黄河中游三门峡市矿山生态环境承载力分区研究

范余敏，李向阳，李 梦，王秀全，余 洋

（1.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南 郑州 450016；2.河南省自然资源厅，河南 郑州 450018；3.中国地质灾害防治工程行业协会，北京 100043；4.中国地质环境监测院，北京 100081；5.自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室，北京 100081）

承载力是指物体在不被破坏的情况下，可以承受的最大负荷的能力，其概念源于工程地质领域，向资源、环境、生态、灾害和社会承载力等多方向演化[1-4]，矿山地质环境承载力是其中的一个演化方向。以往研究矿山承载力多从地质环境的角度进行，认为地质环境承载力是区域地质所能承受的人类活动规模与强度[5-7]。矿山地质环境承载力评价方法有单因子遥感评价[8-11]、矿山生态环境的三维定量模型[12]、综合评价法—层次分析法[13-15]、承载力指数法[16]、空间统计分析法[17-21]等；矿山地质环境承载力评价因子的选取，则根据工作手段、评价目标、区域生态环境背景等不同，选取侧重点也有所不同。矿山地质环境承载力的研究多侧重于生态环境[22]、抗扰能力[23]、地质灾害、地质环境系统[24-26]、开采压力[27-28]等。本文从生态保护修复受矿山生态环境承载力影响方面进行研究，分析矿产资源开发与生态环境承载力之间的关系，掌握研究区承载力高低的空间分布特征，为研究区生态环境保护修复和矿业可持续发展提供参考[29-35]。

1 研究区矿山生态环境现状

研究区位于黄河中游三门峡市，是黄河入豫的第一个地级市，辖6个县（市、区），除卢氏县北部区域外，其余皆处于黄河流域内，黄河流域面积约占国土总面积的89.06%。研究区是我国重要的水源涵养区，也是黄河流域生态保护和高质量发展的重点区域。区内矿产资源丰富，采矿活动对生态环境影响较大，受自然环境、地质环境演变及以矿产资源开采为主的人类活动影响，矿山生态环境遭遇不同程度的破坏，当矿山生态环境受损程度超过其承载能力时，将破坏生态系统稳定性，影响生态系统功能的正常发挥，严重威胁区域生态安全[24-26]。

1.1 自然生态环境

研究区位于豫西山区，地势西南高，东北低，海拔多为300～500 m。地貌类型主要有构造剥蚀的中低山丘陵，侵蚀堆积的黄土区、流水侵蚀－堆积的河漫滩及河谷阶地、冲积平原，以及其他独特的地貌[25]。区内坡度大于25°的面积有1462.08 km2，约占国土面积的14.71%，多分布在研究区中南部和东北部山区。

研究区内有小秦岭和黄河湿地2个国家级自然保护区、卢氏大鲵省级自然保护区，自然景观丰富，有高等植物2000多种。区内林地资源丰富，除湖滨区外，其余5个县（市、区）森林覆盖率均在30%以上，主要集中在卢氏县、灵宝市两个山区县（市），其中卢氏县森林覆盖率最高，达80%以上。

研究区属于暖温带大陆性季风型半干旱气候，卢氏南部属亚热带气候，四季分明，年平均气温14.2 ℃，年降雨量一般为400～700 mm，无霜期215 d，全年日照时间约2051.6 h。春秋短，冬夏长，春季干燥且多大风，夏季炎热且雨水多，秋季温和、湿润，冬季雨雪少且冷，光热和降水量集中，季节分配不均匀。

研究区内河流众多，共分布大小河流3107条，以熊耳山为界，境内河流分属黄河、长江两大流域，洛河、黄河干流、丹江三个水系。其中黄河流域面积为8849.69 km2，约占全市总面积的89.06%。位于卢氏南部的老鹳河、淇河属长江流域，流域面积1086.44 km2，占全市总面积的10.94%。流域面积在100 km2以上的河流共有34条。

1.2 地质环境

研究区内地层出露齐全，从太古宇至新生界均有分布。区内褶皱构造特征有地台型和地槽型两大类，其中，主要为地台型，地槽区占的面积较小。

区内断裂带极其发育，代表性断裂有栾川断裂、瓦穴子断裂、马超营断裂等，断裂构造方向多为东西向、北北东向、北西向及北东向。

1.3 人类工程活动

研究区内矿产资源丰富，矿种较多。对不同矿种的开采方式决定其破坏程度，有色金属和能源矿产以地下开采为主，非金属矿产以露天开采为主。区内历史遗留矿山生态环境问题及现有采矿引起的生态环境破坏问题较为突出[25]。其中，地下开采矿山对地表生态环境破坏相对较小，露天开采矿山对地表生态环境破坏较大。以黄河南岸铝土矿与石灰岩矿开采最为严重，多形成高陡岩质边坡，造成无序开采及废渣乱堆放导致的生态环境破坏与扬尘突出问题。根据遥感解译结果，研究区内地表生态环境破坏面积约81 km2，主要分布在研究区东北部和西北部。

1.4 矿山治理规划

随着山水林田湖草生命共同体的系统思想逐渐应用到生态环境保护修复实践当中，地方政府和企业也逐渐加强生态环境建设，围绕矿山生态环境破坏严重的北部及东部地区开展矿山生态环境治理工作。

2 矿山生态环境承载力评价指标体系

2.1 指标选取

矿山生态环境具有自然性、社会性、综合性、复杂性及开放性等特点[26]，承载力大小能体现区域人—地之间的关系[16]。本研究综合考虑研究区地质环境的结构和功能，分析构成矿山地质环境的多个要素，地质环境背景与经济社会发展状况，遵循科学性、系统性、差异性、适用性原则[15]，结合区域矿山生态环境实际情况，采用综合指数法[13-14]对矿山生态环境承载力进行分析研究；选取自然环境、地质环境和人类工程活动作为一级指标，高程、坡度、矿山开采规划、矿山开采破坏等12项指标作为二级指标，评价体系如图1所示。

图1 矿山生态环境承载力评价体系图

2.1.1 自然环境评价指标

2.1.1.1 高程

研究区西部为秦岭东延伏牛山、熊耳山、小秦岭、崤山中低山地貌，海拔较高；北部及东南部地区多为冲积平原和谷地、黄土低山丘陵地貌，海拔较低。矿业开发活动受高程的影响，高海拔地区地质环境相对脆弱。本文采取比例尺1:50000的地形图为底图，提取离散数据并生成DEM。

2.1.1.2 坡度

研究区内坡度多为0°～70°，矿山开采活动受坡度影响较大，露天开采产生的采石场高陡边坡，可引发崩塌地质灾害；矿山开采产生的废弃矿渣堆放在斜坡体上，易引发滑坡、泥石流等地质灾害。

2.1.1.3 植被覆盖度

研究区西部伏牛山、熊耳山、小秦岭、崤山中低山区以及西北部中低山区植被覆盖度较高（图2）。

图2 研究区林地资源面积统计图

2.1.1.4 降雨量

本文根据河南省年平均降雨量分布数据，将研究区降雨量分为＜600 mm、600～700 mm、＞700 mm三个级别，并将其进行归一化处理。

2.1.1.5 水系

研究区位于黄河中游右岸，入黄一级短支流发育，流域面积较大的入黄干流有宏农涧河、青龙涧河、双桥河、沙河、好阳河等，洛河从卢氏县境内穿过，在偃师杨村与伊河交汇，最终在巩义市注入黄河。本文利用ArcGIS软件对河流水系进行缓冲区分析，根据距离河流的远近，分为＜500 m、500～1000 m、1000～1500 m、＞1500 m四个级别，并将其进行归一化处理。

2.1.2 地质环境评价指标

2.1.2.1 地质构造

总之，高原反应很难避免。高原反应给患儿带来强烈的恶心、呕吐等症状。对于急诊高原反应入院的患儿应正确诊断，并且要与家属和患儿进行沟通，采用温和的语言，良好的护理态度，机智的护理方法，使家属认同治疗。使患儿家属正确对待病情，也使患儿保持安静，积极配合治疗，以提高治疗成功率。

研究区内褶皱构造发育、断层众多，本文利用ArcGIS软件，对断层进行缓冲区分析，根据距离断层的远近，划分为＜500 m、500～1000 m、1000～1500 m、＞1500 m四个级别，并将其进行归一化处理。

2.1.2.2 工程岩组

研究区内岩土体类型分为5大类，分别为松散岩类、碎屑岩类、碳酸盐岩类、变质岩类及岩浆岩类，不同类型的岩土体坚硬程度和抗侵蚀能力不同，坚硬且抗侵蚀能力强的岩土体，矿山生态环境承载力较高，反之较低。

2.1.3 人类工程活动评价指标

2.1.3.1 矿山开采规划

研究区内矿业权较多，矿山开采方式、开采矿种、开采规模等对矿山生态环境的影响很大。研究区内金属矿种和能源矿种多为地下开采，部分能源矿种为露天开采，建材矿种等非金属矿山多为露天开采，露天开采对矿山生态环境承载力的影响最大。其次，矿山开采规模越大，产生的生态环境问题越严重，相应区域的矿山生态环境承载力也越低。

2.1.3.2 矿山开采破坏

研究区内矿山开采造成土地压占与损毁、景观破坏、地质灾害等一系列矿山地质环境问题，且分布较广。矿山开采活动越强烈，受损面积越大的区域，矿山自然恢复能力越弱，矿山生态环境承载力也越弱。研究区内矿山开采破坏对黄河中游生态环境及汾渭平原空气质量影响较大。

2.1.3.3 地质灾害

研究区内共有地质灾害及其隐患点437处，其中有崩塌129处，地面塌陷及地裂缝71处，滑坡219处，泥石流18处。地面塌陷及地裂缝主要分布在西北部及东部低山丘陵区，泥石流主要分布在西部及东北部中低山区，滑坡和崩塌地质灾害及其隐患在全区均有分布。在地质灾害多发区，矿山生态环境承载力也较低，根据城镇居民点、交通、水系等分布情况，将地质灾害点影响范围确定为1 km。

2.1.3.4 矿山环境治理

研究区位于黄河中游，近年来，在对历史遗留矿山生态环境的治理中，地方政府与企业加大了矿山生态环境治理力度，大大提高了矿山生态环境承载力。

2.1.3.5 人类工程建设

研究区内水资源开发利用、堤坝、道路交通、城镇建设等人类工程建设活动产生的地质灾害、植被破坏等生态环境问题，大大降低了矿山生态环境承载力。

2.1.4 数据处理

通过数学转换方法对12项评价指标进行归一化处理，公式如下：

式中：y为归一化后的指标值，无量纲；x为原指标值，xmin为原指标值中的最小值，xmax为原指标值中的最大值。

2.2 指标权重

评价指标权重的计算方法有很多，如专家打分法[13]、层次分析法[14]、熵值法[15]等。本研究考虑到研究区实际情况，采用层次分析法计算指标权重。根据评价指标体系构建判断矩阵，计算特征向量并完成一致性检验，最终得到各评价指标权重。

通过比较两项指标的重要性，构建一级指标和二级指标的判断矩阵（表1～表4）。通过计算得到各项评价指标权重（表5）。

表1 矿山生态环境承载力评价判断矩阵

表2 自然环境指标判断矩阵

表3 地质环境指标判断矩阵

表4 人类工程活动指标判断矩阵

表5 研究区评价指标权重统计

3 矿山生态环境承载力分区

根据表5，采用ArcGIS软件栅格计算功能，对12项评价指标权重进行叠加计算，得出综合指数值，结合研究区实际情况和综合指数值进行矿山生态环境承载力分区，绘制矿山生态环境承载力分区图。综合指数值计算方法如下：

公式中：P为矿山生态环境承载力综合指数值，Xi为第i项评价指标值，Yi为第i项评价指标的权重。

3.1 矿山生态环境承载力分区

通过栅格叠加计算，矿山生态环境承载力综合指数值为0.196～0.985。综合考虑研究区实际情况，本文采用自然间断点分级法进行分级，得到5级分区结果。将研究区划分为高承载力区、较高承载力区、中承载力区、较低承载力区、低承载力区。其中高承载力区面积1318.70 km2，占比13.27%；较高承载力区面积4527.28 km2，占比45.57%；中承载力区面积2912.54 km2，占比29.31%；较低承载力区面积954.18 km2，占比9.60%；低承载力区面积223.45 km2，占比2.25%。

3.2 矿山生态环境承载力影响因素分析

通过分析可以得出矿山生态环境承载力有明显的空间分布特征。研究区内存在多家采矿企业，开采矿种有金矿、煤矿、铝土矿、石灰岩矿等，其中露天开采破坏土地资源、水资源等，对生态环境影响较大。同时区域内存在多处历史遗留矿山生态环境问题，受自然地理及社会环境影响，自然恢复能力弱，在此区域内的矿山生态环境承载力多为低—较低级别。在灵宝市中东部和卢氏县中东部地区，人类工程建设与生产生活对生态环境的影响较大，矿山生态环境承载力较低。在植被覆盖度较高，降雨量相对较多，人类活动相对较少的自然保护区、风景名胜区、森林公园等，矿山生态环境承载力为较高—高级别。

4 矿山生态环境保护修复建议

矿山生态系统是一个开放系统，在时间和空间上不断变化[36-40]，矿山生态环境恢复治理方法和措施比较复杂，技术难度较大。本研究根据承载力分区结果及矿山生态环境承载力影响因素分析，提出矿山生态环境保护修复建议。

（1）矿山生态环境低—较低承载力区。露天开采矿山较多，开采过程产生的景观生态、城镇化、廊道及区域生态等生态学效应对生态环境的影响较大。铝土矿开采引起的水土流失问题是区域内典型的生态环境问题，传统覆土复绿方式很难取得良好效果，可根据露天开采边坡坡度及高度、岩体破碎程度等，采取相应治理措施后再选择适宜的生态恢复技术。在本区内可采用生态重建与辅助再生相结合的措施进行矿山生态保护修复，通过削坡、废弃渣清运、覆土回填等工程措施，结合生物绿化与生态技术方法，围绕消除地质灾害隐患、修复生境、恢复植被，使生态系统进入良性循环[26]。

（2）矿山生态环境中承载力区。采用辅助再生与自然恢复相结合的方式进行矿山生态保护修复。在局部矿山破坏或人类活动频繁区域，辅以人工促进措施，逐渐恢复受损退化的生态系统。同时，还应加强生态环境监督工作，减轻其负荷压力，使其向有序的方向自然演替和更新恢复。

（3）矿山生态环境较高—高承载力区。区内生态环境状况相对较好，采取以自然恢复为主的生态修复措施，并对局部存在的废弃矿渣进行稳固或清理，选取附近同谱带植物进行生态绿化。同时，加强生态环境保护及矿产资源开采的监管工作。

矿山生态环境修复是研究区内生态保护修复的一项十分重要的工作，保护和修复矿山生态环境可促进矿山自然景观恢复及区域生态系统可持续发展。应加强绿色矿山建设力度，走可持续发展的矿产资源开发道路。在生态环境影响较大的中—低承载力区率先开展矿山保护与修复，逐步恢复区域生态环境，同时应建立长效的矿山生态环境评价、保护修复及监测预警机制。

5 结语

本文利用ArcGIS软件，综合考虑研究区内自然环境、地质环境、人类工程活动等因素，选取12项评价指标进行矿山生态环境承载力研究，将研究区划分为高承载力区、较高承载力区、中承载力区、较低承载力区、低承载力区5个区，面积分别为1318.70 km2、4527.28 km2、2912.54 km2、954.18 km2、223.45 km2。

提出分区保护修复建议。在矿山生态环境低—较低承载力区采用生态重建与辅助再生相结合的措施进行矿山生态保护修复；在矿山生态环境中承载力区，采用辅助再生与自然恢复相结合的方式进行矿山生态保护修复，在局部区域辅以人工促进措施；在矿山生态环境较高—高承载力区，生态修复措施以自然恢复为主，同时加强生态环境保护及矿产资源开采的监管工作。