煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究*

安英莉 戴文婷

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境測(cè)繪學(xué)院；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

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煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究*

安英莉1，2戴文婷1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境測(cè)繪學(xué)院；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

通過(guò)綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究文獻(xiàn)，對(duì)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)理論方法和應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)合我國(guó)煤礦區(qū)的實(shí)際需求建立了煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并對(duì)生態(tài)安全研究進(jìn)行了展望。

煤礦塌陷區(qū) 生態(tài)安全 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，煤炭在我國(guó)一次性能源消費(fèi)中占65%以上，其產(chǎn)量更是占據(jù)著75%以上的高份額，據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，截至2050年煤炭的消費(fèi)比重仍將占能源消費(fèi)總量的50%左右。高強(qiáng)度、大規(guī)模的煤炭開(kāi)發(fā)利用，對(duì)環(huán)境造成了巨大的負(fù)面影響。其中，采煤活動(dòng)造成地表變形、沉陷，土壤結(jié)構(gòu)破壞，土地生態(tài)功能降低甚至喪失，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、礦區(qū)人們及周邊的百姓造成嚴(yán)重危害，從而形成了一系列的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題[1]。為此，以科學(xué)性、完整性、針對(duì)性為原則，選取煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建全面、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為評(píng)價(jià)煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全狀況和合理開(kāi)發(fā)利用煤炭資源提供理論依據(jù)，對(duì)促進(jìn)煤礦區(qū)生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，對(duì)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)的理論方法和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探究，構(gòu)建了煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1 生態(tài)安全的定義及評(píng)價(jià)方法

根據(jù)1989年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)對(duì)生態(tài)安全的定義，生態(tài)安全(ecological safety)包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會(huì)生態(tài)安全，是指人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)、生活保障來(lái)源、基本權(quán)利、必要資源、社會(huì)次序和人類(lèi)適應(yīng)環(huán)境變遷能力等方面不受脅迫的一種狀態(tài)。我國(guó)于2000年12月公布的《全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》中，首次提出了“國(guó)家生態(tài)安全”這一概念，生態(tài)安全是國(guó)家安全的重要組成部分，明確“生態(tài)安全紅線(xiàn)”，確保國(guó)家生態(tài)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需的生存環(huán)境處于不受破壞和脅迫的狀態(tài)，是我國(guó)第一次明確提出的國(guó)家生態(tài)安全目標(biāo)[2-3]。

隨后，生態(tài)安全評(píng)價(jià)方面的相關(guān)研究廣泛開(kāi)展，一些學(xué)者根據(jù)不同的角度和研究領(lǐng)域引入針對(duì)性的評(píng)價(jià)方法，例如：綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法、景觀生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)法、景觀指數(shù)評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法、不確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型等。其中，綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(Pressure-State-Response，簡(jiǎn)稱(chēng)PSR)”模型，構(gòu)建多層系的表征各個(gè)生態(tài)安全因子的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后根據(jù)專(zhuān)家咨詢(xún)等方法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的相對(duì)權(quán)重，最后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得明確生態(tài)安全程度的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(或分?jǐn)?shù))[4]。這種評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，其難點(diǎn)是如何構(gòu)建科學(xué)全面的表征生態(tài)安全的指標(biāo)體系，以及各個(gè)生態(tài)安全因子指標(biāo)的量化和權(quán)重計(jì)算。景觀生態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)法是GIS的空間結(jié)構(gòu)分析、功能分析與穩(wěn)定性分析對(duì)區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。景觀生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)法是通過(guò)識(shí)別景觀生態(tài)安全格局來(lái)判斷土地的生態(tài)安全。吳開(kāi)亞結(jié)合層次分析法和PSR概念模型，在評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)安全時(shí)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、成分投影和不確定測(cè)度理論，建立區(qū)域生態(tài)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，來(lái)研究安徽生態(tài)安全現(xiàn)狀及威脅生態(tài)安全的主要因素[5-6]。齊艷領(lǐng)嘗試將PSR概念模型引用到煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法計(jì)算各個(gè)生態(tài)安全因子指標(biāo)的權(quán)重，并結(jié)合線(xiàn)性加權(quán)綜合法和不確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型，對(duì)唐山南部煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[7]。

目前，評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)安全的方法還處于探索之中，尚沒(méi)有一套公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。對(duì)煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的研究更沒(méi)有形成完整的理論體系，故對(duì)煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，還需要更多更深入的理論研究。在實(shí)踐方面，20世紀(jì)90年代以來(lái)，盡管通過(guò)復(fù)墾整理，使部分礦區(qū)土地重新發(fā)揮生產(chǎn)功能，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能恢復(fù)區(qū)域的生態(tài)安全，煤礦塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)急需構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)安全指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行客觀規(guī)范的評(píng)價(jià)。因此，該研究在已有煤礦區(qū)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)的研究成果上，考慮煤礦塌陷區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行研究。

2 指標(biāo)體系的功能、原則及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 功 能

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是在不同層次上，表征和評(píng)價(jià)事物一定狀態(tài)和特征參數(shù)的組合和集合。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是表征和評(píng)價(jià)煤礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展所需要的生存環(huán)境，主要包括描述、評(píng)價(jià)和決策支持三種功能。

2.2 原 則

構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)遵循一定的原則。一是科學(xué)性原則，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、定量分析方法等都應(yīng)有科學(xué)依據(jù)。二是完整性原則，指標(biāo)的選取和構(gòu)建既要考慮生態(tài)系統(tǒng)自身的質(zhì)量指標(biāo)，又要考慮人類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力和調(diào)控指標(biāo)，這樣可以完整地反映煤礦塌陷區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀、內(nèi)在機(jī)制和發(fā)展趨勢(shì)。三是針對(duì)性原則，即針對(duì)煤礦塌陷區(qū)這一特定的評(píng)價(jià)對(duì)象主要存在的生態(tài)安全威脅和矛盾。四是實(shí)用性原則，指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)建要符合實(shí)際應(yīng)用的要求，要適應(yīng)煤礦區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、管理水平和環(huán)境治理水平。而且，選取的指標(biāo)并不是多多益善，應(yīng)充分考慮指標(biāo)量化、數(shù)據(jù)收集和獲取的難易程度及可靠程度。此外，構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系既要與煤礦區(qū)生態(tài)安全總體戰(zhàn)略目標(biāo)相一致，又要結(jié)合煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性特點(diǎn)，分解成若干個(gè)層次，同時(shí)確保選取指標(biāo)的穩(wěn)定性。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

明確評(píng)價(jià)對(duì)象各生態(tài)安全因子指標(biāo)的目標(biāo)值、制定系統(tǒng)生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而判定被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的生態(tài)安全性是否符合量化的標(biāo)準(zhǔn)。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定主要從四個(gè)方面考慮：首先是國(guó)際、國(guó)家、行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；其次是選擇評(píng)價(jià)區(qū)域的各個(gè)生態(tài)安全因子指標(biāo)生態(tài)背景值或者本底值作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)；再次是選擇未受人為活動(dòng)強(qiáng)烈干擾、生態(tài)安全性較高的、與評(píng)價(jià)對(duì)象相似的生態(tài)系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)的類(lèi)比標(biāo)準(zhǔn)，這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的選取需要根據(jù)具體的評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法；最后根據(jù)已有研究成果中判定的生態(tài)效應(yīng)，選取當(dāng)?shù)鼗蛳嗨茥l件下研究判定的生態(tài)安全指標(biāo)作為生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)參考。

3 構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)土地與生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 總體指標(biāo)

煤礦塌陷區(qū)總體生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，主要考慮自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，選取這兩項(xiàng)指標(biāo)作為煤礦塌陷區(qū)的總體指標(biāo)。自然生態(tài)環(huán)境分為土壤環(huán)境、水體環(huán)境、大氣環(huán)境和生物環(huán)境四項(xiàng)指標(biāo)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境分為人均耕地面積和“三廢”排放處理率兩項(xiàng)指標(biāo)。煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基本框架見(jiàn)圖1。

圖1 采煤塌陷區(qū)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本框架

3.2 指標(biāo)體系分解

3.2.1 土壤環(huán)境

(1)表征土壤退化的具體指標(biāo)包括土壤中的氮、磷、有機(jī)質(zhì)含量，土壤的孔隙度。土壤退化分為土壤鹽堿化、土壤侵蝕、土壤貧瘠化、土壤荒漠化、土壤污染、土壤生產(chǎn)力喪失和土壤潛育化等七種類(lèi)型。

(2)表征土壤酸堿度的具體指標(biāo)為pH值。土壤pH值是土壤酸堿性的直接表征，是土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)。土壤的酸堿程度對(duì)其肥力和作物生長(zhǎng)有很大影響，一般pH值為6～8時(shí)，適宜大部分作物的正常生長(zhǎng)。

3.2.2 水體環(huán)境

(1)表征水體理化性質(zhì)的具體指標(biāo)包括pH值、生化需氧量(BOD)。水體pH值是水體酸堿性的直接表征，是水體理化性質(zhì)的重要指標(biāo)。水體的酸堿程度對(duì)其中任何生物生長(zhǎng)有很大影響。BOD是表征水體中有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，是指有機(jī)物被好氣性微生物分解的過(guò)程中溶解氧氣量。BOD值越高，說(shuō)明水體質(zhì)量越差，當(dāng)BOD<3 mg/L時(shí)，水體質(zhì)量較好，純水或近純水的BOD值一般介于1～3。當(dāng)BOD>5 mg/L時(shí)，說(shuō)明水體的純度較差；當(dāng)BOD>10 mg/L時(shí)，說(shuō)明水體質(zhì)量很差。

(2)表征區(qū)域水量的具體指標(biāo)包括人均水資源擁有量、水域面積率。采煤活動(dòng)破壞了煤炭圍巖及含水層結(jié)構(gòu)，造成水體資源污染和枯竭，降低了人均水資源擁有量。在高潛水位煤礦區(qū)，土地塌陷會(huì)造成大面積水；在低潛水位煤礦區(qū)，土地塌陷會(huì)造成區(qū)域水域面積較少。本文選用礦區(qū)人均水資源占有量來(lái)反映礦區(qū)水資源存量及其承載力。

3.2.3 大氣環(huán)境

大氣污染指數(shù)(air pollution index，簡(jiǎn)稱(chēng)API)是表征和定量評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量的方法。根據(jù)國(guó)家的大氣污染特點(diǎn)和大氣環(huán)境污染防治重點(diǎn)，大氣污染指數(shù)的具體項(xiàng)目包括二氧化硫、氮氧化物、總懸浮顆粒物。大氣污染指數(shù)(API)分為五個(gè)等級(jí)，當(dāng)API<50時(shí)，大氣環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)，符合國(guó)家大氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)50200時(shí)，大氣環(huán)境質(zhì)量較差；當(dāng)API>300時(shí)，大氣環(huán)境質(zhì)量極差，嚴(yán)重污染。按照煤礦區(qū)大氣質(zhì)量要求和響應(yīng)的國(guó)家大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量其大氣質(zhì)量狀況，本文采用國(guó)標(biāo)GB3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

3.2.4 生物環(huán)境

(1)地表植被覆蓋率。地表植被面積變化會(huì)導(dǎo)致地表屬性的變化，包括地表反照率、粗糙度、土壤濕度等。這些變化會(huì)通過(guò)土壤-大氣系統(tǒng)的水分、能量循環(huán)，影響區(qū)域的氣候。此外，地表植被面積變化會(huì)造成地表蒸散能力增強(qiáng)、土壤儲(chǔ)水能力減弱，區(qū)域土壤含水量、地表徑流明顯減少。

(2)生物多樣性。生物多樣性是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，具有重要的生態(tài)功能價(jià)值，在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量流動(dòng)、凈化土壤、改善環(huán)境、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候等方面發(fā)揮著巨大作用。區(qū)域生物多樣性可分為物種極為豐富、物種較豐富、物種中等豐富、物種較少、物種極少，共五級(jí)。

3.2.5 社會(huì)環(huán)境

(1)生態(tài)難民。由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)失衡、環(huán)境惡化，喪失生存基礎(chǔ)的居民成為生存難民，是衡量煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的重要社會(huì)環(huán)境指標(biāo)，可用生態(tài)難民率表征。采煤活動(dòng)導(dǎo)致地面下沉，地表變形、塌陷，當(dāng)?shù)鼐用癫粩嘞蛲膺w移。生態(tài)難民率是指區(qū)域單元的遷移人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比重。

(2)人均耕地。采煤活動(dòng)導(dǎo)致土地?fù)p毀、塌陷，區(qū)域人均耕地急劇下降，直逼聯(lián)合國(guó)人均耕地面積的警戒線(xiàn)。因此，本文選取人均耕地面積作為煤礦塌陷區(qū)的社會(huì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)“三廢”排放處理率。一些工礦企業(yè)或城市會(huì)將采煤塌陷區(qū)稍加處理作為廢棄物或生活垃圾的排放處，造成塌陷區(qū)土壤、地表水、地下水的嚴(yán)重污染，威脅塌陷區(qū)的生態(tài)安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是定量評(píng)價(jià)礦區(qū)生態(tài)安全的前提，為各地的采煤塌陷區(qū)提供評(píng)價(jià)方法進(jìn)而引導(dǎo)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系綜合了自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境兩部分要素的具體量化指標(biāo)，可以根據(jù)所在具體區(qū)域的自然條件、人文環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)煤炭塌陷區(qū)的生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行定量分級(jí)評(píng)價(jià)。我國(guó)應(yīng)該開(kāi)展更多的相關(guān)研究，以完善生態(tài)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究需要注重結(jié)合地質(zhì)、環(huán)境、生態(tài)等交叉學(xué)科領(lǐng)域研究成果預(yù)測(cè)未來(lái)生態(tài)安全的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有強(qiáng)烈的地域特點(diǎn)，區(qū)位地租和城市發(fā)展的需要是影響礦區(qū)塌陷地利用的主導(dǎo)因素，需要根據(jù)其區(qū)位特點(diǎn)和適宜性進(jìn)行有效的利用做出相應(yīng)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)。

[1] 王顯政.中國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)煤炭，2010，36(7)：5-7，10.

[2] 郭中偉.建設(shè)國(guó)家生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)與維護(hù)體系——面對(duì)嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)的對(duì)策[J].科技導(dǎo)報(bào)，2001(1)：54-56.

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[6] 吳開(kāi)亞.區(qū)域生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)研究[D].合肥:中國(guó)科技技術(shù)大學(xué)，2003.

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*國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào)：2014FY110800)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51374208)。

2016-03-28)

安英莉(1970—)，女，博士研究生，221116 江蘇省徐州市大學(xué)路1號(hào)。