丁 翔，白中科,2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

煤炭是我國的主要能源，在國民經(jīng)濟建設(shè)中具有不可替代的戰(zhàn)略地位。煤礦城市是在開發(fā)煤炭資源的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的城市[1]。2013年國務(wù)院印發(fā)的全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2013～2020年)中涉及煤礦城市63座。煤炭資源的開采過程中伴隨著土地資源的污染和破壞，至今其規(guī)模、范圍和破壞程度仍在繼續(xù)擴大。據(jù)中國國土資源航空物探遙感中心2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，我國礦山開發(fā)占地220.42萬hm2，正利用礦山開發(fā)占地約113.48萬hm2，廢棄礦山占地約為98.25萬hm2，其中損毀149.33萬hm2，占用62.40萬hm2，已恢復(fù)治理礦山面積僅為8.69萬hm2。其中又以煤礦開發(fā)造成破壞土地為主[2]。我國煤炭資源的分布具有不均性。山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆以及華東平原是富煤區(qū)，同時，這些地區(qū)大多又處于生態(tài)脆弱區(qū)[3]。在這些地區(qū)進行大規(guī)模的煤炭開采，勢必破壞其土地資源和生態(tài)平衡，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化，同時加劇這些地區(qū)的人地矛盾。所以對煤礦城市土地生態(tài)安全情況進行全方位的監(jiān)測并適時發(fā)出預(yù)警也就尤為必要。

目前，國內(nèi)外對于生態(tài)安全尚未有確切定義[4]，最初研究主要集中在兩個方面：基于基因工程的生態(tài)風險與生態(tài)安全[5]和化學(xué)品的施用對農(nóng)業(yè)生態(tài)健康及生態(tài)安全的影響[6]。對生態(tài)安全、風險評價與研究的綜述[7]，對特定對象的生態(tài)安全研究多集中于地域性的生態(tài)系統(tǒng)安全[8]、城市的生態(tài)安全[9]和特定生態(tài)系統(tǒng)如森林系統(tǒng)[10]、農(nóng)田系統(tǒng)[11]、濕地系統(tǒng)[12]、草原系統(tǒng)[13]等的生態(tài)安全研究。對煤礦城市生態(tài)安全的研究少見[14]。因此本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，以山西省朔州市為例，選取2005～2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于PSR框架采用多因素綜合指數(shù)法進行土地生態(tài)安全評價，選用GM(1,1)用于預(yù)測2016～2020年各層指標數(shù)值，選用障礙度模型來確定顯著影響因子，為研究區(qū)生態(tài)安全保障建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

朔州市位于山西省西北部，桑干河上游，地理坐標為39°05′～40°17′N、111°53′～113°34′E，總面積1.07萬km2。境內(nèi)三面環(huán)山，中部和東部是平原，平原面積約占轄區(qū)面積的38%，占城區(qū)總面積的70%，整體地勢朝東面傾斜。下轄平魯、朔城兩個區(qū)，山陰、應(yīng)縣、右玉、懷仁四個縣共73個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。朔州市形成以煤、電、奶為支柱，陶瓷、食品、機械、建材等為輔的工業(yè)體系和農(nóng)牧為主導(dǎo)，農(nóng)林牧漁綜合發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。全區(qū)土地資源豐富，土地利用類型多樣，但隨著城市的發(fā)展和礦產(chǎn)資源的開采，耕地不斷減少，土地挖損占用面積不斷提高，全區(qū)土地資源和生態(tài)安全面臨的壓力不斷增強，維持區(qū)域土地和生態(tài)安全對城市的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源及說明

本文的數(shù)據(jù)主要涉及煤礦城市的生態(tài)環(huán)境，主要來源于2005～2015年的《山西省國土資源年鑒》、《山西省煤炭工業(yè)年鑒》、《朔州市統(tǒng)計年鑒》以及各年份遙感影像資料。

2 研究方法

本文基于PSR框架構(gòu)建土地生態(tài)安全評價多因素綜合指數(shù)，選用GM(1,1)預(yù)測未來生態(tài)安全變化趨勢，運用障礙度模型對研究區(qū)生態(tài)安全障礙因子進行診斷。

2.1 基于PSR多因素綜合指數(shù)法

在生態(tài)安全評價中較為成熟的方法有景觀格局分析法[15]、物元分析法[16]、正態(tài)云模型[17]、熵權(quán)模糊綜合評價法[18]、生態(tài)足跡法[19]以及主成分聚類分析法[20]等。土地生態(tài)安全評價屬于多因子綜合評價，要綜合考慮不同范疇的指標，包括生物與資源環(huán)境以及生命支持系統(tǒng)對社會經(jīng)濟及人類健康作用的指標。PSR是由聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署(OECD)提出的，該模型概念基礎(chǔ)是人類活動通過對環(huán)境施加的壓力，改變環(huán)境的狀態(tài)，后者再反饋來影響人類活動的一個回路。本文參考有關(guān)研究[21]，基于PSR框架，選取指標依據(jù)整體性、代表性、科學(xué)性和可操作性的原則，構(gòu)建指標體系。PSR框架模型見圖1。

圖1 壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)框架模型

結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲取性，本文初步選取了32個評價指標，然后通過主成分分析法對初步選取的指標進行進一步篩選，計算指標的矩陣特征值和方差貢獻率累計指標達到85%的指標，篩選出25個評價指標并用熵權(quán)法確定各個指標的權(quán)重，評價指標權(quán)重見表1。最后，根據(jù)各指標權(quán)重和指數(shù)，加權(quán)計算得出研究區(qū)生態(tài)安全值，具體計算見式(1)。

(1)

式中：E為生態(tài)安全評價值；Wj為指標權(quán)重；Pij為指標的安全指數(shù)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析可以用來分析系統(tǒng)中選定序參量與其他參量的密切程度，從而判斷序參量與其他參量的響應(yīng)程度。本文引進灰色關(guān)聯(lián)分析，說明研究區(qū)煤炭生產(chǎn)與其他評價因子之間變化趨勢的相似或相異程度，灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)計算見式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：r(x0,xi)為關(guān)聯(lián)度；x0為選定序參量；xi為第i個其他序參量；n為年份數(shù)量；r(x0(k)，xi(k))為關(guān)聯(lián)系數(shù)；m、M為矩陣最小差和最大差；Δ0i(k)為差序列；a為分辨系數(shù)，取0.5。

表1 朔州市生態(tài)安全評價指標權(quán)重表

注：表中搬遷安置人口從2010年起，統(tǒng)計年鑒分貧困人口異地安置、棚戶區(qū)改造、征地安置以及采煤沉陷區(qū)治理安置四項統(tǒng)計，參考采煤沉陷區(qū)治理安置人數(shù)在2010～2015年間占搬遷安置總?cè)藬?shù)的30%左右。故本文預(yù)設(shè)采煤導(dǎo)致的搬遷安置人口占年度搬遷總?cè)藬?shù)的30%。

2.3 GM(1，1)模型

灰色理論認為系統(tǒng)的行為是復(fù)雜多變的，行為數(shù)據(jù)是多樣的，但從全局來說系統(tǒng)行為符合整體功能，是有序的。為了預(yù)測研究區(qū)未來的生態(tài)安全值，本文選用了GM(1，1)模型對朔州市2016～2020年生態(tài)安全值進行預(yù)測，并對GM(1，1)進行預(yù)測精度檢驗，根據(jù)后驗差C、小概率誤差P來判斷模型的精度水平，評價結(jié)果見表2。

2.4 障礙度模型

生態(tài)安全指數(shù)可以反映研究區(qū)生態(tài)安全狀況，但是無法直觀的描述影響生態(tài)安全狀況的重要因子，本文通過引入障礙度模型對生態(tài)安全指數(shù)影響強烈的因子進行判別，具體計算見式(4)。

(4)

式中：Dij表示指標障礙度；Wj為指標權(quán)重；rij為表1中單項指標的標準化值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全評價結(jié)果與分析

參考《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準》和前人研究的基礎(chǔ)上[22]，本文設(shè)計了5級生態(tài)安全評價標準，用于描述系統(tǒng)生態(tài)安全性，見表3。

表2 GM(1，1)模型精度評價標準

表3 朔州市生態(tài)安全評價標準

由朔州市2005～2015年生態(tài)安全變化趨勢圖(圖2)可知，朔州市從2005～2015年間生態(tài)安全總體上呈惡化的趨勢，生態(tài)安全值范圍在0.496～0.697之間，生態(tài)安全等級從較安全退化至不安全。從安全級別和變化趨勢來看，朔州市生態(tài)安全可以分為兩個階段。第一階段是從2005～2010年間，該階段城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重不斷上升，由46.67%上升至58.30%，在2008年最高值達到了61%。生態(tài)安全值緩慢下降，整體生態(tài)安全值從2005年的峰值0.697，接近一級安全下降至較安全與亞安全的臨界，期間在2007年和2010年都有一個短暫的回升。第二階段是2010～2015年，國內(nèi)煤炭黃金十年結(jié)束，但煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍占據(jù)朔州市經(jīng)濟的絕對主導(dǎo)地位。煤炭行業(yè)占第二產(chǎn)業(yè)的比重由接近60%上升到80%，加上相關(guān)的鋼、鐵、電等產(chǎn)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的90%都是由煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)貢獻，總體上看煤炭行業(yè)貢獻接近占朔州市GDP的60%，煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)固體廢棄物排放量也占總排放量的64%以上。朔州市生態(tài)安全狀況從較安全惡化為臨界安全狀態(tài)，在2010～2011年和2012～2013年間生態(tài)安全值迅速下降，在2014年度至終期2015年度有所好轉(zhuǎn)，從2011年開始生態(tài)安全等級退化至亞安全狀態(tài)?？傮w來看，朔州市生態(tài)安全在2005～2015年間呈加速惡化的狀態(tài)。說明朔州市在城市發(fā)展的過程中面臨著較大的生態(tài)環(huán)境壓力。

3.2 煤炭生產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)分析

按照灰色關(guān)聯(lián)度計算步驟，選取煤炭資源開采量作為標準數(shù)列x0，其余指標分別為xi(i=1，2……24)，得出煤炭資源開采量與其他指標之間關(guān)聯(lián)度，見表4。

表4 研究區(qū)煤炭資源開采量與其他指標關(guān)聯(lián)度

一般來說，灰色關(guān)聯(lián)度大于0.5時，指標與煤炭資源開采量的關(guān)聯(lián)密切，從表4結(jié)果來看，人均GDP、人均可支配收入、固體廢棄物排放量與煤炭資源開采量的關(guān)聯(lián)度在0.8以上，說明煤炭資源的開采對研究區(qū)經(jīng)濟和固體廢棄物的排放量影響強烈；人均耕地面積、土壤侵蝕面積、第二產(chǎn)業(yè)比重、搬遷安置人口、廢水排放量、廢水排放達標率與煤炭資源開采量的關(guān)聯(lián)度大于0.7，說明煤炭開采對土地的破壞、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、搬遷安置、工業(yè)廢水產(chǎn)生顯著影響；僅有單位耕地化肥施用量、農(nóng)業(yè)機械化水平、復(fù)墾資金投入占GDP比例三個指標的關(guān)聯(lián)度低于0.5，與煤炭資源開采量之間關(guān)系不緊密?？傮w上看，煤炭資源開采量是影響大部分研究區(qū)其他生態(tài)安全評價的指標的重要因素，對城市經(jīng)濟、土地資源、人口安置、工業(yè)廢棄物等方面影響很大，對農(nóng)業(yè)技術(shù)水平和復(fù)墾資金投入的影響較小。

3.3 生態(tài)安全障礙因子

為了找出生態(tài)安全值迅速退化的主要影響因子，本文選用障礙度模型來評估各指標的障礙度，并選出波谷2006年、2009年、2011年、2013年、2015年的前五障礙度因子，見表5。2006年生態(tài)安全值狀態(tài)層障礙度最大，其次是壓力層和響應(yīng)層，障礙因子分別為搬遷安置人口、固體廢棄物綜合利用率、人均GDP、草地面積和人均可支配收入；2009年生態(tài)安全值壓力層障礙度最大，其次是響應(yīng)層和狀態(tài)層，障礙因子分別為土壤侵蝕面積、搬遷安置人口、固體廢棄物綜合利用、煤炭資源開采量和草地面積，在2005～2010年間，朔州市生態(tài)安全障礙因子主要表現(xiàn)為經(jīng)濟壓力和固體廢棄物的利用效率低。隨著煤礦城市的進一步發(fā)展，2011年、2013年、2015年的主要障礙因子基本一致，主要表現(xiàn)為伴隨著煤炭資源開采量的提高引起的工業(yè)廢水及固體廢棄物排量增多、土壤侵蝕面積比例的上升、復(fù)墾工作趕不上破壞土地的進度。由此可見，隨著煤炭資源的開發(fā)，朔州市生態(tài)安全影響的主要方面從外在生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟水平轉(zhuǎn)向了煤炭資源開采過程和土地復(fù)墾進度帶來的風險，這也導(dǎo)致主要障礙因子隨之發(fā)生改變。

表5 朔州市生態(tài)安全值波谷年份障礙因子及障礙度

3.4 生態(tài)安全預(yù)測結(jié)果與分析

選用GM(1,1)對研究區(qū)2016～2020年生態(tài)安全值進行預(yù)測，為進一步提高精度，依據(jù)精度判別標準對預(yù)測結(jié)果進行多次殘差修正，將模擬的2005～2015年指標指數(shù)與實際的進行比對(圖2)，模擬精度在合格以上，模擬值后驗差C為0.2374，小概率誤差P趨近于1(表6)，說明GM(1,1)模型預(yù)測結(jié)果在合理的范圍內(nèi)。預(yù)測2005～2020年生態(tài)安全值變化趨勢見圖3。 從圖3可看出，朔州市2016～2020年預(yù)測生態(tài)安全值呈繼續(xù)下降的趨勢，大致可將其分為兩個階段，第一階段2016～2017年在上一年大幅回升的情況下維持了小幅度的增長，生態(tài)安全值達到了峰值0.563；第二階段2017～2020年生態(tài)安全值迅速下降，至2020年最低值為0.330，預(yù)測2019年朔州市的生態(tài)安全等級將由臨界安全變?yōu)椴话踩Ｓ纱丝芍?，按照目前的發(fā)展趨勢來看，在未來5年，朔州市的生態(tài)安全狀況在初期略微好轉(zhuǎn)的情況下將繼續(xù)惡化，有必要針對生態(tài)安全障礙因子采取一定的治理措施。

采用障礙度模型對朔州市2016～2020年生態(tài)安全障礙因子進行分析。在此階段，壓力層障礙度維持穩(wěn)定在較高水平，狀態(tài)層和響應(yīng)層的障礙度下降，壓力層指標對朔州市生態(tài)安全影響起著主導(dǎo)作用。通過對各類指標做進一步分析，發(fā)現(xiàn)朔州市2016～2020年生態(tài)安全值下降的主要原因是煤炭開采量保持高位、工業(yè)三廢排量繼續(xù)增加、而生態(tài)環(huán)境治理的資金投入與其GDP占比徘徊不升、復(fù)墾工作進展趕不上開采損毀的速度。因此，要提高朔州市生態(tài)安全水平，需要在穩(wěn)定煤炭開發(fā)強度的同時，加強生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護的資金投入，加快和完善復(fù)墾工作，邊開采邊復(fù)墾，做到“不欠新賬、快還舊賬”，確保環(huán)境保護落到實處。

圖2 2005～2015朔州市年生態(tài)安全變化趨勢

表6 生態(tài)安全值模擬精度

指標層CP相對誤差/%預(yù)測等級生態(tài)安全壓力指標0．23120．94．21合格生態(tài)安全狀態(tài)指標0．137413．12好生態(tài)安全響應(yīng)指標0．186711．77好

圖3 2005～2020年朔州市生態(tài)安全變化趨勢

4 結(jié)論與討論

1) 基于PSR模型建立了朔州市生態(tài)安全評價指標體系，用主成分分析法篩選出主要指標，用熵權(quán)法給各指標賦予權(quán)重，以多因素綜合指數(shù)法計算朔州市2005～2015年生態(tài)安全值。結(jié)果表明朔州市生態(tài)安全值從2005～2010年的波動緩慢下降變成2010～2015年迅速下降，波動幅度較大，生態(tài)安全等級由2005年的較安全下降至亞安全。生態(tài)安全狀態(tài)呈下降趨勢。

2) 通過灰色關(guān)聯(lián)度分析可知，研究區(qū)生態(tài)安全評價指標與煤炭資源開采量的關(guān)聯(lián)密切，煤炭資源開采對城市經(jīng)濟、土地資源、搬遷安置、工業(yè)廢棄物等方面影響較大，對農(nóng)業(yè)技術(shù)水平和復(fù)墾資金投入的影響較小。

3) 運用GM(1,1)模型模擬朔州市2016～2020年生態(tài)安全值，并用后驗差、小概率誤差檢驗?zāi)Ｐ途龋珿M(1,1)對PSR準則層指數(shù)值模擬精度達到了合格以上的水平，可適用于本文預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明朔州市2016～2020年生態(tài)安全狀態(tài)在2017年前短暫小幅提升后繼續(xù)惡化，生態(tài)安全等級將由亞安全下降至不安全，亟需采取預(yù)防措施。

4) 通過障礙度模型分析可知，朔州市生態(tài)安全指數(shù)的主要障礙因子由初期的城市經(jīng)濟水平和固體廢棄物綜合利用水平轉(zhuǎn)變到后期的煤炭資源開發(fā)強度、工業(yè)廢棄物廢水、環(huán)境保護治理資金、土地復(fù)墾率這些因素上，需合理規(guī)劃煤炭資源的開采，加強工業(yè)廢棄物的無害化處理，加大環(huán)保資金投入力度，穩(wěn)步推進復(fù)墾工作順利有效進行。通過這一系列措施來保障朔州市生態(tài)安全狀況得以持續(xù)改善。

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