煤炭資源型城市生態安全評價
——以錫林浩特市為例

楊兆青,陸兆華,2,*, 劉 丹,袁明揚,王 菲,榮正陽,黃玉凱

1 中國礦業大學(北京)恢復生態學研究所,北京 100083

2 濱州學院 山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室,濱州 256603

3 神華寶日希勒能源有限公司, 呼倫貝爾 021025

本文基于對生態系統為人類提供完善的生態服務功能的理解,認為生態安全是指一個國家或地區的生態環境狀況能持續滿足人類生存和發展需求,人類生存和發展不受或少受生態環境狀況的制約與威脅的狀態[1]。一方面生態環境系統是由生物、土壤、水體、空氣、地質和地貌等在內的自然要素組成的整體環境綜合系統,其所提供的生態服務滿足了人類各種需求,另一方面,人類經濟社會系統對生態環境系統提供的服務功能也會進行適當的調整,既滿足了日益變化的發展需要,又不損害生態環境系統的潛力[1]。因此,生態安全是對維護和保障生態環境系統和社會經濟系統之間協調、穩定、健康和可持續發展關系的探討。生態安全評價是根據研究對象和研究目的,對特定時空范圍內生態安全狀況的定性和定量描述[2]。

人類社會已進入生態文明發展階段,生態文明的核心就是人與自然和諧發展,而生態安全評價的目的便是正確處理經濟社會發展與生態環境保護之間的相互關系,這正是生態文明建設的應有之意。城市的形成是人類從認識自然到改造自然,并與自然和諧共處的過程,是社會發展的趨勢和文明的標志,預計2025年世界城市化率將達到62.5%,中國將達到60%左右,城市發展對自然資源和生態容量的過度占用也給生態環境造成脅迫,生態安全問題逐漸顯現[3]。生態安全是國家安全的重要基石[4],而城市又是國家社會經濟和文化發展的中心,因此城市生態安全是維護國家長治久安的重要保障。資源型城市建設和發展過程中資源、環境和人口矛盾更為突出,城市生態系統更加脆弱,城市生態安全面臨很大的威脅,因此,探討資源型城市生態安全變得尤為重要。煤炭資源型城市是因煤炭資源開發而形成和發展起來的城市,且煤炭及相關產業為當地國民經濟的發展做出了巨大貢獻[5]。煤炭工業是支撐我國經濟建設和社會發展的重要基礎產業,而且煤炭在我國一次能源結構中的主體能源地位將長期保持不變,但其開發利用伴隨的生態破壞和環境污染等生態安全問題較為突出,如土地挖損、塌陷和占壓[6];植被破壞,生物量減少,多樣性降低[7];引發水環境災害[8];礦區及周圍土壤重金屬超標[9];排土場揚塵污染[10]、煤炭利用排放二氧化碳等有害氣體等,生態環境難以承載這種粗放的經濟增長方式,不利于區域的可持續發展。

目前,大多數學者開展了煤礦區尺度的生態環境安全相關研究[7-12],但立足于煤炭資源型城市的生態安全研究鮮有報道[13-16],而且評價方法還存在一些不足,已有研究多采用綜合加權指數評價法,指標權重確定了指標地位間的差異,加權求和得出評價對象的綜合水平,但不能反映評價對象與理想狀態之間的差距;指標安全閾值的劃分標準難以統一,參照其它地區數值會導致評價結果可信度降低;部分研究僅對城市生態安全整體做出評估,缺乏對影響因子的深入研究。在社會經濟發展、自然資源利用、環境狀態改變等方面影響下,城市生態安全的最佳狀況是呈動態變化的,最佳的城市生態安全狀態就是最接近生態安全最優狀態,遠離生態安全最劣狀態,而關于多目標決策的TOPSIS法就是測度評價對象與正、負理想解的距離,該方法既有利于多指標之間的對比,也有利于不同年份之間的分析[17]。熵權法是依據指標反映的客觀信息來反映其相對重要程度,客觀性較強,評價結果準確、可靠。鑒于此,本文選擇我國東部草原區典型的煤炭資源型城市錫林浩特市進行實證研究,采用熵權TOPSIS法對2008—2017年錫林浩特市生態安全狀況進行綜合評價,選擇這10年時間尺度反映的是該市經歷從高速發展到高質量發展,由煤炭基地向煤電一體化建設的轉型階段;同時,引入障礙度模型對影響城市生態安全狀況的主要障礙因素進行診斷,為提升城市生態安全指明具體方向和著力點,以期為錫林浩特市的城市管理決策和可持續發展規劃提供依據。

1 研究區概況

錫林浩特市位于內蒙古自治區錫林郭勒盟,東經115°13′—117°06′,北緯43°02′—44°52′,是錫林郭勒盟政治、經濟、文化中心。屬中溫帶半干旱大陸性氣候,冬季漫長而寒冷,夏季短促而涼爽,年平均氣溫為1.7℃,無霜期100d左右。年均降水量不足300mm,且降水分布不均,由東南向西北方向逐漸遞減。錫林浩特市是我國“兩屏三帶”生態安全戰略格局北方防沙帶的重要組成部分,是生態脆弱區,也是我國大型煤炭基地勝利煤田的所在城市。該市煤炭儲量約為300多億t,煤炭產量占錫林郭勒盟全盟的30.63%,以露天開采為主[18],這種礦采方式對生態環境的破壞最為直接和明顯。隨著煤炭資源的大規模開發,該市以動力煤為主的煤電一體化產業得到了一定發展,2017年煤炭開采業產值占地區生產總值的17.81%,在當地經濟結構中占有重要地位,但煤炭資源的開發利用在促進社會經濟發展的同時,也給當地草原生態系統和城市生態安全帶來了巨大挑戰。

2 數據來源與評價方法

2.1 數據來源

本研究數據主要來源于2009—2018年的《錫林郭勒盟統計年鑒》、《錫林浩特市國民經濟和社會發展統計公報》、《中國城市建設統計年鑒》,以及相關政府部門的歷年統計數據。部分數據通過借助遙感影像獲得,如礦區面積、植被覆蓋度。

2.2 評價方法

2.2.1基于PSR模型的指標體系構建

PSR模型是由聯合國經濟合作開發署提出的壓力(Pressure)-狀態(State)-響應(Response)的概念模型[19-20],其基本含義是人類活動對環境施加壓力(如煤炭開采等),導致環境狀態發生變化(如植被破壞、地下水污染等),采取措施對環境惡化做出響應(如加大環保投入等)。本文基于煤炭資源型城市的可持續發展目標,按照“四級疊加,逐層收斂,統一排序”的原則,構建出層次結構清晰、指標關系明確的綜合評價指標體系[14]。目標層綜合反映城市生態安全總體水平。準則層的壓力、狀態、響應3個子系統相互制約、相互影響,正是制定決策和實施對策的全過程。要素層由生態環境和社會經濟兩屬性構成,體現了自然環境和人類活動的相互作用對城市生態安全的影響。根據要素層的特征和含義進而確定可直接度量的指標層,指標選取也充分考慮了指標數據的科學性、代表性、實用性和可獲得性。在廣泛總結相關文獻的基礎上[13-15,21],并結合錫林浩特市實際情況,構建了包含33個指標的煤炭資源型城市生態安全評價指標體系,如表1所示。該指標體系特別設置了“耗煤發電指數”,即用規模以上工企業火力發電量與原煤消耗量比值近似表示該地區煤電一體化建設效益,體現煤炭清潔高效利用的程度,還有“礦區生態環境治理面積”指標,這些都是煤炭資源型城市生態系統具有代表性的指標。另外,將“人均耕地面積”設置為負向指標,即認為該指標越小對該地區礦業城市生態安全越好,這是因為考慮到本地草原生態系統的原生性及穩定性,耕地設定為限制因子更為合理。

表1 錫林浩特市生態安全評價指標體系及權重

2.2.2熵權TOPSIS法

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,逼近于理想值的排序方法)由Wang和Yoon于1981年首次提出[22],是一種多目標決策方法,其原理是將各指標的最優值和最劣值分別作為正理想解和負理想解,根據評價對象靠近正理想解和遠離負理想解的程度來評估城市生態安全水平。本文將熵權法和TOPSIS法的運算理念相結合,對評價對象和正、負理想解的計算進行了改進,建立熵權TOPSIS模型[17],基于該模型對煤炭資源型城市進行生態安全評價。其計算步驟如下：

設有n個年份(j=1,2,…,n)、m個評價指標(i=1,2,…,m),形成評價矩陣：

(1)

(1)指標標準化

各指標的單位不同,使數據之間的可比性較差,需對原始指標數據進行標準化處理。本文采用極差變換法將原始數據統一轉化到[0,1]區間之內,得到標準化矩陣Y,其過程如下：

(2)

(3)

式中,xij、Yij—第j年第i指標的原始值和標準化值;min(xij)、max(xij)—各指標原始值中的最小值、最大值。

(2)確定指標權重,構建加權決策矩陣

選擇客觀熵權法對指標進行賦權,其意義在于某一指標值的差異程度越大,熵值越小,權重就越大,說明該指標提供的有效信息越多[23],該方法較為成熟,本文就不再贅述。指標權重向量W=(W1,W2, …,Wi),結合標準化矩陣Y,得到加權規范化矩陣V：

V=YW=[vij]m×n

(4)

(3)確定正理想解(V)和負理想解(V-)

(5)

(6)

(4)各年份評價指標到正、負理想解的距離T+和T-

(7)

(5)計算各年份評價對象與理想解的貼近度Cj

(8)

用貼近度表示城市生態安全指數,Cj值越大,表示城市生態安全越接近最優安全狀態,相應的生態等級就越高,其取值范圍為[0,1]。

2.2.3生態安全等級劃分

參考資源型城市生態安全等級劃分的相關文獻[13,15,24],并結合錫林浩特市實際情況,將研究區生態安全劃分為5個等級,如表2所示。

表2 煤炭資源型城市生態安全分級標準

2.2.4障礙度模型

依據貼近度表示生態安全值可以反映研究區整體生態安全狀況,但是無法直觀的描述影響生態安全狀況的重要因子,因此引入障礙度模型,對錫林浩特市生態安全狀況產生障礙的影響因子進行診斷和分析,以便有針對性地作出相應的決策和調控。障礙度模型是建立在綜合評價基礎上的數學統計模型,其具體方法是引入因子貢獻度(Fi)、指標偏離度(Iij)和障礙度(Oij、Bj)3個基本變量對障礙因素進行診斷[25],計算公式如下：

Fi=Wi×Uk,Iij=1-Yij

(9)

(10)

式中,Wi為單項指標權重;Uk為單項指標所屬準則層的權重(k=1,2,3);Fi為單項指標對總目標的貢獻大小;Iij為單項指標實際值與最優目標值之差;Oij、Bj為分別表示單項指標和子系統對保障城市生態安全的阻礙程度。

3 結果與分析

3.1 指標權重分析

熵權法的客觀賦權方式避免了人為因素的干擾,使指標權重確定更具科學性。指標賦予的權重越大,其在生態安全綜合評價中的作用就越大。從本研究中各指標權重來看,第三產業占GDP比重、礦區面積、城鎮化率、城鎮居民恩格爾系數和礦山生態環境治理面積的權重位居前五。第三產業占GDP比重的賦權最大,說明產業優化是提升城市生態安全的有效措施,體現了對資源型城市產業結構調整的重要性;錫林浩特市以露天煤炭開采為主,采礦作業區對當地草原生態系統造成了很大擾動和破壞,因而礦區面積權重值較大;城鎮化率和城鎮居民恩格爾系數分別反映了社會發展水平和人民生活質量,揭示了煤炭資源型城市中煤炭及相關產業發展帶來的社會和經濟效應,這兩項指標的權重排名亦比較靠前;礦山生態環境治理面積指標位于權重前五,體現了當地政府對礦山生態環境保護和恢復的重視程度。

3.2 生態安全綜合評價結果

3.2.1整體生態安全狀況

由圖1可知,2008—2017 年錫林浩特市生態安全綜合值在0.377—0.553之間,生態安全狀態從較不安全轉為臨界安全。城市生態安全狀況演變可分為3個階段。

圖1 2008—2017年錫林浩特市生態安全指數變化趨勢

第一階段是2008—2011年,生態安全下降期。城市生態安全水平處于較不安全狀態且安全水平逐年下降,生態安全綜合指數降至研究期內最小值0.377,年均遞減率為6.68%,結合表2可知,該地區生態環境系統結構和功能有所退化,生態環境已經受到嚴重損害,這幾年錫林浩特市處于由傳統農牧業城市向新型資源型城市轉型的過渡期,煤炭開采已成為該市經濟發展的主要動力,進而出現城市產業結構不合理、經濟發展過度依賴資源和環境污染加劇等問題[26],城市可持續發展受到嚴峻挑戰。

第二階段是2011—2015年,生態安全快速上升期。城市生態安全狀態有所好轉,生態安全綜合值從2011年的0.377逐步上升到2015年的0.532,年均增長率為8.94%,生態安全水平從較不安全水平顯著提升到臨界安全水平。究其原因,一方面因為2012年國內煤炭黃金十年結束,錫林浩特市煤炭開采強度有所收斂,2013年煤炭開采量較2012年減少將近1000萬t[18],煤炭開采引發的生態環境問題也隨之減弱;另一方面,該市礦山企業積極響應煤炭工業發展的“十二五”規劃,按照建設環境友好型礦區的要求,積極開展礦山地質環境治理工作,成效顯著,五年內共計投入治理資金5.6億元,恢復治理面積達17km2,此外該市政府還從調結構、控新增、減存量三個方面入手,將燃煤鍋爐整治、涉氣企業脫硫和脫硝設施改造等納入重點減排工作,努力完成減排目標任務。

第三階段是2015—2017年,生態安全波動穩定期。城市生態安全水平呈波動變化且小幅上升,仍處于臨界安全水平,未來年份生態安全值可能在0.55左右浮動。“十三五”時期,國家優化煤炭生產開發布局,考慮到內蒙古東部生態環境脆弱,水資源短缺的問題,控制褐煤生產規模,限制遠距離外運,主要保證錫盟煤電基地用煤需求,煤炭工業發展規劃的出臺和本地礦山企業的認真落實,使得錫林浩特市生態安全水平呈相對穩定趨勢發展。

目前,錫林浩特市生態安全水平雖有好轉,但仍屬于低級別的臨界安全等級,生態環境脆弱,生態安全水平有待進一步提高。

3.2.2各子系統生態安全狀況

壓力系統生態安全指數呈先下降后上升,再小幅下降的趨勢,表明該市生態安全壓力先增大后減小再稍微增大(負向指標,數值越小,生態安全壓力越大)[27],人類對生態系統的干擾很不穩定。根據壓力指數的變化情況可分為3個階段：第一階段是2008—2013年,壓力指數逐年下降,年均遞減率為9.10%。期間,壓力系統中人均原煤產量、人均發電量、礦區面積、規模以上工業原煤消費量、煤炭采掘業產值占能源工業產值比重都在持續增長,工業廢棄物排放量大,雖然人均GDP有所提高,但也無法抵消煤炭工業快速發展給城市生態安全帶來的負面影響。第二階段是2013—2015年,壓力指數逐年上升。期間,人均原煤產量、工業廢水排放量、工業煙(粉)塵排放量的減幅較明顯,分別為36.87%、60.45%和54.48%,雖然來自人口自然增長率方面的壓力以140.20%的速率增長,但壓力指數仍以年均11.58%的增長率上升,生態安全壓力逐漸減小。第三階段是2015—2017年,壓力指數小幅下降,年均遞減率僅達0.60%。期間,工業SO2排放量和工業煙(粉)塵的排放量顯著減少,減幅分別為80.56%和91.84%,但受其他指標共同作用,該階段壓力系統對城市生態安全仍存在微弱的負面影響。

狀態系統生態安全狀況呈波動上升趨勢,2008—2017年狀態指數以年均0.97%的速率上升。其中,生態環境方面的人均地表水資源量和人均地下水資源量逐年減少,人均草地面積在波動中減少,人均耕地面積變幅不大,人均城市道路面積增幅達25.60%;來自社會經濟方面的城鎮居民人均可支配收入和農牧區居民人均可支配收入逐年增長,增幅分別高達193.93%和275.55%,由此看來,該市社會經濟發展對提升城市狀態系統生態安全的貢獻更大。

響應系統生態安全基本呈快速上升的變化趨勢,由2008年的最小值0.146逐步提高到2017年的最大值0.719,年均增長率為19.41%,響應指數日益增大,有利于城市生態安全的提升。這10年間錫林浩特市政府加大了對生態環境保護的財政支持,環保投資占GDP 比重由1.36%提高到3.20%,同時也注重經濟轉型升級,合理進行產業布局,第三產業占GDP比重由27.72%提高到49.20%,其中現代服務業比重明顯上升;耗煤發電指數不斷增大,10年間增加了0.6倍,可見煤電一體化建設頗有成效;2017年,該市建成區綠化覆蓋率(36.19%)、一般工業固廢綜合利用率(100%)、城市污水處理率(94.69%)、生活垃圾無害化處理率(100%)均高于國家衛生城市標準,這些都有利于生態安全響應指數的整體提高。

3.3 生態安全障礙因子診斷

3.3.1單項指標的障礙度

本文給出了2008—2017年指標層障礙度排序前五位的因子,如表3所示。2008—2017年阻礙錫林浩特市生態安全狀況的障礙因素中主要集中在壓力系統和狀態系統方面。2008年阻礙城市生態安全的障礙因素主要包括城鎮化率、第三產業占GDP比重、人均GDP、農牧區居民人均可支配收入、城鎮居民人均可支配收入等;2012年阻礙城市生態安全狀況的障礙因素主要包括城鎮化率、城鎮居民恩格爾系數、礦區面積、工業SO2排放量、第三產業占GDP比重等;2017年阻礙城市生態安全狀況的障礙因素主要包括礦區面積、工業廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源、人均地表水資源等。從單項指標變化趨勢上看,2008—2017年礦區面積、工業廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源量和人均地表水資源量指標障礙度上升幅度較大。

表3 2008—2017年錫林浩特市生態安全主要障礙因素排序

2008—2012年排名第一的障礙因素是城鎮化率,2012年前錫林浩特市城鎮化率基本保持在86%左右,阻礙了城市生態安全狀況的改善。城鎮化率越低,一方面說明地區社會經濟發展薄弱,另一方面意味著人類活動范圍廣,進而對人類聚集區以外的自然生態環境干擾就越大,區域社會經濟和生態環境方面的安全狀況也就隨之降低。2012年后該市城鎮化率基本保持在90%左右,城鎮化率的障礙度逐年降低,這是因為錫林浩特市大力推進新型城鎮化,鞏固全盟主中心城市的引領地位。2012—2017年排名第一的障礙因素是礦區面積,這5年該市露天采礦面積以年均5.49%的增長速率不斷擴大。草原露天開采區對草地生態系統的劇烈擾動將導致自然生態系統結構和功能的受損,加之城市化的快速推進,共同對區域環境質量、景觀生態等產生重大影響[28]。

2015—2017年礦區面積、人均地下水資源量、人均地表水資源量和人口密度均位于障礙因子前五的行列。具體表現為煤電基地大力建設過程中,工礦用地不斷擴大;露天開采使地表沉陷,在一定程度上改變地面降水的徑流與匯水條件,因此間接影響礦區周圍的地表水量;煤炭挖掘深度加大,地下蓄水構造被破壞,同時礦井水污染地下水,導致地下水資源流失嚴重和污染加劇;煤電一體化發展提升了區域經濟實力,人口快速聚集,人口密度增加,導致局部生態壓力也隨之增大[29]。

3.3.2各子系統的障礙度

根據單項指標障礙度計算結果,進一步計算出錫林浩特市生態安全各子系統的障礙度(圖2)。2008—2017年壓力系統障礙度最大,其次是狀態系統、響應系統。可見,改善煤炭資源型城市生態安全狀況必須從壓力系統入手,同時注重提高狀態系統和響應系統的生態安全水平。從各子系統的障礙度變化趨勢來看,壓力系統的障礙度大幅上升,狀態系統的障礙度呈波動上升趨勢,而響應系統的障礙度呈大幅下降趨勢,其中,壓力系統和狀態系統的障礙度分別以年均6.04%和2.11%的速度增加,響應系統的障礙度以年均18.48%速度下降。

圖2 2008—2017年錫林浩特市各子系統障礙度

4 結論與討論

(1)2008—2017這10年間典型煤炭資源型城市錫林浩特的生態安全經歷了緩慢下降-快速上升-波動穩定3個時期,總體由較不安全轉為臨界安全狀態,呈現向好但尚不穩定的態勢,目前該市生態安全處于臨界安全等級區間[0.7—0.5]內,整體生態安全水平屬于較低級別的安全,有待進一步提高。

(2)研究期內錫林浩特市生態安全的各子系統生態安全變化態勢有較大差異。其中壓力指數呈大幅下降后上升再小幅下降的變化趨勢,狀態指數呈波動上升趨勢,響應指數總體呈快速上升趨勢。煤炭資源型城市生態安全壓力指數與煤炭開發利用的方式、強度和規模以及煤炭能源支撐下的社會、經濟發展等因素密切相關,錫林浩特市必須進一步加快能源及產業結構調整和轉型升級步伐,充分發揮煤電一體化經濟-社會-生態效益共贏優勢。生態安全狀態系統反映了人類活動對城市生態系統結構和功能的改變,錫林浩特市生態安全狀態指數波動變化,呈不穩定態勢,煤電基地建設使礦區及周圍生態環境狀態發生一定變化,造成地下水結構受損、植被破壞、土地沙化和草地退化等,今后需加強水資源監管和水土保持工作,嚴格落實草原生態建設。生態安全響應系統表明了人類積極采取環保措施以恢復環境質量和防止環境惡化,錫林浩特市生態安全響應指數變化態勢良好,歸因于該市強化環保執行力,使得環境治理成效顯著。今后在不斷提升各子系統生態安全水平的同時,還需注重子系統間的協調發展。

(3)從各子系統的障礙度來看,研究期內壓力系統是影響城市生態安全的首要因素,其次是狀態系統和響應系統。子系統障礙度的變化趨勢顯示,壓力系統和狀態系統的障礙度分別以年均6.04%和2.11%的速度增加,響應系統的障礙度以年均11.15%速度下降。壓力系統障礙度上升速度快于狀態系統障礙度的上升速度,因此未來應更加關注壓力系統對城市生態安全的影響。

(4)從各指標的障礙度來看,研究期內最大障礙因子經歷了從城鎮發展帶動下的城鎮化率到煤炭資源開采對土地資源的占用,即不斷擴大的礦區面積的演變。影響錫林浩特市生態安全的主要障礙因子包括礦區面積、工業廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源量和地表水資源量等。因此,探索科學化、高效化、集約化的礦區土地利用方式,穩步推進礦山生態修復工作;加強大氣重點污染源監察,革新廢氣處理工藝,繼續推進燃煤鍋爐改造淘汰專項整治工作,嚴格落實工業SO2減量排放,有效控制煤炭露采粉塵污染,降低露天煤礦草原的粉塵污染風險;協調人口數量與資源承載力的關系,緩解人口快速擴張對局部生態環境的壓力,利用產業布局促使人口合理分布;提高礦井水生態利用率,控制地下水超采,加快推進錫林河周邊廢棄礦坑治理,恢復地表植被,達到涵養水源的目的,逐步恢復地上-地下良好的水分循環系統等措施是提升錫林浩特煤炭資源型城市生態安全的重要舉措。

(5)本文基于PSR模型構建煤炭資源型城市評價指標體系,運用熵權TOPSIS法能夠充分利用原始數據的信息,客觀真實反映現實情況,獲取可靠的城市生態安全水平的綜合診斷結果,基本達到預期的研究目的。由于數據的可獲取性和連續性等,環境污染指標(如重金屬污染等)缺乏連續年份數據,導致指標體系不全面。