煤炭资源开发的生态环境累积效应

王行风, 汪云甲

(1.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116;2.江苏省资源环境信息工程重点实验室,江苏 徐州 22116)

累积效应研究，强调多项活动或多次重复活动在长时间和较大空间范围内对环境的叠加累积性影响[1-3]。煤炭资源开发所固有的时间持续性、空间扩展性和强干扰性，使得矿区生态环境累积效应显著。尽管国内外专家针对煤炭开采对生态环境的影响机理进行了多方面的分析[4-6]，但尚未对煤炭资源开发的生态环境累积效应进行系统深入的研究。因此，这里以煤矿区为研究对象，从累积效应产生过程出发，对煤矿区生态环境累积效应的概念、类型和形式等作了初步探讨，以对矿区生态环境累积效应研究提供一定的帮助。

1 矿区生态环境累积效应的概念与类型

矿区生态累积效应是生态效应在时间和空间尺度上的累积，是指矿区生态环境系统受到过去、现在的外力作用和未来可预见的外力作用(主要是以煤炭资源开发为主的各种人类活动等)下，所发生的响应与变化结果，各种变化之间具有高度的相关性，具有时间和空间两方面的表现特征，形式复杂多样。如矿区内水体的变化，不仅受到一个工程的影响，而且还受到其它工程或人类活动的影响。这些活动之间的交互作用、连锁反应非常复杂，叠加在一起就共同构成了矿区的水环境问题[7]。

煤矿资源开发的特点，使得各种生态累积效应在不同矿区、不同阶段具有不同的表现形式，或显式，或隐式，不同的累积效应形式组合交织在一起，具有高度的相关性。煤炭资源开发对矿区生态环境的影响种类繁多，表现形式复杂。

2 矿区生态环境累积影响源、累积效应形式

2.1 累积影响源

采动生态累积效应，是从采动角度分析煤炭资源开采所导致的岩层和地表移动作用对生态环境各要素的时空影响。累积影响源是和开采活动相关的各个环节，如采区和工作面布置方式、工作面的推进速度、开采工艺、开采规模和顶板管理方法等，这些决定着对矿区生态要素的影响方式和途径。

矿区产业链累积效应，是从经济发展和产业集聚的角度，分析矿区经济发展对生态环境各要素的胁迫和促进作用。产业类型的特点、产业结构的演变和产业活动的空间布局等，决定着对矿区生态环境系统影响程度和途径。产业链累积效应，就是指煤炭资源从开采、加工、开发利用直至废弃处理，在整个产业链形过程中所产生的环境影响累积起来就会形成产业链的环境负荷，从产业链条来看，这种环境负荷具有累积递增性质。因此，在进行矿区生态环境累积效应研究时，应在分析煤炭产业链所带来的生态效应的基础上，考虑延长产业链、优化产业链及其空间布局，这对于降低或者减缓生态环境的累积效应具有积极意义。

矿区发展在空间上，表现为空间影响范围的逐步推进和内部空间结构的演变两个方面。因此，矿区发展的空间累积影响源，可从矿区的外部环境和内部空间结构两个方面进行分析(图1)。矿区外部环境因素中，区位是指矿区及其外部的自然、经济、政治等客观事物在空间上相结合的特点。如地处发达城市的矿区(如京西、徐州等矿区)，虽然矿区开发可以依托城市功能进行，但是也带来了对生态环境造成的协同效应；远离城市的矿区(如潞安、大屯等矿区)，虽然交通不便，难以和城市协同发展，但其他活动对生态环境的影响可能要小一些。煤矿区内部空间结构直接影响着各种影响源的作用强度、组合方式和累积效应的结果。如淮南矿长期以来，一直按照“多点布局”的形态发展[9]。这种发展使得淮南市的城市形态完全服从于产业的布局，城市被动地跟着产业走，形成非常松散的空间机构，导致影响源多而分散，增加生态环境问题保护、处理和治理的难度。

矿区发展也伴随着人口的集聚，在不同时期矿区具有不同的人口结构和人口增长特点。人口的集聚带来了矿区地表性质的改变，沥青、水泥等工业材料代替了土壤和植被，雨水无法渗入土壤并补充地下水，道路及地下管网建设使下垫面不透水面积增大，直接改变了径流形成条件。生活用水需求大幅增加，废污水和生活垃圾等相应增多，从而对矿区生态环境造成各种各样的影响。

图1 煤矿区空间累积效应

2.2 矿区生态累积效应形式

煤矿区生态累积效应形式多种多样，可以概括总结为以下几类[10]：① 时间“拥挤”。指开发活动对生态环境的频繁和重复的干扰，造成生态要素难以从干扰中恢复而产生的时间上的累积现象。如沉陷速度若大于土地复垦恢复的速度，将造成沉陷地日渐增多，进而影响农业的发展。② 空间“拥挤”。反映了干扰或开发活动在空间上的分布态势。如随着矿区的发展，矿区的采矿点越来越多，人口也越来越密集，最后改变了矿区的空间结构，造成了景观的破碎。③ 复合效应。表现为多个影响源、多个环境变化之间的协同作用所产生的效应，在不同的尺度上具有不同的表现。如在微观尺度上，污染物协同作用形成复合污染；而宏观尺度上，各种人类活动的叠加影响，造成区域生态支撑能力的下降。④ 时间滞后效应。表现为影响发生与结果在时间上的延滞。如开采沉陷变形，就是一个复杂的随时空变化的四维空间问题，是空间和时间的连续函数，地面的沉陷存在明显的时间滞后作用[11]。⑤ 空间扩展效应。表现为环境效应远离影响源而产生的现象。如污染物长距离输送所造成的区域性水质下降等。这种超出边界的空间累积效应，是较为普遍但又是常常被忽略的环境问题，应该成为区域生态累积效应环境管理的重要内容。⑥ 触发点和阈值。环境系统行为的变化往往存在一些阈值。在阈值水平上，只要再增加一点干扰超出阈值，环境系统就会出现突变。这也反映了生态系统对外界累积干扰响应的基本特征，如矿区土地利用方式的变化。⑦ 间接效应。表现为主项目所带来的次生或者二次影响。如煤炭资源开发所带来的人口的集聚、道路的建设、配套产业的发展等活动。⑧ 蚕食效应和破碎化效应。蚕食效应表现为某一地区在一段时间内，由多个重复的干扰而产生的累加效应。矿区内多个采矿点同时开发，所造成的沉陷土地呈片状分布，矿区生态系统繁殖的空间被各种建筑物、道路逐渐割裂等。

3 煤矿区生态环境累积效应多尺度分析概念框架

人类各种开发活动及其交互叠加作用，可以存在于局地、区域或全球等层次等不同的尺度，影响的时间范围也存在较大的差异，从而使得区域生态环境累积效应具有明显的多尺度特性。矿区作为一个以矿业开发为主导产业的特殊区域，煤炭资源开发所带来的生态环境累积效应，同样具有多尺度特性。根据生态环境分析和评价对象的不同，可将煤炭资源开发对矿区生态环境累积性影响的研究尺度，概括为采动生态累积效应、项目层次的生态累积效应和区域尺度的生态累积效应等三种。

3.1 采动生态累积效应

采动生态累积效应，以分析煤炭资源开采对生态环境要素的影响为主，空间范围分析研究的对象主要局限于单个井田，空间尺度多以采动影响范围为主，时间范围主要包括勘探期到闭坑期这一段时间。因此和开采活动相关的各种采矿因素(如采区和工作面的布置方式、工作面的推进速度、采煤方法和顶板管理方法)等成为主要的累积影响源；地下开采所造成的地表沉陷对地表生态环境要素的协同作用，是造成采动生态累积效应的根本原因。

3.2 基于项目层次的生态累积效应分析

煤矿区生态环境效应，是煤炭资源开发活动所造成的生态环境的客观变化，这种变化不仅与单个井田的开发相关，而且也来自于不同井田之间的互相影响。实际上，由于多个矿井之间的交互作用所造成的环境效应，在更广的时间尺度和空间尺度累积，因而对生态环境的协同影响在某种程度上来说，更具有区域的意义。如矿区地下水环境(地下水水位、水质和流场等)的变化问题，是区域性环境问题，是由多个矿井的协同作用(矿井水疏排等)而造成的。但在实际环境分析和评价中，各矿井(区)之间各行其是，互不协调的情况比比皆是，矿区地下水生态环境状况愈来愈差，也就不难理解了。

3.3 区域尺度的累积效应分析

随着人类活动对环境影响的空间范围的逐步扩大，区域开发所导致的生态环境变化，必然在区域尺度上改变着生态系统的功能和结构，在区域层次上形成生态环境累积效应。这就要求在进行累积效应分析时，应从系统的角度，基于区域尺度去分析影响生态环境的各种人类干扰活动及干扰行为之间的叠加所带来的生态环境累积效应，必须认识生态格局、过程和尺度之间的关系，确定生态变化和矿区各种人类干扰行为的相互作用。

区域尺度的生态环境累积效应分析，是一种涉及空间范围更广的环境分析方法。与基于项目层次的累积效应分析不同，区域尺度的累积效应分析强调在人类各种干扰行为和压力累积作用下的环境响应特征，明晰环境响应与环境压力之间的关系。分析的核心是测度人类各种干扰行为所带来的环境效应，以及生态系统的反馈。

从以上分析可知，采动生态累积效应关注的是单个井田范围内开采扰动的影响；基于项目层次的生态累积效应，强调不同项目之间的叠加和交互作用，而区域生态累积效应，则从系统的整体角度强调各子系统作用与反馈所造成的生态环境结构和功能的变化。这些针对累积效应的分析，是在各自特定的空间尺度上进行的。

4 结 语

国内外对矿区生态环境效应及其动态变化的研究虽已有不少的研究成果，但总的来说，对煤矿区生态环境累积效应的机理研究不足，还没有形成严格意义上的煤矿区生态环境累积效应分析系统。因此，通过系统研究煤炭资源开发对矿区生态环境累积效应的影响规律，构建矿区生态环境累积效应表征模型，剖析矿区生态环境累积效应的机理，提出矿区生态环境累积效应分析体系和评价方法，形成符合我国国情的累积效应分析方法体系以及法规，是矿区生态环境累积效应研究的未来方向。

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