大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積效應(yīng)及定量分析方法研究

張建民,付 曉,李全生,吳 鋼,郭俊廷,白 璐,張軼群

1 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室 北京 100085 3 國家能源投資集團有限責任公司,北京 100021 4 中國科學院大學,北京 100049

人口、社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求,圍繞聯(lián)合國《變革我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程》中的17項人類社會可持續(xù)發(fā)展目標和聚焦人類健康、生存環(huán)境、能源資源三大領(lǐng)域,人類如何在地球界限內(nèi)“安全生存”、有效地解決跨界空氣、水和土壤污染成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革需要迫切解決的基本問題。煤基能源集約化清潔生產(chǎn)是能源資源開發(fā)的重要形式,采用先進的節(jié)能節(jié)水環(huán)保發(fā)電技術(shù)建設(shè)的千萬千瓦級清潔高效發(fā)電和規(guī)模化外輸集中區(qū)[1]—大型煤電基地是國家能源開發(fā)布局的組成單元和能源安全戰(zhàn)略保障,如何有效降低大型煤電基地開發(fā)生態(tài)影響程度則是能源開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調(diào),協(xié)同推進國家能源安全和區(qū)域人類社會經(jīng)濟發(fā)展亟待解決的重大技術(shù)問題。

大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積效應(yīng)屬于21世紀生態(tài)領(lǐng)域跨學科和跨行業(yè)的重要科學問題,近年來引起能源與生態(tài)界廣泛關(guān)注。前人相關(guān)研究多聚焦在煤礦區(qū)、水電開發(fā)、鐵路及公路建設(shè)、綠洲開發(fā)、濕地開發(fā)和流域管理等方面展開[2—9],先后提出了關(guān)于自然生態(tài)系統(tǒng)健康評價[10]、生態(tài)累積效應(yīng)[11]及生態(tài)閾值[12]、草地生態(tài)生產(chǎn)力[13]及其計算方法[14—16]等理論,建立了生態(tài)累積效應(yīng)的解釋結(jié)構(gòu)[17]、DPSIR[18]、源-路徑-效應(yīng)[19]、廣義線性累積效應(yīng)評價[20]、模糊多層次綜合評價[21]等模型與分析方法,涉及大氣、水、土壤和植被、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)、景觀格局和土地利用變化、礦山地質(zhì)條件、開采強度和環(huán)境問題等方面指標[22],提出生態(tài)風險[23]、礦區(qū)土壤和水質(zhì)及粉塵等[24—27]、草原初級生產(chǎn)力[28]、植物生物量和生態(tài)生產(chǎn)力[29—30]等參數(shù)分析方法,為大型煤電基地生態(tài)累積效應(yīng)定性和定量分析提供了豐富的思路與方法。

圍繞大型煤電基地區(qū)域生態(tài)安全有關(guān)科學問題,亟待深入研究大型煤電基地開發(fā)行為與區(qū)域生態(tài)環(huán)境內(nèi)在關(guān)系、開發(fā)的生態(tài)影響及分析方法,辨識大型煤電基地生態(tài)安全關(guān)鍵問題,為區(qū)域生態(tài)調(diào)控提供支撐。本文則基于大型煤電基地開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)同理念,通過科學界定大型煤電基地、融合構(gòu)架大型煤電基地生態(tài)系統(tǒng),探討開發(fā)行為的生態(tài)影響途徑、生態(tài)累積過程、生態(tài)累積效應(yīng)及閾值,建立生態(tài)累積狀態(tài)定量分析模型和生態(tài)效應(yīng)閾值確定方法,為實現(xiàn)大型煤電基地開發(fā)生態(tài)影響定量分析、區(qū)域生態(tài)安全科學評價和調(diào)控管理、“碳中和”協(xié)同發(fā)展提供理論與方法支撐。

1 大型煤電基地及其生態(tài)系統(tǒng)界定

1.1 大型煤電基地界定

1.1.1大型煤電基地定義及內(nèi)涵

大型煤電基地(Coal-fired Power Base/Coal-Electricity Base,CEBs)是在國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)中明確的國家能源戰(zhàn)略布局和能源安全保障的重要內(nèi)容。CEBs作為現(xiàn)代煤基能源開發(fā)的重要形式,可確定為“根據(jù)國家能源戰(zhàn)略布局,依托豐富煤炭資源產(chǎn)區(qū)和煤礦規(guī)?；a(chǎn)方式,按照煤電一體化生產(chǎn)模式,集中建設(shè)一批大型現(xiàn)代化煤礦和先進高效環(huán)保機組,形成煤基電能集中持續(xù)生產(chǎn)和輸出能力的區(qū)域”。與傳統(tǒng)的煤炭—運輸—電站的分布式煤-電開發(fā)模式相比,其特點和內(nèi)涵包括：

(1)地域性。CEBs是在一定地域內(nèi)(煤田區(qū)域控制范圍內(nèi))的煤基電能集中開發(fā)活動區(qū)。該區(qū)以煤炭開采和電力生產(chǎn)為主,配置必要的土地資源、水資源和城鎮(zhèn)環(huán)境,具有較大規(guī)模煤炭開采(如大型煤炭基地)和發(fā)電能力聚集區(qū),也是采用煤電一體的集約化開發(fā)模式集中區(qū)。

(2)先進性。CEBs是基于煤炭規(guī)?；_采—高效清潔發(fā)電的煤電集群化生產(chǎn)方式形成的規(guī)?；娏ιa(chǎn)和輸出區(qū)。相比煤炭產(chǎn)區(qū)具有高集中度、高效率、高資源配置率特點,相比傳統(tǒng)煤-運-電生產(chǎn)模式,顯著提升了生產(chǎn)集中度、產(chǎn)品清潔度和產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)度,成為煤基能源開發(fā)的最佳效率區(qū)。

(3)功能性。CEBs作為規(guī)?；娔苌a(chǎn)和輸出區(qū),承擔著國家能源安全保障與促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要功能。目前,依托14個大型煤炭基地基礎(chǔ)建設(shè)的錫林郭勒等9個千萬千瓦級大型煤電基地,對提升我國能源區(qū)域供給能力和支撐區(qū)域經(jīng)濟與社會可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要支撐作用。

1.1.2CEBs的基本構(gòu)成

CEBs是以煤、電規(guī)模化開發(fā)為核心,集人類活動、能源生產(chǎn)、自然資源與區(qū)域環(huán)境相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng),基本構(gòu)成包括自然與環(huán)境資源、能源開發(fā)活動和其他人類活動(圖1)。

圖1 CEBs系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.1 CEBs system structureCEBs:大型煤電基地 Coal-fired Power Base/Coal-Electricity Base

(1)自然與環(huán)境資源：包括煤炭資源、土地資源、水資源和生態(tài)資源等。其中,自然資源(煤炭、土地、地下水、地表水等)是煤電開發(fā)活動中資源基本要素,生態(tài)資源(林、草、水、土壤等)是煤電開發(fā)和區(qū)域人類居住和活動的生態(tài)保障要素。

(2)能源開發(fā)活動：指與能源開發(fā)密切相關(guān)的采礦、發(fā)電及相關(guān)的煤基產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)(煤制氣、煤制油、煤制烯烴、煤基肥料等),是人類獲取能源維持社會經(jīng)濟發(fā)展的生產(chǎn)行為。

(3)其他人類活動：是指CEBs區(qū)域中人類基本生存和社會發(fā)展的生產(chǎn)活動,與能源開發(fā)存在交互作用的人類活動(農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、交通、城建等)。其中,農(nóng)、牧屬于周期性生產(chǎn)活動；城建開發(fā)用于人類居住,屬于能源和水資源消耗區(qū)；交通網(wǎng)絡(luò)是區(qū)域人類活動配套設(shè)施。

1.1.3CEBs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與內(nèi)在關(guān)系

CEBs是能源開發(fā)與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展融合的復(fù)雜系統(tǒng),依據(jù)人類活動行為可細分為區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)和煤基能源開發(fā)和10類產(chǎn)業(yè)活動或子系統(tǒng)(圖2)。CEBs開發(fā)行為與作用對象的互動關(guān)系顯現(xiàn)為：

圖2 CEBs主要功能子系統(tǒng)Fig.2 Main function subsystems of CEBs

(1)行為-要素的影響關(guān)系：能源開發(fā)和其他人類活動行為通過持續(xù)索取、占用、改造和替換等方式作用自然資源要素(如煤、水、土等),這種人工作用強度、范圍和方式?jīng)Q定了對CEBs區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響效果。如高強度開采、過度放牧、農(nóng)業(yè)種植、城鎮(zhèn)擴張行為等顯示生態(tài)負作用,而綠色開采、禁草禁牧、良性種植等行為由生態(tài)正作用,自然降雨和干旱氣候等自然行為屬于生態(tài)環(huán)境脅迫行為。

(2)行為-功能互耦關(guān)系：CEBs能源開發(fā)與人類生活行為影響著內(nèi)部子系統(tǒng)的功能和作用。CEBs作為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分,科學開發(fā)行為和綠色生產(chǎn)及生活方式不僅促進CEBs子系統(tǒng)功能提升,亦能促進和提升區(qū)域生態(tài)承載能力。

(3)行為—行為互動關(guān)系：CEBs開發(fā)中各種人類活動行為相互間影響關(guān)系。如,開發(fā)占用土地資源縮小草原可牧區(qū)域,城鎮(zhèn)擴張加大污染輸出規(guī)模和強度等增加區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力,而綠色礦山和清潔城市建設(shè)、科學放牧等行為降低區(qū)域生態(tài)負荷,通過“互促”“互補”提升CEBs開發(fā)生態(tài)安全水平。

1.2 大型煤電基地生態(tài)系統(tǒng)

1.2.1CEBs生態(tài)系統(tǒng)界定

CEBs開發(fā)是依托區(qū)域自然資源和生態(tài)環(huán)境條件進行的規(guī)?；茉瓷a(chǎn)行為,能源開發(fā)行為與自然生態(tài)系統(tǒng)的“耦合”作用,影響自然生態(tài)系統(tǒng)(Natural Ecosystems,NES)狀態(tài),引發(fā)生態(tài)要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變。從系統(tǒng)學視角構(gòu)建CEBs與NES的復(fù)合型系統(tǒng),即煤電基地生態(tài)系統(tǒng)(Coal and Electricity Base Ecosystems,CEBES),有助于分析CEBs區(qū)域生態(tài)變化規(guī)律即趨勢。CEBES實質(zhì)是：在大型煤電基地開發(fā)區(qū)域,將能源開發(fā)及相關(guān)人類活動與自然生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合,融合自然生態(tài)要素與能源開發(fā)要素及相互作用和影響關(guān)系建立的復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)?；贑EBs中各種產(chǎn)業(yè)活動行為,CEBES也是CEBs開發(fā)影響區(qū)域內(nèi)多類型生態(tài)系統(tǒng)的集合(表1)。

表1 大型煤電基地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成及土地資源利用形式Table 1 The ecosystem composition of CEBES and its form of land resource utilization

1.2.2CEBES主要特征

CEBES是人類行為與NES相互作用且具有耗散結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)。如將人工驅(qū)動力(能源開發(fā)與社會經(jīng)濟發(fā)展活動等)視為對NES的開發(fā)影響行為,將生態(tài)系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化視為響應(yīng),CEBES與NES相比有幾個顯著特征：

(1)“影響源”多態(tài)化?！坝绊懺础笔侵笇ι鷳B(tài)影響作用的各種行為的時-空狀態(tài)簡稱。與自然行為相比,開發(fā)行為影響呈現(xiàn)分散和集聚態(tài)等狀態(tài),如“點源”(電廠排放、城市排污)、“線源”(鐵、公路)、“面源”(采煤區(qū)、種植區(qū))和“體源”(井采面、含水層)等,都有不同源強度、影響空間和周期。

(2)“影響方式”多樣性。“影響方式”是指各種開發(fā)行為與生態(tài)要素構(gòu)成的行為-要素的耦合關(guān)系。與自然驅(qū)動力作用方式相比(如水-土、水-植物耦合等),影響行為多態(tài)化(耦合方式、傳導作用、輻射方式等)顯現(xiàn)開發(fā)行為影響NES路徑的多樣性。

(3)“影響效應(yīng)”多維度。各種開發(fā)行為的生態(tài)響應(yīng)體現(xiàn)在空間聚集效果、時間累積過程、生態(tài)要素耦合和不同尺度與方向等多維度。如,露天開采行為的生態(tài)響應(yīng)顯現(xiàn)在采區(qū)和礦區(qū),而自然行為顯現(xiàn)在區(qū)域尺度,各種行為的生態(tài)影響方向包括負向影響(生態(tài)損傷)和正向作用(生態(tài)修復(fù))。

(4)“響應(yīng)狀態(tài)”多時相。NES在開發(fā)行為影響下呈現(xiàn)的具體狀態(tài)因影響行為時間(起始和持續(xù)時間)差異性,導致“響應(yīng)”呈現(xiàn)“多時相”并存狀態(tài)。如,CEBES未受開發(fā)活動影響區(qū)處于“原生態(tài)”,受影響區(qū)處于“擾動態(tài)”,露天采區(qū)屬于“更替態(tài)”,不同“時相”的影響行為增加了生態(tài)影響比較難度。

2 大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積過程及狀態(tài)界定

2.1 CEBs開發(fā)生態(tài)損傷機制與生態(tài)累積過程特點

2.1.1生態(tài)損傷機制

CEBs開發(fā)區(qū)域中任意空間單元都存在著各種人類活動行為與生態(tài)要素間(水、土壤、植被、氣)相互作用,基于各種行為與生態(tài)要素間耦合作用方式,開發(fā)生態(tài)損傷主要表現(xiàn)為以下幾種影響機制：

(1)融合耦合：兩種或多種生態(tài)要素間相互交融的影響作用方式。如,井工開采中地表裂縫,引發(fā)土壤含水性下降和植物根系損傷,地表植物生長的包氣帶水和土壤環(huán)境變差,導致地表植被退化。

(2)傳導耦合：受損生態(tài)要素通過接觸關(guān)系與相鄰空間生態(tài)要素相互影響作用方式。如,礦井涌水通過水力場傳導作用、采區(qū)污染物通過地面污水的河流排放傳遞開采對周圍生態(tài)要素的影響范圍。

(3)輻射耦合。受損生態(tài)要素通過人工輸運或空間介質(zhì)轉(zhuǎn)移等方式相互作用。如,采礦粉塵漂移至鄰近區(qū)域?qū)е峦寥篮院宛B(yǎng)分及植物光合能力下降、電廠廢氣大氣排放影響大氣環(huán)境質(zhì)量等。

2.1.2生態(tài)累積過程及特點

CEBs開發(fā)各種行為共同對自然環(huán)境系統(tǒng)(水、土壤、植被、氣)持續(xù)施加作用,在時-空上始于開發(fā)空間單元體,經(jīng)過不同的影響行為-生態(tài)要素耦合(圖3)作用損傷大氣、水、土壤和生物等生態(tài)要素,有機疊加后形成CEBs區(qū)域生態(tài)狀態(tài)響應(yīng)。生態(tài)累積過程則是長期開發(fā)行為的生態(tài)狀態(tài)持續(xù)響應(yīng)和疊加作用,并在CEBES中生態(tài)要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)平衡等多層次(圖4)顯現(xiàn)。累積過程主要特點為：

圖3 CEBES系統(tǒng)行為-要素耦合關(guān)系Fig.3 Coupling relationship between behavior and factors of CEBESCEBES:煤電基地生態(tài)系統(tǒng) Coal and Electricity Base Ecosystems

圖4 CEBES系統(tǒng)演化Fig.4 Evolution of CEBES

(1)狀態(tài)多樣化。累積狀態(tài)通過大氣質(zhì)量變化、地表和地下水、土壤退化等環(huán)境變化和植物多樣性減少等顯現(xiàn)其復(fù)雜的生態(tài)要素耦合作用和累積狀態(tài)。如,植被綠度變化等單要素狀態(tài)、土壤綜合質(zhì)量變化等多要素復(fù)合累積狀態(tài)、地下水力場改變引發(fā)的地表植被變化關(guān)聯(lián)累積狀態(tài)。

(2)空間多尺度。指累積過程在空間上呈現(xiàn)出局域(點狀和帶狀)、礦區(qū)和區(qū)域多尺度特征。如,井工開采造成采區(qū)局域生態(tài)損傷,礦井廢水外排污染形成流域尺度生態(tài)影響,點源態(tài)電廠廢氣排放形成區(qū)域性生態(tài)影響等。

(3)過程多階段。指開發(fā)行為階段的生態(tài)影響差異致使累積狀態(tài)具有顯著的階段性。CEBs中因影響行為、生態(tài)要素屬性和兩者耦合時-空關(guān)系差異致使累積過程處于不同階段。如大型露天礦建設(shè)階段對土地的擴張性挖損和開采階段的采-排-覆持續(xù)穩(wěn)定推進階段,兩個階段顯著差異為生態(tài)影響空間上持續(xù)擴大與生態(tài)影響范圍穩(wěn)定且中心移動。

2.2 生態(tài)累積狀態(tài)及累積效應(yīng)閾值

2.2.1生態(tài)累積狀態(tài)

生態(tài)累積狀態(tài)是CEBs各種開發(fā)行為驅(qū)動下引發(fā)的CEBES的持續(xù)響應(yīng),反映了自然生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)累積程度及變化趨勢,且通過生態(tài)要素、結(jié)構(gòu)關(guān)系和系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)顯現(xiàn)。

1)要素累積狀態(tài)：表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)水、土、植被等生態(tài)要素的累積變化和相對損傷程度,是系統(tǒng)局部要素或獨立區(qū)域的開發(fā)生態(tài)累積結(jié)果顯現(xiàn)。如,土壤破壞及沙化現(xiàn)象、地下水系統(tǒng)持續(xù)失水狀態(tài)等。

2)結(jié)構(gòu)累積狀態(tài)：表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)原生結(jié)構(gòu)破損或功能缺失的累積變化,是系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)關(guān)系或不同類型區(qū)塊間關(guān)系的累積變化結(jié)果。如,城鎮(zhèn)區(qū)持續(xù)無序擴張致使草原區(qū)面積下降,降低了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)力,CEBs開發(fā)占用部分水資源導致區(qū)域水資源分配結(jié)構(gòu)變化。

3)系統(tǒng)累積狀態(tài)：指CENES的生態(tài)累積狀態(tài)變化,是由生態(tài)要素損傷狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)構(gòu)成的系統(tǒng)整體變化。如,CEBs開發(fā)等人類行為產(chǎn)生的生態(tài)累積影響導致NES“健康”水平下降。

基于生態(tài)耦合機制與累積狀態(tài)特點,如以B代表CEBs各種影響行為,C代表影響耦合方式,A代表影響作用對象,St代表任意時間t的生態(tài)累積狀態(tài),則CEBES中生態(tài)累積狀態(tài)可表達為函數(shù)形式

St=f(x,y,z,t,B,C,A)

(1)

式(1)表明生態(tài)累積狀態(tài)是B、A、C因子控制下影響行為—生態(tài)要素耦合作用的時-空狀態(tài)函數(shù)。當無影響行為及耦合作用時(即B=0和C=0),S0代表NES狀態(tài)。故St1-S0代表絕對生態(tài)累積量,當以t1為參考時間,研究t1-t2階段生態(tài)累積狀態(tài)相對變化時,St2-St1代表了系統(tǒng)生態(tài)累積增量。

2.2.2生態(tài)損傷及區(qū)劃

為便于分析CEBES中開發(fā)行為的生態(tài)影響程度,鑒于生態(tài)累積過程本質(zhì)上反映了NES損傷過程,研究引入生態(tài)損傷系數(shù)[32]λt和生態(tài)累積速率VMD,在式(1)中以S(t0)代表生態(tài)累積過程初態(tài),則

(2)

式(2)表明,當λt=0時,系統(tǒng)相對無損傷,維持生態(tài)累積過程初態(tài)；當0<λt<1時,系數(shù)越大則累積作用越強；當t0=0時,λt代表NES損傷程度,t0>0時的λt代表了CEBES相對損傷程度。當VMD<0時表明累積作用增加,系統(tǒng)走向退化方向,反之則向系統(tǒng)提升方向發(fā)展；VMD越大,則提升或退化速度越快。

按照CEBs開發(fā)相關(guān)各種人類影響行為-生態(tài)要素的耦合關(guān)系,CEBs可劃分為占用區(qū)和非占用區(qū)。占用區(qū)指改變了土地原有用途,用于能源開發(fā)(規(guī)劃區(qū))或其他特殊人類活動,通過生態(tài)要素融合或轉(zhuǎn)換等途徑形成的生態(tài)直接損傷區(qū)；非占用區(qū)還基本保持原有人類活動方式(如草原牧業(yè)行為等),但受人類經(jīng)濟與社會發(fā)展(能源開發(fā)、城市發(fā)展、農(nóng)業(yè)種植等)活動影響,通過輻射、傳導耦合等途徑,在大氣、水、土和生物域顯現(xiàn)出各種人類活動行為的生態(tài)影響區(qū)域(圖5)。

圖5 CEBES系統(tǒng)狀態(tài)與開發(fā)驅(qū)動損傷源-生態(tài)要素耦合關(guān)系Fig.5 CEBES′ state and coupling-relationship of development-driving damage source with eco-elements

2.2.3生態(tài)累積效應(yīng)及閾值

生態(tài)累積效應(yīng)是指人類行為對生態(tài)環(huán)境持續(xù)影響以至于引起NES出現(xiàn)的特殊生態(tài)現(xiàn)象,體現(xiàn)在生態(tài)要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。如,光化學煙霧生態(tài)效應(yīng)就是人類活動中各種二氧化氮等有害氣體長期向大氣污染形成的累積效應(yīng)。CEBES中生態(tài)累積效應(yīng)則指開發(fā)行為對NES的累積影響超出其自修復(fù)限度時出現(xiàn)的生態(tài)要素過載、結(jié)構(gòu)破損、系統(tǒng)失衡等狀態(tài)(如草原植被退化、礦區(qū)土壤沙化、生態(tài)功能失調(diào)等)。生態(tài)效應(yīng)閾值代表出現(xiàn)生態(tài)累積效應(yīng)前狀態(tài)變化臨界點、拐點或區(qū)間(圖6)。依據(jù)CEBES結(jié)構(gòu)劃分及行為特點,生態(tài)效應(yīng)閾值可分為以下四類。

圖6 CEBES系統(tǒng)狀態(tài)與開發(fā)驅(qū)動損傷源-域關(guān)系Fig.6 CEBES′ state and relationship of development-driving damage source &its spatial domain

(1)生態(tài)要素閾值：因生態(tài)要素損傷致使突破要素或CEBES承載范圍的要素臨界值。如,大型煤電基地開發(fā)過多占用土地資源和消耗稀缺水資源、過渡放牧突破草原生態(tài)系統(tǒng)承載力、極度干旱導致草原嚴重退化和生態(tài)系統(tǒng)功能失調(diào)、高強度開采驅(qū)動持續(xù)提高生態(tài)損傷強度和范圍等,都將導致CEBES系統(tǒng)的生態(tài)生產(chǎn)力快速下降和觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)顯著變化。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)閾值：因多種生態(tài)要素復(fù)合損傷超出CEBES承載范圍致使生態(tài)系統(tǒng)失去原有結(jié)構(gòu)功能和自然關(guān)系的臨界值。如,CEBs區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)中過多占用林、草地和農(nóng)業(yè)地等土地資源造成煤電區(qū)與林草區(qū)面積嚴重失衡,煤電和煤基化工污染物超標準持續(xù)排放超過NES承載力,導致開發(fā)局部植被蓋度降低和生態(tài)產(chǎn)出損失,自然初級生產(chǎn)力與人工生態(tài)回復(fù)力失去平衡,引發(fā)區(qū)域生態(tài)安全問題。

(3)系統(tǒng)狀態(tài)閾值：因開發(fā)行為影響導致生物生產(chǎn)能力持續(xù)下降,當觸發(fā)NES主要功能改變致使系統(tǒng)健康狀態(tài)發(fā)生躍變的生物生產(chǎn)能力臨界值或系統(tǒng)承載區(qū)間。CEBES生態(tài)生產(chǎn)力產(chǎn)出平衡是系統(tǒng)健康的主要標志,“青山綠水”代表了自然初級生產(chǎn)力與人工生態(tài)回復(fù)生產(chǎn)力平衡景觀,而草原區(qū)大面積沙化和生態(tài)裸地(占用區(qū)大面積囤積荒廢)都大幅降低生物生產(chǎn)力,致使存在較大區(qū)域生態(tài)安全風險。

(4)行為控制閾值：指基于科學發(fā)展要求、開發(fā)行為可控性、NES承載力及生態(tài)累積影響等因素科學設(shè)計的管控指標。人工生態(tài)恢復(fù)力和控制力是CEBs開發(fā)過程中的可控因素,宏觀上科學設(shè)計CEBs開發(fā)布局、土地占用比、煤炭開采規(guī)模、發(fā)電規(guī)模和潔凈水平、生態(tài)生產(chǎn)力要求等,中觀上推行綠色礦山、清潔發(fā)電和環(huán)保城鎮(zhèn)模式等,細觀上限定排放污染物指標和排放量、生態(tài)修復(fù)指標等開發(fā)行為控制,有助于將開發(fā)行為生態(tài)影響損傷控制在生態(tài)承載力范圍,確保CEBES系統(tǒng)平衡和區(qū)域生態(tài)安全。

2.3 生態(tài)累積狀態(tài)主要表征參數(shù)

根據(jù)CEBs中不同開發(fā)行為的生態(tài)影響途徑,結(jié)合相關(guān)認識[31—33],研究采用“初態(tài)”(NES原態(tài)或累積影響的初態(tài))與累積過程任意時間狀態(tài)比較法,按照科學、代表和可操作性原則,基于影響源和自然覆蓋區(qū)、人類行為活動區(qū)與生態(tài)影響區(qū)中,初步篩選反映生態(tài)累積狀態(tài)的四類60項狀態(tài)參數(shù)(表2)。將影響生態(tài)累積過程、狀態(tài)的行為分為以下三類：

(1)自然行為類(FN)：是CEBES系統(tǒng)中引起生態(tài)累積狀態(tài)變化的自然行為影響參數(shù),反映了區(qū)域自然環(huán)境背景條件和變化。如,草原區(qū)自然氣候條件變化影響著生態(tài)系統(tǒng)基本水平和變化方向,氣候變化中“干旱”情景增大了負向生態(tài)影響作用,而“風調(diào)雨順”則增加了正向生態(tài)影響作用。

(2)能源開發(fā)行為類(FD)：是CEBES系統(tǒng)中引起生態(tài)累積狀態(tài)變化的能源開發(fā)行為影響參數(shù),反映其主要影響方式及作用區(qū)生態(tài)要素的相對狀態(tài)。占用區(qū)(如由草原用地變?yōu)槁短扉_采區(qū)和電廠區(qū)等)是生態(tài)影響“源”,包括生態(tài)損傷與修復(fù)作用。其中礦區(qū)內(nèi)的采區(qū)則以土地占用為主,復(fù)墾區(qū)則以生態(tài)修復(fù)為主、局域交通網(wǎng)絡(luò)屬于損傷持續(xù)影響區(qū)；非占用區(qū)則是受開發(fā)行為影響區(qū)域,如牧礦交錯帶等受影響草原牧區(qū),其生態(tài)累積過程總體受自然調(diào)節(jié)和開發(fā)行為疊加影響。

(3)人類活動行為類(FM)：是CEBES系統(tǒng)中引起生態(tài)累積狀態(tài)變化的非煤電開發(fā)行為影響參數(shù)。城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等占用區(qū)是累積狀態(tài)影響“源”,如城鎮(zhèn)擴張和人口增長致使區(qū)域能源使用量、水資源消耗量和城市廢棄物排棄量等大幅增長；非占用區(qū)累積過程總體是以自然調(diào)整為主和人類活動影響為輔,但受人類活動行為影響降低了水資源和生態(tài)承載力,增加了區(qū)域生態(tài)脆弱性。

其中,V代表CEBES區(qū)域,VD代表能源開發(fā)占用區(qū)(改變土地原用途區(qū)),VM代表人類非能源開發(fā)占用區(qū),VR代表人類活動生態(tài)影響區(qū)(土地原用途不變區(qū))；狀態(tài)變化比系數(shù)α表征評價年t1與參考年t0累積狀態(tài)相對變化比；楷體參數(shù)代表各區(qū)的生態(tài)生產(chǎn)能力狀態(tài)參數(shù)；年際值,代表計算年(生態(tài)累積過程研究截止年)的值；年均初值,代表生態(tài)累積過程周期起始時穩(wěn)定值(或初值)。

表2 CEBs生態(tài)累積狀態(tài)表征主要參數(shù)一覽表Table 2 Main parameters of CEBS ecological accumulation state characterization

續(xù)表驅(qū)動力與作用域Driving force and scopeCEBES顯示主要狀態(tài)Main status of CEBES影響源屬性(A/W/T)Attribute of influence source狀態(tài)變化比系數(shù)Coefficient of State change ratio 年際參數(shù)值/累積年均初值Values of inter-annual parameter/Cumulative annual average as initial value水域 F2R[7]地表徑流影響程度[8]地表水資源影響程度[9]地下水資源影響程度局域/輻射/占用期α7r:地表徑流流量比:年際徑流量/年均徑流量α8r:地下水資源量比:年際水資源量/年均初值α9r:地下含水層厚度比:含水厚度/實際含水總厚度土壤域 F3R[10]土壤綜合肥力影響程度[11]土壤生態(tài)利用影響程度[12] 濕地區(qū)域影響程度[13] 包氣帶含水性影響程度局域/輻射/占用期α10r:土壤肥力比:年際土壤肥力//年均初值α11r:土壤生態(tài)利用比:年際生態(tài)利用面積//年均初值α12r:濕地區(qū)域比:年際濕地面積//年均初值α13r:土壤水分比:土壤水分值/背景值生物域 F4R[14]林區(qū)植被覆蓋度影響程度[15]林區(qū)生態(tài)生產(chǎn)力影響程度[16]牧草區(qū)植被蓋度影響程度[17]牧草區(qū)生態(tài)生產(chǎn)力影響程度局域/輻射/占用期α14r:林區(qū)蓋度比:年際指數(shù)值/年均指數(shù)值α15r:林區(qū)生物量比:年際生物量/年均生物量α16r:牧草區(qū)蓋度比:年際蓋度值/年均蓋度值α17r:牧草區(qū)生物量比:年際生物量/年均生物量[18]VR區(qū)植被覆蓋度影響程度[19]VR區(qū)植物多樣性影響程度[20]VR區(qū)生態(tài)生產(chǎn)力影響程度局域/輻射/占用期α18r:植被覆蓋度比:年際蓋度值/年初值α19r:植物多樣性比:年際植物量/年均植物量α20r:區(qū)域生物量比:年際生物量值/年初值

為便于分析不同區(qū)域生態(tài)累積狀態(tài)及變化趨勢,采用生態(tài)要素類(大氣、水、土、生物)狀態(tài)指數(shù)和不同作用域的生態(tài)綜合影響指數(shù)表征不同級次(要素水平及集合狀態(tài))的生態(tài)累積狀態(tài)相對變化水平,或生態(tài)損傷綜合水平。其數(shù)學表達為

(3)

生態(tài)綜合影響指數(shù)E中,ΕN是自然環(huán)境影響指數(shù),反映CEBES區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體水平,當ΕN>1時環(huán)境趨好,ΕN≈1表明相對穩(wěn)定；ΕD和ΕM是反映能源開發(fā)和人類活動對生態(tài)影響水平的影響源強度指數(shù),大于1時意味著生態(tài)損傷力相對增加,反之表明生態(tài)恢復(fù)力增強；ΕR則是反映各種人類活動行為對區(qū)域生態(tài)影響程度的生態(tài)響應(yīng)指數(shù),ΕR=1時表明影響區(qū)中生態(tài)損傷力與自然恢復(fù)力總體平衡,影響區(qū)生態(tài)累積過程處于穩(wěn)態(tài)；同理可求得CEBES的生態(tài)損傷指數(shù)E,當E≥1表明各種人類活動(生態(tài)損傷和恢復(fù))的生態(tài)影響總體達到平衡,意味著CEBs開發(fā)與區(qū)域生態(tài)環(huán)境處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。

3 大型煤電基地開發(fā)生態(tài)累積效應(yīng)及閾值分析方法

3.1 煤電開發(fā)生態(tài)累積影響分析思路

CEBES是由空間若干基本單元體(或像素)組成的空間實體集合,人類活動行為引發(fā)單元體的生態(tài)要素耦合作用,顯現(xiàn)出行為人類活動影響下宏觀生態(tài)累積作用的響應(yīng)。模型構(gòu)建按照開發(fā)行為-生態(tài)損傷-影響累積-生態(tài)效應(yīng)的分析思路,以空間單元體為各種行為的影響受體或生態(tài)損傷基本單元、基于生態(tài)耦合機制建立單元體生態(tài)要素相互影響基本關(guān)系、以生態(tài)要素域響應(yīng)和空間區(qū)塊體描述生態(tài)損傷狀態(tài)。

生態(tài)累積影響分析思路是參照NES和基于CEBs開發(fā)中三類生態(tài)影響行為,在空間單元體(或單元面積)將各種生態(tài)響應(yīng)聚類到生態(tài)要素域(大氣、水、土、生物)后進行點源合成,再按照土地利用屬性聚合線域、局域和區(qū)域進行分區(qū)(類)損傷、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和區(qū)域生態(tài)安全分析,實現(xiàn)生態(tài)損傷專題制圖、生態(tài)累積狀態(tài)及趨勢分析和區(qū)域生態(tài)安全評價(圖7)。

圖7 基于空間單元體(或像素)的CEBES生態(tài)累積影響分析思路Fig.7 Analysis process of ecological accumulation analysis based on spatial units (or pixels)

3.2 生態(tài)累積狀態(tài)和生態(tài)損傷數(shù)學模型

CEBES生態(tài)累積狀態(tài)是由影響源、耦合關(guān)系、受影響單元體屬性等共同決定?；?.2中生態(tài)耦合累積過程和生態(tài)損傷研究,任意單元體的單位時間生態(tài)累積量SΔ可表示為

SΔ(x,y,z,t,B,A,C)=∑F(xi,yi,zi,t,Bi)?A(X,Y,Z,t)(i=1,2,…,N)

(4)

式中,X=x-xi,Y=y-yi,Z=z-zi,F(xi,yi,zi,Bi)為影響作用函數(shù),B代表影響源,N為源數(shù),Bi為第i個源行為函數(shù)(如,Bi=diwi(x,y,z,t)),di為源強度,wi(x,y,z,t)為影響傳播函數(shù),(xi,yi,zi)代表源等效位置；A(X,Y,Z,t)為影響對象函數(shù),C=?,代表影響行為-生態(tài)要素耦合方式。

式(4)表明,影響源F以影響行為B作用和耦合方式?作用于屬性為A的單位體積元Δ,形成生態(tài)累積作用和生態(tài)損傷。在CEBES確定的空間域V中,t0-t時段生態(tài)累積量則為

(5)

代入式(2)得單位體積元生態(tài)損傷系數(shù)為

(6)

當CEBES由N類不同類型單元體組成的子區(qū)域空間,任意區(qū)Vj的生態(tài)累積量和生態(tài)損傷系數(shù)為

(7)

CEBES空間V,按區(qū)塊體歸一化分析方式獲得的生態(tài)累積量和損傷系數(shù)分別為

(8)

3.3 行為-要素耦合算法

生態(tài)要素是生態(tài)影響累積作用載體,影響行為與要素耦合方式?是定量分析生態(tài)損傷狀態(tài)的關(guān)鍵。依據(jù)影響行為特點和耦合機制分析,數(shù)學上可將任意單元體上影響作用簡化為三類關(guān)系和耦合規(guī)則：

1)自然行為影響關(guān)系：在自然驅(qū)動力作用區(qū)V(CEBES∈V),自然驅(qū)動力使水、土、植被等生態(tài)要素響應(yīng)呈系統(tǒng)性變化,當?shù)乇碇脖蛔兓c大氣降雨量間顯現(xiàn)為線性同步關(guān)系時,此時影響系數(shù)為a,則有“?≈a”(∈V)。

2)損傷行為-要素影響關(guān)系：在人類活動行為(開發(fā)和人工行為)作用區(qū)VD+M和影響區(qū)VR,損傷行為直接或間接作用于自然生態(tài)要素致使其原有性質(zhì)變化,影響區(qū)域自然生態(tài)平衡。其中：

?轉(zhuǎn)換型直接損傷關(guān)系：指在人類活動行為區(qū)VD+M以接觸損傷方式(如,露天礦采區(qū)、電廠、城鎮(zhèn)等占用區(qū)),致使原草原植被和土壤處于性質(zhì)轉(zhuǎn)換狀態(tài),喪失或改變其原有生態(tài)生產(chǎn)力能力,形成要素性質(zhì)轉(zhuǎn)換和直接生態(tài)損傷,其累積耦合關(guān)系可簡化為 “?=⊙或1”(VD+M∈V)。

?輻射型間接損傷關(guān)系：指人類活動行為與要素以無接觸方式影響周圍生態(tài)要素原有自然性質(zhì)構(gòu)成的行為與要素耦合關(guān)系。如,露天采區(qū)粉塵輻射污染影響周邊土壤和植物光合作用致使植被退化,而污染氣體輻射傳播同時影響區(qū)域大氣環(huán)境,其累積耦合關(guān)系可簡化為 “?=+”(VR∈V)。

?互耦型疊加損傷關(guān)系：是人類活動行為影響以要素融合方式影響其原有自然性質(zhì),形成要素間損傷傳導和間接生態(tài)損傷。如,開采破壞含水層將局域損傷狀態(tài)經(jīng)地下水力場傳導到區(qū)域；礦井水流域外排形成水-土耦合作用產(chǎn)生土壤鹽堿化等,其累積耦合關(guān)系可簡化為 “?=×”(VD+M+R∈V)。

3)調(diào)控行為-要素互促關(guān)系：是通過調(diào)整人類活動行為影響生態(tài)要素、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的生態(tài)閾值指標,影響累積過程和損傷程度。如,提升大型煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)率和恢復(fù)質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境管控指標、優(yōu)化植物結(jié)構(gòu)和調(diào)增生態(tài)利用面積等降低開采生態(tài)影響和增加CEBES生物生產(chǎn)能力,彌補人類活動行為的生態(tài)累積影響程度。此時,“?=1,×,+”。

將上述關(guān)系式引入式(5)可得單位體積元的生態(tài)累積量損傷系數(shù)為

(9)

同理,如以同類單位體積元的區(qū)域中單元體的總數(shù)為Li,則Vi區(qū)的生態(tài)損傷系數(shù)為

(10)

3.4 生態(tài)累積效應(yīng)分析模型

生態(tài)累積效應(yīng)分析是通過生態(tài)累積狀態(tài)研究獲得生態(tài)效應(yīng)的時-空閾值。2.2分析表明生態(tài)累積效應(yīng)是由SA狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾B狀態(tài)的特殊生態(tài)響應(yīng),生態(tài)閾值則為狀態(tài)SA→SB轉(zhuǎn)變臨界點。如將SA作為變量函數(shù),引入累積函數(shù)狀態(tài)極值和累積變化速率求解方法,當

(11)

時,求解得SA的極值點和拐點位置,前者表示狀態(tài)變化的邊界,后者反映狀態(tài)開始“躍變”位置。考慮到SA=f(x,y,z,t,B)為多源曲面函數(shù),代表任意的生態(tài)要素累積、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)或系統(tǒng)平衡狀態(tài)函數(shù),且有,SA=S0(t→0)和SA=S∞(t→∞)時,則SA的狀態(tài)邊界和生態(tài)閾值滿足條件

(12)

式(12)表明,生態(tài)累積影響時-空狀態(tài)邊界和生態(tài)閾值是由影響源、受影響單元體屬性和影響時間等各種控制參數(shù)綜合制約,且與累積作用空間和持續(xù)時間相關(guān)。CEBs開發(fā)處于增長期時意味著影響源規(guī)模和強度不斷增加(B≠常數(shù)),生態(tài)影響累積量逐步增加。處于穩(wěn)定運行期時(B=常數(shù))生態(tài)閾值滿足

(13)

(14)

(15)

式(15)則表明區(qū)域生態(tài)安全調(diào)控具有多層次,影響源調(diào)控重在提升源控制標準(如各種排放物和污染物的企業(yè)標準),降低生態(tài)影響范圍和生態(tài)損傷程度；生態(tài)子系統(tǒng)調(diào)控重在提升區(qū)塊生態(tài)生產(chǎn)力(如草原區(qū)科學放牧、礦區(qū)提高生態(tài)修復(fù)率和縮短修復(fù)周期等)和彌補生態(tài)損傷“虧欠”,提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性；區(qū)域調(diào)控重在合理優(yōu)化各類區(qū)塊的生態(tài)功能布局,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)生產(chǎn)力“盈虧”平衡。

上述分析表明,按照CEBES中要素和結(jié)構(gòu)關(guān)系分析、科學辨識煤電開發(fā)生態(tài)影響源、基于土地利用單元體精細建立影響源與要素的耦合關(guān)系、空間單元體—系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的生態(tài)累積狀態(tài)和生態(tài)效應(yīng)閾值分析,CEBs開發(fā)行為的生態(tài)損傷程度評價流程,可實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全水平評價和調(diào)控情景模擬分析。

4 結(jié)論

本研究基于大型煤電基地開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全協(xié)同理念,在前人研究的基礎(chǔ)上,針對大型煤電基地開發(fā)行為與區(qū)域生態(tài)環(huán)境內(nèi)在關(guān)系、開發(fā)的生態(tài)累積影響及分析方法,辨識大型煤電基地生態(tài)安全等關(guān)鍵問題,從大型煤電基地生態(tài)累積效應(yīng)的理論研究與量化分析方法方面進行了深入的探索性研究。主要的理論研究結(jié)論如下：

(1)大型煤電基地(CEBs)是我國煤基能源和材料集中開發(fā)區(qū)域和國家能源戰(zhàn)略安全的重要支撐,作為煤基能源開發(fā)系統(tǒng)工程,涵蓋自然資源、能源開發(fā)行為和其他人類活動,涉及煤、電、化、農(nóng)、牧、城等經(jīng)濟單元,具有顯著地域性、先進性和功能性。CEBs與區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)(NES)耦合構(gòu)成的大型煤電基地生態(tài)系統(tǒng)(CEBES)受自然力和能源開發(fā)及其他人類活動共同驅(qū)動和影響。

(2)CEBES生態(tài)累積過程受到三種行為驅(qū)動(自然、能源開發(fā)行為和其他人類活動),經(jīng)融合、傳導和輻射耦合作用影響生態(tài)累積過程,顯現(xiàn)為生態(tài)要素損傷、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化和系統(tǒng)狀態(tài)失衡,具有行為多態(tài)性、空間多尺度和過程漸變性損傷特點。生態(tài)效應(yīng)是累積狀態(tài)“躍變”或引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的特殊生態(tài)現(xiàn)象,生態(tài)閾值則是狀態(tài)躍變臨界點?；谏鷳B(tài)累積響應(yīng)域和響應(yīng)層次,生態(tài)閾值可劃分為生態(tài)要素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)狀態(tài)和行為調(diào)控四類。

(3)本基于系統(tǒng)性和實用性篩選確定描述生態(tài)累積狀態(tài)的60項指標,針對三種控制力下4類狀態(tài)因子集(大氣、水、土、生物),構(gòu)建三類行為驅(qū)動、要素耦合、分區(qū)(能源開發(fā)占用區(qū)、社會經(jīng)濟發(fā)展占用區(qū)、人類活動影響區(qū)和自然原態(tài)區(qū))和CEBES的生態(tài)累積狀態(tài)綜合指數(shù)體系。

(4)基于開發(fā)行為-要素耦合-影響累積-生態(tài)效應(yīng)的生態(tài)損傷過程,采用相對分析法構(gòu)建以空間單元體為影響行為受體、生態(tài)耦合機制為基本關(guān)系、生態(tài)損傷評價參數(shù)的生態(tài)累積影響物理模型和生態(tài)累積狀態(tài)分析數(shù)學模型,提出面向CEBs開發(fā)的生態(tài)累積影響程度和生態(tài)累積效應(yīng)閾值分析模型和方法。

本文探索提出的CEBs開發(fā)生態(tài)累積效應(yīng)及定量分析方法還有待完善,通過具體應(yīng)用實例的檢驗可進一步提升量化研究方法與模型的實用性,從而為更好地實現(xiàn)CEBs區(qū)域生態(tài)安全定量診斷、區(qū)域生態(tài)安全調(diào)控和CEBs “碳中和”發(fā)展提供理論支撐。