淮南煤礦區生態環境綜合評價

耿宜佳，彭書傳*，王曉輝，李如忠

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009；2.安徽省環境科學研究院，安徽合肥 230061)

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淮南煤礦區生態環境綜合評價

耿宜佳1，彭書傳1*，王曉輝2，李如忠1

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009；2.安徽省環境科學研究院，安徽合肥 230061)

[目的]了解淮南煤礦區生態環境質量狀況。[方法]從自然環境、生態狀況、環境污染和社會經濟等方面，選取16個評價指標構建生態環境評價指標體系。在確定指標權重的基礎上，利用生態環境質量綜合評價模型對1986、1999和2012年淮南煤礦區生態環境狀況進行綜合評價。[結果]1986、1999和2012年淮南礦區生態環境綜合評價指數分別為66.536、51.941和35.160，表明該區域生態環境質量呈現出逐漸惡化的趨勢。[結論]景觀破碎化指數、礦區土地塌陷面積和土地脅迫指數是對淮南礦區生態環境質量影響最為不利的主要指標，在礦區生態環境治理中應引起重視。

淮南礦區；生態環境質量；評價指標

煤炭資源是我國的主體能源，分別占一次性能源生產和消費總量的76%和69%，且在未來很長一段時期內，煤炭作為主體能源的地位不會被改變[1]。由于煤礦區發展與煤炭資源的開采息息相關，而煤炭開采造成了諸如地表塌陷、大氣污染、水土流失等一系列生態環境問題，這些問題在一定程度上引發了資源的浪費、經濟發展速度的減緩、生態環境的破壞，加劇了礦區的社會問題，成為限制礦區可持續發展的重要因素[2-3]。目前，國內關于區域生態環境評價已有大量研究，主要集中在流域、工業園區、城市等常規區域。徐兵兵等[4]對南苕溪臨安段水質進行了評價，李艷萍等[5]對工業園區環境風險評價指標權重進行了分析，李崧等[6]評價研究了黑龍江省生態環境質量。國內也有學者對淮南礦區生態環境進行了評價。王振紅等[7]研究了淮南礦區采煤塌陷積水區水生態環境，但僅對礦區采煤塌陷積水區的水生態環境進行評價，未考慮到礦區的整體性。鑒于此，筆者將淮南礦區作為整體，對礦區的生態環境進行全面系統的評價，以期為淮南礦區生態環境保護和規劃的制訂提供理論支持。1材料與方法

1.1研究區概況淮南礦區位于淮河中游，東西長約180km，南北寬約20km，面積為3 600.0km2，淮南礦區煤炭遠景儲量達到444億t，已探明儲量達到153億t，總儲量占整個華東地區的50%。全市總面積2 596.4km2，地處亞熱帶與暖溫帶過渡區，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降水量970mm，平均氣溫15.5 ℃[8]?；茨鲜芯澄挥诨春恿饔颍饕恿鳛榛春樱瑓^域地貌形態分為丘陵、平原兩大類型。將礦區土地利用類型分為城鎮用地、耕地、林地、農村居民點、水域等。1986～2012年礦區的土地利用類型以耕地為主，其次是城鎮用地、水域及農村居民點。隨著煤炭資源的不斷開發利用，煤矸石與粉煤灰大量增加，其長期堆存侵占了大量農田?；茨系V區煤矸石產量約占煤炭總產量的20.00%，煤矸石堆放已超過30余處，超過淮南市固體廢棄物總面積的46.70%。煤矸石與粉煤灰歷年堆存總量達到2 487.85萬t，共占地621.0km2[9]。煤矸石在堆積過程中自燃或風化所產生的氣態污染物也會對人畜健康造成影響。礦區開采過程中產生的礦井水、選礦廢水、廢石淋濾水等廢水中含有大量重金屬污染成分，在影響地表水環境質量的同時還會通過滲濾進入地下，污染地下水質量。煤礦的開采還會導致塌陷地面積不斷擴大，截至2013年底，淮南礦區塌陷面積約220.0km2，占全市總面積的8.5%。據預測，到2020年底，最終塌陷面積將達到687.0km2。

雖然煤礦資源的開發利用帶來了諸多問題，但煤炭開采已成為淮南市的重要經濟支柱產業。據統計，1986年淮南市地區生產總值(GDP)為16.64億元，1999年上升到132.82億元，2012年達到781.80億元。全市GDP年均增長15.00%左右，人均GDP年增長超過13.00%。1986年淮南市財政收入為1.34億元，1999年上升到14.11億元，2012年達到98.61億元。全市財政收入年均增長率達到17.68%，實現了社會經濟快速增長。

1.2評價指標體系的建立

1.2.1指標篩選原則。為全面、有效地評價淮南礦區的生態環境特征，選擇評價指標和方法時須遵循科學性原則、代表性原則、系統性原則、可行性原則、主導因子原則[10]。

1.2.2評價指標體系構建。結合研究區域生態環境的特點，從自然環境、生態狀況、環境污染和社會經濟的角度，篩選評價指標，構建淮南礦區生態環境質量評價指標體系(圖1)。

圖1　淮南礦區生態環境綜合評價指標分級Fig.1　Eco-environment comprehensive evaluation index in Huainan coal mining area

(1)景觀多樣性指數。根據土地利用/覆蓋分類數據基于Shannon-Weaner(Shannon’sDiversityIndex，SDI)指數計算，表達式見下[11]：

(1)

式中，Pi為第i類土地利用/覆蓋類型面積占區域總面積的比例；m為研究區土地利用/覆蓋類型總數；SDI為多樣性指數，數值越大，表示生態類型多樣性越大。

(2)土地利用程度綜合指數。土地利用是人類以經濟、社會發展為目標，根據土地的自然特征，對土地進行的管理改造活動，通常地面的覆蓋類型會隨著土地利用的變化而發生改變。該指數反映了土地利用的深度和廣度，同時也顯示了自然因素與人類因素的綜合作用。該研究將淮南礦區土地利用概括為6種，分別為城鎮用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農村居民點和水域，分別根據衛星影像解譯或者矢量數據歸類得到1986、1999和2012年的土地利用情況。

(3)生物豐度指數。根據《生態環境狀況評價技術規范》(HJ192—2015)，對淮南礦區的城鎮用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農村居民點和水域的生物豐度指數權重分別取值0.01、0.13、0.11、0.35、0.02和0.28。由此，計算生物豐度指數：生物豐度指數=Abio×(0.01×城鎮用地+0.13×高覆蓋度草地+0.11×耕地+0.35×林地+0.02×農村居民點+0.28×水域)/區域面積，式中，Abio為生物豐度指數的歸一化系數，Abio= 100/A最大值，A最大值指某指數歸一化處理前的最大值。

(4)植被覆蓋指數。礦區植被指數是評價礦區生態環境的重要指標，在很大程度上影響礦區生態環境質量。歸一化植被指數(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI)能夠準確反映研究區植被的覆蓋程度和健康狀況。筆者采用NDVI來反映研究區植被覆蓋信息，進而反映研究區生態環境狀況。

(5)土地脅迫指數。淮南礦區采礦活動的日趨劇烈也使其土地質量遭受不同程度的脅迫，該指數利用評價區域內單位面積上水土流失、土地沙化、土地開發等面積表示。

(6)大氣環境質量指數。以淮南礦區主要大氣污染物濃度表征大氣環境質量，主要污染物為二氧化氮、二氧化硫、可吸入顆粒物。采用多因子賦分法計算大氣環境質量指數，表達式[12]見下：

(2)

式中，Ia為礦山大氣環境質量指數，i=1，2，……，n；f(xi)為第i類大氣污染物的年均濃度值對應的環境質量指數賦值。將《環境空氣質量標準(GB3095—1996)》中 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 級以及劣Ⅲ級標準f(xi)分別賦值為1.0、0.7、0.5、0.1。

(7)水環境質量指數?；茨系V區廢水主要包括礦區工業用水、選礦水、礦井水等。選取高錳酸鹽指數、BOD5和NH3-N作為評價礦區地表水特征的污染指標，采用多因子賦分法計算水環境質量指數，表達式見下：

(3)

式中，Iw為礦山水環境質量指數，i=1，2，……,n；f(xi)為第i類水污染指標的濃度值對應的環境質量指數賦值。將《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)中I、II、III、IV和V類標準f(xi)分別賦值為1.0、0.8、0.6、0.3、0.1。

(8)土壤環境質量指數。選取Hg、As、Pb、Cr4種重金屬指標作為淮南礦區土壤污染物，根據不同年份礦區的土壤重金屬濃度年均值作為評判礦區土壤環境質量的依據，采用內梅羅法進行土壤環境質量指數計算。

(9)景觀破碎化指數。景觀的破碎化是指景觀被分割的破碎程度，與自然資源的保護密切相關，伴隨著景觀破碎化和斑塊面積的不斷縮小，生物生存的環境也在減少，將直接影響到物種的繁殖、遷移和保護[13]。筆者采用單位面積中各種斑塊的總個數作為景觀破碎度的判別指標：

(4)

1.3指標權重的確定層次分析法是一種應用較為廣泛的指標權重確定方法[14-15]。傳統的層次分析法采用九標度法構造判斷矩陣，由于主觀因素影響較大，使得判斷結果片面性較強[16-17]。九標度法在精確賦值方面存在較大難度，為此有學者提出采用三標度法確定指標權重[18]。筆者采用改進的層次分析法，確定各層次因素和指標權重，結果見表1。

表1　淮南礦區生態環境綜合評價指標權重

1.4指標歸一化為消除各指標量綱差異和數值懸殊帶來的影響，用如下數學模型對各指標數值進行標準化處理。由于各指標性質不同，對礦區生態環境質量的作用不同，不同的指標標準化方法也不同。

(5)

式中，Fi為某指標的標準化值；Xi、Xmin、Xmax分別為評價因素的指標值、最小值和最大值。正向指標表示指數越大，對生態環境質量影響越好的指標；負向指標表示指數值越大，對生態環境質量影響越差的指標。

1.5評價模型根據建立的生態環境質量綜合評價指標以及各指標的權重，建立評價模型：

(6)

式中，EQI為生態質量綜合評價指數；Ui為第i各生態質量評價指標的賦值；ai是評價指標Ui的權重。

2　結果與分析

2.1礦區生態環境評價指標信息提取該研究采用的數據源主要包括遙感數據、基礎地理數據、專題數據及統計數據。遙感數據主要采用法國SPOT6影像數據，空間分辨率可達1.5 m，影像數據的獲取時間為2012年。基礎地理數據主要是研究區1∶5萬數字化地形圖數據。專題數據主要是研究區1986和1999年土地利用類型矢量數據。統計數據包括研究區的自然、社會和經濟方面的統計數據，如統計年鑒、環境質量報告書、環境質量監測數據等。

根據衛星影像解譯得到淮南礦區1986、1999和2012年土地利用狀況(圖2)。

2.2礦區生態環境質量評價指數由衛星影像解譯得到1986、1999和2012年淮南礦區土地利用狀況的數據，經過歸一化處理，不同年度生態環境質量評價指標的計算結果見表2。

根據式(6)的評價模型，得到1986、1999、2012年淮南礦區環境質量評價指數分別為66.536、51.941、35.160?？梢?，淮南礦區環境質量指數呈下降趨勢，總體上環境質量逐漸變差。

在標準化后的生態質量評價指數的基礎上，把研究區按照國家環境保護局的分級標準進行劃分(EQI≥75為優，55≤EQI<75為良，35≤EQI<55為一般，20≤EQI<35為較差，EQI<20為差)。由分級標準可知，1986年的生態環境為良，1999年為一般，2012年為較差。

3　討論

(1)1986年對淮南礦區生態環境質量不利影響較大的指標是景觀破碎化指數和礦區土地塌陷面積，主要原因是在礦山開采過程中，不免會砍伐樹木，造成植被種類減少，覆蓋度降低，從而降低自然環境的承載能力。由于長期的資源開發，造成水土流失、土地塌陷等生態環境問題。

圖2　不同年度淮南礦區土地利用狀況Fig.2　Land use status of Huainan coal mining area in different years

(2)1999年對淮南礦區生態環境質量不利影響的指標與1986年大致相同，主要原因是改革開放以來，經濟增長需要資源為依托，煤炭開采程度加大。開采過程中，礦區建設會占用土地，對原有生態系統造成破壞，包括對土地、植被、水系和大氣等生態環境造成影響，導致礦區生態環境持續惡化。

(3)2012年對淮南礦區生態環境質量不利影響最大的指標是土地脅迫指數，有利影響較大的指標為環保投資占總產值比例。造成這一變化的原因是近年來國家對礦區生態環境保護與治理的高度重視，生態環境質量惡化速度放緩，并朝著好的方向發展。政府加強對采煤塌陷區的復墾工作，將原來塌陷所損毀的土地改造為耕地、植物景觀區、濕地公園等，從而改善了礦區的生態環境。

4　結論

(1)用改進的層次分析法確定各項指標的權重，通過構造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗等步驟，確定在16項指標中，前3位的是植被覆蓋指數、景觀破碎化指數和生物豐度指數，權重分別為0.097、0.093和0.081。

(2)1986、1999和2012年淮南礦區的生態環境綜合評價指標分別為66.536、51.941和35.160；生態環境質量分別屬于良、一般和差?？傮w上，環境質量呈現逐漸變差的趨勢。其中對環境質量指數影響最大的景觀破碎化指數、礦區土地塌陷面積和土地脅迫指數均呈現下降趨勢，今后淮南礦區的生態環境治理應當偏重于此。

表2不同年度淮南礦區生態環境質量評價指標計算結果

Table 2Result of eco-environment quality evaluation index in Huainan coal mining area in different years

準則Criterion指標Indexname1986年1999年2012年自然環境Naturalenvi-ronment景觀多樣性指數00.8516.600生物豐度指數00.4458.100植被覆蓋指數9.7008.3310土地利用程度綜合指數5.4001.3960生態破壞Eco-logicaldamage土地脅迫指數00.2765.800化肥施用強度4.1002.7880景觀破碎化指數8.2006.0420礦區土地塌陷面積6.9005.7480環境污染En-vironmentalpollution大氣環境質量指數003.900水環境質量指數003.900土壤環境質量指數03.0002.651工業固體廢物產生量4.8004.3620社會經濟So-cialeconomy人口密度6.1002.7840人均國民生產總值7.5006.2390人均地方財政收入4.8004.0780環保投資占總產值比例02.0777.023

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ComprehensiveEvaluationofEco-environmentinHuainanCoalMiningArea

GENGYi-jia1,PENGShu-chuan1*,WANGXiao-hui2etal

(1.SchoolofNatureResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009; 2.AnhuiInstituteofEnvironmentalScience,Hefei,Anhui230061)

[Objective]Tobetterunderstandtheeco-environmentqualityinHuainancoalminingarea. [Method]Fromthefouraspectsofnaturalenvironment,ecologicalstatus,environmentalpollutionandsocialeconomy, 16evaluationindiceswereselectedtoconstructtheeco-environmentevaluationsysteminHuainanminingarea.Basedontheindexweightdetermination,comprehensiveevaluationmodelofeco-environmentqualitywasusedtoevaluatetheeco-environmentstatusintheyearsof1986, 1999and2012.Theeco-environmentcomprehensiveevaluationindexesinHuainanCoalMiningAreain1986, 1999and2012were66.536, 51.941and35.160,respectively,showingthateco-environmentqualityinthisregionpresentedthechangetrendofworsening. [Conclusion]Landscapefragmentationindex,mininglandcollapseareaandlandstressindexarethemainnegativeindexesimpactingtheeco-environmentqualityofHuainanminingarea.TheMiningareaeco-environmentgovernanceworkintheseareasshouldbegivenmoreattentioninthefuture.

Huainanminingarea;Eco-environmentquality;Evaluationindex

淮南礦業集團科學技術資助項目[HNKYJTJS(2013)31]。

耿宜佳(1991-)，女，安徽宣城人，碩士研究生，研究方向：環境評價理論與方法。*通訊作者，教授，碩士，碩士生導師，從事水污染與環境評價研究。

2016-04-27

S181.3

A

0517-6611(2016)17-073-04