（矿业工程专业论文）矿区生态环境质量评价理论及预警方法研究.pdf

山东科技人。t 程唢卜# 位论 摘凄 摘要 在我国的许多矿区，随着采矿业的不断发展给矿区的生态环境带柬了多方面的、 不同程度的破坏，产生了一系列的生态环境问题。因此，需要将各种先进的技术手段引 入矿区生态环境的保护和治理中来，充分利用现代高新科学技术，服务于区域生态环境 治理。 煤炭工业是一类特殊的行业，由于煤炭资源的开发和利用，带来了非常严重而又复 杂的生态与环境问题。影响生态与环境的因素多种多样，影响的程度和效应也各不相同， 因此，必须建立一套由若干相互联系、相互补充、具有层次性和结构性指标组成的指标 体系，才能对矿区的生态与环境质量进行科学、客观的评估，为矿区的生态与环境预警 指标体系的建立及预警系统的开发打下良好的基础。 本论文在分析矿区生态环境现状和对矿区生态环境要素进行调查与分析的基础上， 建立了矿区生态环境评价指标体系、评价方法、预警指标体系和预警的方法。本论文所 构建的评价和预警指标体系考虑到煤炭矿区生态环境的实际，具有较强的适用性和科学 性。本文所构建的评价和预警模型，经过实地的检验是有效的，具有较强的先进性和针 对性。本论文的研究成果能够为矿区进行生态环境治理提供决策依据，对指标矿区生态 环境治理具有一定的理论和现实意义。 关键词：矿区；生态环境评价；预警 山4 、科投人学r 程獗i 学位论殳 摘璧 a b s t r a c t i n c l u d i n gm a n ym i n i n ga r e a si no u rc o u n t r y , w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to ft h em i n i n g i n d u s t r y , i th a sp r o m o t e dt h ea d v a n c e m e n to fr e g i o n a le c o n o m ya n dh a sa c c e l e r a t e d t h e p r o c e s so fi n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o no fm i n i n ga r e a a tt h et i m e ，i th a sb r o u g h tt h e d e s t r u c t i o nt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h em i n i n ga r e ai nm a n ya s p e c t sa n dp r o d u c e da s e r i e so fq u e s t i o n so fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t s o ，w es h b u l dl e a dv a r i o u sk i n d so fa d v a n c e d t e c h n o l o g i c a lm e a n si n t ot h ep r o t e c t i o na n da d m i n i s t r a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f m i n i n ga r e a ，f u l l yu t i l i z em o d e r oh i g h n e ws c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt os e r v e t h eei m p r o v e m e n t o f e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lo f a r e a , a n dt h e np r o m o t et h er e g i o n a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m i n i n ga r e a t h ec o a li n d u s t r yi sak i n do f s p e c i a lt r a d e ，b e c a u s eo f t h ed e v e l o p m e n to f e n a lr e s o u r c e s ， t h ev e r ys e r i o u sa n dc o m p l i c a t e de c o l o g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sh a v eb e e nb r o u g h t t h e r ea r em a n yk i n d so ff a c t o r , w h i c hi n f i u e n c et h ee c o l o g ya n de n v i r o n m e n t ，t h ed e g r e ea r e d i f f e r e n t s o ，w em u s ts e tu pai n d e xs y s t e mw h i c hi n c l u d e sc o r r e l a t i n g ，c o m p l e m e n t a r y i n d e x e s ，t h es y s t e ms h o u l dh a v el e v e lq u a l i t ya n ds t r u c t u r e o n l yit h i sw a yc a nw ec a r r yo u t s c i e n t i f i ca n do b j e c t i v ea s s e s s m e n to ne c o l o g ye n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo f m i n i n ga r e a b a s e do na n a l y z i n gp r e s e n ts i t u a t i o na n de s s e n t i a lf a c t o ro fm i n ga r e a c c o e n v i r o n m e n t , t h i sp a p e rs e t su pa s s e s s m e n ti n d e xs y s t e m ，a s s e s s m e n tm e t h o d ，f o r e w a r n i n gi n d e xs y s t e ma n d f o r e w a r n i n gm e t h o do fm i n ga r e ac o o e n v i r o n m e n t ，t h ea s s e s s m e n ta n df o r e w a r n i n gi n d e x s y s t e mc o n s t r u c t e di nt h i sp a p e rt a k e st h er e a l i t yo fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n to fm i n i n ga r e a i n t oc o n s i d e r a t i o n ，i th a sr e l a t i v e l ys t r o n gs u i t a b i l i t y ；t h ea p p r a i s a la n df o r e w a r n i n gm o d e li s p r o v e dt ob ee f f e c t i v et h r o u g hp r a c t i c a l t e s ta n di ti sr e l a t i v e l ya d v a n c e d t h i sp a p e r s a c h i e v e m e n t si ns c i e n t i f i cr e s e a r c hc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rp r o t e c t i o na n d a d m i n i s t r a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to fm i n i n ga r e a ，a n dt h e r ea r eo fc e r t a i nt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dc u r r e n ts i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：m i n ga r e a , e c o e n v i r o n m e n ta s s e s s m e n t ，f o r e w a r n i n g 彖科技凡学t i 砷卜位论缔l 仑 1 绪论 1 1 问题的提出 可持续发展理论告诉我们，资源、生态环境、人口与发展是当令人类社会面 临的主要问题。在进行矿山资源开发时，需要将区域的上述四个问题作为了个整 体，指定不同类型工矿资源优化开发、环境保护和区域可持续发展的舰划，进行 科学的生产、经营、管理和调控。 在我国的许多矿区，随着采矿业的不断发展，在促进地区经济发展，加快地 区工业化、城市化进程的同时，也给矿区的生态环境带来了多方面、不同程度的 破坏，包括对地表的破坏、对土地的占用和破坏，对自然景观的影响和破坏，造 成“三废”污染，破坏水资源，造成水土流失，诱发和孕育滑坡、泥石流、冲击 地压、矿震等动力地质、环境地质问题，噪声和震动污染，热污染等其他公害。 这些矿区生态环境问题由于长期没有得到有效、及时的解决，致使许多矿区的生 态环境系统遭到了或轻或重、程度不一的破坏，同时由于这些生态环境问题带有 综合性、空间性、动态性、后效性和不确定性等特点，因此研究和治理的难度非 常大。 因此，建立矿区生态环境评价、预警的理论和技术体系是矿区生态环境保护 和污染治理工程的重要组成部分。通过该系统的建立，能够动态、综合地反映矿 区的生态环境信息，对矿区的生态环境质量进行综合、全面的评价和预警。为矿 区的生态环境保护工作提供决策依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 我国煤炭矿区生态环境与保护现状 建国5 0 年来，我国的矿业发展很快，截至1 9 9 7 年底，国有矿山已达1 0 8 3 8 个，乡镇集体矿山1 5 4 6 4 3 个，个体采矿点9 6 3 7 6 个，独立核算矿业产值为4 6 9 1 3 1 亿元，占工业总产值的6 8 6 ，矿产开发总规模居世界第三位，已成为世界上的 矿业大国之一。随着矿业的发展，已新建成3 0 0 多座矿山型城市。但是矿产资源 尔科投凡。tl 程硕i 学位沦正 绪沦 的开发，特别是不合理地开发、利用，已对矿山及其周围环境造成严重的污染， 并诱发多种地质灾害，破崩、了生态环境，使矿山成为人与环境矛盾最为尖锐的i 域。不仅威胁到人民生命安全，而且严重地制约了国民经济的发展。特别是占矿 山总数5 9 0 6 的乡镇集体矿山，环保工作差距较大：更为严重的是占总数3 6 8 0 的个体采矿点的环保工作几乎是空白。 1 2 1 1 煤炭矿区生态环境现状 煤炭采掘活动产生的生态环境问题和破坏的种类很多。例如：开采活动对t 地的直接破坏，如露天开采直接破坏地表土层和植被：矿山开采过程中的废弃物 ( 如尾矿，矸石等) 需要大面积的堆置场地，从而导致对土地的过量占用和对堆 置场原有生态系统的破坏：矿石、废渣等固体废物中含酸性、碱性、毒性、放射 性或重金属成分，通过地表水体径流、大气飘尘，污染周围的土地、水域和大气， 其影响面将远远超过废弃物堆鼍场的地域和空间，污染破坏的治理恢复要花费大 量人力、物力、财力，需要很长时间，而且很难恢复到原有的水平。 l 、矿业废气 由于废气、粉尘及废渣的排放引起大气污染和酸雨，以硫化工和煤炭最严重。 如煤炭采矿行业中工业废气排放量达3 9 5 4 3 亿立方米年，其中有害物排放量为 7 3 1 3 万吨年，多为烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳，矿山地区大气环境 受到不同程度污染。此外废渣、尾矿对大气的污染也相当严重。 2 、矿业废水 我国矿业活动产生的各种废水主要包括矿坑水，选矿、冶炼废水及尾矿池水 等。煤矿废水以酸性为主，并多含大量重金属及有毒、有害元素( 如铜、铅、锌、 砷、镉、六价铬、汞、氰化物) 以及c o d 、b o d 5 、悬浮物等。众多废水未经达 标处理就任意排放，甚至直接排入地表水体中，使土壤或地表水体受到污染。此 外，由于排出的废水入渗也会使地下水受到污染。 3 、矿业废渣 矿山废渣包括煤矸石、废石、尾矿等。1 9 9 7 年我国废渣的累计贮存量已达 “7 2 亿吨，占地面积为5 0 6 5 0 万平方米，矿业及相关行业的废渣为5 8 5 l 亿吨， 一 山、科技_ 人学 坝卜产化论文绪l 它 占地面积2 9 1 6 0 万平方米，1 9 9 7 勾。与1 9 9 5 年相比，已有明显下降趋势，但所占 比重有所增加。截止1 9 9 7 年底，仑国固体废渣排放累计占地面积中，矿业固废 占了5 7 5 7 。由于治理率低，大都艮期露天堆放或排入河道即占用大量土地，抬 高河床影响地卜水补给，破土1 ；地表景观和植被，造成水十流失，物种减少，严重 破坏地表生态，而且大量废石露天堆放又会在外力地质作用下发生氧化、风化和 自燃，产生大量有害气体和粉尘，对周围土地、土壤、水体和生态环境造成严重 污染，直接影响矿山及周围居民的生活质量和身心健康。 4 、水土流失及土地沙化 矿业活动，特别是露天开采，大量破坏了植被和山坡土体，产生的废石、废 渣等松散物质极易促使矿山地区水土流失。如位于鄂尔多斯高原的神府东胜矿 区，由于气候及人为因素的影响已使该区生态环境非常脆弱，土地沙化、荒漠 化的面积已超过4 1 7 万平方公里，占全区面积的8 6 以上。据对全国1 1 7 3 家 大中型矿山调查，产生水土流失及土地沙化所破坏的面积1 7 0 6 7 公顷及7 4 3 5 公 顷，治理投资的费用己达2 3 9 3 3 万元。 5 、侵占土地 矿山开发占用并破坏了大量土地，其中占用土地指生产、生活设施及开发破 坏影响的土地：其中破坏的土地指露天采矿场、排土场、尾矿场、塌陷区及其它 矿山地质灾害破坏的土地。 据国家统计局资料：1 9 5 7 1 9 9 0 年间，全国各项建设用地、弃地、浪费与因 灾损失的耕地达4 2 7 3 万公顷。矿山占地达4 9 1 。我国采矿业破坏的土地面积 约有1 4 2 0 万平方公里，并以每年2 0 0 平方公里的速度增加。造成矿山占地的 原因主要是露天采场及各类矿渣、工业垃圾堆置所致。 据统计，一座大型矿山平均占地达1 8 2 0 万平方米，小矿山也达几万平方 米。到1 9 9 5 年，1 1 7 3 家国有大中型矿山企业中，占用土地面积7 2 9 9 7 1 6 公顷， 其中仅露天开采矿场、排土场、尾矿场和塌陷区占地面积为2 1 2 8 1 7 4 公顷，占矿 山用地面积的2 9 1 5 ，其他工业用地、行政生活用地等为5 1 7 1 5 4 公顷，占7 0 8 5 。 同时矿业活动造成的土地沉陷，严重破坏了矿山及周围生态系统的稳定性，认为 1 彖技、? 1 ：程硕i 学位论t绪l 造成了地形、地貌的变化进两导致地表水系和小气候发q ：变化形成季节性或i 丈 年积水，不仅减少了土地适种丽积，影响农业生广，同时也对地面建筑、道路、 树林和水系造成严重破坏，使农民失去了生存与发展的基础和支撑，沦为生态难 民，增加了社会的不安定因素。 上述矿山占地问题进一步加剧了我国耕地紧张的局面。据推算，全国矿山开 发占用林地约1 0 5 9 万公顷，我国森林面积为1 3 4 亿公顷，森林覆盖率仅为 1 3 9 2 ，为此，矿山开发占用林地情况不容忽视。据估算，全国矿山开发占用草 地面积约2 6 3 万公顷，而我国的草场已日益退化，退化率由7 0 年代的1 6 上升 到3 7 ，平均以6 7 万公顷年的速率递增，矿山开发引起的草场退化问题绝不能 忽视。 6 、土壤污染 由于三废排放使矿区周围土壤受到不同程度污染。 7 、矿震 采矿所诱发的地震，出现在我国许多矿山，成为矿山主要环境问题之一。 8 、尾矿库溃坝 据统计，全国有尾矿库约7 0 0 座，江西、云南、安徽、湖北等省都发生过尾 矿库溃坝事件。 9 、破坏水均衡系统，并引起水体污染 由于疏干排水及废水废渣的排放，使水环境发生变异甚至恶化。如破坏了地 表水、地下水均衡系统，造成大面积疏干漏斗、泉水干枯、水资源逐步枯竭、河水 断流、地表水入渗或经塌陷灌入地下，影响了矿区的生态环境。沿海地区的一些 矿山因疏千漏斗不断发展，当其边界达到海水面时，易引起海水入侵现象。矿山 附近地表水体常作为废水、废渣的排放场所，由此遭受污染。地下水的污染一般 局限于矿山附近，为废水及废渣、尾矿堆经淋滤下渗或被污染的地表水下渗所致。 1 0 、崩塌、滑坡、泥石流 采矿活动及堆放的废渣因受地形、气候条件及人为因素的影响，发生崩塌 滑坡、泥石流等。如矿山排放的废渣常堆积在山坡或沟谷内，这些松散物质在暴 、科 t 人学【程坝士学位沦艾绪沦 雨诱发。卜，极易发生泥行流。 1 2 1 2 煤炭矿区生态环境保护与治理的现状及难点 l 、矿区生态环境保护与治理的成效 ( 1 ) 政策法规基本配套，环保投入增大。 国家相继出台和修订与煤炭矿区环境保护直接相关的法律法规1 3 项，使矿 区环境保护与治理步入法制化轨道，加快了矿山环境保护事业的发展。矿区的环 境改善离不开投入，据不完全统计，“九五”期间煤炭工业投入环境治理的资金达 2 8 6 亿元，平均每年5 7 亿元。 ( 2 ) 土地复垦取得一定成效。 资料显示，目前全国已累计复垦利用各类废弃土地约1 5 0 0 万亩，占废弃土 地总量的8 ；其中复垦利用工矿废弃土地约6 0 0 多万亩，约占工矿废弃土地总 量的1 0 。复垦后的土地7 0 作为耕地或其他农用地，3 0 作为非农业建设用地 或其他用途。从煤炭行业看，“九五”期间，全国复垦采煤塌陷土地1 5 0 h a ，复垦 率为1 5 ，完成露天矿挖损土地复垦量2 1 h a ，复垦率已达到4 1 。 ( 3 ) 三废治理效果显著。 “九五”期间，煤矸石利用率达到4 0 ，比“八五”期间提高9 个百分点；截止 到1 9 9 9 年治理灭火矸石山3 1 0 座，灭火率达8 0 。1 9 9 8 年山东省综合利用煤矸 石7 0 0 多万t ，占总排放量的7 1 ，并实现利税近7 0 0 0 万元。新的煤矿设计拒绝 矸石堆放，将有力保证今后彻底根除矸石山。统计显示，1 9 9 9 年，全国采掘业共 去除工业s 0 21 5 6 1 0 4t ，其中燃料燃烧中去除的4 1 5 0 5 t ：去除工业烟尘1 6 4 7 8 9 3 t ( 4 ) 矿区绿化已从单纯植树种草，走向绿色生态工程建设。 众多矿区不断加大投入，绿化美化生产生活区。根据矿区所处地理环境，积 极采用绿化新技术，营造矿区防护林，绿化煤矸石山，治沙固土，恢复植被，保 持水土。 ( 5 ) 洁净煤技术发展较快。 1 9 9 5 年全国共有洗煤厂5 5 7 个，年入洗原煤2 8 亿t ，原煤入洗率为2 2 。到 2 0 0 0 年，洗煤厂数增加到7 5 5 个，原煤入洗量达4 5 亿t ，原煤入洗率超过3 0 。 山i s f | 技人7 ：稃硕一 一。7 恃论立绪论 1 9 9 5 年前，全国动力配煤几乎空白，“九五”明间，全国相继建设诈投入运行一批 不同规模、不同类型的动力配煤厂，年生产能力近6 0 0 0 t 。我国民用型煤技术 已经成熟，到2 0 0 0 年，全国民用型煤产量达到8 0 0 0 万t ，城镇居民生活用型煤 普及率为8 0 。为加快开发煤层气的步伐，“九五”期间，国务院批准成立了专门 从事煤层气开发的公司。据不完全统计，2 0 0 0 年，全国共开发利用煤层气近4 亿 m 3 ，预计到2 0 0 5 年，全国煤层气利用量可达3 0 亿m 3 以上。 2 、煤炭矿区生态环境保护与治理中的难点 经过广大生态环境保护人士和科技工作者多年的实践和总结，目前国内的煤 炭矿区生态环境保护与治理工作的薄弱环节主要体现在几个方面： ( 1 ) 部分领导环保意识较低，公众参与不够： ( 2 ) 经济结构调整迟缓，环境保护监管不力： ( 3 ) 环保历史欠账多，资金渠道不畅、投入不足； ( 4 ) 矿区塌陷土地复垦工作盲点多； ( 5 ) 矿山环境保护法律法规不完善，执法力度不够。 1 2 2 矿区生态环境评价的研究现状 1 2 2 1 矿区生态环境评价的研究现状 所谓“指标”就是指能够反映事物或现象的量化信息。环境指标就是能够表 征，判断、度量与评价环境质量的量化信息。对于环境指标的关注和研究是伴随 着环境问题的出现而开始的。最初，对于环境指标的研究多集中在环境污染问题 上，而且主要集中在地方层次上的大气污染和水污染指标上，如美国格林大气污 染综合指数，美国橡树岭大气质量指数，内梅罗水污染指数等等。也就是说，在 六七十年代，世界上掀起了第一次环境指标研究的高潮。 在我国，七十年代末，八十年代初，随着对环保事业的日益重视，环境指标 的研究也达到了一个高峰。主要的工作是应用和改进国外已有的环境指标，如这 一时期所构造的上海大气质量指数、北京西郊大气质量指数和水域有机污染综合 评价值等。 进入八十年代，特别是八十年代末，随着全球性环境问题的日益加重，以及 尔科技大学工程硕i j 学位论文绪渔 人们对荒漠化面积的不断扩大，生物多样性减少技森林面积锐减等生态问题的关 注，全球性对于环境指标的研究又进入了+ 个新阶段。人们开始从生态学的角度 全i 面和系统的研究生态环境指标，为可持续发展综合决策提供依据。 九十年代后，随着可持续发展有关理论研究的深入和人们可持续发展意识的 提高，关于生态环境质量评价指标体系的研究屡见报道，如山岳生态指标体系的 建立；黑河流域生态环境评价指标体系；南京城市生态系统可持续发展指标体系 与评价：农业资源综合开发生态环境评价等等。但关于矿区生态环境质量评价的 指标体系的研究仍较少见，特别是一个完整的具有层次性、结构性的指标体系的 研究有待进一步深入。 1 2 2 2 矿区生态环境评价方法的研究现状 生态环境质量评价实际上是对生态环境质量优与劣的评定过程，而且是一种 有方向性的评定过程。这个过程包含有许多个层次，如生态环境评价因子的确定、 环境监测、评价标准、评价模型等等，最终的方向是评定人类生存发展活动与环 境质量之间的价值关系。因此，广义地讲，生态环境评价方法应包括这一过程中 使用的全部方法。 目前，国内外使用的生态环境质量评价方法很多，归纳起来可分为以下几类： 决定论评价法、经济论评价法、运筹学评价法和模糊综合评价法，每一类方法中 又分成许多不同方法。下面简要介绍如下： 1 、决定论评价法 所谓决定论评价法是通过对环境因素与评价标准进行判断与比较的过程。使 用这种方法，首先设定若干评价指标和若干评价标准，然后将各个因子依据各个 判断标准，通过直接观察和相互比较对环境质量进行分级，或按评分的多少排序， 从而判断该环境因素的状态。它包括指数评价法和专家评价法。 ( 1 ) 指数评价法：这是最早用于环境质量评价的一种方法。近十几年来，这一 方法在环境质量评价中得到了广泛的应用，并有了很大的发展。它具有一定的客 见性和可比性，常用于环境质量现状评价中。 ( 2 ) 专家评价法：这是一种古老的方法，但至今仍有重要地位。它是将专家们 山尔科技太学j ：转愤l 学位论丈、绪论 作为索取信息的对象，组织环境科学领域( f j 时也需凄其他领域) 的专家运用专 业方面的经验和理论对环境质量进行评价的方法。 2 、经济论评价法 从经济的角度进行环境质量评价的疗法，称为经济论评价法。浚方法是考虑 环境质量的经济价值，以事先拟好的某一环境质量综合经济指标来评价不同对 象。，常用的方法有两类：一是用于一些特定的环境情况所特有的综合指标如森 林资源的经济评价、农业资源的经济评价等；另一类是费用效益分析法，也 是目前常用的一种方法，其评价标准是效益必须大于费用b c 1 。 3 、模糊综合评价法 模糊综合评价法是考虑到环境质量本身的不确定性，将数学的模糊集合理论 用于环境质量评价的一种综合评价方法。该方法的关键是求某一评价因素，属于 第j 级评价的隶属度。此方法对于处理由于不确定性造成难以确切表达的模糊问 题很有用处。 4 、运筹学评价法 运筹学评价法是利用数学模型对于多因素的变量进行定量动态评价。这种方 法理论性很强，对于带有不确定因素的环境质量评价来说，能够从本质上逐步逼 近，以求出最优解，最适合于复杂环境质量系统或区域性评价。目前经常使用的 方法有：以图论为工具建立的数学模型结构模型，以线型理论为基础建立的 含有环境因素的投入产出模型，以及以控制论为指导建立的动力学模型。 尽管已形成了许多种环境质量评价方法，但关于环境质量评价方法的研究正 方兴未艾。如关于环境质量评价指标体系的研究，评价过程中权重确定的方法等 问题值得进一步研究。 1 2 2 3 矿区生态环境预警方法的研究现状 预警就是当危机、灾难来临前，事先发出警告或警报，以便采取预防或是避 免措施，减少损失与灾难的程度。对生态环境的预警分析是防止系统向无序化发 展和进行系统调控的重要途径之一，对提高风险意识和能力，促进可持续发展。 改善人类生存环境具有重大意义。 8 一 末技j 学 榉倾士学位论史 绪论 j = i i | 警的前提是预测，预测方法作为预测学( 未来学中的门重要分支学科) 的核心内容，已得到极其迅速的发腱目前常用的预测方法大致分为四类： l 、统计分析法 它的要点是在掌握大量历史的和现在的数据资料的基础e ，运用统计数学的 方法进行处理，从而揭示出以这些数据资料为反映的内在客观规律，并据此对未 来的状况进行预测。 2 、因果分析法 它的要点是从机理上对客观事物和它的影响因子之间的因果联系进行定量分 析，通过演绎或归纳获得其内在规律，然后对未来进行预测。 3 、类比分析法 它的要点是把正在发展中的事物与历史上曾发生过的相似事件做类比分析， 从而对未来进行预测。 4 、专家系统方法 它的要点是用层次分析技术将众多专家对事物未来所做的估计进行综合分 析，从而对未来做出预测。 在对环境质量预测工作中，常用前两种方法，即统计分析法和因果分析法， 这两种方法我们又称为统计推断法和模式预测法。 1 3 论文的研究意义 矿产资源是我国国民经济建设的重要基础。在国民经济和社会发展中具有非 常重要的地位。但是，在矿产资源开发的同时，也对矿区的生态环境造成严重的 破坏。土地沉陷不仅使周围的农民失去了耕地，也对周围的生态环境造成难以修 复的影响：煤矸石的罐放和自燃，不仅占用大量的耕地，而且成为矿区周围环境 的重要污染源：同时矿产资源的开采也对水资源造成了破坏等等。可以说，矿区 的生态环境问题已经成为影响区域实现可持续发展的重要因素，因此，国家已经 把矿区生态环境建设列入了“十五”期问科技发展的重要领域。 长期以来，在矿产资源的开发过程中，国家和各级政府对资源开采的经济效 长期以来，在矿产资源的开发过程中，国家和各级政府对资源开采的经济效 0 i | j 采羊1 技人斗l 心硕i j 学位论艾 绪沦 盎比较注重而对开发过程中所带来得q i 态环境问题没有给予足够的重视。随着 人们环保意识的提高和人类可持续发展观念的改变矿产资源开采过程中所引起 的生态环境问题也越来越受到人们和各级政府的关注。但是，d j 于长期受计划经 济的影响，矿区生态环境问题的积累也比较严重，致使许多矿区的生态环境实际 七已经变成了一个完全的人工系统，恢复和治理的难度比较大，必须有针对性的 统一规划，重点治理。这就需要及时对矿区的生态环境状况做出评估，以便找出 所存在的主要问题，为矿区生态环境的治理与保护提供基础和依据。 因此，建立一套合理、科学、可行的矿区生态环境质量评价的指标体系，运 用先进的模糊综合评判的方法对矿区的生态环境质量进行全面的评价则不失为 解决上述问题的一条有效的途径。 1 4 论文的研究内容及研究路线 1 4 1 研究内容 1 、生态与环境要素的调查分析 矿区主要生态与环境要素与其它区域的要素有比较大的差异，而生态与环境 要素是建立评价指标体系和方法的基础，所以必须有针对性地进行广泛的调研。 2 、矿区生态与环境评估指标体系的建立 煤炭工业是一类特殊的行业。由于煤炭资源的开发和利用，带来了非常严重 而又复杂的生态与环境问题。影响生态与环境的因素多种多样，影响的程度和效 应也各不相同，因此必须建立一套由若干相互联系、相互补充、具有层次性和结 构性指标组成的指标体系，才能对矿区的生态与环境质量进行科学、客观的评估。 该指标体系的建立主要包括以下三方面的内容： ( 1 ) 指标筛选。在可持续发展理论和复合生态系统理论的指导下，结合矿 区具体的生态与环境特点，结合指标体系的功能，选取指标，构建指标体系； ( 2 ) 确定指标的权重值。权重的确定与指标的选取是同等重要的，因为指 标体系中各指标对矿区生态与环境的影响是不一样的。有的影响大一些，有的影 响小一些，因此在构建指标体系的同时，必须考虑各指标对系统的影响大小，即 权重。权重确定的准确程度，直接影响指标体系的功能和质量。 】0 山东科投人学t 程倾i j 学位论_ 盘： 绪论 ( 3 ) 指标数据的无量纲化。由于在评价指标体系中各指标要素反映了矿区 生态环境不同的侧面，所使用的单位也各不相同，为了能比较各指标要素，完成 对矿区生态环境质量的评价，必须对指标进行无量纲化处理。特别是对些没有 统一标准的指标，其数据的无量纲化处理，是矿区生态环境评价的难点之一。 3 、确定矿区生念环境质量的评价方法 系统评价方法有许多，常见的有：多元统计综合评价法、层次分析综合评价 法、灰色关联分析综合评价法、数据包络分析法和模糊综合评价法等。 由于本论文的评价指标体系都是多目标多层次的，因此，本论文采用多目标 多层次模糊综合评判技术对系统进行评价。 4 、建立矿区生态与环境预警指标体系，确定预警模型，规定预警标准 选取具有代表性的指标构建具有层次性和结构性的预警指标体系，采用比较 成熟的g m ( 1 ，1 ) 为预警模型进行时间序列上的预警，以预警指标的历史数据 为依据，不断的校正模型直至符合运用的标准。划定指标的预警标准，对运算产 生的预警值根据预警标准发出响应的警报。 1 4 2 研究路线 基于以上研究内容，确定论文的研究路线如图1 1 所示： 确立研究对象和目标 理论基础准备 矿医生态环境萼素的调查分析 明确生态环境质量评估体系的设计方法 建立新汶矿区生态环境评估指标体系，构建评价模型，确定评价方法 士 建立新汶矿区生态环境预警指标体系，构建预警模型确定预警标准 图1 1 研究路线 f i g 1 1t h er e s e a r c hr o u t e 尔科技大学f 程硼l 学位论文 矿区生态习、境评价_ 标体系框架 2 矿区生态环境评价指标体系框架 2 1 矿区主要的生态环境问题分析 2 1 1 矿区生态系统 我国的含煤面积很广，已探测和预测的煤田面积约有5 5 x1 0 4 k m 2 ，占我国国 土面积的4 7 。主要的煤田集中在西北和华北地匡。主要的开发矿区集中在华 北、东北、华东和中原地区。这些地区都是我国著名的农业区。矿区生态系统往 往就是在对原有农业生态系统进行一定程度的破坏之后建立起来的。它采取原生 态系统中的组成元素作为自己的输入，强行向原系统输出废物，削弱原系统的功 能，甚至导致原系统的瘫痪或崩溃。 矿区开发之后，随着物质流、能源流、信息流的输入和大量非农业人口的涌 入，原有农业生态系统的结构已发生了变化。生命系统由以绿色植物为主转变为 以人为主，环境系统由于其功能的改变也演化为以矿产资源和交通条件为主。在 矿产资源开发过程中，由于直接挖损、采掘引起地表沉陷和废弃土石堆积等原因， 破坏和占用大量的土地，使绿色植物大幅度减少，动物迁移，耕地面积急剧下降， 农作物减产，并引起大气、水体和土壤的污染。 矿区生态系统一般具有以下特性： ( 1 ) 是以人为中心的生态系统，且该系统的产生、存在、发展和消亡都是按人 的意愿进行的， ( 2 ) 是一个开放型系统，它与整个社会的自然经济社会复合系统息 息相关。因而，既受自然生态规律的支配，又受社会经济规律的支配。 ( 3 ) 系统中的生物群落改变，主要表现在：生产者数量减少，生物性生产下 降；有相当数量的家养动物和一定数量的野生走兽及飞禽，但主要的消费者是人。 ( 4 ) 特殊的能量流动和物质循环，主要表现在：能流与物流是开放式的；需 要大量的辅助能源和辅助物质。 2 1 2 矿区生态环境问题分析 煤炭是我国的主要能源之一。煤炭的开采、加工、运输和利用对矿区的生态 12 彖科技夫学i 科坝i 学他论文f i r 医生态环境评价指枷i 奉累框架 环境造成了严重影响，带来许多，仨态环境问题。矿区_ 二要的生态环境扛可题主要类 型有三类： ( 1 ) 环境污染：矿区废水( 矿井水、洗煤水等) 、污水( 生活污水、医院污 水等) 严重污染了地表水和地下水；废气( 燃煤锅炉、瓦斯抽放、粉尘、炉窑及 矸石山自燃等) 污染矿区大气环境；废渣( 矸石山、炉渣、粉煤灰等) 堆积占地， 有的甚至污染土壤；地面和井下作业时的环境噪声，严重干扰环境，危害人体健 康。 ( 2 ) 生态破坏：地下煤炭被开挖出，破坏了矿区地表植被和土壤，使矿区 周围环境结构与功能发生改变。 ( 3 ) 景观破坏：地表下沉为盆地、矸石山以及工业设施所在地段等都严重 的破坏了原有自然景观。 2 2 对矿区生态环境的界定 本论文研究的内容是矿区生态环境质量评价指标体系的建立、评价的方法等 基础理论，鉴于财力、物力和时间的限制，本论文所研究的矿区生态环境主要针 对矿区的自然生态环境。根据矿区所特有的生态环境问题，本论文将主要从大气 环境、水环境、噪声环境污染和生态破坏( 主要是矿区土地资源和植被的破坏) 几个方面来对矿区的生态环境质量做出评价。 2 3 指标体系建立的原则 l 、针对性原则 指标体系的建立和选择要针对矿区这一特定目标，针对该区域发展中面临的 主要生态环境问题和主要矛盾。 2 、全面性原则 在指标的选取过程中，本论文并不局限于指标是否具有历史统计数据，而是 根据矿区的实际情况，合理、全面的选择指标。此原则意味着指标体系的信息量 既必要又非常充分，由若干指标构成一个完整的指标群。 山东科技人学t 程碳j 学位论义 矿区生态环境计价指标体系框架 3 、实用性原则 指标设计要实用，要适应矿区的经济发展水平、环境统计水平和管理水平。 要考虑指标的量化及数据获取的难易程度和可靠性。 4 、可比性原则 为了便于与相似地区的比较，要求指标数据的选取和计算采取通行的口径和 标准，保证评价指标和结果在横向上具有类比性质。 5 、可操作性原则 计算方法要明确，便于操作，指标设计时必须明确计算方法、表述方法，便 于数字表达和数字计算。 2 4 矿区生态环境质量评价指标体系框架 由前文对矿区生态环境问题的分析和对矿区生态环境的界定，本论文把对矿 区生态环境质量评价的指标体系分为四大指标群，即：矿区大气质量指标群、矿 区水环境质量指标群、矿区噪声指标群、矿区生态质量指标群。指标体系框架如 下图2 1 。 矿区生态环境质姑 评价指标体系框架 矿区 矿区 矿区 矿区 人气质姑指标群厂矿区地表水质茸指标 l 水环境质量指标群1 l 一矿区地f 水质量指标 噪声环境质量指标群r 一矿区土地破坏状况指标 生态质量指标i o 一矿区植被破上1 ：状况指标 图2 - 1 矿区生态环境质量评价指标体系框架 f i g 2 - 1t h ee s t i m a t i n gi n d e xs y s t e mo f t h ee c o l o g ya n de n v i r o n m e n tq u a l i t ya b o u tt h em i n ea r e a 山东科技人学t 程颂十学位论文 矿区大气环境评价指标体系及方法的研究 3 矿区大气环境评价指标体系及方法的研究 3 1 矿区大气污染状况分析 3 1 1 矿区大气污染特征 我国煤矿区的大气污染以煤烟型污染为主要特征，这种类型的污染物主要是 s 0 2 、n o x 、c o 和颗粒物，它们在低温、高湿的阴天，且风速很小并伴有逆温存 在的情况下，次污染物扩散受阻易在低空聚积，生成还原型烟雾。 煤烟型污染的主要污染源是煤的燃烧。煤是我国最重要的固体燃料，它是一 种复杂的物质聚集体，其可燃成分主要是碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的 有机聚合物。煤中也含有多种不可燃的无机成分( 统称灰份) ，其含量因煤的种 类和产地而有很大差异。燃煤是多种污染物的主要来源。与燃油和燃气相比，相 同规模的燃烧设备，燃烧排放的颗粒物和二氧化硫要高很多。图3 - 1 为煤燃烧产 物示意图。 燃烧不完全产物 图3 i 煤燃烧过程的生成物 f i g 3 - 1t h er e s u l t a n td u r i n gt h ep r o c e s so f c o a lb u r n i n g 其中煤的燃烧不完全产物主要是c o 和挥发性有机物。据测定，在煤不完全 燃烧所冒出的黑烟中含有多环芳烃，它们一般都具有致畸、致癌的作用，对人体 危害较大。 3 1 2 矿区大气污染途径 目前我国煤矿自用的煤约1 5 0 0 万吨，几乎都是用本矿原煤直接燃烧。并且 尔科技大学l 程硕 学位论迁州蔓大气珥崦w 价指标体系段方法的讲究 由j 二燃烧设备和民用灶具落后，热效率仪约为2 0 ，低空局部污染相当严重。据 资料统计，煤矿城市比我国北方大城市( 如京津) 污染更重，远远超过国家大气 环境质量标准。一般情况下，矿区煤烟哩大气污染物来源主要有六条途径： ( 1 ) 矿区内工业窑炉、数量众多的小石灰窑、工业及取暖锅炉等，均以煤 为能源，排放出大量的s 0 2 、c o 、c 0 2 和烟尘等污染物。 ( 2 ) 矿区内居民生活燃煤而排放的s 0 2 、c o 、c 0 2 和烟尘等。 ( 3 ) 矿区内的矸石电厂，近年来发展较快，多数由于燃用低劣质煤或矸石， 加上除尘设备不配套，对矿区大气污染的贡献也很大。 ( 4 ) 机动车辆所排放的尾气如n o x 、s 0 2 、c o 、c 0 2 、c h 化合物等。 ( 5 ) 煤炭地面贮、装、运和加工过程中造成的扬尘。 ( 6 ) 矸石山自燃影响大气环境。一方面自燃放出大量的s 0 2 、c 0 2 、n o x 、 c o 、h ! s 等有害气体并且矸石中的有机物在氰化分解过程中还会生成少量的 苯并芘等有害物质，同时伴生大量烟尘，严重污染大气环境。另一方面，矿区内， 有的老矸石山已存放多年，风化较严重，矸石颗粒粉碎，稍有风吹，便尘土飞扬。 3 1 3 矿区大气污染现状 目前我国煤矿的煤烟型大气污染状况仍十分严重，其污染程度相当于发达国 家五六十年代污染最严重时期。 以新汶矿区为例，根据集团公司环境监测站对新汶矿区内“家( 集团公司 所属1 9 家，地方企业2 5 家) 企业所做的调查，这4 4 家企业年耗煤量达3 9 3 2 3 9 t ，年废气排放量达3 5 6 1 0 7 0 8 万n m 3 ，主要有害物质s 0 2 年排放量达1 6 1 4 4 9t ， n o x 年排放量达3 5 8 2 1 5 t ，烟尘年排放量1 2 4 9 6 9 7t o 最主要的污染物依次是s 0 2 、 烟尘、n o x 和c o 。新汶矿区的污染特征是： ( 1 ) 冬季污染程度重于夏季； ( 2 ) 冬季的首要污染物是s 0 2 ，其次是t s p ：夏季的首要污染物是t s p ， 其次是s 0 2 。 这主要是由于新汶矿区在冬季取暖所用的煤量大大增加，而矿区所用煤含硫 量较高，s 0 2 污染较重；而不论冬季、夏季t s p 均污染较严重的原因主要是矿区 1 6 山东科技大学t 程颂i ：学位论文矿区大气环境评价指标体系及方法的研究 矸石风化扬尘，煤炭地面贮、装、运和加工过程中造成的扬尘增加了大气中的总 悬浮颗粒，另外也可能与矿区绿化状况不尽完善有关。同时，由于矿区位于南北 高、中间低向西扩展的山间河谷内，因而影响了空气中污染物的稀释和扩散，这 也是造成矿区内空气污染比较严重的原因之一。 3 2 矿区大气环境质量评价指标体系的建立 3 2 1 矿区大气环境质量评价指标的选取 根据前文介绍的矿区大气污染特征以及指标体系的选取原则，在充分调研和 了解矿区大气污染状况的条件下建立指标体系。在指标要素选取的过程中，采 用的方法主要是专家咨询评判法，即由对指标和矿区状况有较多了解的专家做出 相应选取，在综合各专家意见和建议的基础上，确定指标要素集。矿区大气污染 指标体系如下图3 2 ： 矿区人气质 越评价指标 s 0 2 n 0 2 c o 幽3 - 2 矿区大气污染指标体系结构图 f i g 3 - 2t h es y s t e mo f s t r u c t u r ea b o u tt h ep o l l u t i o ni n d e xi nt h em i n e 矿区大气污染指标体系由颗粒物、气态污染物、放射性污染物三大类指标构成， 每一类又由其分指标组成，整个指标体系共计4 个单项指标。 现对各单项指标的选取详细说明如下： 1 、颗粒物 颗粒物亦即气溶胶状态污染物，常表示为总悬浮颗粒物( t s p ) 、飘尘和降尘。 总悬浮微粒( t s p ) 系指大气中粒径小于等于1 0 0 um 的所有固体颗粒。按粒径 可分为降尘(