礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價

鄭優(yōu)男+彭書傳+王曉輝

摘要：從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與干擾指標(biāo)兩個方面構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系，并運用層次分析法和熵技術(shù)修正確定各指標(biāo)權(quán)重，提出大型礦區(qū)生態(tài)質(zhì)量評價模型和生態(tài)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，以淮南煤礦區(qū)為例，運用RS和GIS技術(shù)，分析了淮南礦區(qū)近30年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。結(jié)果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于下降趨勢，主要由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展、煤炭開采的繼續(xù)、環(huán)境保護措施不得力以及復(fù)墾地區(qū)的二次塌陷、治理標(biāo)準(zhǔn)低等原因所導(dǎo)致。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；淮南煤礦；指標(biāo)體系；評價標(biāo)準(zhǔn)；熵技術(shù)修正

中圖分類號：S181.6 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：0439-8114（2016）23-6113-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.026

Abstract： From ecosystem stability and disturbance index， the index system for ecological environment quality in mining areas was established and modified to obtain the weight of each index by the analytic hierarchy process and entropy technology， accordingly the evaluation model and evaluation standard of ecological quality in large mining areas were proposed， and then taking Huainan coal mining area as an example， using RS and GIS technologies to analyze the ecological environment quality changes of Huainan mining area in last 30 years. The results showed that the ecological environment quality in Huainan coal mining area still declined mainly due to the rapid growth of urbanization， accelerated speed of coal mining， not timely environmental protection， secondary collapse in reclamation areas， and low governance standards， etc.

Key words： ecological environment quality； Huainan mining area； index system； evaluation standard； modification of entropy technique

礦產(chǎn)資源是中國國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。但在煤炭資源被大規(guī)模開發(fā)和利用的同時，礦區(qū)原有生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遭到嚴(yán)重破壞，并出現(xiàn)一系列生態(tài)環(huán)境問題，如地表下沉、積水、土壤污染、土地生產(chǎn)力下降等。為了實現(xiàn)礦區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，化解煤炭開采與環(huán)境保護之間的矛盾，必須找到影響煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的癥結(jié)所在，而前提是對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行科學(xué)、客觀的評價。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量目前還沒有形成一個統(tǒng)一概念。任廣鑫等[1]認為，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是一個相對的概念，反映了在人類生產(chǎn)活動的干預(yù)下，生態(tài)環(huán)境中的諸要素在時間上的演替及在空間上的配置，以及這種配置同社會經(jīng)濟系統(tǒng)運行的耦合狀況。

Monjezi等[2]以公共安全、空氣質(zhì)量、水質(zhì)參數(shù)等指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，采用求和的方法獲取露天采礦對各因子的總體影響進行綜合評價；Konstantinos等[3]選取大氣污染、水污染、土壤污染、放射性污染、土地退化和生物多樣性這6個指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系對煤炭礦區(qū)驚醒評價；Schroeter等[4]通過TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測德國東部褐煤開采后塌陷形成的湖泊，通過光譜特征對湖泊的水文、水化學(xué)性質(zhì)進行分類，揭示露天褐煤開采對環(huán)境的影響。程水英[5]以彬長礦區(qū)為例，從資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟4個方面構(gòu)建了彬長礦區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響評價中礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系；鄒長新等[6]運用層次分析法，構(gòu)建礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系；徐嘉興等[7]運用層次分析法從景觀穩(wěn)定和干擾兩方面入手對徐州礦區(qū)景觀生態(tài)進行評價。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

淮南煤礦區(qū)地處安徽省中北部，淮河中游，位于東經(jīng)116°21′21″～117°11′59″，北緯32°32′45″～ 33°00′24″，海拔16.5～240.0 m，地跨淮河兩岸，東西長70 km，南北寬25 km，總面積約1 591 km2?；春右阅鲜抢系V區(qū)，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與新地層情況劃分為3個水文地質(zhì)單元，一是東部舜耕山區(qū)，二是二道河區(qū)，三是新莊孜、謝家集、李郢孜區(qū)。水質(zhì)類型，主要根據(jù)所處巖層而異?；春右员迸酥x礦區(qū)被120～564 m厚的第四紀(jì)沖積層所覆蓋，并自東向西、自南向北逐漸增厚。局部地區(qū)有古地形隆起，形成局部地區(qū)表土層較薄，這些隆起大部分位于D、E組煤層露頭。該段含水層有四層，隔水層有三層。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次研究采用的數(shù)據(jù)源主要包括遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)采用2012年法國SPOT6影像數(shù)據(jù)，空間分辨率可達1.5 m；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是研究區(qū)1∶5萬數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)；專題數(shù)據(jù)是研究區(qū)1986年及1999年土地利用類型矢量數(shù)據(jù)；統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括研究區(qū)統(tǒng)計年鑒、環(huán)境質(zhì)量報告書、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等。本研究根據(jù)衛(wèi)星影像解譯和矢量數(shù)據(jù)歸類得到1986、1999和2012年3個年度的土地利用情況。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價的對象是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，既包括一般生態(tài)系統(tǒng)的特點，又具有礦區(qū)獨有的特征。根據(jù)科學(xué)性、全面性、動態(tài)性、可操作性和可持續(xù)發(fā)展原則，從植被覆蓋率、生物多樣性、土地利用類型、大氣和水等方面入手選取指標(biāo)，并根據(jù)其對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的作用分為穩(wěn)定性指標(biāo)和干擾性指標(biāo)，構(gòu)建淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系（表1）。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

在評價指標(biāo)體系中，同一類評價體系每個評價指標(biāo)在與其他指標(biāo)相比較時，其地位、重要程度和反映的情況都不相同[13]。合理確定和適當(dāng)調(diào)整評價因素的權(quán)重，增加評價因素的可比性，體現(xiàn)了系統(tǒng)評價中各因素之間輕重有度、主次有別[14]。為了提高層次分析法的客觀性和精確性，本研究首先用層次分析法計算得出指標(biāo)的權(quán)重，再用熵技術(shù)修正得到指標(biāo)權(quán)重，最終得到淮南煤礦區(qū)指標(biāo)權(quán)重（表2）。層次分析法計算過程在此不做詳細介紹，這里主要介紹熵技術(shù)修正的計算過程[15，16]。

（1）首先對上述構(gòu)建的判斷矩陣進行歸一化處理，公式如下：

（2）計算第j項指標(biāo)的熵值Ej，公式如下：

（3）計算第j項指標(biāo)的差異性系數(shù)Gj，公式如下：

（4）求第j項指標(biāo)的信息權(quán)重系數(shù)，公式如下：

（5）最后利用信息權(quán)重系數(shù)μj修正AHP法得到的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)λj：

運用上述熵技術(shù)修正的步驟對層次分析法求得的淮南煤礦區(qū)穩(wěn)定指標(biāo)和干擾指標(biāo)權(quán)重分別進行修正，計算結(jié)果見表2。

2.3 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

為消除評價指標(biāo)間量綱差別，采用歸一化方法[15]對各指標(biāo)指進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即

2.4 綜合評價模型

1）環(huán)境穩(wěn)定度指數(shù)模型。由于多因素對礦區(qū)環(huán)境生態(tài)質(zhì)量穩(wěn)定程度的影響不同，因此構(gòu)建環(huán)境穩(wěn)定度指數(shù)ESI（Environment stability index）模型時，利用多因子指標(biāo)函數(shù)法進行計算。計算公式為：

2）環(huán)境干擾度指數(shù)模型。同理，構(gòu)建礦區(qū)環(huán)境干擾度指數(shù)EDI（Environment disturbance index）模型，利用多因子指標(biāo)函數(shù)法進行計算。計算公式為：

3）礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)EEQI（Environment ecological quality index）是用環(huán)境穩(wěn)定性指數(shù)除以環(huán)境干擾度指數(shù)，可以反映礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好壞和抵御外來干擾能力的強弱，即為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的狀況。計算公式為：

EEQI=ESI/EDI

2.5 評價標(biāo)準(zhǔn)

把礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為5級，構(gòu)建淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)（表3）。一級為EEQI≥2.0，表明礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度遠遠大于干擾程度，此時生態(tài)系統(tǒng)處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量非常好；當(dāng)2.0>EEQI>1.1時為二級，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到干擾，但生態(tài)系統(tǒng)可以內(nèi)部自我調(diào)節(jié)維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很好；當(dāng)1.1≥EEQI≥0.9時為三級，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度和干擾程度維持在平衡狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；當(dāng)1.0>EEQI≥0.5時為四級，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)已不足已自身化解外來干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于較差的狀況；當(dāng)EEQI<0.5時為五級，生態(tài)系統(tǒng)已完全失衡，處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量非常差，亟需控制污染，進行環(huán)境治理。

3 實例評價

在ARCGIS軟件中將1986、1999和2012年土地利用圖數(shù)據(jù)通過疊加合并等空間分析，提取各類評價因子的屬性數(shù)據(jù)，并保證與空間數(shù)據(jù)一致，然后，結(jié)合淮南煤礦區(qū)3個年份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過單一指標(biāo)計算方法求出各評價指標(biāo)數(shù)值，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行歸一化處理，最后將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值由層次分析法和熵技術(shù)修正的指標(biāo)權(quán)重值代入礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型，計算出淮南煤礦區(qū)環(huán)境穩(wěn)定度指數(shù)、環(huán)境干擾度指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（表4）。

由表4數(shù)據(jù)可知，淮南煤礦區(qū)1986年環(huán)境生態(tài)質(zhì)量指數(shù)2.0>EEQI>1.1，處于二級，說明礦區(qū)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)很穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很高；1999年時淮南煤礦區(qū)環(huán)境生態(tài)質(zhì)量指數(shù)0.9

從指標(biāo)層面去分析淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)植被覆蓋率下降、景觀破碎化指數(shù)、礦區(qū)土地塌陷面積和土地利用程度綜合指數(shù)的增加是導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)下降的最主要因素，而礦區(qū)耕地、林地的大幅度減少，建設(shè)用地、工礦用地和塌陷區(qū)的大面積增加是這些指標(biāo)變化最主要原因。其次礦區(qū)廢水、廢氣和固體廢棄物的大量排放對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定的影響。但從資源利用和污染治理方面看，礦區(qū)瓦斯綜合利用率、固體廢棄物利用率和塌陷區(qū)土地復(fù)墾率在研究期間都有大幅度的增加，說明礦區(qū)生態(tài)環(huán)境受到人們的重視，并采取措施治理污染，成效顯著，大大減小了開采活動對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的危害；同時礦區(qū)水土流失狀況也得到了好轉(zhuǎn)，土地退化指數(shù)在逐漸減小，這對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善起到了非常重要的作用。

4 小結(jié)與討論

由淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果可知，其環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)已處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，必須立刻采取有效措施改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，減少煤炭開采。目前中國大部分大型煤礦區(qū)都面臨著與淮南煤礦區(qū)同樣的問題，所以亟需加大對礦區(qū)的環(huán)境保護，完善礦區(qū)復(fù)墾技術(shù)規(guī)程，制定礦區(qū)生態(tài)修復(fù)策略，從而實現(xiàn)礦區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

對礦區(qū)環(huán)境保護、生態(tài)修復(fù)和污染治理等措施的前提是對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價，通過對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，才能了解礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況和變化趨勢，以及導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因。本研究提出的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)系統(tǒng)、指標(biāo)權(quán)重確定方法、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型及評價標(biāo)準(zhǔn)的一整套生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法，通過實例驗證此方法是可行的，為我國大型煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供了參考。

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