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)境保護國家工程實驗室,安徽 淮南 232001;2.安徽大學 資源與環(huán)境學院,安徽省礦山生態(tài)修復工程實驗室,合肥 230601)
煤炭生產(chǎn)過程中會導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)化成水陸復合生態(tài)系統(tǒng)或水生生態(tài)系統(tǒng),如何利用和保護沉陷區(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[7]等基于壓力-狀態(tài)-響應(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)指標體系建立時,應納入礦區(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,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)計學的基礎上,建立了4級評價標準,為采煤沉陷區(qū)構(gòu)建一套適合的評價指標體系,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資料和科學依據(jù)。
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)屬于半濕潤季風氣候區(qū),年平均降水量831.5 mm,積水面積達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 采樣點示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points
表1 研究區(qū)的采樣點設置和周圍環(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)健康進行定量評價與比較,同時基于方差賦權(quán)的多指標綜合健康指數(shù)法對沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進行評價。
該體系由三個層次組成,分別為目標層(A)、準則成(B)、指標層(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[11-12]。將獲得指標的現(xiàn)狀值標準化后,加權(quán)合成計算出沉陷區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)值。由于方差賦權(quán)法客觀性強的特點,對指標篩選要求較高,需考慮多指標決策的主觀要求。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]的研究方法設定采樣點棲息地評價指標,根據(jù)研究區(qū)實際情況,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,對氮磷指標的樣品加硫酸酸化至pH﹤2,對重金屬指標的樣品加硝酸酸化,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]。本文實驗數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件。
對指標體系的構(gòu)建,首先用正態(tài)分布初步篩選待選指標,符合正態(tài)分布進行Pearson相關分析,否則進行Spearman秩相關分析。將統(tǒng)計學的客觀結(jié)果和主觀的分析判斷相結(jié)合,選取重要并相對獨立的指標進入主成分分析。提取累積方差達到80%以上的主成分因子,分析各指標的貢獻率,通過最大方差旋轉(zhuǎn)法,篩選旋轉(zhuǎn)后荷載值大于0.6的指標構(gòu)成指標層(C)。
2.1 指標篩選
選取能反應沉陷區(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個指標作為沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的候選指標。具體指標及統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2。
表2 候選指標信息Tab.2 Statistical information of candidate indexes
2.2 指標權(quán)重確定
2.2.1 對指標的標準偏差進行分析,剔除標準偏差小于0.1的指標。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級標準[16],且除Niw外標準偏差均小于0.1,其余指標中TPw和Cds標準偏差也小于0.1,無法反映各點實際健康情況,對剩余17項指標進行正態(tài)分布檢驗,均符合正態(tài)分布。
表3 候選指標相關性分析結(jié)果Tab.3 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes
表4 候選指標主成分分析結(jié)果Tab.4 Principal component analysis results of candidate indexes
表5 候選指標相關性分析結(jié)果Tab.5 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes
3.1 權(quán)重的確定
對經(jīng)篩選后的評價指標進行標準化,再采用方差賦權(quán)法[17]收集11項評價指標的權(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)健康評價與實際生態(tài)系統(tǒng)管理情況相契合,將實際調(diào)查值與背景值進行比較,計算各指標C層中各指標
正向指標(H′浮游植物、H′浮游動物、HQI)
(1)
(2)
pH值
(3)
式中,EHIij為第i個指標在j點位的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù),Xij為第i個指標在i點位的實測值,Sij為第i個指標在j點位的參照標準。
3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)
運用綜合指數(shù)法,可以更全面的計算出區(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點生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù),EHIij是第i個指標在j點位的生態(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)健康評價標準進行綜合考慮,上覆水選取的參照標準為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB382-2002)湖庫Ⅳ類標準;沉積物的參照標準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)果為標準[18],HQI按照鄭丙輝[12]在對遼河流域河流棲息地評價時設定的評級標準,如表7所示。
表7 臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標層參照標準及權(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個樣點的EHCI如表10所示。最高是EHCI1,最低是EHCI11,表明1號樣點最健康,11號樣點的健康系統(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;B區(qū)、E區(qū)通過D區(qū)相連,指標值最為接近,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)。
4.1 本文中應用了基于方差賦權(quán)的生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)法,采用主成分分析與相關性分析方法進行指標篩選,全面構(gòu)建了涵蓋上覆水體、沉積物、水生生物和沉陷區(qū)物理棲息地質(zhì)量等要素的沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,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。計算結(jié)果同研究區(qū)實際情況相符,說明計算結(jié)果可靠。