基于正态云模型的宝日希勒煤矿生态安全等级研究*

包孟和, 郭珊珊, 张 茹, 张 峰, 董霁红

(1.神华宝日希勒能源有限公司 生产技术部，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116；3.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013)

内蒙古草原地区是我国大型露天矿的主要分布区域。长期以来，高度集中化的开采模式导致地表剥离严重、地下水位下降、地表景观破坏、水体和空气污染等一系列生态环境问题[1-2]，严重影响地下水、大气、动植物的多样性及稳定性[3]，草原生态系统的原生平衡不断受到威胁，各种生态安全问题日益凸显。宝日希勒煤矿属于内蒙古草原大型露天开采矿区，对反映内蒙古草原矿区生态安全状况具有很强的代表性。常年大规模的煤炭资源开采及矿区改扩建造成宝矿土地利用类型和景观格局分布变化明显。经实地调研，煤矿开采过程中产生的大量疏干水沉淀后CODcr(80 mg/L)和NH3-N(2.013 mg/L)含量较高，地下水位下降明显，严重威胁当地水环境安全。露天开采形成的排土场高40余米，采掘坑约100余米，导致原有的平坦草场变为新的堆积和凹陷景观，占用破坏土地达296.38 hm2。在未绿化区，地表裸露、土壤堆积松散，在风力作用下易产生扬尘。此外，矿区后期仍将进行第五期征地扩建，会对矿区及周围草地景观、地下水和土壤理化性状造成新的威胁。目前宝矿因煤炭开采造成的生态损失约1.76亿元/a[4]。而由此带来的生态恢复费用高达13 441万元/a，生态修复代价巨大。

近年来，随着“生态文明建设”大力推进，“绿水青山就是金山银山”理念逐步深入人心，资源开采带来的一系列生态环境问题越来越受到人们的关注。矿区生态安全研究对于反映由于煤矿开采及相关活动带来生态环境问题、提出相应的保护措施具有重要的指导作用[5]，是实现绿色矿山建设和可持续发展的关键。目前针对矿区的生态安全研究较少，其模型和方法仍需进一步完善。综合国内外研究现状，主要集中在以下几个方面：研究内容从单项到多项生态要素，再到矿区生态累积效应研究，如丁新原[6]、王锦洋[7]、张合兵[8]、Xuejiao Lv[9]等从不同角度出发，尝试构建针对矿区的生态安全评价指标体系，解析影响矿区生态环境的驱动因子，提出生态治理建议；研究方法主要涉及层次分析法、模糊综合评价法、生态足迹、景观格局等模型方法，如刘喜韬[10]将模糊数学与层次分析法相结合，评价了闭矿后的矿区土地复垦生态安全性等级；李恒凯[11]基于景观生态安全格局理论及最小累积阻力模型，识别了矿区生态源地、生态廊道和生态节点，分析了稀土矿区景观生态安全状况；Guo Shanshan[12]利用改进的生态足迹模型分析了呼伦贝尔草原生态安全演变特征和主要驱动因子。研究手段上，主要借助GIS和遥感影像特征识别等，如刘剑锋[13]利用高分一号卫星遥感影像数据，通过不同因子的遥感反演特征，分析井陉矿区生态安全状况。

综上所述，矿区生态安全研究内容日益丰富，方法、技术手段呈多样化，但目前的评价方法较为趋同，在处理指标选取的模糊性及指标评价的不确定性和随机性方面均有一定的局限性[14]。李德毅院士[15]基于概率论和模糊数学之间的相互关联，提出了能够同时兼顾评价指标模糊性和随机性的正态云评价模型。通过构造“隶属云”语言值，能够实现各评价指标向生态安全等级的不确定性映射，极大提高评价结果的可信度和适用性，克服了常规方法的不足。本研究提出利用正态云模型对宝日希勒矿区生态安全状况进行定量评价与分析，以期在已有研究结果的基础之上，进一步提高矿区生态安全评价的精度，为生态矿山建设提供重要参考和科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宝日希勒煤矿位于呼伦贝尔草原中部(E119°23′56″～119°36′23″，N49°19′24″～49°25′31″)，地理位置如图1所示，属寒温带大陆性季风气候，年平均气温-6～8 ℃，年均降雨量315 mm。原生植被种类单调，以寒温型草甸草原为主，土壤细沙、粉沙含量高，上覆植被一旦破坏，极易造成土壤风蚀，难恢复。宝矿自2001年建成投产开始，2007年二期扩建，2011年已达到20 Mt的年设计产量，2013年产量增至30 Mt，成为蒙东地区目前煤炭生产规模最大的露天矿。

图1 宝日希勒煤矿区地理位置和采样点分布

1.2 数据来源

2017年5月课题组分别选取矿区具有代表性的损毁场地北排土场，无采矿干扰的对照场地东排土场以及受人为干预修复的绿化带和720平台附近，依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)，采用梅花型布点法取 0～20 cm 表层土样，共40个土壤样品，具体采样点如图1所示。土壤样品室内理化分析实验由课题组成员在中科院南土所完成全氮、全磷和土壤有机质含量检测。社会经济统计类数据和部分环境数据源自《中国城市统计年鉴》(2018)、《呼伦贝尔统计年鉴》(2018)、内蒙古自治区地质环境公报及相关文献资料数据。

2 基于正态云模型的矿区生态安全评价模型

2.1 正态云模型基本原理

正态云模型通过构建“隶属云”语言值，用期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)三个数字特征来刻画多个指标评价中所存在的不确定性现象[16]。其中，期望Ex代表云的重心，即整个云朵中最能代表论域的云滴；熵En代表云的厚度，即云滴的离散程度，反映论域空间中可被概念接受的云滴的取值范围；超熵He代表云的凝聚度，用来度量熵的不确定性。在正向云发生器中，利用云的Ex、En、He三个数值特征计算出云滴，重复多次计算产生的云滴就构成了整个云图，由此来实现评价指标从定性到定量的转换。

2.2 矿区生态安全评价步骤

正态云模型可有效解决矿区生态安全评价指标的模糊性与随机性特点，实现定性描述指标到定量化测度之间的转变。模型计算主要包括5个步骤：

(1)建立矿区生态安全评价指标域C={c1,c2,…,cn}和安全评价指标标准值域S={s1,s2,…,sm}。

(2)根据改进的层次分析法计算各评价指标权重矩阵w={w1,w2,…,wn}，各指标权重如表1所示。

(1)

(2)

(3)

其中，超熵Heij由多次试验后取得[17]，是对熵Enij的不确定性度量，可以直接反应云滴之间的凝聚程度，Heij越大，说明云滴的聚合性越好，反之亦然。

(4)在MATLAB 2017软件中，采用已经编程好的X条件云发生器，求取各评价因素对应安全等级的隶属度Z。为提高结果的可靠性，重复运行发生器N次，取加权平均值作为各评价指标的综合平均隶属度[17]，公式如下：

(4)

(5)根据权重W与指标对应评价等级的隶属度矩阵Z，计算出评价标准值域S上的模糊子集P：

P=Z⊗W=(p1,p2,…,pk)

(5)

式中，Pj为矿区生态安全评价结果属于第j个评价等级的隶属度；n为待评价对象对第j条评语的隶属度。根据隶属度最大原则[18]，选择最大值作为最终矿区生态安全评价结果。

2.3 矿区生态安全评价指标体系构建

干旱半干旱草原矿区是一个集生态脆弱性、扰动破坏性和恢复困难性于一体的复杂生态系统。因此，在构建矿区生态安全评价指标体系时，既要考虑矿区生态环境本底特征，也要反映某些潜在因子变化的影响；既要考虑自然因素的影响，更要考虑人类活动扰动作用。在遵循科学性、针对性、全面性和适用性原则的基础上，采用PSR模型从压力-状态-响应三个层面，构建草原矿区生态安全评价指标体系，如表1所示。

表1 宝矿生态安全评价指标等级划分标准及权重

压力指标：草原矿区生态压力主要来源于工矿建设、煤炭开采等人类活动带来的经济成本、资源消耗和生态要素破坏。因此，选择矿区开采规模、平均剥采比、开采深度、生产成本和土壤侵蚀模数7个指标作为矿区生态压力指标。

状态指标：草原矿区土壤、植被、水文等关键生态要素与服务功能体现了矿区生态环境受人为干扰影响后的生态安全状况。选择年均降水量，人均草地和耕地面积，土壤有机质、全氮、全磷含量，SO2排放浓度等10个指标来反映矿区生态状态。

响应指标：反映了矿区生态环境治理与保护以及面临风险威胁时系统功能的自我恢复与提高，主要包括：全员劳动率，废水利用率，固废利用率，科研、环保投资比重等5个指标。

2.4 指标权重确定

研究采用改进的层次分析法构造的判断矩阵无需再进行一致性检验，可有效减少数据计算量[19]。首先，依次对n个指标进行两两比较，再根据重要性的传递性构造判断矩阵，确定指标权重。计算公式如下：

(6)

式中，wj为评价指标权重；rij为构造的判断矩阵中第i个元素与第j个元素相比的标度值。

3 宝日希勒矿区生态安全状况测度

3.1 指标标准值确定

目前关于矿区生态安全的研究较少，在指标安全标准的划分中，尚未有统一规定。本研究中关于矿区生态安全评价指标标准值的确定，主要根据我国已颁布实施的各项标准、国内平均值、国际公认值、行业分析报告以及已有研究中相似地区研究结果的基础上[19]，结合咨询中国矿业大学有关专家对宝矿生态环境现状及特征的实地调研，综合分析归纳后最终确定。

3.2 指标值域正态云数字特征

根据步骤(3)，计算表1中各评价指标在不同安全等级下的正态云标准。限于篇幅限制，以C2平均剥采比为例，在安全级内，En=0.29，Ex=2.79，分别设置超熵He为0.01、0.05、0.1，重复运行云发生器N=1 500次，得到1 500个云滴构成的正态云分布图，如图2所示。结果表明，当超熵经验取值为0.05时，正态云曲线显示清晰，云滴分布相对集中，且在不同安全等级下的云层厚度适中，相差较小。同理，多次试验后通过正态云模型的数字特征计算汇总各评价指标所对应的安全等级，如表2所示。然后，通过正态云发生器，确定各评价指标的正态云标准数组在不同安全等级下的正态云隶属度。以C2平均剥采比为例，其标准正态云隶属函数如图3所示。

图2 不同超熵值下的云层厚度

表2 宝矿生态安全评价指标不同评价等级的期望、熵和超熵

图3 宝矿平均剥采比正态云隶属度

3.3 安全隶属度计算结果

根据步骤(4)和步骤(5)，将各指标的隶属度矩阵和表1中的权重向量W进行模糊转换，得到评价集S上的模糊子集P，进而计算得出宝矿各目标层在各等级的综合隶属度，如表3所示。根据最大隶属度原则，得到2017年矿区生态安全综合值。

4 结果分析

由表3可知，2017年矿区生态安全综合分值为0.994 7，属于敏感级状态，压力、状态和响应各部分对应的最大隶属度分别为0.273 5(敏感级)、0.390 2(敏感级)和0.350 4(恶劣级)，说明矿区生态环境在受到人为生产活动干扰后，相应的环保措施响应不足，难以弥补生态环境损失。根据表3绘制宝矿生态安全等级分值图，如图4所示，从压力、状态、响应三个层面分析矿区生态安全状况。

表3 宝矿生态安全评价结果

图4 宝矿生态安全等级分值图

(1)生态压力、状态趋向恶化，生态安全形势严峻

由图4可知，宝矿生态环境状况整体上处于敏感状态，危险级次之，生态环境比较脆弱。长期大规模的开采活动造成表土剥离、地面塌陷、地下水流失、草地退化等一系列生态环境问题，生态安全隐患日益突出。虽然近几年整体煤市持续低迷带来的煤炭产量明显下降，但长期以来，煤炭作为当地的主体能源以及支柱产业的地位仍未改变，宝矿年采煤量仍在百万吨以上，由此带来的生态环境压力依然较大。因此，应在原有生态修复措施的基础上加强生态治理和环境保护力度，减少对采矿活动周边生态环境的破坏。

状态层指标中地表植被覆盖、空气质量以及土壤肥力状态整体较不理想。宝矿植被覆盖率仅为35%，远低于我国生态建设中高寒或草原区70%的植被覆盖标准；大气中烟尘排放浓度较大，隶属度位于恶劣等级，空气质量水平不高；土壤实地采样计算结果表明，土壤全氮、全磷指标隶属度均属于良好级和敏感级。表明矿区扩建提产的同时，对当地的土壤、空气和植被等生态要素均产生了不同程度的威胁，生态环境状况仍需进一步改善。

(2)生态环境响应不足，但提升潜力较大

生态安全等级分值图显示，矿区生态系统压力、状态和人为活动响应等级安全值分布不均，生态系统压力和状态在敏感级隶属度较大，而生态系统响应在恶劣等级隶属度较大，占总隶属度的37.07%，在安全和良好级别，仅占19.40%和7.24%。由此可知，废水利用率、固废利用率、科研投资比重及环保投资比重较低等人为响应不足已成为限制宝矿生态安全水平提高的主要因素。计算结果表明，除全员劳动生产率处于安全级之外(最大隶属度为0.070 1)，废水利用率和固废利用率均属于恶劣级状态(0.125 6、0.127 9)，科研投资比重属于危险级状态(0.169 3)，而环保投资比重属于敏感级状态(0.325 2)。

虽然目前宝矿人为响应对生态环境驱动不明显，但是随着我国“生态矿山建设”和“绿水青山就是金山银山”理念的提出以及东部大型煤电基地生态修复进程的不断推进，宝矿作为其重点示范区，在矿区适种植物筛选、水资源动态监测、井上/下生态环境综合治理、微生物联合修复等技术、方案的支持与实施下，进一步增加矿区内生态用地比例和植被覆盖率，减轻土壤重金属污染，提高生态环境质量，实现矿区经济-社会-生态协调发展。

5 结论与建议

针对目前矿区生态安全评价中存在的随机性和模糊性问题，本文基于PSR模型、正态云模型和熵权法，从压力-状态-响应三个层面构建指标体系，对内蒙古宝日希勒大型露天矿区生态安全状况进行评价，并取得了很好的效果，为深入研究与扩展矿区生态安全问题提供新的思路。研究结果表明：

(1)宝日希勒煤矿区生态安全等级处于敏感级水平。长期以来采矿活动的持续扰动，导致矿区生态系统压力逐渐增大，而相应的生态系统响应不足是目前限制宝矿生态安全整体水平提高的主要原因。从各评价指标隶属度来看，矿区生态环境压力主要来源于原煤开采量、矿坑深度和土壤侵蚀；矿区环境质量总体不高主要表现在地表植被破坏、大气污染和土壤肥力下降；限制宝矿生态安全等级提高的主要障碍因素为废水、固体废弃物低利用率、科研和环保投资等响应不足。

(2)矿区的发展需要将经济效益、社会效益和环境效益协调统一。因此，在后期生态保护与治理中，要综合考虑矿区生态环境本底特征和关键要素对生态环境因子的胁迫程度，按照“保、退、封、育、建”的基本思路，积极探索多元化的有效恢复与重建模式：①建立有效的生态环境监测、预警机制，加强污染源头管控，将矿山生产活动污染物排放控制在合理标准之内；②积极落实矿区生态环境修复和治理工作，重点改善响应层中的障碍因素；③加大环保资金及科研创新资金的投资力度，改进固废填埋回收及再生技术，提高矿区废水综合利用率，减少资源过量消耗，降低人为因素对生态环境的影响。