基于組合賦權法的焦作礦區生態安全評價與時空分異

司錦錦, 王世東

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院， 河南 焦作 454000)

隨著社會的發展，人們的生活水平逐漸提高，對生態環境的要求也越來越高，生態安全問題特別是礦區生態安全問題受到了越來越多人的重視。采礦業為我國經濟高速發展提供有力支持，給國家帶來了相當可觀的經濟效益，但是與此同時日益增速的礦山開發造成的生態環境問題也愈發嚴重，并且產生了一系列的污染問題。焦作因其煤礦資源數量大、質量好，給人們帶來了巨大的物質財富，但是受到的環境威脅也日益嚴重，因此進行礦區生態安全評價越發重要。與其他生態安全相比，礦區生態安全是一個多層次、復雜的綜合系統，集自然環境、農業活動、人類和生物活動于一體，各個內部因素之間相互作用、相互聯系。本文通過討論研究區產生的生態問題以及產生這些問題的原因，對存在的生態問題進行定性及定量研究，以期為焦作礦區更好發展提供參考依據。

近年來，生態安全在國際上得到了越來越廣泛的認可[1]，一般而言，生態安全有廣義和狹義兩種理解，狹義的生態安全是指自然和非自然生態系統的安全，即生態系統完整性和健康的整體水平反映。國內外學者對生態安全方面展開了一系列的研究，取得了一定的研究成果。例如，Lester R.Brown[2]最先提出環境變化和生態安全之間的關系。中國從20世紀90年代開始重視生態安全方面的內容，越來越多的專家學者對生態安全進行研究，進入21世紀以來，關于生態安全的研究、與生態安全相關的著作在逐漸增多，其中肖篤寧、郭中偉、鄒長新等[3-5]在其各自的著作《論生態安全的基本概念和研究內容》、《建設國家生態安全預警系統與維護體系》、《生態安全研究進展》中對生態安全的定義進行了描述并對它做了概括，生態系統的逐漸退化帶來了越來越多的生態威脅，這已經引起了國家的高度重視。周榮等[6]采用PSR建立指標體系，利用灰色預測模型對湖北省土地生態安全評價結果進行分析與預測；孫禮娜等[7]基于模糊綜合評價對安徽省縣域開放水平進行分析；解進飛等[8]采用熵值模糊物元分析法對皖江地區土地生態安全進行評價；王雨琪等[9]基于徑向基函數網絡模型對中國的31個省、自治區和直轄市進行生態壓力指數評價；邢廣君等[10]基于DPSIR模構建評價指標體系，利用綜合權重灰色關聯分析法對千鶴湖生態安全狀況進行評價；孫從建等[11]基于不同時段遙感影像信息對呂梁山貧困區進行生態安全評價；陳蓓[12]基于生態足跡模型對川西南高原地區進行生態安全評價。綜上所述，目前對于生態安全評價的方法有很多，每種方法各有利弊，例如物元評價法有助于從變化的角度識別變化因子，具有較好的直觀性，但是關聯函數形式確定不規范，通用性有待提高。生態安全問題是一個十分復雜的綜合性問題，目前的生態安全問題尚未形成統一參考標準，生態安全評價模型過程中涉及眾多方法的選擇，需要綜合考慮各方因素進行評價[13]。

本文基于PSR模型，構建生態安全評價指標體系，利用組合賦權法確定指標權重，采用綜合指數法對焦作礦區1999年、2008年以及2018年的生態安全狀態進行評估，分析研究區的生態安全演變規律，以期為焦作市生態環境保護與生態文明建設提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于焦作市中東部地區以及新鄉市西南部地區，地理坐標為東經113°13′—113°34′，北緯35°11′—35°27′，研究區總面積為354.66 km2，跨一市一縣二區，135個行政村，采礦歷史悠久，尤其是在20世紀60年代和70年代。焦作煤礦多年來在國內創造了煤礦的安全性，成本和效率等多項第一。從1990年之后開始進入衰減階段，小馬礦和馮營礦已先后關閉，中馬礦，韓王礦山和演馬礦山等其他礦山也已枯竭。

焦作煤礦為社會經濟發展做出了重大貢獻，但同時也帶來了巨大的損失。其中最嚴重的是對土地資源的破壞，例如地面塌陷、挖掘和壓占，其中損毀面積最大是塌陷地。煤礦的塌陷區主要分布在解放區、山陽區、馬村區和修武縣，在某些地區還形成了塌陷盆地，大片土地不能耕種，破壞耕地嚴重，部分公路因為塌陷而進行多次修復，個別廠礦、村莊被迫搬遷，造成直接經濟損失3 000多萬元。同時地面塌陷伴有地裂縫，分布在北中部山前地帶的中站區、解放區、山陽區、馬村區和修武縣煤礦采空區，地裂縫造成房屋墻體開裂，迫使村民部分搬遷或全村搬遷，公路部分地段開裂或沿裂縫處形成帶狀凸起，如解放區森林公園北等。由于大氣降水沿裂縫滲漏，造成雨季淹井，多次使有關礦山被迫停產。

1.2 數據來源與處理

本研究所使用的數據主要有：(1) 焦作礦區3個時期的Landsat系列衛星遙感影像數據：1999-05-29的TM影像、2008-05-05的TM影像和2018-05-01的OLI影像；(2) 焦作礦區的DEM數據，空間分辨率為30 m；(3) 統計數據來源于焦作市以及輝縣市的社會經濟統計年鑒以及統計公報。

在ENVI和ArcGIS中對遙感影像進行鑲嵌、裁剪，并采用監督分類中支持向量機的方法對影像進行分類，將研究區分為林草地、耕地、水域、建筑物以及未利用地5類。

2 研究方法

本文以焦作礦區小馬礦、韓王礦、演馬礦、馮營礦、九里山礦、白莊礦、古漢山礦、方莊一礦、中馬礦、方莊二礦，這十個礦為基礎，以礦區1.5 km緩沖區內所包含的村級行政單元為研究區域，依據三期遙感影像數據以及社會經濟統計等數據或資料，對煤炭開采以及人類與生物活動影響下的生態安全時空演變規律進行重點討論。根據PSR模型以及焦作礦區的實際情況，構建礦區生態安全評價指標體系，建立PSR模型，利用熵值法和層次分析法確定指標權重，基于綜合指數法對1999年、2008年、2018年的礦區生態安全狀況分別進行評價，分析焦作礦區的生態發展趨勢，揭示其時空演變規律。

2.1 指標體系構建

根據指標體系選取的如下原則：科學性原則、動態性原則、可靠性原則、代表性原則、可操作性原則[14]，依據PSR模型構建礦區生態安全評價指標體系，PSR模型是基于因果關系而建立的，它突出反映了評價系統產生的壓力—壓力下所產生的狀態—人們積極做出的響應這3個環節之間相互影響，相互制約的關系[15]。本文從礦區生態環境壓力、礦區生態環境狀態、礦區生態環境響應3個方面構建焦作礦區生態安全評價指標體系，同時充分考慮研究區的社會經濟狀況、生態環境狀況、土地利用變化特征等實際情況，選取了19個反映礦區生態安全的指標體系，進而從時間和空間兩個方面對焦作礦區生態安全狀況進行分析。指標體系見表1。

2.2 指標標準化處理

因為指標數據之間有不同單位，因此數據之間沒有可比性，所以需要對指標體系進行標準化處理。本文采用最大離差法對礦區生態安全指標體系進行變換處理，處理公式如下:

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

表1 PSR模型下的礦區生態安全評價指標體系

2.3 組合賦權法確定指標權重

將兩種或兩種以上的權重確定方法結合，得到新的權重方法即為組合賦權，本文將層次分析法和熵值法結合，進行組合賦權。由于層次分析法得到的指標權重，往往存在很強的主觀性與偶然性，難以準確的反映礦區的生態安全狀況，而熵值法雖然可以客觀的確定指標權重，但是缺乏各指標直接的橫向比較，樣本的影響因素較大[16]，因此對層次分析法和熵值法分別計算權重再進行處理得出最優解，可以為后續分析做出更準確的判斷。

2.3.1 層次分析法確定指標權重 層次分析法是一種層次權重決策分析方法，該方法是將與決策相關的元素分解成目標、準則、方案等層次，將復雜的決策思維進行條理化，將決策過程中的定性與定量的因素有機的結合起來進行分析[17-18]，由專家對各個層次的指標的重要程度進行評價，得到準則層和各指標的判斷矩陣，得出最大特征根λmax對應的特征向量W，對特征向量歸一化處理后，得到各指標的權重，結果見表2。

表2 層次分析法確定的指標權重值

2.3.2 熵值法確定指標權重 熵值法能夠客觀的計算各個指標的權重，受到人為因素的影響較小。其計算過程如下：

(1) 計算第i項指標下第j個樣本的比重：

(3)

(2) 計算第i項指標的熵值：

(4)

(3) 計算第i項指標的差異性系數gi：

gi=1-ei

(5)

(4) 定義第i項指標的權重：

(6)

依據熵值法的原理與步驟，根據公式(3—6) ，以研究區標準化數據為基礎，得到指標權重值見表3。

表3 熵值法確定的指標權重值

2.3.3 確定組合向量權重 組合后的權重向量與以上兩種方法確定的向量存在偏差，構造最優化模型，求得唯一解，即為優化組合權重向量，即：

Wi=δ1W1+δ2W2

(7)

2.4 生態安全評價方法

2.4.1 評價單元劃分 評價單元的劃分會直接影響到后續的評價工作，因此合理劃分評價單元極其重要。在劃分評價單元時，我們常用的主要有矢量評價單元劃分法和柵格評價單元劃分法[20]。為了使礦區生態安全狀況的評價結果具有準確性和客觀性，結合研究區實際情況，本文選用矢量評價單元劃分法對研究區進行劃分，研究區域涉及135個行政村，故本研究區域共劃分為135個評價單元。

表4 指標體系綜合權重值

2.4.2 評價模型 綜合指數法是將各指標進行加權求和，即將每一項歸一化處理后的指標數據與其對應的權重值相乘來表示各指標得分，然后將各指標得分相加，得到評價區域的生態安全指數，從而實現定量化評價。該方法體現了生態安全評價中的綜合性、整體性和層次性，綜合考慮研究區生態安全影響因素的多樣性，因此選擇綜合指數法對礦區進行綜合評價。具體計算公式如下：

(8)

式中:Fj為第j村的生態安全綜合評價指數;Wi為指標i的最優組合權重;Xij為指標i的標準值。

2.4.3 評價標準 礦區生態安全評價結果通常以安全等級的形式來表現，即在計算其生態安全綜合指數后，依據相關評價標準對評價結果進行分級。但是礦區生態安全評價結果分級目前還沒有統一的標準，因此，為了更好的對研究區生態安全進行分析，參照相關研究成果[15]，結合研究區的實際情況，根據計算得到研究區生態安全綜合指數，將礦區生態安全評價結果分為5個等級，不同的安全等級代表著不同的生態狀態，劃分結果分別代表生態惡劣、生態較差、生態預警、生態良好和生態安全，結果見表5。

表5 生態安全等級

3 結果與分析

一般而言，區域的生態安全處于不斷的變動之中，即礦區生態安全狀況隨著時間不斷推移發生變化，對礦區生態安全評價的動態變化進行分析是非常重要的。本文選取1999年、2008年以及2018年3個時間點，利用上述評價模型對焦作礦區生態安全進行動態評價，得出的結果見表6。

表6 焦作礦區生態安全評價結果

3.1 時間變化分析

由表6可以看出，1999—2018年焦作礦區生態安全狀況呈現波動上升趨勢，說明焦作礦區生態安全狀況在逐漸改善。其中，1999—2008年呈現上升趨勢，2008—2018年呈現下降趨勢，從1999年的29.63上升到2008年的52.39再下降到2018年的50.26,20 a來，礦區生態安全綜合指數上升了20.63。除1999年整體處于生態惡劣狀態之外，其余兩年均處于生態預警狀態。根據上述計算與分析結果，得到每一年生態狀況對比，見表7。

表7 研究區生態狀況占比 %

1999—2008年，研究區生態安全指數呈現上升態勢。這主要是因為：為了擺脫資源型城市“礦竭城衰”的命運，1999年焦作市政府做出了第二次轉型的戰略決策，開始把目光由地下礦產資源轉向地上山水資源，提出要把人文、自然、社會景觀相結合，主打山水，為此，焦作對城市環境進行大力治理，在這期間植被覆蓋度、人均GDP、人均糧食產量以及土地復墾治理率等指標持續上升，城鎮化率隨之上升。

2008—2018年，研究區生態安全指數稍有下降。這主要是因為：2002—2012年被稱為煤炭產業的“黃金十年”，在這期間焦作礦區仍然在大力開采煤炭，并且隨著時間的推移煤礦塌陷區面積逐漸增大。此外，焦作市于2008年被列為首批資源枯竭城市，并進行資源型城市轉型試點，到2018年轉型已經初見成效，在這期間，工業發展帶來的水土污染也愈發嚴重，單位耕地農藥以及化肥負荷加大，交通網密度也逐漸加大，這些都對礦區生態安全狀況帶來了一定的影響。

綜上，1999—2018年，焦作礦區生態安全綜合指數總體呈現上升趨勢，由生態惡劣到生態預警，但是離生態良好以及生態安全狀態仍有一定的距離，仍然需要加大力度治理生態問題。

3.2 空間格局變化分析

為了探究焦作礦區生態安全空間格局的演變情況，對全區4個縣區的生態安全評價進行研究，以此了解不同區域的生態安全演變趨勢。根據上述計算過程，結合礦區生態安全評價標準，以縣區為單位，并利用Excel表格統計，得出每個縣區不同村莊的生態安全值對比圖，見圖1。

圖1 修武縣、輝縣市、馬村區以及山陽區生態安全對比

20 a來，研究區北部地區生態安全指數高于其他區域，東北和西南地區生態安全指數低于其他區域。4個縣區中，修武縣生態安全指數高于其他3個區域，山陽區生態安全指數較低，輝縣市一直處于生態較差狀態，山陽區一直處于生態較差與生態惡劣狀態，但生態惡劣狀態區域在逐漸減少。整體來看生態良好以及生態預警區域逐年增多，生態安全指數由外向內逐漸增大。

(1) 1999年，修武縣和輝縣市均處于生態較差狀態，而馬村區均處于生態惡劣狀態，山陽區76.92%處于生態惡劣狀態，23.08%處于生態較差狀態，修武縣和輝縣市的生態安全狀況整體高于馬村區和山陽區。

(2) 2008年，修武縣92.85%處于生態良好狀態，7.15%處于生態預警狀，馬村區12.73%處于生態良好狀態，29.09%處于生態預警狀態，58.18%生態較差狀態，輝縣市4.00%處于生態預警狀態，96.00%處于生態較差狀態，山陽區84.62%處于生態較差狀態，15.38%處于生態惡劣狀態，修武縣的生態安全狀況整體高于馬村區、輝縣市和山陽區。

(3) 2018年，修武縣14.29%處于生態良好狀態，76.19%處于生態預警狀態，9.52%處于生態較差狀態，馬村區29.09%處于生態良好狀態，65.46%處于生態預警狀態，5.45%處于生態較差狀態，輝縣市全部處于生態較差狀態，山陽區84.62%處于生態較差狀態，15.38%處于生態惡劣狀態，修武縣和馬村區生態安全狀況整體高于輝縣市和山陽區。

焦作礦區生態安全狀況發展不均，不同區域發展狀況不同。其中，修武縣和輝縣市生態安全綜合指數均呈現先上升后下降的趨勢，馬村區生態安全綜合指數呈現上升趨勢，山陽區53.96%呈現上升趨勢，46.04%呈現先上升后下降的趨勢。根據礦區位置分布圖以及縣區生態安全對比圖，可以發現，現已關停的小馬礦和馮營礦位于修武縣和馬村區以及山陽區；資源枯竭的中馬礦、韓王礦和演馬礦位于山陽區和馬村區；目前仍在開采的九里山礦和古漢山礦位于馬村區和輝縣市，礦區開采情況一定程度上影響了礦區生態狀況。此外，人口密度、土地利用強度、塌陷區面積等等以及人類與生物活動都影響著礦區的生態安全狀況。

4 結 論

(1) 1999—2018年焦作礦區生態安全綜合指數呈波動上升的趨勢，1999年處于生態惡劣狀態，2008年以及2018年均處于生態預警狀態。

(2) 1999—2018年的生態安全狀況不同區縣有不同的變化特征，位于修武縣的方莊一礦和方莊二礦變化幅度較大，位于輝縣市和修武縣的古漢山礦變化幅度最小，資源環境壓力、研究區生態現狀和社會經濟響應等是生態安全產生變化的主要影響因素。

(3) 由于礦區生態安全評價指標體系的構建涉及眾多的學科，盡管借助PSR模型構建了礦區生態安全評價指標體系，但受限于資料和指標數據可獲取性的局限，以及自身水平的限制，礦區生態安全評價指標體系仍需進一步完善。