引用本文
方雪娟, 丁镭, 张志. 大冶陈贵镇小型尾矿库分布特征及其环境影响分析[J]. 国土资源遥感, 2013,25(1): 155-159
FANG Xuejuan, DING Lei, ZHANG Zhi. An analysis of distribution characteristics and environmental effect of small tailing ponds in Chengui town,Daye[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2013,25(1): 155-159  
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《国土资源遥感》编辑部
大冶陈贵镇小型尾矿库分布特征及其环境影响分析
方雪娟1, 丁镭2, 张志2
1.中国地质大学(武汉)地球科学学院,武汉 430074
2.中国地质大学(武汉)公共管理学院,武汉 430074
通讯作者:张 志(1964-), 男, 教授, 主要从事遥感技术研究和矿山遥感监测。 E-mail:171560655@qq.com。

第一作者简介: 方雪娟(1989-), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为遥感与地理信息系统、资源与环境遥感等。 E-mail:676534030@qq.com。

收稿日期: 2012-06-02
基金: 中国地质调查局地质调查项目“湖北省重点矿集区矿山开发遥感调查与监测”(编号: 1212011120022)资助
摘要

我国小型尾矿库数量占尾矿库总量的80%,当前矿山环境形势十分严峻。以WorldView-2高分辨率遥感图像为数据源,通过目视解译提取出大冶陈贵镇的尾矿库信息(小型尾矿库74个,占地面积58.95 hm2); 利用最邻近距离法得出尾矿库对4类地物的危害由大到小依次为道路>水体>农耕地>居民点; 选取大冶市DEM数据模拟水系和流域轮廓信息,使用ArcGIS提取出分级河网和集水流域数据; 以流域为整体单元划分出尾矿库对环境影响的区域(面积达59.96 km2),并结合陈贵镇小型尾矿库的分布规律和特点,预测和分析尾矿库对环境产生的影响,为相关部门加强对小型尾矿库的环境监测和生态治理提供了重要参考依据,显示出遥感技术在小型尾矿库分布特征及环境影响分析中发挥的重要作用。

关键词: 尾矿库; DEM; 流域分析; 环境影响
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2013)01-0155-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2013.01.27
An analysis of distribution characteristics and environmental effect of small tailing ponds in Chengui town,Daye
FANG Xuejuan1, DING Lei2, ZHANG Zhi2
1.Faculty of Earth Science, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
2.School of Public Administration, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;
Abstract

Small tailing ponds take up 80 percent of China's tailing ponds and have caused severe influence on the environment. Using WorldView-2 high resolution image as data source, the authors extracted the tailing ponds in Chengui town with visual interpretation method. There were 74 small tailing ponds, occupying 58.95 hm2. With the nearest distance method, the authors drew a conclusion that the degree of the four ground features affected by pond hazard was in order of road > water > farmland > residential area. Then the DEM of Daye City was selected to simulate the river system and contour profile information, and extracted the data of the hierarchical river stream and catchment watershed. With the watershed as a unit, the area of the environment impacted by the small tailing ponds was marked off, and the acreage area reached 59.96 km2. Combining the watershed analysis data with the distribution characteristics and law of the small tailing ponds, the authors further analyzed the effect of the small tailing ponds on the environment, thus providing valuable references for the relevant departments to reinforce environmental supervision and ecology management of the small tailing ponds. It is shown that the remote sensing technology will play an important role in the analysis of distribution characteristics and environmental effect of the small tailing ponds.

Keyword: tailing ponds; DEM; watershed analysis; environmental effect
0 引言

中国是一个矿业大国, 目前已有非金属矿山11.7万座, 金属矿山1.45万座, 全国已建和在建尾矿库1.26万余座[1]。大、中型尾矿库广受重视, 大部分都建立、健全了安全生产管理制度; 而小型尾矿库因其规模小, 容易导致人们思想上的麻痹, 认为它们的破坏力有限, 因而对其事故灾难的防范意识比较淡薄。而不容忽视的事实是, 小型尾矿库虽面积小, 却数量多、分布零散, 其数量约占我国尾矿库总数量的80%, 给矿山环境及其周边环境都带来了极大的不利影响, 相关的事故报道亦不少见。但是, 目前对小型尾矿库的环境影响范围和潜在的影响程度仍缺乏深入的研究。

遥感技术能迅速、准确、动态地获取大面积的地面信息, 是对矿产资源开发状况调查和矿山环境监测的一种较为成熟的技术方法[2, 3, 4]。随着IKONOS, QuickBird, SPOT5和WorldView等新型传感器的相继问世, 遥感图像的空间分辨率由10 m逐步提高到亚米级, 极大地提高了对矿区复杂地物的分辨能力, 使尾矿库信息也能得到很好的反映和识别。例如郝利娜等[5]基于WorldView-2图像建立了尾矿库高分辨率遥感图像识别因子, 在鄂东南地区取得较好的尾矿库识别效果。流域指水系的汇水区域, 是具有水文功能的连续体[6], 有较明显、稳定、可辨识的自然边界。从19世纪80年代始, 随着水环境问题研究的不断深入, 以流域为水环境管理基本单元的理念在国际上得到了日益广泛的认可[7, 8, 9, 10]。以流域思想为基础开展尾矿库的环境影响分析和管理研究, 可遵循流域内水文和污染物输移的自然过程, 从全局上确定出受影响区域的范围, 从而为污染防治和环境治理工作提供可靠资料。

本文将遥感技术与流域分析方法相结合, 研究不受重视的小型尾矿库。以WorldView-2高分辨率遥感图像和DEM为数据源, 通过目视解译在ArcGIS软件平台提取出研究区大冶陈贵镇的尾矿库信息, 总结其分布特征及规律, 进而采用流域分析方法确定小型尾矿库对环境影响的范围, 预测和分析其潜在的环境影响程度, 为相关部门加强对小型尾矿库的环境监测和监管提供参考。

1 研究区概况

研究区陈贵镇位于湖北省大冶市中部, 距大冶市区16 km; 东与金湖街道办事处相邻, 南与刘仁八镇交界, 西与灵乡镇接壤, 北与金山店镇和茗山乡毗邻, 面积为160.4 km2。武(武汉市)灵(灵乡镇)铁路通过境内, 与京广线接轨。大金省道沿EW向横贯陈贵镇, 东接沪蓉高速公路, 西接106国道。大港河是流经陈贵镇的主要河流, 发源于大冶灵乡镇红峰水库, 由陈贵镇西南边流入, 东北端流出, 最终汇入大冶湖(图1)。

图1 陈贵镇地理区位图Fig.1 Geographical district map of the Chengui town

陈贵镇地处幕阜山脉北侧的边缘丘陵地带, 蕴藏着丰富的矿产资源, 是大冶市重要的矿冶基地, 现已探明的矿产资源有铁、金、锰、钴等10多种。主要开矿活动集中在陈贵镇东南部铜山口和大广山一带, 以铜矿和铁矿为主, 现拥有铜山口铜矿和狮子山铜矿2个铜矿的采矿权和大广山铁矿、张泗朱铁矿等6个铁矿的采矿权。经遥感图像解译和野外验证, 确定正在开采铜、铁矿的露天开采区2 处和地下开采区8 处。

2 尾矿库分布特征分析
2.1 尾矿库遥感解译

本次研究使用的遥感数据为WorldView-2卫星在2010-05-30获取的多光谱图像(星下点分辨率为1.8 m)和全色图像(星下点分辨率为0.46 m)。对原始图像进行图像融合、正射纠正等预处理, 得到覆盖研究区的空间分辨率为0.5 m的多光谱图像, 为尾矿库信息提取提供了高分辨率的遥感数据。

对经过上述预处理的WorldView-2图像进行B3(R), B2(G), B1(B)波段组合的假彩色合成, 在湖北省1:5万地形图、矿权数据、地层和岩体地质数据的辅助下, 根据图像中不同地物的色调、纹理和形状等影像特征(表1), 建立了目标信息的解译标志; 采用目视解译方法进行目标信息提取, 最终勾画出目标信息范围, 生成shape格式的矢量文件; 并赋予相应的属性, 进行了统计分析。

陈贵镇尾矿库主要为铜、铁尾矿库。依据尾矿库的规模和使用状况, 可将尾矿库分为以下3类:

表1 尾矿库影像特征及野外照片 Tab.1 Image features and field photos of tailing ponds

1)大中型尾矿库。形状如水库, 外围有库坝为界, 库内可区分出灰色含尾砂量很高的裸露泥浆区和深色废水区; 尾砂量从边缘泥浆区向中间废水区渐减, 可见发射状扇形纹理。

2)小型正在使用的尾矿库。呈方形或不规则形状的水塘, 库内为灰色发射状泥浆与废水的混合物; 库坝呈灰白色, 由土或尾砂堆砌而成。尾矿库周围可见少数蓝顶或灰顶厂房及灰色选矿场地。有些小尾矿库随着尾矿的不断增多而向下游扩大库容, 形成多级尾矿坝, 尾矿库呈阶梯状分布。

3)小型已废弃的尾矿库。形状和特征与使用中的小型尾矿库相似, 区别在于库内很少有水体, 几乎都是干涸的固体泥浆, 有些库内已生长有少量绿色植被。

根据尾矿库解译标志, 本文通过目视解译从研究区中共提取出76个尾矿库(其中大中型2个, 小型74个)和43个选矿场地, 作为本文的研究对象(图2)。对解译结果进行了野外实地验证, 结果表明解译精度可达95%以上。

图2 陈贵镇尾矿库解译结果Fig.2 Interpretation result of the tailing ponds in the Chengui town

2.2 尾矿库分布规律及特征分析

2.2.1 尾矿库的空间分布

尾矿库一般地处山谷中, 离矿区不远; 与选矿场地伴生, 在选矿场附近就地而建。由于小选矿场的企业主多为私营(甚至部分是违规)开采, 其开矿、选矿的随意性加剧了尾矿库分布的散乱性, 且多靠近农耕地、水源、居民地和道路等地物。本文选用最邻近距离法, 结合地形等高线、河流等地形要素, 确定出距上述4类地物最近的尾矿库; 并利用ArcGIS软件量算出距离, 作为分析尾矿库对周边环境影响的依据之一。表2为陈贵镇小型尾矿库距最邻近地物的情况。

表2 陈贵镇小型尾矿库最邻近地物情况统计 Tab.2 Statistics of the most adjacent ground features of the small tailing ponds in the Chengui town

从表2可以看出, 距离农耕地最近的尾矿库共有25个, 最邻近距离范围0.6~71 m, 平均距离约13.9 m; 距离农耕地在5 m以内的尾矿库有7个, 2 m以内的有2个。距离道路最近的尾矿库共有23个, 最邻近距离范围为0.5~42 m, 平均距离约7.6 m; 距离道路在5 m以内的尾矿库有10个, 距离道路2 m以内的尾矿库有6个。距离水体最近的尾矿库有9个, 最临近距离范围3.6~13 m, 平均距离约7.7 m; 距离水体在5 m以内的尾矿库有2个。距离居民点最近的尾矿库有4个, 最邻近距离范围5.3~55 m, 平均距离约19.9 m; 距离居民点在5 m左右的尾矿库有2个。与以上几类地物均不邻近、不会构成直接危害的小型尾矿库有13个。

2.2.2 尾矿库的规模和数量

小型尾矿库库容小, 但数量众多。本文从研究区中共提取出74个小型尾矿库, 在陈贵镇的平均分布密度约为1个/1.1 km2, 占地面积均小于4 hm2, 总面积达58.95 hm2, 平均每个小型尾矿库占地面积为0.8 hm2; 占地面积小于1 hm2的小型尾矿库就有55个(占小型尾矿库总数的74.32%)。

2.2.3 尾矿库的坝体设施和管理

在坝体设施上, 尾矿坝多用土和尾砂堆积而成, 较松散, 不牢固; 且设备简陋, 缺乏必要的配套设施(如排洪、回水系统等)。

在管理上, 有关部门对中小型选矿场监管不严, 对小型尾矿库随地搭建不予重视, 利用完毕后多弃之或听之任之而不加治理。74个小尾矿库中有26个处于废弃状态, 占地面积达17.95 hm2(占小型尾矿库总占地面积的30.44%)。企业主对这类尾矿库没有采取有效的处理措施, 而是原地搁置, 既占用大量土地、破坏自然景观, 也为后期的生态恢复带来极大的困扰。

3 小型尾矿库环境影响分析
3.1 环境影响范围分析

数字高程模型(DEM)数据中包含了丰富的地形、地貌及水文信息, 是流域地形和地物识别的重要原始资料。应用DEM数据模拟流域轮廓、地形、水系和坡度等信息, 可用于分析流域生态系统的结构和各子流域间的空间关系[11], 对流域管理的主要问题(如水土流失、非点源污染等)能提供一定的参数, 可用于对尾矿库环境影响范围的预测和分析。本文为体现流域的宏观性和整体性, 以陈贵镇所在的大冶市为分析背景, 从湖北省1:5万DEM数据中提取出覆盖整个大冶市的DEM数据; 使用ArcGIS的水文分析模块进行数据处理, 包括地表径流模拟过程中的水流方向确定、水流累积矩阵生成、分级河流网络生成以及流域分割提取等步骤[12](图3)。

图3 流域分析技术流程Fig.3 Flow chart of watershed analysis

通过对上述水文因子的提取, 可再现水流的流动过程, 确定出受污染源影响的区域, 进而进行环境影响分析。用DEM进行流域分析所得到的关键数据有分级河网和集水流域。图4是提取出的尾矿库与分级河网、集水流域的空间叠合图, 各种地理信息的集合体及其空间展布为研究区的环境效应分析提供了充分、直观的基础信息。

图4 尾矿库与分级河网等要素叠合图Fig.4 Overlapping map of the tailing ponds and hierarchical river streams

从图4中的分级河网可以看出, 途经陈贵镇的主水流方向为由西向东。从尾矿库所在位置的高程最高区域开始, 按1— 4级的顺序搜索分级河网; 以搜索到的可能受尾矿库影响的流域分水岭为界, 圈定出尾矿库对环境产生影响的区域。图4中蓝色虚线圈定的区域是本次研究确定的尾矿库对环境的影响范围(面积达59.96 km2)。

3.2 潜在环境影响分析

3.2.1 小型尾矿库灾害

陈贵镇的小型尾矿库坝体松散、库容小、设施简陋, 容易发生溃坝、渗流和小型滑坡等灾害, 导致尾矿液泄露。研究区处于亚热带湿润环境, 常年多雨, 如遇到强暴雨季节, 更容易发生溃坝; 而尾矿库在位置上多靠近农耕地、水源、居民地和道路等与人类生产、生活息息相关的地物, 一旦发生溃坝等灾害, 将会直接危害尾矿库周边及其下游的村庄、农田、道路或工矿企业等, 造成环境污染和经济损失。根据上文计算得到的平均距离可以判断, 尾矿库对上述4类地物潜在的渗流等危害由大到小依次为: 道路> 水体> 农耕地> 居民点。从环境监测角度来看, 目前可以重点做好与上述4类地物距离较近(5 m以内)的21个尾矿库的整治工作; 对于紧靠道路、农耕地(距离2 m以内)的8个小型尾矿库尤其要注重坝体加固和安全监测工作。

3.2.2 重金属和水土污染

受限于选矿工艺技术或出于经济考虑, 多数选矿厂仅能提取铜、铁矿原料, 而将其他物质排入尾矿库中; 同时, 选矿过程要加入各种浮选药剂(有些是剧毒的, 如黄药), 据刘忠明等[13]对鄂东南地区尾矿进行的化学成分分析, 在铜、铁尾矿库的废液中含有S, Pb, Zn, Cu, Cr, As和Hg等50多种化学元素。大量重金属和有毒药剂滞存于尾矿库, 受表土风化、雨淋和地表径流冲蚀等作用, 尾矿废液很容易渗入土壤与河流, 造成水土污染。根据流域分析的结果, 尾矿库的潜在环境影响面积达59.96 km2, 范围很大; 而进入水体和土壤的重金属, 又可能通过水生生物、牧草、庄稼等植被进入食物链, 被吸收、富集, 进而对尾矿库周边的居民和家畜的健康产生潜在威胁。这种危害是潜移默化的, 短期不易被察觉, 一旦长久积累则危害极大。因此, 有必要定期对尾矿库周围的水体和农田进行重金属元素测试, 并及时采取相应的整治措施。

3.2.3 占用土地与破坏植被和景观

选矿废液堆存于尾矿库内, 占用了大量土地; 而大量废液若渗入土壤与河流, 造成土壤酸化或盐渍化, 改变土地原有的性质, 破坏土地资源, 影响植被生长(在对尾矿库的实地调查中可见到多处尾矿库附近的植被稀疏萎黄, 生长不良)。随意修建的简陋尾矿库与原有自然景观极不协调, 增加了景观破碎度, 降低了原景观的审美价值。因此, 有必要对矿山开采秩序进行整顿, 规范尾矿库的建设和管理。

4 结论与建议

1)陈贵镇小型尾矿库具有数量多、规模小、分布乱、管理设施差等特点, 在空间位置上多邻近水体、农耕地、道路和居民点等4类地物。根据最邻近平均距离, 确定尾矿库对4类地物的潜在危害由大到小依次为道路> 水体> 农耕地> 居民点。因此, 可重点排查和监控靠近道路和水体的小型尾矿库, 近期可加固尾矿库的坝体。

2)根据流域分析结果, 陈贵镇小型尾矿库对流域的影响面积达59.96 km2, 主要存在3大方面的危害: ①尾矿库溃坝、渗流而引发次生灾害; ②重金属污染和水土污染; ③占用土地、破坏植被与自然景观等。

小型尾矿库的环境影响评价和环境灾害防治是一项长期任务, 需要引起社会和学术界的高度重视; 关于小型尾矿库的环境影响评价方法还需要进一步探索和研究。本文以陈贵镇的小型尾矿库为例, 旨在呼吁有关部门在矿山环境整治的过程中, 特别要加强对小型尾矿库的环境监测和生态治理, 为营造更加安全、和谐的矿山环境创造条件。

The authors have declared that no competing interests exist.

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