基于理想點法的礦區生態環境敏感性評價

王占軍, 張悅國, 石嵩云, 陳亞恒

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071001;

2.河北省易縣水務局, 河北 保定 074200; 3.河北省保定市土地開發整理中心, 河北 保定 071001)

基于理想點法的礦區生態環境敏感性評價

王占軍1, 張悅國2, 石嵩云3, 陳亞恒1

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071001;

2.河北省易縣水務局, 河北 保定 074200; 3.河北省保定市土地開發整理中心, 河北 保定 071001)

摘要：[目的] 對河北省保定市淶源縣13個主要礦區進行生態環境敏感性評價，旨在為礦區生態環境評價和治理提供理論基礎和技術保障。[方法] 通過PSR框架模型建立礦區生態環境敏感性評價指標體系，并引入理想點(TOPSIS)法。[結果] (1) 空間布局上，淶源縣南部礦區生態環境質量較差，中部礦區中等，而北部礦區較好； (2) 具體礦區上，塔崖驛鄉礦區、東團堡鄉礦區生環境敏感性最好，而烏龍溝鄉礦區最差。[結論] 引入TOPSIS法進行小尺度縣域礦區范圍內生態環境敏感性評價，評價過程簡便易行，可操作性強，且不受評價指標個數的影響，評價結果更加準確、客觀、實用，能很好地反映淶源縣各礦區生態環境的優劣程度及區域差異。

關鍵詞：生態環境； 敏感性； 理想點法； 礦區

近年來，我國國民經濟正處于快速、持續、健康發展的階段，對礦產資源的需求持續增加[1]。礦產資源的過度開發導致了一系列的生態環境問題，礦區生態退化和環境污染等問題越來越嚴重，然而礦區生態環境保護與恢復治理的工作卻進展非常緩慢，加強礦區生態環境的保護管理已經刻不容緩[2]，區域范圍內生態環境敏感性評價受到了國內外學者的重視和關注。目前，國內外關于生態環境敏感性的研究主要針對于區域生態環境問題的形成及影響因素分析研究[3-7]，生態系統對酸沉降的敏感性研究[8-9]，自然流域生態系統敏感性及其恢復力分析研究[6,10]等方面；研究對象多集中于自然流域、生態環境保護區范圍內及國家、省域大尺度上的研究區域[11-15]，而針對縣域及典型礦區小尺度范圍內的研究還相對較少；研究方法主要有層次分析法、變異系數法、GIS空間分析法等[14,16]，研究方法正處于探索、發展階段，依然存在著較大的人為主觀性，導致研究結果難以準確地反映研究區的生態環境現狀。因此，針對小尺度范圍內的研究對象，如何引入科學、合理的評價方法，構建一套具有代表性、針對性的指標體系將是以后研究的熱點問題。TOPSIS法已經廣泛的應用于工程設計、經濟管理、醫療和軍事等諸多領域中的方案擇優決策上，如舒歡[17]基于組合賦權—TOPSIS模型對水利工程建設方案優選決策方法進行實證研究；崔和瑞[18]運用熵權TOPSIS法對配電網可靠性進行研究，為構建科學的評價體系提供有力的保障；韓瑞玲[19]運用TOPSIS法對遼寧省循環經濟進行生態效率分析研究，綜合評價了遼寧省循環經濟發展軌跡；陳西蕊[20]運用PSR—TOPSIS法對區域土地資源生態安全進行動態分析，為陜西省土地資源的可持續利用提供科學參考，而該方法在區域生態環境評價研究方面相對較少。因此，本研究通過對淶源縣13個主要礦區生態環境現狀實地調查與踏勘，以新一輪的土地利用總體規劃遙感影像數據為基本數據，在“壓力一狀態一響應”(PSR)結構模型支撐下建立了一套礦區生態環境敏感性評價體系，引入TOPSIS法對淶源縣主要礦區生態環境敏感性進行評價研究，旨在為礦區生態環境評價和治理提供理論基礎和技術保障。

1研究區概況

淶源縣位于河北省保定市西北部，東西橫距61 km，南北縱距71.5 km，國土面積2 431.18 km2。研究區地處太行山北段，屬全山區縣，主要地形為山地，整體地勢西北高，東南低，境內群山起伏，溝谷縱橫。研究區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足，年平均氣溫12.1 ℃，無霜期215 d，最大凍土厚度34 cm，年平均風速3.3 m/s，年平均日照時數2 257.4 h，年平均降水量為515.1 mm，降水量各月份分配不均，降水多集中于7—9月份，占全年降水量的60%，年蒸發量2 052 mm。研究區土壤類型主要為褐土和棕壤土，分別占該縣總面積的73.5%和25.3%，大多土質較為貧瘠，部分石沙混雜，不宜耕作。淶源縣礦產資源豐富，現已探明的礦產共43種，主要有鐵、銅、鉛、鋅、金、銀、鉬、石棉、大理石、石灰石和白云巖礦等。全縣不同規模礦山87座，分布于該縣13個鄉鎮，以行政單位為單元組成了13個主要礦區。

2評價方法及體系構建

2.1　評價方法的確定

2.1.1TOPSIS法的基本原理TOPSIS法即理想點法，是一種多目標決策方法，該方法的基本原理是在數量有限的研究對象方案中，找出最優方案或正理想方案及最劣方案或負理想方案，然后在此基礎上，分別衡量其他研究對象的方案對于二者的距離，得到研究對象方案和最優方案兩者的相對接近度，作為研究對象優劣程度的依據[17-20]。所以本研究采用該方法對礦區生態環境敏感性進行綜合評價，評價過程簡便易行，可操作性強，不受評價指標數量的影響，能很好地反映淶源縣各礦區生態環境的優劣程度及區域差異。

2.1.2礦區生態環境敏感性評價基本思路通過理想點法分別計算出研究對象生態壓力、生態狀態和生態響應的3個子系統的評價值Cq，Cs，Cr，用來表示子系統的優劣和差異，進一步為進行淶源縣主要礦區生態環境區域差異分析提供依據。根據生態壓力、生態狀態和生態響應3個子系統的全部評價指標，通過理想點法綜合計算出研究對象的生態協調度指數C，以此作為淶源縣主要礦區生態環境優劣程度評價的依據。最后，通過SPSS軟件進行聚類分析，劃分淶源縣13個主要礦區生態環境敏感性等級。

2.1.3TOPSIS法評價的具體步驟

(1) 評估矩陣的構建。在生態壓力子系統下對n個研究對象(即白石山鎮礦區，南屯鄉礦區，銀坊鎮礦區，走馬驛鎮礦區，北石佛鄉礦區，水堡鎮礦區，金家井鄉礦區，東團堡鄉礦區，王安鎮鎮礦區，塔崖驛鄉礦區，烏龍溝鄉礦區，楊家莊鎮礦區，煙煤洞鄉礦區)選擇m個評價指標，在相關數據支持下得到原始數據矩陣，其中各元素為Xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)：

(1)

(2) 評價指標正向化。如果第i個評價指標是正指標，則將每個礦區的該評價指標實際值除以13個礦區里最大的指標值；如果第i個評價指標是逆指標，則用13個礦區的該評價指標中最小指標值分別除以每個礦區的實際值，進而得到一個評價指標正向化的無量綱矩陣Zmxn，其中各元素為Zij(i=1，2，...，m；j=1，2，...，n)。

(3) 無量綱矩陣的標準化。對于得到的無量綱矩陣里各元素Zij進行標準化處理，得到其標準化矩陣：

(2)

(3)

計算生態壓力子系統下每個礦區的實際指標值和最優值及最劣值的歐式距離：

(4)

(5)

(5) 生態壓力評價值Cpj的計算。以每個礦區生態環境敏感性實際值與最優值的相對接近度作為評價值，則：

(6)

可知Cpj值越大，生態壓力理想度越好，即生態壓力較小，反之較大。

同理，按上述步驟可計算出13個礦區在生態狀態子系統下的生態狀態評價值Cs，可知Cs值越大，生態狀態越優；也可計算出13個礦區在生態響應子系統下的生態響應評價值Cr，可知Cr值越大，生態響應越好；最后可計算出整個研究區在生態PSR系統下的13個主要礦區生態協調度指數(生態綜合質量評價值)C，可知C值越大，生態質量越優。

2.2　評價體系的構建

“壓力—狀態—響應”(PSR)結構模型是評價礦區生態環境質量和生態環境發展協調度的一種方法[21-22]。該模型主要是從生態壓力、生態狀態和生態響應三方面，以礦區生態環境特性為基礎，對礦山生態環境敏感性進行評價。根據科學性、針對性、層次性、可量化性、可持續性等原則，從評價目的層、評價因子層、評價指標層、指標屬性4個角度，運用特爾菲法建立PSR框架下的礦區生態環境敏感性評價指標體系(表1)。

表1　PSR框架下的礦山生態環境敏感性評價體系

注：其中主要礦種分“巖石礦”、“煤礦”、“金屬礦”3個等級；開采方式分“露天”、“地下”2個等級；景觀破壞程度分“輕微”、“較輕”、“較重”、“嚴重”4個等級。

3結果與分析

3.1　研究區域和數據來源

以淶源縣13個主要礦區為研究樣本，2009年為評價年份，將16個具體指標設置為相應的分析變量，建立數據文件。數據主要來自《河北省2009年國民經濟和社會發展公報》，《2010年河北統計年鑒》，《淶源縣土地利用總體規劃2010—2020年)》，淶源縣環保局網站等。通過構建評估矩陣，得到2009年淶源縣13個礦區的生態指標屬性值(表2—3)。

表2　淶源縣2009年主要礦區生態環境敏感性指標屬性值

表3　淶源縣2009年主要礦區生態環境敏感性指標屬性值

3.2　運算結果

根據上述構建的評價方法與模型，基于所得資料和數據，對2009年淶源縣13個主要礦區的生態環境敏感性評價值進行測算(表4，圖1)。

表4　淶源縣主要礦區生態環境敏感性評價

圖1　生態環境敏感性評價結果聚類分析

3.3　淶源縣礦區生態環境敏感性的區域差異分析

3.3.1礦區生態環境敏感性整體空間分布規律空間布局上，淶源縣2009年生態環境敏感度大致是南部礦區中度敏感，中部礦區一般敏感，北部礦區潛在敏感。這與淶源縣經濟發展水平由中部向南北遞減的規律并不一致。北部礦區經濟水平較落后，這是因為礦區發展而帶來的資源消耗和生態環境的破壞較少，故生態環境敏感程度較中部礦區要輕。而中部礦區，由于自然察賦、區位條件、人力資源都很優越，因此發展迅速，雖然在發展過程中對生態環境造成了一定的破壞，但是隨著中部礦區有關部門環保意識的加強，強化了環境保護和生態修復工作，因此生態環境不斷改善，生態環境敏感程度也相對較輕。南部礦區則由于經濟實力限制，尚處于追求經濟快速發展和生態環境敏感性快速提高而不能兩全的尷尬境地，故其生態發展既沒有北部礦區的原生態，又不如中部礦區的生態建設。該縣13個主要礦區的生態敏感程度如圖2所示。

3.3.2各礦區生態環境敏感性等級分析具體礦區上，生態環境潛在敏感的礦區為塔崖驛鄉礦區、東團堡鄉礦區。塔崖驛鄉礦區、東團堡鄉礦區兩個礦區位于淶源縣北部地區，由于兩個礦區礦山個數較少且無毒性，景觀破壞程度最輕，植被覆蓋率最高等綜合原因，在生態壓力和生態影響方面都有很大的優勢，雖然生態響應方面適中，但是綜合礦區生態環境敏感性處于最優地位。由此可知，處理好資源開發與經濟發展的關系至關重要，保持礦區生態環境安全穩定，堅持可持續發展理念，在發展經濟的同時要注重環境保護，能動地調控和協調生態環境、社會文化和經濟發展三者的關系，使礦區生態環境的生態功能得到高效發揮，經濟社會實現持續平穩發展，以保證自然資源實現永續利用，人類物質文化生活水平得到提高。

圖2　淶源縣主要礦區生態環境敏感性分布圖

礦區生態環境一般敏感的是煙煤洞鄉礦區、金家井鄉礦區、北石佛鄉礦區、楊家莊鎮礦區、王安鎮鎮礦區、白石山鎮礦區。這6個礦區作為淶源縣的核心礦區，處于縣城周邊礦區化、工業化的集聚階段，人口密度大，一定程度上超過了礦區生態系統的容量和資源承載力，生態壓力很大；然而，由于政府高度重視生態文明，加大環保投人，著力改善礦區生態環境，有著積極的生態響應，且目前生態狀態較好，故這6個礦區生態環境敏感性在全縣居中。由此可見，創建生態環境友好型礦區，首要任務是堅定環保理念，發展清潔生產和循環經濟，走低碳環保之路，把建設“資源節約型、環境友好型社會”的口號落到實處，貫穿于生產和生活的每一個環節。

礦區生態環境敏感性有待提高的是水堡鎮礦區、走馬驛鎮礦區、銀坊鎮礦區、南屯鄉礦區。這4個礦區的生態壓力都較大，主要是因為隨著全縣經濟的向南發展，礦區配套基礎建設跟不上，同時礦區化又滯后于工業發展，工業發展能耗大，經濟結構不合理，模式粗放等。在生態狀態方面，水堡鎮礦區、走馬驛鎮礦區、銀坊鎮礦區較差，南屯鄉礦區最差，面對這種嚴峻的壓力和狀態，這4個礦區的響應都不積極，尤其是南屯鄉礦區。由此可見，生態環境友好型礦區的建設需要強大的驅動力，要充分發揮中部礦區的輻射和帶動作用，南北之間也要加強各種交流和資源共享、互通有無，達到各礦區協調、穩定發展的目的。

礦區生態環境嚴重敏感的是烏龍溝鄉礦區。雖然烏龍溝鄉礦區位于淶源縣偏北部，但是由于礦區內礦山數量較大，且有一定的毒性，使得礦區生態壓力很大。生態狀態中等，生態響應也處于最差等級。烏龍溝鄉礦區作為重工業礦區，經濟粗放，單位GDP能耗大，生產效率不夠高，礦區人民生活水平較低，基礎建設不到位，故整個礦區生態環境敏感性為該縣最劣。

4結 論

(1) 引入TOPSIS法進行小尺度縣域礦區范圍內生態環境敏感性評價，評價過程簡便易行，可操作性強，且不受評價指標個數的影響，評價結果更加準確、客觀、實用，能很好地反映淶源縣各礦區生態環境的優劣程度及區域差異。

(2) 礦區生態環境敏感性評價結果顯示，空間布局上，淶源縣北部礦區生態環境潛在敏感，中部礦區一般敏感，而南部礦區中度敏感；具體礦區上，塔崖驛鄉礦區和東團堡鄉礦區兩個礦區生態環境最好，為潛在敏感；而烏龍溝鄉礦區最差，為嚴重敏感。

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Eco-environment Sensitivity Evaluation of Mining Areas Based on TOPSIS

WANG Zhanjun1, ZHANG Yueguo2, SHI Songyun3, CHEN Yaheng1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China; 2.YixianWaterAuthority,Baoding,Hebei

174200,China; 3.LandExploitationandConsolidationCenterofBaoding,Baoding,Hebei071001,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to provide the theoretical basis and technical support for evaluation and management of ecological environment in mining area based on a evaluation case study of the ecological sensitivities of 13 major mining areas in Laiyuan County of Baoding City, Hebei Province. [Methods] PSR model was applied for ecological sensitivity evaluation. And also technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS) method was introduced into the evaluation process. [Results] (1) The space layout of the ecological environment quality in Laiyuan County showed a radial incremental feature existed from the southeast to the northwest; (2) In term of the sensitivity difference of the mining area, the ecological environmental sensitivities of township of Tayayi and Dongtuanbao mining were better, and the sensitivity of Wulonggou mining area was worse. [Conclusion] The introduced evaluation of the TOPSIS method for the evaluation of ecological sensitivity of mining area had some obvious advantages. It can make the evaluation process simple, operable and less relayed on the evaluation index number. All of these make the evaluation result more accurate, objective and practical, and furthermore, the results can well describe expound the merits of each mine’s ecological level and regional difference.

Keywords:eco-environment; sensitivity; TOPSIS; mining area

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0225-06

中圖分類號：X821

通信作者：陳亞恒(1973—),男(漢族),河北省順平縣人,博士,教授,主要從事土地評價、土地資源管理和可持續利用方面的研究。E-mail:chenyaheng@126.com。

收稿日期：2014-03-06修回日期：2014-03-25
第一作者：王占軍(1987—),男(漢族),河北省淶水縣人,碩士,研究方向為土地資源規劃與利用、礦山生態治理。E-mail:wangzhanjun0702@163.com。