煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別探究

1、煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別探究礦產(chǎn)采掘業(yè)是對自然生態(tài)環(huán)境進行直接破壞的產(chǎn)業(yè)。不同的礦種、不同的 開采方式和不同的自然環(huán)境背景.f,采礦對生態(tài)環(huán)境的影響方式和程度不 盡相同。在眾多礦產(chǎn)資源中，煤炭是我國最主要的能源物質(zhì)，在一次能源 中所占比例約7 0%,其開采對當?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成的破壞是顯著的， 所引起的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為各煤炭大省所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題 之一，生態(tài)風險的增強和生態(tài)脆弱性的增加已經(jīng)影響到當?shù)鼐用竦纳钯|(zhì) 量甚至牛命財產(chǎn)的安全，各地政府及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者已開始廣泛重視。牛態(tài) 風險是一定區(qū)域內(nèi)具有不確定性的事故或災害対生態(tài)系統(tǒng)及其組分所可 能產(chǎn)生的不利影響1 。生態(tài)風險評價即確定發(fā)生上述

2、不利生態(tài)效應的 可能性的過程2。生態(tài)風險識別是在進行評價前，認識并確定區(qū)域內(nèi) 存在的危險源，查找、列舉和描述風險事件、風險源、風險后果等風險要 素的過程，包括風險源識別、風險受體識別、暴露一響應過程識別和生態(tài) 終點識別1 。風險識別是風險研究的基礎(chǔ)，能否科學、有效地對多風 險源及相應的風險受體z間復雜的暴露一響應過程進行分析，對該系統(tǒng)的 風險評價研究至關(guān)重要。通過進行風險識別，才能夠構(gòu)建風險評價體系， 進行風險評價，而其最終日的是進行風險管理和風險防范3,其框架 關(guān)系如圖1。在本研究屮，煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別在空間范圍上覆蓋了采 礦活動所能影響和擾動到的區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)采礦活動對生態(tài)系統(tǒng)具有

3、直接作用。在目前的生態(tài)風險研究中，學者多關(guān)注于風險的評價方法和指 標體系的構(gòu)建，對生態(tài)風險識別缺少系統(tǒng)性論述。而在煤礦區(qū)，對于單一生態(tài)風險源（如土壤重金屬污染、地表塌陷等）的研究已經(jīng)趨于成熟和完 善，但綜合性的煤礦區(qū)生態(tài)風險識別研究仍較少。木文明確了礦區(qū)生態(tài)風 險識別的內(nèi)涵和fi的，根據(jù)典型煤炭礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點和煤炭開采對礦區(qū) 生態(tài)環(huán)境的影響，提出了煤炭礦區(qū)多風險源的生態(tài)風險識別流程，構(gòu)建了 典型煤炭礦區(qū)生態(tài)風險因果鏈，并對其識別方法進行了梳理。1煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響煤炭開采工藝可分為露天開采和井工開采兩種，以不同的方式對礦區(qū)當?shù)?生態(tài)環(huán)境造成破壞。我國的煤炭資源以井工開采為主。為了明晰煤

4、炭開采 對生態(tài)環(huán)境的影響方式，為后續(xù)的風險識別工作進行鋪墊，需對其影響方 式和基木作用機理進行分析。本研究將采礦活動対生態(tài)環(huán)境的擾動歸納為 土地破壞和環(huán)境污染兩類，二者綜合造成了礦區(qū)生態(tài)退化（圖2）。2煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響煤炭開采造成的土地破壞可分為土地挖損、土地壓占和土地塌陷3個亞類4,露天煤礦以挖損和壓占為主，井工煤礦以壓占和塌陷為主。2 00 0 2 0 0 9年我國煤炭資源開釆損毀土地5 53 4萬hm2，對土地資源造成了極大的消耗和損傷5。土地破壞還可能進一步導致局部 地質(zhì)災害的發(fā)生，如滑坡、泥石流、土石流、礦震等6 。環(huán)境污染可 分為固體廢棄物污染、廢水污染和廢氣污染3類，露天

5、開采和井工開采的 污染方式基本類似。除污染物的直接排放之外，土地破壞也可能引發(fā)次生 的環(huán)境污染。例如煤砰石堆放不僅壓占土地，其中所含的重金屬元素還會 在雨水淋溶作用下遷移并污染土壤和水體，煤toa燃又會產(chǎn)生s 0 2、 co和c o 2等有毒有害氣體，是大氣污染的重要污染源。土地破壞和環(huán)境污染綜合作用導致礦區(qū)的生態(tài)退化，發(fā)生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損壞和功能缺 失。同時，在脆弱的生態(tài)環(huán)境下，生態(tài)退化會進一步加劇土地破壞程度， 例如在干旱一半干旱地區(qū)，煤炭開采會加劇土地沙漠化、土壤侵蝕和水土 流失】7 8；在潛水位較高的區(qū)域，地表塌陷會引發(fā)地面積水、土壤 鹽漬化等后果9 。這一正反饋機制會導致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境

6、的惡性循環(huán)， 進一步加大生態(tài)治理和風險防范的難度。即使在閉礦后，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境也 可能繼續(xù)惡化，需要較長時間的治理和復墾才可能恢復。2煤炭礦區(qū)生態(tài) 風險識別在冃前國內(nèi)外常用的生態(tài)風險評價體系和方法中，風險識別通常 作為風險評價屮的一個或幾個環(huán)節(jié)，較少單獨提出進行研究。例如，hu n s a k e r 7 9等10提出的區(qū)域生態(tài)風險評價概念模型中，將風 險評價總結(jié)為5個環(huán)節(jié)，其中“終點選取”和“風險源的定性和定量描述” 兩個環(huán)節(jié)即屬于風險識別內(nèi)容；petar方法1 1 ( p r o c e d ureforecological t ieredassessmen t o f r i s k s

7、)屮提出“三級風險評價”，其屮“初級評價”即是對 風險源、風險受體和評價區(qū)域的識別；在landis 12構(gòu)建的相 對風險評價模型所包含的9項內(nèi)容中，也并未提出“識別”的概念，而是 將對區(qū)域的選擇和劃分，風險源、受體及評價終點概念模型的建立等屬于 風險識別的內(nèi)容融合到風險評價的方法中去。風險識別在風險評價研究中 通常被作為風險評價的前期準備工作，或直接融入風險評價過程屮，對于 風險識別的內(nèi)涵尚缺乏共識的界定。例如，姚蘭】13在洞庭湖進行的 生態(tài)環(huán)境風險識別與評價研究中，將環(huán)境風險因子的識別與相應的評價指 標選取相結(jié)合，由此將識別與評價結(jié)合起來。在許學工等14針對自 然災害進行的風險評價中，通過対

8、風險源、風險受體和脆弱性評價因子的 分析，完成了風險識別的內(nèi)容，但并未明確使用風險識別這一概念。高鐵 軍等】15在采礦塌陷區(qū)進行風險識別時，將塌陷區(qū)修復中可能遇到的 風險進行分類和分析作為風險識別的研究內(nèi)容。焦鋒1 6提出了較為 具體的風險識別概念模型構(gòu)建方法，釆用加權(quán)打分法來對驅(qū)動力、風險源、 風險因子和評價終點進行分析，確定其危害強度。常青等17針對礦 區(qū)土地破壞生態(tài)風險構(gòu)建了風險因果鏈作為風險評價的基礎(chǔ)，并探討了風 險源、風險受體和生態(tài)終點的選取和定量表征方法，在礦區(qū)生態(tài)風險綜合 識別與評價方面做出了冇益的拓展。本研究認為，廣義的風險評價研究包 括風險識別、風險分類和狹義的風險評價，狹義

9、的風險評價即是對生態(tài)風 險發(fā)生概率的定量化研究，而風險識別則是對生態(tài)風險的定性和半定量化 認識。煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別的內(nèi)容是篩選礦區(qū)范圍內(nèi)的風險源和風險受 體，通過定性和半定量的方法對其進行甄別，判斷區(qū)域內(nèi)是否受到各個風 險源的影響，并對風險源作用于風險受體的暴露一響應過程進行分析，確 定生態(tài)終點。其識別結(jié)果是構(gòu)建一個詳細的生態(tài)風險因果鏈，明晰風險源、 風險受體、生態(tài)終點及其z間的相互作用關(guān)系，搭建起礦區(qū)生態(tài)風險多源 多受體的網(wǎng)狀因果體系。本文將礦區(qū)生態(tài)風險識別分為風險識別流程和識 別方法兩部分進行論述。礦區(qū)生態(tài)風險識別流程包括礦區(qū)生態(tài)風險綜合調(diào) 查、風險源識別、風險受體識別、暴露一響應過程識

10、別、生態(tài)終點識別、 因果鏈構(gòu)建6個步驟。礦區(qū)生態(tài)風險識別方法是在風險識別中判定風險源 及風險受體是否存在、確定其空間位置和風險影響程度的方法，在具體研 究中常作為風險評價的一部分進行。3煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別流程 3 1綜合調(diào)查在進行礦區(qū)生態(tài)風險識別之前，需要先對該礦區(qū)進行綜合 調(diào)查，認識礦區(qū)生態(tài)環(huán)境特征及采礦活動的特點和擾動方式。內(nèi)容包括地 形地貌、地質(zhì)條件、水文條件、氣象氣候、植被、土壤以及礦業(yè)生產(chǎn)活動 等。通過資料收集、遙感影像分析、現(xiàn)場調(diào)研、實地測量與監(jiān)測、問卷調(diào) 查、入戶訪談等方式獲取數(shù)據(jù)，并了解礦區(qū)口身特點，為后續(xù)的風險源識 別工作奠定理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3 2風險源識別由于人類采礦

11、活動對 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)起主導作用，因此在礦區(qū)生態(tài)風險識別中，側(cè)重關(guān)注人類生 產(chǎn)活動對自然牛態(tài)系統(tǒng)的影響和破壞，風險源識別工作也圍繞著采礦活動 對生態(tài)系統(tǒng)的擾動展開。在現(xiàn)有研究中，程建龍等18將煤炭開采中 的挖損、壓占等土地破壞和有毒有害物質(zhì)的污染作為露天煤礦的風險源。出大平等19也相類似地選擇了土地破壞和有毒有害物質(zhì)污染兩個方 面作為風險源。馬蕭等20將采礦活動引起的土地利用及景觀格局變 化作為主要風險源。賈媛等21則從人為風險源角度選取了煤炭開采、 砰石堆放、道路修建、污染物排放等作為風險源。這些研究由于研究背景、 研究目的和應用方向的不同，對風險源的識別也側(cè)重于不同的角度。本研 究考慮到煤炭

12、開采對生態(tài)系統(tǒng)的影響方式，將生態(tài)風險源分為土地破壞和 環(huán)境污染兩類。其中，土地破壞包括土地挖損、土地壓占、土地塌陷；環(huán) 境污染包扌舌固體廢棄物污染、廢水污染和廢氣污染。由于煤炭開采擾動的 多面性和多源性，上述風險源之間存在一定聯(lián)系。例如，固體廢棄物既會 導致重金屬污染，同時也會造成土地壓占。但上述風險源具有不同的表征、 研究方法和治理措施，因此仍將其列為不同的風險源進行識別。3 3風險受體識別生態(tài)風險受體是暴露于脅迫因子下的單個或一組物種、生態(tài)系 統(tǒng)的功能特征、特殊生境等2 2。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)組分極易受到采礦活 動的擾動和影響，成為生態(tài)風險的受體。礦區(qū)生態(tài)風險具有多風險源交叉 影響的特點，因此一

13、個風險源，可能對多個風險受體產(chǎn)生不利影響，一個 風險受體也會受到來自多個風險源的作用。土地破壞類風險源以土地系統(tǒng) 為風險受體，具體包括土壤、巖層、地貌、水體及植被；環(huán)境污染類風險 源的受體則包括大氣、土壤、水體、植被和動物。在實際研究中，考慮到 資料的可獲取性、數(shù)據(jù)的可監(jiān)測性等因素，一般選擇地質(zhì)地貌、土壤、植 被、水體和大氣作為風險受體。部分礦區(qū)具備動物監(jiān)測條件，可選擇生活 在礦區(qū)的動物（如魚類）作為風險受體進行研究2 3 。3 4暴露一 響應過程分析暴露一響應過程分析是對風險受體對風險源暴露途徑過程 的分析22。風險源通過一系列復雜、綜合的生物地球化學過程作用 于風險受體，并導致相應的生態(tài)終

14、點。對煤炭礦區(qū)生態(tài)風險而言，主要過 程包扌舌直接物理作用、水循環(huán)、食物鏈、風化作用、侵蝕作用、重力作用、 擴散作用等。這些過程的識別和分析建立在對相應自然規(guī)律充分認識的基 礎(chǔ)上，通過資料收集、實地采樣監(jiān)測等方式判定。3 5終點識別生態(tài)終 點指在生態(tài)風險源的作用下，生態(tài)風險受體可能受到的損害，以及由此發(fā) 生的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷。礦區(qū)生態(tài)風險終點有別于一般區(qū)域 生態(tài)風險終點之處在于著重強調(diào)采礦活動對生態(tài)系統(tǒng)帶來的損害，由于自 然生態(tài)過程所產(chǎn)生的后果不在木研究的考量范疇內(nèi)。不同的風險受體會伴 隨不同類型的生態(tài)終點。對地質(zhì)地貌要素，會導致礦震、地裂、滑坡、泥 石流、崩塌等生態(tài)終點；對土壤要素

15、，會導致土壤重金屬污染、土壤結(jié)構(gòu) 破壞、土壤微生物環(huán)境破壞、土壤理化性質(zhì)改變、水土流失、土壤退化等;對植被耍素，會導致植被破壞、植被退化、生境破碎化、植被多樣性降低、 病蟲害等；對水體要素，會導致地表水系改變、地下水貯存條件改變、地 下水位下降、水環(huán)境污染等；對大氣要素，會導致大氣粉塵污染、溫室氣 體含量上升、有毒有害氣體污染、酸雨等;這些最終會導致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)損傷和功能缺失；對動物，除導致生境破碎化、物種多樣性降低z外， 污染造成的影響更為嚴重，會導致動物生長性狀受損。36風險因果鏈構(gòu)建因果鏈分析是風險識別方法的一種，運用故障樹和事件樹等邏輯分析 方法，以事件組潛在的因果關(guān)系為基礎(chǔ)，在事

16、件的成因和后果之間建立鏈 條，構(gòu)成多成因多后果的風險因果體系2。因果鏈分析在流域生態(tài)風 險識別、區(qū)域生態(tài)風險識別和不同生態(tài)系統(tǒng)的風險識別中都有應用。山于 礦區(qū)生態(tài)風險具有顯著的多風險源、多風險后果的特征，本研究選擇風險 因果鏈方法作為典型的礦區(qū)生態(tài)風險識別方法，基于煤炭開采的基本工 序，通過上述風險源、風險受體、暴露一響應過程和終點的識別，構(gòu)建風 險因果鏈（圖3 ）。從風險源的類型來看，土地破壞類生態(tài)風險源，主耍 通過直接物理破壞、風化、侵蝕和重力等作用及水循環(huán)過程，對地質(zhì)地貌、 土壤、植被、水體和大氣產(chǎn)生影響，其后果通常是對生態(tài)系統(tǒng)組分的破壞 和對原有地質(zhì)地貌條件的改變，同時也會產(chǎn)生次生生態(tài)

17、影響，如地形破碎 和地表植被破壞加劇水土流失和土地荒漠化，生境破碎導致牛物多樣性降 低等。而污染類生態(tài)風險源主要通過擴散作用、水循環(huán)和食物鏈對土壤、 水環(huán)境、大氣、植被和動物產(chǎn)生影響，其后果通常是對生態(tài)組分的污染， 其中主要是土壤重金屈污染、水休重金屬污染、大氣粉塵污染、大氣溫室 氣體含量增加、酸雨等，在一些礦區(qū)由于生物體的富集作用，污染物特別 是重金屬元素隨食物鏈在生物體內(nèi)積累，高濃度的污染物會隨生物遺體回 到土壤和水體中造成進一步的污染，更有可能被高等動物所食用，產(chǎn)生緩 慢但具冇區(qū)域性的毒害作用。這些生態(tài)后果將導致生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損壞和 功能喪失，生態(tài)系統(tǒng)健康下降，并可能引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由復

18、雜向簡單的 逆向演替。4煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別方法煤炭礦區(qū)生態(tài)風險識別常用的技術(shù)方法包括“ 3 s ”技術(shù)、實地采樣與實 驗室分析相結(jié)合的方法和問卷調(diào)查與訪談方法。其屮，“3 s”技術(shù)以遙 感和gp s為獲取數(shù)據(jù)信息的主要手段 2 4 2 6 ,以g i s技術(shù)為 主要分析手段27；實地采樣和實驗室分析常用于對土壤、水體和大 氣污染物的識別，判定污染物是否存在、濃度是否達到可被作為風險源的 閾值】2 8 - 2 9 ；問卷調(diào)查和訪談通常作為一種獲取數(shù)據(jù)的輔助手段。 煤炭礦區(qū)牛態(tài)風險是區(qū)域牛態(tài)風險屮的一類特例，部分區(qū)域生態(tài)風險研究 中的基木方法也能夠應用于煤炭礦區(qū)的風險研究中。在區(qū)域生態(tài)風險研究

19、中，上述基于風險源一風險受體一生態(tài)終點因果關(guān)系的方法是一種基本的 研究思路，在此基礎(chǔ)上不同的學者構(gòu)建了若干不同的生態(tài)風險評價方法， 包括前述中的petar方法等。盡管風險識別是為后續(xù)的風險評價、風 險管理和防范鋪墊基礎(chǔ)，但在實際風險評價研究屮，特別是在目前常用的 基于景觀生態(tài)指數(shù)的評價方法中，風險識別步驟經(jīng)常被忽略，而直接對指 標進行篩選和運算。然而，這并非意味著風險評價不再需要進行風險識別, 而是通過指標篩選的過程對風險受體和風險源在研究區(qū)的影響作用進行 了識別。例如，風險評價中常用的p s r模型（壓力一狀態(tài)一響應模型） 及其改進模型，壓力指標即指人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動和脅迫3 0

20、,屬于風險源范疇；評價指標是區(qū)域內(nèi)風險源、風險受體和生態(tài)風險 的定量化表征。因此，風險識別在實際案例研究屮，除可以通過上述技術(shù) 方法對風險源和風險受體進行有針對性的識別外，也可以直接通過風險評 價過程實現(xiàn)。在這種情況下，對風險評價各指標的篩選和對量化指標閾值 的確定就成為風險識別中重要的一環(huán)。本文根據(jù)煤礦區(qū)的生態(tài)風險特征， 提岀了針對煤礦區(qū)的風險源和風險受體識別與診斷指標。其中，風險源特 征及各風險亞類的識別指標如表1 ,在此基礎(chǔ)上界泄閾值即可進行風險源 破壞程度的判定和識別。而風險受體的診斷和識別則包括生態(tài)系統(tǒng)功能完 備性和生態(tài)組分安全性兩個方面，生態(tài)系統(tǒng)功能完備性的常用診斷指標， 包括生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)系統(tǒng)健康3個方面（表2）；生態(tài) 組分安全性診斷方法包括實地檢測、遙感監(jiān)測、采樣分析和問卷調(diào)查，分 別適用于不同生態(tài)組分的診斷指標，在實際工作屮可以根據(jù)礦區(qū)的特點和 數(shù)據(jù)的可獲得性進行選擇（表3 ）。