吉林省矿产资源丰富,开采年代久远,为当地国民经济发展和人民生活水平提高做出了很大贡献。但历史上的粗放型资源开发对矿山地质环境产生了相当严重的破坏,在一定程度上制约了该省生态文明建设的决策部署。

中国地质调查局于2002年部署开展了典型矿山地质环境调查与评估,查明了吉林省部分矿山的地质环境背景和环境地质问题。文献[1⇓⇓-4]采用常规方法开展吉林省矿山地质环境地面调查和研究,阐述了主要环境地质问题及影响因素,但缺少较全面和详细的数据支撑。遥感技术方法已广泛应用到矿山监测领域,中国地质调查局自2014年开始在全国陆域范围内部署开展了矿山地质环境现状、矿山环境恢复治理现状遥感调查与动态监测工作,也摸索出一套成熟的遥感监测技术方法体系。文献[5⇓⇓⇓-9]分别研究了我国各地的矿山地质环境遥感调查方法理论与实践; 文献[10⇓-12]分析了山东、广东和四川省矿山环境恢复治理典型特征; 文献[13⇓⇓-16]研究了基于遥感调查的区域矿山地质环境评价方法。但吉林省至今尚未见基于全面和翔实动态变化监测数据的省域矿山地质环境相关研究与分析。

笔者近年来承担了吉林省矿山地质环境和生态修复遥感动态监测任务,利用2015—2019年国产高分辨率卫星数据,辅以地面调查,基本查明吉林省各年度矿山开发占损土地、矿山地质灾害、矿山环境污染、矿山生态修复等情况。本文拟在上述调查监测基础上,开展吉林省矿山地质环境变化趋势分析和矿山生态修复前景研究,并提出相关建议,为吉林省矿政管理和生态文明建设工作提供决策依据。

吉林省地处东北腹地,纵跨古亚洲和滨太平洋成矿域,成矿条件好。松辽盆地为国家主要含油气盆地之一,辽东—吉南成矿带是全国重点成矿区带之一^[17]。目前已发现158种矿产,有115种矿产已查明储量,储量排名全国首位的有12种,包括矿泉水、油页岩、钼矿、炼镁用白云岩、水泥用灰岩、硅灰石、硅藻土、浮石、火山渣、陶粒页岩、耐酸碱用安山岩、耐火黏土等。石油、天然气、油页岩等能源矿产主要分布在松辽盆地; 煤主要分布在延边、白山、长春、吉林、通化等山前地带和山间盆地; 铁矿、金矿等金属矿产和硅藻土、硅灰石等非金属矿产以及地热和优质饮用天然矿泉水等主要分布在吉林省东北部山区^[18]。

截至2014年底,吉林省共设置探矿权1 210个,采矿权2 459个,全省9个市州均有分布。据原中国国土资源航空物探遥感中心监测成果显示(1.3和1.4节同),2014年全省调查出界内开采矿山1 325座,疑似违法开采矿山124座; 疑似违法开采矿种以金属和建材类非金属为主; 疑似违法开采矿山主要分布在吉林、四平、延边、白山和长春等地。在调查面积约27 000 km²的重点矿集区内,发现界内开采矿山441座,疑似违法开采矿山101座,关闭或废弃矿山97座; 疑似违法矿种以建材类非金属为主,疑似违法类型多为无证开采和越界开采。

2014年全省矿山开发压占损毁土地资源总面积约20 634.28 hm²,其中采场11 462.25 hm²,中转场地4 552.66 hm²,固体废弃物2 758.41 hm²,矿山建筑912.54 hm²,采空塌陷(坑)948.42 hm²。主要分布在吉林、延边和长春三地,面积分别为3 885.59 hm²,3 225.73 hm²和2 921.62 hm²,三地面积之和约占全省压占损毁总面积的48.62%。正在利用矿山压占损毁面积约12 787.17 hm²,关闭或废弃矿山面积约6 898.68 hm²。开采矿种以建材及其他非金属压占损毁面积最大,为13 267.34 hm²,其次是能源矿产3 220.91 hm²,分别占压占损毁总面积的64.30%和15.61%。压占损毁原地类以林地为主,另有少量耕地和草地等。调查未发现矿山环境污染问题。调查出因矿山开发引发的地质灾害(隐患)57处,均为煤矿采空塌陷(坑),包括中型规模2处和小型规模55处,分布在珲春、桦甸、蛟河、九台、龙潭、舒兰、梅河口等地,由于地下开采煤矿形成的大面积采空区上部各种岩层从顶板开始向下依次脱离、弯曲,向采空区位移而成。

2014年全省共有12座矿山进行了生态复垦和植被复绿等生态修复工程,共修复面积约1 336.74 hm²,约占全省矿业活动总面积的6.08%,主要分布在蛟河、九台、桦甸、辽源和珲春等地。生态修复区域主要包含因地下开采煤矿而造成的塌陷区和露天开采造成的表土破坏区,主要的治理措施有复垦为湿地公园、复种农作物、改造成鱼塘和植被复绿等。可见,吉林省矿山生态修复整体情况不佳,治理程度较低,尤其是大量关闭废弃矿山和采空塌陷(坑)亟需治理。

本文基于具有时间序列的多源正射遥感数据,结合已收集的基础地理、地质信息资料,统一其坐标系、投影方式和高程基准; 在预处理基础上,采用自动化信息提取和人机交互解译相结合、室内综合研究与实地调查验证相结合的方法,对吉林省矿山地质环境和生态修复状况进行动态监测,获取矿山地物现状及变化数据; 进而开展矿山地质环境变化趋势分析和矿山生态修复前景研究。工作流程见图1。

吉林省历年使用的卫星遥感数据以国产卫星为主,地面分辨率主要为米级和亚米级。其中,0.5 m分辨率有GJ1和YG26,1 m分辨率有BJ2,GF2,DE2,YG5,YG14和YG24,2 m分辨率有02C,GF1,TH1,ZY3和SJ9,5 m分辨率有YG8和CB04等。2015—2019年获取的国产卫星遥感数据源见图2。其中,2 m级数据覆盖了省内大部分区域,而0.5 m和1 m级数据一般分布在中心城区或重点矿区。

遥感图像预处理包括: ①辐射校正,通过滤波修正霾(薄云)区影像像元值,增加影像对比度,降低影像亮度,使其趋于正常; ②图像融合,增强图像地面分辨率,选择主成分融合法,反差扩展应用于图像校色,使图像具有更好的亮度和饱和度,矿山地物信息更加容易识别; ③图像镶嵌,对待拼接的数据统一布置控制点,采用一次多项式校正法,对影像的接边区域进行校正,同时合理运用拼接线实现无缝拼接。

通过野外踏勘,建立矿山地物信息遥感解译标志见表1。

利用经过预处理的2015—2019年卫星图像数据,根据本文建立的遥感解译标志,采用计算机自动化信息提取和人机交互解译相结合的方法,分别查明各年度矿山的位置、开采方式、开采状态、地物信息、矿业活动界线和矿山管理状况,查明各年度之间各压占土地、损毁土地、地质灾害、环境污染和生态修复类型图斑的新增、扩大、减小、灭失或未发生变化情况。

通过实地调查验证信息提取的可靠性,核查有疑问信息、补充遗漏信息、修改误提信息。制作野外路线和不同类型实地点分布图,验证图斑需涵盖所有地物类型,对疑问图斑和重要图斑则需100%调查验证。

2015—2019年,吉林省矿山开发压占土地资源面积整体呈增长趋势,在2019年达19 574.21 hm²,比2015年增加了7 810.49 hm²,年均增长率约16.60%。

2015—2019年,中转场地面积分别为6 099.75 hm²,7 524.63 hm²,8 604.30 hm²,10 054.24 hm²和10 481.45 hm²,呈逐年增长趋势; 固体废弃物面积分别为4 569.26 hm²,3 797.97 hm²,3 419.66 hm²,3 085.87 hm²和4 140.66 hm²,前4 a逐年下降后在2019年又出现反弹; 矿山建筑面积分别为1 094.71 hm²,1 138.88 hm²,2 732.50 hm²,3 138.87 hm²和4 952.10 hm²,呈明显增长趋势。

2019年吉林和延边压占土地资源面积较大,分别达到4 722.13 hm²和4 116.73 hm²; 白城、辽源和松原压占土地资源面积较小,分别为999.42 hm²,893.6 hm²和672.66 hm²。从2015—2019年各市州压占面积增长速度看,辽源、延边、长春、吉林和通化年均增长率均超过了10%,分别为30.86%,30.38%,24.60%,22.64%和18.31%; 松原5 a间压占面积有所减少,年均减少率为3.62%; 四平、白城和白山增长较慢,分别为2.32%,5.82%和6.22%。

2019年建材及其他非金属压占土地资源面积最大,达11 128.08 hm²; 其余依次为能源3 486.25 hm²、黑色金属2 130.30 hm²、贵重金属1 130.21 hm²、有色金属1 071.43 hm²、水气251.84 hm²、特种非金属183.67 hm²、冶金辅助原料非金属147.72 hm²; 化工原料非金属压占土地面积最小,为44.68 hm²。2015—2019年,各类矿种压占土地资源面积年均增长率由高到低依次为: 水气100.74%、特种非金属72.20%、黑色金属21.40%、有色金属16.03%、贵重金属15.83%、能源15.76%、建材及其他非金属15.68%、化工原料非金属9.74%、冶金辅助原料非金属-2.64%。

2015—2019年,界内开采矿山压占土地资源面积相对平稳,分别为6 178.75 hm²,5 310.66 hm²,5 344.64 hm²,6 578.24 hm²和6 508.34 hm²,年均增长率约1.33%。暂停开采矿山面积增长较快,2019年达1 424.63 hm²,比2015年增加了1 090.43 hm²,年均增长率约81.57%。疑似违法开采矿山面积呈逐年下降趋势,2019年降为429.61 hm²,比2015年减少了1 299.88 hm²,年均减少率约18.79%。废弃矿山面积呈逐年增长趋势,2019年达到11 211.63 hm²,比2015年增加了7 690.35 hm²,年均增长率约54.60%。

2015—2019年,吉林省矿山开发损毁土地资源面积整体呈增长趋势,在2019年达22 218.50 hm²,比2015年增加了10 132.64 hm²,年均增长率约20.96%。

2015—2019年采场面积呈逐年增长趋势,分别为11 208.31 hm²,15 186.83 hm²,17 165.38 hm²,20 920.20 hm²和21 007.77 hm²,年增长率约11.66%; 采空塌陷(坑)面积也呈逐年增长趋势,分别为877.55 hm²,993.22 hm²,1 089.06 hm²,1 153.08 hm²和1 210.73 hm²,年增长率约6.88%。

2019年,延边、吉林、长春损毁土地资源面积较大,分别达到5 048.61 hm²,3 675.79 hm²和3 280.89 hm²; 辽源和松原损毁土地资源面积较小,分别为936.60 hm²和772.39 hm²。从2015—2019年各市州损毁面积增长速度看,四平最快,年均增长率达到了34.48%; 延边、辽源、吉林、长春、通化和白山均超过了10%,分别为27.42%,25.93%,23.11%,22.06%,20.15%和15.52%; 白城和松原增长较慢,分别为7.30%和5.63%。

2019年建材及其他非金属损毁土地资源面积最大,达18 805.74 hm²,其余依次为能源1 619.00 hm²(其中采空塌陷(坑)1 210.73 hm²,均为能源矿引起)、黑色金属710.76 hm²、贵重金属293.59 hm²、有色金属289.39 hm²、特种非金属238.73 hm²、化工原料非金属141.90 hm²、冶金辅助原料非金属111.99 hm²,水气最小为7.40 hm²。2015—2019年损毁土地资源面积增加的有: 特种金属、建材及其他非金属、有色金属、能源和贵重金属,年均增长率分别为48.43%,26.74%,7.96%,5.57%和2.34%; 损毁土地资源面积减少的有: 水气、冶金辅助原料非金属、化工原料非金属、黑色金属,年均减少率分别为13.83%,9.33%,6.29%和0.35%。

2015—2019年界内开采矿山和疑似违法开采矿山损毁土地资源面积均呈下降趋势,2019年界内开采矿山面积为4 516.25 hm²,比2015年减少了1 831.70 hm²,年均减少率为7.21%; 2019年疑似违法开采矿山面积890.62 hm²,比2015年减少了886.24 hm²,年均减少率为12.47%。暂停开采和废弃矿山损毁土地资源面积呈增长趋势,2019年暂停开采矿山面积890.02 hm²,比2015年增加了546.67 hm²,年均增长率为39.80%; 2019年废弃矿山面积15 921.61 hm²,比2015年增加了12 303.91 hm²,年均增长率为85.03%。

2015—2019年调查出的矿山地质灾害以煤矿采空塌陷(坑)为主,另有少量采石场崩塌和滑坡灾害,灾害规模多为小型。因新增和核销数量动态变化,各年度调查出的矿山地质灾害变化呈波动增长趋势。

采空塌陷(坑)数量近年来有所增加,新增塌陷坑增多,2015—2019年塌陷坑数量分别为23处、25处、48处、86处和83处。2015和2019年未发现矿山崩塌现象,2016年、2017年和2018年分别有2处、5处和1处。滑坡灾害只在2019年调查出3处。

矿山地质灾害主要发生在吉林、延边、长春、通化和辽源等市州,多为采空塌陷(坑),2015—2019年分别有92处、58处、47处、30处和28处。其中延边、通化、吉林数量增幅比较大,分别年均增长3处、1.25处和4.25处,年均增长率分别为50.00%,41.70%和35.40%。其余地区矿山地质灾害数量变化相对平稳。

2015—2019年调查出的矿山环境污染类型主要是粉尘污染和水体污染,各年度矿山环境污染源调查数量基本持平,污染区总面积整体呈下降趋势。

2015—2019年粉尘污染源数量分别为16处、16处、15处、14处和17处,呈波动变化; 受污染区面积分别为246.36 hm²,259.78 hm²,260.16 hm²,271.70 hm²和322.89 hm²,呈较缓增长趋势,年均增长率约7.77%。水体污染源数量分别为6处、7处、8处、8处、6处,呈波动变化; 受污染区面积分别为388.58 hm²,223.89 hm²,201.91 hm²,154.32 hm²和113.72 hm²,呈减少趋势,年均减少率约17.68%。

2015—2019年,延边和吉林调查出的污染源数量较多,年均有7.8处和8.8处; 且受污染区面积较大,年均329.20 hm²和131.78 hm²; 四平、通化和长春少数矿山受到环境污染,年均1.8处(6.30 hm²)、2.4处(14.14 hm²)和1.8处(7.24 hm²)。四平、长春和延边受污染区面积呈增长趋势,年均增长率分别为278.25%,94.08%和1.94%; 吉林和通化污染面积5 a间呈减少趋势,年均减少率分别为20.94%和14.17%。

金属矿是吉林省主要污染矿种,污染物多为尾矿废渣废水,污染对象为村庄、农田和水域。2019年受污染区面积413.86 hm²,比2015年减少179.73 hm²,年均减少率约7.57%。能源矿和非金属矿以粉尘污染居多,污染对象为村庄和农田。能源矿2019年受污染区面积13.73 hm²,比2015年增加13.73 hm²,受污染区面积呈增加趋势,年均增长率约89.40%; 非金属矿2019年受污染区面积9.02 hm²,比2015年减少32.33 hm²,年均减少率约19.55%。

2015—2019年,吉林省矿山生态修复总面积呈逐年增加趋势,分别为2 570.05 hm²,3 681.24 hm²,4 461.00 hm²,6 637.51 hm²和7 264.93 hm²,年均增长率约45.67%。

2015—2019年全省9个市州均实现了矿山生态修复面积的持续正增长。2019年各市州矿山生态修复面积从大到小依次为: 长春1 437.45 hm²、松原1 312.87 hm²、白城1 280.41 hm²、延边1 110.67 hm²、吉林1 048.42 hm²、四平423.55 hm²、通化341.70 hm²、白山251.80 hm²和辽源58.06 hm²。相比于2015年,长春、松原和白城矿山生态修复面积增幅最大,分别为944.15 hm²,830.46 hm²和820.98 hm²,其余修复面积增幅依次为延边766.65 hm²、吉林463.08 hm²、四平373.0 hm²、通化263.29 hm²、白山195.25 hm²和辽源37.42 hm²; 四平、白山和通化修复面积年均增长率最快,分别为186.99%,86.32%和83.95%,其余依次为延边55.71%、长春47.85%、辽源45.32%、白城44.67%、松原43.04%和吉林19.78%。

2015—2019年吉林省矿山生态修复面积占矿业活动面积的比率分别为9.73%,11.39%,11.90%,15.02%和14.81%,总体呈上升趋势,2019年比2018年略有下降; 各市州矿山生态修复面积比率均呈波动上升趋势(图5)。

从图5可以看出,5 a间,松原、白城、长春的矿山生态修复面积比率较高,2019年分别达到了66.12%,56.16%和35.55%,在2018年和2019年这2 a中,长春、吉林、四平、松原、白城和延边的增长速度较快。这在一定程度上反映了各地方矿山生态修复进展状况。

吉林省矿山生态修复后的地类以草地、耕地、林地和水利水域用地为主,2019年其面积分别为2 889.27 hm²,1 927.96 hm²,1 317.18 hm²和946.38 hm²,分别占生态修复总面积的39.77%,26.54%,18.13%和13.13%,其余地类依次为: 其他用地128.32 hm²、园地29.71 hm²和公共设施用地26.09 hm²,分别占生态修复总面积的1.77%,0.41%和0.40%。2015—2019年,生态修复后面积增幅较大的地类为草地、耕地、林地和水利水域用地,增幅分别为1 907.61 hm²,1 141.24 hm²,975.48 hm²和565.04 hm²; 面积增长较快的地类为林地、公共设施用地和草地,年均增长率分别为71.37%,65.35%和48.58%。

1)利用2015—2019年国产高分辨率卫星遥感数据和多源信息资料对吉林省矿山地质环境及生态修复状况开展了遥感动态监测,基本掌握了该省矿山开发压占土地资源、损毁土地资源、矿山地质灾害、矿山环境污染和矿山生态修复的现状及其变化趋势,成果比较客观、准确,取得了较好的卫星遥感监测应用效果,可为该省深入推进山水林田湖草沙生态保护修复工程提供参考依据。

2)监测年度内全省矿山开发压占土地资源面积逐年增加,2019年达19 574.21 hm²,年均增长率约16.60%; 主要开采矿种为建材及其他非金属、能源和黑色金属矿产,占地类型以中转场地、固体废弃物为主,矿山状态以废弃和界内开采居多,压占面积最大地区是吉林和延边。全省矿山开发损毁土地资源面积也是逐年增加,2019年达22 218.50 hm²,年均增长率约20.96%; 主要开采矿种为建材及其他非金属和能源矿产,占地类型以采场为主,矿山状态以废弃居多,压占面积最大的地区分布在延边、吉林和长春。

3)监测年度内调查出的矿山地质灾害数量呈波动增长趋势,以煤矿采空塌陷(坑)为主,另有少量采石场崩塌和滑坡灾害,灾害规模多为小型,主要分布在吉林、延边、长春、通化和辽源。调查出的矿山环境污染源数量变化基本平稳,污染区总面积整体呈下降趋势; 污染类型主要是粉尘和水体,粉尘污染区面积呈较缓增长,水体污染区面积逐年减少; 污染源集中在吉林和延边,且延边污染区面积还在增长; 主要污染矿种为金属矿,但近年来金属矿污染区面积有所减少,能源矿污染区面积正在增加。

4)监测年度内矿山生态修复面积逐年增加,2019年达7 264.93 hm²,年均增长率约45.67%。全省9个市州均实现矿山生态修复面积的持续正增长,长春、松原和白城修复面积增幅较大,四平、白山和通化修复面积年均增长速度较快。修复后地类以草地、耕地、林地和水利水域用地为主,近年来面积增幅也较大,又以林地、公共设施用地和草地增长速度最快。全省及各市州矿山生态修复面积占矿业活动总面积的比率均不太高,2019年全省比率为14.81%,只有松原和白城比率超过了50%,分别为66.12%和56.16%,辽源最低仅为6.10%,长春、吉林、四平、松原、白城和延边近2 a间修复面积比率增长较快。

1)监测年度内全省矿山开发压占损毁土地资源总面积(压占面积+损毁面积)保持持续增长态势,反映了当地政府在矿山地质环境监管保护力度上还有待进一步加强。损毁面积相对于压占面积的比例较大,将给后续生态修复增加技术难度,投入资金额度也会相应加大。

2)矿山开发过程中产生了不少矿山地质灾害和矿山环境污染问题,当地政府应加大对非法开采、乱采滥挖现象和环境污染破坏现象的执法力度,加快推进绿色矿山建设,实施科学、有序、合理开采,实现矿山开发的环境生态化、开采科学化、资源利用高效化、管理信息化和矿区和谐化。

3)矿山生态修复程度普遍比较低,修复手段比较单一,修复后生物结构多样性相对不高。当地政府应以山水林田湖草沙生态保护修复工程试点为契机,将矿山生态修复与地质灾害防治、土地复垦、乡村振兴、城乡建设用地增减挂钩、全域综合整治等有机结合,实现废弃、关闭矿山限期全部修复,在建、生产矿山“边开采、边修复”的目标。

4)加强多源多平台遥感技术的综合应用。充分利用高分辨率光学卫星数据,必要时辅以无人机航摄,以进一步提高矿山遥感监测数据精度,获取矿区更为精确且详实的调查成果。适当运用雷达遥感技术,加强采空塌陷、滑坡等矿山地质灾害(隐患)识别,做好矿区防灾减灾工作。加大遥感监测频次,对矿山环境肆意破坏现象实行“早发现、早处置、早修复”,加快构建生态安全屏障,深入推进生态文明建设。