淮北临涣矿采煤沉陷区生态系统健康评价

2021-07-07穆红波任梦溪陈永春郑刘根安士凯

四川环境 2021年3期

穆红波，任梦溪，陈永春，郑刘根，安士凯，谢毫

(1. 煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001;2.安徽大学资源与环境学院，安徽省矿山生态修复工程实验室，合肥 230601)

前言

煤炭生产过程中会导致大面积采煤沉陷积水区的形成，使原有的陆生生态系统转化成水陆复合生态系统或水生生态系统，如何利用和保护沉陷区生态系统，已成为沉陷区管理的重要内容。因此，对采煤沉陷区构建生态系统评价体系这一问题值得关注。

生态系统健康评价在河海、湖泊管理过程中得到广泛的应用，以流域尺度和湖泊沼泽区为例，主要方法分为生物监测法和多指标体系评价法两大类型[1]。如殷旭旺、张宇航、张翔等[2～4]通过构建着生藻类、底栖生物、鱼类的生物完整性指数，开展了辽宁太子河流域、浑河流域、太湖水域水生态系统健康评价。周林飞[5]、陈志鼎[6]、王富强[7]等基于压力-状态-响应(Pressure-State-Response，PSR)的模型，分别评价了扎龙湿地的水循环健康状况、潜江市后湖管理区生态系统健康和刁口河尾闾湿地生态系统健康评价。以采矿区为例，王广成、张立宁等[8-9]提出，矿区生态系统指标体系建立时，应纳入矿区地表水污染、地表沉陷情况、废弃物污染、植被损毁等参考因素。

现阶段多指标体系评价方法很多，生态系统健康综合指数法因简便、明确、直观等优点，广泛用于水生态系统健康评价中。本文以临涣采煤沉陷区为例，在统计学的基础上，建立了4级评价标准，为采煤沉陷区构建一套适合的评价指标体系，以期为我国采煤沉陷区的生态重建与利用和资源管理提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

临涣矿采煤沉陷区位于安徽省淮北市临涣矿区，该区属于半湿润季风气候区，年平均降水量831.5 mm，积水面积达5.5km2，最深超过10 m，是半封闭型沉陷积水区。该地区生态环境由陆生生态系统转变为水-陆复合型生态系统的同时，受到矿山酸性废水、农业污染、生活污水等影响，生态系统受到干扰。根据沉陷塘的面积和实际情况，分为5个功能区A、B、C、D、E(如图1、表1所示)。

图1 采样点示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling points

表1 研究区的采样点设置和周围环境状况Tab.1 Sampling point setfing and surrounding environmental conditions in the study area

1.2 评价指标体系的构建

根据研究区生态系统特征，参考河流湖泊的评价方法，建立适合采煤沉陷区生态系统健康评价模型。利用综合健康指数法(Ecological Health Comprehensive Index，EHCI)[10]，对系统的生态健康进行定量评价与比较，同时基于方差赋权的多指标综合健康指数法对沉陷区生态系统进行评价。

该体系由三个层次组成，分别为目标层(A)、准则成(B)、指标层(C)。选取理化特征、生物群落结构、生态系统功能三大类构成候选指标[11-12]。将获得指标的现状值标准化后，加权合成计算出沉陷区的生态系统综合健康指数值。由于方差赋权法客观性强的特点，对指标筛选要求较高，需考虑多指标决策的主观要求。本文将方差赋权法和EHCI相结合，建立适合沉陷积水区生态系统的评价方法。参照郑炳辉[13]的研究方法设定采样点栖息地评价指标，根据研究区实际情况，对积水区深度、积水区滩地面积、人类活动扰动程度等因素，进行打分调查。

1.3 采样与分析方法

2014年10月对研究区进行采样调查。采样分析方法参照《水和废水监测分析方法》[14]，采集水样装入聚乙烯瓶保存，对氮磷指标的样品加硫酸酸化至pH﹤2，对重金属指标的样品加硝酸酸化，低温保存并及时检测，TCs、TNs用元素分析仪、重金属元素使用ICP-AE分析、TPs参照“湖泊营养化调查规范”测定[15]。本文实验数据分析采用SPSS18.0统计分析软件。

2 指标体系构建

对指标体系的构建，首先用正态分布初步筛选待选指标，符合正态分布进行Pearson相关分析，否则进行Spearman秩相关分析。将统计学的客观结果和主观的分析判断相结合，选取重要并相对独立的指标进入主成分分析。提取累积方差达到80%以上的主成分因子，分析各指标的贡献率，通过最大方差旋转法，筛选旋转后荷载值大于0.6的指标构成指标层(C)。

2.1 指标筛选

选取能反应沉陷区水质状况、底泥状况、浮游生物状况以及栖息地环境质量的25个指标作为沉陷区生态系统健康评价的候选指标。具体指标及统计数据如表2。

表2 候选指标信息Tab.2 Statistical information of candidate indexes

2.2 指标权重确定

2.2.1 对指标的标准偏差进行分析，剔除标准偏差小于0.1的指标。上覆水中重金属监测结果显示，含量均低于国家地下水水质Ⅰ级标准[16]，且除Niw外标准偏差均小于0.1，其余指标中TPw和Cds标准偏差也小于0.1，无法反映各点实际健康情况，对剩余17项指标进行正态分布检验，均符合正态分布。

表3 候选指标相关性分析结果Tab.3 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

表4 候选指标主成分分析结果Tab.4 Principal component analysis results of candidate indexes

表5 候选指标相关性分析结果Tab.5 Correlation analysis (Pearson) results of candidate indexes

3 生态系统健康评价

3.1 权重的确定

对经筛选后的评价指标进行标准化，再采用方差赋权法[17]收集11项评价指标的权重(表6)。

表6 沉陷区生态系统健康评价体系及各指标权重Tab.6 Evaluation system of mining area ecosystem health and the weight of indexes

3.2 生态系统健康综合指数的计算

3.2.1 生态系统健康分指数

为使采煤沉陷区生态系统健康评价与实际生态系统管理情况相契合，将实际调查值与背景值进行比较，计算各指标C层中各指标

正向指标(H′浮游植物、H′浮游动物、HQI)

(1)

(2)

pH值

(3)

式中，EHIij为第i个指标在j点位的生态系统健康分指数，Xij为第i个指标在i点位的实测值，Sij为第i个指标在j点位的参照标准。

3.2.2 生态系统健康综合指数

运用综合指数法，可以更全面的计算出区域范围内生态健康指数，反映该地区生态系统健康状况：

(4)

(5)

式中EHCI为生态系统健康综合指数；EHCIj为j点生态系统健康综合指数，EHIij是第i个指标在j点位的生态系统健康分指数；wi为通过方差赋权法得到的指标层(C层)相对于A层的权重。

参考湖泊、河流等生态系统健康评价标准进行综合考虑，上覆水选取的参照标准为《地表水环境质量标准》(GB382-2002)湖库Ⅳ类标准；沉积物的参照标准为加拿大安大略省环境和能源部(1992)发布的指南；浮游动植物的多样性指数参照周晓燕对两淮地区香侬威纳多样性指数的调查结果为标准[18]，HQI按照郑丙辉[12]在对辽河流域河流栖息地评价时设定的评级标准，如表7所示。

表7 临涣沉陷区生态系统健康评价指标层参照标准及权重Tab.7 The standard values(Sij)for EHIC indexes and their weighting factors

建立临涣采煤沉陷区生态系统健康综合指数(EHCI)，分级见表8。

表8 临涣沉陷区生态系统健康综合指数分级Tab.8 The classification of EHCI of LinHuan mining area

根据表6中的数据，通过公式(4)，计算得到临涣沉陷区生态系统健康综合指数，如表9所示。

表9 五个功能区生态系统健康综合指数Tab.9 Comprehensive index of ecosytem health in five function areas

3.3 结果与分析

3.3.1 通过样点分析可得：采煤沉陷区生态系统健康综合指数为0.473，处于亚健康状态。17个样点的EHCI如表10所示。最高是EHCI1，最低是EHCI11，表明1号样点最健康，11号样点的健康系统最差。整体分析，1个健康1个疾病各占5.88%，其余均为亚健康占总数的88.24%。

表10 各样点生态系统健康综合指数Tab.10 Comprehensive Index of Ecosystem Health at Various points

3.3.2 按照功能区分析，根据各个功能区周边环境差异功能区健康状况不同。A区最高为0.556，区域相对独立、周围人为活动扰动小，附近有矸石堆积，说明矸石堆积对生态系统健康情况影响并不突出；C区最低为0.422，与矸石堆淋滤、农田径流、临近道路岸带受人为活动扰动大有关；B区、E区通过D区相连，指标值最为接近，受到上游造纸厂、砖厂、岸带周围垃圾堆放的影响呈亚健康状态。