大型煤电基地开发生态累积效应及定量分析方法研究

张建民,付 晓,李全生,吴 钢,郭俊廷,白 璐,张轶群

1 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209 2 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室 北京 100085 3 国家能源投资集团有限责任公司,北京 100021 4 中国科学院大学,北京 100049

人口、社会、经济、环境协调发展是人类社会可持续发展的必然要求,围绕联合国《变革我们的世界：2030年可持续发展议程》中的17项人类社会可持续发展目标和聚焦人类健康、生存环境、能源资源三大领域,人类如何在地球界限内“安全生存”、有效地解决跨界空气、水和土壤污染成为新一轮科技革命和产业变革需要迫切解决的基本问题。煤基能源集约化清洁生产是能源资源开发的重要形式,采用先进的节能节水环保发电技术建设的千万千瓦级清洁高效发电和规模化外输集中区[1]—大型煤电基地是国家能源开发布局的组成单元和能源安全战略保障,如何有效降低大型煤电基地开发生态影响程度则是能源开发与区域生态安全协调,协同推进国家能源安全和区域人类社会经济发展亟待解决的重大技术问题。

大型煤电基地开发生态累积效应属于21世纪生态领域跨学科和跨行业的重要科学问题,近年来引起能源与生态界广泛关注。前人相关研究多聚焦在煤矿区、水电开发、铁路及公路建设、绿洲开发、湿地开发和流域管理等方面展开[2—9],先后提出了关于自然生态系统健康评价[10]、生态累积效应[11]及生态阈值[12]、草地生态生产力[13]及其计算方法[14—16]等理论,建立了生态累积效应的解释结构[17]、DPSIR[18]、源-路径-效应[19]、广义线性累积效应评价[20]、模糊多层次综合评价[21]等模型与分析方法,涉及大气、水、土壤和植被、驱动力-压力-状态、景观格局和土地利用变化、矿山地质条件、开采强度和环境问题等方面指标[22],提出生态风险[23]、矿区土壤和水质及粉尘等[24—27]、草原初级生产力[28]、植物生物量和生态生产力[29—30]等参数分析方法,为大型煤电基地生态累积效应定性和定量分析提供了丰富的思路与方法。

围绕大型煤电基地区域生态安全有关科学问题,亟待深入研究大型煤电基地开发行为与区域生态环境内在关系、开发的生态影响及分析方法,辨识大型煤电基地生态安全关键问题,为区域生态调控提供支撑。本文则基于大型煤电基地开发与区域生态安全协同理念,通过科学界定大型煤电基地、融合构架大型煤电基地生态系统,探讨开发行为的生态影响途径、生态累积过程、生态累积效应及阈值,建立生态累积状态定量分析模型和生态效应阈值确定方法,为实现大型煤电基地开发生态影响定量分析、区域生态安全科学评价和调控管理、“碳中和”协同发展提供理论与方法支撑。

1 大型煤电基地及其生态系统界定

1.1 大型煤电基地界定

1.1.1大型煤电基地定义及内涵

大型煤电基地(Coal-fired Power Base/Coal-Electricity Base,CEBs)是在国家能源发展战略行动计划(2014—2020年)中明确的国家能源战略布局和能源安全保障的重要内容。CEBs作为现代煤基能源开发的重要形式,可确定为“根据国家能源战略布局,依托丰富煤炭资源产区和煤矿规模化生产方式,按照煤电一体化生产模式,集中建设一批大型现代化煤矿和先进高效环保机组,形成煤基电能集中持续生产和输出能力的区域”。与传统的煤炭—运输—电站的分布式煤-电开发模式相比,其特点和内涵包括：

(1)地域性。CEBs是在一定地域内(煤田区域控制范围内)的煤基电能集中开发活动区。该区以煤炭开采和电力生产为主,配置必要的土地资源、水资源和城镇环境,具有较大规模煤炭开采(如大型煤炭基地)和发电能力聚集区,也是采用煤电一体的集约化开发模式集中区。

(2)先进性。CEBs是基于煤炭规模化开采—高效清洁发电的煤电集群化生产方式形成的规模化电力生产和输出区。相比煤炭产区具有高集中度、高效率、高资源配置率特点,相比传统煤-运-电生产模式,显著提升了生产集中度、产品清洁度和产业协调度,成为煤基能源开发的最佳效率区。

(3)功能性。CEBs作为规模化电能生产和输出区,承担着国家能源安全保障与促进区域社会经济发展的重要功能。目前,依托14个大型煤炭基地基础建设的锡林郭勒等9个千万千瓦级大型煤电基地,对提升我国能源区域供给能力和支撑区域经济与社会可持续协调发展具有重要支撑作用。

1.1.2CEBs的基本构成

CEBs是以煤、电规模化开发为核心,集人类活动、能源生产、自然资源与区域环境相结合的复杂系统,基本构成包括自然与环境资源、能源开发活动和其他人类活动(图1)。

图1 CEBs系统基本构成Fig.1 CEBs system structureCEBs:大型煤电基地 Coal-fired Power Base/Coal-Electricity Base

(1)自然与环境资源：包括煤炭资源、土地资源、水资源和生态资源等。其中,自然资源(煤炭、土地、地下水、地表水等)是煤电开发活动中资源基本要素,生态资源(林、草、水、土壤等)是煤电开发和区域人类居住和活动的生态保障要素。

(2)能源开发活动：指与能源开发密切相关的采矿、发电及相关的煤基产业生产(煤制气、煤制油、煤制烯烃、煤基肥料等),是人类获取能源维持社会经济发展的生产行为。

(3)其他人类活动：是指CEBs区域中人类基本生存和社会发展的生产活动,与能源开发存在交互作用的人类活动(农业、牧业、交通、城建等)。其中,农、牧属于周期性生产活动；城建开发用于人类居住,属于能源和水资源消耗区；交通网络是区域人类活动配套设施。

1.1.3CEBs系统结构与内在关系

CEBs是能源开发与区域经济发展融合的复杂系统,依据人类活动行为可细分为区域经济开发和煤基能源开发和10类产业活动或子系统(图2)。CEBs开发行为与作用对象的互动关系显现为：

图2 CEBs主要功能子系统Fig.2 Main function subsystems of CEBs

(1)行为-要素的影响关系：能源开发和其他人类活动行为通过持续索取、占用、改造和替换等方式作用自然资源要素(如煤、水、土等),这种人工作用强度、范围和方式决定了对CEBs区域生态环境的影响效果。如高强度开采、过度放牧、农业种植、城镇扩张行为等显示生态负作用,而绿色开采、禁草禁牧、良性种植等行为由生态正作用,自然降雨和干旱气候等自然行为属于生态环境胁迫行为。

(2)行为-功能互耦关系：CEBs能源开发与人类生活行为影响着内部子系统的功能和作用。CEBs作为区域经济发展的重要组成部分,科学开发行为和绿色生产及生活方式不仅促进CEBs子系统功能提升,亦能促进和提升区域生态承载能力。

(3)行为—行为互动关系：CEBs开发中各种人类活动行为相互间影响关系。如,开发占用土地资源缩小草原可牧区域,城镇扩张加大污染输出规模和强度等增加区域生态环境压力,而绿色矿山和清洁城市建设、科学放牧等行为降低区域生态负荷,通过“互促”“互补”提升CEBs开发生态安全水平。

1.2 大型煤电基地生态系统

1.2.1CEBs生态系统界定

CEBs开发是依托区域自然资源和生态环境条件进行的规模化能源生产行为,能源开发行为与自然生态系统的“耦合”作用,影响自然生态系统(Natural Ecosystems,NES)状态,引发生态要素、系统结构和功能改变。从系统学视角构建CEBs与NES的复合型系统,即煤电基地生态系统(Coal and Electricity Base Ecosystems,CEBES),有助于分析CEBs区域生态变化规律即趋势。CEBES实质是：在大型煤电基地开发区域,将能源开发及相关人类活动与自然生态系统相结合,融合自然生态要素与能源开发要素及相互作用和影响关系建立的复合型生态系统。基于CEBs中各种产业活动行为,CEBES也是CEBs开发影响区域内多类型生态系统的集合(表1)。

表1 大型煤电基地生态系统构成及土地资源利用形式Table 1 The ecosystem composition of CEBES and its form of land resource utilization

1.2.2CEBES主要特征

CEBES是人类行为与NES相互作用且具有耗散结构的开放系统。如将人工驱动力(能源开发与社会经济发展活动等)视为对NES的开发影响行为,将生态系统要素、结构和状态变化视为响应,CEBES与NES相比有几个显著特征：

(1)“影响源”多态化。“影响源”是指对生态影响作用的各种行为的时-空状态简称。与自然行为相比,开发行为影响呈现分散和集聚态等状态,如“点源”(电厂排放、城市排污)、“线源”(铁、公路)、“面源”(采煤区、种植区)和“体源”(井采面、含水层)等,都有不同源强度、影响空间和周期。

(2)“影响方式”多样性。“影响方式”是指各种开发行为与生态要素构成的行为-要素的耦合关系。与自然驱动力作用方式相比(如水-土、水-植物耦合等),影响行为多态化(耦合方式、传导作用、辐射方式等)显现开发行为影响NES路径的多样性。

(3)“影响效应”多维度。各种开发行为的生态响应体现在空间聚集效果、时间累积过程、生态要素耦合和不同尺度与方向等多维度。如,露天开采行为的生态响应显现在采区和矿区,而自然行为显现在区域尺度,各种行为的生态影响方向包括负向影响(生态损伤)和正向作用(生态修复)。

(4)“响应状态”多时相。NES在开发行为影响下呈现的具体状态因影响行为时间(起始和持续时间)差异性,导致“响应”呈现“多时相”并存状态。如,CEBES未受开发活动影响区处于“原生态”,受影响区处于“扰动态”,露天采区属于“更替态”,不同“时相”的影响行为增加了生态影响比较难度。

2 大型煤电基地开发生态累积过程及状态界定

2.1 CEBs开发生态损伤机制与生态累积过程特点

2.1.1生态损伤机制

CEBs开发区域中任意空间单元都存在着各种人类活动行为与生态要素间(水、土壤、植被、气)相互作用,基于各种行为与生态要素间耦合作用方式,开发生态损伤主要表现为以下几种影响机制：

(1)融合耦合：两种或多种生态要素间相互交融的影响作用方式。如,井工开采中地表裂缝,引发土壤含水性下降和植物根系损伤,地表植物生长的包气带水和土壤环境变差,导致地表植被退化。

(2)传导耦合：受损生态要素通过接触关系与相邻空间生态要素相互影响作用方式。如,矿井涌水通过水力场传导作用、采区污染物通过地面污水的河流排放传递开采对周围生态要素的影响范围。

(3)辐射耦合。受损生态要素通过人工输运或空间介质转移等方式相互作用。如,采矿粉尘漂移至邻近区域导致土壤含水性和养分及植物光合能力下降、电厂废气大气排放影响大气环境质量等。

2.1.2生态累积过程及特点

CEBs开发各种行为共同对自然环境系统(水、土壤、植被、气)持续施加作用,在时-空上始于开发空间单元体,经过不同的影响行为-生态要素耦合(图3)作用损伤大气、水、土壤和生物等生态要素,有机叠加后形成CEBs区域生态状态响应。生态累积过程则是长期开发行为的生态状态持续响应和叠加作用,并在CEBES中生态要素、系统结构和系统平衡等多层次(图4)显现。累积过程主要特点为：

图3 CEBES系统行为-要素耦合关系Fig.3 Coupling relationship between behavior and factors of CEBESCEBES:煤电基地生态系统 Coal and Electricity Base Ecosystems

图4 CEBES系统演化Fig.4 Evolution of CEBES

(1)状态多样化。累积状态通过大气质量变化、地表和地下水、土壤退化等环境变化和植物多样性减少等显现其复杂的生态要素耦合作用和累积状态。如,植被绿度变化等单要素状态、土壤综合质量变化等多要素复合累积状态、地下水力场改变引发的地表植被变化关联累积状态。

(2)空间多尺度。指累积过程在空间上呈现出局域(点状和带状)、矿区和区域多尺度特征。如,井工开采造成采区局域生态损伤,矿井废水外排污染形成流域尺度生态影响,点源态电厂废气排放形成区域性生态影响等。

(3)过程多阶段。指开发行为阶段的生态影响差异致使累积状态具有显著的阶段性。CEBs中因影响行为、生态要素属性和两者耦合时-空关系差异致使累积过程处于不同阶段。如大型露天矿建设阶段对土地的扩张性挖损和开采阶段的采-排-覆持续稳定推进阶段,两个阶段显著差异为生态影响空间上持续扩大与生态影响范围稳定且中心移动。

2.2 生态累积状态及累积效应阈值

2.2.1生态累积状态

生态累积状态是CEBs各种开发行为驱动下引发的CEBES的持续响应,反映了自然生态系统响应累积程度及变化趋势,且通过生态要素、结构关系和系统状态响应显现。

1)要素累积状态：表现为系统内水、土、植被等生态要素的累积变化和相对损伤程度,是系统局部要素或独立区域的开发生态累积结果显现。如,土壤破坏及沙化现象、地下水系统持续失水状态等。

2)结构累积状态：表现为系统内原生结构破损或功能缺失的累积变化,是系统内部子系统关系或不同类型区块间关系的累积变化结果。如,城镇区持续无序扩张致使草原区面积下降,降低了区域生态系统的生物生产力,CEBs开发占用部分水资源导致区域水资源分配结构变化。

3)系统累积状态：指CENES的生态累积状态变化,是由生态要素损伤状态和结构损伤状态构成的系统整体变化。如,CEBs开发等人类行为产生的生态累积影响导致NES“健康”水平下降。

基于生态耦合机制与累积状态特点,如以B代表CEBs各种影响行为,C代表影响耦合方式,A代表影响作用对象,St代表任意时间t的生态累积状态,则CEBES中生态累积状态可表达为函数形式

St=f(x,y,z,t,B,C,A)

(1)

式(1)表明生态累积状态是B、A、C因子控制下影响行为—生态要素耦合作用的时-空状态函数。当无影响行为及耦合作用时(即B=0和C=0),S0代表NES状态。故St1-S0代表绝对生态累积量,当以t1为参考时间,研究t1-t2阶段生态累积状态相对变化时,St2-St1代表了系统生态累积增量。

2.2.2生态损伤及区划

为便于分析CEBES中开发行为的生态影响程度,鉴于生态累积过程本质上反映了NES损伤过程,研究引入生态损伤系数[32]λt和生态累积速率VMD,在式(1)中以S(t0)代表生态累积过程初态,则

(2)

式(2)表明,当λt=0时,系统相对无损伤,维持生态累积过程初态；当0<λt<1时,系数越大则累积作用越强；当t0=0时,λt代表NES损伤程度,t0>0时的λt代表了CEBES相对损伤程度。当VMD<0时表明累积作用增加,系统走向退化方向,反之则向系统提升方向发展；VMD越大,则提升或退化速度越快。

按照CEBs开发相关各种人类影响行为-生态要素的耦合关系,CEBs可划分为占用区和非占用区。占用区指改变了土地原有用途,用于能源开发(规划区)或其他特殊人类活动,通过生态要素融合或转换等途径形成的生态直接损伤区；非占用区还基本保持原有人类活动方式(如草原牧业行为等),但受人类经济与社会发展(能源开发、城市发展、农业种植等)活动影响,通过辐射、传导耦合等途径,在大气、水、土和生物域显现出各种人类活动行为的生态影响区域(图5)。

图5 CEBES系统状态与开发驱动损伤源-生态要素耦合关系Fig.5 CEBES′ state and coupling-relationship of development-driving damage source with eco-elements

2.2.3生态累积效应及阈值

生态累积效应是指人类行为对生态环境持续影响以至于引起NES出现的特殊生态现象,体现在生态要素、系统结构与功能及系统的状态转变。如,光化学烟雾生态效应就是人类活动中各种二氧化氮等有害气体长期向大气污染形成的累积效应。CEBES中生态累积效应则指开发行为对NES的累积影响超出其自修复限度时出现的生态要素过载、结构破损、系统失衡等状态(如草原植被退化、矿区土壤沙化、生态功能失调等)。生态效应阈值代表出现生态累积效应前状态变化临界点、拐点或区间(图6)。依据CEBES结构划分及行为特点,生态效应阈值可分为以下四类。

图6 CEBES系统状态与开发驱动损伤源-域关系Fig.6 CEBES′ state and relationship of development-driving damage source &its spatial domain

(1)生态要素阈值：因生态要素损伤致使突破要素或CEBES承载范围的要素临界值。如,大型煤电基地开发过多占用土地资源和消耗稀缺水资源、过渡放牧突破草原生态系统承载力、极度干旱导致草原严重退化和生态系统功能失调、高强度开采驱动持续提高生态损伤强度和范围等,都将导致CEBES系统的生态生产力快速下降和触发系统状态显著变化。

(2)系统结构阈值：因多种生态要素复合损伤超出CEBES承载范围致使生态系统失去原有结构功能和自然关系的临界值。如,CEBs区域城镇建设中过多占用林、草地和农业地等土地资源造成煤电区与林草区面积严重失衡,煤电和煤基化工污染物超标准持续排放超过NES承载力,导致开发局部植被盖度降低和生态产出损失,自然初级生产力与人工生态回复力失去平衡,引发区域生态安全问题。

(3)系统状态阈值：因开发行为影响导致生物生产能力持续下降,当触发NES主要功能改变致使系统健康状态发生跃变的生物生产能力临界值或系统承载区间。CEBES生态生产力产出平衡是系统健康的主要标志,“青山绿水”代表了自然初级生产力与人工生态回复生产力平衡景观,而草原区大面积沙化和生态裸地(占用区大面积囤积荒废)都大幅降低生物生产力,致使存在较大区域生态安全风险。

(4)行为控制阈值：指基于科学发展要求、开发行为可控性、NES承载力及生态累积影响等因素科学设计的管控指标。人工生态恢复力和控制力是CEBs开发过程中的可控因素,宏观上科学设计CEBs开发布局、土地占用比、煤炭开采规模、发电规模和洁净水平、生态生产力要求等,中观上推行绿色矿山、清洁发电和环保城镇模式等,细观上限定排放污染物指标和排放量、生态修复指标等开发行为控制,有助于将开发行为生态影响损伤控制在生态承载力范围,确保CEBES系统平衡和区域生态安全。

2.3 生态累积状态主要表征参数

根据CEBs中不同开发行为的生态影响途径,结合相关认识[31—33],研究采用“初态”(NES原态或累积影响的初态)与累积过程任意时间状态比较法,按照科学、代表和可操作性原则,基于影响源和自然覆盖区、人类行为活动区与生态影响区中,初步筛选反映生态累积状态的四类60项状态参数(表2)。将影响生态累积过程、状态的行为分为以下三类：

(1)自然行为类(FN)：是CEBES系统中引起生态累积状态变化的自然行为影响参数,反映了区域自然环境背景条件和变化。如,草原区自然气候条件变化影响着生态系统基本水平和变化方向,气候变化中“干旱”情景增大了负向生态影响作用,而“风调雨顺”则增加了正向生态影响作用。

(2)能源开发行为类(FD)：是CEBES系统中引起生态累积状态变化的能源开发行为影响参数,反映其主要影响方式及作用区生态要素的相对状态。占用区(如由草原用地变为露天开采区和电厂区等)是生态影响“源”,包括生态损伤与修复作用。其中矿区内的采区则以土地占用为主,复垦区则以生态修复为主、局域交通网络属于损伤持续影响区；非占用区则是受开发行为影响区域,如牧矿交错带等受影响草原牧区,其生态累积过程总体受自然调节和开发行为叠加影响。

(3)人类活动行为类(FM)：是CEBES系统中引起生态累积状态变化的非煤电开发行为影响参数。城镇区、农业区、经济开发区等占用区是累积状态影响“源”,如城镇扩张和人口增长致使区域能源使用量、水资源消耗量和城市废弃物排弃量等大幅增长；非占用区累积过程总体是以自然调整为主和人类活动影响为辅,但受人类活动行为影响降低了水资源和生态承载力,增加了区域生态脆弱性。

其中,V代表CEBES区域,VD代表能源开发占用区(改变土地原用途区),VM代表人类非能源开发占用区,VR代表人类活动生态影响区(土地原用途不变区)；状态变化比系数α表征评价年t1与参考年t0累积状态相对变化比；楷体参数代表各区的生态生产能力状态参数；年际值,代表计算年(生态累积过程研究截止年)的值；年均初值,代表生态累积过程周期起始时稳定值(或初值)。

表2 CEBs生态累积状态表征主要参数一览表Table 2 Main parameters of CEBS ecological accumulation state characterization

续表驱动力与作用域Driving force and scopeCEBES显示主要状态Main status of CEBES影响源属性(A/W/T)Attribute of influence source状态变化比系数Coefficient of State change ratio 年际参数值/累积年均初值Values of inter-annual parameter/Cumulative annual average as initial value水域 F2R[7]地表径流影响程度[8]地表水资源影响程度[9]地下水资源影响程度局域/辐射/占用期α7r:地表径流流量比:年际径流量/年均径流量α8r:地下水资源量比:年际水资源量/年均初值α9r:地下含水层厚度比:含水厚度/实际含水总厚度土壤域 F3R[10]土壤综合肥力影响程度[11]土壤生态利用影响程度[12] 湿地区域影响程度[13] 包气带含水性影响程度局域/辐射/占用期α10r:土壤肥力比:年际土壤肥力//年均初值α11r:土壤生态利用比:年际生态利用面积//年均初值α12r:湿地区域比:年际湿地面积//年均初值α13r:土壤水分比:土壤水分值/背景值生物域 F4R[14]林区植被覆盖度影响程度[15]林区生态生产力影响程度[16]牧草区植被盖度影响程度[17]牧草区生态生产力影响程度局域/辐射/占用期α14r:林区盖度比:年际指数值/年均指数值α15r:林区生物量比:年际生物量/年均生物量α16r:牧草区盖度比:年际盖度值/年均盖度值α17r:牧草区生物量比:年际生物量/年均生物量[18]VR区植被覆盖度影响程度[19]VR区植物多样性影响程度[20]VR区生态生产力影响程度局域/辐射/占用期α18r:植被覆盖度比:年际盖度值/年初值α19r:植物多样性比:年际植物量/年均植物量α20r:区域生物量比:年际生物量值/年初值

为便于分析不同区域生态累积状态及变化趋势,采用生态要素类(大气、水、土、生物)状态指数和不同作用域的生态综合影响指数表征不同级次(要素水平及集合状态)的生态累积状态相对变化水平,或生态损伤综合水平。其数学表达为

(3)

生态综合影响指数E中,ΕN是自然环境影响指数,反映CEBES区域生态环境整体水平,当ΕN>1时环境趋好,ΕN≈1表明相对稳定；ΕD和ΕM是反映能源开发和人类活动对生态影响水平的影响源强度指数,大于1时意味着生态损伤力相对增加,反之表明生态恢复力增强；ΕR则是反映各种人类活动行为对区域生态影响程度的生态响应指数,ΕR=1时表明影响区中生态损伤力与自然恢复力总体平衡,影响区生态累积过程处于稳态；同理可求得CEBES的生态损伤指数E,当E≥1表明各种人类活动(生态损伤和恢复)的生态影响总体达到平衡,意味着CEBs开发与区域生态环境处于协调状态。

3 大型煤电基地开发生态累积效应及阈值分析方法

3.1 煤电开发生态累积影响分析思路

CEBES是由空间若干基本单元体(或像素)组成的空间实体集合,人类活动行为引发单元体的生态要素耦合作用,显现出行为人类活动影响下宏观生态累积作用的响应。模型构建按照开发行为-生态损伤-影响累积-生态效应的分析思路,以空间单元体为各种行为的影响受体或生态损伤基本单元、基于生态耦合机制建立单元体生态要素相互影响基本关系、以生态要素域响应和空间区块体描述生态损伤状态。

生态累积影响分析思路是参照NES和基于CEBs开发中三类生态影响行为,在空间单元体(或单元面积)将各种生态响应聚类到生态要素域(大气、水、土、生物)后进行点源合成,再按照土地利用属性聚合线域、局域和区域进行分区(类)损伤、系统结构稳定和区域生态安全分析,实现生态损伤专题制图、生态累积状态及趋势分析和区域生态安全评价(图7)。

图7 基于空间单元体(或像素)的CEBES生态累积影响分析思路Fig.7 Analysis process of ecological accumulation analysis based on spatial units (or pixels)

3.2 生态累积状态和生态损伤数学模型

CEBES生态累积状态是由影响源、耦合关系、受影响单元体属性等共同决定。基于2.2中生态耦合累积过程和生态损伤研究,任意单元体的单位时间生态累积量SΔ可表示为

SΔ(x,y,z,t,B,A,C)=∑F(xi,yi,zi,t,Bi)⊗A(X,Y,Z,t)(i=1,2,…,N)

(4)

式中,X=x-xi,Y=y-yi,Z=z-zi,F(xi,yi,zi,Bi)为影响作用函数,B代表影响源,N为源数,Bi为第i个源行为函数(如,Bi=diwi(x,y,z,t)),di为源强度,wi(x,y,z,t)为影响传播函数,(xi,yi,zi)代表源等效位置；A(X,Y,Z,t)为影响对象函数,C=⊗,代表影响行为-生态要素耦合方式。

式(4)表明,影响源F以影响行为B作用和耦合方式⊗作用于属性为A的单位体积元Δ,形成生态累积作用和生态损伤。在CEBES确定的空间域V中,t0-t时段生态累积量则为

(5)

代入式(2)得单位体积元生态损伤系数为

(6)

当CEBES由N类不同类型单元体组成的子区域空间,任意区Vj的生态累积量和生态损伤系数为

(7)

CEBES空间V,按区块体归一化分析方式获得的生态累积量和损伤系数分别为

(8)

3.3 行为-要素耦合算法

生态要素是生态影响累积作用载体,影响行为与要素耦合方式⊗是定量分析生态损伤状态的关键。依据影响行为特点和耦合机制分析,数学上可将任意单元体上影响作用简化为三类关系和耦合规则：

1)自然行为影响关系：在自然驱动力作用区V(CEBES∈V),自然驱动力使水、土、植被等生态要素响应呈系统性变化,当地表植被变化与大气降雨量间显现为线性同步关系时,此时影响系数为a,则有“⊗≈a”(∈V)。

2)损伤行为-要素影响关系：在人类活动行为(开发和人工行为)作用区VD+M和影响区VR,损伤行为直接或间接作用于自然生态要素致使其原有性质变化,影响区域自然生态平衡。其中：

•转换型直接损伤关系：指在人类活动行为区VD+M以接触损伤方式(如,露天矿采区、电厂、城镇等占用区),致使原草原植被和土壤处于性质转换状态,丧失或改变其原有生态生产力能力,形成要素性质转换和直接生态损伤,其累积耦合关系可简化为 “⊗=⊙或1”(VD+M∈V)。

•辐射型间接损伤关系：指人类活动行为与要素以无接触方式影响周围生态要素原有自然性质构成的行为与要素耦合关系。如,露天采区粉尘辐射污染影响周边土壤和植物光合作用致使植被退化,而污染气体辐射传播同时影响区域大气环境,其累积耦合关系可简化为 “⊗=+”(VR∈V)。

•互耦型叠加损伤关系：是人类活动行为影响以要素融合方式影响其原有自然性质,形成要素间损伤传导和间接生态损伤。如,开采破坏含水层将局域损伤状态经地下水力场传导到区域；矿井水流域外排形成水-土耦合作用产生土壤盐碱化等,其累积耦合关系可简化为 “⊗=×”(VD+M+R∈V)。

3)调控行为-要素互促关系：是通过调整人类活动行为影响生态要素、结构或系统的生态阈值指标,影响累积过程和损伤程度。如,提升大型煤矿区生态修复率和恢复质量、生态环境管控指标、优化植物结构和调增生态利用面积等降低开采生态影响和增加CEBES生物生产能力,弥补人类活动行为的生态累积影响程度。此时,“⊗=1,×,+”。

将上述关系式引入式(5)可得单位体积元的生态累积量损伤系数为

(9)

同理,如以同类单位体积元的区域中单元体的总数为Li,则Vi区的生态损伤系数为

(10)

3.4 生态累积效应分析模型

生态累积效应分析是通过生态累积状态研究获得生态效应的时-空阈值。2.2分析表明生态累积效应是由SA状态转变为SB状态的特殊生态响应,生态阈值则为状态SA→SB转变临界点。如将SA作为变量函数,引入累积函数状态极值和累积变化速率求解方法,当

(11)

时,求解得SA的极值点和拐点位置,前者表示状态变化的边界,后者反映状态开始“跃变”位置。考虑到SA=f(x,y,z,t,B)为多源曲面函数,代表任意的生态要素累积、系统结构响应或系统平衡状态函数,且有,SA=S0(t→0)和SA=S∞(t→∞)时,则SA的状态边界和生态阈值满足条件

(12)

式(12)表明,生态累积影响时-空状态边界和生态阈值是由影响源、受影响单元体属性和影响时间等各种控制参数综合制约,且与累积作用空间和持续时间相关。CEBs开发处于增长期时意味着影响源规模和强度不断增加(B≠常数),生态影响累积量逐步增加。处于稳定运行期时(B=常数)生态阈值满足

(13)

(14)

(15)

式(15)则表明区域生态安全调控具有多层次,影响源调控重在提升源控制标准(如各种排放物和污染物的企业标准),降低生态影响范围和生态损伤程度；生态子系统调控重在提升区块生态生产力(如草原区科学放牧、矿区提高生态修复率和缩短修复周期等)和弥补生态损伤“亏欠”,提高系统结构合理性；区域调控重在合理优化各类区块的生态功能布局,实现区域生态生产力“盈亏”平衡。

上述分析表明,按照CEBES中要素和结构关系分析、科学辨识煤电开发生态影响源、基于土地利用单元体精细建立影响源与要素的耦合关系、空间单元体—系统结构和系统的生态累积状态和生态效应阈值分析,CEBs开发行为的生态损伤程度评价流程,可实现区域生态安全水平评价和调控情景模拟分析。

4 结论

本研究基于大型煤电基地开发与区域生态安全协同理念,在前人研究的基础上,针对大型煤电基地开发行为与区域生态环境内在关系、开发的生态累积影响及分析方法,辨识大型煤电基地生态安全等关键问题,从大型煤电基地生态累积效应的理论研究与量化分析方法方面进行了深入的探索性研究。主要的理论研究结论如下：

(1)大型煤电基地(CEBs)是我国煤基能源和材料集中开发区域和国家能源战略安全的重要支撑,作为煤基能源开发系统工程,涵盖自然资源、能源开发行为和其他人类活动,涉及煤、电、化、农、牧、城等经济单元,具有显著地域性、先进性和功能性。CEBs与区域自然生态系统(NES)耦合构成的大型煤电基地生态系统(CEBES)受自然力和能源开发及其他人类活动共同驱动和影响。

(2)CEBES生态累积过程受到三种行为驱动(自然、能源开发行为和其他人类活动),经融合、传导和辐射耦合作用影响生态累积过程,显现为生态要素损伤、系统结构变化和系统状态失衡,具有行为多态性、空间多尺度和过程渐变性损伤特点。生态效应是累积状态“跃变”或引起系统结构和功能变化的特殊生态现象,生态阈值则是状态跃变临界点。基于生态累积响应域和响应层次,生态阈值可划分为生态要素、内部结构、系统状态和行为调控四类。

(3)本基于系统性和实用性筛选确定描述生态累积状态的60项指标,针对三种控制力下4类状态因子集(大气、水、土、生物),构建三类行为驱动、要素耦合、分区(能源开发占用区、社会经济发展占用区、人类活动影响区和自然原态区)和CEBES的生态累积状态综合指数体系。

(4)基于开发行为-要素耦合-影响累积-生态效应的生态损伤过程,采用相对分析法构建以空间单元体为影响行为受体、生态耦合机制为基本关系、生态损伤评价参数的生态累积影响物理模型和生态累积状态分析数学模型,提出面向CEBs开发的生态累积影响程度和生态累积效应阈值分析模型和方法。

本文探索提出的CEBs开发生态累积效应及定量分析方法还有待完善,通过具体应用实例的检验可进一步提升量化研究方法与模型的实用性,从而为更好地实现CEBs区域生态安全定量诊断、区域生态安全调控和CEBs “碳中和”发展提供理论支撑。