基于组合赋权法的焦作矿区生态安全评价与时空分异

2021-04-27司锦锦王世东

水土保持研究 2021年3期

司锦锦, 王世东

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000)

随着社会的发展，人们的生活水平逐渐提高，对生态环境的要求也越来越高，生态安全问题特别是矿区生态安全问题受到了越来越多人的重视。采矿业为我国经济高速发展提供有力支持，给国家带来了相当可观的经济效益，但是与此同时日益增速的矿山开发造成的生态环境问题也愈发严重，并且产生了一系列的污染问题。焦作因其煤矿资源数量大、质量好，给人们带来了巨大的物质财富，但是受到的环境威胁也日益严重，因此进行矿区生态安全评价越发重要。与其他生态安全相比，矿区生态安全是一个多层次、复杂的综合系统，集自然环境、农业活动、人类和生物活动于一体，各个内部因素之间相互作用、相互联系。本文通过讨论研究区产生的生态问题以及产生这些问题的原因，对存在的生态问题进行定性及定量研究，以期为焦作矿区更好发展提供参考依据。

近年来，生态安全在国际上得到了越来越广泛的认可[1]，一般而言，生态安全有广义和狭义两种理解，狭义的生态安全是指自然和非自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映。国内外学者对生态安全方面展开了一系列的研究，取得了一定的研究成果。例如，Lester R.Brown[2]最先提出环境变化和生态安全之间的关系。中国从20世纪90年代开始重视生态安全方面的内容，越来越多的专家学者对生态安全进行研究，进入21世纪以来，关于生态安全的研究、与生态安全相关的著作在逐渐增多，其中肖笃宁、郭中伟、邹长新等[3-5]在其各自的著作《论生态安全的基本概念和研究内容》、《建设国家生态安全预警系统与维护体系》、《生态安全研究进展》中对生态安全的定义进行了描述并对它做了概括，生态系统的逐渐退化带来了越来越多的生态威胁，这已经引起了国家的高度重视。周荣等[6]采用PSR建立指标体系，利用灰色预测模型对湖北省土地生态安全评价结果进行分析与预测；孙礼娜等[7]基于模糊综合评价对安徽省县域开放水平进行分析；解进飞等[8]采用熵值模糊物元分析法对皖江地区土地生态安全进行评价；王雨琪等[9]基于径向基函数网络模型对中国的31个省、自治区和直辖市进行生态压力指数评价；邢广君等[10]基于DPSIR模构建评价指标体系，利用综合权重灰色关联分析法对千鹤湖生态安全状况进行评价；孙从建等[11]基于不同时段遥感影像信息对吕梁山贫困区进行生态安全评价；陈蓓[12]基于生态足迹模型对川西南高原地区进行生态安全评价。综上所述，目前对于生态安全评价的方法有很多，每种方法各有利弊，例如物元评价法有助于从变化的角度识别变化因子，具有较好的直观性，但是关联函数形式确定不规范，通用性有待提高。生态安全问题是一个十分复杂的综合性问题，目前的生态安全问题尚未形成统一参考标准，生态安全评价模型过程中涉及众多方法的选择，需要综合考虑各方因素进行评价[13]。

本文基于PSR模型，构建生态安全评价指标体系，利用组合赋权法确定指标权重，采用综合指数法对焦作矿区1999年、2008年以及2018年的生态安全状态进行评估，分析研究区的生态安全演变规律，以期为焦作市生态环境保护与生态文明建设提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于焦作市中东部地区以及新乡市西南部地区，地理坐标为东经113°13′—113°34′，北纬35°11′—35°27′，研究区总面积为354.66 km2，跨一市一县二区，135个行政村，采矿历史悠久，尤其是在20世纪60年代和70年代。焦作煤矿多年来在国内创造了煤矿的安全性，成本和效率等多项第一。从1990年之后开始进入衰减阶段，小马矿和冯营矿已先后关闭，中马矿，韩王矿山和演马矿山等其他矿山也已枯竭。

焦作煤矿为社会经济发展做出了重大贡献，但同时也带来了巨大的损失。其中最严重的是对土地资源的破坏，例如地面塌陷、挖掘和压占，其中损毁面积最大是塌陷地。煤矿的塌陷区主要分布在解放区、山阳区、马村区和修武县，在某些地区还形成了塌陷盆地，大片土地不能耕种，破坏耕地严重，部分公路因为塌陷而进行多次修复，个别厂矿、村庄被迫搬迁，造成直接经济损失3 000多万元。同时地面塌陷伴有地裂缝，分布在北中部山前地带的中站区、解放区、山阳区、马村区和修武县煤矿采空区，地裂缝造成房屋墙体开裂，迫使村民部分搬迁或全村搬迁，公路部分地段开裂或沿裂缝处形成带状凸起，如解放区森林公园北等。由于大气降水沿裂缝渗漏，造成雨季淹井，多次使有关矿山被迫停产。

1.2 数据来源与处理

本研究所使用的数据主要有：(1) 焦作矿区3个时期的Landsat系列卫星遥感影像数据：1999-05-29的TM影像、2008-05-05的TM影像和2018-05-01的OLI影像；(2) 焦作矿区的DEM数据，空间分辨率为30 m；(3) 统计数据来源于焦作市以及辉县市的社会经济统计年鉴以及统计公报。

在ENVI和ArcGIS中对遥感影像进行镶嵌、裁剪，并采用监督分类中支持向量机的方法对影像进行分类，将研究区分为林草地、耕地、水域、建筑物以及未利用地5类。

2 研究方法

本文以焦作矿区小马矿、韩王矿、演马矿、冯营矿、九里山矿、白庄矿、古汉山矿、方庄一矿、中马矿、方庄二矿，这十个矿为基础，以矿区1.5 km缓冲区内所包含的村级行政单元为研究区域，依据三期遥感影像数据以及社会经济统计等数据或资料，对煤炭开采以及人类与生物活动影响下的生态安全时空演变规律进行重点讨论。根据PSR模型以及焦作矿区的实际情况，构建矿区生态安全评价指标体系，建立PSR模型，利用熵值法和层次分析法确定指标权重，基于综合指数法对1999年、2008年、2018年的矿区生态安全状况分别进行评价，分析焦作矿区的生态发展趋势，揭示其时空演变规律。

2.1 指标体系构建

根据指标体系选取的如下原则：科学性原则、动态性原则、可靠性原则、代表性原则、可操作性原则[14]，依据PSR模型构建矿区生态安全评价指标体系，PSR模型是基于因果关系而建立的，它突出反映了评价系统产生的压力—压力下所产生的状态—人们积极做出的响应这3个环节之间相互影响，相互制约的关系[15]。本文从矿区生态环境压力、矿区生态环境状态、矿区生态环境响应3个方面构建焦作矿区生态安全评价指标体系，同时充分考虑研究区的社会经济状况、生态环境状况、土地利用变化特征等实际情况，选取了19个反映矿区生态安全的指标体系，进而从时间和空间两个方面对焦作矿区生态安全状况进行分析。指标体系见表1。

2.2 指标标准化处理

因为指标数据之间有不同单位，因此数据之间没有可比性，所以需要对指标体系进行标准化处理。本文采用最大离差法对矿区生态安全指标体系进行变换处理，处理公式如下:

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

表1 PSR模型下的矿区生态安全评价指标体系

2.3 组合赋权法确定指标权重

将两种或两种以上的权重确定方法结合，得到新的权重方法即为组合赋权，本文将层次分析法和熵值法结合，进行组合赋权。由于层次分析法得到的指标权重，往往存在很强的主观性与偶然性，难以准确的反映矿区的生态安全状况，而熵值法虽然可以客观的确定指标权重，但是缺乏各指标直接的横向比较，样本的影响因素较大[16]，因此对层次分析法和熵值法分别计算权重再进行处理得出最优解，可以为后续分析做出更准确的判断。

2.3.1 层次分析法确定指标权重层次分析法是一种层次权重决策分析方法，该方法是将与决策相关的元素分解成目标、准则、方案等层次，将复杂的决策思维进行条理化，将决策过程中的定性与定量的因素有机的结合起来进行分析[17-18]，由专家对各个层次的指标的重要程度进行评价，得到准则层和各指标的判断矩阵，得出最大特征根λmax对应的特征向量W，对特征向量归一化处理后，得到各指标的权重，结果见表2。

表2 层次分析法确定的指标权重值

2.3.2 熵值法确定指标权重熵值法能够客观的计算各个指标的权重，受到人为因素的影响较小。其计算过程如下：

(1) 计算第i项指标下第j个样本的比重：

(3)

(2) 计算第i项指标的熵值：

(4)

(3) 计算第i项指标的差异性系数gi：

gi=1-ei

(5)

(4) 定义第i项指标的权重：

(6)

依据熵值法的原理与步骤，根据公式(3—6) ，以研究区标准化数据为基础，得到指标权重值见表3。

表3 熵值法确定的指标权重值

2.3.3 确定组合向量权重组合后的权重向量与以上两种方法确定的向量存在偏差，构造最优化模型，求得唯一解，即为优化组合权重向量，即：

Wi=δ1W1+δ2W2

(7)

2.4 生态安全评价方法

2.4.1 评价单元划分评价单元的划分会直接影响到后续的评价工作，因此合理划分评价单元极其重要。在划分评价单元时，我们常用的主要有矢量评价单元划分法和栅格评价单元划分法[20]。为了使矿区生态安全状况的评价结果具有准确性和客观性，结合研究区实际情况，本文选用矢量评价单元划分法对研究区进行划分，研究区域涉及135个行政村，故本研究区域共划分为135个评价单元。

表4 指标体系综合权重值

2.4.2 评价模型综合指数法是将各指标进行加权求和，即将每一项归一化处理后的指标数据与其对应的权重值相乘来表示各指标得分，然后将各指标得分相加，得到评价区域的生态安全指数，从而实现定量化评价。该方法体现了生态安全评价中的综合性、整体性和层次性，综合考虑研究区生态安全影响因素的多样性，因此选择综合指数法对矿区进行综合评价。具体计算公式如下：

(8)

式中:Fj为第j村的生态安全综合评价指数;Wi为指标i的最优组合权重;Xij为指标i的标准值。

2.4.3 评价标准矿区生态安全评价结果通常以安全等级的形式来表现，即在计算其生态安全综合指数后，依据相关评价标准对评价结果进行分级。但是矿区生态安全评价结果分级目前还没有统一的标准，因此，为了更好的对研究区生态安全进行分析，参照相关研究成果[15]，结合研究区的实际情况，根据计算得到研究区生态安全综合指数，将矿区生态安全评价结果分为5个等级，不同的安全等级代表着不同的生态状态，划分结果分别代表生态恶劣、生态较差、生态预警、生态良好和生态安全，结果见表5。

表5 生态安全等级

3 结果与分析

一般而言，区域的生态安全处于不断的变动之中，即矿区生态安全状况随着时间不断推移发生变化，对矿区生态安全评价的动态变化进行分析是非常重要的。本文选取1999年、2008年以及2018年3个时间点，利用上述评价模型对焦作矿区生态安全进行动态评价，得出的结果见表6。

表6 焦作矿区生态安全评价结果

3.1 时间变化分析

由表6可以看出，1999—2018年焦作矿区生态安全状况呈现波动上升趋势，说明焦作矿区生态安全状况在逐渐改善。其中，1999—2008年呈现上升趋势，2008—2018年呈现下降趋势，从1999年的29.63上升到2008年的52.39再下降到2018年的50.26,20 a来，矿区生态安全综合指数上升了20.63。除1999年整体处于生态恶劣状态之外，其余两年均处于生态预警状态。根据上述计算与分析结果，得到每一年生态状况对比，见表7。

表7 研究区生态状况占比 %

1999—2008年，研究区生态安全指数呈现上升态势。这主要是因为：为了摆脱资源型城市“矿竭城衰”的命运，1999年焦作市政府做出了第二次转型的战略决策，开始把目光由地下矿产资源转向地上山水资源，提出要把人文、自然、社会景观相结合，主打山水，为此，焦作对城市环境进行大力治理，在这期间植被覆盖度、人均GDP、人均粮食产量以及土地复垦治理率等指标持续上升，城镇化率随之上升。

2008—2018年，研究区生态安全指数稍有下降。这主要是因为：2002—2012年被称为煤炭产业的“黄金十年”，在这期间焦作矿区仍然在大力开采煤炭，并且随着时间的推移煤矿塌陷区面积逐渐增大。此外，焦作市于2008年被列为首批资源枯竭城市，并进行资源型城市转型试点，到2018年转型已经初见成效，在这期间，工业发展带来的水土污染也愈发严重，单位耕地农药以及化肥负荷加大，交通网密度也逐渐加大，这些都对矿区生态安全状况带来了一定的影响。

综上，1999—2018年，焦作矿区生态安全综合指数总体呈现上升趋势，由生态恶劣到生态预警，但是离生态良好以及生态安全状态仍有一定的距离，仍然需要加大力度治理生态问题。

3.2 空间格局变化分析

为了探究焦作矿区生态安全空间格局的演变情况，对全区4个县区的生态安全评价进行研究，以此了解不同区域的生态安全演变趋势。根据上述计算过程，结合矿区生态安全评价标准，以县区为单位，并利用Excel表格统计，得出每个县区不同村庄的生态安全值对比图，见图1。

图1 修武县、辉县市、马村区以及山阳区生态安全对比

20 a来，研究区北部地区生态安全指数高于其他区域，东北和西南地区生态安全指数低于其他区域。4个县区中，修武县生态安全指数高于其他3个区域，山阳区生态安全指数较低，辉县市一直处于生态较差状态，山阳区一直处于生态较差与生态恶劣状态，但生态恶劣状态区域在逐渐减少。整体来看生态良好以及生态预警区域逐年增多，生态安全指数由外向内逐渐增大。

(1) 1999年，修武县和辉县市均处于生态较差状态，而马村区均处于生态恶劣状态，山阳区76.92%处于生态恶劣状态，23.08%处于生态较差状态，修武县和辉县市的生态安全状况整体高于马村区和山阳区。

(2) 2008年，修武县92.85%处于生态良好状态，7.15%处于生态预警状，马村区12.73%处于生态良好状态，29.09%处于生态预警状态，58.18%生态较差状态，辉县市4.00%处于生态预警状态，96.00%处于生态较差状态，山阳区84.62%处于生态较差状态，15.38%处于生态恶劣状态，修武县的生态安全状况整体高于马村区、辉县市和山阳区。

(3) 2018年，修武县14.29%处于生态良好状态，76.19%处于生态预警状态，9.52%处于生态较差状态，马村区29.09%处于生态良好状态，65.46%处于生态预警状态，5.45%处于生态较差状态，辉县市全部处于生态较差状态，山阳区84.62%处于生态较差状态，15.38%处于生态恶劣状态，修武县和马村区生态安全状况整体高于辉县市和山阳区。

焦作矿区生态安全状况发展不均，不同区域发展状况不同。其中，修武县和辉县市生态安全综合指数均呈现先上升后下降的趋势，马村区生态安全综合指数呈现上升趋势，山阳区53.96%呈现上升趋势，46.04%呈现先上升后下降的趋势。根据矿区位置分布图以及县区生态安全对比图，可以发现，现已关停的小马矿和冯营矿位于修武县和马村区以及山阳区；资源枯竭的中马矿、韩王矿和演马矿位于山阳区和马村区；目前仍在开采的九里山矿和古汉山矿位于马村区和辉县市，矿区开采情况一定程度上影响了矿区生态状况。此外，人口密度、土地利用强度、塌陷区面积等等以及人类与生物活动都影响着矿区的生态安全状况。