察尔汗盐湖演变趋势及驱动力分析

doi:10.6046/gtzyyg.2020.01.18

察尔汗盐湖演变趋势及驱动力分析

杨显华¹^,², 徐肖³, 肖礼晓²^,³, 田立¹^,², 郝利娜³, 许鹏²

1. 稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室,成都 610081

2. 四川省地质调查院,成都 610036

3. 成都理工大学地球科学学院,成都 610051

Evolution trend and driving force analysis of the Chaerhan Salt Lake

YANG Xianhua¹^,², XU Xiao³, XIAO Lixiao²^,³, TIAN Li¹^,², HAO Lina³, XU Peng²

1. Sichuan Key Laboratory of Evaluation and Utilization of Rare Earth Strategic Resources, Chengdu 610081, China

2. Sichuan Geological Survey Institute, Chengdu 610036, China

3. College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610051, China

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2019-02-22 修回日期: 2019-04-9 网络出版日期: 2020-03-15

基金资助:

中国地质调查局项目“全国矿山开发状况遥感地质调查与监测.  编号: DD20190511
“全国矿山环境恢复治理状况遥感地质调查与监测”.  编号: DD20190705
“四川省矿产资源开发环境遥感监测”.  编号: 12120115061801

Received: 2019-02-22 Revised: 2019-04-9 Online: 2020-03-15

作者简介 About authors

杨显华(1982-),男,硕士,高级工程师,主要从事遥感地质、生态环境调查研究等工作。Email:170219994@qq.com。。

摘要

察尔汗盐湖蕴藏着丰富的氯化钠、氯化钾、氯化镁等无机盐,是中国矿业基地之一。但是,近年来随着察尔汗盐湖及其周边盐田工业开采活动的迅速发展,盐湖的水质受到了污染,湖水面积也在快速减小。通过计算研究区2002—2018年间归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),得到研究区植被变化情况,运用遥感监测手段,结合降雨、工业发展等多个因素对察尔汗盐湖演变趋势以及驱动力因素进行研究。研究表明: ①盐田矿山的开发是造成察尔汗盐湖退化的主要因素,随着盐田开采面积的增大,自然盐湖面积大量减小,水量减少,水体盐碱化严重; ②察尔汗盐湖面积受降水量的影响,降雨充沛的年份,盐湖面积变大,但降雨较少的年份盐湖面积减少并不显著; ③盐田的开采会影响植被的生长,经野外实地调查,盐田的开采导致盐湖水质盐碱化严重,在高盐碱区植被难以生长,所以盐湖周边植被较少。

关键词： 察尔汗盐湖 ; NDVI ; 降雨 ; 矿山开采

Abstract

The Chaerhan Salt Lake contains abundant inorganic salts such as sodium chloride, potassium chloride and magnesium chloride, and it is also one of the mining bases in China. In recent years, with the rapid development of industrial mining activities in the Chaerhan Salt Lake and its surrounding salty field, the water quality of the salt lake has been polluted, and the lake water area has also rapidly decreased. By calculating the normalized vegetation index (NDVI) for the study area in 2002—2018, the authors obtained vegetation changes in the study area. Using remote sensing monitoring methods and combined with various factors such as rainfall and industrial development, the authors studied evolutionary trends and driving factors of the Chaerhan Salt Lake. Some conclusions have been reached: ① The development of salty field mine is the main factor causing the degradation of the Chaerhan Salt Lake. With the increase of the mining area of salt fields, the area of natural salt lakes has been greatly reduced, the amount of water has been reduced, and the salinization of water bodies has become serious. ② The area of the Chaerhan Salt Lake is affected by precipitation. In the years of abundant rainfall, the area of the salt lake has been larger, and smaller changes occur in the area of salt lakes in less rainy years. ③ Mining of salt fields will affect the growth of vegetation. According to the field investigation, salt field mining leads to serious salinization of salt lake water, and vegetation can hardly grow in the high salinity area, so there is less vegetation around the salt lake.

Keywords： Chaerhan Salt Lake ; NDVI ; rainfall ; mining

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本文引用格式

杨显华, 徐肖, 肖礼晓, 田立, 郝利娜, 许鹏. 察尔汗盐湖演变趋势及驱动力分析. 国土资源遥感杂志[J], 2020, 32(1): 130-137 doi:10.6046/gtzyyg.2020.01.18

YANG Xianhua, XU Xiao, XIAO Lixiao, TIAN Li, HAO Lina, XU Peng. Evolution trend and driving force analysis of the Chaerhan Salt Lake. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(1): 130-137 doi:10.6046/gtzyyg.2020.01.18

0 引言

近年来随着自然环境的变迁和人类采矿活动的发展,盐湖区环境存在退化趋势^[1],主要表现为天然盐湖面积减小甚至消亡,周边土地沙化及植被逐渐退化,涉矿用地持续增长,老卤水污染造成盐湖质量下降等^[2]。因此开展人类活动对天然盐湖及周边自然环境变迁影响研究,对促进察尔汗盐湖可持续生产及周边地区的环境保护和生态平衡稳定的维持有着重大的意义^[3]。

目前国外对盐湖及其周边自然环境变迁影响的研究较少,但我国经过若干年的环境保护政策调节,已总结出正确处理资源开发和环境协调发展的方法: 由先污染,后治理转向预防为主,制定矿山环境保护法规、理顺矿山环境管理体制、建立矿山环境影像评价制度、实行矿山环境许可制度以及执行矿山环境恢复治理计划^[4]。

遥感技术已被广泛应用于自然资源、矿产资源监测工作中^[5]。本文基于多期遥感影像,对盐湖区水体、植被覆盖度、矿业活动占地等生态环境要素进行持续监测,同时收集土地、降雨、人类活动等资料,综合分析环境退化的诱发因素(含自然因素和人为因素),探讨治理措施与预防建议,为盐湖区可持续开发与自然环境的保护提供数据支撑^[6,7,8]; 也对盐湖区生态环境保护与恢复治理提出了科学建议。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

研究区察尔汗盐湖矿区(图1)位于青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市都兰县和大柴旦行政委员会,地理坐标为N36°20'52″~37°21'42″,E99°11'22″~96°01'27″,面积为20 029.37 km²。该盐湖属于钾、硼、锂综合性矿床,是我国最主要的钾肥生产基地,涵盖了钾盐、钾镁盐、盐、锂等多个盐湖型矿山。经多年大规模开采,矿区生态环境发生了巨大变化,主要存在天然盐湖削减、土地资源及地貌景观破坏、老卤水污染以及土地沙化等问题。本文利用2018年GF-1和GF-2遥感影像,采用B3(R),B2(G),B1(B)波段合成影像,对研究区矿山开发占损土地调查情况如图1所示。

图1

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图1 研究区2018年度矿山开发占损土地遥感调查

Fig.1 Remote sensing survey of damaged land in mine development in the research area in 2018

1.2 数据源及其预处理

基于Landsat影像计算归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),来提取研究区植被变化信息。由于该研究区人类扰动相对较少,地表覆盖变化亦较小,因此每隔4 a进行一次NDVI计算。2002年、2006年和2010年为Landsat5 TM影像,获取时间分别为2002年8月14日、2006年8月28日、2010年8月6日; 2014年和2018年为Landsat8 OLI图像,获取时间分别为2014年8月14日、2018年7月28日。图像空间分辨率均为30 m。为了尽可能减小季节对遥感影像中植被信息的影响,所选取的影像成像时间均为植被长势较好的7月或8月。因此选取的遥感影像所提取植被信息具有一定的可比性。

研究区由4幅影像拼接而成,由于大气对NDVI的提取有着较大的影响,因此利用ENVI软件先对遥感影像进行基于MODTRAN4+辐射传输模型的FLAASH大气校正,以消除水蒸气、气溶胶等介质对地物反射能量的影响,得到真实地表反射率^[9]。将进行过大气校正的影像按研究区大小进行裁剪,对裁剪后的影像进行NDVI计算,最后对NDVI计算结果进行彩色密度分割,得到分类结果。

同时,收集了研究区2018年高空间分辨率遥感影像,分别为22景2 m空间分辨率的GF-1和8景1 m空间分辨率的GF-2遥感数据,影像获取时间均在2018年6—10月期间,用于矿产资源开发环境地物信息的高精度提取。基于ENVI软件对遥感影像进行了坐标转换、波段组合、几何纠正、数据融合和镶嵌等预处理,以满足矿山开发环境信息提取要求。

2 自然环境及矿业活动变化信息提取

2.1 自然环境变化信息提取

2.1.1 植被信息提取

NDVI体现了植被的生长状态及其空间分布特征,两者呈线性相关关系^[10,11]。它可由遥感影像红光及近红外波段地表反射率数据计算得到,计算公式为

(1)NDVI=

\frac{R_{nir} - R_{red}}{R_{nir} + R_{red}}

式中R_nir和R_red分别为近红外和红光波段的反射率。

研究区各时间节点的NDVI空间分布情况如图2所示。

图2

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图2 2002—2018年NDVI提取结果

Fig.2 Extraction results of NDVI from 2002 to 2018

2.1.2 基于植被信息的自然环境要素提取

根据自然地物遥感影像标志和植被信息提取结果,参考了多种分类标准,同时结合研究区野外实地调查状况,对研究区的水体、裸露滩涂湿地、戈壁沙漠、植被稀疏区和植被较茂密区进行了分级界定,保证了自然环境要素分级的准确性。研究区内自然环境遥感分级标准如表1所示。

表1 自然环境要素分级

Tab.1 Classification of natural environmental elements

研究区地物分类	NDVI	遥感影像解译特征
自然水体	[-1,-0.4)	遥感影像上呈现暗蓝色调,在影像中表现为水的自然特征
盐田水体	[-1 ,-0.4)	矿山开采形成的盐田水体,影像上呈规律格状形态,在影像中表现为水的自然特征
裸露滩涂湿地	[-0.4 ,-0.02)	影像中呈棕灰色,具有一定水分,因含盐碱,仅有稀疏植被生长
戈壁或沙漠	[-0.02,0.1)	影像中呈黄棕色,颜色均一,地面几乎被粗沙、砾石所覆盖,植被稀少或几乎没有植被
植被稀疏区	[0.1,0.3)	影像上呈深灰色,有少量稀疏植被存在,多分布于河流冲积扇附近
植被较茂密区	[0.3,1]	影像上呈暗黑色,植被相比于稀疏区植被较为茂密,覆盖度大于30%,一般分布于河道两侧

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依据上述方法和标准,基于植被信息提取结果和遥感影像特征,将研究区自然环境要素分为水体、裸地和植被覆盖区3大类,并进一步细分为自然水体、盐田水体、裸露滩涂湿地、戈壁或沙漠、植被稀疏区和植被较茂密区6小类。

在2002—2018年间,研究区5期遥感监测结果如图3所示,其中开发占地包含盐田水体、固体废弃物、中转场和矿山建筑物等,因固体废弃物、中转场和矿山建筑物等地物NDVI值与戈壁或沙漠的NDVI值相近,不易区分,所以开发占地是根据高分影像由人工判读圈定。根据5期遥感影像对6类要素面积进行统计的结果如表2所示。

图3

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图3 2002—2018年研究区矿业活动及自然环境要素监测

Fig.3 Monitoring of mining activities and natural environmental elements in the research area from 2002 to 2018

表2 2002—2018年研究区矿业活动及自然环境要素面积

Tab.2 Mining activities and natural environment elements area in the research area from 2002 to 2018(km²)

年份	水体			裸地			植被覆盖区
年份	自然水体	盐田水体	合计	裸露滩涂湿地	戈壁或沙漠	合计	植被稀疏区	植被茂密区	合计
2002年	422.63	165.17	587.80	413.37	18 215.72	18 629.09	787.51	24.96	812.47
2006年	463.96	265.57	729.53	264.43	18 323.65	18 588.08	648.23	63.52	711.75
2010年	691.92	410.08	1 102.00	734.82	17 467.67	18 202.49	659.98	64.89	724.87
2014年	482.07	491.43	973.50	102.93	17 700.65	17 803.58	1 226.07	26.21	1 252.28
2018年	299.99	703.95	1 003.94	113.65	17 688.10	17 801.75	1 210.45	13.22	1 223.67

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分析遥感监测结果,研究区内水体占地面积呈快速增长趋势,其中盐田水体增长突出,新的盐田在急速增多,2018年盐田水体面积是2002年的4.26倍,水体盐碱化情况严重; 自然水体面积先增加,在2010年达到顶峰后减小,结合降水信息,2002年降水量较小,自然水体的面积较小,2010年的降水量增多,相应的自然水体面积增加,可推断自然水体面积与降水量相关,但不全受降水影响,可能还受盐田增加的影响; 受水体、植被覆盖区的影响,裸地面积逐年减少,但减小趋势缓慢; 植被覆盖区面积缓慢增长,主要为植被稀疏区面积增长较多; 矿山占地面积也呈快速增长趋势,占损土地范围以戈壁或沙漠地貌为主,少量为滩涂湿地。

2.2 矿业活动变化信息提取

2.2.1 信息提取方法

基于2018年波段组合为B3(R),B2(G),B1(B)的高分影像(空间分辨率优于2.5 m)和2002—2018年5期Landsat模拟真彩色遥感影像,以ArcGIS软件为工作平台,采用类比法、直译法、排除法和推测法等解译方式,开展矿山开发环境信息提取工作。矿业活动包含盐田开采、矿山建筑搭建以及废弃物堆积等。根据研究区具体情况,借鉴《矿山遥感监测工作指南》、《矿产资源开发遥感监测技术规范》^[12,13]等相关技术标准,对研究区矿业活动信息进行了提取,遥感解译标志如表3所示。盐田水体、固体废弃物、中转场以及矿山建筑物统一命名为矿山开发占地图斑,即图3中的开发占地。基于2018年度高分遥感影像,实现了矿山开发盐田、固体废弃、中转场和矿山建筑物的清晰判别,将其结果叠加于各年度Landsat遥感影像,辅助判断出了2002—2018年间矿山地物图斑变化情况。其中,盐田图斑行迹非常清晰,保证了矿山占地图斑监测数据的准确性。根据研究目标特征,在解译过程中将盐田图斑单独提取,并与天然盐湖水体进行对比分析。

表3 矿山开发占地图斑类型遥感解译标志

Tab.3 Remote sensing interpretation marks for the types of land spot in mine exploitation

占地类型	特征	高分影像	Landsat影像
盐田水体	颜色多为深绿色,呈格状规律分布
固体废弃物	灰白色调,团块状,纹理较为杂乱
中转场	主要为选矿厂、堆矿场地,位于盐田旁
矿山建筑物	呈长方形、正方形等规则形态图斑或集合形态

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2.2.2 提取结果

根据矿业活动遥感信息提取方法,对2002—2018年间研究区矿山开发占地图斑进行了遥感解译,并将提取信息区分为盐田水体占地和其他矿山占地(固体废弃物、中转场、矿山建筑物)2大类,显示出研究区矿山开发占地面积持续、快速增长的趋势。进一步统计面积及增长率如表4所示,其中增长率指该年度面积统计结果相对于上年度面积统计结果的增长百分比。

表4 2002—2018年矿业活动信息提取结果

Tab.4 Mining activity information extraction results from 2002 to 2018

年份	盐田水体		其他矿山占地		开发占地面积合计/ km²
年份	面积/ km²	增长率/%	面积/ km²	增长率/%	开发占地面积合计/ km²
2002年	165.17	—	134.03	—	299.20
2006年	265.57	60.79	176.25	31.50	441.82
2010年	410.08	54.42	210.14	19.23	620.22
2014年	561.43	36.90	300.54	43.02	861.97
2018年	703.95	25.39	415.06	38.10	1 119.01

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研究区矿业活动中,开发占地面积呈快速增长趋势。2018年开发占地较2002年增长了2.74倍,2018年盐田水体面积较2002年增长了3.26倍,其他矿山占地增长了2.10倍。2002—2006年间的盐田增长率最高,2006年以后,增长率逐渐降低,但开发面积仍在不断扩大。

3 自然环境变化趋势及驱动因素分析

3.1 水体面积变化分析

根据表2统计结果绘制水体变化情况如图4所示,研究区内水体总面积呈先增长后减小的态势,2018年水体面积为1 003.94 km²,较2002年增长了70.80%,其中自然水体(天然盐湖)面积在2010年后呈急剧减少态势,较2002年减少了29.02%。盐田水体(钾盐开采形成的人工水体)面积则呈现持续增长趋势,较2002年增长了3.26倍。

图4

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图4 研究区2002—2018年水体面积变化

Fig.4 Water area change in the study area from 2002 to 2018

2002—2018年间自然水体减少了122.64 km²,通过对盐湖开采方式、开采状态、矿业活动区变化、降雨量等多因素综合分析,认为主要驱动因素有以下几个方面。

1)矿山开采规模扩大引发盐田和其他矿山占地快速增加是自然盐湖水体减少的直接因素。在研究区2002—2018年间钾盐等盐湖类矿产开采直接占损自然盐湖水体达到54.28 km²,占减少总量的44.26%。

2)矿山开采抽取周边盐湖水是自然盐湖水体减少主要因素。受盐湖类矿产开采抽取盐水影响,未被开发为盐田的自然盐湖水体减少了68.36 km²,占减少总面积55.74%。研究区内钾盐矿山周边较典型盐湖缩减、消亡的遥感监测情况如图5所示,霍鲁逊湖2006年已经有小规模钾盐开采,自然盐湖水域影像特征显著(图5(a)),2006—2018年期间钾盐生产规模扩大,通过管道、沟渠抽取盐水,用于盐田晾晒钾盐、盐等矿产品,造成了盐湖水体减少和消亡(图5(b))。

图5

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图5 研究区内钾盐矿山周边盐湖变化情况监测

Fig.5 Monitoring of salt lake change around potassium salt mines in the study area

3)雨量减少间接引发了自然盐湖面积减少,但并未起到主导作用。收集了研究区附近德令哈市2002年以来降雨量统计数据(如图6所示),2010年以前降雨量相对较多,之后降雨量变少^[14,15]。较2002年,2010年降雨量减少了16.01%,2018年减少了35.04%。降雨量的减少,不可避免对盐湖水体减少产生影响。

图6

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图6 德令哈市2002—2018年降雨量变化趋势

Fig.6 Rainfall trend of Delingha City from 2002 to 2018

综合分析了降雨量及周边未开采盐湖变化情况,认为降雨量的减少未对盐湖水体面积减少产生主导作用,主要原因为: ①2002年与2018年间自然盐湖面积减少率(29.02%)远小于降雨量减少率(35.04%); ②对比了研究区周边2个天然盐湖2006—2018年间相同季节水体变化情况(如图7—8所示),表明自然盐湖面积并未受到降雨量减少影响,苏干湖面积由2006年1.07 km²增长至2018年1.24 km²,增长了15.89%; 小柴达木湖面积由2006年0.92 km²增长至2018年1.10 km²,增长了19.57%。

图7

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图7 苏干湖2006—2018年间水体变化遥感对比

Fig.7 Remote sensing contrast of water surface change in Sugan Lake from 2006 to 2018

图8

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图8 小柴达木湖2006—2018年间水体变化遥感对比

Fig.8 Remote sensing contrast of water surface change in Xiaochaidamu Lake from 2006 to 2018

3.2 植被覆盖区变化趋势分析

研究区内植被覆盖区总面积呈增长趋势如图9所示,2018年植被覆盖区1 223.67 km²,较2002年增长了50.61%,较2010年增长了68.81%。其中植被稀疏区面积总体上呈增长趋势,也是主要植被覆盖区类型,2018年较2002年增长了422.94 km²,植被茂密区面积则较2002年减少了11.74 km²。2010年后植被覆盖区面积显著增长,主要由植被稀疏覆盖区面积快速增长引发,植被茂密区面积较小,钾盐矿开采直接占损植被覆盖区面积较少。对植被覆盖区变化驱动因素分析,研究区内植被受人类采矿等干扰影响不明显,2010年后植被稀疏区面积明显增长,推测在西北荒漠区实施的退耕坏草、围封禁牧等生态环境保护与恢复治理等政策发挥了主要作用。

图9

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图9 研究区2002—2018年间植被面积变化

Fig.9 Vegetation area change in the study area from 2002 to 2018

3.3 裸地变化趋势分析

研究区内裸地面积呈缓慢减少态势(图10),2018年裸地为17 801.75 km²,较2002年减少了827.34 km²,减少百分率为4.44%。其中戈壁或沙漠是裸地主要类型,共减少了527.62 km²,减少百分率为2.90%; 裸露滩涂湿地面积减少了299.72 km²,减少百分率为72.51%。

图10

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图10 研究区2002—2018年各占地类型面积变化

Fig.10 Area change of different land coverage types in the study area from 2002 to 2018

对裸地变化驱动因素分析,裸地变化受人类采矿活动影响最为强烈,植被生态环境恢复等也有一定促进作用: ①钾盐矿开采形成的盐田、中转场和矿山建筑物等占用了大面积裸地,是造成裸地面积减少的主要因素。2002—2018年间,盐田新增占损裸地538.78 km²; 中转场、矿山建筑物等矿山地物直接占损戈壁或沙漠717.95 km²,占损裸露滩涂湿地46.17 km²。②植被覆盖区面积的增长引发了裸地面积的减少。因植被覆盖区的增加,2002—2018年间,裸地面积减少了411.2 km²。③自然水体面积的减少,引发了裸地面积的增长。因钾盐开采、气候等多因素影响,2002—2018年间自然水体面积减少了122.64 km²,多成为了裸地,造成了裸地面积的增长。

4 结论与建议

通过对察尔汗盐湖矿区自然环境要素和矿业活动信息提取,开展了采矿扰动下驱动因素的分析,取得结论和建议如下:

1)基于多期次Landsat遥感影像,利用NDVI实现了水体、植被覆盖区和裸地等变化信息提取,获取了研究区2002—2018年自然环境变化趋势,区内水体和植被覆盖区面积呈增长趋势,但自然盐湖水体和植被茂密区面积减少,裸地面积缓慢减少。

2)基于多期不同空间分辨率遥感影像开展了矿业活动信息提取,2002—2018年间盐田水体和其他矿山开发占地(固体废弃物、中转场、矿山建筑物)均快速增长,采矿直接占损自然水体54.28 km²、裸露滩涂湿地46.17 km²、戈壁或沙漠717.95 km²以及少量植被分布区。

3)综合分析了采矿扰动对矿区自然环境变化的驱动因素,受盐湖开采和降雨量减少综合因素影响,自然盐湖面积快速减少,北霍鲁逊湖、涩聂湖等部分湖泊已干涸; 植被受采矿干扰不明显,2010年后植被稀疏区面积明显增长,推测在西北荒漠区实施的退牧坏草、围封禁牧等生态环境保护与恢复治理等政策发挥了主要作用; 裸地面积减少主要受人类采矿占地、自然盐湖缩减等因素影响,植被生态环境恢复等也有一定促进作用。

4)察尔汗盐湖是我国重要的资源宝藏,目前采矿活动已部分造成了自然盐湖缩减或消亡,建议矿山企业和相关管理部门采取更加有效的管理、规划措施,加强多学科相关技术方法研究,控制盐湖开采规模,扭转开采过程中造成的自然盐湖水体减少的状况,并逐步实施天然盐湖原貌的恢复。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

杨显华, 孙小飞, 黄洁 , 等.

青海木里煤矿区荒漠化的驱动因素及防治对策

[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2018,29(1):78-84.