煤炭去產能對礦區生態環境的影響研究

米家鑫，張紹良，侯湖平，郭山川，尚志敏(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭去產能對礦區生態環境的影響研究

米家鑫，張紹良，侯湖平，郭山川，尚志敏
(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

2014年我國煤炭產量開始下降，結束了連續14年增長的局面。國家隨之實施煤炭產業去產能政策，關閉了大量落后產能礦井，整合了大量中小型礦山，為煤炭產業新常態可持續發展奠定了基礎，但是這一政策對礦區生態環境的影響目前還鮮有關注。為此，以江蘇省徐州市沛北礦區為例，基于2008年11月、2010年12月和2015年12月的3景SPOT5/資源三號高分辨率遙感影像，采用遙感技術(RS)和地理信息系統技術(GIS)，利用建立的評價模型，評價了該礦區2008年、2010年、2015年的生態環境質量，然后將之與該礦區煤炭產量狀況進行對比分析。分析表明，煤炭去產能對礦區生態環境有改善作用，煤炭產量變化與生態環境變化呈負相關關系。

礦區環境；煤炭去產能；環境影響評價；遙感(RS)

0 引 言

2012年我國煤炭產能過剩問題顯現，煤炭價格開始下降[1]。2014年我國煤炭產量開始下降，國家去煤炭落后產能政策的效果開始顯現[2]。由于煤炭價格大幅度下降以及國家對煤炭產量的有力調控，全國采煤礦區紛紛減產或停產，大大緩解了產能過剩的矛盾。

煤炭開采長期以來一直是礦區土地環境惡化的主要影響因素，頻繁的開采活動，使礦區土地出現地表塌陷、土壤污染、植被破壞等一系列環境問題[3-4]，對礦區居民的生產生活造成了極大負面影響[5-7]。隨著國家去產能政策的實施，礦區采煤活動減少，可能對礦區生態環境的改善提供了契機，但是這需要進行定量分析，需要建立科學的生態環境質量評價體系。文獻分析表明，很多學者對礦區生態環境質量評價開展過深入研究[8-11]，包括評價指標、評價方法和評價模型等[12-13]。我國于2006年制定了《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2006)，并于2015年進行了更新完善。但是這些研究和規范的目標是揭示礦區生態環境質量的現狀及變化，幾乎沒有對煤炭去產能政策和礦區生態環境質量之間關系進行研究。

本文在煤炭產業去產能的大環境下，對礦區生態環境質量進行評價。通過礦區土地去產能前以及去產能后的生態環境變化趨勢，探索煤炭產業去產能對礦區土地生態環境的影響。以徐州市沛北礦區為例，利用高分遙感影像，結合國土資源調查數據，選擇符合礦區土地特點的生態環境評價指標，建立評價模型，對沛北礦區生態環境進行評價。

1 研究方法

1.1 研究區概況

沛縣位于江蘇省徐州市西北，是江蘇省重要產煤縣。境內已探明煤炭儲量23.7億t，煤田面積160 km2，可采煤層總厚度約6.25～12.7 m，主要可采煤層編號分別是：山西組7號煤層和8號煤層，太原組17號煤層和21號煤層。年產優質原約1 300萬t以上[14]。沛縣地質屬于華北地層區，其間分布發育有潛水、第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓、第Ⅳ承壓5 個含水層組，第Ⅱ、第Ⅲ承壓為地下水的主要開采層，中心埋深32.68 m[15]。區域內有徐莊煤礦、龍東煤礦、孔莊煤礦、姚橋煤礦、三河尖煤礦、張雙樓煤礦、龍固煤礦和沛城煤礦等八對礦井。礦區包括沛城、大屯、楊屯、龍固、安國5個鎮及新城區、開發區2個區，總人口57.4萬人，總面積445 km2，如圖1所示。

圖1 沛北礦區位置示意圖

沛北礦區煤礦均為井工開采，2006～2012年間，煤炭產量一直保持著穩定的增長，尤其是在2009年，同比增長率高達16.15%，煤炭產量處于高速增加階段。自2012年以后，受到煤炭行業產能過剩的影響，煤炭價格大幅下跌，同時由于國家對煤炭行業去產能的要求，煤炭產量出現下降，2015年同比下降10.26%。長期的煤炭開采造成了大量的土地塌陷區，第二次全國土地調查數據顯示，沛縣不同程度土地塌陷區超過0.34萬hm2，預計8對礦井關閉時，將造成土地塌陷1.53萬hm2，涉及全縣196個村莊，約20萬村民受到影響。

1.2 數據來源及處理

依據沛縣礦產資源總體規劃(2008～2015年)，近期規劃為2008～2010年，中期規劃為2010～2015年，因此選擇2008年、2010年、2015年作為評價時間節點，遙感數據采用沛縣2008年11月、2010年12月、2015年12月3景SPOT5/資源三號多光譜波段遙感影像，空間分辨率為2.5 m×2.5 m，影像中心點坐標為φE=35°13′03″，λN=116°37′，投影坐標系為UTM(Universal Transverse Mercator System)，地理坐標系為WGS84(World Geodetic System)。利用沛縣2015年的土地利用現狀圖作為基準，對遙感影像進行大氣校正、輻射定標。根據對遙感影像的目視解譯，結合土地利用現狀圖，采用最大似然度監督分類的方法，對沛北礦區的主要地物進行分類，如圖2所示，研究區劃分為耕地、建設用地、林地、水域和其他用地，其他用地主要包括草地、未利用地等，由于面積較小未作為獨立分類參與評價，各類土地比例見表1。

通過對政府統計數據以及相關文獻的查閱整理，得到本次研究所需的相關數據，主要為沛北礦區2006～2015年間煤炭產量(表2)。

1.3 構建評價指標體系

根據沛北礦區的生態環境現狀以及采煤活動對生態環境的影響，認為土地塌陷是目前礦區主要的環境影響因素，由土地塌陷引發的土地利用類型變化、植被覆蓋降低、水域面積增多等變化，反映了礦區整體的生態環境變化趨勢，許多礦區生態環境質量評價的研究中，也將以上幾種環境變化作為評價的主要指標。因此，本文選取生物豐度指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地損毀指數4項指標對研究區的生態環境進行定量的評價，采用層次分析法對于各項指標的權重進行確定，對各項指標的指數進行標準化處理，在劃定的評價單元中進行綜合評價，最終得到沛北礦區環境質量狀況。

圖2 沛北礦區2008年、2010年和2015年土地利用

表1 各類土地面積及比例

表2 2006～2015年沛北礦區開采利用狀況

數據來源：2006～2015年沛縣年鑒；沛縣礦產資源總體規劃(2016～2020年)；沛縣礦產資源總體規劃(2008～2015年)。

1.3.1 生物豐度指數

生物豐度指數是指一定空間中各種生物的豐富程度，可以間接地反映區域的生態環境的多樣性和適宜程度，生物豐度指數越高，說明該區域的生物種類越豐富，生態環境也更加適宜生物的生長。在生態環境狀況評價技術規范中[14]，采用生物多樣性指數以及生境質量指數來共同確定生物分度指數，然而在實際運用中，由于生物多樣性指數在短時間內不會有較大變化，所以通常來說，我們采用生境質量指數作為生物豐度指數進行測算[16]。生境質量指數是根據確定的土地利用類型的面積與區域總面積的比值確定，各個土地利用類型對應各自的權重，不同類型土地的面積加權求和后與總面積的比值即為生物豐度指數。

通過對于研究區的實際考察以及遙感數據的處理，考慮到沛北礦區草地和未利用地面積較小可忽略不計，沛北礦區的生物豐度指數由研究區域的林地、水域、耕地和建設用地確定，通過層次分析法對各類型土地的權重進行確定。

綜合考慮不同土地類型對于生態狀況的影響，對研究區的水域、耕地、林地、建設用地進行標準化打分排序，考慮其對生態環境的影響，重要性打分如表3所示。

1)建立判斷矩陣UA。

計算判斷矩陣UA的特征根λmax和相應的特征向量ω1：UA=4.051 1；ω1=(0.472 9 0.284 4 0.169 9 0.072 9)。

2)一致性檢驗CI，見式(1)。

(1)

3)一致性比例CR計算。根據一致性比例計算式(2)。

(2)

對于1至10階的判斷矩陣來說，相對應的平均隨機性指標RI如表4所示。

表3 生物豐度指數各指標間重要性打分

表4 平均隨機一致性指標RI值

當n=4時，由表4可知RI=0.9。

一致性檢驗結果CR<0.1，判斷矩陣UA通過一致性檢驗。所以特征向量ω1為生物豐度指數中各土地利用類型的權重向量，即林地、水域、耕地、建設用地在生物豐度指數中所占權重分別為0.472 9、0.284 4、0.169 9、0.072 9，在評價單元劃分的基礎上得到生物分度指數的計算，見式(3)。

生物豐度指數=(0.472 9×林地+0.284 4×

水域濕地+0.169 9×耕地+0.072 9×

建設用地)/單元面積

(3)

1.3.2 植被覆蓋指數

植被覆蓋指數反映了區域中植被的分布情況以及植被的茂盛程度，是生態環境質量評價的主要評價參數之一，有著重要的生態意義。植被覆蓋指數的計算方法見式(4)。

(4)

式中：Pi=象元NDVI月最大值均值；n=單元象元個數。

1.3.3 水體密度指數

在《生態環境狀況評價技術規范》中，對于區域水資源的豐富程度是依據水網密度指數進行測算，但由于水網密度指數需要對水流長度、水資源等進行測算，需要投入較多的人力物力進行搜集相關資料，考慮到評價的可行性和便捷性，在本次評價中，我們選取水網密度指數中的一項水體密度指數作為代替，采用水體密度指數進行測算，在評價單元劃分的基礎上，水體密度指數測算見式(5)。

(5)

1.3.4 土地損毀指數

根據研究區的實際狀況和遙感影像，對于沛北礦區的塌陷積水區進行提取，在已劃分的單元格基礎上，將其作為土地損毀情況的評價單元，以單元格內的塌陷積水區面積與單元格面積作為土地損毀指數，見式(6)。

(6)

在參照《生態環境狀況評價技術規范》中對于各項指數分配的權重基礎上，對參與計算生態環境狀況指數的下屬因子生物豐度指數，植被覆蓋指數，水體密度指數，土地損毀指數進行重要性打分，在對研究區實際狀況進行充分分析后，各項指數重要性如表5所示。

表5 生態環境狀況指數評價指標重要性打分

1)建立判斷矩陣UB。

計算判斷矩陣UB的特征根λmax和相應的特征向量ω2：UB= 4.0145；ω2=(0.4829 0.1570 0.0881 0.2720)

2)一致性檢驗CI。

3)一致性比例CR計算。根據一致性比例計算式(2)。當n=4時，由表4可知RI=0.9。

一致性檢驗結果CR<0.1，判斷矩陣UB通過一致性檢驗。所以特征向量ω2為沛北礦區生態環境質量評價中各項評價指數的權重，即生物豐度指數，植被覆蓋指數，水體密度指數，土地損毀指數在評價中所占權重分別為0.4829、0.1570、0.0881、0.2720。

1.4 構建評價模型

本文選擇常規的網格單元作為研究區的評價單元。通過對沛北礦區的現場勘察了解，區域內土地塌陷情況較為嚴重，塌陷區存在面積大，多集中的特點，塌陷區周邊的土地雖然目前尚未出現塌陷，但相比于遠離塌陷區的土地，存在一定環境破壞的風險，如果評價單元過小將導致評價塌陷區周圍土地時未考慮到土地塌陷風險的影響，因此根據沛北礦區年平均新增塌陷面積1.5 km2的現實情況，將研究區劃分為279個1.5 km×1.5 km等大小的單元格，確保塌陷區1.5 km范圍內的土地在評價時考慮到土地塌陷的影響。

評價體系中選取的評價指標以單元格作為指數的評價單元，在劃分單元的基礎上，計算各評價指數的單元分值并進行無量綱化處理，標準化處理后的評價指數是反映其屬性特征的數值，值域為0～100分。根據層次分析法確定的各指數權重進行單元空間疊加和計算，得到礦區生態環境的綜合評價結果，依據單元分值的分布情況，按照優、良、一般、較差劃分為4個等級，同時計算評價年期內所有單元分的平均值算得生態環境狀況指數，作為年期內礦區生態環境的綜合反映。

2 結果與分析

2.1 生態環境質量評價

根據建立的評價模型和劃分的評價單元，對研究區的生物豐度、植被覆蓋度、水網密度、土地損毀指數進行柵格轉換，采用加權求和計算生態環境狀況指數，作為生態環境綜合評價結果，2008年、2010年、2015年3年的生態環境綜合指數見表6，整體分布情況如圖3所示。

圖3 2008年、2010年和2015年沛北礦區生態環境質量評價等級

2.2 去產能影響分析

煤炭產量變化對生態環境的影響具有一定的滯后性。土地塌陷是影響生態環境的主要因素，由于土地塌陷具有一定的延續性，這也導致去產能對礦區土地帶來的生態環境改善作用具有一定的滯后性，在考慮產能減少對生態環境的影響時必須設置一定的滯后期，才能對去產能產生的影響有客觀的反映。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中地表移動時間T的經驗公式見式(7)。

T=2.5H0

(7)

式中H0為工作面平均采深，單位m。

通過搜集相關文獻及地質報告得知，沛北礦區各礦平均采深為200 m，基于煤炭地下開采對地表造成的土地塌陷預計結果，采深為200 m時開采沉陷穩沉期一般為1～2年，不同地質條件、下沉系數的礦區有所差異，由于缺少沛北礦區開采沉陷預計的系統性研究，所以本次研究中選擇普遍認為的兩年穩沉期作為去產能對礦區生態環境影響的滯后期參與分析。因此，選擇評價年之前的兩年作為影響年，對煤炭平均產量、平均速率等指標進行計算，研究去產能對生態環境的影響，見表7。

2.3 相關性分析

1)煤炭產量與土地塌陷。如圖4所示，對煤炭產量與土地塌陷面積對比分析發現，隨著煤炭產量的不斷提高，塌陷面積隨之增加，煤炭產量與土地塌陷面積呈正相關的趨勢。進一步分析發現，新增塌陷面積對影響年的產量平均變化速率具有較強的敏感性，如圖5所示。2008～2010年間，由于煤炭產量的迅速上升，累計增產高達28.52%，達到了近十年內的最大幅度，這也給礦區土地帶來了巨大的壓力，土地塌陷面積大幅增加，2010年土地塌陷面積新增近3 km2；2013～2015年，煤炭產量開始出現負增長，相應的2015年新增塌陷面積下降至10年間最小。這也說明了煤炭產量的變化速率在一定程度上影響了土地的塌陷程度。一方面，煤炭開采產量反映了采礦活動的絕對強度，產量越高說明工作面推進長度越長，由此造成的土地塌陷范圍也就越大，相關學者也就煤炭產量預測土地塌陷面積進行了研究[17]；另一方面，產量變化速率則反映了煤炭開采的相對強度，產量增長速度越高對土地的壓力越大，尤其是短時間內產量的大幅增長，對土地的破壞度大于土地自身的承載力，同樣會加劇土地的塌陷情況。

表6 沛北礦區2008年、2010年和2015年生態環境狀況指數及比例

表7 影響年產量變化表

圖4 產量-環境變化情況

圖5 產量變化速率與新增塌陷變化情況

2)煤炭產量與生態環境狀況指數。如圖4所示，隨著煤炭產量的上升，環境狀況指數出現下降，煤炭產量與生態環境狀況指數呈現負相關的趨勢。結合煤炭產量對土地塌陷的影響進行分析。煤炭開采過程中，造成了土地塌陷、地表壓占、土壤污染等土地損壞問題，這些問題進而引發耕地破壞、植被受損、塌陷積水等土地覆蓋類型的變化，使礦區生態環境發生惡化。在諸多問題中，土地塌陷是礦區土地面臨的最主要問題，不同程度的土地塌陷對礦區土地帶來了不同的土地覆蓋變化，當塌陷程度小于1.5 m時，土地塌陷造成原有植被破壞、耕地受損等情況，而塌陷程度大于1.5m的塌陷區往往形成積水區，造成區域內水體面積增多，耕地面積減少的情況，這也是煤炭開采對礦區土地覆蓋類型最直接的影響。根據2008年、2010年和2015年土地利用現狀可以發現，土地塌陷面積的增加導致區域內耕地面積、林地面積減少，植被覆蓋出現退化，區域生態環境遭到損害，這也是2008～2015年間環境狀況指數出現下降的原因，又由于煤炭產量與土地塌陷面積呈正相關的影響，煤炭產量上升導致土地塌陷面積增加，土地塌陷情況的加重又引起了生態環境的下降，所以得出結論煤炭產量對土地塌陷具有直接的影響，從而對礦區生態環境產生間接的影響。除了土地塌陷之外，煤炭開采過程中產生的煤矸石、尾礦、礦渣等固體廢棄物以及煤炭燃燒產生的SO2等廢氣，如果未經妥善處理，往往造成土地壓占、土壤污染、空氣污染及水污染等問題，也會給礦區生態帶來負面影響。

3 結 論

本文對沛北礦區2008年、2010年和2015年的生態環境進行評價，研究煤炭去產能對生態環境的產生的影響。通過生態環境評價結果與煤炭產量的對比分析得到以下結論，為未來的研究提供參考。

1)煤炭產量變化速率對土地塌陷具有一定影響。2008年、2010年和2015年沛北礦區煤炭產量變化速率分別為1.19%、14.26%、-0.66%，新增塌陷面積分別為1.42 km2、2.97 km2、0.82 km2，通過煤炭產量變化速率與年新增塌陷面積對比分析發現，兩者之間存在相關性聯系，隨著變化速率的大幅提高，新增塌陷面積也大幅增加，當變化速率下降至負增長時，新增塌陷面積也隨之出現明顯下降。在利用煤炭產量對土地塌陷情況進行預測分析時，產量變化速率是重要考慮因素。

2)煤炭產量對生態環境有著間接影響。2008年、2010年和2015年沛北礦區生態環境質量評價結果分別為67.06、64.53、62.33，對應的煤炭產量有著一定的增長。煤炭開采活動的強弱直接影響著區域內的土地塌陷面積的多少，而土地塌陷對區域生態環境有著重要的影響，由土地塌陷引起的耕地減少、植被破壞等問題嚴重損害著區域生態環境，煤炭開采過程中產生的固體廢棄物等同樣對環境造成了負面影響。因此，煤炭產量對土地塌陷等環境負面因素產生直接影響，從而間接影響著區域生態環境。

3)去產能影響具有一定的滯后性。由于土地塌陷是礦區土地面臨的最主要問題，由土地塌陷引發的各類環境問題是造成生態環境退化的主要因素，同時煤炭去產能與土地塌陷具有十分密切的關系，基于開采沉陷的延續性及滯后性，這使得去產能對生態環境的改善作用在短期內沒有明顯的改善。沛北礦區自2013年以來，煤炭產量出現持續下降，并且在2015年，煤炭產量下降達到10.26%，去產能政策對煤炭產量的限制十分明顯，但由于2013年、2014年產量削減幅度較小，煤炭產量基數大，導致生態環境仍處于下降的趨勢，預計在未來2～3年內，去產能對沛北礦區生態環境的改善作用會有顯著的反映。

致謝：非常感謝沛縣國土資源局提供沛北礦區部分煤炭產量數據。

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Study on the impact of cutting coal overcapacity on ecological environment in mining area

MI Jiaxin，ZHANG Shaoliang，HOU Huping，GUO Shanchuan，SHANG Zhimin
(School of Environment Science & Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

China’s coal production began to decline in 2014，ending a 14-year growth in the situation.In this context，Chinese government implemented policy of cutting overcapacity，closing great amount mines with backward production capacity，integrating a large number of small and medium-sized mines，which laid the foundation for the sustainable development of new normal coal industry，but the impact of this policy on ecological environment of mining area attracted rare attention.Based on SPOT5/ZY-3 high-resolution remote sensing images in September 2008，December 2010 and December 2015，by remote sensing (RS) and geographic information system (GIS)，taking Peibei coal mine of Xuzhou as an example，establishing the evaluation model to evaluate the ecological environment quality in 2008，2010，2015，then compared with the coal production in this mining area.The results show that coal production can improve the ecological environment of mining area，and the coal production is negatively correlated with the change of ecological environment.

mining environment；cutting coal overcapacity；environment impact assessment；remote sensing(RS)

2017-02-20 責任編輯：劉艷敏

國家自然科學基金項目資助(編號：51474214)；江蘇省老工業基地資源利用與生態修復協同創新中心項目資助

米家鑫(1994-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為礦區生態監測與評價，E-mail：jxmi@cumt.edu.cn。

張紹良(1968-)，男，安徽太湖縣人，教授，博士生導師，主要研究方向為礦區生態監測與評價，E-mail：slzhang@cumt.edu.cn。

X822

A

1004-4051(2017)08-0086-07