川西甲基卡大型锂资源基地绿色调查及环境评价指标体系的建立_于扬.pdf

2019 年 9 月 September 2019 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 38，No． 5 534 －544 收稿日期 2018 －12 －18; 修回日期 2019 －05 －05; 接受日期 2019 －07 －16 基金项目 中国地质调查局地质调查项目 DD20160055，DD20190173 ; 国家自然科学基金项目 41202254 作者简介 于扬， 博士， 副研究员， 地球化学专业。E － mail yuyang_cags sina． com。 于扬，王登红，于沨， 等． 川西甲基卡大型锂资源基地绿色调查及环境评价指标体系的建立［J］ ． 岩矿测试， 2019， 38 5 534 －544． YU Yang，WANG Deng － hong，YU Feng，et al． Study on the Index System of Green Investigation and Environmental uation for the Jiajika Large Lithium Mineral Resource Base，Western Sichuan，China［ J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2019， 38 5 534 －544． 【DOI 10． 15898/j． cnki． 11 －2131/td． 201812180135】 川西甲基卡大型锂资源基地绿色调查及环境评价指标 体系的建立 于扬1，王登红1，于沨1， 2，王伟3，刘丽君3，高娟琴1， 2，郝雪峰4 1． 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037; 2． 中国地质大学 北京 地球科学与资源学院，北京 100083; 3． 四川省地质矿产勘查开发局地质矿产科学研究所，四川 成都 610036; 4． 四川省地质调查院，四川 成都 610081 摘要 在资源、 环境和经济协调发展的大背景下， 发展绿色矿业已成为国家战略重点推进并得到了广泛 认同。大型资源基地绿色调查及环境评价指标体系的建立、 模型的技术实现将为解决生态脆弱区找矿部署 与环境保护瓶颈问题发挥重要作用。本文将绿色调查与环境评价两方面工作有机结合， 分四个层次构建指 标框架， 通过 3S 技术提取生态环境现状及变化信息， 结合连续三年的地表水、 土壤等多环境介质野外调查取 样分析数据， 对经过验证的、 成熟的评价方法进行优化， 运用更兼容、 可扩展的 Python 语言编程建立了基于 支持向量机的大型锂资源基地环境评价模型。运用该模型， 将大型基地环境现状划分为环境较差区、 环境一 般区、 环境较好区、 环境良好区四类区域， 总体准确率达 97． 77。结果表明， 本文建立的该套有针对性的评 价指标体系能够对川西大型锂资源基地的环境现状作出有效的评价， 通过技术创新实现了大型锂资源基地 环境现状“像元级” 可视化分级， 较客观地反映了甲基卡矿区及周边资源开发环境问题与影响范围， 在一定 程度上可辅助规范大型基地矿产资源开发利用的管理及决策。 关键词 绿色调查; 评价指标体系; 绿色矿山; 生态脆弱区; 甲基卡 要点 1 提出了适用于大型资源基地的绿色调查及环境评价指标体系。 2 运用 Python 编程建立了基于支持向量机的大型锂资源基地环境评价模型。 3 揭示了甲基卡大型资源基地开发的环境问题与影响范围。 中图分类号 X820． 4文献标识码 A 实现资源、 环境和经济的协调发展是当下世界 各国广泛关注的问题。发展绿色矿业、 推进绿色勘 查、 建设绿色矿山， 是促进资源、 环境和经济协调发 展的重要一环， 也是适应新时期资源国情的重要举 措。我国建设“绿色矿山” 的理念始于 2006 年。 2009 年 全国矿产资源规划 20082015 明确提出 “绿色矿山建设” 的目标任务和要求。2011 年 “发展 绿色矿业” 被纳入国家“十二五” 规划。2015 年将 “发展绿色矿业， 加快推进绿色矿山建设” 列入国家 生态文明建设的重要内容。2016 年国家选取 50 个 矿山开展绿色矿业发展示范区建设， 提出了“绿色 勘查” 行动宣言 ［1 ］。随着绿色矿山、 绿色矿业、 绿色 435 ChaoXing 开采、 绿色勘查等理念的相继提出， 有关单位和行业 协会也重点研发了相关标准。2018 年 6 月， 中国矿 业联合会发布了绿色勘查指南 ， 同年 7 月， 自然 资源部发布了有色金属行业绿色矿山建设规范 适用于铜矿、 铝土矿、 铅锌矿、 钨矿、 钼矿、 锑矿、 锡 矿、 镍矿、 镁矿 等 9 项推荐性行业标准， 这是我国 第一部绿色矿山建设规范。但针对“能源金属” 锂 的绿色调查及矿山环境评价的研究成果鲜见报道。 锂是新兴产业发展不可或缺的战略资源， 被称为 “ 21 世纪的能源金属” ［2 ］。四川西部甲基卡具有锂 矿资源的区位优势， 是我国重要的大型能源金属资 源基地。大型资源基地的“绿色调查” ， 是在资源基 地环境扰动最小的前提下， 实现找矿部署最优化和 生态环境保护最大化， 通过创新方法， 以地质背景与 生态环境作为整体系统进行调查研究， 通过地质学、 水文地质学、 工程地质学、 地球化学、 生态学、 环境科 学、 数学等专业的跨学科综合调查成果来优化找矿 部署， 重视 3S 新技术新方法应用， 适度调整或替代 对环境影响大的勘查手段， 快速恢复景观和健康的 生态系统， 以服务于保障大型资源基地生态安全， 调 整优化找矿突破工作布局。对于大型矿产资源基地 的调查评价， 其所面临的社会、 政治、 经济、 环境等方 面的问题远比一般性矿产地质调查复杂 ［3 ］， 已有部 分重点开发项目由于环境问题处于停滞状态 ［4 ］。 我国专家学者已开展了大量绿色矿山及矿山环 境评价指标的研究工作， 取得了丰富的研究成果， 可 以归纳为两大类。第一类是针对政策、 计划、 各类矿 产资源规划方案实施可能产生的环境影响评价指标 的研 究， 主 要 集 中 在 矿 区 可 持 续 发 展 指 标 体 系 ［5 －11 ］、 矿区生态文明指标体系［12 ］、 绿色矿山指标 体系 ［13 －16 ］、 战略性环评指标体系［17 ］、 矿产资源安全 评价指标体系 ［18 －19 ］五个方面; 第二类是针对不同景 观区 如平原湿热带、 干旱戈壁带 ， 不同矿种 如硫 化物多金属矿、 钨锡矿、 金银矿、 镉矿等 矿区整体 生态环境为重点指标系列的研究， 主要包括矿区生 态系统健康评价指标体系 ［20 －21 ］、 矿区生态环境质量 评价指标体系 ［22 －28 ］、 矿区资源承载力评价指标体 系 ［29 －30 ］、 矿区土壤质量评价指标体系［31 －33 ］、 环境影 响评价指标体系 ［34 －40 ］、 矿产资源开发利用指标体 系 ［41 －46 ］。但未见针对高海拔特殊地貌区锂矿山绿 色调查与环境评价指标体系研究成果的报道。 本文在分析川西大型锂资源基地的自然环境、 实地调研当地矿业开发现状的基础上， 将绿色调查 与环境评价两方面工作有机结合， 通过 3S 技术手段 对生态环境现状及变化过程进行信息提取， 结合 20162018 年连续三年对该区地表水、 土壤等多环 境介质的野外调查取样与分析结果， 分四个层次构 建指标框架， 建立了一套适用于大型锂资源基地的 有针对性的评价指标体系。根据这套创新的调查和 评价指标体系， 对经过验证的、 成熟的评价方法进行 优化， 运用 Python 语言研建了基于支持向量机的大 型锂资源基地环境评价模型。运用该模型， 对甲基 卡锂资源基地进行评价， 将其环境现状划分为四个 级别， 实现对大型资源基地环境现状“像元级” 的评 价， 旨在为合理开发锂矿资源提供决策依据。 1川西甲基卡锂资源基地绿色调查及环境 评价指标建立的依据 川西甲基卡地处青藏高原东部， 是少数民族世 代游牧的草场分布区， 生态环境脆弱， 其特殊的外部 环境决定了在综合地质调查工作中必须走出一条高 效、 可行的绿色发展之路。采用科学的方法对每一 阶段的开发活动开展环境调查评价、 提出环境影响 预测， 是服务支撑生态环境保护与修复、 建设绿色矿 山、 提高我国矿产资源保障能力的必然要求。从以 往的环境评价指标体系研究中可以看出， 不同国家、 不同地区对于矿产资源环境评价的指标体系是互不 相同的， 每个指标体系的建立都是研究区自然、 经济 和特定外部环境特征的反映， 指标体系的建立应适 应现实工作的需要。尤其是针对川西高原特殊的地 理景观区和脆弱的生态环境区环境评价， 不能机械 地运用前人的方法， 要在仔细分析当地的自然环境 了解当地矿业开发现状的基础上， 结合适合于实地 情况的绿色调查手段和高效的计算机运算平台， 从 而实现对大型资源基地环境的高效、 实用的评价， 为 提出保障甲基卡锂辉石资源基地生态安全的对策， 科学决策、 合理开发锂矿资源提供基础依据。 2川西甲基卡锂资源基地绿色调查与环境 评价指标体系的建立方法 当前对于环境评价工作已经有了很多有效的模 型实现方法， 如层次分析法、 专家打分法、 改进的二 元对比分析法、 熵权法、 模糊综合评价法、 协调程度 评价法、 多级模糊模式识别模型、 等权加和法、 加权 求和法、 PSR 模型法、 加权综合指数法等。相应的研 究成果在矿产资源环境评价的各个阶段都获得了很 好的效果， 本文综合运用遥感、 GIS 技术， 实现大型 535 第 5 期于扬， 等 川西甲基卡大型锂资源基地绿色调查及环境评价指标体系的建立第 38 卷 ChaoXing 资源基地开发决策与空间信息结合， 建立了大型资 源基地的环境综合评价模型， 并采用计算机编程辅 助对模型进行实现和验证。 2． 1“绿色调查” 与环境评价指标确定的原则 大型资源基地绿色调查与环境评价的指标体系 应全面反映大型基地生态系统的自然特征 勘查初 期 、 矿山建设及矿产资源开发前后生态环境的变 化特征、 客观评价并预测资源开发的环境影响， 并有 针对性地提出矿山环境恢复治理措施， 应是一个动 态的、 可持续监测的、 科学的指标体系。在环境评价 的同时， 发挥环境地球化学调查的优势， 将绿色调查 与环境评价两方面工作有机结合。对指标的选择既 要涵盖矿区环境评价普遍适用的指标， 又要包含大 型资源基地特定矿种在资源开发利用、 生态环境保 护方面的影响因子。指标体系的构建应分层次、 分 阶段、 可量化、 不冗余， 并涵盖动态监测的结果。评 价模型的建立及计算方法的选择应准确、 实用、 可推 广， 并能有效地结合空间信息， 便于矿产资源开发利 用管理及决策。 2． 2“绿色调查” 与环境评价的主要内容 大型资源基地“绿色调查” 有两个基本环节。 一是将绿色调查与环境评价两方面工作有机结合， 分层次构建指标框架， 应用 3S 技术对生态环境现状 及变化过程 如地形坡度、 地质灾害隐患、 植被覆盖 度等 进行信息提取， 辅以野外调查， 根据实际情况 优化调查取样手段， 通过技术创新， 实现调查过程的 低扰动、 无污染和零排放。通过对调查区的土壤、 地 表水、 植被等连续的采样检测， 高精度分析 ICP － MS 等 其中有益有害元素的组成与含量， 测定其理 化特征参数 pH、 Eh 等 ， 为评价指标体系的建立提 供了大量宝贵的可选择指标， 使得评价体系更加完 整、 真实。 对于水环境评价中涉及的元素及主要阴阳离子 的含量数据由如下测试方法获得。主要阴离子测定 仪器 离子色谱仪， 型号 Dionex DX － 600， 分离柱 Dionex IonPac AS18 4mm ; 保护柱 Dionex IonPac AG18 4mm ; 自动再生微膜抑制器 ASRS ULTRAⅡ 4mm ; 电导检测器。主要阳离子测定仪器 电感耦 合等离子体发射光谱仪 ICP － OES ， 型号 Optima 8300 美国 PerkinElmer 公司 ， 测试精度 ＜ 5。微 量元 素 测 定 仪 器 电 感 耦 合 等 离 子 体 质 谱 仪 ICP － MS ; 按照仪器操作说明规定条件启动仪器， 进行仪器参数最佳化试验， 并进行校准， 校准数据采 集至少三次， 取平均值。每批试料测定时， 同时测定 实验室试剂空白溶液。每批试料测定时， 同时分析 单元素干扰溶液， 以获得干扰系数 k 并进行干扰 校正。试料测定中间用清洗空白溶液清洗系统。 对于土壤环境评价中涉及的元素含量数据由如 下测试方法获得。采集的土壤样品置于电热恒温鼓 风干燥箱中于 65℃ 烘干至恒重， 过 200 目筛， 得到 土壤粉末。于封闭溶样的聚四氟乙烯内罐中， 称取 粉末样品 0． 0500g 误差范围 0． 0010g ， 随后加 2mL 氢氟酸、 1mL 硝酸， 盖上盖， 装入钢套中封闭， 于 190℃加热保温 30h。待冷却后打开盖子， 取出聚四 氟乙烯内罐， 置于电热板上， 170℃ 蒸发至干。加 0． 5mL硝酸再次蒸发至干， 这一步骤重复两次， 加 50硝酸 5mL， 盖上盖， 将聚四氟乙烯内罐装钢套中 封闭。熔样器放入烘箱中， 150℃下保温 3h， 熔样器 冷却之后， 将其内溶液转至 50mL 容量瓶中， 用超纯 水定容至刻度， 以备 ICP － MS 测定。 除土壤粉末样品制备外， 以上测试均在国家地 质实验测试中心完成。 二是研究建立相应计算方法与评价模型， 环境 效应的影响因素多样， 包括大量定性、 定量数据， 最 终要实现每一个评价指标的量化分级， 宏观掌握每 一阶段的开发活动的环境影响程度， 辅助规范大型 基地矿产资源开发利用的管理及决策。本文确立的 大型锂矿资源基地绿色调查与环境评价技术准则、 实现途径与最终目标如图 1 所示。 2． 3绿色调查与环境评价指标体系的构成及模型 方法的选择 大型资源基地矿产资源的开发时间跨度长、 社 会经济影响大， 特别是当大型资源基地位于特殊地 貌区或生态脆弱区时， 其生态影响深远。川西高原 生态的脆弱性主要受到自然环境和人类活动两方面 作用的影响。研究区平均海拔超过 3700 米， 由于海 拔效应使得温度明显低于同纬度的其他地区， 被称 为 “世界第三极” 。同时该区域深处大陆内部远离 海岸线， 空气寒冷干燥降水量低， 土壤发育历史短， 肥力较弱， 植物结构单一。低温缺水加之土壤肥力 较差使得植物生产力低下， 更新速度缓慢， 破坏后恢 复速度慢 ［47 ］。这一系列自然因素决定了川西高原 生态承载力较弱的事实， 使其对于外界扰动较为敏 感， 容易出现退化现象， 且退化破坏后较难恢复。人 为活动极大地扰动了生态系统稳定的状态， 由于生 态脆弱区的生态承载力的水平低下， 人为活动如果 没有得到有效的规范和控制， 很容易超出环境生态 的承载力， 对环境造成破坏。尤其是矿业资源开发 635 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 图 1绿色调查与环境评价技术准则、 实现途径与最终目标 Fig． 1Technical guidelines，implementation approaches and ultimate goals of the green survey and environmental assessment 中的采矿、 选矿、 冶炼很容易给环境带来破坏， 须在 开发规划之初就有所重视。 实现矿产资源的合理开发， 既需要协调好生态环 境保护与资源开发利用的关系， 又要科学预判采矿对 环境可能造成的影响， 还要制定合理的环境保护与减 缓不良环境影响的措施， 三者缺一不可。因此， 在大 型基地矿产资源开发的不同阶段， 其环境评价的指标 应各有所侧重， 模型及计算方法的选择也各有不同。 结合生态脆弱区的特点， 从资源开发不同阶段出发， 本文形成了一套大型基地矿产资源开发不同阶段环 境评价指标体系 表1 。该表中， 自然地理和地质背 景是对自然环境生态的评价， 从地形地貌、 植被、 降雨 量、 岩性组合等几个角度较全面地总结和评价了自然 环境原有承载能力的水平， 因此这几项评价指标贯穿 了整个资源基地开发的各个阶段。矿业开发与其带 来的对于土壤和水的影响属于人为活动给环境带来 扰动的范畴， 该指标体系中对其详细地划分为 20 项 分指标， 能够较为客观地涵盖了人为矿业生产中的这 种活动以及对于环境各方面的影响。 3川西甲基卡锂资源基地综合环境评价 结果与分析 本文在青藏高原川西地区选择甲基卡大型资源 基地及周边 150 平方公里范围为研究区域进行典型 研究。川西锂辉石开发环境效应的影响因素多样， 包括大量定性、 定量数据。川西甲基卡大型锂矿基 地正处于勘查初期阶段， 本次研究参考区域环境 地质调查总则 基本要求， 针对川西甲基卡锂辉石 矿区环境特点与勘查开发阶段， 对李东等 2015 ［48 ］ 的矿山环境评价模型进行优化改进， 结合 2． 3 节构 建的大型基地矿产资源开发不同阶段环境评价指标 体系， 建立了一套包括自然地理、 基础地质、 矿业开 发以及地质环境在内 4 大类、 12 小类的评价指标体 系。指标体系的构建共分 2 个层次 第一层次为 4 个矿山环境因子的大类指标划分， 即自然地理 A 、 基础地质 B 、 矿山开发占地 C 和矿业活动有关 的环境影响 D ; 第 2 个层次为各个大类指标的细 化指标， 包括 12 个分项指标 指标层， 表 2 。 735 第 5 期于扬， 等 川西甲基卡大型锂资源基地绿色调查及环境评价指标体系的建立第 38 卷 ChaoXing 表 1大型基地矿产资源开发不同阶段环境评价指标体系 Table 1Environmental assessment index system for different stages of mineral resources development in large bases 目标层指标层 勘查初期 阶段 矿产资源 开发阶段 环境恢复 治理阶段 地形地貌√√√ 自然地理降雨量√√√ 植被覆盖度√√√ 地质背景 地质构造√√√ 岩性组合√√√ 主要开采方式√√√ 噪声√√√ 占用土地比例√√√ 开采点密度√√ 矿业开发采空区面积比√√ 开采回采率√√ 选矿回收率√√ 共伴生组分利用率√√ 尾矿利用率√√ 地质灾害隐患√√√ 地质灾害预警√√√ 水资源破坏程度√√√ 土壤资源破坏程度√√√ 固废堆放占地√√ 环境影响废水废液排放√√ 大气环境质量√√ 荒漠化面积√√ 土壤侵蚀模数√√ 环境治理投入强度√ 治理难度√ 评价过程中， 依据建立的评价指标体系， 通过典 型区资料的收集处理包括 Landsat 遥感影像、 研究区 基础地质图、 研究区数字高程模型 分辨率 30 米 、 研究区行政区划图、 研究区水样评价数据 野外调 查实测 、 研究区土壤评价数据 野外调查实测 、 研 究区自然、 社会经济方面的文字资料等， 利用 ENVI、 ArcGIS 等空间数据处理软件， 对遥感影像进行投影 转换、 几何校正、 归一化植被指数计算; 利用 ArcGIS 工具软件对研究区的 DEM 数据进行坡度计算， 得到 坡度图; 利用 ArcGIS、 ENVI 工具软件， 通过人机交 互解译、 空间分析等方法， 计算得到矿山开发占地等 评价指标图层。 通过几何重采样、 分值量化处理等方法， 将研究 区采样设置为 27118 个 100m 100m 的单元， 每个 单元均具有 12 个量化指标， 评价指标值均量化为 1、 2、 3 三个分值。对经过验证的、 成熟的评价方 法 ［49 ］进行优化， 构建基于支持向量机的环境评价模 型， 将研究区划分为环境较差区、 环境一般区、 环境 较好区、 环境良好区四类区域 图 2 。评价结果中， 环境较差区主要集中在矿区、 矿区周边及尾矿库周 边， 环境较好区主要分布在远离矿区的、 坡度较小、 植被覆盖较高的区域。通过对已有先期经验的验证 单元进行分类， 判断分类评价模型的客观性和准确 性。628 个验证样本中， 13 个为环境较差区样本， 48 个为环境一般区样本， 106 个为环境较好区样本， 461个为环境良好区样本。 验证结果表明， 除环境 表 2环境效应评价指标量化处理标准 Table 2Quantitative processing standard of the environmental effect uation index 指标类型评价指标 评价指标分级标准 分值 123 地形地貌 A1 坡度 ＞35 坡度 20 ～35 坡度 ＜20 自然地理 A 降水量 A2＜200mm 200 ～900mm＞900mm 植被覆盖度 A3＜40 40 ～60＞60 基础地质 B 构造 B1 强烈发育较发育不发育 岩性组合 B2 松散堆积物软质岩为主硬质岩为主 主要采选方式 C1 浮选重选 磁选联合选矿 矿业开发 C 噪声 C2 嘈杂一般安静 占用土地比例 C3＞10 0 ～10无矿业占地 地质灾害隐患 D1 易发轻微基本没有 环境影响 D 地质灾害预警 D2 较多一般较少 水环境破坏程度 D3严重 一般无 土壤环境破坏程度 D4严重 一般无 835 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 图 2川西甲基卡资源基地综合评价分级图 Fig． 2Comprehensive uation and grading map of Jiajika resource base，Western Sichuan Province 良好区单元中有 19 个环境良好区单元被误评价为 环境较好区单元外， 其余单元均被正确分类， 总体准 确率达到97． 77; 尤其是针对环境较差区的判别， 准确率达 100。由此可见该分类模型具有较高的 准确性和客观性。基于支持向量机的定量评价模型 应用与锂辉石矿区环境评价， 将环境评价得分划分 为 4 个级别， 为当地资源开发与环境保护协调发展 提供了一定证据与参考。 4结论 针对当前能源金属锂绿色矿山建设行业标准与 环境评价指标体系研究成果较少的现实问题， 本文 提出了适用于高原地区大型资源基地“绿色调查” 的方法， 即在资源基地环境扰动最小的前提下， 实现 了找矿部署最优化和生态环境保护最大化， 通过创 新方法 ［50 ］， 以地质背景与生态环境作为整体系统进 行调查研究， 通过跨学科综合调查成果来优化找矿 部署。拓展并提出了相应的环境评价指标体系， 各 指标的评价结果以可量化的数据表达， 并能有效地 结合空间信息， 便于矿产资源开发利用各阶段的管 理及决策。对经过验证的、 成熟的评价方法进行优 化， 运用 Python 语言编程建立了基于支持向量机的 大型锂资源基地环境评价模型。 将提出的环境评价指标体系及评价模型应用于 甲基卡矿区， 对研究区的环境现状作出了合理的分 级， 解决了以往以行政单元 市区县界 为单元的评 价在矿区或大型基地尺度的应用壁垒， 从技术上实 现了大型资源基地环境现状的“像元级” 的评价分 级。研究结果表明本指标体和模型能够比较客观地 反映甲基卡矿区及周边地质环境背景、 资源开发环 境问题与影响范围， 回答了“能不能开发” 以及“开 发哪里” 这两个实际问题， 为当地资源开发与环境 保护协调发展提供了一定证据与参考。研究成果有 助于突破高原生态脆弱区找矿部署与环境保护瓶颈 问题， 具有较强的现实意义。 5参考文献 ［ 1］鞠建华， 强海洋． 中国矿业绿色发展的趋势和方向 ［ J］ ． 中国矿业， 2017， 26 2 8 －12． Ju J H， Qiang H Y． The trend and direction 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