高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系構(gòu)建

劉兆敏 雷少剛 金丹 付尉敏 景日馨 張家強(qiáng)

摘 要：為了尋找適合于高潛水位煤礦區(qū)的綜合風(fēng)險評價方法，采用暴露響應(yīng)模型，綜合分析高潛水位煤礦區(qū)風(fēng)險來源與風(fēng)險表征，構(gòu)建了高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價體系，以淮南煤礦區(qū)為例開展空間異質(zhì)性評價。研究結(jié)果表明，高潛水位煤礦區(qū)風(fēng)險主要體現(xiàn)為環(huán)境污染風(fēng)險、水土流失風(fēng)險、洪澇風(fēng)險、土地破壞風(fēng)險、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險以及社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。研究區(qū)綜合風(fēng)險評價結(jié)果符合研究區(qū)的基本情況，驗(yàn)證了高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性?；陲L(fēng)險評價結(jié)果，可以展開針對性的風(fēng)險防范工作。煤礦區(qū)風(fēng)險評價可以為煤礦區(qū)的風(fēng)險治理提供參考，對煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展具有一定的借鑒意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：體系構(gòu)建;高潛水位煤礦區(qū);綜合風(fēng)險評價;空間異質(zhì)性

中圖分類號： TD88? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）01-0041-08

收稿日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：江蘇省自然資源科技項(xiàng)目（KJM2019030）

作者簡介：劉兆敏（1998-），女，江蘇宿遷人，在讀碩士，研究方向：土地利用、環(huán)境遙感。

Construction of Comprehensive Risk Space Evaluation System for High Diving Level Coal Mining Area

LIU Zhaomin1，2，LEI Shaogang3，4，JIN Dan5，F(xiàn)U Weimin6JING Rixin6，ZHANG Jiaqiang6

（1. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences， Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences， Nanjing Jiangsu? 210008， China; 2. College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing? 100049， China; 3. Engineering Research Center of Ministry of Education for Mine Ecological Restoration， China University of Mining and Technology， Xuzhou Jiangsu? 221116， China; 4. Coal Mining Subsidence and Goaf Management Engineering Research Center， Shandong Bureau of Coal Geology， Jining Shandong? 272100， China; 5. School of Management， China University of Mining and Technology， Xuzhou Jiangsu? 221116， China; 6. School of Environment and Science and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou Jiangsu? 221116， China）

Abstract： In order to find a comprehensive risk assessment method suitable for high diving level coal mining areas， the risk sources and comprehensive characterization were analyzed and a comprehensive risk space evaluation system for high diving level coal mining areas was built by using the exposure response model. Taking the Huainan coal mine area as an example to carry out spatial heterogeneity evaluation. The research results show that the risks of high diving level coal mining area are mainly embodied in the risks of environmental pollution， soil erosion， flood， land damage， ecosystem service function losss， and socioeconomy. The comprehensive risk evaluation results of Huainan coal mine area accord with the basic situation of the studied area， which verifies the reliability of the comprehensive risk spatial evaluation system for high diving level coal mining areas in practical applications. Based on the results of the risk assessment， the targeted risk prevention may be carried out. The risk assessment will provide a reference for risk management in coal mining areas and have certain significance and application value for the sustainable development of coal cities.

Key words：system construction; high diving level coal mine area; comprehensive risk assessment; spatial heterogeneity

我國是“富煤貧油少氣”的國家，2019年累計原煤產(chǎn)量達(dá)到38.46億噸，占世界煤炭總產(chǎn)量的47.31%，居世界第一[1]11。隨著煤炭開采利用范圍擴(kuò)大，出現(xiàn)大面積地表沉陷，耕地?fù)p失，植被退化，改變地形、景觀與生物多樣性，污染物擴(kuò)散，誘發(fā)疾病與死亡[2-4]。2019年全國原煤產(chǎn)量排名前十的省份，山東省、安徽省、河南省均處于高潛水位地區(qū)[1]11，煤礦區(qū)內(nèi)具有采后易積水、多煤層多次開采、沉陷深度大、開采時期長的特點(diǎn)[5]，大量農(nóng)田變?yōu)檎訚桑€伴隨諸多環(huán)境污染，制約了資源城市的可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)學(xué)者們對煤礦區(qū)風(fēng)險評價主要圍繞土地?fù)p毀[6-7]、重金屬污染[8]3 676等單一風(fēng)險類型。此外，由于煤炭開采周期長、影響范圍廣泛、風(fēng)險構(gòu)成機(jī)制復(fù)雜[9]，還存在一些對單個系統(tǒng)風(fēng)險的評價，如環(huán)境風(fēng)險評價[10]、生態(tài)風(fēng)險評價[11]、地質(zhì)風(fēng)險評價[12]、社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險評價[13]29。近年來，國內(nèi)外研究者針對煤礦區(qū)風(fēng)險評價的理論與方法開展了一系列研究，文獻(xiàn)[14]提出了礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別步驟與方法，文獻(xiàn)[15]研究了環(huán)境敏感地區(qū)煤炭開采影響的預(yù)測方法，文獻(xiàn)[16]構(gòu)建了典型高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價方法，文獻(xiàn)[17]探討了一種用于煤炭工業(yè)環(huán)境評估的耦合方法（C-EIA），文獻(xiàn)[18]分析了潛在環(huán)境污染參數(shù)在信息系統(tǒng)（IS）中的影響、度量和輸入?？偟膩碚f，煤礦區(qū)風(fēng)險評價方法與應(yīng)用研究已取得了很大進(jìn)展，但現(xiàn)有的風(fēng)險評價針對不同地質(zhì)特征、開采特點(diǎn)的煤礦區(qū)的專門性研究較少。此外，常見的單一風(fēng)險類型或單個系統(tǒng)風(fēng)險評價缺乏對風(fēng)險的全方位思考，在風(fēng)險等級的判定上仍有些片面。

合理的綜合體系構(gòu)建可以更全面的分析風(fēng)險類型與程度，對風(fēng)險進(jìn)行分級，制定不同的風(fēng)險監(jiān)控與預(yù)警措施，為煤礦區(qū)治理提供決策指導(dǎo)。本文基于現(xiàn)有理論和方法，通過風(fēng)險源、風(fēng)險受體和暴露響應(yīng)過程分析，研究高潛水位煤礦區(qū)的風(fēng)險表征，突破只針對單一風(fēng)險類型或單個系統(tǒng)風(fēng)險評價的研究慣性，探討煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價指標(biāo)體系與技術(shù)流程，借助大數(shù)據(jù)獲取、RS、GIS等手段，以淮南煤礦區(qū)為例，討論體系的具體應(yīng)用。

1 高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險分析

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險分析的前提是對研究區(qū)開展綜合調(diào)查，包括地形地貌、氣候、水文、土壤、植被、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)等，了解煤礦區(qū)的礦井生產(chǎn)計劃、開采方式、沉陷現(xiàn)狀。采用多元大數(shù)據(jù)獲取的方式收集數(shù)據(jù)，如文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地采樣與實(shí)驗(yàn)室分析、遙感影像處理分析等。

暴露-響應(yīng)過程分析是風(fēng)險源對風(fēng)險受體的不同作用過程的分析[14]81。在對風(fēng)險源和風(fēng)險受體識別的基礎(chǔ)上，風(fēng)險源通過一系列物理、風(fēng)化、侵蝕等過程作用于風(fēng)險受體，形成不同的風(fēng)險表征。這一過程有助于明確煤礦區(qū)風(fēng)險類型，選擇合適的指標(biāo)參與風(fēng)險評價。

2 綜合風(fēng)險評價技術(shù)流程

煤礦區(qū)風(fēng)險評價一般遵循“評價單元劃分、指標(biāo)選取、權(quán)重確定、綜合評價、結(jié)果驗(yàn)證”的過程，根據(jù)高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價的要求對其進(jìn)行補(bǔ)充完善，建立技術(shù)流程如圖2所示。

3 綜合風(fēng)險指標(biāo)體系研究

高潛水位煤礦區(qū)的風(fēng)險主要表現(xiàn)為環(huán)境污染風(fēng)險、水土流失風(fēng)險、洪澇風(fēng)險、土地破壞風(fēng)險、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險以及社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。

3.1 環(huán)境污染風(fēng)險指標(biāo)

煤礦區(qū)環(huán)境污染形式多樣，其中有三類污染危害最大。煤矸石浸水后淋濾液以及矸石自燃會污染土壤、水源和大氣[19]。塌陷積水面地勢較低，周圍N、P、K等營養(yǎng)元素沿徑流流入積水區(qū)，造成水體富營養(yǎng)化。煤炭開采過程中礦井排水、洗選、運(yùn)輸?shù)染鶗?dǎo)致重金屬元素擴(kuò)散，危害人體健康[8]3 680。故選擇煤矸石堆積、水體富營養(yǎng)化和重金屬元素含量作為環(huán)境污染風(fēng)險指標(biāo)。

通過實(shí)地采樣和RS手段獲取矸石山坐標(biāo)、水體營養(yǎng)鹽或葉綠素實(shí)測值、重金屬元素實(shí)測值、遙感影像。對矸石山進(jìn)行緩沖區(qū)分析，距離矸石山越近，環(huán)境污染越嚴(yán)重。將遙感波段信息與各要素實(shí)測值進(jìn)行反演，得到水體富營養(yǎng)化程度和重金屬元素含量。

3.2 水土流失風(fēng)險指標(biāo)

煤礦區(qū)水土流失使耕地減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，主要是由于受塌陷形成的附加坡度影響，塌陷面地表對土壤和水分的固著能力減弱，故選擇附加坡度指標(biāo)表示水土流失風(fēng)險。

基于實(shí)地測量得到的塌陷面實(shí)測高程點(diǎn)，空間插值得到塌陷面地形要素，利用GIS的三維分析工具生成附加坡度指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 洪澇風(fēng)險指標(biāo)

高潛水位煤礦區(qū)內(nèi)常有深淺不一的積水坑，采煤沉陷破壞了原來的水系統(tǒng)循環(huán)和存儲條件，在暴雨或連續(xù)降雨天氣容易誘發(fā)洪澇災(zāi)害[16]5 616，故塌陷積水是影響煤礦區(qū)洪澇風(fēng)險的關(guān)鍵指標(biāo)。

運(yùn)用實(shí)地考察或者遙感影像水體信息提取的方式得到積水范圍，對積水面進(jìn)行緩沖區(qū)分析，與積水面的距離越近，洪澇風(fēng)險越高。

3.4 土地破壞風(fēng)險指標(biāo)

采煤塌陷是一種破壞力強(qiáng)、影響廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，且煤炭的持續(xù)開采意味著礦區(qū)仍會繼續(xù)塌陷，威脅居民財產(chǎn)與生命安全。因此將地面塌陷與塌陷區(qū)穩(wěn)定性均列入衡量土地破壞風(fēng)險指標(biāo)體系中。

通過實(shí)地測量與文獻(xiàn)調(diào)研收集塌陷面范圍，塌陷面水平變形、曲率、傾斜變形等物理數(shù)據(jù)以及礦井開采計劃。通過緩沖區(qū)分析與地表沉陷預(yù)測技術(shù)分別得到研究區(qū)的地面塌陷與塌陷區(qū)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失風(fēng)險指標(biāo)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持土壤等九類[20]。煤礦區(qū)作為建設(shè)用地，大部分服務(wù)功能效用不明顯，只選擇土壤侵蝕和水源涵養(yǎng)指標(biāo)。雖然土壤侵蝕和前述水土流失風(fēng)險形成上有近似，但風(fēng)險源不同，前者受自然條件影響，后者則是人為活動導(dǎo)致的。

從公開數(shù)據(jù)網(wǎng)站收集降雨量、蒸散發(fā)、土壤屬性、遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，利用RS和GIS手段得到參與InVEST模型土壤侵蝕模塊和產(chǎn)水模塊的運(yùn)算的各參數(shù)，輸出土壤侵蝕和水源涵養(yǎng)指標(biāo)值。

3.6 社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險指標(biāo)

采煤塌陷造成的直接社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險包括居民人身安全損失以及房屋、耕地?fù)p毀等，需要政府或煤炭企業(yè)組織搬遷安置[13]31。耕地?fù)p毀以及礦井閉礦造成大量居民失業(yè)，不僅需要促進(jìn)再就業(yè)，還要加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。綜合考慮選定人口變化率、接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目、失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園、耕地面積變化率、搬遷居民安置五個關(guān)鍵指標(biāo)表示社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。

通過實(shí)地調(diào)查與遙感影像收集獲得道路數(shù)據(jù)、重要地物坐標(biāo)、遙感數(shù)據(jù)。對接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目與失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園進(jìn)行緩沖區(qū)分析。利用RS技術(shù)處理夜間燈光遙感數(shù)據(jù)并對遙感影像監(jiān)督分類得到人口分布與耕地面積。將分類得到的建設(shè)用地信息疊加已搬遷安置的村莊數(shù)據(jù)、塌陷范圍，得到搬遷居民安置指標(biāo)值。

4 綜合風(fēng)險計算方法

4.1 指標(biāo)因子權(quán)重值的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）與比例標(biāo)度法（1-9標(biāo)度法）[21]，收集相關(guān)專家學(xué)者對各指標(biāo)兩兩比較的打分結(jié)果，建立判斷矩陣。

對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢查判斷的邏輯是否一致，得到一致性指標(biāo)CI環(huán)境污染風(fēng)險=0.019，CI社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險=0.059，CI綜合風(fēng)險=0.025，對照隨機(jī)一致性指標(biāo)RI表，計算得到一致性比例CR環(huán)境污染風(fēng)險=0.037，CR社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險=0.053，CR綜合風(fēng)險=0.020，CR值均小于1，一致性檢驗(yàn)合格。

經(jīng)計算，高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價的各因子權(quán)重結(jié)果如表1所示。

4.2 綜合計算

評價指標(biāo)可分為正向貢獻(xiàn)類指標(biāo)、負(fù)向貢獻(xiàn)類指標(biāo)，參與綜合計算前需進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理。

正向貢獻(xiàn)類指標(biāo)包括煤矸石堆積，水體富營養(yǎng)化、重金屬元素含量、附加坡度、塌陷積水、地面塌陷、土壤侵蝕、人口變化率。對這類指標(biāo)進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理

bi=xi-min? ximax xi-min xi（1）

式中：bi表示指標(biāo)的歸一化值，xi表示指標(biāo)的實(shí)際值，max xi和min xi分別表示指標(biāo)最大和最小值。

負(fù)向貢獻(xiàn)類指標(biāo)包括塌陷區(qū)穩(wěn)定性、水源涵養(yǎng)、接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目、失地農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園、耕地面積變化率、搬遷居民安置。對這類指標(biāo)進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理

bi=max xi-ximax xi-min xi（2）

定性指標(biāo)需要定量化處理后才能參與評價，對這類指標(biāo)分檔取值，各指標(biāo)取值范圍保持一致。

采用加權(quán)求和的方式綜合計算各層次風(fēng)險評價結(jié)果，基本公式如下

F=∑nk=1biWi（3）

式中：Wi表示評價指標(biāo)的權(quán)重，bi表示評價指標(biāo)的參評值。

5 實(shí)證分析

5.1 研究區(qū)概況

如圖3所示，淮南煤礦區(qū)位于安徽省中部偏北，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，煤炭資源豐富。煤炭開采為多煤層開采，隨著煤炭開采時序推進(jìn)，沉陷面積和沉陷深度持續(xù)增大，因潛水位高，塌陷后形成大面積常年積水。截止2019a初，淮南煤礦區(qū)塌陷面積已達(dá)243.89km2，影響涉及30余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，48.7萬居民，占全市總?cè)丝诘?3.9%[22]。

5.2 研究區(qū)綜合風(fēng)險空間評價

研究區(qū)范圍內(nèi)采用網(wǎng)格法劃分出500m×500m的風(fēng)險單元。通過大數(shù)據(jù)多元獲取方式收集淮南煤礦區(qū)2017a的地形地貌、降雨、土壤屬性、遙感影像（2010～2017a多時期）、道路、交通等數(shù)據(jù)，按照前述方法處理數(shù)據(jù)，歸一化后與指標(biāo)權(quán)重疊加計算，可視化得到淮南煤礦區(qū)2017a6類單項(xiàng)風(fēng)險空間分布圖（見圖4）與綜合風(fēng)險空間分布圖（見圖5）。

淮南煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價結(jié)果顯示，風(fēng)險等級從低到高的風(fēng)險單元數(shù)分別為966、939、565、323、111個，占總數(shù)的33.26%、 32.33%、 19.46%、11.12%、3.82%。高風(fēng)險區(qū)位于塌陷坑附近，受采煤擾動影響最為顯著，水土流失風(fēng)險、洪澇風(fēng)險、土地破壞風(fēng)險的風(fēng)險等級均較高，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)予以高度重視。中風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)也是塌陷問題比較嚴(yán)重的區(qū)域，尤其是建設(shè)用地類型，社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險等級高，塌陷造成的損失更為嚴(yán)重。低風(fēng)險區(qū)和較低風(fēng)險區(qū)遠(yuǎn)離風(fēng)險源，生態(tài)環(huán)境比較穩(wěn)定，且大多是草地、林地等，其綜合風(fēng)險較小。

5.3 風(fēng)險防控

根據(jù)綜合風(fēng)險空間評價結(jié)果，將高風(fēng)險區(qū)劃為一級風(fēng)險防控重點(diǎn)區(qū)域，優(yōu)先實(shí)施治理和復(fù)墾措施，其次將較高風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)劃為二級風(fēng)險防控重點(diǎn)區(qū)域。居住區(qū)作為易損性較高的地類，按照《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價分類管理名錄》中規(guī)定的環(huán)境敏感區(qū)[23]，將其確定為環(huán)境保護(hù)區(qū)。

煤礦區(qū)風(fēng)險防控以風(fēng)險評價為基礎(chǔ)，通過一定的技術(shù)手段、政策、措施等消除或降低風(fēng)險發(fā)生的機(jī)率以及損失。

1）根據(jù)煤礦區(qū)6類單項(xiàng)風(fēng)險空間評價結(jié)果，針對不同風(fēng)險類型、風(fēng)險程度制定風(fēng)險防控措施計劃，包括調(diào)整生產(chǎn)計劃、傳統(tǒng)工程技術(shù)、生物工程技術(shù)和生態(tài)工程技術(shù)等。

2）統(tǒng)籌規(guī)劃風(fēng)險治理工作，協(xié)調(diào)人力、物力、財力資源的調(diào)配。依據(jù)治理目標(biāo)、治理對象、土地利用要求等制定治理方案和治理強(qiáng)度，并對方案的施行監(jiān)督管理，對治理與復(fù)墾成果進(jìn)行驗(yàn)收。

3）明確政府、煤炭企業(yè)、個人的責(zé)任范圍，形成政府主導(dǎo)、煤炭企業(yè)配合、公眾參與的發(fā)展結(jié)構(gòu)。重視政府各部門之間的協(xié)調(diào)配合，責(zé)任落實(shí)，追究到人，避免權(quán)力交叉，權(quán)責(zé)模糊。6 討論與結(jié)論

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系對于高潛水位煤礦區(qū)具有一定的普適性，與單一風(fēng)險類型的風(fēng)險評價相比，該體系考慮多種風(fēng)險類型的疊加;與單個系統(tǒng)風(fēng)險評價相比，該體系既考慮了風(fēng)險致因因子的自然屬性，也考慮了風(fēng)險承載體的社會經(jīng)濟(jì)屬性，評價結(jié)果更為科學(xué)。以淮南煤礦區(qū)為例，應(yīng)用該體系研究綜合風(fēng)險空間分布，評價結(jié)果符合研究區(qū)的實(shí)際情況，說明該體系在實(shí)際應(yīng)用中相對可靠。

高潛水位煤礦區(qū)綜合風(fēng)險空間評價體系強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性，便于將研究區(qū)的風(fēng)險分為不同等級，因地制宜采取治理措施。故在數(shù)據(jù)獲取上有一定的難度，要求參與評價的數(shù)據(jù)必須具有空間性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方法肯定是不行的，需要借助大數(shù)據(jù)多元獲取手段。

未來還可以從以下幾個方面展開進(jìn)一步研究：

（1）指標(biāo)權(quán)重確定，指標(biāo)權(quán)重的確定直接影響評價結(jié)果的客觀性，權(quán)重的確定不僅可以用層次分析法，還可以采取模糊綜合評價法、隸屬函數(shù)法、數(shù)理統(tǒng)計法中的一種或多種;

（2）指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，明確的指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)不僅可以提升評價的客觀性，還有利于在不同研究區(qū)之間建立橫向比較;

（3）煤礦區(qū)環(huán)境效應(yīng)評價，即對生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)條件等復(fù)雜程度進(jìn)行評價，配合煤礦區(qū)綜合風(fēng)險評價可以確定區(qū)域內(nèi)開展治理的難度與達(dá)標(biāo)度。

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（責(zé)任編輯：丁 寒）