礦區生態系統穩定性評價

摘要：從生態系統穩定與干擾指標兩個方面構建礦區生態環境質量指標體系，并運用層次分析法和熵技術修正確定各指標權重，提出大型礦區生態質量評價模型和生態質量評價標準，以淮南煤礦區為例，運用RS和GIS技術，分析了淮南礦區近30年的生態環境質量變化。結果表明，研究區生態環境質量處于下降趨勢，主要由于城鎮化的快速發展、煤炭開采的繼續、環境保護措施不得力以及復墾地區的二次塌陷、治理標準低等原因所導致。

關鍵詞：生態環境質量；淮南煤礦；指標體系；評價標準；熵技術修正

中圖分類號：S181.6 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114（2016）23-6113-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.026

Abstract： From ecosystem stability and disturbance index， the index system for ecological environment quality in mining areas was established and modified to obtain the weight of each index by the analytic hierarchy process and entropy technology， accordingly the evaluation model and evaluation standard of ecological quality in large mining areas were proposed， and then taking Huainan coal mining area as an example， using RS and GIS technologies to analyze the ecological environment quality changes of Huainan mining area in last 30 years. The results showed that the ecological environment quality in Huainan coal mining area still declined mainly due to the rapid growth of urbanization， accelerated speed of coal mining， not timely environmental protection， secondary collapse in reclamation areas， and low governance standards， etc.

Key words： ecological environment quality； Huainan mining area； index system； evaluation standard； modification of entropy technique

礦產資源是中國國民經濟、社會發展和人民生活的重要物質基礎。但在煤炭資源被大規模開發和利用的同時，礦區原有生態環境質量遭到嚴重破壞，并出現一系列生態環境問題，如地表下沉、積水、土壤污染、土地生產力下降等。為了實現礦區經濟、社會和生態環境可持續發展，化解煤炭開采與環境保護之間的矛盾，必須找到影響煤礦區生態環境質量的癥結所在，而前提是對煤礦區生態環境質量進行科學、客觀的評價。

生態環境質量目前還沒有形成一個統一概念。任廣鑫等[1]認為，生態環境質量是一個相對的概念，反映了在人類生產活動的干預下，生態環境中的諸要素在時間上的演替及在空間上的配置，以及這種配置同社會經濟系統運行的耦合狀況。

Monjezi等[2]以公共安全、空氣質量、水質參數等指標構建評價指標體系，采用求和的方法獲取露天采礦對各因子的總體影響進行綜合評價；Konstantinos等[3]選取大氣污染、水污染、土壤污染、放射性污染、土地退化和生物多樣性這6個指標構建生態環境質量評價指標體系對煤炭礦區驚醒評價；Schroeter等[4]通過TM衛星數據監測德國東部褐煤開采后塌陷形成的湖泊，通過光譜特征對湖泊的水文、水化學性質進行分類，揭示露天褐煤開采對環境的影響。程水英[5]以彬長礦區為例，從資源、環境、社會、經濟4個方面構建了彬長礦區規劃環境影響評價中礦區生態環境質量評價指標體系；鄒長新等[6]運用層次分析法，構建礦山生態環境質量評價指標體系；徐嘉興等[7]運用層次分析法從景觀穩定和干擾兩方面入手對徐州礦區景觀生態進行評價。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

淮南煤礦區地處安徽省中北部，淮河中游，位于東經116°21′21″～117°11′59″，北緯32°32′45″～ 33°00′24″，海拔16.5～240.0 m，地跨淮河兩岸，東西長70 km，南北寬25 km，總面積約1 591 km2。淮河以南是老礦區，根據地質構造與新地層情況劃分為3個水文地質單元，一是東部舜耕山區，二是二道河區，三是新莊孜、謝家集、李郢孜區。水質類型，主要根據所處巖層而異。淮河以北潘謝礦區被120～564 m厚的第四紀沖積層所覆蓋，并自東向西、自南向北逐漸增厚。局部地區有古地形隆起，形成局部地區表土層較薄，這些隆起大部分位于D、E組煤層露頭。該段含水層有四層，隔水層有三層。

1.2 數據來源

本次研究采用的數據源主要包括遙感數據、基礎地理數據、專題數據以及統計數據。遙感數據采用2012年法國SPOT6影像數據，空間分辨率可達1.5 m；基礎地理數據是研究區1∶5萬數字化地形圖數據；專題數據是研究區1986年及1999年土地利用類型矢量數據；統計數據包括研究區統計年鑒、環境質量報告書、環境質量監測數據等。本研究根據衛星影像解譯和矢量數據歸類得到1986、1999和2012年3個年度的土地利用情況。

2 研究方法

2.1 評價指標體系的構建

生態環境質量綜合評價的對象是生態環境系統。礦區生態系統是一個復合生態系統，既包括一般生態系統的特點，又具有礦區獨有的特征。根據科學性、全面性、動態性、可操作性和可持續發展原則，從植被覆蓋率、生物多樣性、土地利用類型、大氣和水等方面入手選取指標，并根據其對礦區生態系統的作用分為穩定性指標和干擾性指標，構建淮南煤礦區生態環境質量指標體系（表1）。

2.2 指標權重的確定

在評價指標體系中，同一類評價體系每個評價指標在與其他指標相比較時，其地位、重要程度和反映的情況都不相同[13]。合理確定和適當調整評價因素的權重，增加評價因素的可比性，體現了系統評價中各因素之間輕重有度、主次有別[14]。為了提高層次分析法的客觀性和精確性，本研究首先用層次分析法計算得出指標的權重，再用熵技術修正得到指標權重，最終得到淮南煤礦區指標權重（表2）。層次分析法計算過程在此不做詳細介紹，這里主要介紹熵技術修正的計算過程[15，16]。

（1）首先對上述構建的判斷矩陣進行歸一化處理，公式如下：

（2）計算第j項指標的熵值Ej，公式如下：

（3）計算第j項指標的差異性系數Gj，公式如下：

（4）求第j項指標的信息權重系數，公式如下：

（5）最后利用信息權重系數μj修正AHP法得到的指標權重系數λj：

運用上述熵技術修正的步驟對層次分析法求得的淮南煤礦區穩定指標和干擾指標權重分別進行修正，計算結果見表2。

2.3 指標的標準化

為消除評價指標間量綱差別，采用歸一化方法[15]對各指標指進行標準化處理，即

2.4 綜合評價模型

1）環境穩定度指數模型。由于多因素對礦區環境生態質量穩定程度的影響不同，因此構建環境穩定度指數ESI（Environment stability index）模型時，利用多因子指標函數法進行計算。計算公式為：

2）環境干擾度指數模型。同理，構建礦區環境干擾度指數EDI（Environment disturbance index）模型，利用多因子指標函數法進行計算。計算公式為：

3）礦區生態環境質量評價模型。生態環境質量指數EEQI（Environment ecological quality index）是用環境穩定性指數除以環境干擾度指數，可以反映礦區生態系統的穩定性好壞和抵御外來干擾能力的強弱，即為礦區生態系統生態環境質量的狀況。計算公式為：

EEQI=ESI/EDI

2.5 評價標準

把礦區生態環境質量分為5級，構建淮南煤礦區生態環境質量評價標準（表3）。一級為EEQI≥2.0，表明礦區生態系統穩定程度遠遠大于干擾程度，此時生態系統處于非常穩定的狀態，礦區生態環境質量非常好；當2.0>EEQI>1.1時為二級，礦區生態系統受到干擾，但生態系統可以內部自我調節維持在一個穩定的狀態，生態環境質量很好；當1.1≥EEQI≥0.9時為三級，礦區生態系統穩定程度和干擾程度維持在平衡狀態，生態環境質量較好；當1.0>EEQI≥0.5時為四級，礦區生態系統已不足已自身化解外來干擾，系統穩定性變差，生態環境質量處于較差的狀況；當EEQI<0.5時為五級，生態系統已完全失衡，處于極度不穩定的狀態，礦區生態環境質量非常差，亟需控制污染，進行環境治理。

3 實例評價

在ARCGIS軟件中將1986、1999和2012年土地利用圖數據通過疊加合并等空間分析，提取各類評價因子的屬性數據，并保證與空間數據一致，然后，結合淮南煤礦區3個年份的統計數據通過單一指標計算方法求出各評價指標數值，對指標數據進行歸一化處理，最后將指標標準化數值由層次分析法和熵技術修正的指標權重值代入礦區生態環境質量評價模型，計算出淮南煤礦區環境穩定度指數、環境干擾度指數和生態環境質量指數（表4）。

由表4數據可知，淮南煤礦區1986年環境生態質量指數2.0>EEQI>1.1，處于二級，說明礦區環境生態系統很穩定，生態環境質量很高；1999年時淮南煤礦區環境生態質量指數0.9

從指標層面去分析淮南煤礦區生態環境質量變化發現，礦區植被覆蓋率下降、景觀破碎化指數、礦區土地塌陷面積和土地利用程度綜合指數的增加是導致礦區生態環境質量指數下降的最主要因素，而礦區耕地、林地的大幅度減少，建設用地、工礦用地和塌陷區的大面積增加是這些指標變化最主要原因。其次礦區廢水、廢氣和固體廢棄物的大量排放對礦區的生態環境質量有一定的影響。但從資源利用和污染治理方面看，礦區瓦斯綜合利用率、固體廢棄物利用率和塌陷區土地復墾率在研究期間都有大幅度的增加，說明礦區生態環境受到人們的重視，并采取措施治理污染，成效顯著，大大減小了開采活動對礦區生態環境質量的危害；同時礦區水土流失狀況也得到了好轉，土地退化指數在逐漸減小，這對礦區生態環境質量的改善起到了非常重要的作用。

4 小結與討論

由淮南煤礦區生態環境質量評價結果可知，其環境生態系統已處于不穩定的狀態，必須立刻采取有效措施改善礦區生態環境質量，減少煤炭開采。目前中國大部分大型煤礦區都面臨著與淮南煤礦區同樣的問題，所以亟需加大對礦區的環境保護，完善礦區復墾技術規程，制定礦區生態修復策略，從而實現礦區經濟、社會和生態環境的可持續發展。

對礦區環境保護、生態修復和污染治理等措施的前提是對礦區生態環境質量的評價，通過對礦區生態環境質量評價，才能了解礦區的生態環境質量狀況和變化趨勢，以及導致礦區生態環境質量下降的主要原因。本研究提出的礦區生態環境質量指標系統、指標權重確定方法、生態環境質量評價模型及評價標準的一整套生態環境質量評價方法，通過實例驗證此方法是可行的，為我國大型煤礦區的生態環境質量評價提供了參考。

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