葉　伸，白洪偉

(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

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基于RS和GIS的宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價

葉伸，白洪偉

(宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000)

目的祁東礦是淮北煤田的大型煤礦之一，近年來，隨著對礦區(qū)煤炭資源的持續(xù)開發(fā)，礦區(qū)引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。通過調(diào)查礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，了解礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，為礦區(qū)環(huán)境治理提供決策。方法運用RS和GIS技術(shù)與數(shù)理統(tǒng)計方法，將宿州市祁東礦區(qū)土地利用/覆蓋類型分為10類，并進行遙感影像解譯，統(tǒng)計礦區(qū)土地利用/覆蓋類型現(xiàn)狀；以生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、污染負荷指數(shù)為指標(biāo)，對宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價。結(jié)果2015年評價區(qū)內(nèi)的主要土地利用/覆蓋類型為耕地和居民建設(shè)用地，兩者之和占總礦區(qū)面積的84.50%，宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)為61.75，生態(tài)環(huán)境等級為良，說明祁東礦區(qū)植被覆蓋度較高、生物多樣性較豐富、適合人類生活。結(jié)論運用這種方法對礦區(qū)環(huán)境進行長時間的監(jiān)測和評價，觀察礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化，可為礦區(qū)環(huán)境治理提供依據(jù)。

生態(tài)環(huán)境評價；祁東礦區(qū)；RS；GIS

0　前　言

礦區(qū)資源的開發(fā)給社會帶來經(jīng)濟效益的同時，也會引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如土地資源破壞、水資源破壞、生態(tài)退化、環(huán)境污染等。因此，對礦區(qū)開發(fā)所在地區(qū)進行生態(tài)環(huán)境狀況評價以及預(yù)測該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的變化趨勢顯得尤為重要。正確認(rèn)識和評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是合理開發(fā)資源、制定經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護對策的前提和基礎(chǔ)[1]。近年來，RS和GIS技術(shù)已逐步應(yīng)用于各省市地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價中[2-6]。利用GIS技術(shù)可為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、實時的調(diào)查評價礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。以宿州市祁東礦區(qū)為研究區(qū)，運用遙感影像提取礦區(qū)土地利用類型，植被、水體等覆蓋度，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行評價，獲取礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，為礦區(qū)環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

祁東礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)、西寺坡鎮(zhèn)和固鎮(zhèn)縣湖溝區(qū)內(nèi)，東至龍王廟勘探區(qū)，西以F22斷層與淮北礦業(yè)(集團)公司祁南煤礦分界；南起二疊系山西組10煤層露頭，北至32煤層-800 m水平地面投影線為界[7]。礦區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，年均降水量840 mm。礦區(qū)煤礦資源豐富，可采儲量為1.89億t[8]。研究區(qū)域面積為8.49 km2。

1.2數(shù)據(jù)來源

祁東礦生態(tài)環(huán)境狀況評價中含土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，環(huán)境背景數(shù)據(jù)(區(qū)域年降水總量、水資源等)、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。其中，遙感數(shù)據(jù)源為Google Earth衛(wèi)星影像，基本地形圖數(shù)據(jù)為配準(zhǔn)后的1∶5萬宿州市地區(qū)地形圖，土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)為對遙感影像的解譯，污染負荷評價體系中COD年排放量、SO2年排放量、氮氧化物年排放量、固體廢物年排放量等來源于2015年宿州市統(tǒng)計年鑒[1-3]。

2　評價指標(biāo)及計算方法

依據(jù)“生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(發(fā)布稿)”(HJ192-2015)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行評價[2]。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)主要包括生物豐度指數(shù)、植物覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、污染負荷指數(shù)5個分指數(shù)和1個環(huán)境限制指數(shù)，并賦予各指數(shù)不同的權(quán)重，計算區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI(ecological index)，反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體狀態(tài)。

2.1生物豐度指數(shù)

評價區(qū)域內(nèi)生物的豐貧程度，利用生物棲息地質(zhì)量和生物多樣性綜合表示。由林地、草地、水域濕地、耕地、建設(shè)用地和未利用地的面積與區(qū)域面積的權(quán)重比計算得到。

生物豐度指數(shù)=(BI+HQ)/2，式中：BI為生物多樣性指數(shù)，評價方法執(zhí)行HJ623;HQ為生境質(zhì)量指數(shù)；當(dāng)生物多樣性指數(shù)沒有動態(tài)更新數(shù)據(jù)時，生物豐度指數(shù)變化等于生境質(zhì)量指數(shù)的變化。

生境指數(shù)=Abiox(0.35x林地+0.21x草地+0.28x水域濕地+0.11x耕地+0.04x建設(shè)用地+0.01x未利用地)/區(qū)域面積

(1)

式中：Abio是生境質(zhì)量指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為511.2642131067。

2.2植物覆蓋指數(shù)

評價區(qū)域植物覆蓋的程度，利用評價區(qū)域單位面積歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示。

植物覆蓋指數(shù)=NDVI區(qū)域均值=Avegx(∑i=1pi/n)

(2)

式中:pi—5-9月象元NDVI月最大值的均值

n—區(qū)域象元數(shù)

Aveg—植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為0.0121165124。

2.3水網(wǎng)密度系數(shù)

評價區(qū)域內(nèi)水的豐富程度，利用評價區(qū)域內(nèi)單位面積河流總長度、水域面積和水資源量表示。

水網(wǎng)密度系數(shù)=(河流長度/區(qū)域面積+水域面積/區(qū)域面積+水資源量/區(qū)域面積)/3

(3)

式中：—河流長度的歸一化系數(shù)，參考值為84.3704083981

—水域面積的歸一化系數(shù)，參考值為591.7908642005

—水資源的歸一化系數(shù)，參考值為86.3869548281

2.4土地脅迫指數(shù)

評價區(qū)域內(nèi)土地質(zhì)量遭受脅迫的程度，利用評價區(qū)域內(nèi)單位面積上水土流失、土地沙化、土地開發(fā)等脅迫類型面積表示。

土地脅迫指數(shù)=Aerox(0.4x重度侵蝕面積+0.2x中度侵蝕面積+0.2x建設(shè)用地面積+0.2x其他土地脅迫)/區(qū)域面積

(4)

式中：Aero—土地脅迫指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為236.0435677948

2.5污染負荷指數(shù)

評價區(qū)域內(nèi)所受納的環(huán)境污染壓力，利用評價區(qū)域單位面積所受納的污染負荷表示。

污染負荷指數(shù)=0.2xACODxCOD排放量/區(qū)域年降水總量+0.2xANH3x氨氮排放量/區(qū)域年降水總量+0.2xASO2xSO2排放量/區(qū)域面積+0.1xAYFCx煙(粉)塵排放量/區(qū)域面積+0.2xANOXx氮氧化物排放量/區(qū)域面積+0.1xASOLx固體廢物丟棄量/區(qū)域面積

(5)

式中：ACOD——COD的歸一化系數(shù)，參考值為4.3937397289

ANH3——氨氮的歸一化系數(shù)，參考值為40.1764754986

ASO2——SO2的歸一化系數(shù)，參考值為0.0648660287

AYFC——煙(粉)塵的歸一化系數(shù)，參考值為4.0904459321

ANOX——氮氧化物的歸一化系數(shù)，參考值為0.5103049278

ASOL——固體廢物的歸一化系數(shù)，參考值為0.0749894283

2.6環(huán)境限制指數(shù)

環(huán)境限制指數(shù)是生態(tài)環(huán)境狀況的約束性指標(biāo)，指根據(jù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的嚴(yán)重影響人居生產(chǎn)生活安全的生態(tài)破壞和污染事項，如重大生態(tài)破壞、環(huán)境污染和突發(fā)環(huán)境事件等，對生態(tài)環(huán)境狀況類型進行限制和調(diào)節(jié)。

3　生態(tài)環(huán)境狀況分級

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計算方法如下：

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)=0.35x生物豐度指數(shù)+0.25x植物覆蓋指數(shù)+0.15x水網(wǎng)密度指數(shù)+0.15x(100-土地脅迫指數(shù))+0.10x(100-污染負荷指數(shù))+環(huán)境限制指數(shù)

(6)

根據(jù)環(huán)境狀況指數(shù)，將生態(tài)環(huán)境分為5級，即優(yōu)、良、一般、較差和差，見表1。

表1　生態(tài)環(huán)境狀況分級[2]

4　祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評價

4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

幾何校正：由于所研究的礦區(qū)面積較小，采用傳統(tǒng)的遙感影像解譯達不到很高的精度，所以采用在Google Earth上截取分辨率達到米級的衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源。由于地球自轉(zhuǎn)、地球表面曲率等方面的影像，影像中的地理位置位置上會發(fā)生偏移，故需要利用高精度的地形圖進行配準(zhǔn)及正射處理才能進行使用。本文利用配準(zhǔn)后的1∶5萬宿州市地區(qū)地形圖對衛(wèi)星影像進行校正，位置校正采用二次多項式，控制點選取在易分辨的地物上，均勻分布于圖上，個數(shù)不少于30個，校正誤差小于1個像元以內(nèi)。

圖像裁剪：利用配準(zhǔn)后的衛(wèi)星影像，根據(jù)在宿州市地形圖上獲取的研究區(qū)域邊界，裁剪得到祁東礦區(qū)影像數(shù)據(jù)。

4.2遙感影像解譯

根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范中注明的生態(tài)環(huán)境類型，再根據(jù)祁東礦區(qū)土地利用的實際情況，將祁東礦區(qū)的土地利用/覆蓋類型分為：采礦用地、居民建設(shè)用地、道路、草地、工業(yè)用地、湖泊、耕地、林地、河流、未利用地10類。

利用ArcGIS軟件對影像進行目視解譯，獲取2015年宿州市祁東礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀分類圖，如圖1所示；并提取土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)，見表2。2015年評價區(qū)內(nèi)的主要土地利用/覆蓋類型為耕地和居民建設(shè)用地，兩者之和占總礦區(qū)面積的84.50%。

本次研究采用的SiO2溫標(biāo)為無蒸汽損失SiO2溫標(biāo)、最大蒸汽損失在100 ℃SiO2溫標(biāo)、無蒸汽損失玉髓溫標(biāo)，陽離子溫標(biāo)主要采用Na-K、Na-K-Ca、K-Mg溫標(biāo)。

圖1　祁東礦區(qū)2015年土地利用/覆蓋類型現(xiàn)狀分類圖

土地類型面積(hm2)百分比(%)采礦區(qū) 10.331.22居民建設(shè)用地154.2218.16道路 13.041.54草地 6.370.75工業(yè)建設(shè)用地3.240.38湖泊 32.363.81耕地 564.2666.44林地 54.876.46河流 6.80.80未利用土地 3.740.44合計 849.23100.00

4.3計算結(jié)果分析

通過查詢2015年宿州市統(tǒng)計年鑒，宿州市區(qū)域年降水總量為842.2 mm[3]，COD年排放量為105 401.08 t[3]，SO2年排放量為32 208.51 t[3]，煙塵年排放量為34 779.44 t[3]。根據(jù)上述指標(biāo)和計算方法，得出2015年宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)和各分指數(shù)值(表3)，宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)為61.75。根據(jù)表1的生態(tài)環(huán)境狀況分級，祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等級為良，說明祁東礦區(qū)植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，適合人類生活。

表3　2015年宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計算結(jié)果

5　宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況原因及對策建議

根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果分析，宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI的主要影響因素是生物豐度指數(shù)和植被覆蓋指數(shù)，這兩個指數(shù)主要取決于該地區(qū)的林地、草地、耕地的面積。影響宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的主要原因有：一是礦區(qū)建設(shè)用地、采礦區(qū)、居民建設(shè)用地等基礎(chǔ)設(shè)施占據(jù)大量的土地；二是政府加大綠化造林的力度，增加林地面積。因此，根據(jù)祁東礦區(qū)的實際情況，為不斷改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提出以下幾點建議：

1)定期進行礦區(qū)的環(huán)境治理，加強對廢石、尾礦等廢棄物的監(jiān)督處理，防止環(huán)境污染事件的發(fā)生；

2)加大對水利設(shè)施的保護，疏浚河道，控制生活污水、垃圾等污染，防止湖泊等水資源產(chǎn)生富營養(yǎng)化；

3)繼續(xù)實施政府的各項舉措，加大退耕還林還草等環(huán)境治理工程，保護生物多樣性；

4)建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，長期對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行監(jiān)測，提高環(huán)境保護力度。

6　結(jié)論與討論

利用遙感衛(wèi)星提供的實時影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、遙感影像解譯的方式對礦區(qū)土地類型現(xiàn)狀進行提取，根據(jù)提取的信息和收集到的資料對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價，這種方法顯得方便和準(zhǔn)確。評價結(jié)果表明，宿州市祁東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)為62.929，生態(tài)環(huán)境等級為良，說明祁東礦區(qū)植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，適合人類生活。

遙感等實時數(shù)據(jù)的加入將會提高對環(huán)境變化的監(jiān)控能力，特別是提高對重點、敏感地區(qū)生態(tài)變化的快速直觀的監(jiān)控，可以降低人為統(tǒng)計造成的數(shù)據(jù)誤差[11-12]。運用此種方法對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行長時間的動態(tài)監(jiān)測和評價，觀察礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化，為礦區(qū)環(huán)境治理提供依據(jù)。

[1]王宏偉,張小雷,喬木,等.基于GIS的伊犁河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價與動態(tài)分析[J].干旱區(qū)地理,2008,31(02):215-221.

[2]苗紅梅.基于RS和GIS技術(shù)的龍井市生態(tài)環(huán)境評價[J].北方環(huán)境,2011,9(09):105-107.

[3]劉忠民.鞍山市生態(tài)環(huán)境狀況評價[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟,2008,27(01):52-54.

[4]孟巖,趙庚星,程晉南,等.基于MODIS遙感數(shù)據(jù)和GIS的山東省生態(tài)環(huán)境狀況評價[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2008,16(04):1020-1024.

[5]仙巍，邵懷勇.基于遙感和GIS的岷江上游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,46(02):232-235.

[6]朱宇芳,張宗祥.基于RS和GIS技術(shù)的泰州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[J].北方環(huán)境,2012,24(04):163-165.

[7]田強國.祁東煤礦地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2009.

[8]吳詩勇,胡寶林,姚多喜,等.祁東礦地質(zhì)構(gòu)造特征及演化規(guī)律[J].蘭州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,46(03):64-67.

[9]國家環(huán)保總局.HJ192—2015,生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(發(fā)布稿)[S].

[10]宿州市統(tǒng)計局.宿州統(tǒng)計年鑒——2015[Z].

[11]魏麗,黃淑娥,李迎春,等.區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法研究[J].氣象，2005,31(01):23-28.

[12]周兆葉,王志偉,九次力,等.GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境狀況評價方面的應(yīng)用[J].草業(yè)科學(xué),2009,26(10):52-58.

[責(zé)任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]

Evaluation of Mining Eco-environment of Qidong in Suzhou Based on RS and GIS

YE Shen,BAI Hong-wei

(Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

ObjectiveQidong coal mine is one of the large coal mines of Huaibei coalfield.In recent years,with the continuous development of coal resources,the mining area has caused a series of problems of ecological environment.By the ecological environment indices of the mining area,the current situation of ecological environment in the mining area was obtained and suggestions for decision-making were provide for mine environment control.MethodsRS and GIS technology and mathematical statistics methods were used to divide the land use/land cover types in Suzhou Qidong mining area into 10 categories.And they were interpreted by remote sensing images.And the statistics of current mining area land use/land cover types were conducted.Based on biological richness index,vegetation coverage index,water network denseness index,land stress index and pollution load index,ecological environment of Qidong mining area was evaluated.ResultsIn 2015,the main use/cover types in the land evaluation area were farmland and urban construction land,accounting for 84.50% of the total mining area,and ecological environment grades in Qidong mine area was good with ecological index at 61.75.That showed that in Qidong mine area had higher vegetation coverage and richer biological diversity,suitable for human life.ConclusionUsing this method to monitor and evaluate the mine environment for a long time,and observing the changes of the ecological environment in the mining area can provide a basis for controlling the environment in the mining area.

evaluation of ecological environment;Qidong mining area;RS;GIS

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510379046、201510379084、201510379080)；宿州學(xué)院卓越人才教育培養(yǎng)計劃項目(szxy2015zjjh01)；2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學(xué)生開放課題(2015SZXTXSKF11)

葉伸(1994-),男,安徽黃山人，宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)中心在讀學(xué)生。

白洪偉(1987-)，男，安徽宿州人，講師，碩士，主要研究方向：測繪與3S技術(shù)。

S 127

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.09.009