術在對地觀測中具有的客觀、宏觀、快速、信息量大、多時相、高效率等特點，使其在礦山地質環境問題的調查與監測工作中得到了廣泛的應用，大大提高了工作效率和質量(陳琪等，2015；薛慶等，2016；安志宏等，2017；楊金中等，2017)。針對礦山環境的遙感監測研究，許多學者開展了大量研究工作，在該領域已經積累了豐富的經驗，如對煤礦、砂石礦等礦產資源開發狀況的遙感動態監測，運用多尺度遙感衛星數據開展礦山開發占地、礦山地質災害和污染、礦山環境恢復治理等的監測與質量評價(況順達和趙震海，2005；劉瓊等，2005；丁麗等，2010；安志宏等，2011；閔艷艷等，2011；張焜等，2012；吳芳，2014；馬世斌等，2015；楊顯華等，2015；白光宇等，2016；李麗等，2016；魏江龍等，2016；安志宏等，2017；王耿明等，2017；于博文等，2017；王俊華等，2018；魚磊等，2018；汪潔等，2020)。而當前在國內利用亞米級遙感數據動態監測廣西賀州市里松-賀縣地區的礦山地質環境的工作尚未開展。

本文以2008年和2017年獲取的廣西賀州市里松-賀縣地區的SPOT-5數據和國產GF-2衛星影像數據作為主要數據源，結合野外地質調查，對里松-賀縣地區開展1∶5萬礦山地質環境監測，利用ArcGIS平臺，采用人機交互的遙感解譯模式，對研究區礦山開發占地、礦山地質災害和礦山污染等的分布特征與規律展開研究，獲取礦產資源開發客觀數據，以期為當地開展礦山環境監測和恢復治理等提供參考依據。

1 研究區概況

里松-賀縣地區位于廣西壯族自治區賀州市中北部，行政區劃主要包括賀州市平桂區和八步區。研究區面積大約1410 km2，包含3幅1∶5萬圖幅(里松幅、平桂幅、賀縣幅)(圖1)。研究區位于南嶺山系之中段南部，屬南嶺山地丘陵范疇，山多平地少。地貌類型以構造侵蝕中、低山為主，巖溶地貌和侵蝕堆積地貌次之(廣西壯族自治區地質礦產局，1985)。

圖1 廣西賀州市里松-賀縣地區地質圖

研究區出露的地層隸屬華南地層大區的東南地層區。區內地層以古生界最為發育，在里松幅東南角與賀縣幅東北角位置可見寒武系，主要以石英砂巖為主；泥盆系廣泛分布于平桂幅與賀縣幅，沉積類型多樣，主要以碎屑巖和灰巖為主；石炭系主要分布在賀縣幅中部和平桂幅北部，巖性以泥巖、灰巖、泥質灰巖為主；侏羅系主要分布平桂幅，為斷陷盆地沉積的碎屑巖；第四系松散堆積層主要分布于河流兩岸組成河流階地。巖漿巖主要分布于里松幅，占該圖幅的90%以上，出露在姑婆山復式巖體中心部位，為侏羅紀花山超單元花崗巖，巖性為細中粒(中粒、斑狀)角閃黑云二長花崗巖(廣西壯族自治區地質礦產局，1985)(圖1)。

研究區所處的構造單元為華南準地臺桂中-桂東臺陷的大瑤山凸起，在區域構造上隸屬華南加里東褶皺系，位于大瑤山隆起的北東部。在漫長的地史時期中，研究區經歷了多期構造運動，構造較為復雜。主要斷裂為NE向和NW向兩種，以NE向為主，次為NW向(陳懋弘等，2015；覃小鋒等，2015)(圖1)。

研究區所處的賀州市具有良好的成礦地質構造，礦產資源豐富。經探查發現的礦種有60余種，主要有煤礦、鐵礦、錳礦、鎢錫礦、鉛鋅礦、稀土礦、飾面花崗巖、飾面大理巖、水泥用灰巖、白云巖、粘土、鉀長石等。其中稀土礦、飾面大理巖、飾面花崗巖、硅灰石等保有資源儲量居廣西第一位(黃漢，2016)。

2 遙感監測方法

本次研究主要基于ENVI和ArcGIS等軟件平臺進行數據處理和遙感解譯工作。主要的工作流程為收集研究區已有的基礎地質礦產勘查、礦山開發活動、環境地質等資料，對遙感數據進行處理和編制解譯所用的影像圖，建立遙感解譯標志進行初步解譯。根據初步解譯的結果進行野外踏勘調查驗證與解譯修正，進行質量控制。根據修正的解譯要素完成礦山開發占地、地質災害等信息的解譯工作，對2期數據結果進行對比研究，綜合分析研究區的礦山地質環境問題。技術路線如圖2所示。

圖2 礦山地質環境監測技術流程

2.1 遙感數據獲取與處理

為查明研究區的礦山開發環境現狀和近10年來的發展變化情況，本文選取了2期衛星遙感數據，分別為2008年的SPOT-5衛星影像和2017年的國產GF-2衛星影像。此次選取的2期數據為在這兩個時間段可獲取的覆蓋研究區的且空間分辨率優于2.5 m的最新遙感衛星影像。2008年的SPOT-5衛星影像的空間分辨率為2.5 m，2017年的國產GF-2衛星影像的空間分辨率為1 m，符合1∶5萬比例尺礦山開發要素的提取和礦山地質環境遙感監測的精度要求(李麗等，2016；魚磊等，2018；汪潔等，2020)。

遙感圖像處理軟件采用美國ITT Visual Information Solutions公司的旗艦產品—ENVI軟件對工作區的遙感影像開展圖像增強、幾何糾正、正射校正、鑲嵌、數據融合等預處理，經過預處理后的遙感影像色調豐富、影像清晰，使得地物要素更加容易辨識。

2.2 遙感信息提取方法

以經過處理的2008年和2017年的影像為基礎影像，結合野外驗證信息，利用ArcGIS軟件平臺，采用人機交互解譯的方法，分別提取與礦山開發活動相關的地物信息，主要包括開采面、中轉場地、固體廢棄物、礦山建筑物等地物要素。根據遙感解譯及野外檢查結果，建立了各類主要礦山地物的解譯標志(張焜等，2012；李麗等，2016；汪潔等，2020)。

(1)開采面

研究區非金屬礦大多以露天開采的方式進行開采，地表植被一般被剝離、剔除，影像邊界清晰，采掘剝離過程中主要產生第四紀沉積物、泥土、砂石，巖塊等物質，因此開采面影像特征以灰白色、黃褐色、土黃色色調為主(圖3a)。山坡型露天采場通常主體呈現正地形，圖斑最外側一圈出現明顯切割破壞痕跡；而凹陷型露天采場主體呈負地形，中心部分為凹陷深采坑，周圍環繞層狀剝離臺階。如圖3a所示野外開采面大面積碎石裸露，為采掘剝離現狀。

圖3 各類礦山地物遙感解譯標志及野外照片

(2)中轉場地

中轉場地大多地勢開闊，用以堆放開采的礦石等，通常還建有大量的礦山建筑及礦山道路。一般在遙感影像上呈淺灰色調或深色調，其遙感影像紋理特征為斑塊狀，形狀似圓形或半圓形錐狀堆積，植被稀少，且與道路相通，一般位于采礦區內較平坦的地方，周圍可見相關配套開采設備，如碎石機、挖掘機和運輸車等(圖3b)。

(3)固體廢棄物

固體廢棄物在影像上大多呈現一種雜亂的狀態，包括排土場、尾礦庫、廢石堆等。排土場是開采礦石產生的附帶品，為采礦面上層的第四系覆蓋層被開挖堆積、平整而成，一般排放在采礦場附近，形狀呈圓錐狀、梯形狀，大多數排土場具有梯狀、紋理平滑、與周圍背景色調反差的土黃色影、灰色影像特征(圖3c)。尾礦庫在影像上呈現不規則狀，具有一級一級的阻攔壩等特征，通常建在地勢相對平坦的地區或者山區凹地，尾礦庫通常含有選礦過程中產生的尾水，含有大量的化學元素，與周邊地物的光譜特征大不相同，在影像上具有鏡面紋理特征(圖3d)。

(4)礦山建筑物

礦山建筑的影像特征形狀規則，一般為規則的矩形或L型，建筑物頂部大多數為不同深淺的藍色、灰白色等。野外現場來看，研究區大部分礦山建筑為藍色的鋼板屋頂(圖3e)。

3 礦山開發占地狀況分析

通過遙感解譯，主要將研究區礦山開發活動的地物類型分為4大類：開采面、中轉場地、固體廢棄物和礦山建筑物。

3.1 礦山開發占損土地現狀

根據對2017年GF-2數據的遙感解譯結果(圖4)，里松-賀縣地區礦山開發占地總計1775.03 hm2，占整個里松-賀縣研究區面積的1.26%。礦山開發占損土地按類型統計：①開采面占地992.38 hm2，占地比例高達55.91%；合計246個；②中轉場占地159.47 hm2，占地比例為8.98%，中轉場合計85個；③固體廢棄物占地348.38 hm2，所占比例為19.63%，固體廢棄物包括排土場、尾礦庫和攔渣壩等，合計172個，其中排土場面積104.66 hm2，占固體廢棄物的30.04%，尾礦庫占地面積62.81 hm2，占固體廢棄物的18.03%；④礦山建筑物占地163.14 hm2，占地比例9.19%，礦山建筑物合計169個；其他建筑用地等類型占地111.66 hm2，占地比例6.29%(表1，圖5)。

圖4 里松-賀縣地區2017年GF-2數據礦山開發活動解譯圖

圖5 里松-賀縣地區2017年礦山地物類型占地比例統計圖

3.2 礦山開發占損土地變化情況

2008年和2017年的礦山開發占損土地情況見表1。由于2008年無法獲得更高質量的遙感數據，因此選擇了空間分辨率較高的SPOT-5數據，而SPOT-5數據沒有藍光波段，無法形成真彩色圖像，無法有效區分礦山建筑、中轉場地和固體廢棄物等礦山要素，但可以解譯出礦山開發活動的占地范圍，將其全部劃為了開采面(表1)。從表1中可以看出，2017年的礦山開發占損土地面積比2008年增長了51.10%，增長較多。通過2期數據的礦山開發活動的分析對比，說明隨著經濟發展，2008年到2017年的近10年間，礦山開采力度增大(圖6)。由于工作區的礦山開采活動主要以建筑用采石場、粘土礦、大理石和鉀長石礦為主，主要為露天開采，基本未進行過恢復治理，其對地形地貌、土地等產生直接破壞，且一經開采很難恢復。

表1 里松-賀縣地區礦山開發占損土地統計

圖6 里松-賀縣地區2008年和2017年礦山地物類型數量和面積變化

4 礦山地質環境問題分析

通過對研究區內礦山開發狀況的解譯、分析、研究，發現研究區由于礦山開發引發的礦山地質環境問題主要有誘發地質災害、破壞植被、環境污染等。

(1)礦山地質災害問題

根據對2017年的GF-2數據的遙感解譯，結合野外調查結果，里松-賀縣地區由于礦山開發等引發的地質災害及隱患分布合計121個(表2)，主要為滑坡、崩塌、泥石流和不穩定斜坡4類，其中滑坡62個，面積為72.35 hm2；崩塌26個，面積為33.04 hm2；泥石流3個，面積為11.72 hm2；不穩定斜坡30個，面積為16.37 hm2；主要會對道路、采場、礦山建筑和農田造成破壞。其中，礦山開采面主要引發的地質災害為滑坡和崩塌，排土場、尾礦庫主要會引發泥石流等地質災害。研究表明，里松-賀縣地區露天采石場較多，需重點監測采場的滑坡、崩塌，排土場的滑坡、泥石流等。通過野外實地調查來看，研究區存在較大礦山地質災害隱患的地區為水巖壩-楓木沖礦區，該礦區的大型采場較多，且大多開采山體，極易發生滑坡、崩塌等災害，危害對象主要為礦區內的礦山建筑和下游的村莊(圖7a)。

表2 里松-賀縣地區礦山地質災害遙感解譯統計表

(2)破壞植被

研究區的露天采場較多且占地面積較大，開采面占礦山開發用地的比例高達55.91%，被占用的土地植被破壞嚴重，且周圍堆積的廢石、廢渣等固體廢棄物極易引發滑坡、水土流失等地質災害，破壞礦山周邊的區域環境，同時礦山開采產生的粉塵也會被周邊植被吸收，植物的多樣性受到嚴重威脅(圖7a)。

(3)礦山環境污染

根據遙感解譯結果，里松-賀縣地區的礦山環境污染主要為水體污染、土壤污染和粉塵污染。通過野外實地調查，礦山開采過程中導致的固體廢棄物、粉塵和重金屬等污染物通過雨水匯入河流和土壤，導致礦區及其周邊的水體和土壤相對無礦山開發活動的區域污染程度要高，且礦山周邊的土壤物理性質較差，露天開采使得土壤含礫石較多，大大降低了土壤的保水、保肥能力。同時，礦山開采加工過程中產生的大量粉塵會引起霧霾等惡劣天氣和影響人類健康等，比如研究區內老虎坳地區遍布粉體廠，該區域存在大量的粉塵污染，廠方一般通過在工廠門口噴水來降低粉塵的污染，但效果欠佳，未從根本上解決問題(圖7b)。

圖7 里松-賀縣地區典型的礦山地質環境問題現狀

5 結論與建議

(1)通過對2017年國產GF-2數據的處理與解譯，得出研究區內礦山開發占地總計1775.03 hm2，其中，礦山開采面占地面積最大，達992.38 hm2，占地比例高達55.91%；其次為固體廢棄物，占地348.38 hm2，所占比例為19.63%；中轉場地、礦山建筑物等分別占8.98%和9.19%。對比2008年和2017年的2期數據解譯成果，得出2017年的礦山開發占損土地面積比2008年增長51.10%，增長較多。

(2)研究區礦山開采易引發地質災害、破壞植被、水土和粉塵污染等礦山地質環境問題。其中，2017年GF-2數據解譯的地質災害及隱患分布合計121個，主要為滑坡、崩塌、泥石流和不穩定斜坡4類，其中滑坡62個，面積為72.35 hm2；崩塌26個，面積為33.04 hm2；泥石流3個，面積為11.72 hm2；不穩定斜坡30個，面積為16.37 hm2；主要會對道路、采場、礦山建筑和農田造成破壞。

(3)通過對2008年和2017年的里松-賀縣地區的礦山開發活動的遙感監測，獲取了研究區礦山資源開發狀況與近10年來的變化情況，建議加強對研究區的遙感環境地質常態化監測，及時發現對環境地質具有破壞性的礦山開發活動和地質災害情況，加強對廢棄礦山治理情況的監測。