煤炭資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境累積效應

王行風, 汪云甲

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室,江蘇 徐州 22116)

累積效應研究，強調(diào)多項活動或多次重復活動在長時間和較大空間范圍內(nèi)對環(huán)境的疊加累積性影響[1-3]。煤炭資源開發(fā)所固有的時間持續(xù)性、空間擴展性和強干擾性，使得礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應顯著。盡管國內(nèi)外專家針對煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的影響機理進行了多方面的分析[4-6]，但尚未對煤炭資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境累積效應進行系統(tǒng)深入的研究。因此，這里以煤礦區(qū)為研究對象，從累積效應產(chǎn)生過程出發(fā)，對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應的概念、類型和形式等作了初步探討，以對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應研究提供一定的幫助。

1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應的概念與類型

礦區(qū)生態(tài)累積效應是生態(tài)效應在時間和空間尺度上的累積，是指礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)受到過去、現(xiàn)在的外力作用和未來可預見的外力作用(主要是以煤炭資源開發(fā)為主的各種人類活動等)下，所發(fā)生的響應與變化結(jié)果，各種變化之間具有高度的相關(guān)性，具有時間和空間兩方面的表現(xiàn)特征，形式復雜多樣。如礦區(qū)內(nèi)水體的變化，不僅受到一個工程的影響，而且還受到其它工程或人類活動的影響。這些活動之間的交互作用、連鎖反應非常復雜，疊加在一起就共同構(gòu)成了礦區(qū)的水環(huán)境問題[7]。

煤礦資源開發(fā)的特點，使得各種生態(tài)累積效應在不同礦區(qū)、不同階段具有不同的表現(xiàn)形式，或顯式，或隱式，不同的累積效應形式組合交織在一起，具有高度的相關(guān)性。煤炭資源開發(fā)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響種類繁多，表現(xiàn)形式復雜。

2 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積影響源、累積效應形式

2.1 累積影響源

采動生態(tài)累積效應，是從采動角度分析煤炭資源開采所導致的巖層和地表移動作用對生態(tài)環(huán)境各要素的時空影響。累積影響源是和開采活動相關(guān)的各個環(huán)節(jié)，如采區(qū)和工作面布置方式、工作面的推進速度、開采工藝、開采規(guī)模和頂板管理方法等，這些決定著對礦區(qū)生態(tài)要素的影響方式和途徑。

礦區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈累積效應，是從經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)集聚的角度，分析礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境各要素的脅迫和促進作用。產(chǎn)業(yè)類型的特點、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的演變和產(chǎn)業(yè)活動的空間布局等，決定著對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響程度和途徑。產(chǎn)業(yè)鏈累積效應，就是指煤炭資源從開采、加工、開發(fā)利用直至廢棄處理，在整個產(chǎn)業(yè)鏈形過程中所產(chǎn)生的環(huán)境影響累積起來就會形成產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境負荷，從產(chǎn)業(yè)鏈條來看，這種環(huán)境負荷具有累積遞增性質(zhì)。因此，在進行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應研究時，應在分析煤炭產(chǎn)業(yè)鏈所帶來的生態(tài)效應的基礎(chǔ)上，考慮延長產(chǎn)業(yè)鏈、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈及其空間布局，這對于降低或者減緩生態(tài)環(huán)境的累積效應具有積極意義。

礦區(qū)發(fā)展在空間上，表現(xiàn)為空間影響范圍的逐步推進和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的演變兩個方面。因此，礦區(qū)發(fā)展的空間累積影響源，可從礦區(qū)的外部環(huán)境和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)兩個方面進行分析(圖1)。礦區(qū)外部環(huán)境因素中，區(qū)位是指礦區(qū)及其外部的自然、經(jīng)濟、政治等客觀事物在空間上相結(jié)合的特點。如地處發(fā)達城市的礦區(qū)(如京西、徐州等礦區(qū))，雖然礦區(qū)開發(fā)可以依托城市功能進行，但是也帶來了對生態(tài)環(huán)境造成的協(xié)同效應；遠離城市的礦區(qū)(如潞安、大屯等礦區(qū))，雖然交通不便，難以和城市協(xié)同發(fā)展，但其他活動對生態(tài)環(huán)境的影響可能要小一些。煤礦區(qū)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)直接影響著各種影響源的作用強度、組合方式和累積效應的結(jié)果。如淮南礦長期以來，一直按照“多點布局”的形態(tài)發(fā)展[9]。這種發(fā)展使得淮南市的城市形態(tài)完全服從于產(chǎn)業(yè)的布局，城市被動地跟著產(chǎn)業(yè)走，形成非常松散的空間機構(gòu)，導致影響源多而分散，增加生態(tài)環(huán)境問題保護、處理和治理的難度。

礦區(qū)發(fā)展也伴隨著人口的集聚，在不同時期礦區(qū)具有不同的人口結(jié)構(gòu)和人口增長特點。人口的集聚帶來了礦區(qū)地表性質(zhì)的改變，瀝青、水泥等工業(yè)材料代替了土壤和植被，雨水無法滲入土壤并補充地下水，道路及地下管網(wǎng)建設(shè)使下墊面不透水面積增大，直接改變了徑流形成條件。生活用水需求大幅增加，廢污水和生活垃圾等相應增多，從而對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成各種各樣的影響。

圖1 煤礦區(qū)空間累積效應

2.2 礦區(qū)生態(tài)累積效應形式

煤礦區(qū)生態(tài)累積效應形式多種多樣，可以概括總結(jié)為以下幾類[10]：① 時間“擁擠”。指開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境的頻繁和重復的干擾，造成生態(tài)要素難以從干擾中恢復而產(chǎn)生的時間上的累積現(xiàn)象。如沉陷速度若大于土地復墾恢復的速度，將造成沉陷地日漸增多，進而影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。② 空間“擁擠”。反映了干擾或開發(fā)活動在空間上的分布態(tài)勢。如隨著礦區(qū)的發(fā)展，礦區(qū)的采礦點越來越多，人口也越來越密集，最后改變了礦區(qū)的空間結(jié)構(gòu)，造成了景觀的破碎。③ 復合效應。表現(xiàn)為多個影響源、多個環(huán)境變化之間的協(xié)同作用所產(chǎn)生的效應，在不同的尺度上具有不同的表現(xiàn)。如在微觀尺度上，污染物協(xié)同作用形成復合污染；而宏觀尺度上，各種人類活動的疊加影響，造成區(qū)域生態(tài)支撐能力的下降。④ 時間滯后效應。表現(xiàn)為影響發(fā)生與結(jié)果在時間上的延滯。如開采沉陷變形，就是一個復雜的隨時空變化的四維空間問題，是空間和時間的連續(xù)函數(shù)，地面的沉陷存在明顯的時間滯后作用[11]。⑤ 空間擴展效應。表現(xiàn)為環(huán)境效應遠離影響源而產(chǎn)生的現(xiàn)象。如污染物長距離輸送所造成的區(qū)域性水質(zhì)下降等。這種超出邊界的空間累積效應，是較為普遍但又是常常被忽略的環(huán)境問題，應該成為區(qū)域生態(tài)累積效應環(huán)境管理的重要內(nèi)容。⑥ 觸發(fā)點和閾值。環(huán)境系統(tǒng)行為的變化往往存在一些閾值。在閾值水平上，只要再增加一點干擾超出閾值，環(huán)境系統(tǒng)就會出現(xiàn)突變。這也反映了生態(tài)系統(tǒng)對外界累積干擾響應的基本特征，如礦區(qū)土地利用方式的變化。⑦ 間接效應。表現(xiàn)為主項目所帶來的次生或者二次影響。如煤炭資源開發(fā)所帶來的人口的集聚、道路的建設(shè)、配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等活動。⑧ 蠶食效應和破碎化效應。蠶食效應表現(xiàn)為某一地區(qū)在一段時間內(nèi)，由多個重復的干擾而產(chǎn)生的累加效應。礦區(qū)內(nèi)多個采礦點同時開發(fā)，所造成的沉陷土地呈片狀分布，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)繁殖的空間被各種建筑物、道路逐漸割裂等。

3 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應多尺度分析概念框架

人類各種開發(fā)活動及其交互疊加作用，可以存在于局地、區(qū)域或全球等層次等不同的尺度，影響的時間范圍也存在較大的差異，從而使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境累積效應具有明顯的多尺度特性。礦區(qū)作為一個以礦業(yè)開發(fā)為主導產(chǎn)業(yè)的特殊區(qū)域，煤炭資源開發(fā)所帶來的生態(tài)環(huán)境累積效應，同樣具有多尺度特性。根據(jù)生態(tài)環(huán)境分析和評價對象的不同，可將煤炭資源開發(fā)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積性影響的研究尺度，概括為采動生態(tài)累積效應、項目層次的生態(tài)累積效應和區(qū)域尺度的生態(tài)累積效應等三種。

3.1 采動生態(tài)累積效應

采動生態(tài)累積效應，以分析煤炭資源開采對生態(tài)環(huán)境要素的影響為主，空間范圍分析研究的對象主要局限于單個井田，空間尺度多以采動影響范圍為主，時間范圍主要包括勘探期到閉坑期這一段時間。因此和開采活動相關(guān)的各種采礦因素(如采區(qū)和工作面的布置方式、工作面的推進速度、采煤方法和頂板管理方法)等成為主要的累積影響源；地下開采所造成的地表沉陷對地表生態(tài)環(huán)境要素的協(xié)同作用，是造成采動生態(tài)累積效應的根本原因。

3.2 基于項目層次的生態(tài)累積效應分析

煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境效應，是煤炭資源開發(fā)活動所造成的生態(tài)環(huán)境的客觀變化，這種變化不僅與單個井田的開發(fā)相關(guān)，而且也來自于不同井田之間的互相影響。實際上，由于多個礦井之間的交互作用所造成的環(huán)境效應，在更廣的時間尺度和空間尺度累積，因而對生態(tài)環(huán)境的協(xié)同影響在某種程度上來說，更具有區(qū)域的意義。如礦區(qū)地下水環(huán)境(地下水水位、水質(zhì)和流場等)的變化問題，是區(qū)域性環(huán)境問題，是由多個礦井的協(xié)同作用(礦井水疏排等)而造成的。但在實際環(huán)境分析和評價中，各礦井(區(qū))之間各行其是，互不協(xié)調(diào)的情況比比皆是，礦區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境狀況愈來愈差，也就不難理解了。

3.3 區(qū)域尺度的累積效應分析

隨著人類活動對環(huán)境影響的空間范圍的逐步擴大，區(qū)域開發(fā)所導致的生態(tài)環(huán)境變化，必然在區(qū)域尺度上改變著生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，在區(qū)域?qū)哟紊闲纬缮鷳B(tài)環(huán)境累積效應。這就要求在進行累積效應分析時，應從系統(tǒng)的角度，基于區(qū)域尺度去分析影響生態(tài)環(huán)境的各種人類干擾活動及干擾行為之間的疊加所帶來的生態(tài)環(huán)境累積效應，必須認識生態(tài)格局、過程和尺度之間的關(guān)系，確定生態(tài)變化和礦區(qū)各種人類干擾行為的相互作用。

區(qū)域尺度的生態(tài)環(huán)境累積效應分析，是一種涉及空間范圍更廣的環(huán)境分析方法。與基于項目層次的累積效應分析不同，區(qū)域尺度的累積效應分析強調(diào)在人類各種干擾行為和壓力累積作用下的環(huán)境響應特征，明晰環(huán)境響應與環(huán)境壓力之間的關(guān)系。分析的核心是測度人類各種干擾行為所帶來的環(huán)境效應，以及生態(tài)系統(tǒng)的反饋。

從以上分析可知，采動生態(tài)累積效應關(guān)注的是單個井田范圍內(nèi)開采擾動的影響；基于項目層次的生態(tài)累積效應，強調(diào)不同項目之間的疊加和交互作用，而區(qū)域生態(tài)累積效應，則從系統(tǒng)的整體角度強調(diào)各子系統(tǒng)作用與反饋所造成的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能的變化。這些針對累積效應的分析，是在各自特定的空間尺度上進行的。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境效應及其動態(tài)變化的研究雖已有不少的研究成果，但總的來說，對煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應的機理研究不足，還沒有形成嚴格意義上的煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應分析系統(tǒng)。因此，通過系統(tǒng)研究煤炭資源開發(fā)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應的影響規(guī)律，構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應表征模型，剖析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應的機理，提出礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應分析體系和評價方法，形成符合我國國情的累積效應分析方法體系以及法規(guī)，是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境累積效應研究的未來方向。

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