我國干旱半干旱煤礦區(qū)環(huán)境問題及對策

閆慶武，厲飛，朝魯孟其其格，董霽紅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州 221116；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)草原勘察規(guī)劃院，呼和浩特 010051)

1 干旱半干旱煤礦區(qū)開采背景及現(xiàn)狀

《2019 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》[1]顯示，2019 年全國累計原煤產(chǎn)量38.5 億噸；全年能源消費總量48.6 億噸標準煤；煤炭消費量占能源消費總量的57.7%。煤炭產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中仍起到了十分重要的作用?！?019 煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告》[2]表明，2019 年，內(nèi)蒙古、山西、陜西和新疆4 個億噸級煤炭生產(chǎn)省份原煤產(chǎn)量29.6 億噸，占全國的76.9%，同比提高1.7 個百分點。由此可見干旱半干旱煤礦區(qū)已成為我國煤炭的主要生產(chǎn)地區(qū)。

受到諸多自然條件的影響，如地形、氣候、植被覆蓋等，我國干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱且承載力較小，長時間、大規(guī)模的煤炭開采導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問題。2007 年的“大型煤炭基地煤炭資源、水資源和生態(tài)環(huán)境綜合評價”項目報告[3]顯示，除云貴基地外，西部的大型煤炭基地均分布在干旱、半干旱地區(qū)；神東、陜北等基地的環(huán)境容量??；蒙東(東北)、寧東、黃隴等基地的環(huán)境容量較小?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[4]指出，干旱半干旱煤礦區(qū)水資源缺乏，植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，主要環(huán)境影響是地下水徑流破壞、地下潛水位下降和地表水減少，引起地表干旱、水土流失、荒漠化和植被減少，煤矸石和瓦斯產(chǎn)生量大。西部地區(qū)資源豐富，開采條件好，生態(tài)環(huán)境脆弱，要加大資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護統(tǒng)籌協(xié)調(diào)力度。據(jù)預(yù)測，2020 年西部地區(qū)將產(chǎn)生煤矸石4.03 億噸、煤泥9120 萬噸、礦井水35.47 億立方米，新形成沉陷土地面積3.34 萬公頃。

2 環(huán)境問題的表現(xiàn)

煤炭產(chǎn)業(yè)在促進國民經(jīng)濟發(fā)展方面起到了至關(guān)重要的作用，也一定程度上破壞了煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，進而導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境和社會問題。本文從煤炭開采的兩種形式(井工開采和露天開采)出發(fā)，探討不同采煤工藝對干旱半干旱煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成的累積影響。

2.1 井工開采的主要環(huán)境問題

井工開采對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響表現(xiàn)如下:

(1)塌陷。井工開采過程中工作面的掘進和回填工作嚴重影響地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進而使得巖層發(fā)生變形，導(dǎo)致地表發(fā)生塌陷、裂縫和滑坡等環(huán)境問題。

(2)水土流失。井工開采形成的導(dǎo)水裂隙帶破壞地下含水層，從而導(dǎo)致地下水流失。地表沉陷會導(dǎo)致土壤變得疏松，涵水抗蝕能力下降，使得土壤侵蝕現(xiàn)象加劇，降低土地的生產(chǎn)力。

(3)壓占及土壤污染。由于煤矸石的堆積形成的矸石山壓占了礦區(qū)的其他土地資源，改變了土地利用狀態(tài)，破壞了地表植被；同時，煤矸石中含有的重金屬離子還會污染壓占區(qū)土壤，嚴重損害土地的生產(chǎn)能力。

(4)大氣污染。煤矸石的燃燒產(chǎn)生大量的氮氧化物和硫氧化物等有害氣體，這些氣體被釋放到空氣中會形成酸雨對地表環(huán)境造成進一步損害。煤炭儲運產(chǎn)生的煤塵以及煤炭加工過程中鍋爐產(chǎn)生的煙氣都會造成空氣污染。

2.2 露天開采的主要環(huán)境問題

露天開采造成的煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)挖損。露天開采需要對礦區(qū)地表土壤進行剝離，直接改變了礦區(qū)的地表形態(tài)、植被覆蓋和土地利用狀態(tài)，形成了許多裸露礦坑。即使在開采工作結(jié)束后對礦坑進行回填工作，開采痕跡依舊清晰可見，無法完全修復(fù)挖損帶來的環(huán)境問題。

(2)壓占。露天開采過程中土壤、巖石的轉(zhuǎn)移以及煤炭的儲存需要壓占大量的土地資源，這既改變了土地利用狀態(tài)，也破壞了壓占區(qū)的植被覆蓋。

(3)空氣污染。露天開采造成的挖損、壓占等問題嚴重破壞了植被覆蓋，使得植被的防風(fēng)固沙作用減弱，進而導(dǎo)致大量在開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物飄浮至空中形成揚塵。同時，開采過程中有大量的粉塵被排放至空氣中，給煤礦區(qū)的大氣環(huán)境造成了嚴重的負擔(dān)。有關(guān)資料表明，有些礦區(qū)向大氣中排放的煤塵是煤炭產(chǎn)量的1.6%以上[5]。

煤礦開采過程中會給周邊環(huán)境造成大氣污染、水體污染以及生態(tài)失衡等多方面的問題，嚴重影響周邊居民的生活以及資源的可持續(xù)開采(圖1)。煤炭生產(chǎn)不僅直接影響了采礦區(qū)及其周邊地區(qū)的環(huán)境，而且給后續(xù)煤炭加工產(chǎn)業(yè)基地的環(huán)境帶來沉重的負擔(dān)。

圖1 干旱半干旱煤炭開采帶來的環(huán)境問題

3 環(huán)境累積評價模型的構(gòu)建

干旱半干旱煤礦區(qū)凸顯的環(huán)境問題是歷史時期煤炭開采對生態(tài)環(huán)境影響累積的結(jié)果，如果想要有效地治理相關(guān)環(huán)境問題，必須研究生態(tài)環(huán)境累積的相關(guān)機理。因此，本文借助生態(tài)累積效應(yīng)理論，基于兩種開采方式帶來的生態(tài)環(huán)境問題，綜合選取了不同的累積因子，構(gòu)建了干旱半干旱區(qū)環(huán)境累積評價模型，為科學(xué)地制定解決不同環(huán)境問題的策略提供支持。生態(tài)累積效應(yīng)的概念已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域[5-6]，王行風(fēng)等[7]從經(jīng)濟、社會和環(huán)境多方面分析了山西潞安礦區(qū)的時空累積效應(yīng)，構(gòu)建了礦區(qū)的景觀生態(tài)累積評價模型，探究了煤炭開采活動對礦區(qū)土地利用類型和景觀生態(tài)的累積影響。

干旱半干旱礦區(qū)生態(tài)累積效應(yīng)的表征模型選取景觀格局干擾累積、植被退化累積、水土流失累積和空氣污染累積四個方面構(gòu)建生態(tài)累積效應(yīng)指數(shù)(ECEI)來表征這種因煤炭資源開發(fā)活動而造成的礦區(qū)生態(tài)累積損失，其概念模型為:

式中，ECEI為生態(tài)累積效應(yīng)指數(shù)；CLDI為景觀格局干擾累積指數(shù)；CVDI為植被退化累積指數(shù)；CWSLI 為水土流失累積指數(shù)模型；CAPI為空氣污染累積指數(shù)。

(1)景觀格局干擾累積指數(shù)模型

煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境對外界影響的響應(yīng)能力不僅和景觀類型組成有關(guān)，而且和景觀格局結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。為了評價煤礦區(qū)的開采活動給當(dāng)?shù)鼐坝^格局帶來的累積影響，參考相關(guān)研究[8]，選取破碎度、分離度和優(yōu)勢度3 個指標來表征干旱半干旱草原礦區(qū)景觀格局受各種干擾影響的程度，其表達式為:

式中，LDIi為煤礦區(qū)景觀類型i的格局干擾指數(shù)；DPi、Vi、FDi分別為景觀類型i的破碎度、分離度和分維數(shù)倒數(shù)；α、β和γ為各指標對應(yīng)的權(quán)重，α+β+γ＝1，借鑒相關(guān)研究，對α、β和γ分別賦值0.3、0.5 和0.2。

采用差分分析法構(gòu)建景觀干擾累積指數(shù)(CLDI)，其表達式為:

式中，CLDIit為格局干擾累積度指數(shù)；t為研究期；i為景觀類型；CLDIit＞0 為景觀格局受到外界的負面影響增強；CLDIit＜0 為景觀格局受到外界的負面影響減弱。

(2)植被退化累積指數(shù)模型

采用趨勢線法構(gòu)建植被退化累積指數(shù)，表示干旱半干旱草原礦區(qū)煤炭開采對當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w帶來的累積影響。表達式為:

式中，CVDIt為植被退化累積指數(shù)；t為研究期；NDVIt為植被指數(shù)平均值；n為時間。CVDIt＞0為NDVIt在研究期內(nèi)呈下降趨勢；CVDIt＜0 為NDVIt在研究期內(nèi)呈上升趨勢。

(3)水土流失累積指數(shù)模型

利用RUSLE 模型來評價干旱半干旱草原礦區(qū)的水土流失情況。RUSLE 模型是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的土壤侵蝕預(yù)測模型之一[9-10]，它不僅彌補了實地觀測在大尺度應(yīng)用上的局限性，而且在不同尺度的模擬中取得了較好的效果，其表達式為:

式中，A為年土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

通過差分分析法獲得水土流失累積指數(shù)(CWSLI)，其表達式為:

式中，CWSLIt為t時期研究區(qū)的水土流失累積指數(shù)；At為t時期的水土流失指數(shù)。

(4)空氣污染累積指數(shù)模型

本研究選取可吸入顆粒物PM2.5和PM10的濃度作為衡量干旱半干旱草原礦區(qū)空氣污染的指標，構(gòu)建空氣污染累積指數(shù)，公式如下:

式中，CAPIt為t時期研究區(qū)空氣污染累積指數(shù)；PMit為t時期第i種污染物的濃度；n為污染物的種類。

4 環(huán)境問題的相應(yīng)對策

根據(jù)干旱半干旱煤礦區(qū)在開采過程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題與生態(tài)累積效應(yīng)評價結(jié)果，應(yīng)對煤炭開采帶來的環(huán)境問題需要采取的對策有:

(1)順之以天理，應(yīng)之以自然

根據(jù)干旱半干旱煤礦區(qū)水土資源和植被覆蓋等生態(tài)環(huán)境本底條件，參照其景觀格局特點，遵循自然規(guī)律，制定相關(guān)的環(huán)境治理與生態(tài)恢復(fù)對策。具體來說，應(yīng)根據(jù)生態(tài)環(huán)境損毀程度進行環(huán)境修復(fù)區(qū)劃，制定分區(qū)修復(fù)策略，實行分區(qū)修復(fù)；因地制宜，將自然修復(fù)和人工修復(fù)相結(jié)合，適合自然修復(fù)的區(qū)域則采用自然修復(fù)的方式，自修復(fù)能力較弱的地區(qū)則采取以人工修復(fù)為主、自然修復(fù)為輔的治理方式，提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)效率、節(jié)約成本。

(2)實時監(jiān)測，靶向修復(fù)

將無人機遙感監(jiān)測和人工實地勘察相結(jié)合，從“天地一體”的角度對干旱半干旱煤礦區(qū)及其周邊地區(qū)進行全方位實時監(jiān)測，全面了解煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，記錄整理用于生態(tài)環(huán)境修復(fù)的數(shù)據(jù)；結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析煤炭開采前后生態(tài)環(huán)境的變化，總結(jié)煤炭開采活動對周邊生態(tài)環(huán)境帶來的累積影響；根據(jù)生態(tài)環(huán)境累積評價結(jié)果表現(xiàn)出來的景觀格局干擾狀況、植被退化、水土流失和空氣污染等方面的問題，實施精準靶向修復(fù)。例如:針對植被退化及水土流失問題，采取措施加強煤礦區(qū)的綠化工作，修復(fù)被破壞的植被，并在礦區(qū)實施相關(guān)的治坡工程(梯田、臺地)、治溝工程(淤地壩、攔沙壩、溝頭防護等)和小型水利工程等，開展水土流失工程治理。

(3)統(tǒng)籌兼顧，動態(tài)修復(fù)

統(tǒng)籌煤炭開采和環(huán)境保護之間的關(guān)系，實行“邊開采邊治理”策略。從土地、煤炭和生態(tài)環(huán)境等資源角度出發(fā)，以確保綜合效益最大化為目標，權(quán)衡煤炭開采和生態(tài)環(huán)境保護間的關(guān)系，制定科學(xué)合理的“邊開采邊治理”方案。以方案為指導(dǎo)，在進行煤炭開采活動的同時，系統(tǒng)地、有針對性地對干旱半干旱煤礦區(qū)及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行動態(tài)治理與修復(fù)。

(4)彈性應(yīng)對，協(xié)同管理

從景觀格局干擾、植被退化、水土流失和空氣污染四個方面探索并掌握干旱半干旱煤礦區(qū)負面生態(tài)效應(yīng)的影響機制，把基于單一工程技術(shù)手法的應(yīng)對機制轉(zhuǎn)變?yōu)榛趶?fù)雜系統(tǒng)的彈性應(yīng)對機制模式，制定一整套干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)彈性應(yīng)對策略和協(xié)同管理體系，推廣應(yīng)用于相似地域。從生態(tài)和社會兩部分對煤礦區(qū)進行功能分類、層次劃分和適宜性匹配。結(jié)合工程彈性、經(jīng)濟彈性、社會彈性和生態(tài)彈性，采取動態(tài)復(fù)墾、目標靶向修復(fù)、無人區(qū)自然恢復(fù)、荒漠景觀再造等優(yōu)化模式，分區(qū)、分層次實施煤礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與治理。