穆紅波，任夢(mèng)溪，陳永春，鄭劉根，安士凱，謝 毫

(1. 煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

前 言

煤炭生產(chǎn)過程中會(huì)導(dǎo)致大面積采煤沉陷積水區(qū)的形成，使原有的陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)或水生生態(tài)系統(tǒng)，如何利用和保護(hù)沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，已成為沉陷區(qū)管理的重要內(nèi)容。因此，對(duì)采煤沉陷區(qū)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系這一問題值得關(guān)注。

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)在河海、湖泊管理過程中得到廣泛的應(yīng)用，以流域尺度和湖泊沼澤區(qū)為例，主要方法分為生物監(jiān)測(cè)法和多指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法兩大類型[1]。如殷旭旺、張宇航、張翔等[2～4]通過構(gòu)建著生藻類、底棲生物、魚類的生物完整性指數(shù)，開展了遼寧太子河流域、渾河流域、太湖水域水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。周林飛[5]、陳志鼎[6]、王富強(qiáng)[7]等基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response，PSR)的模型，分別評(píng)價(jià)了扎龍濕地的水循環(huán)健康狀況、潛江市后湖管理區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康和刁口河尾閭濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。以采礦區(qū)為例，王廣成、張立寧等[8-9]提出，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)體系建立時(shí)，應(yīng)納入礦區(qū)地表水污染、地表沉陷情況、廢棄物污染、植被損毀等參考因素。

現(xiàn)階段多指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法很多，生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)法因簡(jiǎn)便、明確、直觀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中。本文以臨渙采煤沉陷區(qū)為例，在統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上，建立了4級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為采煤沉陷區(qū)構(gòu)建一套適合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期為我國(guó)采煤沉陷區(qū)的生態(tài)重建與利用和資源管理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臨渙礦采煤沉陷區(qū)位于安徽省淮北市臨渙礦區(qū)，該區(qū)屬于半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量831.5 mm，積水面積達(dá)5.5km2，最深超過10 m，是半封閉型沉陷積水區(qū)。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境由陸生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗?陸復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)，受到礦山酸性廢水、農(nóng)業(yè)污染、生活污水等影響，生態(tài)系統(tǒng)受到干擾。根據(jù)沉陷塘的面積和實(shí)際情況，分為5個(gè)功能區(qū)A、B、C、D、E(如圖1、表1所示)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points

表1 研究區(qū)的采樣點(diǎn)設(shè)置和周圍環(huán)境狀況Tab.1 Sampling point setfing and surrounding environmental conditions in the study area

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征，參考河流湖泊的評(píng)價(jià)方法，建立適合采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型。利用綜合健康指數(shù)法(Ecological Health Comprehensive Index，EHCI)[10]，對(duì)系統(tǒng)的生態(tài)健康進(jìn)行定量評(píng)價(jià)與比較，同時(shí)基于方差賦權(quán)的多指標(biāo)綜合健康指數(shù)法對(duì)沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

該體系由三個(gè)層次組成，分別為目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則成(B)、指標(biāo)層(C)。選取理化特征、生物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)功能三大類構(gòu)成候選指標(biāo)[11-12]。將獲得指標(biāo)的現(xiàn)狀值標(biāo)準(zhǔn)化后，加權(quán)合成計(jì)算出沉陷區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)值。由于方差賦權(quán)法客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)指標(biāo)篩選要求較高，需考慮多指標(biāo)決策的主觀要求。本文將方差賦權(quán)法和EHCI相結(jié)合，建立適合沉陷積水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。參照鄭炳輝[13]的研究方法設(shè)定采樣點(diǎn)棲息地評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)積水區(qū)深度、積水區(qū)灘地面積、人類活動(dòng)擾動(dòng)程度等因素，進(jìn)行打分調(diào)查。

1.3 采樣與分析方法

2014年10月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行采樣調(diào)查。采樣分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]，采集水樣裝入聚乙烯瓶保存，對(duì)氮磷指標(biāo)的樣品加硫酸酸化至pH﹤2，對(duì)重金屬指標(biāo)的樣品加硝酸酸化，低溫保存并及時(shí)檢測(cè)，TCs、TNs用元素分析儀、重金屬元素使用ICP-AE分析、TPs參照“湖泊營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范”測(cè)定[15]。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

對(duì)指標(biāo)體系的構(gòu)建，首先用正態(tài)分布初步篩選待選指標(biāo)，符合正態(tài)分布進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，否則進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析。將統(tǒng)計(jì)學(xué)的客觀結(jié)果和主觀的分析判斷相結(jié)合，選取重要并相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo)進(jìn)入主成分分析。提取累積方差達(dá)到80%以上的主成分因子，分析各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，通過最大方差旋轉(zhuǎn)法，篩選旋轉(zhuǎn)后荷載值大于0.6的指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層(C)。

2.1 指標(biāo)篩選

選取能反應(yīng)沉陷區(qū)水質(zhì)狀況、底泥狀況、浮游生物狀況以及棲息地環(huán)境質(zhì)量的25個(gè)指標(biāo)作為沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的候選指標(biāo)。具體指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2。

表2 候選指標(biāo)信息Tab.2 Statistical information of candidate indexes

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

2.2.1 對(duì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析，剔除標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.1的指標(biāo)。上覆水中重金屬監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，含量均低于國(guó)家地下水水質(zhì)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，且除Niw外標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1，其余指標(biāo)中TPw和Cds標(biāo)準(zhǔn)偏差也小于0.1，無法反映各點(diǎn)實(shí)際健康情況，對(duì)剩余17項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，均符合正態(tài)分布。

表3 候選指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.3 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

表4 候選指標(biāo)主成分分析結(jié)果Tab.4 Principal component analysis results of candidate indexes

表5 候選指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.5 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

3 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

3.1 權(quán)重的確定

對(duì)經(jīng)篩選后的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再采用方差賦權(quán)法[17]收集11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表6)。

表6 沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系及各指標(biāo)權(quán)重Tab.6 Evaluation system of mining area ecosystem health and the weight of indexes

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)的計(jì)算

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)

為使采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)管理情況相契合，將實(shí)際調(diào)查值與背景值進(jìn)行比較，計(jì)算各指標(biāo)C層中各指標(biāo)

正向指標(biāo)(H′浮游植物、H′浮游動(dòng)物、HQI)

(1)

(2)

pH值

(3)

式中，EHIij為第i個(gè)指標(biāo)在j點(diǎn)位的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)，Xij為第i個(gè)指標(biāo)在i點(diǎn)位的實(shí)測(cè)值，Sij為第i個(gè)指標(biāo)在j點(diǎn)位的參照標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

運(yùn)用綜合指數(shù)法，可以更全面的計(jì)算出區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)健康指數(shù)，反映該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況：

(4)

(5)

式中EHCI為生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)；EHCIj為j點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，EHIij是第i個(gè)指標(biāo)在j點(diǎn)位的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)；wi為通過方差賦權(quán)法得到的指標(biāo)層(C層)相對(duì)于A層的權(quán)重。

參考湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合考慮，上覆水選取的參照標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB382-2002)湖庫Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；沉積物的參照標(biāo)準(zhǔn)為加拿大安大略省環(huán)境和能源部(1992)發(fā)布的指南；浮游動(dòng)植物的多樣性指數(shù)參照周曉燕對(duì)兩淮地區(qū)香儂威納多樣性指數(shù)的調(diào)查結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)[18]，HQI按照鄭丙輝[12]在對(duì)遼河流域河流棲息地評(píng)價(jià)時(shí)設(shè)定的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

表7 臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)層參照標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重Tab.7 The standard values(Sij)for EHIC indexes and their weighting factors

建立臨渙采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(EHCI)，分級(jí)見表8。

表8 臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)分級(jí)Tab.8 The classification of EHCI of LinHuan mining area

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，通過公式(4)，計(jì)算得到臨渙沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，如表9所示。

表9 五個(gè)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)Tab.9 Comprehensive index of ecosytem health in five function areas

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 通過樣點(diǎn)分析可得：采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)為0.473，處于亞健康狀態(tài)。17個(gè)樣點(diǎn)的EHCI如表10所示。最高是EHCI1，最低是EHCI11，表明1號(hào)樣點(diǎn)最健康，11號(hào)樣點(diǎn)的健康系統(tǒng)最差。整體分析，1個(gè)健康1個(gè)疾病各占5.88%，其余均為亞健康占總數(shù)的88.24%。

表10 各樣點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)Tab.10 Comprehensive Index of Ecosystem Health at Various points

3.3.2 按照功能區(qū)分析，根據(jù)各個(gè)功能區(qū)周邊環(huán)境差異功能區(qū)健康狀況不同。A區(qū)最高為0.556，區(qū)域相對(duì)獨(dú)立、周圍人為活動(dòng)擾動(dòng)小，附近有矸石堆積，說明矸石堆積對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康情況影響并不突出；C區(qū)最低為0.422，與矸石堆淋濾、農(nóng)田徑流、臨近道路岸帶受人為活動(dòng)擾動(dòng)大有關(guān)；B區(qū)、E區(qū)通過D區(qū)相連，指標(biāo)值最為接近，受到上游造紙廠、磚廠、岸帶周圍垃圾堆放的影響呈亞健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

4.1 本文中應(yīng)用了基于方差賦權(quán)的生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)法，采用主成分分析與相關(guān)性分析方法進(jìn)行指標(biāo)篩選，全面構(gòu)建了涵蓋上覆水體、沉積物、水生生物和沉陷區(qū)物理?xiàng)⒌刭|(zhì)量等要素的沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為高潛水位采煤沉陷區(qū)濕地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

4.2 計(jì)算結(jié)果表明，臨渙礦沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總體處于亞健康水平，廢水排放、澮河水引入等因素導(dǎo)致綜合健康指數(shù)較低，健康狀況較差；矸石山附近及沉陷區(qū)主體部分中心區(qū)綜合健康指數(shù)相對(duì)較高，健康狀況相對(duì)較好。計(jì)算結(jié)果同研究區(qū)實(shí)際情況相符，說明計(jì)算結(jié)果可靠。