CN113240296A - 一种矿区生态累积效应的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种矿区生态累积效应的评价方法，该评价方法基于指标选择原则，选择了景观格局干扰累积、植被退化累积、水土流失累积和空气污染累积作为研究区生态累积效应的分析的生态效应指示因子，构建了矿区生态环境评估指标体系，经过相关计算，构建了干旱半干旱矿区生态累积效应的评价模型，并用于表征煤炭资源开发活动造成的矿区生态累积损失。本申请通过对该评价模型的分析和评价，从大时空尺度，生态环境约束角度，将煤炭资源开发与生态环境效应过程有机结合起来进行规律性的基础研究，从而能够为矿区生态环境质量综合评价提供更为准确的信息。
Description
技术领域
本发明涉及生态累积效应评价领域，特别是涉及一种矿区生态累积效应的评价方法。
背景技术
累积效应是由已发生的过去的行为、现在的及可合理预见的将来要发生的一系列行为所导致的作用于环境的持续影响。环境累积效应具有时间、空间和人类活动导致的特征，当各种人类活动之间具有时间重复和空间聚集或扩展的特征时，人类活动的方式、特征会影响累积效应发生的方式和结果。矿区生态环境的退化具有典型的累积效应的特点，其不仅受煤炭资源开采的影响，而且也受到其他经济活动的影响，矿区生态环境服务功能的降低(如地力衰退、土地污染等)也是受到煤炭开采和人类等其他活动的时空叠加、累积影响所造成的。
针对煤炭资源开发所引起的生态环境问题，国内外专家学者从多方面分析了煤炭资源开发对生态环境各要素的影响机理，探讨了矿区生态环境对煤炭资源开发的响应机制，并尝试对煤炭资源开发所引起的生态环境效应进行定量评价，有针对性地提出矿区生态环境保护措施、治理技术与管理对策等等。但是学术界研究侧重于煤炭资源开采对生态环境影响的系统分析和生态环境保护、治理和管理等方面，对影响效应研究较多，尚缺少从大时空尺度，生态环境约束角度，将煤炭资源开发与生态环境效应过程有机结合起来进行规律性的基础研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿区生态累积效应评价方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够为矿区生态环境质量综合评价提供更为准确的信息。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种矿区生态累积效应评价方法，包括：
获取矿区生态环境评估指标体系；
所述矿区生态环境评估指标体系包括多个生态效应指示因子；
所述生态效应指示因子包括但不限于景观格局干扰累积、植被退化累积、水土流失累积和空气污染累积；
根据所述生态效应指示因子，构建生态效应指数模型；
所述生态效应指数模型包括但不限于景观格局干扰累积指数模型、植被退化累积指数模型、水土流失累积指数模型和空气污染累积指数模型；
根据所述生态效应指数模型，构建所述矿区生态累积效应评价模型，对所述矿区的生态累积效应进行评价。
优选的，所述矿区生态累积效应评价模型用生态累积效应指数表示，所述生态累积效应指数模型表达式为：
ECEI＝CLDI+CVDI+CWSLI+CAPI
式中，ECEI为生态累积效应指数，CLDI为景观格局干扰累积指数，CVDI为植被退化累积指数，CWSLI是水土流失累积指数，CAPI为空气污染累积指数。
优选的，所述景观格局干扰累积包括破碎度、分离度、优势度，用于反映区域景观格局受各种干扰影响的程度。
优选的，采用差分分析法构建景观格局干扰累积指数模型，所述景观格局干扰累积指数模型用所述景观格局干扰累积指数表示，所述景观格局干扰累积指数模型表达式为：
式中，CLDIit表示景观类型i在t时期的景观格局干扰累积指数；LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，LDIi0为景观类型i在起始时期的景观格局干扰指数；CLDIit＞0，表示景观格局受到外界的负面影响增强；CLDIit＜0，表示景观格局受到外界的负面影响减弱；
所述的景观格局干扰指数表达式为：
LDIit＝cCit+sSit+dDit
式中，LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，Cit、Sit和Dit分别为标准化过的景观类型i在t时期的破碎度指数、分离度指数和优势度指数，c、s、d分别为破碎度、分离度和优势度的权重，且c+s+d＝1，对c、s和d分别赋为0.5、0.3和0.2的权值。
优选的，所述植被退化累积包括植被指数，用于反映植被覆盖情况的变化。
优选的，采用趋势线法构建植被退化累积指数模型，所述植被退化累积指数模型用所述植被退化累积指数表示，所述植被退化累积指数模型表达式为：
式中，CVDIt表示植被退化累积指数；NDVIt表示植被指数平均值；n代表时间，CVDIt＞0，表示NDVIt在研究期内呈下降趋势；CVDIt＜0，表示NDVIt在研究期内呈上升趋势。
优选的，所述水土流失累积包括地表植被覆盖因子、降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子和水土保持措施因子，用于反映土地利用变化带来的土壤侵蚀强度变化。
优选的，通过差分分析法构建水土流失累积指数模型，所述水土流失累积指数模型用所述水土流失累积指数表示，所述水土流失累积指数模型表达式为：
式中，CWSLIt代表t时期研究区的水土流失累积指数，ASEt代表t时期的水土流失指数,ASE0代表起始时期的水土流失指数；
利用RUSLE模型来评价干旱半干旱草原矿区的水土流失情况,得到所述水土流失指数表达式为：
ASE＝RE×K×L×S×C×PE
式中，ASE为年水土流失指数；RE为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为地表植被覆盖因子；PE为水土保持措施因子。
优选的，所述空气污染累积包括污染物浓度，用于反映区域的空气质量变化情况。
优选的，所述空气污染累积指数模型用所述空气污染累积指数表示，所述空气污染累积指数模型表达式为：
式中，CAPIt表示t时期研究区空气污染累积指数，PMt代表t时期的污染物的浓度,PM0代表起始时期的污染物的浓度。
本申请的技术方案的有益效果：本申请从矿区角度出发，通过选取生态效应指示因子，建立矿区生态环境评估指标体系，结合生态效应指示因子的特征构建生态效应指数模型，再通过生态效应指数模型构建生态累积效应评价模型，该评价模型从时间和空间尺度以及生态环境约束角度将煤炭资源开发与生态环境效应过程有机结合起来进行规律性的基础研究，不仅能够为矿区生态环境质量综合评价提供更为准确的信息，还能从整体上把握矿区生态环境系统的现状及演变趋势，从而为制定生态环境保护政策、合理选择资源开发速度和规模提供依据，以期降低或减缓生态累积程度效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为矿区生态累积效应评价方法流程图；
图2为鄂尔多斯生态累积风险图，其中图2(a)为2000-2010年生态累积风险图，图2(b)为2000-2019年生态累积风险图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供一种矿区生态累积效应评价方法，包括：
1)获取矿区生态环境评估指标体系。
需要说明的是，煤炭资源开发所造成的生态环境效应非常复杂，影响矿区生态环境系统的因子很多，通过生态环境核心评估指标选择表征矿区生态系统服务功能的特征变量来建立指标体系；其中生态环境核心评估指标选取生态效应指标因子基于以下原则：
(1)体现生态环境可持续发展原则
(2)整体性原则
(3)动态性原则
(4)便于因果分析原则
(5)体现自然环境和社会环境的动态预测特性原则
(6)体现指标体系的独立性原则
(7)综合性及简易性原则
(8)数据可获取性原则
(9)生态服务性原则
(10)空间性原则
基于以上指标选取的原则，本申请选取了景观格局干扰累积、植被退化累积、水土流失累积和空气污染累积作为矿区生态累积效应分析的生态效应指示因子。
2)根据生态效应指示因子，构建生态效应指数模型
选取的生态效应指示因子如表1所示：
表1
(1)根据景观格局干扰累积指示因子，构建景观格局干扰累积指数模型。
由表1可知，景观格局干扰累积包括破碎度、分离度、优势度，其中，破碎度表明景观类型在给定时间和性质上的破碎程度，它从时间上反映了人类活动对景观的干扰强度；分离度表示景观类型中不同个体分布的分离程度，它从空间上反映了人类活动对景观结构的影响程度。通过破碎度、分离度和优势度3个指标表征干旱半干旱草原矿区景观格局受各种干扰影响的程度，得到景观格局干扰指数表达式为：
LDIit＝cCit+sSit+dDit
式中，LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，Cit、Sit和Dit分别为标准化过的景观类型i在t时期的破碎度指数、分离度指数和优势度指数，c、s、d分别为破碎度、分离度、优势度的权重，且c+s+d＝1，对c、s和d分别赋为0.5、0.3和0.2的权值；
通过差分分析法构建景观格局干扰累积指数模型，景观格局干扰累积指数模型用景观格局干扰累积指数表示，景观格局干扰累积指数模型表达式为：
式中，CLDIit表示景观类型i在t时期的景观格局干扰累积指数；LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，LDIi0为景观类型i在起始时期的景观格局干扰指数；
当CLDIit＞0，表示景观格局受到外界的负面影响增强；
当CLDIit＜0，表示景观格局受到外界的负面影响减弱。
(2)根据植被退化累积指示因子，构建植被退化累积指数模型。
采用趋势线法构建植被退化累积指数模型，表示干旱半干旱草原矿区煤炭开采对当地的植被覆盖带来的累积影响；植被退化累积指数模型用植被退化累积指数表示，植被退化累积指数模型表达式为：
式中，CVDIt表示植被退化累积指数；NDVIt表示植被指数平均值；n代表时间；
当CVDIt＞0，表示NDVIt在t时期内呈下降趋势；
当CVDIt＜0，表示NDVIt在t时期内呈上升趋势。
(3)根据水土流失累积指示因子，构建水土流失累积指数模型。
利用RUSLE模型来评价干旱半干旱草原矿区的水土流失情况，得到水土流失累积指数表达式为：
ASE＝RE×K×L×S×C×PE
式中，ASE为年水土流失指数；RE为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为地表植被覆盖因子；PE为水土保持措施因子；
通过差分分析法构建水土流失累积指数模型，水土流失累积指数模型用水土流失累积指数表示，水土流失累积指数模型表达式为：
式中，CWSLIt代表t时期研究区的水土流失累积指数，ASEt代表t时期的水土流失指数,ASE0代表起始时期的水土流失指数。
(4)根据空气污染累积指示因子，构建空气污染累积指数模型。
选取可吸入颗粒物PM2.5的浓度作为衡量干旱半干旱草原矿区污染的指标，构建空气污染累积指数模型，空气污染累积指数模型用空气污染累积指数表示，空气污染累积指数模型表达式为：
式中，CAPIt表示t时期研究区空气污染累积指数，PMt代表t时期的污染物的浓度,PM0代表起始时期的污染物的浓度。
为了更好理解本模型，下面结合实施例对本模型做进一步地详细说明：
实例1：根据选取的生态效应指示因子以及生态效应指数模型，将经计算得到的景观干扰累积，植被退化累积，水土流失累积以及空气污染累积归一化后带到生态效应指数模型中进行计算，得到鄂尔多斯市矿区生态累积效应评价模型。
同时按照自然断裂点法将基于矿区生态累积效应评价模型得到的区域生态累积风险分为低风险，较低风险，中风险，较高风险以及高风险5类，从而得到鄂尔多斯地区2000年-2010年以及2000年-2019年的生态累积风险分布图，分别如图2(a)以及图2(b)所示。
从图2(a)中可以看出2000年-2010年鄂尔多斯地区的生态累积高风险地区与较高风险地区主要分布在区域的中心位置，而四周的高风险地区的分布则比较松散破碎，整体呈现一种“中心聚集，四处开花”的形态，并且西北方向和东南方向都有较大片状分布的低风险地区以及较低风险地区，中风险地区则主要围绕着高风险与较高风险地区零星分布。
相较于2000年-2019年的生态累积风险分布，2000年-2019年的生态累积风险分布则呈现出不一样的形态。2000年-2019年鄂尔多斯地区除了在区域的中心依旧有较大范围的高风险与较高风险地区之外，四周分布的高风险与较高风险地区面积都有所增长，并且中心区域的高风险与较高风险地区面积明显减小，从而表现出异于单中心聚集多中心分布的分布形态。同时低风险与较低风险地区的分布形态相较于2000年-2010年显得更加破碎，原有的低风险与较低风险分布区域变为了高风险地区以及中风险地区。而中风险地区则不再局限于高风险与较高风险地区附近，例如区域的西北方向出现了单独分布的中风险地区，其面积明显增长。
实例2：根据生态累积效应评价模型计算得到神东矿区不同缓冲区范围的生态累积风险。
分别计算2000年-2010年以及2000年-2019年不同缓冲区内各种生态累积风险区域的面积占比，分别如表2、表3所示。
表2
由表2可知，低风险所占面积随着距离矿区的距离增加而降低，矿区内部的低风险所占面积最大，为25.6144％，而面积占比最低的则为15-20km范围，为14.1954％。中风险、较高风险以及高风险地区的面积占比则随着距离矿区的距离增加，先升高再降低分别在5-10km、矿区内部达到最低，分别为24.9612％、6.6163％以及1.5123％，最高在分别是15-20km、0-5km以及10-15km范围内，分别28.8826％、20.6362％以及11.6883％。此外，较低风险区面积占比则为先降低再增加，矿区内部最高为39.6975％。
总体而言，2000年-2010年神东矿区内部的态累积效应风险最低，低风险与较低风险区域占比最高，较高风险与高风险面积占比最低，而生态累积效应风险最高的为距离矿区5-10km的范围，这个范围的较低风险面积占比最低，高风险与较高风险面积占比最高。与15-20km的对照区进行对比可以看出，矿区外围的生态累积风险均高于对照区，较高风险与高风险面积占比均提高，较低风险面积占比降低，可见矿区对外围区域的生态累积影响基本为负影响，其中0-5km范围的区域的生态累积效应的影响最大，也是生态累积风险最高的区域，再往外矿区的生态累积影响逐渐降低，区域的生态累积风险更接近于对照区。
表3
从表3中可以看出离神东矿区的距离越远低风险，较低风险所占面积逐渐降低，分别从23.6295％降低到13.4454％，从31.3800％降低到25.8403％；中风险以及较高风险地区面积占比逐渐增加，分别从28.8280％增加到34.7339％，从11.4367％增加到22.4090％；高风险地区面积占比则先增加再减小，在离矿区5-10km范围达到最高，到达了12.3351％，在离矿区15-20km的范围达到最低，为3.5714％。
总体而言，2000年-2019年神东矿区的生态累积效应风险依旧是矿区内部最低，矿区内部的低风险依旧较低风险面积占比都是最高的，较高风险、高风险的区域面积占比是最低的，其余区域的生态累积风险相差不大，总体而言，与对照区相比，矿区外围的区域低风险的面积占比相差不大，较低风险以及较高风险区域的面积占比变化中风险区域的面积占比分别小幅增加与减少，而中风险区域的面积占比则大幅度减小，高风险区域的面积占比大幅增加，总体表现为中风险区域转化为较低风险或高风险区域，矿区对外部的生态累积影响依旧偏向负影响，即增加了外围的生态累积风险。
比较表2和表3可知，与2000年-2010年的生态累积风险相比，神东矿区内部依旧是研究范围内生态累积风险最低的区域，但生态累积风险有所上升，低风险与较低风险的面积占比均降低，而中风险、高风险与较高风险的面积占比均升高，其余区域的生态累积风险变化也是如此，这符合前面研究体现的鄂尔多斯地区2000年-2019年的生态累积风险相较于2000年-2010年的整体上升的趋势。而采矿对周边区域的生态累积影响均为负影响，相较于对照区，影响区的生态累积风险均有所上升，不过2000年-2019年的负影响有所好转，并且受矿区影响最严重的区域由0-5km变成了5-10km，经分析是矿区生态治理的成果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于,包括：
获取矿区生态环境评估指标体系；
所述矿区生态环境评估指标体系包括多个生态效应指示因子；
所述生态效应指示因子包括但不限于景观格局干扰累积、植被退化累积、水土流失累积和空气污染累积；
根据所述生态效应指示因子，构建生态效应指数模型；
所述生态效应指数模型包括但不限于景观格局干扰累积指数模型、植被退化累积指数模型、水土流失累积指数模型和空气污染累积指数模型；
根据所述生态效应指数模型，构建矿区生态累积效应评价模型，通过矿区生态累积效应评价模型对所述矿区的生态累积效应进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述矿区生态累积效应评价模型用生态累积效应指数表示，所述矿区生态累积效应评价模型表达式为：
ECEI＝CLDI+CVDI+CWSLI+CAPI
式中，ECEI为生态累积效应指数，CLDI为景观格局干扰累积指数，CVDI为植被退化累积指数，CWSLI是水土流失累积指数，CAPI为空气污染累积指数。
3.根据权利要求1所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述景观格局干扰累积包括破碎度、分离度、优势度，所述景观格局干扰累积用于反映区域景观格局受各种干扰影响的程度。
4.根据权利要求2所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述景观格局干扰累积指数模型用所述景观格局干扰累积指数表示，所述景观格局干扰累积指数模型表达式为：
式中，CLDIit表示景观类型i在t时期的景观格局干扰累积指数；LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，LDIi0为景观类型i在起始时期的景观格局干扰指数；
所述的景观格局干扰指数表达式为：
LDIit＝cCit+sSit+dDit
式中，LDIit为景观类型i在t时期的景观格局干扰指数，Cit、Sit和Dit分别为标准化过的景观类型i在t时期的破碎度指数、分离度指数和优势度指数，c、s、d分别为破碎度、分离度和优势度的权重。
5.根据权利要求1所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述植被退化累积包括植被指数，所述植被退化累积用于反映植被覆盖情况的变化。
6.根据权利要求2所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述植被退化累积指数模型用所述植被退化累积指数表示，所述植被退化累积指数模型表达式为：
式中，CVDIt表示植被退化累积指数；NDVIt表示植被指数平均值；n代表时间。
7.根据权利要求1所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述水土流失累积包括地表植被覆盖因子、降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子和水土保持措施因子，所述水土流失累积用于反映土地利用变化带来的土壤侵蚀强度变化。
8.根据权利要求2所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述水土流失累积指数模型用所述水土流失指数表示，所述水土流失累积指数模型表达式为：
式中，CWSLIt代表t时期研究区的水土流失累积指数，ASEt代表t时期的水土流失指数,ASE0代表起始时期的水土流失指数；
所述水土流失指数表达式为：
ASE＝RE×K×L×S×C×PE
式中，ASE为年水土流失指数；RE为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为地表植被覆盖因子；PE为水土保持措施因子。
9.根据权利要求1所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述空气污染累积包括污染物浓度，所述空气污染累积用于反映区域的空气质量变化情况。
10.根据权利要求2所述的一种矿区生态累积效应评价方法，其特征在于：
所述空气污染累积指数模型用所述空气污染累积指数表示，所述空气污染累积指数模型表达式为：
式中，CAPIt表示t时期研究区空气污染累积指数，PMt代表t时期的污染物的浓度,PM0代表起始时期的污染物的浓度。
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