劉兆敏，雷少剛，金 丹，付尉敏，景日馨，張家強

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；4.山東省煤田地質(zhì)局采煤塌陷地與采空區(qū)治理工程研究中心，山東 濟寧 272100；5.中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；6.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國是“富煤貧油少氣”的國家，2019年累計原煤產(chǎn)量達到38.46億噸，占世界煤炭總產(chǎn)量的47.31%，居世界第一。隨著煤炭開采利用范圍擴大，出現(xiàn)大面積地表沉陷，耕地損失，植被退化，改變地形、景觀與生物多樣性，污染物擴散，誘發(fā)疾病與死亡。2019年全國原煤產(chǎn)量排名前十的省份，山東省、安徽省、河南省均處于高潛水位地區(qū)，煤礦區(qū)內(nèi)具有采后易積水、多煤層多次開采、沉陷深度大、開采時期長的特點，大量農(nóng)田變?yōu)檎訚?，還伴隨諸多環(huán)境污染，制約了資源城市的可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)學(xué)者們對煤礦區(qū)風(fēng)險評價主要圍繞土地損毀、重金屬污染等單一風(fēng)險類型。此外，由于煤炭開采周期長、影響范圍廣泛、風(fēng)險構(gòu)成機制復(fù)雜，還存在一些對單個系統(tǒng)風(fēng)險的評價，如環(huán)境風(fēng)險評價、生態(tài)風(fēng)險評價、地質(zhì)風(fēng)險評價、社會經(jīng)濟風(fēng)險評價。近年來，國內(nèi)外研究者針對煤礦區(qū)風(fēng)險評價的理論與方法開展了一系列研究，文獻[14]提出了礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別步驟與方法，文獻[15]研究了環(huán)境敏感地區(qū)煤炭開采影響的預(yù)測方法，文獻[16]構(gòu)建了典型高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價方法，文獻[17]探討了一種用于煤炭工業(yè)環(huán)境評估的耦合方法(C-EIA)，文獻[18]分析了潛在環(huán)境污染參數(shù)在信息系統(tǒng)(IS)中的影響、度量和輸入。總的來說，煤礦區(qū)風(fēng)險評價方法與應(yīng)用研究已取得了很大進展，但現(xiàn)有的風(fēng)險評價針對不同地質(zhì)特征、開采特點的煤礦區(qū)的專門性研究較少。此外，常見的單一風(fēng)險類型或單個系統(tǒng)風(fēng)險評價缺乏對風(fēng)險的全方位思考，在風(fēng)險等級的判定上仍有些片面。

合理的綜合體系構(gòu)建可以更全面的分析風(fēng)險類型與程度，對風(fēng)險進行分級，制定不同的風(fēng)險監(jiān)控與預(yù)警措施，為煤礦區(qū)治理提供決策指導(dǎo)。本文基于現(xiàn)有理論和方法，通過風(fēng)險源、風(fēng)險受體和暴露響應(yīng)過程分析，研究高潛水位煤礦區(qū)的風(fēng)險表征，突破只針對單一風(fēng)險類型或單個系統(tǒng)風(fēng)險評價的研究慣性，探討煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價指標(biāo)體系與技術(shù)流程，借助大數(shù)據(jù)獲取、RS、GIS等手段，以淮南煤礦區(qū)為例，討論體系的具體應(yīng)用。

1 高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險分析

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險分析的前提是對研究區(qū)開展綜合調(diào)查，包括地形地貌、氣候、水文、土壤、植被、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟等，了解煤礦區(qū)的礦井生產(chǎn)計劃、開采方式、沉陷現(xiàn)狀。采用多元大數(shù)據(jù)獲取的方式收集數(shù)據(jù)，如文獻調(diào)研、實地采樣與實驗室分析、遙感影像處理分析等。

暴露-響應(yīng)過程分析是風(fēng)險源對風(fēng)險受體的不同作用過程的分析。在對風(fēng)險源和風(fēng)險受體識別的基礎(chǔ)上，風(fēng)險源通過一系列物理、風(fēng)化、侵蝕等過程作用于風(fēng)險受體，形成不同的風(fēng)險表征。這一過程有助于明確煤礦區(qū)風(fēng)險類型，選擇合適的指標(biāo)參與風(fēng)險評價。

2 綜合風(fēng)險評價技術(shù)流程

煤礦區(qū)風(fēng)險評價一般遵循“評價單元劃分、指標(biāo)選取、權(quán)重確定、綜合評價、結(jié)果驗證”的過程，根據(jù)高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價的要求對其進行補充完善，建立技術(shù)流程如圖2所示。

圖1 高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險分析框架

圖2 高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價技術(shù)流程

3 綜合風(fēng)險指標(biāo)體系研究

高潛水位煤礦區(qū)的風(fēng)險主要表現(xiàn)為環(huán)境污染風(fēng)險、水土流失風(fēng)險、洪澇風(fēng)險、土地破壞風(fēng)險、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險以及社會經(jīng)濟風(fēng)險。

3.1 環(huán)境污染風(fēng)險指標(biāo)

煤礦區(qū)環(huán)境污染形式多樣，其中有三類污染危害最大。煤矸石浸水后淋濾液以及矸石自燃會污染土壤、水源和大氣。塌陷積水面地勢較低，周圍N、P、K等營養(yǎng)元素沿徑流流入積水區(qū)，造成水體富營養(yǎng)化。煤炭開采過程中礦井排水、洗選、運輸?shù)染鶗?dǎo)致重金屬元素擴散，危害人體健康。故選擇煤矸石堆積、水體富營養(yǎng)化和重金屬元素含量作為環(huán)境污染風(fēng)險指標(biāo)。

通過實地采樣和RS手段獲取矸石山坐標(biāo)、水體營養(yǎng)鹽或葉綠素實測值、重金屬元素實測值、遙感影像。對矸石山進行緩沖區(qū)分析，距離矸石山越近，環(huán)境污染越嚴重。將遙感波段信息與各要素實測值進行反演，得到水體富營養(yǎng)化程度和重金屬元素含量。

3.2 水土流失風(fēng)險指標(biāo)

煤礦區(qū)水土流失使耕地減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，主要是由于受塌陷形成的附加坡度影響，塌陷面地表對土壤和水分的固著能力減弱，故選擇附加坡度指標(biāo)表示水土流失風(fēng)險。

基于實地測量得到的塌陷面實測高程點，空間插值得到塌陷面地形要素，利用GIS的三維分析工具生成附加坡度指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 洪澇風(fēng)險指標(biāo)

高潛水位煤礦區(qū)內(nèi)常有深淺不一的積水坑，采煤沉陷破壞了原來的水系統(tǒng)循環(huán)和存儲條件，在暴雨或連續(xù)降雨天氣容易誘發(fā)洪澇災(zāi)害，故塌陷積水是影響煤礦區(qū)洪澇風(fēng)險的關(guān)鍵指標(biāo)。

運用實地考察或者遙感影像水體信息提取的方式得到積水范圍，對積水面進行緩沖區(qū)分析，與積水面的距離越近，洪澇風(fēng)險越高。

3.4 土地破壞風(fēng)險指標(biāo)

采煤塌陷是一種破壞力強、影響廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，且煤炭的持續(xù)開采意味著礦區(qū)仍會繼續(xù)塌陷，威脅居民財產(chǎn)與生命安全。因此將地面塌陷與塌陷區(qū)穩(wěn)定性均列入衡量土地破壞風(fēng)險指標(biāo)體系中。

通過實地測量與文獻調(diào)研收集塌陷面范圍，塌陷面水平變形、曲率、傾斜變形等物理數(shù)據(jù)以及礦井開采計劃。通過緩沖區(qū)分析與地表沉陷預(yù)測技術(shù)分別得到研究區(qū)的地面塌陷與塌陷區(qū)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險指標(biāo)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持土壤等九類。煤礦區(qū)作為建設(shè)用地，大部分服務(wù)功能效用不明顯，只選擇土壤侵蝕和水源涵養(yǎng)指標(biāo)。雖然土壤侵蝕和前述水土流失風(fēng)險形成上有近似，但風(fēng)險源不同，前者受自然條件影響，后者則是人為活動導(dǎo)致的。

從公開數(shù)據(jù)網(wǎng)站收集降雨量、蒸散發(fā)、土壤屬性、遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，利用RS和GIS手段得到參與InVEST模型土壤侵蝕模塊和產(chǎn)水模塊的運算的各參數(shù)，輸出土壤侵蝕和水源涵養(yǎng)指標(biāo)值。

3.6 社會經(jīng)濟風(fēng)險指標(biāo)

采煤塌陷造成的直接社會經(jīng)濟風(fēng)險包括居民人身安全損失以及房屋、耕地損毀等，需要政府或煤炭企業(yè)組織搬遷安置。耕地損毀以及礦井閉礦造成大量居民失業(yè)，不僅需要促進再就業(yè)，還要加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。綜合考慮選定人口變化率、接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目、失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園、耕地面積變化率、搬遷居民安置五個關(guān)鍵指標(biāo)表示社會經(jīng)濟風(fēng)險。

通過實地調(diào)查與遙感影像收集獲得道路數(shù)據(jù)、重要地物坐標(biāo)、遙感數(shù)據(jù)。對接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目與失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園進行緩沖區(qū)分析。利用RS技術(shù)處理夜間燈光遙感數(shù)據(jù)并對遙感影像監(jiān)督分類得到人口分布與耕地面積。將分類得到的建設(shè)用地信息疊加已搬遷安置的村莊數(shù)據(jù)、塌陷范圍，得到搬遷居民安置指標(biāo)值。

4 綜合風(fēng)險計算方法

4.1 指標(biāo)因子權(quán)重值的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)與比例標(biāo)度法(1-9標(biāo)度法)，收集相關(guān)專家學(xué)者對各指標(biāo)兩兩比較的打分結(jié)果，建立判斷矩陣。

對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢查判斷的邏輯是否一致，得到一致性指標(biāo)CI=0.019，CI=0.059，CI=0.025，對照隨機一致性指標(biāo)RI表，計算得到一致性比例CR=0.037，CR=0.053，CR=0.020，CR值均小于1，一致性檢驗合格。

經(jīng)計算，高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價的各因子權(quán)重結(jié)果如表1所示。

表1 高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

4.2 綜合計算

評價指標(biāo)可分為正向貢獻類指標(biāo)、負向貢獻類指標(biāo)，參與綜合計算前需進行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理。

正向貢獻類指標(biāo)包括煤矸石堆積，水體富營養(yǎng)化、重金屬元素含量、附加坡度、塌陷積水、地面塌陷、土壤侵蝕、人口變化率。對這類指標(biāo)進行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理

(1)

式中：

b

表示指標(biāo)的歸一化值，

x

表示指標(biāo)的實際值，max

x

和min

x

分別表示指標(biāo)最大和最小值。

負向貢獻類指標(biāo)包括塌陷區(qū)穩(wěn)定性、水源涵養(yǎng)、接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目、失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園、耕地面積變化率、搬遷居民安置。對這類指標(biāo)進行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理

(2)

定性指標(biāo)需要定量化處理后才能參與評價，對這類指標(biāo)分檔取值，各指標(biāo)取值范圍保持一致。

采用加權(quán)求和的方式綜合計算各層次風(fēng)險評價結(jié)果，基本公式如下

(3)

式中：

W

表示評價指標(biāo)的權(quán)重，

b

表示評價指標(biāo)的參評值。

5 實證分析

5.1 研究區(qū)概況

如圖3所示，淮南煤礦區(qū)位于安徽省中部偏北，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，煤炭資源豐富。煤炭開采為多煤層開采，隨著煤炭開采時序推進，沉陷面積和沉陷深度持續(xù)增大，因潛水位高，塌陷后形成大面積常年積水。截止2019a初，淮南煤礦區(qū)塌陷面積已達243.89km，影響涉及30余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，48.7萬居民，占全市總?cè)丝诘?3.9%。

圖3 研究區(qū)位置示意圖

5.2 研究區(qū)綜合風(fēng)險空間評價

研究區(qū)范圍內(nèi)采用網(wǎng)格法劃分出500m×500m的風(fēng)險單元。通過大數(shù)據(jù)多元獲取方式收集淮南煤礦區(qū)2017a的地形地貌、降雨、土壤屬性、遙感影像(2010～2017a多時期)、道路、交通等數(shù)據(jù)，按照前述方法處理數(shù)據(jù)，歸一化后與指標(biāo)權(quán)重疊加計算，可視化得到淮南煤礦區(qū)2017a6類單項風(fēng)險空間分布圖(見圖4)與綜合風(fēng)險空間分布圖(見圖5)。

(a)環(huán)境污染風(fēng)險 (b)水土流失風(fēng)險

(c)洪澇風(fēng)險 (d)土地破壞風(fēng)險

(e)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險 (f)社會經(jīng)濟風(fēng)險圖4 淮南煤礦區(qū)2017年6類單項風(fēng)險空間分布圖

圖5 淮南煤礦區(qū)2017a綜合風(fēng)險空間分布圖

淮南煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價結(jié)果顯示，風(fēng)險等級從低到高的風(fēng)險單元數(shù)分別為966、939、565、323、111個，占總數(shù)的33.26%、 32.33%、 19.46%、11.12%、3.82%。高風(fēng)險區(qū)位于塌陷坑附近，受采煤擾動影響最為顯著，水土流失風(fēng)險、洪澇風(fēng)險、土地破壞風(fēng)險的風(fēng)險等級均較高，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)予以高度重視。中風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)也是塌陷問題比較嚴重的區(qū)域，尤其是建設(shè)用地類型，社會經(jīng)濟風(fēng)險等級高，塌陷造成的損失更為嚴重。低風(fēng)險區(qū)和較低風(fēng)險區(qū)遠離風(fēng)險源，生態(tài)環(huán)境比較穩(wěn)定，且大多是草地、林地等，其綜合風(fēng)險較小。

5.3 風(fēng)險防控

根據(jù)綜合風(fēng)險空間評價結(jié)果，將高風(fēng)險區(qū)劃為一級風(fēng)險防控重點區(qū)域，優(yōu)先實施治理和復(fù)墾措施，其次將較高風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)劃為二級風(fēng)險防控重點區(qū)域。居住區(qū)作為易損性較高的地類，按照《建設(shè)項目環(huán)境影響評價分類管理名錄》中規(guī)定的環(huán)境敏感區(qū)，將其確定為環(huán)境保護區(qū)。

圖6 淮南煤礦區(qū)綜合風(fēng)險防控

煤礦區(qū)風(fēng)險防控以風(fēng)險評價為基礎(chǔ)，通過一定的技術(shù)手段、政策、措施等消除或降低風(fēng)險發(fā)生的機率以及損失。

1)根據(jù)煤礦區(qū)6類單項風(fēng)險空間評價結(jié)果，針對不同風(fēng)險類型、風(fēng)險程度制定風(fēng)險防控措施計劃，包括調(diào)整生產(chǎn)計劃、傳統(tǒng)工程技術(shù)、生物工程技術(shù)和生態(tài)工程技術(shù)等。

2)統(tǒng)籌規(guī)劃風(fēng)險治理工作，協(xié)調(diào)人力、物力、財力資源的調(diào)配。依據(jù)治理目標(biāo)、治理對象、土地利用要求等制定治理方案和治理強度，并對方案的施行監(jiān)督管理，對治理與復(fù)墾成果進行驗收。

3)明確政府、煤炭企業(yè)、個人的責(zé)任范圍，形成政府主導(dǎo)、煤炭企業(yè)配合、公眾參與的發(fā)展結(jié)構(gòu)。重視政府各部門之間的協(xié)調(diào)配合，責(zé)任落實，追究到人，避免權(quán)力交叉，權(quán)責(zé)模糊。

6 討論與結(jié)論

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系對于高潛水位煤礦區(qū)具有一定的普適性，與單一風(fēng)險類型的風(fēng)險評價相比，該體系考慮多種風(fēng)險類型的疊加；與單個系統(tǒng)風(fēng)險評價相比，該體系既考慮了風(fēng)險致因因子的自然屬性，也考慮了風(fēng)險承載體的社會經(jīng)濟屬性，評價結(jié)果更為科學(xué)。以淮南煤礦區(qū)為例，應(yīng)用該體系研究綜合風(fēng)險空間分布，評價結(jié)果符合研究區(qū)的實際情況，說明該體系在實際應(yīng)用中相對可靠。

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系強調(diào)空間異質(zhì)性，便于將研究區(qū)的風(fēng)險分為不同等級，因地制宜采取治理措施。故在數(shù)據(jù)獲取上有一定的難度，要求參與評價的數(shù)據(jù)必須具有空間性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方法肯定是不行的，需要借助大數(shù)據(jù)多元獲取手段。

未來還可以從以下幾個方面展開進一步研究：

(1)指標(biāo)權(quán)重確定，指標(biāo)權(quán)重的確定直接影響評價結(jié)果的客觀性，權(quán)重的確定不僅可以用層次分析法，還可以采取模糊綜合評價法、隸屬函數(shù)法、數(shù)理統(tǒng)計法中的一種或多種；

(2)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，明確的指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)不僅可以提升評價的客觀性，還有利于在不同研究區(qū)之間建立橫向比較；

(3)煤礦區(qū)環(huán)境效應(yīng)評價，即對生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)條件等復(fù)雜程度進行評價，配合煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價可以確定區(qū)域內(nèi)開展治理的難度與達標(biāo)度。