煤礦區生態累積效應評價研究進展

孫金玉，卜慶偉,*，吳東奎，劉云，姜巍巍

1. 中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083 2. 上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海 200082

累積效應的研究強調多項活動或多次重復活動在長時間和較大空間范圍內對環境的疊加累積性影響[1]。自從“生態累積效應”概念提出以來，在礦產資源開發影響區域[1]、人工綠洲[2]等相關領域的生態累積效應評估方面均有一定程度的應用，起到了協調經濟發展與環境保護的重要作用。

煤炭在我國能源消費構成中占有重要比例。在社會經濟發展對能源需求日益提高的背景下，煤炭資源的開采力度也日益加大。煤炭資源的大規模開采必然對煤礦區周邊的土地資源和生態環境構成嚴重威脅。當前研究主要集中在煤炭開采對各生態要素的負面生態效應評估方面，為煤礦區的生態環境保護提供了一定的科學基礎[3-6]。但是，由于煤炭開采活動具有開發強度大、周期長和空間擴展性等特點[7]，已有的針對生態系統中各單一要素、固定時間點的評價研究難以準確地反映整個煤炭開采過程對生態環境的影響。因此，開展煤礦區生態累積效應評價顯得尤為重要，這也是客觀評價煤炭開采所導致的負面生態環境效應的重要手段。

本研究在梳理生態累積效應概念的基礎上，重點剖析了煤礦區生態累積效應的影響源、途徑、效應及表現形式等。結合目前國內外研究現狀，綜述了煤礦區生態累積效應評價的相關進展，并在此基礎上對今后的研究方向進行了展望。

1 生態累積效應的概念與特征(The concept and characteristics of ecological cumulative effect)

生態累積效應的概念是在20世紀70年代由美國科學家首次提出的[8]，是指當一項活動與過去、現在以及可合理預見的將來活動疊加在一起時，所產生的對生態環境的累積影響[9]。生態累積效應是由人類活動對環境引起的具有附加性與交互性的影響，在時間尺度上重復推移并分散在空間上，是對生態環境在空間和時間尺度上通過疊加與交互作用而產生的長遠的影響效應[8]。

根據上述概念不難看出，累積效應具有時間和空間累積特性等特征，據文獻可以總結為以下3點[1，10-11]。

(1)時間累積性。累積效應的時間累積性是指當擾動之間的時間間隔小于環境修復所需時間時，在時間尺度上產生的累積現象。生態累積效應的累積速率可以是連續的、周期性的或不規則的，并且在環境中發生的時間可長可短。時間累積性可以用累積頻率表示，其概念為“某個區域在某段時間內出現累積效應或累積影響的時間比率”，可用公式表示如下[12]：

F=Td/Ts

式中：F為某個區域內累積效應或累積影響出現的頻率；Td為累積效應或累積影響持續的時間；Ts為選擇的時間尺度。

(2)空間累積性。累積效應的空間累積性是指擾動因素之間的空間接近度小于去除或分散每個擾動所需的距離時，在空間尺度上產生的累積現象?？臻g累積可以通過空間尺度(局部、區域和全球)、密度(聚集、分散)和構型(點、線性和區域)來表征。空間累積性可以用累積度表示，體現累積影響在一定區域內的累積程度，其表達公式如下[12]：

D=C/P

式中：D為區域內某個累積影響區的累積度；C為累積變化值；P為環境閾值或臨界值。

(3)人類活動干擾性。人類的活動或擾動也會影響環境變化的積累，環境變化的累積程度可能因人類活動的數量、類型和規模而異。

上述累積效應的特征并不是獨立的，而是具有緊密的相互關聯性。在對環境累積變化的研究過程中，對其特征的歸納分析有利于對環境累積效應變化的研究[11]。

2 煤礦區生態累積效應的影響源、途徑、效應及表現(Sources, pathways, effects and manifestations of ecological cumulative effects in coal mining areas)

煤炭開采方式包括井工和露天2種，不同的開采方式均會對礦區內生態環境各要素產生累積影響，但2種開采方式對生態環境造成累積影響的途徑略有差異。圖1對煤礦區生態累積效應的影響源、途徑、效應及表現形式等進行了匯總，下文將逐一闡述。

2.1 影響源

煤礦區生態累積效應的影響源涵蓋礦區范圍內的一切人類活動，包括生產與生活活動，可以是礦區單個項目或是多個項目[7]。開采規模的擴大、開采速度變化以及礦區基礎設施的建設，均是造成煤礦區生態累積效應的影響源。

2.2 影響途徑

露天開采過程中，隨著地上開采活動的進行，對地表的大規模挖掘造成大面積的礦坑，是破壞地形地貌以及地表植被的主要途徑；井工開采過程中，隨著煤礦開采活動的進行，礦井數量的增多，是造成開采區大面積的采空區域以及入地塌陷區的主要原因。露天開采方式中，礦坑廢水的排放是污染煤礦開采區水環境的重要途徑，同時開采過程對巖層以及含水層的破壞，會影響地下徑流以及地表徑流；井工開采過程的礦井廢水的排放，可能會導致更大范圍內的地下及地表水環境受到污染破壞。在煤礦開采區域內的生產、生活過程中排放的污水均可能對地下及地表水環境造成污染，同時還可對土壤環境造成潛在的影響。此外，氣態或顆粒態污染物(如粉塵、甲烷等)則主要通過礦區煤矸石的堆放、自燃等途徑進入大氣。

圖1 煤礦區生態累積效應的源、途徑、效應及表現形式Fig. 1 Sources, pathways, effects and manifestation of ecological cumulative effects in coal mining areas

2.3 效應及表現

在煤炭開采過程中，通過上述影響源及途徑對礦區造成的累積影響可簡要概括如下[7,13-14]。

2.3.1 環境地質效應

在煤炭資源的開采過程中，地下開采、地上開采活動均可帶來一定的環境地質效應。其中，在井工開采過程中，隨著開采規模的不斷擴大、采空區的大量形成，可表現為形成大面積的地面塌陷區；無論井工或者露天開采，由于土地挖掘等活動破壞土地原有的結構，形成大面積的塌陷區以及礦坑，表現為煤礦區地形地貌的改變，礦井水、礦坑廢水等的排放還會加劇土壤侵蝕。

2.3.2 環境水文效應

地下開采活動、地上開采活動均可導致一定程度的環境水文效應。比如，地上或地下開采均會破壞地下含水層和地表徑流，打破原有的水動力學平衡，破壞地表水與地下水之間的水循環過程；地下開采、地上開采等活動可能會導致地下水位下降；在上述途徑的共同作用下，原有的地表水水系可能會遭受破壞，導致水流方向、流量等的改變，甚至還會導致水系退化。

2.3.3 環境污染效應

地下開采、礦井水排放、生產生活污水排放、煤矸石堆積、礦坑廢水排放和地上開采等活動都將伴隨著環境污染效應的產生。例如，礦井水以及礦坑廢水的排放可能會污染地下水；生產生活污水的排放、煤矸石的淋濾可能會對地下水及地表水造成污染；采礦廢水的排放及煤矸石的堆積還會造成土壤環境污染，進一步使土壤生產力降低；礦井廢氣及煤矸石自燃等過程會產生大量的硫氧化物、甲烷等污染性氣體，開采過程中產生的粉塵等將會污染大氣環境，加劇酸雨、溫室效應等環境問題；基礎設備的運行還會產生巨大的噪聲污染等。

2.3.4 資源消耗效應

煤炭開采過程中會對礦產資源產生巨大的消耗；開采過程還會破壞大量的土地，消耗大量的土地資源及地表植被資源；煤矸石的堆積也會占據大量的土地資源；此外，地下開采、生產生活用水、礦坑廢水的產生和地上開采等活動都伴隨著大量的水資源消耗。

2.3.5 生物效應

煤炭開采過程中的地下開采、礦井水排放、生產生活污水排放、煤矸石堆積、礦坑廢水排放和地上開采等活動均會產生一定的生物效應。隨著煤炭資源開采規模的擴大，礦區水文(地表水、地下水)環境、土壤結構與地表生長環境、地表植被等礦區環境的破壞也隨之加劇，引起礦區原有生境的破壞，致使區域生物多樣性及生物量發生改變，可能會進一步導致礦區區域生態系統功能減弱及結構的改變。

煤炭開采過程的特點決定了上述效應并不會以單一形式存在，不同的活動、效應可以在時空尺度上通過加和、協同等交互共同作用對生態系統各要素產生累積影響。例如，煤炭開采造成的地表塌陷及生產生活污水的排放，兩者可協同導致土壤質量進一步下降；煤炭開采活動所導致的地形地貌的改變與采礦廢水的排放造成的土壤污染，兩者協同作用導致土壤結構和性質發生改變，導致土壤質量和功能的進一步衰退。

2.4 累積效應的類型

生態累積效應的類型多樣，并沒有形成一個統一的分類標準。如時間擁擠、空間擁擠和協同效應，是依據累積的過程而劃分；蠶食效應則依據累積效應的形式和結果劃分；然而，閾值的劃分依據為指標。盡管劃分依據不同，卻均是在時間與空間特征的基礎上進行區分的，各類型之間緊密相連，共同服務于對累積效應的研究與分析。通過文獻分析，對不同累積效應類型總結如下[7,10,12]。

(1)時間擁擠。其產生原因是由于頻繁且重復的人類活動導致的環境變化超過環境介質吸收或恢復該變化的時間容量。比如煤礦區高頻率的重復采動。

(2)空間擁擠。指的是密集的人類活動發生在有限的空間內，可以改變一個地區的空間格局或其空間過程。比如在煤礦區有限的單元空間內進行大規模、高強度的開采。

(3)協同效應。當2個或多個環境變化通過物理、化學等過程耦合促進另一個環境變化產生時，其表現為復合或協同作用。比如，煤炭開采過程產生的甲烷與氮氧化物可產生光化學煙霧。

(4)時間滯后。擾動產生一段時間后，系統才做出相應的響應，具有一定程度的時間延遲。比如井工開采引起的地表沉陷與裂縫發育。

(5)空間滯后。指的是導致的環境變化與影響源之間存在一定距離。典型的案例包括由煤炭開采造成的大氣污染現象以及酸雨等。

(6)觸發點和閾值。指在破壞環境過程中，超過某個極限將從根本上改變系統。比如礦區土地利用類型的改變。

(7)間接效應。指的是因主要活動發展所帶來的次生影響或者主要活動通過復雜路徑產生更高階環境變化。例如，開采活動導致礦區的人口增長，進一步導致配套設施的發展而帶來的環境污染和生態破壞等現象。

(8)蠶食效應。指多個分散的重復干擾行為對某一區域或空間內的生態系統產生的累積影響，導致生態系統的割裂和破碎化。例如，多個分散開采點導致的植被的破碎化和土地沉陷成片狀分布。

3 研究案例分析(Review of case study)

如前文所述，生態累積效應的概念由來已久，在不同的領域也得到了較為廣泛的應用，如水電開發[15-20]、鐵路及公路建設[21-25]、綠洲開發[26]、濕地開發[27-29]和流域管理[30]等，但有關煤礦區生態累積效應評價的研究仍十分有限，國外僅有零星研究[31-32]。如Merriam等[31]通過構建累積效應線性評價模型評價了采煤活動對美國西弗吉尼亞阿巴拉契亞流域生態環境的累積影響。研究表明，區域的河流退化是地表開采、地下開采和住宅開發等復雜問題相互疊加、相互作用的結果。

在我國，由于煤炭資源在能源消耗構成中的巨大占比，相關研究較國際上略多。如中國科學院、中國礦業大學、國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室等單位均開展了相關案例研究[14,33～38]。例如韓林桅等[14]針對煤電一體化開發建設活動，從建設活動、土壤環境、水資源、大氣環境、生物、景觀和生態7個方面篩選出29個生態環境因子，運用解釋結構模型(interpretation structure modeling, ISM)對煤電一體化開發的生態累積效應因子之間進行關聯與層次分析，揭示了煤電一體化開發產生生態累積效應的方式和途徑，并分析煤電開發過程中不同開發建設活動產生的累積效應。結果表明，煤電建設活動會造成多種生態環境影響，并且所引發的環境效應可以相互疊加、傳遞和累積。王行風等[35]以地理信息系統(GIS)為基礎平臺，結合系統動力學(SD)及元胞自動機(CA)，建立SD-CA-GIS模型，對山西潞安礦區的社會、經濟與環境因素進行時間及空間累積效應分析，對礦區在一定時間范圍內土地利用變化的累積狀況進行了評估。結果表明，隨煤炭開采活動的進行，礦區內工礦用地等呈現累積性增加，其他土地類型呈累積性減少。該研究團隊[38]通過構建基于景觀演變的生態累積效應表征模型，利用遙感技術對礦區景觀變化進行分析，探討礦區煤炭開采活動對土地利用變化類型以及礦區景觀生態的累積影響。結果表明，礦區景觀空間累積負荷顯著增強，同時還具有向外擴張趨勢。此外，由于不同分區的人類活動的干擾強度具有差異，礦區的不同分區內也會表現出不同累積程度。連達軍和汪云甲[36]基于場論與GIS技術，結合生態場理論構建了生態位元素體系，描述了采動生態勢的確定方法以及生態環境采動累積效應的分析方法，并針對山西潞安礦區某開采沉陷區進行分析，得到該礦區主要生態位元素的采動累積效應規律，探究了礦區土壤覆蓋、土壤侵蝕以及植被覆蓋的煤炭采動累積效應變化，得出開采沉陷是造成礦區環境災害的直接根源。

為更加深入分析與對比當前已有研究案例，以便為今后的研究提供參考，我們將不同案例研究的評價指標、評價方法等進行了梳理(表1)，總結了相關研究的異同并簡要分析如下。首先，當前研究局限于少數的礦區，對于不同區域、不同開采規模和不同開采方式下的研究相對較少。如針對國內礦區的研究僅集中在山西潞安煤礦[35-38]、淮南煤礦[33]、內蒙古錫林郭勒盟煤電基地[34]，而國外相關研究則更少，僅美國[31]、印度[32]有少量相關報道。其次，目前在生態累積效應評價的指標選擇上缺乏共識。現有研究多數基于專家判斷來確定相應的指標，具有一定的主觀性。此外，不同研究之間所選取指標代表的生態要素層次不同，如部分研究選取景觀水平的指標(如景觀類型結構偏離累積度[38]、景觀格局干擾累積度[38]、覆被態指數[36]等)，而部分研究則選取環境質量水平的指標(如大氣污染、水污染等[31-32]以及土地破壞[36-37])。此外，目前在煤礦區生態累積效應評價的方法學方面仍處于探索階段，缺乏統一的評價方法體系。多數方法學研究仍然停留在概念解釋或者原則性指導框架研究層面[10,39]。定性的方法(如解釋結構模型[14]、DPSIR模型[34]、源-路徑-效應分析[40]等)可以較好地描述煤礦區系統內部各活動和影響的作用機理及因果關系，有助于梳理復雜系統中各活動的相互關聯和層次關系，幫助研究者理清效應產生的原因，并提出相應的解決思路。然而，其弊端在于無法衡量累積效應的強度或大小。定量方法(如廣義線性累積效應評價模型[31]、層次分析[32]、模糊多層次綜合評價[33]、SD-CA-GIS模型[35]、場論和GIS技術[36]、概率積分、胡克定律和莫爾-庫倫破壞準則方法[37]、景觀分析[38])可以克服上述弊端，也是目前研究者更加青睞的手段，但其往往選取代表某一特定生態要素層次的指標進行評價，在因果關系探討方面仍面臨巨大挑戰。

4 結論與展望(Conclusions and perspectives)

煤礦區煤炭開采活動對生態系統的影響具有范圍廣、程度深和周期長等特點，評價其生態累積效應具有必要性及緊迫性。因此，加強煤礦區煤炭開采活動生態累積效應評價的相關研究具有重要科學和現實意義。近些年來，有關煤礦區生態累積效應評價的研究逐漸增多，取得了一些進展。但是，有關煤礦區生態累積效應評價的指標體系構建、評價方法學以及生態累積效應“源-效應”之間的內在關聯及機理等方面仍需進一步深入研究。第一，亟需加強生態系統不同層次指標間的因果關系研究，以便于建立更加全面客觀的生態累積效應評價指標體系。針對不同環境要素選擇相應的指標便于監測和管理，但是其與生態系統功能和結構改變之間的因果關系尚不明晰，需要進一步加強研究；景觀或者高層次的指標更貼近生態系統的真實狀況，但其與某項具體的人為擾動或活動的關聯較為模糊。開展評價指標之間因果關系或關聯度研究，是解決上述問題的重要基礎問題。第二，如前文所述，目前關于煤礦區生態累積效應評價的方法學研究仍存在較大爭議。如何加強定性與定量方法的結合，特別是與遙感、地理信息系統等定量工具的結合[7,41-42]，應該是未來進一步研究的方向。第三，煤炭開采活動對生態系統產生影響的路徑復雜，加之生態累積效應的非線性特征顯著，機制極其復雜，闡明影響源與效應(表現)之間的關系及內在機理，是近期內應加強的重要研究方向之一，這也依賴于生態、環境等相關學科的同步發展。最后，加強管理規劃和應對機制也是有待開展的研究方向之一[39,43]，可為科學的管理和減緩煤炭開采活動所致的生態累積效應提供有力的手段。

表1 煤礦區生態累積效應評價研究匯總Table 1 Summary of assessment of ecological cumulative effects in coal mining areas