煤礦開采生態(tài)環(huán)境問題及治理對策

任小舟，安廣楠

(1.中煤科工重慶設(shè)計研究院(集團)有限公司，重慶 400042； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

煤炭資源廣泛分布于地下，開采過程中會破壞地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地表水資源以及地表植被覆蓋情況，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)嚴重破壞[1-3]，而生態(tài)環(huán)境被破壞后，影響人們的正常生活和社會的發(fā)展，因此，解決生態(tài)環(huán)境遭到破壞的問題迫在眉睫。面對這種狀況，部分學者進行了有針對性的研究。張俊文等[4]提出了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境“三位一體”治理技術(shù)研究，采用二項耦合滲流填充工藝，將地面工業(yè)廢物活化處理后送填采空區(qū)及裂隙帶，并配合開采工藝優(yōu)化方法，實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境保護問題，但是該方法對于生態(tài)環(huán)境問題的評價效果差，導致環(huán)境的治理效果不佳。翟小偉等[5]研究了榆林市能源開發(fā)現(xiàn)狀及引起的環(huán)境問題，該地區(qū)經(jīng)過煤礦開采以后地表出現(xiàn)裂縫，含水層發(fā)生嚴重破壞，地下水位隨之降低，地下水結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)改變，地下富水條件也因此被改變。上述研究內(nèi)容都直接證明礦區(qū)煤礦開采導致整體生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，嚴重時甚至會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，但是該研究未給出更加合理的治理策略。李鳳明等[6]研究了我國采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與治理技術(shù)發(fā)展趨勢，探討了現(xiàn)階段不同區(qū)域、不同類型采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境修復工作的難點，確定了礦區(qū)生態(tài)修復理論與技術(shù)未來主要發(fā)展方向，包括開采對生態(tài)環(huán)境破壞的監(jiān)測與診斷技術(shù)、采煤沉陷地治理技術(shù)與標準體系等技術(shù)。該研究僅明確了生態(tài)環(huán)境的問題，闡述了治理技術(shù)，但是其未對生態(tài)環(huán)境問題進行系統(tǒng)的評價，導致研究的效果未達到預期目標。

本文在眾多學者研究基礎(chǔ)上進一步研究煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題及治理對策，為今后生態(tài)環(huán)境治理指明新的方向。

1 煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題評價

1.1 研究區(qū)域概況

本文選擇鄂爾多斯市某煤礦為研究對象，研究區(qū)域位于我國西北方，由于蘊含豐富的煤炭資源，自古就被稱作是北方的煤炭明珠。該區(qū)域總面積接近265 km2，平均海拔+1 361 m，地形較為平坦，區(qū)域中同時存在沙地與黃土高原地形特征。該區(qū)域蘊含豐富煤炭資源，已探明煤層含量16層，可開采煤層厚度10.67～20.98 m，總儲煤量約為45億t，其井田面積44.105 3 km2，南北長約10 km，東西寬約7 km。經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域所蘊含的煤炭資源屬于磷元素與硫元素含量均較低的環(huán)保型煤炭，屬于動力資源較為優(yōu)異且適合應用于化工領(lǐng)域。煤炭儲存地層屬于淺埋煤層，水分蘊含較少，適合大面積開采。

該區(qū)域由于開采程度大，環(huán)境保護意識差，導致生態(tài)環(huán)境平衡遭受破壞。開采后，研究區(qū)域出現(xiàn)采空區(qū)域，甚至發(fā)生沉降或者塌陷，土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重破壞，并且由于堆放廢料，導致植被遭到破壞，綠植面積迅速減少。同時，副業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的廢水對周邊水源造成影響，導致區(qū)域內(nèi)的日常用水與灌溉用水日益減少，間接影響了經(jīng)濟效益和生活質(zhì)量。

1.2 數(shù)據(jù)采集與指標體系確定

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

本文收集研究區(qū)域數(shù)據(jù)時使用遙感技術(shù)，遙感數(shù)據(jù)來源于美國Landsat衛(wèi)星與中巴資源衛(wèi)星傳輸后綜合整理后的數(shù)據(jù)，使用傳感器為TM傳感器與ETM+傳感器，時間分辨率為16 d。接收衛(wèi)星傳輸后的圖像分辨率為35 m×35 m。為保證圖像數(shù)據(jù)足夠清晰和完整，數(shù)據(jù)使用之前，先對數(shù)據(jù)實施大氣校正以及噪聲消除等處理，使得數(shù)據(jù)內(nèi)容更加具有標準化特點。使用SARscape平臺導入Seninel 1Aleidashuju，格式轉(zhuǎn)換過程中使用軌道精密文件，實際研究過程中需要選取工作區(qū)域，所以從實際工作范圍需求做出考慮裁剪數(shù)據(jù)。

1.2.2 指標選取依據(jù)

(1)地面塌陷指標確定。使用衛(wèi)星增強(SBAS)方法，自由干涉組合通過遙感技術(shù)獲得的SAR影像序列，由此得到短基線差分干涉相位圖，時空因素所造成的影響可以使用這種差分干涉解決。干涉相位圖濾波與差分之后，需要使用最小費用流方法實現(xiàn)相位解纏[6]。使用殘余相位去除以及軌道精簡方式處理解纏后的干涉相位圖，方程組矩陣建立則需要使用計算獲得的高相關(guān)性點，線性形變存在高程與速率誤差，這種誤差需要使用矩陣奇異值分解方法實現(xiàn)計算。去除殘余相位中存在的噪聲，為獲取非線性形變相位，適當分離殘余相位，疊加非線性與線性形變相位，由此確定形變結(jié)果。根據(jù)以上分析可以確定研究區(qū)域塌陷情況的指標體系[7-8]。

(2)土壤侵蝕與污染指標確定。根據(jù)遙感收集的影響內(nèi)容以及國家相關(guān)土壤侵蝕評價標準，所研究區(qū)域的土壤呈現(xiàn)風蝕特征，從每年的數(shù)據(jù)報告分析結(jié)果能夠看出，研究區(qū)域內(nèi)隨著采礦工程的不斷擴大，植被與土壤發(fā)生破壞，出現(xiàn)大量排土場壓與采掘場剝離煙雨覆蓋層，嚴重破壞原有地形地貌。大量開采活動也對土壤直接造成污染，導致研究區(qū)域土壤出現(xiàn)較為嚴重的土壤生態(tài)污染破壞[9]。挖掘、外排等工作擾動土層結(jié)構(gòu)，導致土層與植被遭受不可磨滅的損失，惡性循環(huán)導致土壤發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

(3)植被破壞指標確定。研究區(qū)域中生態(tài)環(huán)境水平以及狀況都可通過植被覆蓋情況反映出來。通常使用植被指數(shù)來評價植被覆蓋情況，最常見的植被指數(shù)是經(jīng)過歸一化處理后的NDVI指數(shù)。反演植被蓋度時，使用植被指數(shù)具有更高檢測精準度，避免大氣環(huán)境中太陽光線與大氣輻射所造成的噪聲干擾。植物生長離不開光合作用，而且生長時主要吸收紅光，所以通過分辨紅光吸收情況就能判斷研究區(qū)域中植被的生長情況。也就是說通過植被覆蓋指數(shù)以及遙感圖像中植被紅光接受情況就能確定研究區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境被破壞的情況，由此確定植被破壞指標[10]。

(4)水體破壞指標確定。水體是天然的反射工具，能夠大量吸收太陽傳播到地面的光，這就導致水體只能反射出很少的光，遙感設(shè)備所使用的傳感器接收到的水體反射光較少，而且光線波長越長，反射效果更差，短波紅外與近紅外光幾乎不會發(fā)生反射，這種情況給提取水體數(shù)據(jù)造成較大困難。一般會采取優(yōu)化歸一化水體指數(shù)方法實現(xiàn)水體數(shù)據(jù)提取[11-13]。該方法能夠構(gòu)建短波紅外波段與綠波波段。經(jīng)過反復試驗驗證，該方法能夠較為準確地獲得水體指數(shù)遙感數(shù)據(jù)，同時還能降低土壤、建筑物等因素對于土體的噪聲干擾，最終準確提取出水體破壞指標。

1.2.3 指標體系構(gòu)建

根據(jù)以上分析結(jié)果，構(gòu)建本文研究區(qū)域的評價指標體系，構(gòu)建結(jié)果見表1。指標體系構(gòu)建過程中，除了綜合上文中遙感技術(shù)分析后的結(jié)果，還需要從社會發(fā)展以及煤礦資源開采之后生態(tài)環(huán)境可能遭受的實際破壞角度出發(fā)，綜合社會性質(zhì)以及人文特色，從實際情況出發(fā)，最終確定指標體系結(jié)構(gòu)。

表1 指標體系構(gòu)建結(jié)果Tab.1 Results of the index system construction

2 模糊評價

2.1 評價標準確定

以表1中的評價指標體系為依據(jù)，構(gòu)建一個單因子評價矩陣[14]。構(gòu)建評價結(jié)果集合，以便實現(xiàn)綜合評價，本文所針對的指標體系評價集：V=(1級，2級，3級，4級，5級)。其中，1級表示未發(fā)生污染情況，由1級至5級分別表示零度、微度、輕度、中度、重度污染。根據(jù)目前相關(guān)部門規(guī)定以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價標準，評價各指標污染情況時均有一個濃度評價區(qū)間，各指標的評價標準見表2。確定表2中的評價標準，開展隸屬度函數(shù)計算，根據(jù)隸屬度函數(shù)計算結(jié)果確定單因子評價矩陣。

表2 指標體系評價標準Tab.2 Evaluation criteria of the index system

2.2 指標權(quán)重確定

使用層次分析法(AHP)計算各個指標的權(quán)重。層次分析法使用兩兩比較的兩層之間的重要度確定權(quán)重，計算最底層指標和一級指標的權(quán)重。權(quán)重確定步驟如下：①劃分層次結(jié)構(gòu)。以表1中的指標體系作為基礎(chǔ)，劃分目標層、準則層與決策層，每個上層指標都能實現(xiàn)對于下層指標的支配[15]。②建立判斷矩陣。權(quán)重確定是通過底層指標與上層指標之間的判斷矩陣，該矩陣判斷重要性程度時一般使用Saaty1—9標度法。③權(quán)系數(shù)計算。由高層指標向低層指標依次開展計算，由此獲得各層指標的權(quán)重系數(shù)以及相同層次時間的組合權(quán)系數(shù)。④一致性檢驗。為提升判斷的一致性，判斷矩陣構(gòu)建完成后開展一致性檢驗。

2.3 模糊評價矩陣計算

(1)單因素評價矩陣確定。各等級下各指標的隸屬度通過隸屬度計算獲取，再去獲得各指標的評價矩陣，單一指標的評價矩陣可以看作是單一向量元素的單因素評判矩陣。

(2)二級評價矩陣確定。需要向上推導單因素評價矩陣，使用二級評判矩陣實現(xiàn)模糊矩陣的合成計算，將權(quán)重與二級判斷矩陣相乘，以最大隸屬度原則作為基礎(chǔ)，獲得最終評價結(jié)果。

3 實例分析

3.1 煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題分析

使用遙感技術(shù)收集本文所研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)，收集內(nèi)容為開采前(2015年)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況以及開采一段時間(2021年)后，生態(tài)環(huán)境變化情況。通過開采前后各指標的演變情況，推測出煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題的演變情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化Fig.1 Changes in the ecological environment of the study area

從圖1中可以看出，研究區(qū)域經(jīng)過資源開采之后，出現(xiàn)較為嚴重地面塌陷情況，土壤與水體環(huán)境也遭受巨大污染，植被覆蓋遭受大面積破壞。其中僅研究區(qū)域東南方向破壞情況相對來說較好，這種情況是由于該區(qū)域靠近生活區(qū)，資源開采活動相對較少，但是從圖1中的演變情況來看，近年該區(qū)域也逐漸遭受破壞，綜合生態(tài)環(huán)境遭受破壞較為嚴重的區(qū)域主要是由于資源開采工作較為密集，導致環(huán)境質(zhì)量與地層結(jié)構(gòu)均發(fā)生極大改變，由此可以看出，經(jīng)過一段時間資源開采，本文所研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭受嚴重打擊。

使用本文方法進一步驗證研究區(qū)域各個指標評價結(jié)果(表3)。表3中的評價結(jié)果與圖1中的統(tǒng)計結(jié)果基本一致，其中植被覆蓋率、紅光吸收情況、治理達標率3項指標權(quán)重占比最高。其造成的污染等級也是最高，這是因為研究區(qū)域經(jīng)過長時間開采，土體與水體均遭受嚴重污染，植被被嚴重破壞，其他指標也有達到4評價等級，表明生態(tài)環(huán)境陷入嚴重危機。因此，設(shè)計方法可以有效評價環(huán)境問題，為煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供準確的參考數(shù)據(jù)。

表3 評價結(jié)果Tab.3 Evaluates the results

3.2 治理措施

經(jīng)過以上實際分析確定研究區(qū)域存在嚴重生態(tài)污染問題，這種污染現(xiàn)象導致當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境失衡，不再適合人類居住，需要采取治理措施，緩解當?shù)厣鷳B(tài)破壞情況。

(1)遵守法規(guī)實現(xiàn)科學管理。國家推行一系列煤礦區(qū)域相關(guān)管理法規(guī)，以法律手段治理煤礦開采區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。無論是政府相關(guān)工作人員還是煤炭開采相關(guān)工作人員都逐漸意識到生態(tài)保護的重要性，采取措施解決已經(jīng)形成污染的區(qū)域，同時加強未污染區(qū)域的生態(tài)保護，避免生態(tài)環(huán)境進一步惡化。

(2)協(xié)調(diào)煤炭價格實現(xiàn)生態(tài)保護費用支持。僅靠政府財政撥款無法完成龐大的生態(tài)修復工程。因此，需要中央發(fā)揮宏觀調(diào)控功能，參考國際煤炭價格制定統(tǒng)一標準，將煤炭資源的價格設(shè)定在一個合理范圍，保證不侵害多方利益的情況下，提高煤炭資源創(chuàng)造的經(jīng)濟效益，確保生態(tài)污染治理過程具備足夠的經(jīng)濟支持。

(3)合理治理地表塌陷區(qū)域。治理研究區(qū)域，最重要的步驟是實現(xiàn)塌陷區(qū)域的修復。一方面，針對開裂區(qū)域可以采取填塞法，使用水泥或者石塊將開裂區(qū)域夯實填充；另一方面，針對塌陷比較嚴重的區(qū)域，需要先使用金屬骨架支撐塌陷區(qū)域，再使用巖體和水泥將塌陷區(qū)域填充起來，構(gòu)建排水系統(tǒng)，防止雨水沖刷破壞支撐結(jié)構(gòu)。

(4)自然資源治理保護。需要修復研究區(qū)域的水體、土體與植被被破壞的區(qū)域，該修復引進新技術(shù)與工藝，綜合治理研究區(qū)域整體污染情況，將環(huán)境污染災害影響降至最低。同時，合理利用資源，保護未遭受破壞的區(qū)域，將環(huán)境治理工作落實到個人，堅持誰污染誰治理的原則。

4 結(jié)語

研究煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題及治理對策，使用遙感技術(shù)以及層次分析法，分析鄂爾多斯市某煤礦區(qū)域存在的環(huán)境問題，使用遙感技術(shù)獲取研究區(qū)域的基本信息數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為指標體系構(gòu)建的依據(jù)，實現(xiàn)煤礦區(qū)能源開發(fā)生態(tài)環(huán)境問題評價。從實驗分析結(jié)果可知，研究區(qū)域的土壤污染、植被破壞情況、水體破壞情況和坍塌情況嚴重，經(jīng)過設(shè)計方法的分析后，確定其中主要因素是植被覆蓋率低、紅光吸收情況差、治理達標率低，該指標的權(quán)重達到了0.1以上，并且等級均為5級，依據(jù)分析結(jié)果，分別從堅持遵守法規(guī)實現(xiàn)科學管理、合理治理地表塌陷區(qū)域和自然資源治理保護等方面制定了科學合理的治理措施。希望該研究可為治理煤炭區(qū)能源開發(fā)導致的生態(tài)環(huán)境問題作出貢獻。