煤礦塌陷區生態安全綜合評價指標體系研究*

安英莉 戴文婷

(1.中國礦業大學環境測繪學院；2.中國礦業大學安全工程學院)

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煤礦塌陷區生態安全綜合評價指標體系研究*

安英莉1，2戴文婷1

(1.中國礦業大學環境測繪學院；2.中國礦業大學安全工程學院)

通過綜合國內外有關研究文獻，對生態安全綜合評價理論方法和應用問題進行了系統的研究，結合我國煤礦區的實際需求建立了煤礦塌陷區的生態安全綜合評價系統，并對生態安全研究進行了展望。

煤礦塌陷區 生態安全 評價指標

目前，煤炭在我國一次性能源消費中占65%以上，其產量更是占據著75%以上的高份額，據相關機構預測，截至2050年煤炭的消費比重仍將占能源消費總量的50%左右。高強度、大規模的煤炭開發利用，對環境造成了巨大的負面影響。其中，采煤活動造成地表變形、沉陷，土壤結構破壞，土地生態功能降低甚至喪失，對農業生態系統、礦區人們及周邊的百姓造成嚴重危害，從而形成了一系列的環境問題和社會問題[1]。為此，以科學性、完整性、針對性為原則，選取煤礦塌陷區生態安全評價指標，構建全面、系統的評價指標體系，為評價煤礦塌陷區生態安全狀況和合理開發利用煤炭資源提供理論依據，對促進煤礦區生態—經濟—社會的可持續發展具有重要意義。同時，對生態安全綜合評價的理論方法和實際應用進行了探究，構建了煤礦塌陷區生態安全的綜合評價系統。

1 生態安全的定義及評價方法

根據1989年國際應用系統分析研究所(IIASA)對生態安全的定義，生態安全(ecological safety)包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全，是指人類的生產活動、生活保障來源、基本權利、必要資源、社會次序和人類適應環境變遷能力等方面不受脅迫的一種狀態。我國于2000年12月公布的《全國生態環境保護綱要》中，首次提出了“國家生態安全”這一概念，生態安全是國家安全的重要組成部分，明確“生態安全紅線”，確保國家生態和經濟社會發展所需的生存環境處于不受破壞和脅迫的狀態，是我國第一次明確提出的國家生態安全目標[2-3]。

隨后，生態安全評價方面的相關研究廣泛開展，一些學者根據不同的角度和研究領域引入針對性的評價方法，例如：綜合指數評價法、景觀生態安全格局評價法、景觀指數評價法、BP神經網絡評價法、不確定測度評價模型等。其中，綜合指數評價法是基于“壓力—狀態—響應(Pressure-State-Response，簡稱PSR)”模型，構建多層系的表征各個生態安全因子的評價指標體系，然后根據專家咨詢等方法確定各個評價指標因子的相對權重，最后通過數學計算獲得明確生態安全程度的綜合評價指數(或分數)[4]。這種評價方法簡單實用，其難點是如何構建科學全面的表征生態安全的指標體系，以及各個生態安全因子指標的量化和權重計算。景觀生態學評價法是GIS的空間結構分析、功能分析與穩定性分析對區域生態安全進行評價。景觀生態安全格局評價法是通過識別景觀生態安全格局來判斷土地的生態安全。吳開亞結合層次分析法和PSR概念模型，在評價區域生態安全時引入BP神經網絡、成分投影和不確定測度理論，建立區域生態安全的評價指標體系，來研究安徽生態安全現狀及威脅生態安全的主要因素[5-6]。齊艷領嘗試將PSR概念模型引用到煤礦塌陷區生態安全評價指標體系，利用層次分析法計算各個生態安全因子指標的權重，并結合線性加權綜合法和不確定測度評價模型，對唐山南部煤礦塌陷區的生態安全進行綜合評價[7]。

目前，評價生態系統安全的方法還處于探索之中，尚沒有一套公認的標準方法。對煤礦塌陷區生態安全的研究更沒有形成完整的理論體系，故對煤礦塌陷區生態安全進行綜合評價，還需要更多更深入的理論研究。在實踐方面，20世紀90年代以來，盡管通過復墾整理，使部分礦區土地重新發揮生產功能，但是還遠遠不能恢復區域的生態安全，煤礦塌陷區生態環境的恢復急需構建生態系統安全指標對其進行客觀規范的評價。因此，該研究在已有煤礦區生態安全綜合評價的研究成果上，考慮煤礦塌陷區的實際情況，對煤礦塌陷區的生態安全綜合評價指標體系進行研究。

2 指標體系的功能、原則及評價標準

2.1 功 能

評價指標體系是在不同層次上，表征和評價事物一定狀態和特征參數的組合和集合。煤礦塌陷區生態安全的評價指標體系是表征和評價煤礦區社會經濟發展及生態可持續發展所需要的生存環境，主要包括描述、評價和決策支持三種功能。

2.2 原 則

構建煤礦塌陷區生態安全評價指標體系應遵循一定的原則。一是科學性原則，評價指標的選取、定量分析方法等都應有科學依據。二是完整性原則，指標的選取和構建既要考慮生態系統自身的質量指標，又要考慮人類生態系統的社會經濟壓力和調控指標，這樣可以完整地反映煤礦塌陷區生態現狀、內在機制和發展趨勢。三是針對性原則，即針對煤礦塌陷區這一特定的評價對象主要存在的生態安全威脅和矛盾。四是實用性原則，指標體系的設計和構建要符合實際應用的要求，要適應煤礦區的社會經濟發展水平、管理水平和環境治理水平。而且，選取的指標并不是多多益善，應充分考慮指標量化、數據收集和獲取的難易程度及可靠程度。此外，構建的評價指標體系既要與煤礦區生態安全總體戰略目標相一致，又要結合煤礦區生態系統的復雜性特點，分解成若干個層次，同時確保選取指標的穩定性。

2.3 評價標準

明確評價對象各生態安全因子指標的目標值、制定系統生態安全評價標準，從而判定被評價系統的生態安全性是否符合量化的標準。煤礦塌陷區生態安全評價標準的制定主要從四個方面考慮：首先是國際、國家、行業的相關標準；其次是選擇評價區域的各個生態安全因子指標生態背景值或者本底值作為評價的標準；再次是選擇未受人為活動強烈干擾、生態安全性較高的、與評價對象相似的生態系統作為評價的類比標準，這類標準的選取需要根據具體的評價內容和方法；最后根據已有研究成果中判定的生態效應，選取當地或相似條件下研究判定的生態安全指標作為生態安全綜合評價的科學參考。

3 構建煤礦塌陷區土地與生態安全評價指標體系

3.1 總體指標

煤礦塌陷區總體生態安全評價指標體系的構建，主要考慮自然生態環境和社會經濟環境，選取這兩項指標作為煤礦塌陷區的總體指標。自然生態環境分為土壤環境、水體環境、大氣環境和生物環境四項指標；社會經濟環境分為人均耕地面積和“三廢”排放處理率兩項指標。煤礦塌陷區的生態安全評價指標體系基本框架見圖1。

圖1 采煤塌陷區的生態安全評價指標的基本框架

3.2 指標體系分解

3.2.1 土壤環境

(1)表征土壤退化的具體指標包括土壤中的氮、磷、有機質含量，土壤的孔隙度。土壤退化分為土壤鹽堿化、土壤侵蝕、土壤貧瘠化、土壤荒漠化、土壤污染、土壤生產力喪失和土壤潛育化等七種類型。

(2)表征土壤酸堿度的具體指標為pH值。土壤pH值是土壤酸堿性的直接表征，是土壤理化性質的重要指標。土壤的酸堿程度對其肥力和作物生長有很大影響，一般pH值為6～8時，適宜大部分作物的正常生長。

3.2.2 水體環境

(1)表征水體理化性質的具體指標包括pH值、生化需氧量(BOD)。水體pH值是水體酸堿性的直接表征，是水體理化性質的重要指標。水體的酸堿程度對其中任何生物生長有很大影響。BOD是表征水體中有機污染程度的重要指標，是指有機物被好氣性微生物分解的過程中溶解氧氣量。BOD值越高，說明水體質量越差，當BOD<3 mg/L時，水體質量較好，純水或近純水的BOD值一般介于1～3。當BOD>5 mg/L時，說明水體的純度較差；當BOD>10 mg/L時，說明水體質量很差。

(2)表征區域水量的具體指標包括人均水資源擁有量、水域面積率。采煤活動破壞了煤炭圍巖及含水層結構，造成水體資源污染和枯竭，降低了人均水資源擁有量。在高潛水位煤礦區，土地塌陷會造成大面積水；在低潛水位煤礦區，土地塌陷會造成區域水域面積較少。本文選用礦區人均水資源占有量來反映礦區水資源存量及其承載力。

3.2.3 大氣環境

大氣污染指數(air pollution index，簡稱API)是表征和定量評價大氣環境質量的方法。根據國家的大氣污染特點和大氣環境污染防治重點，大氣污染指數的具體項目包括二氧化硫、氮氧化物、總懸浮顆粒物。大氣污染指數(API)分為五個等級，當API<50時，大氣環境質量為優，符合國家大氣質量一級標準；當50200時，大氣環境質量較差；當API>300時，大氣環境質量極差，嚴重污染。按照煤礦區大氣質量要求和響應的國家大氣質量標準來衡量其大氣質量狀況，本文采用國標GB3095—1996《環境空氣質量標準》。

3.2.4 生物環境

(1)地表植被覆蓋率。地表植被面積變化會導致地表屬性的變化，包括地表反照率、粗糙度、土壤濕度等。這些變化會通過土壤-大氣系統的水分、能量循環，影響區域的氣候。此外，地表植被面積變化會造成地表蒸散能力增強、土壤儲水能力減弱，區域土壤含水量、地表徑流明顯減少。

(2)生物多樣性。生物多樣性是區域生態系統可持續發展的基礎，具有重要的生態功能價值，在維持生態系統物質能量流動、凈化土壤、改善環境、涵養水源、調節氣候等方面發揮著巨大作用。區域生物多樣性可分為物種極為豐富、物種較豐富、物種中等豐富、物種較少、物種極少，共五級。

3.2.5 社會環境

(1)生態難民。由于區域生態系統失衡、環境惡化，喪失生存基礎的居民成為生存難民，是衡量煤礦塌陷區生態安全的重要社會環境指標，可用生態難民率表征。采煤活動導致地面下沉，地表變形、塌陷，當地居民不斷向外遷移。生態難民率是指區域單元的遷移人數占總人數的比重。

(2)人均耕地。采煤活動導致土地損毀、塌陷，區域人均耕地急劇下降，直逼聯合國人均耕地面積的警戒線。因此，本文選取人均耕地面積作為煤礦塌陷區的社會環境評價指標。

(3)“三廢”排放處理率。一些工礦企業或城市會將采煤塌陷區稍加處理作為廢棄物或生活垃圾的排放處，造成塌陷區土壤、地表水、地下水的嚴重污染，威脅塌陷區的生態安全。

4 結 語

構建煤礦塌陷區生態安全評價指標體系，是定量評價礦區生態安全的前提，為各地的采煤塌陷區提供評價方法進而引導煤炭行業的可持續發展。煤礦塌陷區生態安全綜合評價指標體系綜合了自然生態環境和社會經濟環境兩部分要素的具體量化指標，可以根據所在具體區域的自然條件、人文環境、經濟發展水平對煤炭塌陷區的生態安全指標進行定量分級評價。我國應該開展更多的相關研究，以完善生態安全的評價指標體系，研究需要注重結合地質、環境、生態等交叉學科領域研究成果預測未來生態安全的動態發展趨勢。另一方面，生態安全評價指標體系具有強烈的地域特點，區位地租和城市發展的需要是影響礦區塌陷地利用的主導因素，需要根據其區位特點和適宜性進行有效的利用做出相應的生態安全評價。

[1] 王顯政.中國煤炭工業發展面臨的機遇與挑戰[J].中國煤炭，2010，36(7)：5-7，10.

[2] 郭中偉.建設國家生態安全預警系統與維護體系——面對嚴重的生態危機的對策[J].科技導報，2001(1)：54-56.

[3] BarnthouseLW,SuterllGW,BartellSM.Quantifyingriskoftoxicchemicalonaquaticpopulationsandecosystems[J].Chemosphere，1988，17(8)：1487-1492.[4] 馬從安，才慶祥，王啟瑞.勝利礦區景觀生態的空間格局分析[J].采礦與安全工程學報，2007，24(4)：490-493.

[5] 曲格平.關注生態安全之一:生態環境問題已成為國家安全的熱門話題[J].環境保護，2000(5)：3-5.

[6] 吳開亞.區域生態安全綜合評價研究[D].合肥:中國科技技術大學，2003.

[7] 齊艷領.采煤塌陷區生態安全綜合評價研究——以唐山南部采煤塌陷區為例[D].河北：河北理工大學，2005.

*國家科技基礎性工作專項(編號：2014FY110800)，國家自然科學基金項目(編號：51374208)。

2016-03-28)

安英莉(1970—)，女，博士研究生，221116 江蘇省徐州市大學路1號。