京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析_李欢.pdf

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2023.02.008Vol.18 No.02 June,2023第 18 卷 第2期 2023 年 6 月http:/ 100120；2.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）摘 要：京西“一线四矿”地区是重要的煤矿集区，也是北京市规划建设的重点区域。以2013年、2019年、2021年卫星影像为基础，选择典型地表要素指标（矿山建筑、矿山开发占地、矿山环境恢复治理区）、植被定量指标（植被覆盖度）作为矿山环境特征标志，利用遥感监测技术分析了近十年来王平村煤矿、大台煤矿、木城涧煤矿、千军台煤矿关停前后矿山环境变化情况，并探讨了影响其演化过程的主要因素。结果表明：20132021年，大台矿区、木城涧矿区矿山建筑面积分别增加了1.9 hm2和1.6 hm2；王平村矿区、千军台矿区矿山开发占地分别减少了8.0 hm2和4.1 hm2，恢复治理区面积分别增加了11.2 hm2和5.5 hm2；王平村矿区、大台矿区、木城涧矿区、千军台矿区平均植被覆盖度分别提高了2.8%、1.1%、4.6%、0.3%。总体来看，京西“一线四矿”矿山环境状况向好发展，影响矿山环境的主要因素包括关停时间、人工干预程度、政策支持力度等。关键词：“一线四矿”；遥感监测；煤矿；矿山环境；植被覆盖度Remote sensing monitoring of environmental changes of One Line and Four Mines in West BeijingLI Huan1,ZHANG Qinrui1,ZHANG Bo1,HUANG Yong1,SUN Yuchen2,JIA Yanhui2,LIU Lei1,LIU Ruiyan1（1.Beijing Institute of Ecological Geology,Beijing 100120,China；2.School of the Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China）Abstract:The one line and four mines area in western Beijing is an important coal-mining area and a key area for Beijings plan-ning and construction.Based on the satellite images in 2013,2019 and 2021,this paper selects typical surface element indicators(mine buildings,mine development land occupation,mine environment restoration and treatment area)and quantitative vegeta-tion indicators(vegetation coverage)as the indicators of mine environment characteristics.Using remote sensing monitoring tech-nology,this paper analyzes the changes of mine environment before and after the closure of Wangpingcun Coal Mine,Datai Coal Mine,Muchengjian Coal Mine and Qianjuntai Coal Mine in the past ten years,and discusses the main factors affecting their evolu-tion process.The results show that from 2013 to 2021,the construction area of Datai Coal Mine and Muchengjian Coal Mine in-creased by 1.9 hm2 and 1.6 hm2 respectively.The development area of Wangpingcun Coal Mine and Qianjuntai Coal Mine de-收稿日期：2022-12-13；修回日期：2023-03-10基金项目：京西“一线四矿”及周边区域生态地质专项调查与评价示范（11000022T000000491145）、北京西部浅山区生态地质安全专项调查与评价（11000023T000002075084）、北京市土地质量生态地球化学监测网运行（11000022T000000439575）联合资助第一作者简介：李欢（1990-），男，硕士，工程师，主要从事生态地球化学与生态地质研究工作。E-mail：lihuan_通信作者简介：张沁瑞（1980-），男，学士，高级工程师，主要从事水工环地质研究工作。E-mail：引用格式：李欢，张沁瑞，张博，黄勇，孙宇辰，贾颜卉，刘磊，柳瑞艳，2023.京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析J.城市地质，18（2）：178-185178李欢等 京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析http:/ by 8.0 hm2 and 4.1 hm2 respectively.And the areas of restoration and treatment increased by 11.2 hm2 and 5.5 hm2 re-spectively.The average vegetation coverage of Wangpingcun Coal Mine,Datai Coal Mine,Muchengjian Coal Mine and Qianjuntai Coal Mine increased by 2.8%,1.1%,4.6%and 0.3%respectively.On the whole,the environment of the one line and four mines in western Beijing is developing well.The main factors affecting the environment include the shutdown time,the degree of manual intervention,and the strength of policy support.Keywords:One Line and Four Mines;remote sensing monitoring;coal mine;mine environment;vegetation coverage我国曾是以煤炭为主要能源的国家，煤炭资源的大规模开采为经济发展提供了重要的物质保障。北京市门头沟区是典型的煤矿集区，煤矿资源储量丰富，煤田总面积700 km2，重要煤矿如王平村煤矿、大台煤矿、木城涧煤矿、千军台煤矿均位于门头沟区。北京西山的煤矿开采历史可追溯至辽代，为北京市社会进步作出重大贡献（王德起等，2007）。高频度、大面积、长时间的矿产开采活动也会引发一系列的生态地质环境问题，如矿山地质灾害（地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝）、地形地貌景观破坏、水土资源破坏、含水层破坏等（He et al.，2021；李岩等，2016；马学利，2021；刘宗明等，2022；华金玉，2022）。遥感技术在对地观测中具有客观、高效、多时相、信息量大等优点，广泛应用于矿产调查、水工环地质勘查、生态地质监测等领域（李志忠等，2021；孙迪，2021；Townshend et al.，2002）。近年来，生态环境保护力度持续加强，遥感技术在矿区生态环境监测中发挥了越来越重要的作用，地表要素类型识别与分类、植被要素定量是矿区生态环境遥感的主要研究方向（汪云甲，2017；张成业等，2022）。随着卫星数量的不断增多，遥感数据类型也呈现出多样化的发展趋势，包括谷歌地球影像、天地图卫星影像、SPOT影像、高分卫星影像等，空间分辨率为0.530 m，遥感解译方法包括目视解译、机器学习方法等。本文以京西“一线四矿”及周边区域生态地质专项调查与评价示范项目为依托，以王平村煤矿、大台煤矿、木城涧煤矿、千军台煤矿作为重点研究区，利用遥感技术对矿山建筑、矿山开发占地、矿山环境恢复治理区等典型地表要素进行解译识别，对植被覆盖度进行定量分析，监测分析20132021年矿山环境变化情况，并对矿山生态修复成效进行初步评估，为后续改善矿山环境、制订生态修复措施提供有效科学依据。1 研究区概况门头沟区位于北京城区正西偏南，地处华北平原向蒙古高原过渡的山地地带，辖区总面积约1 447.85 km2。中纬度大陆性季风气候，年平均气温11.7，年平均降水量528 mm；主要发育永定河，在大台街道境内发育一条自西南向东北流向支流，为研究区最大支流。京西“一线四矿”位于门头沟区东部，其中“一线”指“门大线”铁路，（门头沟站至木城涧站）线路全长33.4 km，全线共设12座车站，在门头沟站与市郊铁路“京门线”接轨；“四矿”则为沿门大线依次分布的王平村、大台、木城涧和千军台4座煤矿。结合“一线四矿”空间位置及周边水系流域分布情况，同时考虑各生态地质要素资源的分布特征，选择山脊（分水岭）作为边界，圈定出研究区总面积为287 km2。以煤矿核心区为中心，向外围辐射一定距离，划定重点研究区751 hm2，其中王平村矿区305 hm2，大台矿区116 hm2，木城涧矿区210 hm2，千军台矿区120 hm2。研究区位置示意见图1。2 材料与方法2.1 数据来源选取了3期卫星遥感数据，分别为2013年的SPOT-6卫星影像、2019年的SPOT-7卫星影像，以及2021年的GF-1卫星影像。对影像数据进行了坐标投影、辐射校正、正射校正、几何校正、影像融合等预处理，数据精度和质量能够满足研究工作的要求。2.2 遥感信息提取本文选择典型地表要素指标（矿山建筑、矿山开发占地、矿山环境恢复治理区）、植被定量指标（植被覆盖度）作为矿山环境特征标志，其中典型地表要素指标反映了矿山环境受人为活动干扰的程度，植被定量指标179第 18 卷 第2期 2023 年 6 月反映了自然生态状况。2.2.1 矿山建筑矿山建筑包括用于矿山生产加工的厂房以及居民楼、办公楼等配套设施，承担着矿山开采时期的生产、生活等功能。从遥感影像特征分析（图2），矿山建筑一般位于矿山附近区域，建筑物密集，植被与建筑物相间分布，多见蓝顶厂房。2.2.2 矿山开发占地矿山开发占地是指矿山开采活动所占用的土地，主要包括开采区域、矸石堆等与采矿工作密切相关的活动占地。区内煤矿以地下开采方式为主，故在遥感影像上少见开采区域。从遥感影像特征分析（图3），煤矸石堆（图3-a红色虚线内）呈不规则或倒石堆状，颜色暗沉，与周围地物界限清晰，无植被覆盖。2.2.3 矿山环境恢复治理区矿山环境恢复治理区是采取人工干预手段，以改善矿山生态环境的区域。一般分为2种情况，一种是划定恢复治理区，适当管理，以植被自然生长为主；另一种图2 矿山建筑解译标志Fig.2 Interpretation mark of mine building图1 研究区范围示意图Fig.1 Schematic diagram of the scope of the study area180李欢等 京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析http:/ 植被覆盖度归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）反映了近红外波段与红光波段比值关系的函数（公式1）（徐思瑜等，2022），其中植被对近红外波段具有高反射特点，对红光波段具有高吸收特点（张会霞等，2022；刘瑞瑶等，2022；黄智卿等，2022）。NDVI=NIR RNIR+R（1）式中，NIR、R分别为近红外波段、红光波段的反射值，NDVI的计算值范围为-11。植被覆盖度FVC（Fractional Vegetation Cover）是指单位面积内植被叶、茎、枝等地上部分在地面垂直投影的面积占比，能够在一定程度上反映研究区的生态环境变化情况（吴晶晶等，2023；王晓蕾等，2022；张家政等，2022）。本文利用归一化植被指数，采用像元二分模型进行反演，对植被覆盖度进行定量提取与分析（公式2）。FVC=NDVI NDVIsoilNDVIveg NDVIsoil（2）图4 矿山环境恢复治理解译标志Fig.4 Interpretation mark of mine environment restoration and treatment图3 矿山开发占地解译标志Fig.3 Interpretation mark of mine development occupation181第 18 卷 第2期 2023 年 6 月式中：NDVIsoil为裸土或者无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg为完全被植被区域覆盖区域的NDVI值；FVC值，020%表示极低覆盖度，20%40%表示低覆盖度，40%60%表示中覆盖度，60%80%表示高覆盖度，80%100%表示极高覆盖度。3 矿山环境变化特征近年来北京市矿山开采活动已全部停止，关停的矿山陆续开展了生态修复治理。王平村矿区、大台矿区、木城涧矿区、千军台矿区的投产时间、关停退出时间、化解产能等基本情况见表1。通过遥感监测技术对比研究区 2013 年、2019 年、2021 年的矿山环境特征，得到4个矿区原始卫星影像、典型地表要素指标（矿山建筑、矿山开发占地、矿山环境恢复治理区）、植被定量指标（植被覆盖度）的空间分布情况，见图5。3.1 王平村矿区王平村矿区总占地面积305 hm2。从典型地表要素特征分析（图6），20132019年矿山建筑面积为5.96.2 hm2，基本无明显变化；矿山开发占地面积呈逐年减少趋势，减少了8.0 hm2；矿山环境恢复治理区面积呈增加趋势，增加了11.2 hm2。从植被覆盖度特征分析，2013年、2019年、2021年植被覆盖度表现出相同特征（表2），均是植被覆盖度80%100%分布面积最多，植被覆盖度020%分布面积最少，其中植被覆盖度低于60%的区域主要分布在矿山开发占地、矿山建筑及其周边范围。3.2 大台矿区大台矿区总占地面积116 hm2。从典型地表要素特征分析，20132021年矿山建筑、矿山开发占地、矿山环境恢复治理区面积均呈现不同程度的增加趋势，其中矿山建筑面积由30.0 hm2增加至31.9 hm2，矿山开发占地面积由10.9 hm2增加至14.1 hm2，矿山环境恢复治理区面积由1.0 hm2增加至3.8 hm2。从植被覆盖度特征分析，2013年植被覆盖度60%80%的分布面积最大，2019年和2021年均是植被覆盖度80%100%的分布面积最大。3.3 木城涧矿区木城涧矿区总占地面积210 hm2。从典型地表要素特征分析，20132019年矿山建筑、矿山开发占地面积略有增加，20192021年矿山建筑、矿山开发占地面积略有减少；20132021年矿山环境恢复治理区面表1四大矿区基本情况表Tab.1Basic information of four mining areas矿区名称王平村矿区大台矿区木城涧矿区千军台矿区所属地区王平镇大台街道大台街道大台街道投建时间/a1958195819521958关停退出时间/a2016202020182015化解产能/万t80100150/表2 20132021年四矿区植被覆盖面积统计（单位：hm2）Tab.2 Statistics of vegetation coverage from 2013 to 2021（Unit：hm2）植被覆盖度/%02020404060608080100王平村矿区2013年2.813.341.1115.7129.82019年3.611.331.7123.1133.02021年0.15.917.4103.3176.0大台矿区2013年7.016.217.952.220.92019年6.212.817.438.039.92021年5.713.618.526.649.9木城涧矿区2013年13.119.922.792.359.12019年11.417.917.570.789.52021年1.816.518.757.2112.9千军台矿区2013年1.55.77.722.582.42019年0.42.46.547.363.22021年0.32.14.318.095.1182李欢等 京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析http:/ 年未发现明显的恢复治理区，2019年增加至1.0 hm2，2021年达到3.1 hm2。从植被覆盖度特征分析，2013年植被覆盖度60%80%的分布面积最大，2019年和2021年均是植被覆盖度80%100%的分布面积最大，其中20132021年植被覆盖度低于60%的区域在逐渐减少。3.4 千军台矿区千军台矿区总占地面积120 hm2。从典型地表要素特征分析，20132019年矿山建筑面积为8.5 hm2，到2021年增加至9.0 hm2；20132019年矿山开发占地面积由6.2 hm2减少至2.1 hm2，到2021年未发生明显变化；2013年矿山环境恢复治理区面积基本为0，到2019年增加a图为原始卫星影像，b图为典型地表要素指标分布情况，c图为植被定量指标分布情况。图5 20132021年矿山环境要素分布情况Fig.5 Distribution of mine environmental factors from 2013 to 2021183第 18 卷 第2期 2023 年 6 月至4.3 hm2，2021年达到5.5 hm2。从植被覆盖度特征分析，2013年、2019年、2021年植被覆盖度表现出相同特征，均是植被覆盖度80%100%分布面积最多，植被覆盖度020%分布面积最少，其中20132021年植被覆盖度低于60%的区域在逐渐减少。4 讨论关停时间对矿山环境的影响较为显著，一般情况下，关停时间越久，矿山环境越好。王平村煤矿于1994年关停，2016年退出，矿山整治、植被恢复等起步较早，从而表现为20132021年矿山开发占地面积明显减少、矿山环境恢复治理区面积明显增加、高植被覆盖度区域扩大。20132021年大台矿区矿山建筑、矿山开发占地面积均有所增加，说明近10年间矿山开发活动持续进行，这与大台煤矿2020年关停的时间相吻合。人工干预程度是影响矿山环境的另一重要因素。木城涧煤矿关停后暂处于闲置状态，未进行大规模拆除，仍存在较多的采矿配套设施，因此矿山建筑、矿山开发占地面积未发生明显变化。而千军台矿区自2015年关停退出后，已改造升级为千军台国家级安全生产事故预控与应急处置技术实验实训和科普基地，对矿山环境的人工干预程度较大，从而导致矿山开发占地面积的减小、矿山环境恢复治理区面积的增大。2008 年，北京市启动废弃矿山生态修复工程；2010年，原国土资源部发布了国土资源部关于贯彻落实全国矿产资源规划发展绿色矿业建设绿色矿山工作的指导意见；2012年，党的十八大将生态文明建设纳入“五位一体”总布局，近10年来我国特别重视生态文明建设，一系列举措全力保护生态环境。20132021年王平村矿区平均植被覆盖度提高了2.8%，矿山环境恢复治理区面积增加了11.2 hm2；大台矿区平均植被覆盖度提高了 1.1%，矿山环境恢复治理区面积增加了2.8 hm2；木城涧矿区平均植被覆盖度提高了4.6%，矿山环境恢复治理区面积增加了3.1 hm2；千军台矿区平均植被覆盖度提高了0.3%，矿山环境恢复治理区面积增加了5.5 hm2，说明矿山环境在逐渐改善。矿山环境恢复治理区的植被覆盖度能够反映矿山修复效果，从图7可看出，千军台矿区、王平村矿区的植被修复效果相对较好，大台矿区的修复效果相对较差。同时应注意到的是，矿山环境恢复治理区植被覆盖度普遍小于相应矿区平均植被覆盖度，说明需持续进行植被恢复，逐步提升恢复治理效果。图6 20132021年矿山环境变化情况Fig.6 Mine environmental change from 2013 to 2021图7 2013年、2021年矿区植被覆盖度对比Fig.7 Comparison of vegetation coverage in mining areas in 2013 and 2021184李欢等 京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析http:/ 结论1）关停时间、人工干预程度、政策支持力度等是影响矿山环境的重要因素。千军台矿区、王平村矿区的植被修复效果相对较好，这与矿山开发占地面积较小、矿山环境恢复治理区面积增加的解译结果一致。2）20132021年4个矿区的矿山环境恢复治理区面积增加了 3.111.2 hm2，平均覆盖度提高了 0.3%4.6%，由此可见矿山环境状况呈向好趋势，说明生态文明建设在改善矿山环境方面的效果较为显著。3）矿山开发占地可能造成地质灾害、水土污染、景观破坏等一系列生态问题的可能性大于矿山建筑，人为干预优先选择矿山开发占地，因此矿山开发占地面积的减小幅度普遍大于矿山建筑面积。参考文献华金玉，2022.北京市地质灾害防治工作探析 J.城市地质，17（1）：8-12.黄智卿，宫阿都，2022.延安市19992019年植被覆盖时空变化特征 J.河北农业大学学报，45（3）：97-104.李岩，赵中锋，2016.北京露天废弃矿山地质环境治理模式探讨 J.城市地质，11（2）：20-25.李志忠，穆华一，刘德长，孙萍萍，党福星，刘拓，贾俊，王建华，韩海辉，马维峰，汤晓君，李文明，赵君，2021.“遥感先行”服务自然资源调查技术变革与调整 J.地质与资源，30（2）：153-160.刘瑞瑶，许丽，丰菲，刘莹，张新蕾，2022.2000-2018年乌海市植被覆盖度时空变化J.水土保持研究，29（2）：265-273.刘宗明，刘连刚，郑桂森，齐如明，王继明，赵勇，徐吉祥，2022.北京城市地质条件适宜性评价体系研究 J.城市地质，17（2）：164-174.马学利，2021.北京闭坑金矿山对土壤地质环境及农产品质量影响探讨 J.城市地质，16（3）：276-286.孙迪，2021.水工环地质勘察及遥感技术在地质工作中的应用 J.华北自然资源（4）：36-37.汪云甲，2017.矿区生态扰动监测研究进展与展望 J.测绘学报，46（10）：1705-1716.王德起，王霖琳，朱海坤，盖海鹏，2007.门头沟煤矿区生态修复功能及生态农业工程规划 J.农业工程学报（11）：138-141.王晓蕾，石守海，陈江朝霞，2022.黄河流域植被覆盖度变化及驱动因素 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