肖 武，李素萃，王 錚，楊耀淇，王 濤

1 中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083 2 中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083 3 北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 北京 100083

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高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價

肖 武1,2,*，李素萃2，王 錚2，楊耀淇3，王 濤2

1 中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083 2 中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所, 北京 100083 3 北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 北京 100083

生態(tài)風(fēng)險評價是生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理的重要研究內(nèi)容，并廣泛運用于流域與較大范圍的區(qū)域尺度的研究。以區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價理論為基礎(chǔ), 結(jié)合高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境以及煤炭開采對生態(tài)系統(tǒng)造成的危害的特點，通過分析風(fēng)險源、風(fēng)險受體、生態(tài)終點以及暴露—響應(yīng)過程，對高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別與評價方法進(jìn)行了研究，構(gòu)建了典型高潛水位煤礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險識別與評價概念模型與空間分析框架，分析了煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別的主要技術(shù)手段與方法，并構(gòu)建了以緩沖為主要手段的綜合生態(tài)風(fēng)險評價方法。選擇山東東灘煤礦作為研究對象，針對研究區(qū)內(nèi)存在的采煤塌陷、洪澇、污染、景觀及社會等生態(tài)風(fēng)險類型，定量評價其空間差異，并提出相應(yīng)的風(fēng)險防范措施。案例分析結(jié)果表明，研究區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險重度、中度、一般、輕度分別占到研究區(qū)的4.70%，64.00%，24.09%，7.20%。生態(tài)風(fēng)險較高的區(qū)域主要位于礦區(qū)中西部，為煤矸石山、裸露煤炭堆積與發(fā)電廠分布區(qū)域；中度風(fēng)險是研究區(qū)主要的風(fēng)險類型。從降低生態(tài)風(fēng)險保障礦區(qū)生態(tài)安全角度，在未來礦區(qū)規(guī)劃與生態(tài)治理過程中，提出了具體的應(yīng)對措施，包括：(1)注重源頭控制；(2)建立高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域阻隔帶；(3)加強污染的監(jiān)測與控制；(4)采用邊開采邊治理技術(shù)。建議加強生態(tài)風(fēng)險高區(qū)域的阻隔，建立生態(tài)緩沖帶，減緩對整個礦區(qū)的綜合影響，構(gòu)建東灘煤礦生態(tài)風(fēng)險防范的空間結(jié)構(gòu)。

生態(tài)風(fēng)險；高潛水位；煤礦區(qū)；風(fēng)險識別；風(fēng)險防范；Landsat- 8

煤炭是我國的最主要能源，占一次能源消費的70%左右。由于我國90%以上的煤炭產(chǎn)量來自于井工開采，且多采用走向長壁全部垮落法開采，土地不可避免地產(chǎn)生下沉，造成大量土地的損毀[1]。其開采對自然生態(tài)環(huán)境造成的破壞顯著，所引起的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為各煤炭大省所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一，生態(tài)風(fēng)險的產(chǎn)生不斷增強已經(jīng)影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量甚至生命財產(chǎn)的安全，各地政府及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者已開始廣泛重視。特別是我國東部高潛水位礦區(qū)由于地下煤炭資源和地面耕地、村莊的復(fù)合面積巨大[2-3]，煤炭開采所引起的土地、生態(tài)、環(huán)境問題尤為嚴(yán)重，也成為了中國最具特色、難度最大的問題之一，在國際上都具有典型性[4]。

生態(tài)風(fēng)險是指生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風(fēng)險，指在一定區(qū)域內(nèi)，具有不確定性的事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的作用[5]。生態(tài)風(fēng)險評價是評估由于一種或多種外界因素導(dǎo)致可能發(fā)生或正在發(fā)生的不利生態(tài)影響的過程，生態(tài)風(fēng)險評價由于能定量的評估發(fā)生生態(tài)環(huán)境災(zāi)害的幾率，自20世紀(jì)70年代開始，逐步得到各方重視[6]，研究領(lǐng)域涉及農(nóng)業(yè)[7]、礦產(chǎn)[8]、旅游[9]等開發(fā)等多個方面。但總體而言，自生態(tài)風(fēng)險提出，其應(yīng)用范圍主要為流域[10]與較大范圍的區(qū)域尺度[11]的研究。而對于礦區(qū)方面的研究，研究主要側(cè)重于單一污染源所引起的環(huán)境方面的風(fēng)險，如王瑩等與樊華文分別選擇了井工開采[12]與露天開采煤礦區(qū)[13]復(fù)墾土壤的重金屬污染所引起的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價。近年來，陸續(xù)有學(xué)者提出了礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價的理論與方法[14]，并對煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別、評價方法開展了研究，韓憶楠提出了煤炭礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別步驟與方法[15]，常青基于土地破壞提出了礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價的理論與方法[14]，程建龍對露天的生態(tài)風(fēng)險評價方法進(jìn)行了研究[16]，張小飛采用格網(wǎng)單元對煤炭城市的綜合生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了定量評價[17]。但對于井工煤礦區(qū)，特別是高潛水位煤礦區(qū)煤礦建設(shè)及煤炭開采所引起的生態(tài)風(fēng)險研究較少，高潛水位煤礦區(qū)煤炭開采所引起的主要表征為地面開采沉陷與煤矸石山壓占[18]，地面開采沉陷導(dǎo)致地面地形地貌改變、農(nóng)田積水、村莊搬遷、河流改道；煤矸石山壓占則引起大氣與水體污染；而煤礦山建設(shè)的附屬設(shè)施，如礦區(qū)鐵路、公路、發(fā)電廠等也導(dǎo)致礦區(qū)原本的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)受到外來脅迫影響，由此帶來一系列的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。

本文以區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價理論為基礎(chǔ)，結(jié)合高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境以及煤炭開采對生態(tài)系統(tǒng)造成的危害的特點，通過分析風(fēng)險源、風(fēng)險受體、生態(tài)終點以及暴露—響應(yīng)過程，對高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的識別與評價方法進(jìn)行了研究，構(gòu)建了典型高潛水位煤礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險識別與評價概念模型與空間分析框架，選擇山東東灘煤礦作為研究對象，針對研究區(qū)內(nèi)存在的采煤塌陷、洪澇、污染及村莊搬遷移民社會風(fēng)等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險類型，定量評價其空間差異，計算出研究區(qū)空間各點的綜合生態(tài)風(fēng)險值。最終，基于礦區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險值分布圖，對研究區(qū)內(nèi)綜合生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行分級分類，通過GIS 實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果的可視化。在此基礎(chǔ)上，并提出相應(yīng)的風(fēng)險防范措施。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及范圍示意圖 Fig.1 Study area: DT coal mine, Shandong province, China, with county boundaries

東灘煤礦位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi)，跨兗州、鄒城、曲阜三市(縣)，地理位置116°50′49″—116°56′56″E， 35°24′11″—35°31′25″N，礦區(qū)南北向約14 km，東西向約10 km(圖1)。地處魯中低山丘陵到平原洼地的過渡地帶，為第四系山前傾斜沖積—洪積平原，整體地勢由東北向西南逐漸降低，坡度極為平緩，地面標(biāo)高+42.46—+54.58 m，潛水埋深為2 m左右。歷年平均降水量715.54 mm，年平均氣溫14.4 ℃，礦區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地以粘壤土和砂質(zhì)粘壤土為主，土質(zhì)較好，耕性良好，礦區(qū)內(nèi)主要以耕地和農(nóng)村住宅用地為主，為典型的華北平原農(nóng)田景觀。礦區(qū)內(nèi)主要河流有白馬河與泥河，向南流入南陽湖，均為季節(jié)性河流。東灘礦自1989年投產(chǎn)以來，對于3煤層的開采，地面已經(jīng)形成了大面積的沉陷區(qū)，加之潛水位較高而匯集為大水面。此外，礦區(qū)建設(shè)附屬的鐵路、發(fā)電廠、煤矸石與煤炭的露天裸露堆積，給礦區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境帶來了很大的生態(tài)風(fēng)險。本文生態(tài)風(fēng)險評價的范圍為東灘煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)，總面積約60 km2。

2 高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價

2.1 高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險分析與概念模型建立

目前，對于高潛水位礦區(qū)尚無統(tǒng)一明確的界定，一般而言指潛水埋深1—3 m且煤炭地下開采后地面會形成塌陷積水的地區(qū)。我國十四大煤炭基地中有5個為平原高潛水位地區(qū)，包括了兩淮基地、魯西(兗州)基地、河南基地、冀中基地、蒙東基地(東北部分)，據(jù)估算，這5個煤炭基地采煤最終造成的沉陷面積將達(dá)到31813.33 km2，其中最終造成的積水面積超過19088 km2[4]。這一地區(qū)由于煤礦建設(shè)與煤炭開采所帶來的生態(tài)風(fēng)險主要包括4個方面。

2.1.1 地形地貌

地下煤炭資源的開采從采空區(qū)的形成到最終的地面穩(wěn)定是一個漫長的過程，時間跨度可從6個月到5年[19]。地表從開始受影響到影響基本結(jié)束持續(xù)的時間就要經(jīng)歷更長的過程，在如此長的跨度內(nèi)，地表受采礦的影響經(jīng)歷著持續(xù)的漸變，地面土地與附屬設(shè)施在開采過程中受到下沉、拉伸變形、傾斜變形、曲率變形的持續(xù)影響[20-21]。由于地下煤炭開采多導(dǎo)致的地形地貌的改變是造成高潛水位井工煤礦區(qū)的主要原因，由于塌陷的不確定性和不同受體的可承受性差異，其帶來的塌陷風(fēng)險在空間分布上也具有差異，帶來房屋受損、道路破壞、排水設(shè)施紊亂、土地退化等一系列的生態(tài)風(fēng)險。

2.1.2 土地與水

煤礦建設(shè)與煤炭開采導(dǎo)致原有土地利用方式、類型、強度都發(fā)生了徹底的改變，同時，由于沉陷改變了礦區(qū)內(nèi)的地形，導(dǎo)致原有的流域系統(tǒng)破壞，耕地積水、河水倒灌、土地鹽堿化等現(xiàn)象隨之發(fā)生。高潛水位煤礦區(qū)由于其特殊的自然與地質(zhì)條件，具有煤層厚度大、煤層數(shù)量多以及地面相對平坦、潛水埋深小的特點[22]。而煤炭開采后引起地面下沉，潛水出露地面形成積水；另外，現(xiàn)有的河流與排灌設(shè)施由于下沉后地形發(fā)生了改變，導(dǎo)致水流倒灌，引起排灌系統(tǒng)紊亂。這些由開采沉陷導(dǎo)致的地面積水與河道破壞誘發(fā)洪澇災(zāi)害，這一特點在中國乃至世界范圍都具有典型性，世界范圍內(nèi)也只有波蘭與德國等部分地區(qū)有相同類似的情況。

2.1.3 三廢

廢水、廢氣、廢渣被稱為工業(yè)三廢，伴隨著工業(yè)化而產(chǎn)生。煤礦區(qū)中煤矸石山的堆積與發(fā)電廠的生產(chǎn)是產(chǎn)生三廢的主要源頭。煤矸石是在煤炭生產(chǎn)過程中成為廢棄物，包括巖石巷道掘進(jìn)時產(chǎn)生的掘進(jìn)矸石和洗煤廠生產(chǎn)過程中排出的矸石[23]。早期的煤礦生產(chǎn)的煤矸石主要采用露天堆積的形式排放，在平原地區(qū)形成人造的高聳山，近年來隨著煤矸石的綜合利用加強，也被廣泛的用于充填塌陷區(qū)、造磚、發(fā)電。煤矸石堆積與利用導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題主要包括：(1)礦區(qū)大氣環(huán)境的污染；(2)水環(huán)境的影響；(3)土壤的損害；(4)礦區(qū)景觀的破壞；(5)人身安全危害；(6)輻射污染。已有研究發(fā)現(xiàn)，露天堆存的煤矸石與綜合利用(充填塌陷區(qū)、修建道路)都帶來一定程度的污染，充填積水塌陷區(qū)浸泡行為占主要作用，而露天堆存在矸石山上的矸石，淋溶行為占主要作用[24]。也有學(xué)者對本文所在研究區(qū)煤矸石的污染進(jìn)行了定量研究，認(rèn)為煤矸石堆積對附近農(nóng)田土壤與水體的污染主要以Zn、Pb和Cr為主[25]，隨著距離煤矸石堆由近而遠(yuǎn), 土壤中微量元素的濃度明顯降低[26]。發(fā)電廠的重金屬污染主要來自煤的燃燒。煤炭燃燒過程中, 會有多種易揮發(fā)的重金屬元素通過煙氣、灰渣、廢水等介質(zhì)最終污染周邊土壤環(huán)境。通過對發(fā)電廠周邊土壤的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汞[27]和砷[28]污染最為普遍。很多發(fā)電廠周邊土壤都存在重金屬含量超標(biāo)的現(xiàn)象，存在潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。

2.1.4 社會經(jīng)濟(jì)

東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)人口稠密，村莊布局密集。煤炭開采引起地面下沉，雖然在“三下”采煤中對地表建筑物保護(hù)等進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，但目前煤炭開采的方式仍然是“地面服從地下”的方式，由于村莊壓煤量巨大，礦山企業(yè)在綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本后往往都選擇村莊整體搬遷進(jìn)行地下煤炭資源開采。據(jù)目前統(tǒng)計，東部平原煤炭基地中的魯西基地共有壓煤村莊及重要建筑物1100 多處。據(jù)測算，其中僅濟(jì)寧市在2020 年以前，已經(jīng)和將要搬遷的村莊就有225 個，人數(shù)約70 多萬人[29]。如此大的村莊搬遷與人口遷移，帶來的社會風(fēng)險巨大。

不難發(fā)現(xiàn)高潛水位煤礦區(qū)的風(fēng)險源主要包括：開采導(dǎo)致的土地塌陷、煤矸石與煤的露天堆積與壓占、附屬設(shè)施建設(shè)等帶來的污染。而風(fēng)險受體包含了地形地貌、植被、土壤、大氣、水環(huán)境。風(fēng)險源通過地面下沉積水、煤矸石山的風(fēng)化、自燃以及水循環(huán)等過程進(jìn)行暴露-響應(yīng)，最終形成了地面裂縫、農(nóng)田積水、村莊搬遷、洪澇災(zāi)害、土壤污染、水污染、河流改道等綜合的生態(tài)終點，通過分析構(gòu)建了典型高潛水位煤礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險識別與評價概念模型與空間分析框架(圖2)。

圖2 高潛水位煤礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價概念模型與空間分析框架Fig.2 Conceptual Model and framework of comprehensive coal mine ecological risk assessment in high groundwater area

2.2 生態(tài)風(fēng)險識別

在進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別之前，需要先對該礦區(qū)進(jìn)行綜合調(diào)查，認(rèn)識礦區(qū)生態(tài)環(huán)境特征及采礦活動的特點和擾動方式。內(nèi)容包括地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件、氣象氣候、植被、土壤以及礦業(yè)生產(chǎn)活動等。通過資料收集、遙感影像分析、現(xiàn)場調(diào)研、實地測量與監(jiān)測、問卷調(diào)查、入戶訪談等方式獲取數(shù)據(jù)，并了解礦區(qū)自身特點，為后續(xù)的風(fēng)險源識別工作奠定理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)目前廣泛應(yīng)用于不同尺度的生態(tài)風(fēng)險評價研究，尤其是在大尺度的土地利用變化研究方面，利用航片或不同分辨率影像結(jié)合GIS、GPS 等工具對區(qū)域生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行識別與評價已經(jīng)成為主要的研究手段。

研究中主要采用了2012年濟(jì)寧市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，東灘煤礦的土地復(fù)墾方案、開發(fā)利用方案等資料。統(tǒng)計年鑒主要用于提取人口密度等社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，土地復(fù)墾方案與開發(fā)利用方案用于提取地下采礦與采空區(qū)等指標(biāo)。此外，還采用了最新的Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)[30]。為了較好的辨識地物，選取了2013年5月21日的Landsat 8數(shù)據(jù)(行/列號：122/36)，影像包含了9個波段，空間分辨率為30 m，其中包括一個15m的全色波段，經(jīng)過幾何精校正與圖像融合后，利用地形地貌數(shù)據(jù)圖等輔助數(shù)據(jù)，應(yīng)用ENVI 5.1為平臺進(jìn)行研究，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行監(jiān)督分類，將礦區(qū)內(nèi)的土地劃分為耕地、建設(shè)用地、水域、濕地、未利用土地5種類型，并利用2014年8月實地考察所獲得的地表覆被數(shù)據(jù)與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行了精度檢核，滿足研究需要。通過實地調(diào)研與遙感影像提取，對東灘煤礦礦區(qū)內(nèi)的生態(tài)風(fēng)險源(關(guān)鍵要素)進(jìn)行了提取，這些關(guān)鍵要素主要包括河流、鐵路、開采沉陷積水區(qū)、電廠、裸露煤堆、煤矸石山6類，如圖3所示。

圖3 東灘煤礦關(guān)鍵要素空間位置Fig.3 Position of key features in Dongtan coal mine

2.3 生態(tài)風(fēng)險評價

生態(tài)風(fēng)險評價通常廣泛的應(yīng)用于流域與大尺度區(qū)域范圍內(nèi)，尺度是景觀生態(tài)學(xué)研究中的一個基本概念，通常人們認(rèn)為尺度所代表研究對象在空間或時間上的量度[31]。從本質(zhì)上來說，尺度是自然界所固有的特征，然而，基于不同的研究目的和興趣，生態(tài)學(xué)家對尺度的理解確不盡相同，如尺度還可以是用于信息收集和處理的時間和空間單位，或者是由時間和空間范圍決定的一種格局變化[32-33]。對于煤礦區(qū)而言，與傳統(tǒng)的風(fēng)險評價(區(qū)域生態(tài)風(fēng)險與流域生態(tài)風(fēng)險)尺度相比，其范圍和尺度要小了很多，如此小范圍的區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險評價，評價單元與風(fēng)險小區(qū)的劃分與精確計算將很大程度影響最終的結(jié)果。

在本研究中，煤炭礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別在空間范圍上覆蓋了采礦活動所能影響和擾動到的區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)采礦活動對生態(tài)系統(tǒng)具有直接作用。為體現(xiàn)區(qū)域差異，首先劃分風(fēng)險小區(qū)，每一個風(fēng)險小區(qū)均為面積100m×100m 的方格，對應(yīng)著不同的風(fēng)險源和風(fēng)險受體，針對風(fēng)險源，評估各類風(fēng)險源的強度，針對風(fēng)險受體，引入景觀格局指數(shù)評估其易損性，最終用綜合生態(tài)風(fēng)險值表征區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的相對大小，每一個風(fēng)險小區(qū)對應(yīng)一個綜合生態(tài)風(fēng)險值，綜合生態(tài)風(fēng)險(Comprehensive Ecological Risk，CER)， 發(fā)生概率則為標(biāo)準(zhǔn)化后單一生態(tài)風(fēng)險發(fā)生概率的總和，計算公式為:

式中，Aij為不同i類風(fēng)險受體(土地利用類型)在第j類風(fēng)險影響下的脆弱程度，取值越高其生態(tài)風(fēng)險(脆弱性)越大，本文中取值為1—10，采用專家打分法獲?。籈f為不同風(fēng)險源下的程度分化(風(fēng)險發(fā)生概率)，取值在0—1之間?？梢钥闯霾擅猴L(fēng)險與社會風(fēng)險為正向指標(biāo)，洪澇災(zāi)害、環(huán)境污染風(fēng)險、景觀風(fēng)險為負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)說明值越大生態(tài)風(fēng)險越嚴(yán)重，反之為負(fù)向風(fēng)險。整合單一風(fēng)險發(fā)生概率的計算結(jié)果可獲得研究區(qū)綜合風(fēng)險的空間分布差異分析，判斷礦區(qū)的高風(fēng)險區(qū)域，并針對其原因制定風(fēng)險防范方案，為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。本研究中，將土地利用分為5類，脆弱度最高者為10，最低者為1，程度分化為4級，最低者為0.3，最高者為1.0。不同風(fēng)險下主要用地類型的脆弱程度見表1，不同風(fēng)險源的影響半徑及程度分化表見表2。

表1 東灘煤礦不同風(fēng)險下主要用地類型的脆弱程度

10: 生態(tài)風(fēng)險極高；9: 生態(tài)風(fēng)險很高；8: 生態(tài)風(fēng)險較高；7: 生態(tài)風(fēng)險高；5: 生態(tài)風(fēng)險中等；3: 生態(tài)風(fēng)險一般；2: 生態(tài)風(fēng)險較弱；1: 基本無生態(tài)風(fēng)險

利用提出的生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)，對研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行計算與分析。采煤塌陷風(fēng)險主要根據(jù)地質(zhì)采礦資料中采區(qū)劃分與是否開采，分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定與極不穩(wěn)定4類；洪澇災(zāi)害風(fēng)險利用Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)提取的河流與塌陷積水坑進(jìn)行緩沖，緩沖半徑分別為100、500、1000m，大于1000m；環(huán)境污染風(fēng)險以影像提取的發(fā)電廠、煤矸石山、裸露煤堆為緩沖源，緩沖半徑分別為100、500、1000m，大于1000m；景觀風(fēng)險主要以鐵路進(jìn)行緩沖，緩沖半徑分別為100、200、500m，大于500m；社會風(fēng)險主要根據(jù)所在行政區(qū)人口密度進(jìn)行劃分。各級別所對應(yīng)的程度分化(風(fēng)險發(fā)生概率)見表2。在ArcGIS 平臺的支持下，將處理后的矢量數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為分類柵格圖，利用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加等運算，然后進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到各個風(fēng)險小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)，根據(jù)綜合生態(tài)風(fēng)險數(shù)值大小，將東灘煤礦綜合生態(tài)風(fēng)險劃分為重度、中度、一般、輕度4類，如圖4所示，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表2 東灘煤礦不同風(fēng)險源的影響半徑及程度分化表

表3 東灘煤礦不同生態(tài)風(fēng)險程度

Table 3 Degree of different Comprehensive Ecological Risk in Dongtan coal mine

生態(tài)風(fēng)險程度Ecologicalriskdegree風(fēng)險小區(qū)數(shù)量Counts比例Percentage重度Severe2934．70中度Moderate399064．00一般General150224．09輕度Mild4497．20小計Total6234100．00

可以看出，東灘煤礦主要的生態(tài)風(fēng)險集中在礦區(qū)中西部區(qū)域，這與是發(fā)電廠、煤矸石山堆積、煤炭堆積區(qū)域的分布基本符合，這一區(qū)域主要的生態(tài)風(fēng)險為污染誘發(fā)的系列影響，雖然面積較少，只占到整個礦區(qū)的4.70%，但由于其危害性大，應(yīng)該引起足夠的重視；中度風(fēng)險是本研究區(qū)主要的風(fēng)險類型，占整個礦區(qū)的64.00%，這部分區(qū)域主要為塌陷引起的洪澇災(zāi)害與社會風(fēng)險；一般與低度生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在礦井工業(yè)廣場周邊以及礦區(qū)邊緣，礦井工業(yè)廣場由于留設(shè)了保護(hù)煤柱，且遠(yuǎn)離污染源，其生態(tài)風(fēng)險較小。

3 結(jié)論與討論

圖4 東灘煤礦綜合生態(tài)風(fēng)險程度空間分布 Fig.4 Spatial distribution of comprehensive ecological risk degree of Dongtan

生態(tài)風(fēng)險評價主要應(yīng)用于流域與區(qū)域性的大范圍區(qū)域，礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的評價也往往側(cè)重于單一災(zāi)害或者風(fēng)險，且主要以重金屬污染所引起的生態(tài)風(fēng)險與土地利用變化導(dǎo)致的景觀風(fēng)險分析為主。本研究分析了高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特性，針對煤礦區(qū)面臨的各種生態(tài)風(fēng)險類型，構(gòu)建多風(fēng)險的煤礦區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險評價框架體系。研究獲取了煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中的風(fēng)險源，通過分析其暴露與響應(yīng)過程，構(gòu)建了綜合風(fēng)險評價體系，采用Landsat- 8與多種地質(zhì)采礦與年鑒數(shù)據(jù)，基于ENVI5.0與Arcgis10等軟件平臺構(gòu)建了風(fēng)險小區(qū)，定量的分析了各風(fēng)險小區(qū)生態(tài)風(fēng)險的空間分布位置與強度，根據(jù)評價結(jié)果，從空間風(fēng)險防范的角度出發(fā)，建議礦區(qū)在后續(xù)煤炭開采與土地復(fù)墾過程中注重以下措施：(1)注重源頭控制

通過本文分析，煤矸石山、裸露煤堆與發(fā)電廠是導(dǎo)致礦區(qū)高生態(tài)風(fēng)險分布的主要原因，由于這些都是點源污染，建議礦山后續(xù)應(yīng)當(dāng)注重源頭控制，加強煤矸石山的綜合利用以消滅其露天堆積；煤堆建議不要露天堆放，以煤倉的方式存儲；進(jìn)一步加強發(fā)電廠的水、氣排放的監(jiān)控。

(2)建立高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域阻隔帶

由于高生態(tài)風(fēng)險區(qū)已形成且短時間內(nèi)難以直接消除，在未來礦區(qū)規(guī)劃與生態(tài)治理過程中，建議加強生態(tài)風(fēng)險高區(qū)域的阻隔，建立生態(tài)緩沖帶，減緩對整個礦區(qū)的綜合影響，構(gòu)建東灘煤礦生態(tài)風(fēng)險防范的空間結(jié)構(gòu)。具體措施包括：防護(hù)林建設(shè)，土工布阻隔。通過這些措施防止風(fēng)險的擴(kuò)散與傳播。

(3)加強污染的監(jiān)測與控制

本文未進(jìn)行實地采樣，獲取高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域的污染程度與空間分布規(guī)律，礦山企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強勿讓的監(jiān)測與控制，對于具體而言，需要進(jìn)一步分析當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，獲得實地污染風(fēng)險的空間分布規(guī)律。

(4)采用邊開采邊治理技術(shù)

平原礦區(qū)充填物缺乏，大量珍貴的表土沉入水中。此外，沉陷盆地的坡地區(qū)與季節(jié)性積水區(qū)域土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重。建議在后續(xù)可根據(jù)開采計劃與接續(xù)，提前采取措施進(jìn)行變開采邊治理修復(fù)工作，真正做到源頭控制，過程精細(xì)管理。

本研究所提的風(fēng)險評價方法，在計算操作上仍存在深化改善的空間。首先，關(guān)于不同土地利用的脆弱程度，目前采用專家打分方法進(jìn)行定量評估，未來可結(jié)合多方意見進(jìn)行進(jìn)一步的修正；其次，由于對風(fēng)險發(fā)生概率主要通過以緩沖區(qū)的方式獲得，緩沖半徑的設(shè)置有必要進(jìn)行實地的驗證，并進(jìn)行修正，在后期的研究中，可實地測試高生態(tài)風(fēng)險區(qū)中土壤與水體中重金屬污染的程度，對模型進(jìn)行修正；最后，由于煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險的特殊性，煤炭礦區(qū)的風(fēng)險屬于持久型、累進(jìn)型風(fēng)險，因此其危險性不是對應(yīng)時間“點”的風(fēng)險發(fā)生概率，而是時間“軸”上的風(fēng)險累積概率，如何動態(tài)的獲取煤礦在不同階段的生態(tài)風(fēng)險與空間分布，將更加有效的指導(dǎo)煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)風(fēng)險防范，構(gòu)建相對合理的生態(tài)風(fēng)險防范的空間結(jié)構(gòu)。

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Ecological risk identification and assessment for a coal mine with a high groundwater table

XIAO Wu1,2,*, LI Sucui2, WANG Zheng2, YANG Yaoqi3, WANG Tao2

1 State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2InstituteofLandReclamationandEcologicalRestoration,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China3SchoolofEconomics,PekingUniversity,Beijing100083,China

Ecological risk assessment is one of the most important subdivisions in eco-environmental protection and management, and it is widely used to evaluate ecological risks on both watershed and regional scales. In this study, we conducted identification and ecological assessment by analyzing risk sources, bearer, ecological endpoints, and the exposure-response process on the basis of regional ecological risk assessment coupled with the unique characteristics of mining ecosystems in high groundwater table areas. The identification and evaluation method for ecological risk was studied, and an ecological assessment conceptual model and spatial analysis framework for a coal mine with high ground water were proposed. Furthermore, a comprehensive ecological risk assessment method was proposed on the basis of the spatial buffering theory. The proposed model identifies and assesses mining-induced ecological risks. The Dongtan coal mine in Shandong Province was selected to test this model and framework. The major ecological risks in this mine include land subsidence, floods, water pollution, landscape, and social issues. The degrees of single and comprehensive ecological risk were evaluated. On the basis of the analysis, ecological risk was quantitatively analyzed and spatial strategies for ecological planning in the coal mine were broached. Severe, moderate, general, and mild comprehensive ecological risks were 4.7%, 64%, 24.09%, and 7.2%, respectively. The high ecological risk was located mid-west of the coal mine with sites for coal waste piles, exposed coal, and power plants. Despite the small area occupied, enough attention should be paid to high ecological-risk areas because of their high potential of air, water, and soil pollution. The moderate ecological risk was the dominant risk-type and was present in 64% of the whole region, where most of the mining subsidence is distributed. Mining subsidence triggers flood, farmland loss, and related social issues. The general and low ecological risks were located in the mining industry square area and coal mine edges (where coal pillars protect the ground infrastructure), and were kept at a distance from pollution sources. On the basis of quantitative and spatial ecological risk assessment, specific recommendations were proposed after considering reduced ecological risk and protection from an ecological security perspective for the mine. The countermeasures and suggestions include: (1) Source control. Coal waste piles, exposed coal, and power plants are the main causes of pollution and are considered as point-source pollution; therefore, we recommend that the coal company should focus on source control, improve the comprehensive utilization of coal waste, eliminate exposed coal, and implement monitoring of water and air emissions in power plants. (2) Establishment of barriers for high ecological-risk areas. High ecological-risk areas were established over a long period and cannot be eliminated immediately; therefore, establishment of ecological buffer zones and barriers for mitigating the effects of high ecological risks is strongly recommended. Specific measures include shelterbelt construction and utilization of geotextiles. (3) Improved monitoring and pollution control. Field sampling was not conducted in this study; the coal company should build a monitoring system to assess high pollution levels and spatial distribution of ecological risk areas and consider the dominant wind direction. (4) Concurrent mining and reclamation, filling materials in high groundwater and plain coal mines, and concurrent mining and reclamation technology are recommended to protect the topsoil and improve land reclamation efficiency.

ecological risk; high ground water; coal mine; risk identification; risk prevention; Landsat- 8

國家自然科學(xué)基金項目資助(41401609)；中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放基金項目(SKLCRSM13KFB07)

2015- 03- 05;

2015- 07- 29

10.5846/stxb201503050430

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xiaowuwx@126.com

肖武，李素萃，王錚，楊耀淇，王濤.高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(17):5611- 5619.

Xiao W, Li S C, Wang Z, Yang Y Q, Wang T.Ecological risk identification and assessment for a coal mine with a high groundwater table.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5611- 5619.