煤礦城市土地生態安全評價與預測：以山西省朔州市為例

丁 翔，白中科,2

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

煤炭是我國的主要能源，在國民經濟建設中具有不可替代的戰略地位。煤礦城市是在開發煤炭資源的基礎上發展起來的城市[1]。2013年國務院印發的全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)中涉及煤礦城市63座。煤炭資源的開采過程中伴隨著土地資源的污染和破壞，至今其規模、范圍和破壞程度仍在繼續擴大。據中國國土資源航空物探遙感中心2014年監測數據顯示，我國礦山開發占地220.42萬hm2，正利用礦山開發占地約113.48萬hm2，廢棄礦山占地約為98.25萬hm2，其中損毀149.33萬hm2，占用62.40萬hm2，已恢復治理礦山面積僅為8.69萬hm2。其中又以煤礦開發造成破壞土地為主[2]。我國煤炭資源的分布具有不均性。山西、陜西、內蒙古、新疆以及華東平原是富煤區，同時，這些地區大多又處于生態脆弱區[3]。在這些地區進行大規模的煤炭開采，勢必破壞其土地資源和生態平衡，導致生態環境的惡化，同時加劇這些地區的人地矛盾。所以對煤礦城市土地生態安全情況進行全方位的監測并適時發出預警也就尤為必要。

目前，國內外對于生態安全尚未有確切定義[4]，最初研究主要集中在兩個方面：基于基因工程的生態風險與生態安全[5]和化學品的施用對農業生態健康及生態安全的影響[6]。對生態安全、風險評價與研究的綜述[7]，對特定對象的生態安全研究多集中于地域性的生態系統安全[8]、城市的生態安全[9]和特定生態系統如森林系統[10]、農田系統[11]、濕地系統[12]、草原系統[13]等的生態安全研究。對煤礦城市生態安全的研究少見[14]。因此本文在借鑒前人研究的基礎上，以山西省朔州市為例，選取2005～2015年統計數據，基于PSR框架采用多因素綜合指數法進行土地生態安全評價，選用GM(1,1)用于預測2016～2020年各層指標數值，選用障礙度模型來確定顯著影響因子，為研究區生態安全保障建設提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

朔州市位于山西省西北部，桑干河上游，地理坐標為39°05′～40°17′N、111°53′～113°34′E，總面積1.07萬km2。境內三面環山，中部和東部是平原，平原面積約占轄區面積的38%，占城區總面積的70%，整體地勢朝東面傾斜。下轄平魯、朔城兩個區，山陰、應縣、右玉、懷仁四個縣共73個鄉鎮。朔州市形成以煤、電、奶為支柱，陶瓷、食品、機械、建材等為輔的工業體系和農牧為主導，農林牧漁綜合發展的產業格局。全區土地資源豐富，土地利用類型多樣，但隨著城市的發展和礦產資源的開采，耕地不斷減少，土地挖損占用面積不斷提高，全區土地資源和生態安全面臨的壓力不斷增強，維持區域土地和生態安全對城市的可持續發展有著重要的意義。

1.2 數據來源及說明

本文的數據主要涉及煤礦城市的生態環境，主要來源于2005～2015年的《山西省國土資源年鑒》、《山西省煤炭工業年鑒》、《朔州市統計年鑒》以及各年份遙感影像資料。

2 研究方法

本文基于PSR框架構建土地生態安全評價多因素綜合指數，選用GM(1,1)預測未來生態安全變化趨勢，運用障礙度模型對研究區生態安全障礙因子進行診斷。

2.1 基于PSR多因素綜合指數法

在生態安全評價中較為成熟的方法有景觀格局分析法[15]、物元分析法[16]、正態云模型[17]、熵權模糊綜合評價法[18]、生態足跡法[19]以及主成分聚類分析法[20]等。土地生態安全評價屬于多因子綜合評價，要綜合考慮不同范疇的指標，包括生物與資源環境以及生命支持系統對社會經濟及人類健康作用的指標。PSR是由聯合國經濟合作開發署(OECD)提出的，該模型概念基礎是人類活動通過對環境施加的壓力，改變環境的狀態，后者再反饋來影響人類活動的一個回路。本文參考有關研究[21]，基于PSR框架，選取指標依據整體性、代表性、科學性和可操作性的原則，構建指標體系。PSR框架模型見圖1。

圖1 壓力-狀態-響應(PSR)框架模型

結合數據的可獲取性，本文初步選取了32個評價指標，然后通過主成分分析法對初步選取的指標進行進一步篩選，計算指標的矩陣特征值和方差貢獻率累計指標達到85%的指標，篩選出25個評價指標并用熵權法確定各個指標的權重，評價指標權重見表1。最后，根據各指標權重和指數，加權計算得出研究區生態安全值，具體計算見式(1)。

(1)

式中：E為生態安全評價值；Wj為指標權重；Pij為指標的安全指數。

2.2 灰色關聯分析

灰色關聯分析可以用來分析系統中選定序參量與其他參量的密切程度，從而判斷序參量與其他參量的響應程度。本文引進灰色關聯分析，說明研究區煤炭生產與其他評價因子之間變化趨勢的相似或相異程度，灰色關聯度系數計算見式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：r(x0,xi)為關聯度；x0為選定序參量；xi為第i個其他序參量；n為年份數量；r(x0(k)，xi(k))為關聯系數；m、M為矩陣最小差和最大差；Δ0i(k)為差序列；a為分辨系數，取0.5。

表1 朔州市生態安全評價指標權重表

注：表中搬遷安置人口從2010年起，統計年鑒分貧困人口異地安置、棚戶區改造、征地安置以及采煤沉陷區治理安置四項統計，參考采煤沉陷區治理安置人數在2010～2015年間占搬遷安置總人數的30%左右。故本文預設采煤導致的搬遷安置人口占年度搬遷總人數的30%。

2.3 GM(1，1)模型

灰色理論認為系統的行為是復雜多變的，行為數據是多樣的，但從全局來說系統行為符合整體功能，是有序的。為了預測研究區未來的生態安全值，本文選用了GM(1，1)模型對朔州市2016～2020年生態安全值進行預測，并對GM(1，1)進行預測精度檢驗，根據后驗差C、小概率誤差P來判斷模型的精度水平，評價結果見表2。

2.4 障礙度模型

生態安全指數可以反映研究區生態安全狀況，但是無法直觀的描述影響生態安全狀況的重要因子，本文通過引入障礙度模型對生態安全指數影響強烈的因子進行判別，具體計算見式(4)。

(4)

式中：Dij表示指標障礙度；Wj為指標權重；rij為表1中單項指標的標準化值。

3 結果與分析

3.1 生態安全評價結果與分析

參考《中華人民共和國環境保護行業標準》和前人研究的基礎上[22]，本文設計了5級生態安全評價標準，用于描述系統生態安全性，見表3。

表2 GM(1，1)模型精度評價標準

表3 朔州市生態安全評價標準

由朔州市2005～2015年生態安全變化趨勢圖(圖2)可知，朔州市從2005～2015年間生態安全總體上呈惡化的趨勢，生態安全值范圍在0.496～0.697之間，生態安全等級從較安全退化至不安全。從安全級別和變化趨勢來看，朔州市生態安全可以分為兩個階段。第一階段是從2005～2010年間，該階段城市產業結構單一，第二產業占GDP比重不斷上升，由46.67%上升至58.30%，在2008年最高值達到了61%。生態安全值緩慢下降，整體生態安全值從2005年的峰值0.697，接近一級安全下降至較安全與亞安全的臨界，期間在2007年和2010年都有一個短暫的回升。第二階段是2010～2015年，國內煤炭黃金十年結束，但煤炭及相關產業仍占據朔州市經濟的絕對主導地位。煤炭行業占第二產業的比重由接近60%上升到80%，加上相關的鋼、鐵、電等產業，第二產業產值的90%都是由煤炭及相關產業貢獻，總體上看煤炭行業貢獻接近占朔州市GDP的60%，煤炭及相關產業固體廢棄物排放量也占總排放量的64%以上。朔州市生態安全狀況從較安全惡化為臨界安全狀態，在2010～2011年和2012～2013年間生態安全值迅速下降，在2014年度至終期2015年度有所好轉，從2011年開始生態安全等級退化至亞安全狀態。總體來看，朔州市生態安全在2005～2015年間呈加速惡化的狀態。說明朔州市在城市發展的過程中面臨著較大的生態環境壓力。

3.2 煤炭生產灰色關聯分析

按照灰色關聯度計算步驟，選取煤炭資源開采量作為標準數列x0，其余指標分別為xi(i=1，2……24)，得出煤炭資源開采量與其他指標之間關聯度，見表4。

表4 研究區煤炭資源開采量與其他指標關聯度

一般來說，灰色關聯度大于0.5時，指標與煤炭資源開采量的關聯密切，從表4結果來看，人均GDP、人均可支配收入、固體廢棄物排放量與煤炭資源開采量的關聯度在0.8以上，說明煤炭資源的開采對研究區經濟和固體廢棄物的排放量影響強烈；人均耕地面積、土壤侵蝕面積、第二產業比重、搬遷安置人口、廢水排放量、廢水排放達標率與煤炭資源開采量的關聯度大于0.7，說明煤炭開采對土地的破壞、產業結構、搬遷安置、工業廢水產生顯著影響；僅有單位耕地化肥施用量、農業機械化水平、復墾資金投入占GDP比例三個指標的關聯度低于0.5，與煤炭資源開采量之間關系不緊密?？傮w上看，煤炭資源開采量是影響大部分研究區其他生態安全評價的指標的重要因素，對城市經濟、土地資源、人口安置、工業廢棄物等方面影響很大，對農業技術水平和復墾資金投入的影響較小。

3.3 生態安全障礙因子

為了找出生態安全值迅速退化的主要影響因子，本文選用障礙度模型來評估各指標的障礙度，并選出波谷2006年、2009年、2011年、2013年、2015年的前五障礙度因子，見表5。2006年生態安全值狀態層障礙度最大，其次是壓力層和響應層，障礙因子分別為搬遷安置人口、固體廢棄物綜合利用率、人均GDP、草地面積和人均可支配收入；2009年生態安全值壓力層障礙度最大，其次是響應層和狀態層，障礙因子分別為土壤侵蝕面積、搬遷安置人口、固體廢棄物綜合利用、煤炭資源開采量和草地面積，在2005～2010年間，朔州市生態安全障礙因子主要表現為經濟壓力和固體廢棄物的利用效率低。隨著煤礦城市的進一步發展，2011年、2013年、2015年的主要障礙因子基本一致，主要表現為伴隨著煤炭資源開采量的提高引起的工業廢水及固體廢棄物排量增多、土壤侵蝕面積比例的上升、復墾工作趕不上破壞土地的進度。由此可見，隨著煤炭資源的開發，朔州市生態安全影響的主要方面從外在生態環境和經濟水平轉向了煤炭資源開采過程和土地復墾進度帶來的風險，這也導致主要障礙因子隨之發生改變。

表5 朔州市生態安全值波谷年份障礙因子及障礙度

3.4 生態安全預測結果與分析

選用GM(1,1)對研究區2016～2020年生態安全值進行預測，為進一步提高精度，依據精度判別標準對預測結果進行多次殘差修正，將模擬的2005～2015年指標指數與實際的進行比對(圖2)，模擬精度在合格以上，模擬值后驗差C為0.2374，小概率誤差P趨近于1(表6)，說明GM(1,1)模型預測結果在合理的范圍內。預測2005～2020年生態安全值變化趨勢見圖3。 從圖3可看出，朔州市2016～2020年預測生態安全值呈繼續下降的趨勢，大致可將其分為兩個階段，第一階段2016～2017年在上一年大幅回升的情況下維持了小幅度的增長，生態安全值達到了峰值0.563；第二階段2017～2020年生態安全值迅速下降，至2020年最低值為0.330，預測2019年朔州市的生態安全等級將由臨界安全變為不安全。由此可知，按照目前的發展趨勢來看，在未來5年，朔州市的生態安全狀況在初期略微好轉的情況下將繼續惡化，有必要針對生態安全障礙因子采取一定的治理措施。

采用障礙度模型對朔州市2016～2020年生態安全障礙因子進行分析。在此階段，壓力層障礙度維持穩定在較高水平，狀態層和響應層的障礙度下降，壓力層指標對朔州市生態安全影響起著主導作用。通過對各類指標做進一步分析，發現朔州市2016～2020年生態安全值下降的主要原因是煤炭開采量保持高位、工業三廢排量繼續增加、而生態環境治理的資金投入與其GDP占比徘徊不升、復墾工作進展趕不上開采損毀的速度。因此，要提高朔州市生態安全水平，需要在穩定煤炭開發強度的同時，加強生態環境建設和保護的資金投入，加快和完善復墾工作，邊開采邊復墾，做到“不欠新賬、快還舊賬”，確保環境保護落到實處。

圖2 2005～2015朔州市年生態安全變化趨勢

表6 生態安全值模擬精度

指標層CP相對誤差/%預測等級生態安全壓力指標0．23120．94．21合格生態安全狀態指標0．137413．12好生態安全響應指標0．186711．77好

圖3 2005～2020年朔州市生態安全變化趨勢

4 結論與討論

1) 基于PSR模型建立了朔州市生態安全評價指標體系，用主成分分析法篩選出主要指標，用熵權法給各指標賦予權重，以多因素綜合指數法計算朔州市2005～2015年生態安全值。結果表明朔州市生態安全值從2005～2010年的波動緩慢下降變成2010～2015年迅速下降，波動幅度較大，生態安全等級由2005年的較安全下降至亞安全。生態安全狀態呈下降趨勢。

2) 通過灰色關聯度分析可知，研究區生態安全評價指標與煤炭資源開采量的關聯密切，煤炭資源開采對城市經濟、土地資源、搬遷安置、工業廢棄物等方面影響較大，對農業技術水平和復墾資金投入的影響較小。

3) 運用GM(1,1)模型模擬朔州市2016～2020年生態安全值，并用后驗差、小概率誤差檢驗模型精度，GM(1,1)對PSR準則層指數值模擬精度達到了合格以上的水平，可適用于本文預測。預測結果表明朔州市2016～2020年生態安全狀態在2017年前短暫小幅提升后繼續惡化，生態安全等級將由亞安全下降至不安全，亟需采取預防措施。

4) 通過障礙度模型分析可知，朔州市生態安全指數的主要障礙因子由初期的城市經濟水平和固體廢棄物綜合利用水平轉變到后期的煤炭資源開發強度、工業廢棄物廢水、環境保護治理資金、土地復墾率這些因素上，需合理規劃煤炭資源的開采，加強工業廢棄物的無害化處理，加大環保資金投入力度，穩步推進復墾工作順利有效進行。通過這一系列措施來保障朔州市生態安全狀況得以持續改善。

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