控制采礦干擾擴(kuò)散的生態(tài)關(guān)鍵地段識別研究
——以大冶市為例

唐榮彬 付梅臣 陳 勇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

我國礦產(chǎn)資源開發(fā)催生了一批礦業(yè)城市[1]，其可持續(xù)發(fā)展直接關(guān)系到我國可持續(xù)發(fā)展大局。受礦藏不可移動的限制和礦業(yè)生產(chǎn)活動的影響[2]，采礦區(qū)域面臨著土地的占用和破壞、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、水體遭受污染、土壤的退化及污染、水土流失的加劇、生物多樣性的損失等危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國 1 500多個各類礦區(qū)開發(fā)占用和損壞的土地面積達(dá)200萬hm2，采礦塌陷地33萬hm2，礦山開發(fā)占用的耕地面積達(dá)到60萬hm2，且每年仍以3～4萬hm2的速度遞增，礦山周圍的生態(tài)關(guān)鍵地段[3]日益受到脅迫。

生態(tài)關(guān)鍵地段的空間識別是區(qū)域環(huán)境和景觀生態(tài)研究的有效分析手段，有利于環(huán)境的科學(xué)規(guī)劃與合理調(diào)控。目前的研究主要針對三角洲城市[4-5]、自然保護(hù)區(qū)[6]、重要城市[7-8]等特殊區(qū)域，礦區(qū)作為一類“人工”干擾下的生態(tài)高度脆弱區(qū)，其周圍的生態(tài)關(guān)鍵地段的識別研究需深入開展?？刂撇傻V干擾的生態(tài)關(guān)鍵地段主要表現(xiàn)為位置型關(guān)鍵地段[9]，其對礦區(qū)的環(huán)境破壞與污染物的擴(kuò)散等有著重要作用，將這些關(guān)鍵節(jié)點按照某種規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一的識別，將為相關(guān)部門有的放矢地進(jìn)行環(huán)境治理和重點地段的污染防治提供空間參考。本研究以大冶市為例，基于ArcGIS的最小阻力面模型，構(gòu)建控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力模型MIDR(Mining Interference Diffusion Resistance)，開展控制采礦干擾的生態(tài)關(guān)鍵地段識別研究，為大冶市的生態(tài)環(huán)境空間管制提供依據(jù)，為其他礦業(yè)城市的生態(tài)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

大冶市位于長江中游南岸，地處武漢、鄂州、黃石、九江城市帶之間和湖北“冶金走廊”腹地。全市土地總面積1 566.0 km2，轄4個街道、10個建制鎮(zhèn)、1個鄉(xiāng)(見圖1)；地處幕阜山脈北側(cè)的邊緣丘陵地帶，地形以丘陵、山地、平畈為主，呈“南山北丘東西湖，南高北低東西平”格局；屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛；境內(nèi)水系眾多，有集水面積10 km2以上的河流30條，總長368 km；農(nóng)作物種類繁多，以水稻、小麥、紅苕、玉米、大豆、棉花等為主。

圖1 大冶市行政區(qū)劃及位置

大冶市是我國中南部著名的礦業(yè)城市，素有“百里黃金地，江南聚寶盆”之稱，其礦產(chǎn)資源總量豐富，種類齊全。但是長期的礦山開發(fā)使其不僅在經(jīng)濟(jì)上形成了資源依賴，更產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[10-11]。多年的高強(qiáng)度開發(fā)，甚至一度的亂采濫挖，致使大冶市形成了大面積的廢石場、尾礦庫、露天開采坑和地下開采空區(qū)，進(jìn)一步導(dǎo)致了地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計全市地質(zhì)災(zāi)害重點防治區(qū)達(dá)180 km2，次重點防治區(qū)達(dá)120 km2。同時，水土流失面積占全市國土面積的33%。由于“三廢”排放，全市12條主要港渠中有10條受到不同程度的污染。由于礦山企業(yè)疏排地下水，形成大面積疏干漏斗，破壞了整個地下水系統(tǒng)的均衡，造成地表水位下降、河道淤塞、河床抬高、重金屬污染等，致使部分農(nóng)田無法耕種，受災(zāi)面積達(dá)5 333.03 hm2以上。因此，對大冶市這些本身生態(tài)現(xiàn)狀嚴(yán)峻、在采礦干擾擴(kuò)散過程中發(fā)揮重要作用的位置型關(guān)鍵地段進(jìn)行識別，有利于控制采礦干擾的進(jìn)一步擴(kuò)散，對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和改善中老年期的礦業(yè)城市生態(tài)環(huán)境有著重要的現(xiàn)實意義。

2 研究方法

控制采礦干擾的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段取決于其在區(qū)域生態(tài)格局中的地位和對水平生態(tài)過程的影響[4]。通常位置型生態(tài)關(guān)鍵地段識別主要針對物種遷徙等生物水平生態(tài)過程，一般采用最小累積阻力面模型進(jìn)行識別。如吳未等[4-5]利用最小阻力面模型分別對黃河三角洲惠民縣和長江三角洲無錫縣的位置型關(guān)鍵地段進(jìn)行了識別；張林波等[8]利用成本分析的方法構(gòu)建城市最小生態(tài)用地空間分析模型，分析了深圳市最小生態(tài)用地空間分布的合理性。

2.1 最小累積阻力面模型

最小累積阻力面模型(Minimal Cumulative Resistance，MCR)是荷蘭生態(tài)學(xué)家Knappen于1992年提出的、應(yīng)用于物種擴(kuò)散過程研究的一種模型[12]，該模型可刻畫特定物種經(jīng)過不同阻力景觀時所耗費的費用或者克服阻力所做的功，后被廣泛應(yīng)用于物種保護(hù)、景觀規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)區(qū)劃和城市擴(kuò)張等眾多研究領(lǐng)域[13-19]。該模型構(gòu)造了源、距離和基面阻力3個因素，根據(jù)地理信息系統(tǒng)中常用的耗費距離(cost distance)[20]，其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)如下：

(1)

式中，MCR為最小累積阻力面值；f是一個未知的正函數(shù)，反映空間中任意一點的最小阻力與其到所有源的距離和地表基面阻力的正相關(guān)關(guān)系；Dij是物種從第j個源到空間某一點所穿越的第i個阻力基面的空間距離，i=1,…,m;j=1，…，n；Ri是第i個基面對某物種運(yùn)動的阻力。Dij×Ri的累積值可以被認(rèn)為是物種從源到空間某一點的某一路徑的相對易達(dá)性[21]的衡量，min(Dij×Ri)則是用來衡量該點的易達(dá)性，即最優(yōu)路徑。

建立最小累積阻力面模型[22-23]的過程分為3步：確定源(Source)、構(gòu)建最小累積阻力面、識別關(guān)鍵地段[24]。

2.2 控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力面(MIDR)模型構(gòu)建

采礦活動造成的干擾擴(kuò)散作用也可以看作是對其他景觀的競爭性擴(kuò)散和控制過程，且這種擴(kuò)散和控制必須通過克服基面阻力來實現(xiàn)，這樣采礦干擾的擴(kuò)散過程就可以模擬為從源到克服阻力做功的水平過程。

(1)源。源是指從事采礦活動的企業(yè)所占用的土地斑塊，其干擾和擴(kuò)散能力等級取決于采礦活動的性質(zhì)、規(guī)模以及工藝水平。

(2)基面擴(kuò)散阻力系數(shù)。由于地表狀況的差異，采礦活動所產(chǎn)生的干擾破壞作用在擴(kuò)散過程中所受到的阻力是不同的。擴(kuò)散阻力系數(shù)反映了采礦干擾在空間擴(kuò)散的趨勢和難易程度。在阻力面的構(gòu)建過程中，阻力層的選取以及各阻力層對源的阻力系數(shù)的確定是核心和關(guān)鍵[24]。為了科學(xué)合理地確定阻力系數(shù)，需要先對源的干擾破壞作用在空間傳播的擴(kuò)散模式和機(jī)理進(jìn)行分析。

(3)模型表達(dá)式。將源的影響系數(shù)Cj引入MCR模型，構(gòu)建控制采礦干擾的擴(kuò)散阻力模型MIDR(Mining Interference Diffusion Resistance)，模型考慮了源、源的影響系數(shù)、距離和基面阻力系數(shù)，模型表達(dá)式如下：

(2)

式中，MIDR是控制采礦干擾源擴(kuò)散的阻力值；f、Dij、Ri含義同式(1)；Cj表示源j的影響系數(shù)，源的影響系數(shù)越高，擴(kuò)散能力就越強(qiáng)。

3 實例應(yīng)用

大冶市各類型礦山眾多，據(jù)《大冶市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2016—2020)》，大冶市金屬礦床規(guī)模以中、小型居多，非金屬礦床以小型為主，全市122個礦床(含礦點)中，大型礦床5個，中型礦床15個，其余全部為小型及小型以下規(guī)模。非金屬礦床(點)34個，其中74.6%為小型、小礦以及零散礦。全市每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))都有礦產(chǎn)資源分布。鐵、銅、金、銀、鎢、鉬、鈷、硅灰石等礦產(chǎn)集中分布于巖體接觸帶和小巖體分布區(qū)。鐵礦、銅礦、煤礦等開發(fā)強(qiáng)度較大，僅有5～10 a的平均開采年限。礦床開采引發(fā)的各類生態(tài)環(huán)境問題，已威脅到居民的生存質(zhì)量和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 源及其影響系數(shù)的確定

礦山在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中的工程爆破、剝離挖掘、堆放運(yùn)輸及礦石提煉與加工等活動，會引發(fā)對土地的壓占，植被的破壞，物種多樣性的減少，景觀環(huán)境的改變，以及“三廢”污染等一系列生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)。本研究基于礦業(yè)生產(chǎn)活動干擾的角度，選取大冶市現(xiàn)有主要礦山企業(yè)作為“源”，著重考慮“源”的干擾能力的差異性。通過收集相關(guān)礦山企業(yè)統(tǒng)計資料及數(shù)據(jù)，選取礦業(yè)生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模、礦山新“三率”評價和“三廢”排放綜合達(dá)標(biāo)率這3個指標(biāo)，采用AHP確定指標(biāo)的權(quán)重并對各指標(biāo)進(jìn)行重要性賦值(見表1)，利用ArcGIS對各指標(biāo)按權(quán)重進(jìn)行屬性疊加，最終得到干擾源的影響系數(shù)(見圖2)。

表1 干擾源影響系數(shù)指標(biāo)體系

注：生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模參見國土資發(fā)[2004]208號《礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模分類一覽表》；礦山新“三率”指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)參見中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0272—2015。本研究參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將優(yōu)于規(guī)定值的定為優(yōu)秀，低于規(guī)定值5個百分點以內(nèi)的定為合格，低于規(guī)定5個百分點以上的定為不合格?！叭龔U”排放綜合達(dá)標(biāo)率引自工業(yè)三廢排放試行標(biāo)準(zhǔn)GBJ4—73，結(jié)合大冶市大部分礦山進(jìn)入服務(wù)中后期的現(xiàn)狀，將“三廢”排放綜合達(dá)標(biāo)率定為90%。

圖2 大冶市干擾源影響系數(shù)

3.2 基面擴(kuò)散阻力系數(shù)確定

在假定地表環(huán)境是均質(zhì)的前提下，采礦干擾呈現(xiàn)出理想的擴(kuò)散模式，即隨距離勻速衰減，距離源越近，作用力越強(qiáng)，隨著距離的不斷擴(kuò)大，作用力趨向于減弱。然而，采礦干擾在真實地表環(huán)境中的傳播擴(kuò)散除了受到距離的影響，還存在2種截然不同的影響因素。一是擴(kuò)散效率阻礙因素，一般來說，影響源的擴(kuò)散作用往往受限于地表的地形地貌、坡度、地物類型以及景觀環(huán)境等；二是擴(kuò)散效率推動因素，即源在其理論擴(kuò)散距離中含有其他影響源或土地侵蝕劇烈的地段，使得干擾擴(kuò)散的速度和效率進(jìn)一步升級。

基于此，選取坡度、覆被等指標(biāo)表征基面狀況對干擾擴(kuò)散的抵抗作用，沿著擴(kuò)散作用的前進(jìn)方向，坡度越大、植被覆蓋越好、道路等級越高，就越能抵抗“源”的擴(kuò)散作用，阻力系數(shù)就越高；選取水土流失現(xiàn)狀等指標(biāo)表征基面對干擾擴(kuò)散的推動作用，即水土流失越嚴(yán)重，河流等級越高則加速擴(kuò)散作用越明顯，阻力系數(shù)就越低。

依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》、《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》等規(guī)程及文獻(xiàn)[25-26]，結(jié)合大冶市實際情況，經(jīng)專家咨詢與重要性評判，構(gòu)建采礦干擾擴(kuò)散阻力評價指標(biāo)體系(見表2)，地形坡度、土地覆被、道路級別、河流等級、水土流失現(xiàn)狀的重要性系數(shù)分別為0.2、0.15、0.15、0.2、0.3。不同等級的阻力系數(shù)賦值依據(jù)參考《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》的分級賦值。

表2 采礦干擾擴(kuò)散阻力評價指標(biāo)體系

注：土地覆被類型來源于大冶市國土資源局編制的2009年土地利用現(xiàn)狀圖；水土流失現(xiàn)狀由大冶市相關(guān)環(huán)境部門提供。

阻力系數(shù)并不是一個絕對值，反映的是相對阻力的大小，因此阻力面反映的是采礦干擾源的負(fù)面影響在地表基面擴(kuò)散的相對難易趨勢。所以，相對的阻力系數(shù)依然可以支持阻力面的建立。

將各因子的阻力系數(shù)在ArcGIS中進(jìn)行屬性上的疊加，得到大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力基面的綜合評價結(jié)果(見圖3)，其實質(zhì)是通過生態(tài)因子的分級疊加來反映干擾擴(kuò)散的相對阻力大小。

圖3 阻力系數(shù)

3.3 關(guān)鍵地段識別

3.3.1 MIDR模型運(yùn)算

基于控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力系數(shù)評價結(jié)果，考慮采礦干擾“源”的影響系數(shù)，采用MIDR模型算法，運(yùn)用ArcGIS中成本距離模塊[27-28]可生成基于源的控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力面，通過對阻力值進(jìn)行成本距離分析，計算各柵格單元的最小值，最終生成控制采礦干擾擴(kuò)散的最小累積阻力面(見圖4)。

圖4 基于MIDR的大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散的最小阻力值

控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力面是圍繞礦業(yè)影響源的一組趨勢表面，反映的是采礦干擾擴(kuò)散過程所需克服的綜合力。從圖4可以看出，受采礦干擾“源”的影響，擴(kuò)散阻力面總體上圍繞“源”向外呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)大的變化趨勢，并在很大程度上受基面異質(zhì)性的影響，阻力值出現(xiàn)迅速增加或驟減的突變現(xiàn)象。

3.3.2控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段識別結(jié)果

利用生成的擴(kuò)散阻力面，根據(jù)采礦干擾擴(kuò)散的最小累積阻力值大小，對控制采礦干擾擴(kuò)散的關(guān)鍵地段進(jìn)行提取。提取方法參考李紀(jì)宏[29]和呂劍成等[30]學(xué)者的研究成果，以不同累積數(shù)對應(yīng)柵格數(shù)的突變情況確定阻力閾值的方法，提取出最小阻力值在 [0,85.134]內(nèi)的斑塊為大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段(見圖5)。

圖5 大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段

大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段主要分布在大冶市中部、北部以及西北區(qū)域，約占全市土地面積的23%左右。由圖5可以看出，一是控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段與主要礦產(chǎn)資源空間分布及開發(fā)位置相匹配，主要集中分布在金湖、金山、陳貴等礦產(chǎn)資源賦存豐富的鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，構(gòu)成了主要礦山生態(tài)外部性擴(kuò)散的控制帶；二是覆蓋了中北部的平原和地表覆被較差的區(qū)域，如三大湖區(qū)等，形成了生態(tài)敏感區(qū)的生態(tài)關(guān)鍵地段；三是以礦點為中心向四周呈環(huán)狀分布，如銅山口、銅錄山礦周邊的環(huán)形區(qū)域、大冶鐵礦外環(huán)等，由于緊鄰干擾源，采礦干擾能夠輕易地擴(kuò)散，致使這些地帶成為累積阻力值很小的關(guān)鍵地段；四是具有沿主要河流分布的特征，如中部沿棲儒港呈南北向帶狀分布、中北部沿大冶湖主港橫向分布的關(guān)鍵地段，在這些區(qū)域，采礦干擾沿著河流方向，輕易地向下游實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的擴(kuò)散；五是在河流與河流、河流與道路、道路與道路的交匯處，易形成控制采礦干擾擴(kuò)散的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段，如陳貴鎮(zhèn)北部的兩河交匯處、陳貴鎮(zhèn)與靈山鄉(xiāng)相鄰位置的多條支流匯合處，小箕鋪港與大沙公路的交匯處、國道與銅錄山礦業(yè)運(yùn)輸專線匯合處。

針對礦山企業(yè)等“擴(kuò)散源”，政府及相關(guān)部門應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行礦山環(huán)境影響評估制度，同時對礦山環(huán)境保護(hù)和治理方案實施動態(tài)監(jiān)測，落實對其污染物的排放量和資源的開采利用的管理和監(jiān)督，從源頭上減輕對周邊區(qū)域干擾。針對已有采礦點但尚未形成關(guān)鍵地段的礦山企業(yè)，應(yīng)鼓勵其不斷深入對礦產(chǎn)資源的綠色開采，增強(qiáng)對環(huán)境干擾的防控能力。截止2015年底，大冶市已完成礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項目11項，治理面積130.3 km2。針對識別出的關(guān)鍵地段，應(yīng)明確該區(qū)域土地利用的首要目標(biāo)是保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，鼓勵相關(guān)利益者對位置型關(guān)鍵地段的資源利用進(jìn)行整合，加大生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理的力度，創(chuàng)建綠色礦山、和諧礦區(qū)。此外，政府及礦山企業(yè)應(yīng)格外重視流域水環(huán)境和道路綠化防護(hù)體系的建設(shè)，以增強(qiáng)其對采礦干擾和污染物的抵抗和凈化能力。

4 結(jié) 語

大冶市控制采礦干擾擴(kuò)散層面的位置型生態(tài)關(guān)鍵地段約占全市面積的23%，每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))均有分布?？臻g分布上與大冶市礦產(chǎn)資源的分布大體保持一致，在大冶市中北部的平原地區(qū)有明顯的塊狀分布，以干擾源為中心呈現(xiàn)出環(huán)狀分布趨勢，沿重要河流或道路呈現(xiàn)出條帶式分布特點。組成結(jié)構(gòu)上主要包括鄰接采礦用地的裸地、水土流失嚴(yán)重以及坡度較小且植被覆蓋較差的地段?？傊笠笔锌刂撇傻V干擾擴(kuò)散的生態(tài)關(guān)鍵地段覆蓋了主要礦山、生態(tài)敏感區(qū)與脆弱區(qū)，對這些地段進(jìn)行重點的防護(hù)和治理，能夠減輕采礦干擾對生態(tài)的影響，緩解生態(tài)的惡化，有利于生態(tài)安全格局的構(gòu)建。

研究在MCR模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建控制采礦干擾擴(kuò)散的阻力面模型(MIDR)，將“源”的影響系數(shù)納入識別體系中，系統(tǒng)地研究了地表阻力的構(gòu)成和運(yùn)作機(jī)理，在大冶市的實際應(yīng)用中取得了較好的識別成果。但由于采礦活動對生態(tài)環(huán)境影響的多樣性、影響機(jī)理的復(fù)雜性，決定了MIDR模型在未來仍需不斷的完善和改進(jìn)，特別是不同自然環(huán)境狀況下的礦產(chǎn)資源種類、采掘方式與技術(shù)、外部性擴(kuò)散方式及阻力等存在差異，需要因地制宜的選擇“源”、“阻力”評價指標(biāo)體系，才能更科學(xué)地篩選出控制采礦干擾擴(kuò)散的生態(tài)關(guān)鍵地段，并對其進(jìn)行監(jiān)管，促進(jìn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

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