煤炭開發對水環境影響評價指標體系研究

[摘 要]西北地區煤炭資源豐富，是我國未來能源供應的主要基地。由于自然條件原因，水資源極其貧乏，生態環境十分脆弱。然而，煤炭資源開發必將影響地表生態和環境，也將擾動地下水資源。立足西北地區生態環境特點，根據煤炭開發對水環境的影響特征。以區域可持續發展為目標，提出一套適用于一般區域的水環境影響評價指標體系，為推進煤炭資源合理開發利用與水環境協調發展的量化研究奠定基礎。

[關鍵詞]煤炭開發；水環境；評價指標體系

[中圖分類號]F124.5 [文獻標識碼]A [文章編號)1671-8372(2008)01-0048-03

一、引言

煤炭資源的開發和利用，既對經濟的發展起巨大的推動作用，同時也對全球環境產生重大影響。中國是一個以煤為主要能源的國家，未來煤炭規劃區大部分集中在資源豐富的西北部地區。西北地區煤炭資源豐富，但水資源嚴重匱乏，生態環境十分脆弱。然而，煤炭資源的開發必將影響地表生態和環境，也將擾動地下水資源，使地下水的賦存狀態發生變化。礦床疏干排水改變了地下水的天然徑流和排泄條件，同時導致地下水資源的巨大浪費，使區域地下水水位大幅度下降、地表塌陷和井泉干涸，進而改變地表土壤的灌溉性、持水陸和水土平衡，打破水資源原有的平衡狀態，致使表土疏松、裸巖面積擴大，礦區水土流失加劇，土地荒漠化趨勢加快。采煤過程中產生的煤矸石，排出的礦井廢水、廢氣等，都會對周圍的水環境造成嚴重的污染。

煤炭資源開發造成的水環境破壞，進而引發的生態環境效應在干旱半干旱地區普遍存在，國內外的學者越來越多地關注到煤炭開發對生態環境的影響，并且也取得了相當多的研究成果，但從目前的研究現狀看，在研究視野、研究深度和系統性等方面還存在著不足。國內關于煤炭開發對水環境的影響研究主要集中在宏觀評價和對策研究上，研究成果以定性研究居多，定量研究偏少。國內至今還沒有形成一套完整的評價指標體系和相應的評價方法。特別是針對干旱缺水的西北地區，煤炭開發利用對水環境影響的評價指標體系和評價標準研究幾乎還是空白。因此，深入探討煤炭開發對水環境的影響特征，建立水環境影響的評價指標體系和評價標準，正確評價煤炭開發對水環境的影響程度，對我國煤炭工業的可持續發展和西部生態環境保護具有十分重要的意義。

二、煤炭開發對水環境影響評價指標體系的建立

(一)指標體系建立的原則

1 客觀性原則。客觀性是一切評價原則的基礎，是評價結果不受人為主觀因素影響的基本條件。水資源是一種可以再生的具有時空特性的動態資源，它既是可以恢復的，又是有限的，與其他物質資源相比，水資源的最大特點是不可替代性。對水資源做出客觀的評價，有利于保護及合理開發利用人類社會賴以生存的水資源，實現水資源利用的可持續發展。

2 全面陸原則。煤炭開發對水環境影響的評價指標體系，既要能夠概括地反映出礦業經濟——水資源——生態環境復合系統的全面狀況，也要盡量反映出各子系統中的每一個指標(包括定性指標)變量，要求各指標體系具有層次分明、反映全面的特點，能使用多個變量來表示水環境系統，并為建立各種多變量定量評價、預測模型奠定基礎。

3 獨立相關原則。在全面考慮水環境影響評價指標的同時，必須從各個子系統中分別選出一些指標體系來組建新的指標體系，以避免“拼盤式”的指標羅列，從而造成各指標間彼此交錯、線性相關等不利因素，為此可采用相關分析或灰色關聯分析等方法來尋求具有較強相關并且具有獨立陸的指標。

4 可操作性原則。煤炭開發對水環境的影響評價涉及的指標要盡可能利于查詢、檢索，評價指標模型要簡明、方便、易行和具有可操作性。不僅要反映煤炭開發對水資源量的影響評價，也要反映對水資源質的影響評價，以及二者的有機結合。

5 科學性原則。指標概念要界定清晰，具有一定的科學內涵，能夠較客觀地反映復合系統內部結構關系，并能較好地度量煤炭開發對水環境的影響程度。

6 準確性原則。為了做出正確的判斷，必須建立在資料準確的基礎上。準確性稍差的指標應慎重使用，并注意采取合理的修訂系數。指標的選取要有針對性，并注意靜態與動態指標的結合，力求使用的指標能圓滿地反映出評價的水環境狀況。

(二)指標體系的結構關系

在煤炭開發對水環境影響特征分析的基礎上，根據水資源的特點和指標設計原則，建立水環境影響的評價指標體系。該指標體系包括水資源數量指標、水環境質量指標和生態環境指標三大類，每類一級指標又可細分出二級、三級指標。三級指標共選取了50項單項指標，組合而成9個分系統，其層次的遞階結構與指標的從屬關系如圖1所示。

(三)指標體系的具體構成

圖1給出了水環境影響評價指標體系的一般組成結構，對于具體的研究區域還需要根據實際情況選擇更加具體的指標。表1給出了一套適合一般區域(或礦區)的水環境影響評價指標體系。

1 水資源數量指標

主要由描述和表征區域水資源豐度、區外水資源利用能力和區域煤炭開發對水資源的消耗等指標集組成，該類指標比較復雜，在評價中主要選取與煤炭開發對水資源的影響有密切關系的，能夠綜合衡量水資源承載力的可量化指標。

(1)區域水資源評價指標包括降水量、蒸發量、地表水和地下水資源量及水資源總量等。

大氣降水是人類可利用水資源的重要來源，降水量是反映區域水資源的重要指標。隨著實測降水量資料的增多，直接統計計算降水量資源已成為可能，對于較大評價區域還可用分吋段的降水等值線圖反映評價區域降水量資源的時空分布。減少損失、增加徑流已成為人們從降水量資源中挖掘可利用水資源的一個新視點。

西北地區自然地理條件特殊，水資源在數量上有其獨特的時空分布規律，蒸發量是反映時空分布的特性參數，也是影響水資源利用的重要因素之一。對于干旱和半干旱地區還可用干旱指數，甚至繪制干旱指數等值線圖。蒸發損失是降水量損失的主體，如何減少蒸發損失也是水資源研究中的重要課題之一。

地表水和地下水是水資源的主體，也是水資源評價的主要對象。水資源總量、人均水資源量、畝均水資源量是決定一個地區水資源緊張程度的重要因素，是支撐水資源可持續利用的主要指標，是衡量水資源可持續利用度的決定因素。水資源可利用量和人均可供水資源量直接反映了該區域對水資源的開發能力、利用程度和用水水平，是區域水資源開發利用程度的綜合反映。

(2)外來水資源評價指標包括可調水資源量和過境水資源量。入境水量占總用水量的百分比是評價區域利用區域外水資源能力的一個重要指標。

(3)水資源消耗評價指標包括靜儲量、動儲量、噸煤排水系數、萬元產值耗水量、人均生活用水量。

采煤使采空區上覆含水層遭到破壞，原來儲存于含水層中的原始水在短時間內排空，這部分水被稱為靜儲量。該量與含水層本身特征有關，為固定量，對含水層的破壞是一次性的、永久陸的、不可恢復的。在含水層遭破壞后，礦井涌水量迅速增大，然后隨著時間的延長，特別是在停采狀態下，排水量逐漸趨于相對穩定，煤礦的排水量呈季節性變化，我們將這部分水量視為開發破壞的動儲量。它與地形構造、降水量、煤層埋藏深度及采煤方法等因素有關，該量為一變量，其破壞也是永久性的。

噸煤排水系數是一個非常復雜的表示煤礦排水能力的指標，和補給條件、地質構造、水文地質條件、開發深度、開發面積、開發階段、開發量大小、大氣降水等因素都有關，是一個無量級的經驗數據，代表煤礦開發過程中實際排水能力的大小，是評價煤炭開發對水環境影響的重要指標。

萬元產值耗水量反映了水資源利用效益。水資源作為一種具有價值的資源，在利用過程中必須考慮它的利用效益。單位水資源量在使用后會產生多大的社會效益和經濟效益，效益評價也是水資源優化配置的基礎。工業用水可用萬元產值耗水量來表示。

生活用水和環境用水是一種社會效益，可以定性描述，也可以用人均用水量表達。人均生活用水量是一個地區人們生活質量的一種標志。

(4)水資源短缺評價指標用缺水量或缺水率表示。缺水量是根據評價區域內的水資源狀況、開發利用程度和社會經濟發展預測后，計算出區域內不同水平年的需水總量與可供水量的差值，也可用缺水量占需水總量的百分比來表示，有時也稱為缺水率。一個地區缺水量評價結果是今后水資源規劃中的重要依據之一。

2 水環境質量指標

水環境質量評價的重要內容是水質評價，包括地表水水質和礦井水水質。水質是指水體中所含的物理成分、化學成分、生物成分的總和。天然的水質是自然界水循環過程中各種自然因素綜合作用的結果，人類活動對現代水質有著重要的影響。水的質量決定著水的用途和水的利用價值。自然界水循環的周期性，決定了水資源的可更新性和變化的復雜性，他們不僅表現在水量方面，也表現在水質方面。水質的動態變化與水量的動態變化類同，既表現在空間上，又表現在時間上。引起水質變化的因素有自然的，也有人為的。因此，水質具有區域性和動態性。自然，水質評價的內容也就應該包括水的物理特性、化學特性和時空變化規律。

(1)地表水質量評價指標的選取。自然界中影響地表水體質量的有害物質很多，無機化合物有幾十種，有機化合物有上百種，能溶解于水中的有七十多種，在不同地區，由于工業布局不同，污染源的差異很大，污染物的種類也不相同，因此影響地表水質量因子的選擇，要根據評價區域的具體情況確定。針對礦區地表水污染的特點，我們選擇煤礦特征水質參數作為礦區地表水質量評價指標。

(2)礦井水水質評價指標的選取。煤炭開發過程中所排出的礦坑充水經分析研究，有以下特征：一是PH值多有超標，且為酸性水；二是硫酸根離子含量偏高；三是硬度偏大；四是礦化度高；五是鐵離子含量高；六是毒化學成分增高。依據礦井水上述特征和需要監測的“能在環境或動植物體內蓄積，對人體能夠產生長遠不良影響”的有毒組分，結合礦區水質分析的實際情況，盡可能選取必不可少和絕大部分實驗室可以分析的礦井水特征水質參數。

3 生態環境指標

生態環境系統是水資源系統和社會經濟系統賴以存在的物質基礎，是實現可持續發展的重要保證。在以往水環境影響評價及水資源規劃和管理實施中，很少真正量化對生態環境質量的變化與影響。如何量化和評價礦產資源開發中所涉及的生態環境質量問題，是西部地區礦業資源大開發戰略順利實施和區域水資源可持續利用研究中一個十分重要的問題。

建立區域生態環境質量評價指標體系，應先從區域生態環境典型結構分析人手，找出影響和表征生態環境質量的主要因子，然后建立指標體系并加以量化和評價。基于文獻資料的分析，并在上述原則的指導下，初步建立煤炭開發引發的生態環境質量評價指標體系。由污染治理、污染狀況和生態狀況三類指標集組成，該類指標比較繁雜，定性的較多，可操作性不強。在煤炭開發對水環境影響評價中，主要選取與水環境緊密相關的，以及能夠綜合衡量生態環境影響程度的可量化指標。通過這些指標能夠反映出水資源在煤炭工業系統中的利用狀況以及煤炭開發對生態環境產生的負面效應。

三、煤炭開發對水環境影響評價標準與評價方法

在煤炭開發對水環境影響評價中，評價標準和評價方法是兩個需要深入研究的重要問題，本文僅做簡要說明。

(一)評價標準

在進行煤炭開發對水環境影響評價時，涉及到評價標準的確定問題。由于煤炭開發對水環境影響評價是以可持續發展思想為總的指導原則，以實現水環境保護為最終目標，所以煤炭開發對水環境影響評價指標標準的確定應面向可持續發展，應有利于煤炭資源合理開發和水環境協調發展，而且具有可操作性，盡可能定量化。對于有些評價指標已經有了國家、部門或地方評價標準，可以直接采用或做適當的調整。對于目前沒有頒布標準的指標，可以根據數據分析或科學實驗進行指標的閥值研究，最后再確定可行的評價等級標準。

(二)評價方法

煤炭開發對水環境影響評價不僅是對區域水資源自然屬性的評價，而且是對煤炭開發造成的水環境破壞，進而引發的生態環境效應的綜合評價。所以，煤炭開發對水環境影響評價方法應采用定量化的多目標綜合評價方法，如灰色關聯評價法、模式識別和模糊綜合評判法等等。當然也可以根據研究問題的實際需要，提出新的評價理論與方法。本課題研究采用模式識別法實現煤炭開發對水環境影響程度的等級評價。該方法利用所構造的評價指標和評價標準對水環境影響的相對隸屬函數建立樣本與級別間的“加權廣義權距離”，通過拉格朗日極值法求解樣本對水環境影響某一級別的最優相對隸屬度，依據“擇近原則”判斷煤炭開發對水環境影響的隸屬級別。模式識別評價的計算過程見參考文獻。

[責任編輯 王艷芳]