煤炭去产能对矿区生态环境的影响研究

米家鑫，张绍良，侯湖平，郭山川，尚志敏(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

煤炭去产能对矿区生态环境的影响研究

米家鑫，张绍良，侯湖平，郭山川，尚志敏
(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

2014年我国煤炭产量开始下降，结束了连续14年增长的局面。国家随之实施煤炭产业去产能政策，关闭了大量落后产能矿井，整合了大量中小型矿山，为煤炭产业新常态可持续发展奠定了基础，但是这一政策对矿区生态环境的影响目前还鲜有关注。为此，以江苏省徐州市沛北矿区为例，基于2008年11月、2010年12月和2015年12月的3景SPOT5/资源三号高分辨率遥感影像，采用遥感技术(RS)和地理信息系统技术(GIS)，利用建立的评价模型，评价了该矿区2008年、2010年、2015年的生态环境质量，然后将之与该矿区煤炭产量状况进行对比分析。分析表明，煤炭去产能对矿区生态环境有改善作用，煤炭产量变化与生态环境变化呈负相关关系。

矿区环境；煤炭去产能；环境影响评价；遥感(RS)

0 引 言

2012年我国煤炭产能过剩问题显现，煤炭价格开始下降[1]。2014年我国煤炭产量开始下降，国家去煤炭落后产能政策的效果开始显现[2]。由于煤炭价格大幅度下降以及国家对煤炭产量的有力调控，全国采煤矿区纷纷减产或停产，大大缓解了产能过剩的矛盾。

煤炭开采长期以来一直是矿区土地环境恶化的主要影响因素，频繁的开采活动，使矿区土地出现地表塌陷、土壤污染、植被破坏等一系列环境问题[3-4]，对矿区居民的生产生活造成了极大负面影响[5-7]。随着国家去产能政策的实施，矿区采煤活动减少，可能对矿区生态环境的改善提供了契机，但是这需要进行定量分析，需要建立科学的生态环境质量评价体系。文献分析表明，很多学者对矿区生态环境质量评价开展过深入研究[8-11]，包括评价指标、评价方法和评价模型等[12-13]。我国于2006年制定了《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2006)，并于2015年进行了更新完善。但是这些研究和规范的目标是揭示矿区生态环境质量的现状及变化，几乎没有对煤炭去产能政策和矿区生态环境质量之间关系进行研究。

本文在煤炭产业去产能的大环境下，对矿区生态环境质量进行评价。通过矿区土地去产能前以及去产能后的生态环境变化趋势，探索煤炭产业去产能对矿区土地生态环境的影响。以徐州市沛北矿区为例，利用高分遥感影像，结合国土资源调查数据，选择符合矿区土地特点的生态环境评价指标，建立评价模型，对沛北矿区生态环境进行评价。

1 研究方法

1.1 研究区概况

沛县位于江苏省徐州市西北，是江苏省重要产煤县。境内已探明煤炭储量23.7亿t，煤田面积160 km2，可采煤层总厚度约6.25～12.7 m，主要可采煤层编号分别是：山西组7号煤层和8号煤层，太原组17号煤层和21号煤层。年产优质原约1 300万t以上[14]。沛县地质属于华北地层区，其间分布发育有潜水、第Ⅰ承压、第Ⅱ承压、第Ⅲ承压、第Ⅳ承压5 个含水层组，第Ⅱ、第Ⅲ承压为地下水的主要开采层，中心埋深32.68 m[15]。区域内有徐庄煤矿、龙东煤矿、孔庄煤矿、姚桥煤矿、三河尖煤矿、张双楼煤矿、龙固煤矿和沛城煤矿等八对矿井。矿区包括沛城、大屯、杨屯、龙固、安国5个镇及新城区、开发区2个区，总人口57.4万人，总面积445 km2，如图1所示。

图1 沛北矿区位置示意图

沛北矿区煤矿均为井工开采，2006～2012年间，煤炭产量一直保持着稳定的增长，尤其是在2009年，同比增长率高达16.15%，煤炭产量处于高速增加阶段。自2012年以后，受到煤炭行业产能过剩的影响，煤炭价格大幅下跌，同时由于国家对煤炭行业去产能的要求，煤炭产量出现下降，2015年同比下降10.26%。长期的煤炭开采造成了大量的土地塌陷区，第二次全国土地调查数据显示，沛县不同程度土地塌陷区超过0.34万hm2，预计8对矿井关闭时，将造成土地塌陷1.53万hm2，涉及全县196个村庄，约20万村民受到影响。

1.2 数据来源及处理

依据沛县矿产资源总体规划(2008～2015年)，近期规划为2008～2010年，中期规划为2010～2015年，因此选择2008年、2010年、2015年作为评价时间节点，遥感数据采用沛县2008年11月、2010年12月、2015年12月3景SPOT5/资源三号多光谱波段遥感影像，空间分辨率为2.5 m×2.5 m，影像中心点坐标为φE=35°13′03″，λN=116°37′，投影坐标系为UTM(Universal Transverse Mercator System)，地理坐标系为WGS84(World Geodetic System)。利用沛县2015年的土地利用现状图作为基准，对遥感影像进行大气校正、辐射定标。根据对遥感影像的目视解译，结合土地利用现状图，采用最大似然度监督分类的方法，对沛北矿区的主要地物进行分类，如图2所示，研究区划分为耕地、建设用地、林地、水域和其他用地，其他用地主要包括草地、未利用地等，由于面积较小未作为独立分类参与评价，各类土地比例见表1。

通过对政府统计数据以及相关文献的查阅整理，得到本次研究所需的相关数据，主要为沛北矿区2006～2015年间煤炭产量(表2)。

1.3 构建评价指标体系

根据沛北矿区的生态环境现状以及采煤活动对生态环境的影响，认为土地塌陷是目前矿区主要的环境影响因素，由土地塌陷引发的土地利用类型变化、植被覆盖降低、水域面积增多等变化，反映了矿区整体的生态环境变化趋势，许多矿区生态环境质量评价的研究中，也将以上几种环境变化作为评价的主要指标。因此，本文选取生物丰度指数、植被覆盖指数、水体密度指数、土地损毁指数4项指标对研究区的生态环境进行定量的评价，采用层次分析法对于各项指标的权重进行确定，对各项指标的指数进行标准化处理，在划定的评价单元中进行综合评价，最终得到沛北矿区环境质量状况。

图2 沛北矿区2008年、2010年和2015年土地利用

表1 各类土地面积及比例

表2 2006～2015年沛北矿区开采利用状况

数据来源：2006～2015年沛县年鉴；沛县矿产资源总体规划(2016～2020年)；沛县矿产资源总体规划(2008～2015年)。

1.3.1 生物丰度指数

生物丰度指数是指一定空间中各种生物的丰富程度，可以间接地反映区域的生态环境的多样性和适宜程度，生物丰度指数越高，说明该区域的生物种类越丰富，生态环境也更加适宜生物的生长。在生态环境状况评价技术规范中[14]，采用生物多样性指数以及生境质量指数来共同确定生物分度指数，然而在实际运用中，由于生物多样性指数在短时间内不会有较大变化，所以通常来说，我们采用生境质量指数作为生物丰度指数进行测算[16]。生境质量指数是根据确定的土地利用类型的面积与区域总面积的比值确定，各个土地利用类型对应各自的权重，不同类型土地的面积加权求和后与总面积的比值即为生物丰度指数。

通过对于研究区的实际考察以及遥感数据的处理，考虑到沛北矿区草地和未利用地面积较小可忽略不计，沛北矿区的生物丰度指数由研究区域的林地、水域、耕地和建设用地确定，通过层次分析法对各类型土地的权重进行确定。

综合考虑不同土地类型对于生态状况的影响，对研究区的水域、耕地、林地、建设用地进行标准化打分排序，考虑其对生态环境的影响，重要性打分如表3所示。

1)建立判断矩阵UA。

计算判断矩阵UA的特征根λmax和相应的特征向量ω1：UA=4.051 1；ω1=(0.472 9 0.284 4 0.169 9 0.072 9)。

2)一致性检验CI，见式(1)。

(1)

3)一致性比例CR计算。根据一致性比例计算式(2)。

(2)

对于1至10阶的判断矩阵来说，相对应的平均随机性指标RI如表4所示。

表3 生物丰度指数各指标间重要性打分

表4 平均随机一致性指标RI值

当n=4时，由表4可知RI=0.9。

一致性检验结果CR<0.1，判断矩阵UA通过一致性检验。所以特征向量ω1为生物丰度指数中各土地利用类型的权重向量，即林地、水域、耕地、建设用地在生物丰度指数中所占权重分别为0.472 9、0.284 4、0.169 9、0.072 9，在评价单元划分的基础上得到生物分度指数的计算，见式(3)。

生物丰度指数=(0.472 9×林地+0.284 4×

水域湿地+0.169 9×耕地+0.072 9×

建设用地)/单元面积

(3)

1.3.2 植被覆盖指数

植被覆盖指数反映了区域中植被的分布情况以及植被的茂盛程度，是生态环境质量评价的主要评价参数之一，有着重要的生态意义。植被覆盖指数的计算方法见式(4)。

(4)

式中：Pi=象元NDVI月最大值均值；n=单元象元个数。

1.3.3 水体密度指数

在《生态环境状况评价技术规范》中，对于区域水资源的丰富程度是依据水网密度指数进行测算，但由于水网密度指数需要对水流长度、水资源等进行测算，需要投入较多的人力物力进行搜集相关资料，考虑到评价的可行性和便捷性，在本次评价中，我们选取水网密度指数中的一项水体密度指数作为代替，采用水体密度指数进行测算，在评价单元划分的基础上，水体密度指数测算见式(5)。

(5)

1.3.4 土地损毁指数

根据研究区的实际状况和遥感影像，对于沛北矿区的塌陷积水区进行提取，在已划分的单元格基础上，将其作为土地损毁情况的评价单元，以单元格内的塌陷积水区面积与单元格面积作为土地损毁指数，见式(6)。

(6)

在参照《生态环境状况评价技术规范》中对于各项指数分配的权重基础上，对参与计算生态环境状况指数的下属因子生物丰度指数，植被覆盖指数，水体密度指数，土地损毁指数进行重要性打分，在对研究区实际状况进行充分分析后，各项指数重要性如表5所示。

表5 生态环境状况指数评价指标重要性打分

1)建立判断矩阵UB。

计算判断矩阵UB的特征根λmax和相应的特征向量ω2：UB= 4.0145；ω2=(0.4829 0.1570 0.0881 0.2720)

2)一致性检验CI。

3)一致性比例CR计算。根据一致性比例计算式(2)。当n=4时，由表4可知RI=0.9。

一致性检验结果CR<0.1，判断矩阵UB通过一致性检验。所以特征向量ω2为沛北矿区生态环境质量评价中各项评价指数的权重，即生物丰度指数，植被覆盖指数，水体密度指数，土地损毁指数在评价中所占权重分别为0.4829、0.1570、0.0881、0.2720。

1.4 构建评价模型

本文选择常规的网格单元作为研究区的评价单元。通过对沛北矿区的现场勘察了解，区域内土地塌陷情况较为严重，塌陷区存在面积大，多集中的特点，塌陷区周边的土地虽然目前尚未出现塌陷，但相比于远离塌陷区的土地，存在一定环境破坏的风险，如果评价单元过小将导致评价塌陷区周围土地时未考虑到土地塌陷风险的影响，因此根据沛北矿区年平均新增塌陷面积1.5 km2的现实情况，将研究区划分为279个1.5 km×1.5 km等大小的单元格，确保塌陷区1.5 km范围内的土地在评价时考虑到土地塌陷的影响。

评价体系中选取的评价指标以单元格作为指数的评价单元，在划分单元的基础上，计算各评价指数的单元分值并进行无量纲化处理，标准化处理后的评价指数是反映其属性特征的数值，值域为0～100分。根据层次分析法确定的各指数权重进行单元空间叠加和计算，得到矿区生态环境的综合评价结果，依据单元分值的分布情况，按照优、良、一般、较差划分为4个等级，同时计算评价年期内所有单元分的平均值算得生态环境状况指数，作为年期内矿区生态环境的综合反映。

2 结果与分析

2.1 生态环境质量评价

根据建立的评价模型和划分的评价单元，对研究区的生物丰度、植被覆盖度、水网密度、土地损毁指数进行栅格转换，采用加权求和计算生态环境状况指数，作为生态环境综合评价结果，2008年、2010年、2015年3年的生态环境综合指数见表6，整体分布情况如图3所示。

图3 2008年、2010年和2015年沛北矿区生态环境质量评价等级

2.2 去产能影响分析

煤炭产量变化对生态环境的影响具有一定的滞后性。土地塌陷是影响生态环境的主要因素，由于土地塌陷具有一定的延续性，这也导致去产能对矿区土地带来的生态环境改善作用具有一定的滞后性，在考虑产能减少对生态环境的影响时必须设置一定的滞后期，才能对去产能产生的影响有客观的反映。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中地表移动时间T的经验公式见式(7)。

T=2.5H0

(7)

式中H0为工作面平均采深，单位m。

通过搜集相关文献及地质报告得知，沛北矿区各矿平均采深为200 m，基于煤炭地下开采对地表造成的土地塌陷预计结果，采深为200 m时开采沉陷稳沉期一般为1～2年，不同地质条件、下沉系数的矿区有所差异，由于缺少沛北矿区开采沉陷预计的系统性研究，所以本次研究中选择普遍认为的两年稳沉期作为去产能对矿区生态环境影响的滞后期参与分析。因此，选择评价年之前的两年作为影响年，对煤炭平均产量、平均速率等指标进行计算，研究去产能对生态环境的影响，见表7。

2.3 相关性分析

1)煤炭产量与土地塌陷。如图4所示，对煤炭产量与土地塌陷面积对比分析发现，随着煤炭产量的不断提高，塌陷面积随之增加，煤炭产量与土地塌陷面积呈正相关的趋势。进一步分析发现，新增塌陷面积对影响年的产量平均变化速率具有较强的敏感性，如图5所示。2008～2010年间，由于煤炭产量的迅速上升，累计增产高达28.52%，达到了近十年内的最大幅度，这也给矿区土地带来了巨大的压力，土地塌陷面积大幅增加，2010年土地塌陷面积新增近3 km2；2013～2015年，煤炭产量开始出现负增长，相应的2015年新增塌陷面积下降至10年间最小。这也说明了煤炭产量的变化速率在一定程度上影响了土地的塌陷程度。一方面，煤炭开采产量反映了采矿活动的绝对强度，产量越高说明工作面推进长度越长，由此造成的土地塌陷范围也就越大，相关学者也就煤炭产量预测土地塌陷面积进行了研究[17]；另一方面，产量变化速率则反映了煤炭开采的相对强度，产量增长速度越高对土地的压力越大，尤其是短时间内产量的大幅增长，对土地的破坏度大于土地自身的承载力，同样会加剧土地的塌陷情况。

表6 沛北矿区2008年、2010年和2015年生态环境状况指数及比例

表7 影响年产量变化表

图4 产量-环境变化情况

图5 产量变化速率与新增塌陷变化情况

2)煤炭产量与生态环境状况指数。如图4所示，随着煤炭产量的上升，环境状况指数出现下降，煤炭产量与生态环境状况指数呈现负相关的趋势。结合煤炭产量对土地塌陷的影响进行分析。煤炭开采过程中，造成了土地塌陷、地表压占、土壤污染等土地损坏问题，这些问题进而引发耕地破坏、植被受损、塌陷积水等土地覆盖类型的变化，使矿区生态环境发生恶化。在诸多问题中，土地塌陷是矿区土地面临的最主要问题，不同程度的土地塌陷对矿区土地带来了不同的土地覆盖变化，当塌陷程度小于1.5 m时，土地塌陷造成原有植被破坏、耕地受损等情况，而塌陷程度大于1.5m的塌陷区往往形成积水区，造成区域内水体面积增多，耕地面积减少的情况，这也是煤炭开采对矿区土地覆盖类型最直接的影响。根据2008年、2010年和2015年土地利用现状可以发现，土地塌陷面积的增加导致区域内耕地面积、林地面积减少，植被覆盖出现退化，区域生态环境遭到损害，这也是2008～2015年间环境状况指数出现下降的原因，又由于煤炭产量与土地塌陷面积呈正相关的影响，煤炭产量上升导致土地塌陷面积增加，土地塌陷情况的加重又引起了生态环境的下降，所以得出结论煤炭产量对土地塌陷具有直接的影响，从而对矿区生态环境产生间接的影响。除了土地塌陷之外，煤炭开采过程中产生的煤矸石、尾矿、矿渣等固体废弃物以及煤炭燃烧产生的SO2等废气，如果未经妥善处理，往往造成土地压占、土壤污染、空气污染及水污染等问题，也会给矿区生态带来负面影响。

3 结 论

本文对沛北矿区2008年、2010年和2015年的生态环境进行评价，研究煤炭去产能对生态环境的产生的影响。通过生态环境评价结果与煤炭产量的对比分析得到以下结论，为未来的研究提供参考。

1)煤炭产量变化速率对土地塌陷具有一定影响。2008年、2010年和2015年沛北矿区煤炭产量变化速率分别为1.19%、14.26%、-0.66%，新增塌陷面积分别为1.42 km2、2.97 km2、0.82 km2，通过煤炭产量变化速率与年新增塌陷面积对比分析发现，两者之间存在相关性联系，随着变化速率的大幅提高，新增塌陷面积也大幅增加，当变化速率下降至负增长时，新增塌陷面积也随之出现明显下降。在利用煤炭产量对土地塌陷情况进行预测分析时，产量变化速率是重要考虑因素。

2)煤炭产量对生态环境有着间接影响。2008年、2010年和2015年沛北矿区生态环境质量评价结果分别为67.06、64.53、62.33，对应的煤炭产量有着一定的增长。煤炭开采活动的强弱直接影响着区域内的土地塌陷面积的多少，而土地塌陷对区域生态环境有着重要的影响，由土地塌陷引起的耕地减少、植被破坏等问题严重损害着区域生态环境，煤炭开采过程中产生的固体废弃物等同样对环境造成了负面影响。因此，煤炭产量对土地塌陷等环境负面因素产生直接影响，从而间接影响着区域生态环境。

3)去产能影响具有一定的滞后性。由于土地塌陷是矿区土地面临的最主要问题，由土地塌陷引发的各类环境问题是造成生态环境退化的主要因素，同时煤炭去产能与土地塌陷具有十分密切的关系，基于开采沉陷的延续性及滞后性，这使得去产能对生态环境的改善作用在短期内没有明显的改善。沛北矿区自2013年以来，煤炭产量出现持续下降，并且在2015年，煤炭产量下降达到10.26%，去产能政策对煤炭产量的限制十分明显，但由于2013年、2014年产量削减幅度较小，煤炭产量基数大，导致生态环境仍处于下降的趋势，预计在未来2～3年内，去产能对沛北矿区生态环境的改善作用会有显著的反映。

致谢：非常感谢沛县国土资源局提供沛北矿区部分煤炭产量数据。

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Study on the impact of cutting coal overcapacity on ecological environment in mining area

MI Jiaxin，ZHANG Shaoliang，HOU Huping，GUO Shanchuan，SHANG Zhimin
(School of Environment Science & Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

China’s coal production began to decline in 2014，ending a 14-year growth in the situation.In this context，Chinese government implemented policy of cutting overcapacity，closing great amount mines with backward production capacity，integrating a large number of small and medium-sized mines，which laid the foundation for the sustainable development of new normal coal industry，but the impact of this policy on ecological environment of mining area attracted rare attention.Based on SPOT5/ZY-3 high-resolution remote sensing images in September 2008，December 2010 and December 2015，by remote sensing (RS) and geographic information system (GIS)，taking Peibei coal mine of Xuzhou as an example，establishing the evaluation model to evaluate the ecological environment quality in 2008，2010，2015，then compared with the coal production in this mining area.The results show that coal production can improve the ecological environment of mining area，and the coal production is negatively correlated with the change of ecological environment.

mining environment；cutting coal overcapacity；environment impact assessment；remote sensing(RS)

2017-02-20 责任编辑：刘艳敏

国家自然科学基金项目资助(编号：51474214)；江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心项目资助

米家鑫(1994-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向为矿区生态监测与评价，E-mail：jxmi@cumt.edu.cn。

张绍良(1968-)，男，安徽太湖县人，教授，博士生导师，主要研究方向为矿区生态监测与评价，E-mail：slzhang@cumt.edu.cn。

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1004-4051(2017)08-0086-07