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        淮北臨渙礦采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價

        2021-07-07 08:28:22穆紅波任夢溪陳永春鄭劉根安士凱
        四川環(huán)境 2021年3期
        關(guān)鍵詞:賦權(quán)方差指標(biāo)體系

        穆紅波,任夢溪,陳永春,鄭劉根,安士凱,謝 毫

        (1. 煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001;2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,合肥 230601)

        前 言

        煤炭生產(chǎn)過程中會導(dǎo)致大面積采煤沉陷積水區(qū)的形成,使原有的陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)或水生生態(tài)系統(tǒng),如何利用和保護(hù)沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng),已成為沉陷區(qū)管理的重要內(nèi)容。因此,對采煤沉陷區(qū)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)評價體系這一問題值得關(guān)注。

        生態(tài)系統(tǒng)健康評價在河海、湖泊管理過程中得到廣泛的應(yīng)用,以流域尺度和湖泊沼澤區(qū)為例,主要方法分為生物監(jiān)測法和多指標(biāo)體系評價法兩大類型[1]。如殷旭旺、張宇航、張翔等[2~4]通過構(gòu)建著生藻類、底棲生物、魚類的生物完整性指數(shù),開展了遼寧太子河流域、渾河流域、太湖水域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價。周林飛[5]、陳志鼎[6]、王富強(qiáng)[7]等基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)的模型,分別評價了扎龍濕地的水循環(huán)健康狀況、潛江市后湖管理區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康和刁口河尾閭濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價。以采礦區(qū)為例,王廣成、張立寧等[8-9]提出,礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)體系建立時,應(yīng)納入礦區(qū)地表水污染、地表沉陷情況、廢棄物污染、植被損毀等參考因素。

        現(xiàn)階段多指標(biāo)體系評價方法很多,生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)法因簡便、明確、直觀等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評價中。本文以臨渙采煤沉陷區(qū)為例,在統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上,建立了4級評價標(biāo)準(zhǔn),為采煤沉陷區(qū)構(gòu)建一套適合的評價指標(biāo)體系,以期為我國采煤沉陷區(qū)的生態(tài)重建與利用和資源管理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        臨渙礦采煤沉陷區(qū)位于安徽省淮北市臨渙礦區(qū),該區(qū)屬于半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量831.5 mm,積水面積達(dá)5.5km2,最深超過10 m,是半封閉型沉陷積水區(qū)。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境由陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗?陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)的同時,受到礦山酸性廢水、農(nóng)業(yè)污染、生活污水等影響,生態(tài)系統(tǒng)受到干擾。根據(jù)沉陷塘的面積和實(shí)際情況,分為5個功能區(qū)A、B、C、D、E(如圖1、表1所示)。

        圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points

        表1 研究區(qū)的采樣點(diǎn)設(shè)置和周圍環(huán)境狀況Tab.1 Sampling point setfing and surrounding environmental conditions in the study area

        1.2 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

        根據(jù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征,參考河流湖泊的評價方法,建立適合采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型。利用綜合健康指數(shù)法(Ecological Health Comprehensive Index,EHCI)[10],對系統(tǒng)的生態(tài)健康進(jìn)行定量評價與比較,同時基于方差賦權(quán)的多指標(biāo)綜合健康指數(shù)法對沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價。

        該體系由三個層次組成,分別為目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則成(B)、指標(biāo)層(C)。選取理化特征、生物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)功能三大類構(gòu)成候選指標(biāo)[11-12]。將獲得指標(biāo)的現(xiàn)狀值標(biāo)準(zhǔn)化后,加權(quán)合成計(jì)算出沉陷區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)值。由于方差賦權(quán)法客觀性強(qiáng)的特點(diǎn),對指標(biāo)篩選要求較高,需考慮多指標(biāo)決策的主觀要求。本文將方差賦權(quán)法和EHCI相結(jié)合,建立適合沉陷積水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的評價方法。參照鄭炳輝[13]的研究方法設(shè)定采樣點(diǎn)棲息地評價指標(biāo),根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,對積水區(qū)深度、積水區(qū)灘地面積、人類活動擾動程度等因素,進(jìn)行打分調(diào)查。

        1.3 采樣與分析方法

        2014年10月對研究區(qū)進(jìn)行采樣調(diào)查。采樣分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14],采集水樣裝入聚乙烯瓶保存,對氮磷指標(biāo)的樣品加硫酸酸化至pH﹤2,對重金屬指標(biāo)的樣品加硝酸酸化,低溫保存并及時檢測,TCs、TNs用元素分析儀、重金屬元素使用ICP-AE分析、TPs參照“湖泊營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范”測定[15]。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。

        2 指標(biāo)體系構(gòu)建

        對指標(biāo)體系的構(gòu)建,首先用正態(tài)分布初步篩選待選指標(biāo),符合正態(tài)分布進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,否則進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析。將統(tǒng)計(jì)學(xué)的客觀結(jié)果和主觀的分析判斷相結(jié)合,選取重要并相對獨(dú)立的指標(biāo)進(jìn)入主成分分析。提取累積方差達(dá)到80%以上的主成分因子,分析各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率,通過最大方差旋轉(zhuǎn)法,篩選旋轉(zhuǎn)后荷載值大于0.6的指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層(C)。

        2.1 指標(biāo)篩選

        選取能反應(yīng)沉陷區(qū)水質(zhì)狀況、底泥狀況、浮游生物狀況以及棲息地環(huán)境質(zhì)量的25個指標(biāo)作為沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的候選指標(biāo)。具體指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2。

        表2 候選指標(biāo)信息Tab.2 Statistical information of candidate indexes

        2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

        2.2.1 對指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析,剔除標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.1的指標(biāo)。上覆水中重金屬監(jiān)測結(jié)果顯示,含量均低于國家地下水水質(zhì)Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)[16],且除Niw外標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1,其余指標(biāo)中TPw和Cds標(biāo)準(zhǔn)偏差也小于0.1,無法反映各點(diǎn)實(shí)際健康情況,對剩余17項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),均符合正態(tài)分布。

        表3 候選指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.3 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

        表4 候選指標(biāo)主成分分析結(jié)果Tab.4 Principal component analysis results of candidate indexes

        表5 候選指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.5 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

        3 生態(tài)系統(tǒng)健康評價

        3.1 權(quán)重的確定

        對經(jīng)篩選后的評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,再采用方差賦權(quán)法[17]收集11項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重(表6)。

        表6 沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系及各指標(biāo)權(quán)重Tab.6 Evaluation system of mining area ecosystem health and the weight of indexes

        3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)的計(jì)算

        3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)

        為使采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價與實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)管理情況相契合,將實(shí)際調(diào)查值與背景值進(jìn)行比較,計(jì)算各指標(biāo)C層中各指標(biāo)

        正向指標(biāo)(H′浮游植物、H′浮游動物、HQI)

        (1)

        (2)

        pH值

        (3)

        式中,EHIij為第i個指標(biāo)在j點(diǎn)位的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù),Xij為第i個指標(biāo)在i點(diǎn)位的實(shí)測值,Sij為第i個指標(biāo)在j點(diǎn)位的參照標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

        運(yùn)用綜合指數(shù)法,可以更全面的計(jì)算出區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)健康指數(shù),反映該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況:

        (4)

        (5)

        式中EHCI為生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù);EHCIj為j點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù),EHIij是第i個指標(biāo)在j點(diǎn)位的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù);wi為通過方差賦權(quán)法得到的指標(biāo)層(C層)相對于A層的權(quán)重。

        參考湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合考慮,上覆水選取的參照標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB382-2002)湖庫Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);沉積物的參照標(biāo)準(zhǔn)為加拿大安大略省環(huán)境和能源部(1992)發(fā)布的指南;浮游動植物的多樣性指數(shù)參照周曉燕對兩淮地區(qū)香儂威納多樣性指數(shù)的調(diào)查結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)[18],HQI按照鄭丙輝[12]在對遼河流域河流棲息地評價時設(shè)定的評級標(biāo)準(zhǔn),如表7所示。

        表7 臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)層參照標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重Tab.7 The standard values(Sij)for EHIC indexes and their weighting factors

        建立臨渙采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(EHCI),分級見表8。

        表8 臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)分級Tab.8 The classification of EHCI of LinHuan mining area

        根據(jù)表6中的數(shù)據(jù),通過公式(4),計(jì)算得到臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù),如表9所示。

        表9 五個功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)Tab.9 Comprehensive index of ecosytem health in five function areas

        3.3 結(jié)果與分析

        3.3.1 通過樣點(diǎn)分析可得:采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)為0.473,處于亞健康狀態(tài)。17個樣點(diǎn)的EHCI如表10所示。最高是EHCI1,最低是EHCI11,表明1號樣點(diǎn)最健康,11號樣點(diǎn)的健康系統(tǒng)最差。整體分析,1個健康1個疾病各占5.88%,其余均為亞健康占總數(shù)的88.24%。

        表10 各樣點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)Tab.10 Comprehensive Index of Ecosystem Health at Various points

        3.3.2 按照功能區(qū)分析,根據(jù)各個功能區(qū)周邊環(huán)境差異功能區(qū)健康狀況不同。A區(qū)最高為0.556,區(qū)域相對獨(dú)立、周圍人為活動擾動小,附近有矸石堆積,說明矸石堆積對生態(tài)系統(tǒng)健康情況影響并不突出;C區(qū)最低為0.422,與矸石堆淋濾、農(nóng)田徑流、臨近道路岸帶受人為活動擾動大有關(guān);B區(qū)、E區(qū)通過D區(qū)相連,指標(biāo)值最為接近,受到上游造紙廠、磚廠、岸帶周圍垃圾堆放的影響呈亞健康狀態(tài)。

        4 結(jié) 論

        4.1 本文中應(yīng)用了基于方差賦權(quán)的生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)法,采用主成分分析與相關(guān)性分析方法進(jìn)行指標(biāo)篩選,全面構(gòu)建了涵蓋上覆水體、沉積物、水生生物和沉陷區(qū)物理?xiàng)⒌刭|(zhì)量等要素的沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,為高潛水位采煤沉陷區(qū)濕地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)健康評價提供依據(jù)。

        4.2 計(jì)算結(jié)果表明,臨渙礦沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總體處于亞健康水平,廢水排放、澮河水引入等因素導(dǎo)致綜合健康指數(shù)較低,健康狀況較差;矸石山附近及沉陷區(qū)主體部分中心區(qū)綜合健康指數(shù)相對較高,健康狀況相對較好。計(jì)算結(jié)果同研究區(qū)實(shí)際情況相符,說明計(jì)算結(jié)果可靠。

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