安英莉 戴文婷

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境測繪學院；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院)

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煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評價指標體系研究*

安英莉1，2戴文婷1

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境測繪學院；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院)

通過綜合國內(nèi)外有關(guān)研究文獻，對生態(tài)安全綜合評價理論方法和應(yīng)用問題進行了系統(tǒng)的研究，結(jié)合我國煤礦區(qū)的實際需求建立了煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全綜合評價系統(tǒng)，并對生態(tài)安全研究進行了展望。

煤礦塌陷區(qū) 生態(tài)安全 評價指標

目前，煤炭在我國一次性能源消費中占65%以上，其產(chǎn)量更是占據(jù)著75%以上的高份額，據(jù)相關(guān)機構(gòu)預測，截至2050年煤炭的消費比重仍將占能源消費總量的50%左右。高強度、大規(guī)模的煤炭開發(fā)利用，對環(huán)境造成了巨大的負面影響。其中，采煤活動造成地表變形、沉陷，土壤結(jié)構(gòu)破壞，土地生態(tài)功能降低甚至喪失，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、礦區(qū)人們及周邊的百姓造成嚴重危害，從而形成了一系列的環(huán)境問題和社會問題[1]。為此，以科學性、完整性、針對性為原則，選取煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評價指標，構(gòu)建全面、系統(tǒng)的評價指標體系，為評價煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全狀況和合理開發(fā)利用煤炭資源提供理論依據(jù)，對促進煤礦區(qū)生態(tài)—經(jīng)濟—社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時，對生態(tài)安全綜合評價的理論方法和實際應(yīng)用進行了探究，構(gòu)建了煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的綜合評價系統(tǒng)。

1 生態(tài)安全的定義及評價方法

根據(jù)1989年國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)對生態(tài)安全的定義，生態(tài)安全(ecological safety)包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟生態(tài)安全和社會生態(tài)安全，是指人類的生產(chǎn)活動、生活保障來源、基本權(quán)利、必要資源、社會次序和人類適應(yīng)環(huán)境變遷能力等方面不受脅迫的一種狀態(tài)。我國于2000年12月公布的《全國生態(tài)環(huán)境保護綱要》中，首次提出了“國家生態(tài)安全”這一概念，生態(tài)安全是國家安全的重要組成部分，明確“生態(tài)安全紅線”，確保國家生態(tài)和經(jīng)濟社會發(fā)展所需的生存環(huán)境處于不受破壞和脅迫的狀態(tài)，是我國第一次明確提出的國家生態(tài)安全目標[2-3]。

隨后，生態(tài)安全評價方面的相關(guān)研究廣泛開展，一些學者根據(jù)不同的角度和研究領(lǐng)域引入針對性的評價方法，例如：綜合指數(shù)評價法、景觀生態(tài)安全格局評價法、景觀指數(shù)評價法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、不確定測度評價模型等。其中，綜合指數(shù)評價法是基于“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(Pressure-State-Response，簡稱PSR)”模型，構(gòu)建多層系的表征各個生態(tài)安全因子的評價指標體系，然后根據(jù)專家咨詢等方法確定各個評價指標因子的相對權(quán)重，最后通過數(shù)學計算獲得明確生態(tài)安全程度的綜合評價指數(shù)(或分數(shù))[4]。這種評價方法簡單實用，其難點是如何構(gòu)建科學全面的表征生態(tài)安全的指標體系，以及各個生態(tài)安全因子指標的量化和權(quán)重計算。景觀生態(tài)學評價法是GIS的空間結(jié)構(gòu)分析、功能分析與穩(wěn)定性分析對區(qū)域生態(tài)安全進行評價。景觀生態(tài)安全格局評價法是通過識別景觀生態(tài)安全格局來判斷土地的生態(tài)安全。吳開亞結(jié)合層次分析法和PSR概念模型，在評價區(qū)域生態(tài)安全時引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、成分投影和不確定測度理論，建立區(qū)域生態(tài)安全的評價指標體系，來研究安徽生態(tài)安全現(xiàn)狀及威脅生態(tài)安全的主要因素[5-6]。齊艷領(lǐng)嘗試將PSR概念模型引用到煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評價指標體系，利用層次分析法計算各個生態(tài)安全因子指標的權(quán)重，并結(jié)合線性加權(quán)綜合法和不確定測度評價模型，對唐山南部煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全進行綜合評價[7]。

目前，評價生態(tài)系統(tǒng)安全的方法還處于探索之中，尚沒有一套公認的標準方法。對煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的研究更沒有形成完整的理論體系，故對煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全進行綜合評價，還需要更多更深入的理論研究。在實踐方面，20世紀90年代以來，盡管通過復墾整理，使部分礦區(qū)土地重新發(fā)揮生產(chǎn)功能，但是還遠遠不能恢復區(qū)域的生態(tài)安全，煤礦塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復急需構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)安全指標對其進行客觀規(guī)范的評價。因此，該研究在已有煤礦區(qū)生態(tài)安全綜合評價的研究成果上，考慮煤礦塌陷區(qū)的實際情況，對煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全綜合評價指標體系進行研究。

2 指標體系的功能、原則及評價標準

2.1 功 能

評價指標體系是在不同層次上，表征和評價事物一定狀態(tài)和特征參數(shù)的組合和集合。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的評價指標體系是表征和評價煤礦區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展所需要的生存環(huán)境，主要包括描述、評價和決策支持三種功能。

2.2 原 則

構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評價指標體系應(yīng)遵循一定的原則。一是科學性原則，評價指標的選取、定量分析方法等都應(yīng)有科學依據(jù)。二是完整性原則，指標的選取和構(gòu)建既要考慮生態(tài)系統(tǒng)自身的質(zhì)量指標，又要考慮人類生態(tài)系統(tǒng)的社會經(jīng)濟壓力和調(diào)控指標，這樣可以完整地反映煤礦塌陷區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀、內(nèi)在機制和發(fā)展趨勢。三是針對性原則，即針對煤礦塌陷區(qū)這一特定的評價對象主要存在的生態(tài)安全威脅和矛盾。四是實用性原則，指標體系的設(shè)計和構(gòu)建要符合實際應(yīng)用的要求，要適應(yīng)煤礦區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展水平、管理水平和環(huán)境治理水平。而且，選取的指標并不是多多益善，應(yīng)充分考慮指標量化、數(shù)據(jù)收集和獲取的難易程度及可靠程度。此外，構(gòu)建的評價指標體系既要與煤礦區(qū)生態(tài)安全總體戰(zhàn)略目標相一致，又要結(jié)合煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復雜性特點，分解成若干個層次，同時確保選取指標的穩(wěn)定性。

2.3 評價標準

明確評價對象各生態(tài)安全因子指標的目標值、制定系統(tǒng)生態(tài)安全評價標準，從而判定被評價系統(tǒng)的生態(tài)安全性是否符合量化的標準。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評價標準的制定主要從四個方面考慮：首先是國際、國家、行業(yè)的相關(guān)標準；其次是選擇評價區(qū)域的各個生態(tài)安全因子指標生態(tài)背景值或者本底值作為評價的標準；再次是選擇未受人為活動強烈干擾、生態(tài)安全性較高的、與評價對象相似的生態(tài)系統(tǒng)作為評價的類比標準，這類標準的選取需要根據(jù)具體的評價內(nèi)容和方法；最后根據(jù)已有研究成果中判定的生態(tài)效應(yīng)，選取當?shù)鼗蛳嗨茥l件下研究判定的生態(tài)安全指標作為生態(tài)安全綜合評價的科學參考。

3 構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)土地與生態(tài)安全評價指標體系

3.1 總體指標

煤礦塌陷區(qū)總體生態(tài)安全評價指標體系的構(gòu)建，主要考慮自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境，選取這兩項指標作為煤礦塌陷區(qū)的總體指標。自然生態(tài)環(huán)境分為土壤環(huán)境、水體環(huán)境、大氣環(huán)境和生物環(huán)境四項指標；社會經(jīng)濟環(huán)境分為人均耕地面積和“三廢”排放處理率兩項指標。煤礦塌陷區(qū)的生態(tài)安全評價指標體系基本框架見圖1。

圖1 采煤塌陷區(qū)的生態(tài)安全評價指標的基本框架

3.2 指標體系分解

3.2.1 土壤環(huán)境

(1)表征土壤退化的具體指標包括土壤中的氮、磷、有機質(zhì)含量，土壤的孔隙度。土壤退化分為土壤鹽堿化、土壤侵蝕、土壤貧瘠化、土壤荒漠化、土壤污染、土壤生產(chǎn)力喪失和土壤潛育化等七種類型。

(2)表征土壤酸堿度的具體指標為pH值。土壤pH值是土壤酸堿性的直接表征，是土壤理化性質(zhì)的重要指標。土壤的酸堿程度對其肥力和作物生長有很大影響，一般pH值為6～8時，適宜大部分作物的正常生長。

3.2.2 水體環(huán)境

(1)表征水體理化性質(zhì)的具體指標包括pH值、生化需氧量(BOD)。水體pH值是水體酸堿性的直接表征，是水體理化性質(zhì)的重要指標。水體的酸堿程度對其中任何生物生長有很大影響。BOD是表征水體中有機污染程度的重要指標，是指有機物被好氣性微生物分解的過程中溶解氧氣量。BOD值越高，說明水體質(zhì)量越差，當BOD<3 mg/L時，水體質(zhì)量較好，純水或近純水的BOD值一般介于1～3。當BOD>5 mg/L時，說明水體的純度較差；當BOD>10 mg/L時，說明水體質(zhì)量很差。

(2)表征區(qū)域水量的具體指標包括人均水資源擁有量、水域面積率。采煤活動破壞了煤炭圍巖及含水層結(jié)構(gòu)，造成水體資源污染和枯竭，降低了人均水資源擁有量。在高潛水位煤礦區(qū)，土地塌陷會造成大面積水；在低潛水位煤礦區(qū)，土地塌陷會造成區(qū)域水域面積較少。本文選用礦區(qū)人均水資源占有量來反映礦區(qū)水資源存量及其承載力。

3.2.3 大氣環(huán)境

大氣污染指數(shù)(air pollution index，簡稱API)是表征和定量評價大氣環(huán)境質(zhì)量的方法。根據(jù)國家的大氣污染特點和大氣環(huán)境污染防治重點，大氣污染指數(shù)的具體項目包括二氧化硫、氮氧化物、總懸浮顆粒物。大氣污染指數(shù)(API)分為五個等級，當API<50時，大氣環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)，符合國家大氣質(zhì)量一級標準；當50200時，大氣環(huán)境質(zhì)量較差；當API>300時，大氣環(huán)境質(zhì)量極差，嚴重污染。按照煤礦區(qū)大氣質(zhì)量要求和響應(yīng)的國家大氣質(zhì)量標準來衡量其大氣質(zhì)量狀況，本文采用國標GB3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》。

3.2.4 生物環(huán)境

(1)地表植被覆蓋率。地表植被面積變化會導致地表屬性的變化，包括地表反照率、粗糙度、土壤濕度等。這些變化會通過土壤-大氣系統(tǒng)的水分、能量循環(huán)，影響區(qū)域的氣候。此外，地表植被面積變化會造成地表蒸散能力增強、土壤儲水能力減弱，區(qū)域土壤含水量、地表徑流明顯減少。

(2)生物多樣性。生物多樣性是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，具有重要的生態(tài)功能價值，在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量流動、凈化土壤、改善環(huán)境、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候等方面發(fā)揮著巨大作用。區(qū)域生物多樣性可分為物種極為豐富、物種較豐富、物種中等豐富、物種較少、物種極少，共五級。

3.2.5 社會環(huán)境

(1)生態(tài)難民。由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)失衡、環(huán)境惡化，喪失生存基礎(chǔ)的居民成為生存難民，是衡量煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全的重要社會環(huán)境指標，可用生態(tài)難民率表征。采煤活動導致地面下沉，地表變形、塌陷，當?shù)鼐用癫粩嘞蛲膺w移。生態(tài)難民率是指區(qū)域單元的遷移人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比重。

(2)人均耕地。采煤活動導致土地損毀、塌陷，區(qū)域人均耕地急劇下降，直逼聯(lián)合國人均耕地面積的警戒線。因此，本文選取人均耕地面積作為煤礦塌陷區(qū)的社會環(huán)境評價指標。

(3)“三廢”排放處理率。一些工礦企業(yè)或城市會將采煤塌陷區(qū)稍加處理作為廢棄物或生活垃圾的排放處，造成塌陷區(qū)土壤、地表水、地下水的嚴重污染，威脅塌陷區(qū)的生態(tài)安全。

4 結(jié) 語

構(gòu)建煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全評價指標體系，是定量評價礦區(qū)生態(tài)安全的前提，為各地的采煤塌陷區(qū)提供評價方法進而引導煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。煤礦塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評價指標體系綜合了自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境兩部分要素的具體量化指標，可以根據(jù)所在具體區(qū)域的自然條件、人文環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展水平對煤炭塌陷區(qū)的生態(tài)安全指標進行定量分級評價。我國應(yīng)該開展更多的相關(guān)研究，以完善生態(tài)安全的評價指標體系，研究需要注重結(jié)合地質(zhì)、環(huán)境、生態(tài)等交叉學科領(lǐng)域研究成果預測未來生態(tài)安全的動態(tài)發(fā)展趨勢。另一方面，生態(tài)安全評價指標體系具有強烈的地域特點，區(qū)位地租和城市發(fā)展的需要是影響礦區(qū)塌陷地利用的主導因素，需要根據(jù)其區(qū)位特點和適宜性進行有效的利用做出相應(yīng)的生態(tài)安全評價。

[1] 王顯政.中國煤炭工業(yè)發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)[J].中國煤炭，2010，36(7)：5-7，10.

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[6] 吳開亞.區(qū)域生態(tài)安全綜合評價研究[D].合肥:中國科技技術(shù)大學，2003.

[7] 齊艷領(lǐng).采煤塌陷區(qū)生態(tài)安全綜合評價研究——以唐山南部采煤塌陷區(qū)為例[D].河北：河北理工大學，2005.

*國家科技基礎(chǔ)性工作專項(編號：2014FY110800)，國家自然科學基金項目(編號：51374208)。

2016-03-28)

安英莉(1970—)，女，博士研究生，221116 江蘇省徐州市大學路1號。