耿宜佳，彭書傳*，王曉輝，李如忠

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230061)

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淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)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(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230061)

[目的]了解淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。[方法]從自然環(huán)境、生態(tài)狀況、環(huán)境污染和社會經(jīng)濟等方面，選取16個評價指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系。在確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型對1986、1999和2012年淮南煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行綜合評價。[結(jié)果]1986、1999和2012年淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)分別為66.536、51.941和35.160，表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出逐漸惡化的趨勢。[結(jié)論]景觀破碎化指數(shù)、礦區(qū)土地塌陷面積和土地脅迫指數(shù)是對淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響最為不利的主要指標(biāo)，在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理中應(yīng)引起重視。

淮南礦區(qū)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；評價指標(biāo)

煤炭資源是我國的主體能源，分別占一次性能源生產(chǎn)和消費總量的76%和69%，且在未來很長一段時期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會被改變[1]。由于煤礦區(qū)發(fā)展與煤炭資源的開采息息相關(guān)，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(tài)環(huán)境問題，這些問題在一定程度上引發(fā)了資源的浪費、經(jīng)濟發(fā)展速度的減緩、生態(tài)環(huán)境的破壞，加劇了礦區(qū)的社會問題，成為限制礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[2-3]。目前，國內(nèi)關(guān)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價已有大量研究，主要集中在流域、工業(yè)園區(qū)、城市等常規(guī)區(qū)域。徐兵兵等[4]對南苕溪臨安段水質(zhì)進行了評價，李艷萍等[5]對工業(yè)園區(qū)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重進行了分析，李崧等[6]評價研究了黑龍江省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。國內(nèi)也有學(xué)者對淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行了評價。王振紅等[7]研究了淮南礦區(qū)采煤塌陷積水區(qū)水生態(tài)環(huán)境，但僅對礦區(qū)采煤塌陷積水區(qū)的水生態(tài)環(huán)境進行評價，未考慮到礦區(qū)的整體性。鑒于此，筆者將淮南礦區(qū)作為整體，對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行全面系統(tǒng)的評價，以期為淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和規(guī)劃的制訂提供理論支持。1材料與方法

1.1研究區(qū)概況淮南礦區(qū)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(qū)煤炭遠(yuǎn)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(qū)的50%。全市總面積2 596.4km2，地處亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量970mm，平均氣溫15.5 ℃[8]。淮南市境位于淮河流域，主要河流為淮河，區(qū)域地貌形態(tài)分為丘陵、平原兩大類型。將礦區(qū)土地利用類型分為城鎮(zhèn)用地、耕地、林地、農(nóng)村居民點、水域等。1986～2012年礦區(qū)的土地利用類型以耕地為主，其次是城鎮(zhèn)用地、水域及農(nóng)村居民點。隨著煤炭資源的不斷開發(fā)利用，煤矸石與粉煤灰大量增加，其長期堆存侵占了大量農(nóng)田?；茨系V區(qū)煤矸石產(chǎn)量約占煤炭總產(chǎn)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(fēng)化所產(chǎn)生的氣態(tài)污染物也會對人畜健康造成影響。礦區(qū)開采過程中產(chǎn)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(huán)境質(zhì)量的同時還會通過滲濾進入地下，污染地下水質(zhì)量。煤礦的開采還會導(dǎo)致塌陷地面積不斷擴大，截至2013年底，淮南礦區(qū)塌陷面積約220.0km2，占全市總面積的8.5%。據(jù)預(yù)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(fā)利用帶來了諸多問題，但煤炭開采已成為淮南市的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，1986年淮南市地區(qū)生產(chǎn)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(xiàn)了社會經(jīng)濟快速增長。

1.2評價指標(biāo)體系的建立

1.2.1指標(biāo)篩選原則。為全面、有效地評價淮南礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征，選擇評價指標(biāo)和方法時須遵循科學(xué)性原則、代表性原則、系統(tǒng)性原則、可行性原則、主導(dǎo)因子原則[10]。

1.2.2評價指標(biāo)體系構(gòu)建。結(jié)合研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的特點，從自然環(huán)境、生態(tài)狀況、環(huán)境污染和社會經(jīng)濟的角度，篩選評價指標(biāo)，構(gòu)建淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系(圖1)。

圖1　淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)分級Fig.1　Eco-environment comprehensive evaluation index in Huainan coal mining area

(1)景觀多樣性指數(shù)。根據(jù)土地利用/覆蓋分類數(shù)據(jù)基于Shannon-Weaner(Shannon’sDiversityIndex，SDI)指數(shù)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(qū)域總面積的比例；m為研究區(qū)土地利用/覆蓋類型總數(shù)；SDI為多樣性指數(shù)，數(shù)值越大，表示生態(tài)類型多樣性越大。

(2)土地利用程度綜合指數(shù)。土地利用是人類以經(jīng)濟、社會發(fā)展為目標(biāo)，根據(jù)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(fā)生改變。該指數(shù)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(qū)土地利用概括為6種，分別為城鎮(zhèn)用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農(nóng)村居民點和水域，分別根據(jù)衛(wèi)星影像解譯或者矢量數(shù)據(jù)歸類得到1986、1999和2012年的土地利用情況。

(3)生物豐度指數(shù)。根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)，對淮南礦區(qū)的城鎮(zhèn)用地、高覆蓋度草地、耕地、林地、農(nóng)村居民點和水域的生物豐度指數(shù)權(quán)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(shù)：生物豐度指數(shù)=Abio×(0.01×城鎮(zhèn)用地+0.13×高覆蓋度草地+0.11×耕地+0.35×林地+0.02×農(nóng)村居民點+0.28×水域)/區(qū)域面積，式中，Abio為生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)，Abio= 100/A最大值，A最大值指某指數(shù)歸一化處理前的最大值。

(4)植被覆蓋指數(shù)。礦區(qū)植被指數(shù)是評價礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，在很大程度上影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。歸一化植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI)能夠準(zhǔn)確反映研究區(qū)植被的覆蓋程度和健康狀況。筆者采用NDVI來反映研究區(qū)植被覆蓋信息，進而反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況。

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

(6)大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。以淮南礦區(qū)主要大氣污染物濃度表征大氣環(huán)境質(zhì)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(huán)境質(zhì)量指數(shù)，表達式[12]見下：

(2)

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

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

(3)

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

(8)土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。選取Hg、As、Pb、Cr4種重金屬指標(biāo)作為淮南礦區(qū)土壤污染物，根據(jù)不同年份礦區(qū)的土壤重金屬濃度年均值作為評判礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的依據(jù)，采用內(nèi)梅羅法進行土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計算。

(9)景觀破碎化指數(shù)。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(guān)，伴隨著景觀破碎化和斑塊面積的不斷縮小，生物生存的環(huán)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(shù)作為景觀破碎度的判別指標(biāo)：

(4)

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

表1　淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)權(quán)重

1.4指標(biāo)歸一化為消除各指標(biāo)量綱差異和數(shù)值懸殊帶來的影響，用如下數(shù)學(xué)模型對各指標(biāo)數(shù)值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各指標(biāo)性質(zhì)不同，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的作用不同，不同的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法也不同。

(5)

式中，F(xiàn)i為某指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xi、Xmin、Xmax分別為評價因素的指標(biāo)值、最小值和最大值。正向指標(biāo)表示指數(shù)越大，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響越好的指標(biāo)；負(fù)向指標(biāo)表示指數(shù)值越大，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響越差的指標(biāo)。

1.5評價模型根據(jù)建立的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價指標(biāo)以及各指標(biāo)的權(quán)重，建立評價模型：

(6)

式中，EQI為生態(tài)質(zhì)量綜合評價指數(shù)；Ui為第i各生態(tài)質(zhì)量評價指標(biāo)的賦值；ai是評價指標(biāo)Ui的權(quán)重。

2　結(jié)果與分析

2.1礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)信息提取該研究采用的數(shù)據(jù)源主要包括遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)主要采用法國SPOT6影像數(shù)據(jù)，空間分辨率可達1.5 m，影像數(shù)據(jù)的獲取時間為2012年?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是研究區(qū)1∶5萬數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)。專題數(shù)據(jù)主要是研究區(qū)1986和1999年土地利用類型矢量數(shù)據(jù)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括研究區(qū)的自然、社會和經(jīng)濟方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計年鑒、環(huán)境質(zhì)量報告書、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

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

2.2礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)由衛(wèi)星影像解譯得到1986、1999和2012年淮南礦區(qū)土地利用狀況的數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸一化處理，不同年度生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)的計算結(jié)果見表2。

根據(jù)式(6)的評價模型，得到1986、1999、2012年淮南礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)分別為66.536、51.941、35.160?？梢?，淮南礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈下降趨勢，總體上環(huán)境質(zhì)量逐漸變差。

在標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)質(zhì)量評價指數(shù)的基礎(chǔ)上，把研究區(qū)按照國家環(huán)境保護局的分級標(biāo)準(zhǔn)進行劃分(EQI≥75為優(yōu)，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(biāo)準(zhǔn)可知，1986年的生態(tài)環(huán)境為良，1999年為一般，2012年為較差。

3　討論

(1)1986年對淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不利影響較大的指標(biāo)是景觀破碎化指數(shù)和礦區(qū)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(huán)境的承載能力。由于長期的資源開發(fā)，造成水土流失、土地塌陷等生態(tài)環(huán)境問題。

圖2　不同年度淮南礦區(qū)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(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不利影響的指標(biāo)與1986年大致相同，主要原因是改革開放以來，經(jīng)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(qū)建設(shè)會占用土地，對原有生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，包括對土地、植被、水系和大氣等生態(tài)環(huán)境造成影響，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。

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

4　結(jié)論

(1)用改進的層次分析法確定各項指標(biāo)的權(quán)重，通過構(gòu)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(biāo)中，前3位的是植被覆蓋指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)和生物豐度指數(shù)，權(quán)重分別為0.097、0.093和0.081。

(2)1986、1999和2012年淮南礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)分別為66.536、51.941和35.160；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分別屬于良、一般和差?？傮w上，環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸變差的趨勢。其中對環(huán)境質(zhì)量指數(shù)影響最大的景觀破碎化指數(shù)、礦區(qū)土地塌陷面積和土地脅迫指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，今后淮南礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理應(yīng)當(dāng)偏重于此。

表2不同年度淮南礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)計算結(jié)果

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

準(zhǔn)則Criterion指標(biāo)Indexname1986年1999年2012年自然環(huán)境Naturalenvi-ronment景觀多樣性指數(shù)00.8516.600生物豐度指數(shù)00.4458.100植被覆蓋指數(shù)9.7008.3310土地利用程度綜合指數(shù)5.4001.3960生態(tài)破壞Eco-logicaldamage土地脅迫指數(shù)00.2765.800化肥施用強度4.1002.7880景觀破碎化指數(shù)8.2006.0420礦區(qū)土地塌陷面積6.9005.7480環(huán)境污染En-vironmentalpollution大氣環(huán)境質(zhì)量指數(shù)003.900水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)003.900土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)03.0002.651工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量4.8004.3620社會經(jīng)濟So-cialeconomy人口密度6.1002.7840人均國民生產(chǎn)總值7.5006.2390人均地方財政收入4.8004.0780環(huán)保投資占總產(chǎn)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(yè)集團科學(xué)技術(shù)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(huán)境評價理論與方法。*通訊作者，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事水污染與環(huán)境評價研究。

2016-04-27

S181.3

A

0517-6611(2016)17-073-04