基于正態云模型的寶日希勒煤礦生態安全等級研究*

包孟和, 郭珊珊, 張 茹, 張 峰, 董霽紅

(1.神華寶日希勒能源有限公司 生產技術部，內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116；3.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013)

內蒙古草原地區是我國大型露天礦的主要分布區域。長期以來，高度集中化的開采模式導致地表剝離嚴重、地下水位下降、地表景觀破壞、水體和空氣污染等一系列生態環境問題[1-2]，嚴重影響地下水、大氣、動植物的多樣性及穩定性[3]，草原生態系統的原生平衡不斷受到威脅，各種生態安全問題日益凸顯。寶日希勒煤礦屬于內蒙古草原大型露天開采礦區，對反映內蒙古草原礦區生態安全狀況具有很強的代表性。常年大規模的煤炭資源開采及礦區改擴建造成寶礦土地利用類型和景觀格局分布變化明顯。經實地調研，煤礦開采過程中產生的大量疏干水沉淀后CODcr(80 mg/L)和NH3-N(2.013 mg/L)含量較高，地下水位下降明顯，嚴重威脅當地水環境安全。露天開采形成的排土場高40余米，采掘坑約100余米，導致原有的平坦草場變為新的堆積和凹陷景觀，占用破壞土地達296.38 hm2。在未綠化區，地表裸露、土壤堆積松散，在風力作用下易產生揚塵。此外，礦區后期仍將進行第五期征地擴建，會對礦區及周圍草地景觀、地下水和土壤理化性狀造成新的威脅。目前寶礦因煤炭開采造成的生態損失約1.76億元/a[4]。而由此帶來的生態恢復費用高達13 441萬元/a，生態修復代價巨大。

近年來，隨著“生態文明建設”大力推進，“綠水青山就是金山銀山”理念逐步深入人心，資源開采帶來的一系列生態環境問題越來越受到人們的關注。礦區生態安全研究對于反映由于煤礦開采及相關活動帶來生態環境問題、提出相應的保護措施具有重要的指導作用[5]，是實現綠色礦山建設和可持續發展的關鍵。目前針對礦區的生態安全研究較少，其模型和方法仍需進一步完善。綜合國內外研究現狀，主要集中在以下幾個方面：研究內容從單項到多項生態要素，再到礦區生態累積效應研究，如丁新原[6]、王錦洋[7]、張合兵[8]、Xuejiao Lv[9]等從不同角度出發，嘗試構建針對礦區的生態安全評價指標體系，解析影響礦區生態環境的驅動因子，提出生態治理建議；研究方法主要涉及層次分析法、模糊綜合評價法、生態足跡、景觀格局等模型方法，如劉喜韜[10]將模糊數學與層次分析法相結合，評價了閉礦后的礦區土地復墾生態安全性等級；李恒凱[11]基于景觀生態安全格局理論及最小累積阻力模型，識別了礦區生態源地、生態廊道和生態節點，分析了稀土礦區景觀生態安全狀況；Guo Shanshan[12]利用改進的生態足跡模型分析了呼倫貝爾草原生態安全演變特征和主要驅動因子。研究手段上，主要借助GIS和遙感影像特征識別等，如劉劍鋒[13]利用高分一號衛星遙感影像數據，通過不同因子的遙感反演特征，分析井陘礦區生態安全狀況。

綜上所述，礦區生態安全研究內容日益豐富，方法、技術手段呈多樣化，但目前的評價方法較為趨同，在處理指標選取的模糊性及指標評價的不確定性和隨機性方面均有一定的局限性[14]。李德毅院士[15]基于概率論和模糊數學之間的相互關聯，提出了能夠同時兼顧評價指標模糊性和隨機性的正態云評價模型。通過構造“隸屬云”語言值，能夠實現各評價指標向生態安全等級的不確定性映射，極大提高評價結果的可信度和適用性，克服了常規方法的不足。本研究提出利用正態云模型對寶日希勒礦區生態安全狀況進行定量評價與分析，以期在已有研究結果的基礎之上，進一步提高礦區生態安全評價的精度，為生態礦山建設提供重要參考和科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

寶日希勒煤礦位于呼倫貝爾草原中部(E119°23′56″～119°36′23″，N49°19′24″～49°25′31″)，地理位置如圖1所示，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫-6～8 ℃，年均降雨量315 mm。原生植被種類單調，以寒溫型草甸草原為主，土壤細沙、粉沙含量高，上覆植被一旦破壞，極易造成土壤風蝕，難恢復。寶礦自2001年建成投產開始，2007年二期擴建，2011年已達到20 Mt的年設計產量，2013年產量增至30 Mt，成為蒙東地區目前煤炭生產規模最大的露天礦。

圖1 寶日希勒煤礦區地理位置和采樣點分布

1.2 數據來源

2017年5月課題組分別選取礦區具有代表性的損毀場地北排土場，無采礦干擾的對照場地東排土場以及受人為干預修復的綠化帶和720平臺附近，依據《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)，采用梅花型布點法取 0～20 cm 表層土樣，共40個土壤樣品，具體采樣點如圖1所示。土壤樣品室內理化分析實驗由課題組成員在中科院南土所完成全氮、全磷和土壤有機質含量檢測。社會經濟統計類數據和部分環境數據源自《中國城市統計年鑒》(2018)、《呼倫貝爾統計年鑒》(2018)、內蒙古自治區地質環境公報及相關文獻資料數據。

2 基于正態云模型的礦區生態安全評價模型

2.1 正態云模型基本原理

正態云模型通過構建“隸屬云”語言值，用期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)三個數字特征來刻畫多個指標評價中所存在的不確定性現象[16]。其中，期望Ex代表云的重心，即整個云朵中最能代表論域的云滴；熵En代表云的厚度，即云滴的離散程度，反映論域空間中可被概念接受的云滴的取值范圍；超熵He代表云的凝聚度，用來度量熵的不確定性。在正向云發生器中，利用云的Ex、En、He三個數值特征計算出云滴，重復多次計算產生的云滴就構成了整個云圖，由此來實現評價指標從定性到定量的轉換。

2.2 礦區生態安全評價步驟

正態云模型可有效解決礦區生態安全評價指標的模糊性與隨機性特點，實現定性描述指標到定量化測度之間的轉變。模型計算主要包括5個步驟：

(1)建立礦區生態安全評價指標域C={c1,c2,…,cn}和安全評價指標標準值域S={s1,s2,…,sm}。

(2)根據改進的層次分析法計算各評價指標權重矩陣w={w1,w2,…,wn}，各指標權重如表1所示。

(1)

(2)

(3)

其中，超熵Heij由多次試驗后取得[17]，是對熵Enij的不確定性度量，可以直接反應云滴之間的凝聚程度，Heij越大，說明云滴的聚合性越好，反之亦然。

(4)在MATLAB 2017軟件中，采用已經編程好的X條件云發生器，求取各評價因素對應安全等級的隸屬度Z。為提高結果的可靠性，重復運行發生器N次，取加權平均值作為各評價指標的綜合平均隸屬度[17]，公式如下：

(4)

(5)根據權重W與指標對應評價等級的隸屬度矩陣Z，計算出評價標準值域S上的模糊子集P：

P=Z?W=(p1,p2,…,pk)

(5)

式中，Pj為礦區生態安全評價結果屬于第j個評價等級的隸屬度；n為待評價對象對第j條評語的隸屬度。根據隸屬度最大原則[18]，選擇最大值作為最終礦區生態安全評價結果。

2.3 礦區生態安全評價指標體系構建

干旱半干旱草原礦區是一個集生態脆弱性、擾動破壞性和恢復困難性于一體的復雜生態系統。因此，在構建礦區生態安全評價指標體系時，既要考慮礦區生態環境本底特征，也要反映某些潛在因子變化的影響；既要考慮自然因素的影響，更要考慮人類活動擾動作用。在遵循科學性、針對性、全面性和適用性原則的基礎上，采用PSR模型從壓力-狀態-響應三個層面，構建草原礦區生態安全評價指標體系，如表1所示。

表1 寶礦生態安全評價指標等級劃分標準及權重

壓力指標：草原礦區生態壓力主要來源于工礦建設、煤炭開采等人類活動帶來的經濟成本、資源消耗和生態要素破壞。因此，選擇礦區開采規模、平均剝采比、開采深度、生產成本和土壤侵蝕模數7個指標作為礦區生態壓力指標。

狀態指標：草原礦區土壤、植被、水文等關鍵生態要素與服務功能體現了礦區生態環境受人為干擾影響后的生態安全狀況。選擇年均降水量，人均草地和耕地面積，土壤有機質、全氮、全磷含量，SO2排放濃度等10個指標來反映礦區生態狀態。

響應指標：反映了礦區生態環境治理與保護以及面臨風險威脅時系統功能的自我恢復與提高，主要包括：全員勞動率，廢水利用率，固廢利用率，科研、環保投資比重等5個指標。

2.4 指標權重確定

研究采用改進的層次分析法構造的判斷矩陣無需再進行一致性檢驗，可有效減少數據計算量[19]。首先，依次對n個指標進行兩兩比較，再根據重要性的傳遞性構造判斷矩陣，確定指標權重。計算公式如下：

(6)

式中，wj為評價指標權重；rij為構造的判斷矩陣中第i個元素與第j個元素相比的標度值。

3 寶日希勒礦區生態安全狀況測度

3.1 指標標準值確定

目前關于礦區生態安全的研究較少，在指標安全標準的劃分中，尚未有統一規定。本研究中關于礦區生態安全評價指標標準值的確定，主要根據我國已頒布實施的各項標準、國內平均值、國際公認值、行業分析報告以及已有研究中相似地區研究結果的基礎上[19]，結合咨詢中國礦業大學有關專家對寶礦生態環境現狀及特征的實地調研，綜合分析歸納后最終確定。

3.2 指標值域正態云數字特征

根據步驟(3)，計算表1中各評價指標在不同安全等級下的正態云標準。限于篇幅限制，以C2平均剝采比為例，在安全級內，En=0.29，Ex=2.79，分別設置超熵He為0.01、0.05、0.1，重復運行云發生器N=1 500次，得到1 500個云滴構成的正態云分布圖，如圖2所示。結果表明，當超熵經驗取值為0.05時，正態云曲線顯示清晰，云滴分布相對集中，且在不同安全等級下的云層厚度適中，相差較小。同理，多次試驗后通過正態云模型的數字特征計算匯總各評價指標所對應的安全等級，如表2所示。然后，通過正態云發生器，確定各評價指標的正態云標準數組在不同安全等級下的正態云隸屬度。以C2平均剝采比為例，其標準正態云隸屬函數如圖3所示。

圖2 不同超熵值下的云層厚度

表2 寶礦生態安全評價指標不同評價等級的期望、熵和超熵

圖3 寶礦平均剝采比正態云隸屬度

3.3 安全隸屬度計算結果

根據步驟(4)和步驟(5)，將各指標的隸屬度矩陣和表1中的權重向量W進行模糊轉換，得到評價集S上的模糊子集P，進而計算得出寶礦各目標層在各等級的綜合隸屬度，如表3所示。根據最大隸屬度原則，得到2017年礦區生態安全綜合值。

4 結果分析

由表3可知，2017年礦區生態安全綜合分值為0.994 7，屬于敏感級狀態，壓力、狀態和響應各部分對應的最大隸屬度分別為0.273 5(敏感級)、0.390 2(敏感級)和0.350 4(惡劣級)，說明礦區生態環境在受到人為生產活動干擾后，相應的環保措施響應不足，難以彌補生態環境損失。根據表3繪制寶礦生態安全等級分值圖，如圖4所示，從壓力、狀態、響應三個層面分析礦區生態安全狀況。

表3 寶礦生態安全評價結果

圖4 寶礦生態安全等級分值圖

(1)生態壓力、狀態趨向惡化，生態安全形勢嚴峻

由圖4可知，寶礦生態環境狀況整體上處于敏感狀態，危險級次之，生態環境比較脆弱。長期大規模的開采活動造成表土剝離、地面塌陷、地下水流失、草地退化等一系列生態環境問題，生態安全隱患日益突出。雖然近幾年整體煤市持續低迷帶來的煤炭產量明顯下降，但長期以來，煤炭作為當地的主體能源以及支柱產業的地位仍未改變，寶礦年采煤量仍在百萬噸以上，由此帶來的生態環境壓力依然較大。因此，應在原有生態修復措施的基礎上加強生態治理和環境保護力度，減少對采礦活動周邊生態環境的破壞。

狀態層指標中地表植被覆蓋、空氣質量以及土壤肥力狀態整體較不理想。寶礦植被覆蓋率僅為35%，遠低于我國生態建設中高寒或草原區70%的植被覆蓋標準；大氣中煙塵排放濃度較大，隸屬度位于惡劣等級，空氣質量水平不高；土壤實地采樣計算結果表明，土壤全氮、全磷指標隸屬度均屬于良好級和敏感級。表明礦區擴建提產的同時，對當地的土壤、空氣和植被等生態要素均產生了不同程度的威脅，生態環境狀況仍需進一步改善。

(2)生態環境響應不足，但提升潛力較大

生態安全等級分值圖顯示，礦區生態系統壓力、狀態和人為活動響應等級安全值分布不均，生態系統壓力和狀態在敏感級隸屬度較大，而生態系統響應在惡劣等級隸屬度較大，占總隸屬度的37.07%，在安全和良好級別，僅占19.40%和7.24%。由此可知，廢水利用率、固廢利用率、科研投資比重及環保投資比重較低等人為響應不足已成為限制寶礦生態安全水平提高的主要因素。計算結果表明，除全員勞動生產率處于安全級之外(最大隸屬度為0.070 1)，廢水利用率和固廢利用率均屬于惡劣級狀態(0.125 6、0.127 9)，科研投資比重屬于危險級狀態(0.169 3)，而環保投資比重屬于敏感級狀態(0.325 2)。

雖然目前寶礦人為響應對生態環境驅動不明顯，但是隨著我國“生態礦山建設”和“綠水青山就是金山銀山”理念的提出以及東部大型煤電基地生態修復進程的不斷推進，寶礦作為其重點示范區，在礦區適種植物篩選、水資源動態監測、井上/下生態環境綜合治理、微生物聯合修復等技術、方案的支持與實施下，進一步增加礦區內生態用地比例和植被覆蓋率，減輕土壤重金屬污染，提高生態環境質量，實現礦區經濟-社會-生態協調發展。

5 結論與建議

針對目前礦區生態安全評價中存在的隨機性和模糊性問題，本文基于PSR模型、正態云模型和熵權法，從壓力-狀態-響應三個層面構建指標體系，對內蒙古寶日希勒大型露天礦區生態安全狀況進行評價，并取得了很好的效果，為深入研究與擴展礦區生態安全問題提供新的思路。研究結果表明：

(1)寶日希勒煤礦區生態安全等級處于敏感級水平。長期以來采礦活動的持續擾動，導致礦區生態系統壓力逐漸增大，而相應的生態系統響應不足是目前限制寶礦生態安全整體水平提高的主要原因。從各評價指標隸屬度來看，礦區生態環境壓力主要來源于原煤開采量、礦坑深度和土壤侵蝕；礦區環境質量總體不高主要表現在地表植被破壞、大氣污染和土壤肥力下降；限制寶礦生態安全等級提高的主要障礙因素為廢水、固體廢棄物低利用率、科研和環保投資等響應不足。

(2)礦區的發展需要將經濟效益、社會效益和環境效益協調統一。因此，在后期生態保護與治理中，要綜合考慮礦區生態環境本底特征和關鍵要素對生態環境因子的脅迫程度，按照“保、退、封、育、建”的基本思路，積極探索多元化的有效恢復與重建模式：①建立有效的生態環境監測、預警機制，加強污染源頭管控，將礦山生產活動污染物排放控制在合理標準之內；②積極落實礦區生態環境修復和治理工作，重點改善響應層中的障礙因素；③加大環保資金及科研創新資金的投資力度，改進固廢填埋回收及再生技術，提高礦區廢水綜合利用率，減少資源過量消耗，降低人為因素對生態環境的影響。