煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價研究進展

孫金玉，卜慶偉,*，吳東奎，劉云，姜巍巍

1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2. 上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082

累積效應(yīng)的研究強調(diào)多項活動或多次重復(fù)活動在長時間和較大空間范圍內(nèi)對環(huán)境的疊加累積性影響[1]。自從“生態(tài)累積效應(yīng)”概念提出以來，在礦產(chǎn)資源開發(fā)影響區(qū)域[1]、人工綠洲[2]等相關(guān)領(lǐng)域的生態(tài)累積效應(yīng)評估方面均有一定程度的應(yīng)用，起到了協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的重要作用。

煤炭在我國能源消費構(gòu)成中占有重要比例。在社會經(jīng)濟發(fā)展對能源需求日益提高的背景下，煤炭資源的開采力度也日益加大。煤炭資源的大規(guī)模開采必然對煤礦區(qū)周邊的土地資源和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。當(dāng)前研究主要集中在煤炭開采對各生態(tài)要素的負面生態(tài)效應(yīng)評估方面，為煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護提供了一定的科學(xué)基礎(chǔ)[3-6]。但是，由于煤炭開采活動具有開發(fā)強度大、周期長和空間擴展性等特點[7]，已有的針對生態(tài)系統(tǒng)中各單一要素、固定時間點的評價研究難以準確地反映整個煤炭開采過程對生態(tài)環(huán)境的影響。因此，開展煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價顯得尤為重要，這也是客觀評價煤炭開采所導(dǎo)致的負面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的重要手段。

本研究在梳理生態(tài)累積效應(yīng)概念的基礎(chǔ)上，重點剖析了煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源、途徑、效應(yīng)及表現(xiàn)形式等。結(jié)合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，綜述了煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的相關(guān)進展，并在此基礎(chǔ)上對今后的研究方向進行了展望。

1 生態(tài)累積效應(yīng)的概念與特征(The concept and characteristics of ecological cumulative effect)

生態(tài)累積效應(yīng)的概念是在20世紀70年代由美國科學(xué)家首次提出的[8]，是指當(dāng)一項活動與過去、現(xiàn)在以及可合理預(yù)見的將來活動疊加在一起時，所產(chǎn)生的對生態(tài)環(huán)境的累積影響[9]。生態(tài)累積效應(yīng)是由人類活動對環(huán)境引起的具有附加性與交互性的影響，在時間尺度上重復(fù)推移并分散在空間上，是對生態(tài)環(huán)境在空間和時間尺度上通過疊加與交互作用而產(chǎn)生的長遠的影響效應(yīng)[8]。

根據(jù)上述概念不難看出，累積效應(yīng)具有時間和空間累積特性等特征，據(jù)文獻可以總結(jié)為以下3點[1，10-11]。

(1)時間累積性。累積效應(yīng)的時間累積性是指當(dāng)擾動之間的時間間隔小于環(huán)境修復(fù)所需時間時，在時間尺度上產(chǎn)生的累積現(xiàn)象。生態(tài)累積效應(yīng)的累積速率可以是連續(xù)的、周期性的或不規(guī)則的，并且在環(huán)境中發(fā)生的時間可長可短。時間累積性可以用累積頻率表示，其概念為“某個區(qū)域在某段時間內(nèi)出現(xiàn)累積效應(yīng)或累積影響的時間比率”，可用公式表示如下[12]：

F=Td/Ts

式中：F為某個區(qū)域內(nèi)累積效應(yīng)或累積影響出現(xiàn)的頻率；Td為累積效應(yīng)或累積影響持續(xù)的時間；Ts為選擇的時間尺度。

(2)空間累積性。累積效應(yīng)的空間累積性是指擾動因素之間的空間接近度小于去除或分散每個擾動所需的距離時，在空間尺度上產(chǎn)生的累積現(xiàn)象。空間累積可以通過空間尺度(局部、區(qū)域和全球)、密度(聚集、分散)和構(gòu)型(點、線性和區(qū)域)來表征?？臻g累積性可以用累積度表示，體現(xiàn)累積影響在一定區(qū)域內(nèi)的累積程度，其表達公式如下[12]：

D=C/P

式中：D為區(qū)域內(nèi)某個累積影響區(qū)的累積度；C為累積變化值；P為環(huán)境閾值或臨界值。

(3)人類活動干擾性。人類的活動或擾動也會影響環(huán)境變化的積累，環(huán)境變化的累積程度可能因人類活動的數(shù)量、類型和規(guī)模而異。

上述累積效應(yīng)的特征并不是獨立的，而是具有緊密的相互關(guān)聯(lián)性。在對環(huán)境累積變化的研究過程中，對其特征的歸納分析有利于對環(huán)境累積效應(yīng)變化的研究[11]。

2 煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源、途徑、效應(yīng)及表現(xiàn)(Sources, pathways, effects and manifestations of ecological cumulative effects in coal mining areas)

煤炭開采方式包括井工和露天2種，不同的開采方式均會對礦區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境各要素產(chǎn)生累積影響，但2種開采方式對生態(tài)環(huán)境造成累積影響的途徑略有差異。圖1對煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源、途徑、效應(yīng)及表現(xiàn)形式等進行了匯總，下文將逐一闡述。

2.1 影響源

煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源涵蓋礦區(qū)范圍內(nèi)的一切人類活動，包括生產(chǎn)與生活活動，可以是礦區(qū)單個項目或是多個項目[7]。開采規(guī)模的擴大、開采速度變化以及礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，均是造成煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的影響源。

2.2 影響途徑

露天開采過程中，隨著地上開采活動的進行，對地表的大規(guī)模挖掘造成大面積的礦坑，是破壞地形地貌以及地表植被的主要途徑；井工開采過程中，隨著煤礦開采活動的進行，礦井?dāng)?shù)量的增多，是造成開采區(qū)大面積的采空區(qū)域以及入地塌陷區(qū)的主要原因。露天開采方式中，礦坑廢水的排放是污染煤礦開采區(qū)水環(huán)境的重要途徑，同時開采過程對巖層以及含水層的破壞，會影響地下徑流以及地表徑流；井工開采過程的礦井廢水的排放，可能會導(dǎo)致更大范圍內(nèi)的地下及地表水環(huán)境受到污染破壞。在煤礦開采區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)、生活過程中排放的污水均可能對地下及地表水環(huán)境造成污染，同時還可對土壤環(huán)境造成潛在的影響。此外，氣態(tài)或顆粒態(tài)污染物(如粉塵、甲烷等)則主要通過礦區(qū)煤矸石的堆放、自燃等途徑進入大氣。

圖1 煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的源、途徑、效應(yīng)及表現(xiàn)形式Fig. 1 Sources, pathways, effects and manifestation of ecological cumulative effects in coal mining areas

2.3 效應(yīng)及表現(xiàn)

在煤炭開采過程中，通過上述影響源及途徑對礦區(qū)造成的累積影響可簡要概括如下[7,13-14]。

2.3.1 環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)

在煤炭資源的開采過程中，地下開采、地上開采活動均可帶來一定的環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)。其中，在井工開采過程中，隨著開采規(guī)模的不斷擴大、采空區(qū)的大量形成，可表現(xiàn)為形成大面積的地面塌陷區(qū)；無論井工或者露天開采，由于土地挖掘等活動破壞土地原有的結(jié)構(gòu)，形成大面積的塌陷區(qū)以及礦坑，表現(xiàn)為煤礦區(qū)地形地貌的改變，礦井水、礦坑廢水等的排放還會加劇土壤侵蝕。

2.3.2 環(huán)境水文效應(yīng)

地下開采活動、地上開采活動均可導(dǎo)致一定程度的環(huán)境水文效應(yīng)。比如，地上或地下開采均會破壞地下含水層和地表徑流，打破原有的水動力學(xué)平衡，破壞地表水與地下水之間的水循環(huán)過程；地下開采、地上開采等活動可能會導(dǎo)致地下水位下降；在上述途徑的共同作用下，原有的地表水水系可能會遭受破壞，導(dǎo)致水流方向、流量等的改變，甚至還會導(dǎo)致水系退化。

2.3.3 環(huán)境污染效應(yīng)

地下開采、礦井水排放、生產(chǎn)生活污水排放、煤矸石堆積、礦坑廢水排放和地上開采等活動都將伴隨著環(huán)境污染效應(yīng)的產(chǎn)生。例如，礦井水以及礦坑廢水的排放可能會污染地下水；生產(chǎn)生活污水的排放、煤矸石的淋濾可能會對地下水及地表水造成污染；采礦廢水的排放及煤矸石的堆積還會造成土壤環(huán)境污染，進一步使土壤生產(chǎn)力降低；礦井廢氣及煤矸石自燃等過程會產(chǎn)生大量的硫氧化物、甲烷等污染性氣體，開采過程中產(chǎn)生的粉塵等將會污染大氣環(huán)境，加劇酸雨、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題；基礎(chǔ)設(shè)備的運行還會產(chǎn)生巨大的噪聲污染等。

2.3.4 資源消耗效應(yīng)

煤炭開采過程中會對礦產(chǎn)資源產(chǎn)生巨大的消耗；開采過程還會破壞大量的土地，消耗大量的土地資源及地表植被資源；煤矸石的堆積也會占據(jù)大量的土地資源；此外，地下開采、生產(chǎn)生活用水、礦坑廢水的產(chǎn)生和地上開采等活動都伴隨著大量的水資源消耗。

2.3.5 生物效應(yīng)

煤炭開采過程中的地下開采、礦井水排放、生產(chǎn)生活污水排放、煤矸石堆積、礦坑廢水排放和地上開采等活動均會產(chǎn)生一定的生物效應(yīng)。隨著煤炭資源開采規(guī)模的擴大，礦區(qū)水文(地表水、地下水)環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)與地表生長環(huán)境、地表植被等礦區(qū)環(huán)境的破壞也隨之加劇，引起礦區(qū)原有生境的破壞，致使區(qū)域生物多樣性及生物量發(fā)生改變，可能會進一步導(dǎo)致礦區(qū)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能減弱及結(jié)構(gòu)的改變。

煤炭開采過程的特點決定了上述效應(yīng)并不會以單一形式存在，不同的活動、效應(yīng)可以在時空尺度上通過加和、協(xié)同等交互共同作用對生態(tài)系統(tǒng)各要素產(chǎn)生累積影響。例如，煤炭開采造成的地表塌陷及生產(chǎn)生活污水的排放，兩者可協(xié)同導(dǎo)致土壤質(zhì)量進一步下降；煤炭開采活動所導(dǎo)致的地形地貌的改變與采礦廢水的排放造成的土壤污染，兩者協(xié)同作用導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致土壤質(zhì)量和功能的進一步衰退。

2.4 累積效應(yīng)的類型

生態(tài)累積效應(yīng)的類型多樣，并沒有形成一個統(tǒng)一的分類標準。如時間擁擠、空間擁擠和協(xié)同效應(yīng)，是依據(jù)累積的過程而劃分；蠶食效應(yīng)則依據(jù)累積效應(yīng)的形式和結(jié)果劃分；然而，閾值的劃分依據(jù)為指標。盡管劃分依據(jù)不同，卻均是在時間與空間特征的基礎(chǔ)上進行區(qū)分的，各類型之間緊密相連，共同服務(wù)于對累積效應(yīng)的研究與分析。通過文獻分析，對不同累積效應(yīng)類型總結(jié)如下[7,10,12]。

(1)時間擁擠。其產(chǎn)生原因是由于頻繁且重復(fù)的人類活動導(dǎo)致的環(huán)境變化超過環(huán)境介質(zhì)吸收或恢復(fù)該變化的時間容量。比如煤礦區(qū)高頻率的重復(fù)采動。

(2)空間擁擠。指的是密集的人類活動發(fā)生在有限的空間內(nèi)，可以改變一個地區(qū)的空間格局或其空間過程。比如在煤礦區(qū)有限的單元空間內(nèi)進行大規(guī)模、高強度的開采。

(3)協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)2個或多個環(huán)境變化通過物理、化學(xué)等過程耦合促進另一個環(huán)境變化產(chǎn)生時，其表現(xiàn)為復(fù)合或協(xié)同作用。比如，煤炭開采過程產(chǎn)生的甲烷與氮氧化物可產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。

(4)時間滯后。擾動產(chǎn)生一段時間后，系統(tǒng)才做出相應(yīng)的響應(yīng)，具有一定程度的時間延遲。比如井工開采引起的地表沉陷與裂縫發(fā)育。

(5)空間滯后。指的是導(dǎo)致的環(huán)境變化與影響源之間存在一定距離。典型的案例包括由煤炭開采造成的大氣污染現(xiàn)象以及酸雨等。

(6)觸發(fā)點和閾值。指在破壞環(huán)境過程中，超過某個極限將從根本上改變系統(tǒng)。比如礦區(qū)土地利用類型的改變。

(7)間接效應(yīng)。指的是因主要活動發(fā)展所帶來的次生影響或者主要活動通過復(fù)雜路徑產(chǎn)生更高階環(huán)境變化。例如，開采活動導(dǎo)致礦區(qū)的人口增長，進一步導(dǎo)致配套設(shè)施的發(fā)展而帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等現(xiàn)象。

(8)蠶食效應(yīng)。指多個分散的重復(fù)干擾行為對某一區(qū)域或空間內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的累積影響，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的割裂和破碎化。例如，多個分散開采點導(dǎo)致的植被的破碎化和土地沉陷成片狀分布。

3 研究案例分析(Review of case study)

如前文所述，生態(tài)累積效應(yīng)的概念由來已久，在不同的領(lǐng)域也得到了較為廣泛的應(yīng)用，如水電開發(fā)[15-20]、鐵路及公路建設(shè)[21-25]、綠洲開發(fā)[26]、濕地開發(fā)[27-29]和流域管理[30]等，但有關(guān)煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的研究仍十分有限，國外僅有零星研究[31-32]。如Merriam等[31]通過構(gòu)建累積效應(yīng)線性評價模型評價了采煤活動對美國西弗吉尼亞阿巴拉契亞流域生態(tài)環(huán)境的累積影響。研究表明，區(qū)域的河流退化是地表開采、地下開采和住宅開發(fā)等復(fù)雜問題相互疊加、相互作用的結(jié)果。

在我國，由于煤炭資源在能源消耗構(gòu)成中的巨大占比，相關(guān)研究較國際上略多。如中國科學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)、國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點實驗室等單位均開展了相關(guān)案例研究[14,33～38]。例如韓林桅等[14]針對煤電一體化開發(fā)建設(shè)活動，從建設(shè)活動、土壤環(huán)境、水資源、大氣環(huán)境、生物、景觀和生態(tài)7個方面篩選出29個生態(tài)環(huán)境因子，運用解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretation structure modeling, ISM)對煤電一體化開發(fā)的生態(tài)累積效應(yīng)因子之間進行關(guān)聯(lián)與層次分析，揭示了煤電一體化開發(fā)產(chǎn)生生態(tài)累積效應(yīng)的方式和途徑，并分析煤電開發(fā)過程中不同開發(fā)建設(shè)活動產(chǎn)生的累積效應(yīng)。結(jié)果表明，煤電建設(shè)活動會造成多種生態(tài)環(huán)境影響，并且所引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)可以相互疊加、傳遞和累積。王行風(fēng)等[35]以地理信息系統(tǒng)(GIS)為基礎(chǔ)平臺，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)(SD)及元胞自動機(CA)，建立SD-CA-GIS模型，對山西潞安礦區(qū)的社會、經(jīng)濟與環(huán)境因素進行時間及空間累積效應(yīng)分析，對礦區(qū)在一定時間范圍內(nèi)土地利用變化的累積狀況進行了評估。結(jié)果表明，隨煤炭開采活動的進行，礦區(qū)內(nèi)工礦用地等呈現(xiàn)累積性增加，其他土地類型呈累積性減少。該研究團隊[38]通過構(gòu)建基于景觀演變的生態(tài)累積效應(yīng)表征模型，利用遙感技術(shù)對礦區(qū)景觀變化進行分析，探討礦區(qū)煤炭開采活動對土地利用變化類型以及礦區(qū)景觀生態(tài)的累積影響。結(jié)果表明，礦區(qū)景觀空間累積負荷顯著增強，同時還具有向外擴張趨勢。此外，由于不同分區(qū)的人類活動的干擾強度具有差異，礦區(qū)的不同分區(qū)內(nèi)也會表現(xiàn)出不同累積程度。連達軍和汪云甲[36]基于場論與GIS技術(shù)，結(jié)合生態(tài)場理論構(gòu)建了生態(tài)位元素體系，描述了采動生態(tài)勢的確定方法以及生態(tài)環(huán)境采動累積效應(yīng)的分析方法，并針對山西潞安礦區(qū)某開采沉陷區(qū)進行分析，得到該礦區(qū)主要生態(tài)位元素的采動累積效應(yīng)規(guī)律，探究了礦區(qū)土壤覆蓋、土壤侵蝕以及植被覆蓋的煤炭采動累積效應(yīng)變化，得出開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害的直接根源。

為更加深入分析與對比當(dāng)前已有研究案例，以便為今后的研究提供參考，我們將不同案例研究的評價指標、評價方法等進行了梳理(表1)，總結(jié)了相關(guān)研究的異同并簡要分析如下。首先，當(dāng)前研究局限于少數(shù)的礦區(qū)，對于不同區(qū)域、不同開采規(guī)模和不同開采方式下的研究相對較少。如針對國內(nèi)礦區(qū)的研究僅集中在山西潞安煤礦[35-38]、淮南煤礦[33]、內(nèi)蒙古錫林郭勒盟煤電基地[34]，而國外相關(guān)研究則更少，僅美國[31]、印度[32]有少量相關(guān)報道。其次，目前在生態(tài)累積效應(yīng)評價的指標選擇上缺乏共識?，F(xiàn)有研究多數(shù)基于專家判斷來確定相應(yīng)的指標，具有一定的主觀性。此外，不同研究之間所選取指標代表的生態(tài)要素層次不同，如部分研究選取景觀水平的指標(如景觀類型結(jié)構(gòu)偏離累積度[38]、景觀格局干擾累積度[38]、覆被態(tài)指數(shù)[36]等)，而部分研究則選取環(huán)境質(zhì)量水平的指標(如大氣污染、水污染等[31-32]以及土地破壞[36-37])。此外，目前在煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的方法學(xué)方面仍處于探索階段，缺乏統(tǒng)一的評價方法體系。多數(shù)方法學(xué)研究仍然停留在概念解釋或者原則性指導(dǎo)框架研究層面[10,39]。定性的方法(如解釋結(jié)構(gòu)模型[14]、DPSIR模型[34]、源-路徑-效應(yīng)分析[40]等)可以較好地描述煤礦區(qū)系統(tǒng)內(nèi)部各活動和影響的作用機理及因果關(guān)系，有助于梳理復(fù)雜系統(tǒng)中各活動的相互關(guān)聯(lián)和層次關(guān)系，幫助研究者理清效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的解決思路。然而，其弊端在于無法衡量累積效應(yīng)的強度或大小。定量方法(如廣義線性累積效應(yīng)評價模型[31]、層次分析[32]、模糊多層次綜合評價[33]、SD-CA-GIS模型[35]、場論和GIS技術(shù)[36]、概率積分、胡克定律和莫爾-庫倫破壞準則方法[37]、景觀分析[38])可以克服上述弊端，也是目前研究者更加青睞的手段，但其往往選取代表某一特定生態(tài)要素層次的指標進行評價，在因果關(guān)系探討方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論與展望(Conclusions and perspectives)

煤礦區(qū)煤炭開采活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有范圍廣、程度深和周期長等特點，評價其生態(tài)累積效應(yīng)具有必要性及緊迫性。因此，加強煤礦區(qū)煤炭開采活動生態(tài)累積效應(yīng)評價的相關(guān)研究具有重要科學(xué)和現(xiàn)實意義。近些年來，有關(guān)煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的研究逐漸增多，取得了一些進展。但是，有關(guān)煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的指標體系構(gòu)建、評價方法學(xué)以及生態(tài)累積效應(yīng)“源-效應(yīng)”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及機理等方面仍需進一步深入研究。第一，亟需加強生態(tài)系統(tǒng)不同層次指標間的因果關(guān)系研究，以便于建立更加全面客觀的生態(tài)累積效應(yīng)評價指標體系。針對不同環(huán)境要素選擇相應(yīng)的指標便于監(jiān)測和管理，但是其與生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)改變之間的因果關(guān)系尚不明晰，需要進一步加強研究；景觀或者高層次的指標更貼近生態(tài)系統(tǒng)的真實狀況，但其與某項具體的人為擾動或活動的關(guān)聯(lián)較為模糊。開展評價指標之間因果關(guān)系或關(guān)聯(lián)度研究，是解決上述問題的重要基礎(chǔ)問題。第二，如前文所述，目前關(guān)于煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價的方法學(xué)研究仍存在較大爭議。如何加強定性與定量方法的結(jié)合，特別是與遙感、地理信息系統(tǒng)等定量工具的結(jié)合[7,41-42]，應(yīng)該是未來進一步研究的方向。第三，煤炭開采活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的路徑復(fù)雜，加之生態(tài)累積效應(yīng)的非線性特征顯著，機制極其復(fù)雜，闡明影響源與效應(yīng)(表現(xiàn))之間的關(guān)系及內(nèi)在機理，是近期內(nèi)應(yīng)加強的重要研究方向之一，這也依賴于生態(tài)、環(huán)境等相關(guān)學(xué)科的同步發(fā)展。最后，加強管理規(guī)劃和應(yīng)對機制也是有待開展的研究方向之一[39,43]，可為科學(xué)的管理和減緩煤炭開采活動所致的生態(tài)累積效應(yīng)提供有力的手段。

表1 煤礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)評價研究匯總Table 1 Summary of assessment of ecological cumulative effects in coal mining areas