基于DPSIR物元分析模型的礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)
----以遼寧省錦州市北鎮(zhèn)市為例

李 曄, 金久旺, 韓欣燃, 王 瑩

(沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是由生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)耦合而形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng),其內(nèi)部各因素間相互制約、相互影響,任意一個(gè)子系統(tǒng)的變化都會(huì)對(duì)其他子系統(tǒng)造成影響,甚至是破壞。礦山的開(kāi)采可以帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,但卻無(wú)法避免對(duì)原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成破壞,并且嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)的平衡發(fā)展,使礦區(qū)城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)更加嚴(yán)峻[1-2]。因此,對(duì)礦區(qū)存在的問(wèn)題進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的分析,制定合理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系成為礦區(qū)生態(tài)健康發(fā)展的重要課題。礦區(qū)生態(tài)健康是指礦區(qū)生態(tài)在受到采礦活動(dòng)的擾動(dòng)后,被破壞的生態(tài)能夠得到及時(shí)的重建與恢復(fù),污染的環(huán)境能夠得到及時(shí)的治理,具有維持其組織結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性及自我調(diào)節(jié)與恢復(fù)能力[3]。研究者在礦區(qū)生態(tài)健康分析中主要集中于生態(tài)健康的概念、指標(biāo)體系的構(gòu)建及優(yōu)化等方面研究,普遍將EES模型與層次分析法、模糊分析法、物元分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法等評(píng)價(jià)方法相結(jié)合[4-5]。而礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)過(guò)程中各指標(biāo)因素之間的相互作用關(guān)系,以及所存在的不相容性也是決定其評(píng)價(jià)結(jié)果客觀性、科學(xué)性的關(guān)鍵因素。

DPSIR模型是由PSR和DSR演化而來(lái)的,是一種基于因果關(guān)系組織信息及相關(guān)指數(shù)的新型概念模型,最早被歐洲環(huán)境署提出并開(kāi)始使用[6],因其具有從系統(tǒng)分析的角度看待人類社會(huì)與環(huán)境系統(tǒng)間相互關(guān)系的特點(diǎn),目前在旅游城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)[7]、耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[8]、濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[9]等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用,但在礦山生態(tài)健康方面卻鮮少應(yīng)用。本文以遼寧錦州北鎮(zhèn)市為研究對(duì)象,基于DPSIR模型構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[10-11],采用物元分析法對(duì)研究區(qū)域生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[12],通過(guò)數(shù)據(jù)分析研究區(qū)域當(dāng)前的生態(tài)健康狀況,為改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)生態(tài)服務(wù)功能提供科學(xué)依據(jù),實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

北鎮(zhèn)市隸屬于遼寧省錦州市,位于遼寧西部東端,在東經(jīng)121°33′～122°12′、北緯41°19′～41°48′之間,面積1 782 km2,東接黑山縣,西鄰義縣,南與盤錦市毗鄰,北與阜新市接壤,北鎮(zhèn)市礦區(qū)分布如圖1所示。

圖1 北鎮(zhèn)市礦區(qū)分布Fig.1 Distribution of mining area in Beizhen City

北鎮(zhèn)市礦產(chǎn)資源種類雖然較少,但資源總量較豐富,其中建筑用白云巖儲(chǔ)量在3 000萬(wàn)t以上,主要集中在正安鎮(zhèn)和中安鎮(zhèn);石墨探明礦石儲(chǔ)量為40 578萬(wàn)t,礦物量2 478萬(wàn)t,主要集中在杜屯;金、鐵等也有一定儲(chǔ)量,但可供開(kāi)發(fā)利用的并不多。同時(shí),該地區(qū)礦產(chǎn)資源分布相對(duì)集中且便于經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)利用,對(duì)于礦產(chǎn)資源的管理以及整體規(guī)劃開(kāi)發(fā)十分有利,成為北鎮(zhèn)市建材行業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。根據(jù)《遼寧省地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理規(guī)劃(2018—2022)》的相關(guān)要求,遵循科學(xué)性、全面性、整體性原則,北鎮(zhèn)市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(EI)從1995年的35.25提升至2019年的57.36,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況明顯改善。目前,針對(duì)《全國(guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035)》的要求,對(duì)北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià),可以為開(kāi)展礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2021年的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《北鎮(zhèn)市統(tǒng)計(jì)年鑒》《錦州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《宜居城市科學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)》(修訂稿),健康等級(jí)劃分中個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用特爾菲法計(jì)算得出[13]。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文基于DPSIR模型建立礦山廢棄地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系:其中D代表驅(qū)動(dòng)力,反映礦區(qū)資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境變化的潛在因素;P代表壓力,即礦山開(kāi)采過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的具體影響。在驅(qū)動(dòng)力與壓力的雙重作用下,礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)水平發(fā)生變化而呈現(xiàn)出某種狀態(tài)(S),并對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)生活造成了一定影響(I)。因此,為了提高環(huán)境質(zhì)量,維持生態(tài)系統(tǒng)平衡,實(shí)現(xiàn)資源合理利用,必須采取相應(yīng)的措施和對(duì)策,即為響應(yīng)(R)。圖2為北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)DPSIR模型框架,它可以較為完整地體現(xiàn)出礦區(qū)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會(huì)之間的相互作用。

圖2 北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)DPSIR模型框架Fig.2 DPSIR model framework of ecological health assessment in Beizhen mining area

為了確保評(píng)價(jià)指標(biāo)的完整性、全面性與科學(xué)性,進(jìn)行了指標(biāo)篩選,其中驅(qū)動(dòng)力層面從區(qū)域經(jīng)濟(jì)、礦產(chǎn)資源利用與社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r3個(gè)角度進(jìn)行篩選;壓力層面從經(jīng)濟(jì)分配、森林覆蓋和能源消耗3個(gè)角度進(jìn)行篩選;狀態(tài)層面集中于區(qū)域水、大氣、土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)水平;影響層面考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)生活水平及土地利用狀況;響應(yīng)層面主要從地方環(huán)境治理相關(guān)政策與環(huán)保資金投入狀況考慮。篩選出16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用層次分析法賦權(quán),通過(guò)咨詢相關(guān)專家進(jìn)行打分,經(jīng)過(guò)計(jì)算確定各指標(biāo)的綜合權(quán)重[14-15],結(jié)果如表1所示。

表1 礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)DPSIR指標(biāo)體系Table 1 DPSIR ecological health evaluation index system of mining area

2.2 礦山生態(tài)健康物元評(píng)價(jià)模型

將物元分析法與DPSIR模型相結(jié)合,一方面可以直觀地反映影響礦區(qū)健康各因素之間存在的相互作用關(guān)系,另一方面可以將礦區(qū)生態(tài)健康問(wèn)題概括成為關(guān)聯(lián)或不關(guān)聯(lián)問(wèn)題并進(jìn)行轉(zhuǎn)化,基本實(shí)現(xiàn)分異及綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)信息的目的,更加清晰地揭示礦區(qū)生態(tài)健康等級(jí)。

2.2.1 確定待評(píng)價(jià)物元

生態(tài)健康物元H是由礦區(qū)生態(tài)健康值K、其特征變量M和量變l組成,其表達(dá)式為H=(K,M,l),當(dāng)K由多個(gè)特征組成時(shí),可表示為n維物元矩陣,即:

2.2.2 確定節(jié)域和經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃?/p>

經(jīng)典域各健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值參考《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)》(修訂稿)等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及各指標(biāo)全國(guó)最低值,并利用特爾菲法劃分為疾病Ⅰ、一般疾?、?、亞健康Ⅲ、健康Ⅳ和很健康Ⅴ5個(gè)等級(jí),見(jiàn)表2。

表2 礦區(qū)生態(tài)健康指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Mining area ecological health index grade standard

1) 節(jié)域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸?/p>

式中:Mp表示有標(biāo)準(zhǔn)事物及可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)事物組成的節(jié)域?qū)ο?xpi=[api,bpi]表示節(jié)域?qū)ο箨P(guān)于特征變量ci的量值范圍。

2) 經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸?

式中:Mpj表示為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象;xpji=[apji,bpji]表示為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象Mpj關(guān)于特征變量ci的量值范圍,xpji?xpi(i=1,2,…,n);j為評(píng)定等級(jí)數(shù)目。

2.2.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)定義

在物元評(píng)價(jià)中,關(guān)聯(lián)函數(shù)表示物元的量值取為實(shí)軸上一點(diǎn)時(shí),物元符合要求的取值范圍程度,它使解決不相容問(wèn)題的結(jié)果量化[13]。

有界區(qū)間xpji=[apji,bpji]的模定義為:d=|xpji|=|bpji-apji|,一個(gè)點(diǎn)xi到區(qū)間xpji=[apji,bpji]的距離ρ定義為

關(guān)聯(lián)函數(shù)公式定義為:若區(qū)間xpji=[apji,bpji],xpi=[api,bpi],且xpji?xpi,則關(guān)聯(lián)函數(shù)Gi(xi)[9]的計(jì)算公式為

2.2.4 關(guān)聯(lián)度的標(biāo)準(zhǔn)化

若每個(gè)特征變量ci對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為Ri,則待評(píng)價(jià)對(duì)象M關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為

(1)

式中:Ri為評(píng)價(jià)權(quán)重系數(shù);若Gj(T)=maxGj(T),j為評(píng)價(jià)等級(jí)(Ⅰ～Ⅴ級(jí)),則評(píng)定T屬于j等級(jí)[16-17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

根據(jù)上述數(shù)據(jù)及公式進(jìn)行計(jì)算,得到北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)關(guān)于健康等級(jí)的關(guān)聯(lián)度值,并根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,劃分其隸屬健康等級(jí),如表3所示。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)值關(guān)聯(lián)度Table 3 Correlation degree of each evaluation index value

由表3可以得出評(píng)價(jià)指標(biāo)健康等級(jí)的分布特征,見(jiàn)圖3,其中疾病指標(biāo)占6.25%,一般疾病Ⅱ、亞健康指標(biāo)Ⅲ和健康Ⅳ指標(biāo)均占18.75%,很健康Ⅴ指標(biāo)占37.5%。其中礦區(qū)人均GDP、礦區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、礦區(qū)居民人均可支配收入、人均耕地面積和三廢綜合治理率等6項(xiàng)指標(biāo)處于“很健康(Ⅴ級(jí))”,而礦區(qū)城鎮(zhèn)化水平、R&D投入比重、單位GDP能耗和空氣質(zhì)量指數(shù)等指標(biāo)健康等級(jí)較低,成為區(qū)域環(huán)境健康的制約因素。

圖3 指標(biāo)健康等級(jí)分布Fig.3 Distribution of indicator health grade

3.2 DPSIR關(guān)聯(lián)度及礦區(qū)健康綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)表1數(shù)據(jù),結(jié)合表3各指標(biāo)關(guān)于健康等級(jí)Ⅰ～Ⅴ的關(guān)聯(lián)度Gi(xi),利用式(1)可計(jì)算出DPSIR各層面綜合關(guān)聯(lián)度,以驅(qū)動(dòng)力關(guān)聯(lián)度的計(jì)算為例:

計(jì)算得出北鎮(zhèn)市礦區(qū)DPSIR 5個(gè)層面生態(tài)健康等級(jí),其中壓力、狀態(tài)2個(gè)層面子系統(tǒng)為“很健康(Ⅴ級(jí))”;驅(qū)動(dòng)力、影響和響應(yīng)3個(gè)層面子系統(tǒng)為“健康(Ⅳ級(jí))”。

最后,根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重以及關(guān)聯(lián)度Gi(xi),得出北鎮(zhèn)市礦區(qū)健康等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度,見(jiàn)表4。依據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康等級(jí)為Ⅳ級(jí)----健康。

表4 北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康綜合關(guān)聯(lián)度Table 4 Comprehensive correlation degree of ecological health in mining area of Beizhen City

4 結(jié)論與建議

基于DPSIR模型,結(jié)合物元分析法對(duì)北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)健康整體水平良好,其中礦區(qū)人均GDP、礦區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、礦區(qū)居民人均可支配收入、人均耕地面積和三廢綜合治理率等6項(xiàng)指標(biāo)影響最為突出,而礦區(qū)城鎮(zhèn)化率、R&D比重、單位GDP能耗和空氣質(zhì)量指數(shù)等指標(biāo)健康等級(jí)較低。根據(jù)DPSIR模型5個(gè)層面相對(duì)于礦區(qū)生態(tài)健康等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度可得,北鎮(zhèn)市礦區(qū)壓力、狀態(tài)2個(gè)層面子系統(tǒng)為“很健康(Ⅴ級(jí))”,驅(qū)動(dòng)力、影響和響應(yīng)3個(gè)層面子系統(tǒng)為“健康(Ⅳ級(jí))”。

為推進(jìn)北鎮(zhèn)市礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理工作,提出以下建議:首先,針對(duì)礦山廢棄地,應(yīng)依據(jù)“宜漁則漁、宜林則林、宜景則景、宜耕則耕”原則,構(gòu)建“農(nóng)用地+建設(shè)用地”“農(nóng)用地+養(yǎng)殖用地”等墾修復(fù)模式,實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的再利用;其次,對(duì)于保持繼續(xù)開(kāi)采的礦山,應(yīng)堅(jiān)持邊開(kāi)發(fā)、邊修復(fù)、邊治理原則,實(shí)現(xiàn)由“注重資源開(kāi)發(fā)”向“資源環(huán)境并重”、由“粗放浪費(fèi)”向“集約高效”的根本轉(zhuǎn)變,同時(shí),建設(shè)智能化建筑建材產(chǎn)業(yè)園,發(fā)展綠色、智慧礦山,加強(qiáng)節(jié)約資源和能源,加大節(jié)能環(huán)保力度,注重新能源開(kāi)發(fā)與利用,降低單位GDP能耗,為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)發(fā)揮積極作用;再次,政府應(yīng)積極采取響應(yīng)措施彌補(bǔ)礦山開(kāi)采為生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的壓力,重視礦山開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展,穩(wěn)步推進(jìn)歷史遺留礦山的修復(fù)治理工作;最后,應(yīng)積極適應(yīng)新常態(tài),貫徹實(shí)施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,堅(jiān)持“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念,以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)展,轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)動(dòng)力,從根本上降低區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力。