（采矿工程专业论文）矿业开发密集地区生态退化综合评价.pdf

河北理l 。学院硕十学伉论文 摘要 本论文对矿业丌发密集地区生态退化情况进行了综合评价，为陔类地区的生态恢 复与重建提供了理论依据，使退化的生态系统得到了最佳的恢复与发展。对于改善矿 业开发密集地区的生态环境具有重要的理论意义和现实指导意义。 本论文主要在以下几个方面进行了探讨，包括矿业开发密集地区生态退化的特 点；生态退化综合评价指标体系的选择及评价方法的研究；矿业开发密集地区生态退 化地理信息系统的研制与开发；针对研究区域退化特点提出了防治对策。 ( 1 ) 矿业开发密集地区生态退化的特点是： 驱动系统退化干扰力远远大于自身的抵抗力；退化的时间短、速度快，退化程度 极为严重；系统恢复能力弱，自然恢复速度慢。 ( 2 ) 论文首次提出了考虑均衡度的灰色关联分析法，并建立了综合评价的指标体 系，对迁安各乡镇由于矿业开发所造成的生态退化进行了综合评价。 ( 3 ) 在调查研究的基础上，以m a p i n f o 为平台，通过把图形数据和属性进行有机 结合，初步建立了矿业开发密集地区生态退化地理信息系统。从而实现了数据的输入、 管理、分析及输出，为进行综合评价和系统分析提供支持和服务。 ( 4 ) 在调查研究及综合评价的基础上，针对研究区域内生态退化的现状，从技术 的角度出发，提出了有针对眭的对策及措施。 一 关键词：密集地区，生态退化，信息系统，评价，对策 ! 里! ! 堡! ：堂堕婴主! 堡堡兰 一一 a b s t r a c t aa l l r o u n da s s e s s m e n tw a sm a d ef o rt h ee c o s y s t e md e g r a d a t i o ni ni n t e n s i v ed i s t r i c t o fm i n i n g ，a n dt h i sm a k eat h e o r yf o u n d a t i o nf o rr e c o v e r ya n dr e s t o r a t i o no fe c o s y s t e mo f m i n i n gd i s t r i c t ，i na d d i t i o n ，i tm a k e t h ed e g r a d e de c o s y s t e md e v e l o pf u l l ya n dr e c o v e r - t h ep a p e ri st h e o r ya n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h ee n v i r o n m e n to f d e n s e m i n i n g d i s t r i c t s t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s ss e v e r a la s p e c t s ：c h a r a c t e ro fe c o s y s t e md e g r a d a t i o no f d e n s em i n i n gd i s t r i c t s ，c h o i c es y n t h e t i c a l l yi n d e xo fe s t i m a t i o na n d r e s e a r c ho nm e t h o do f e s t i m a t i o n ，r e s e a r c ha n dd e v e l o pg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m a b o u td e n s em i n i n g d i s t r i c t s ，a c c o r d i n g t oc h a r a c t e ro f e c o s y s t e md e g r a d a t i o n o fd e n s e m i n i n gt h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dm e a s u r e sf o rt h e m ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co f e c o s y s t e md e g r a d e d i nd e n s em i n i n gd i s t r i c t t h e i n t e r f e r i n gp o w e r i sm u c hh a r d e rt h a nt h er e s i s t a n c eo fe c o s y s t e m ；t h e d e g r a d a t i o no fe c o s y s t e mi sr a p i da n dg r i e v o u s ；t h er e s t o r a t i o np o w e ri sw e a k t ya n d t h e s p e e d o fr e s t o r a t i o ni sv e r ys l o w ( 2 ) t h i sp a p e rp u tf o r w a r d t h eg r a yt h e o r yc o n c e r n i n gb a l a n c ea n df o r m e dt h ei n d e x e s s y s t e mf o rs y n t h e t i ca s s e s s m e n t t h ea s s e s s m e n tw a sm a d e f o rt h ee c o s y s t e md e g r a d a t i o n i ni n t e n s i v ed i s t r i c to f m i n i n gi nq i a n a 1 1 ( 3 ) t h ef i g u r ed a t e sa n dp r o p e r l yd a t e sw e r ec o n n e c t e di no r d e rt os h o wt h ef a c t o r s a b o u te c o s y s t e md e g e n e r a t e d t h em a p l n f oi su s e da n dt h ed a t e sc o l l e c t e da r es a v e d m a n a g e d ，o p e r a t e d ，a n a l y z e da n ds h o w e d a n d t h i sc a l lo f f e rs u p p o r ta n ds e r v i c ef o r s y n t h e t i ca s s e s s m e n t ( 4 ) o n t h eb a s eo fr e s e a r c ha n ds y n t h e t i ca s s e s s m e n tt h e p a p e rp u t f o r w a r dt h e m e a s u r ef o rt h ee c o s y s t e m d e g r a d a t i o n ， k e yw o r d s ：m i n i n ga r e a , e c o l o g i c a ld e g r a d a t i o n ，a s s e s s n l e n t ，i n f o r m a t i o ns y s t e m , m e a s u r e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名 签 岛沁 日期：递l 年上月丝日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：盥日期：咀年土月竺日 f 河北理丁学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 生态退化的主要类型及特点 1 1 1 生态退化的主要类型 1 森林生态系统的退化 森林生态系统的退化是指由于人类活动的干扰( 如乱砍乱伐，盲目开垦及不合理 利用等) 或自然因素( 如火灾、虫害等) ，使原生森林生态系统遭到破坏，从而使其发 生逆与其演替方向发展的过程。 森林生态系统的退化导致先前稳定的物种间的相互关系受到破坏，如阴生植物消 亡、阳生植物侵入，系统中年龄结构改变等这就使系统的稳定性变低，抗干扰能力 下降。由于系统结构的改变，造成了系统中物质循环和能量流动等功能发生相应的变 化。森林生态系统的退化，还使系统中原有的土壤环境及小气候趋于恶化，如土壤有 机质减少、土壤流失、土壤板结以及系统内部温度升高、湿度下降等，这些变化都不 利于原有系统的发展。总之，我国现有森林生态系统的退化现象十分严重，而且还在 迸步加剧森林生态系统的体退化，不仅使系统的功能衰退，而且也是其它生态环 境恶化的根源。采矿作为一个特殊的行业，在挖掘矿产的同时，不可避免的要破坏地 表的一切林木、灌木及草本等植物，所以，采矿对于森林的破坏也非常严重【1 j f 2 3 j 。 2 土地沙漠化【2 】 土地沙漠化是指在干旱多风的沙质地表条件下，由于人为强度活动造成地表出现 以风沙活动为主要标志的土地退化。沙漠化是土地荒漠化的一种，称为土地沙质荒漠 化因此，土地沙漠化的形成主要是发生在脆弱生态环境下( 如戈壁、荒漠、草原等 于早及半干旱地区) 。由于人为活动( 如滥垦、过度放牧等) 或自然灾害( 如于旱、 虫害及鼠害等) 所造成的原生植被的破坏、衰退、甚至丧失，从而引起沙质地表沙丘 等的活化，导致生物多样性减少，生物生产力下降土地生产潜力衰退以及土地资源 丧失的过程。人类活动是沙漠化发生的主要外因，人口的增长增加了对生产的要求， 加大了对现有生产性土地的压力，促使生产边界线推进到濒临潜在沙漠化危险的土 地，农业向“边缘”地区扩展，其结果使潜在沙漠化土地演变为正在发展中的沙漠化 土地 1 9 【2 0 1 。 河北理工学院硕士学位论文 我国是世界上受沙漠化危害最为严重的国家之一，我国现有可能发生沙漠化的地 区的总面积是2 5 6 6 1 0 4 k m 2 ，占国土总面积的2 6 7 。目前，我国沙漠化土地的总 面积是1 6 0 7 1 0 4 k m 2 ，约占国土陆地面积的1 6 7 。有关研究表明，在5 0 7 0 年代 我国沙漠化土地平均每年扩大1 5 6 0 k m 2 ，进入8 0 年代，平均每年增加2 1 0 0 k m 2 ，目 前，沙漠化土地则以每年2 4 6 0 k m 2 的速度发展。由于沙漠化的加重，不仅使我国的经 济蒙受巨大的损失，而且也使得我国人多地少、人退沙进的局面一时无法得到根本的 改观。 3 水土流失 水土流失主要是由于森林和草地的破坏以及人类不合理的垦荒所导致的。水土流 失不仅使表层土壤流失，土壤养分大量流失，从而造成土壤贫瘠化、石化和沙化等土 地退化现象，同时水土流失又引起江河湖泊等水域的淤塞，造成河床的抬升和湖泊 的萎缩，使其行洪泄洪能力降低从而引发洪水的泛滥。因此，水土流失不仅是土地 生产力低的直接原因，而且也是洪灾和旱灾等灾害发生的间接原因，其造成的损失是 十分严重的。最新资料表明，我国目前的水土流失面积达3 6 7 1 0 4 k m 2 ，占我国总面 积的3 8 2 ，而且每年还在以1 0 0 0 0 k m 2 的速度发展。水土流失使我国每年丧失土壤 5 0 亿吨，并带走大量的氮、磷、钾等营养元素，从而导致土地的贫瘠化现象十分严 重i 引。据统计，建国以来，我国由于水土流失而毁掉的耕地达2 7 0 1 0 4 h m 2 ，平均每 年损失约6 1 0 4 h m 2 土地，而我国的人1 ：3 却不断增长，这就使我国的人地矛盾更加日 益突出 1 7 】。 1 1 2 生态系统退化的特点 1 生物多样性变化 随着生态系统的退化，系统的特征种类在生态退化中首先消失，与之共生的种类 也逐渐消失，而系统的伴生物种迅速发展种类增加。物种多样性的数量可能并没有 明显的变化多样性指数也可能并不降低，但多样性的性质发生了变化，质量明显下 降，价值降低，因而其功能也必然衰退。 2 层次结构简单化 复层嵌镶的退化和多种群结构的退化，以及优势种群碎片化、种群结构矮小化等 都导致了生态系统内部层次结构的简单化。 河北理 ：学院硕士学位论文 3 食物网结构变化 一般说来，食物网复杂有利于系统的稳定。而生态系统退化后，有利于系统稳定 的食物网简单化，食物链缩短，部分链断裂甚至解环，单链营养关系增多，种间共生、 附生关系减弱，甚至消失。 4 能量流动出现危机和障碍 这个问题主要表现在系统总光能固定的作用减弱，能量流规模降低，流格局发 生不良变化：能流过程发生变化，捕食过程减弱或消失腐化过程减弱，矿化过程加 强丽吸贮过程减弱：能流损失增多，能流效率降低。 5 物质循环发生不良变化 这种变化主要表现在生物循环减弱而化学循环增强。物质循环过程是元素在活动 库和储库之间不断转移的过程。在储存库中物质，从形式和所在空间都较难进入生命 系统，只有活动库中的物质交换进入生命系统。生物循环主要在生命系统与活动库之 间进行。由于系统退化，层次结构简单化，食物网解链、解环或食物链缩短、断裂甚 至消失，使的生物循环的周转时间变短，周转率降低，因而系统的食物循环减弱，活 动库容量变小，流量变小，生物的生态学过程减弱：地球化学循环主要在环境与储库 中进行，由于生物循环减弱，活动库容量小，相对于正常的生态系统而言，生物难以 滞留相对较多的物质子活动库中，丽存储库容量增大，因而地球化学循环增强。总体 而言，物质循环有闭合向开放转化，同时由于生物多样性及其组成结构的不良变化， 使得生物循环和地球化学循环组成的丈循环功能减弱，对环境的保护和利用作用减 弱，导致生态环境退化。 6 系统生产力下降 系统生产力下降的主要原因在于光能利用率减弱；由于竞争和对资源利用的不充 分，光效率降低，植物为正常生长消耗在克服环境的不良影响上的能量增多，净初级 生产力下降：第一性生产者结构和数量虚勺不良变化也导致次级生产力降低。 7 生物利用和改造环境能力弱化功能衰退 功能的衰退主要表现在固定、保护、改良土壤及养分的能力弱化：调节气候能力 削弱；水分维持能力减弱，地表径流增加，引起土壤退化；防风固沙能力弱化；净化 空气降低噪音能力减弱；美化环境等文化环境价值降低或谩失。这导致生态系统的 退化，在山地系统中尤为明显。 河北理1 学院硕十学位论文 8 系统稳定性差 稳定性是系统最基本的特征，f 常系统中，生物相互作用占主导地位，环境的随 机干扰较小，系统在某一平衡附近摆动。有限的干扰所引起的偏离将被系统固有的生 物相互作用( 反馈) 所抵消，使系统很快回到原来的状态。系统本来是稳定的，但在 退化性同种，由于结构受到破坏，系统内在正反馈机制驱使下系统远离平衡。其内部 相互作用太强以致系统不能稳定下去。 1 2 生态退化研究的现状与进展 前期的生态退化研究主要是以土地退化，特别是土壤退化的研究为主。土地退化 的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。前期的主要研究内容是土壤退化或土壤退化类型划分 及其评价。当然，在土地退化和土壤退化类型划分方面，目前存在着许多不同的划分 方法和体系，国际土地信息参比中心将人为引起的壤退化划分为两太类。一是土壤 物质位移产生的土壤退化；二是土壤性质恶化引起的退化，两大类中又划分为若干个 类型，龚子同将我国的土壤退化划分为土壤侵蚀、土壤沙化、土壤盐溃化、土壤污染 以及不包括上列各项的土壤性质恶化、耕地的非农业占用6 个大类，然后再细分为 1 8 个亚类 6 l 1 引。 全球土地退化的系统评价和监测系统工作从上世纪7 0 年代末起，也在不断开展。 1 9 7 5 年联合国环境规划署( u n e p ) 和联合国粮食与农业组织( f a o ) 就开始协作探 讨评价土壤退化的方案。并首先在中东和赤道以北的地区进行研究，通过实验室分析、 野外调查和遥感监测等多方面的研究，确定土壤退化的程度以及存在的潜在危险。8 0 年代，随着g i s 技术的广泛应用，土地规划工作者也开始利用g i s 研究土地退化与 土地利用和发展目标等的关系。 生态退化的研究是近些年来才逐渐发展起来的。由于全球问题的出现导致了全 球性的各类生态系统的破坏和瓦解，而且不仅仅局酿于某一个生态要素，而是生态系 统结构和功能的整体退化，因此，仅对单一生态要素的退化的研究已不能满足实际的 需要，而应在生态系统的层次上特别是要在人类和自然复合生态系统的层次上加以 研究。 生态退化近期的研究除了仍保持土壤退化、土地退化、沙漠化等传统的研究领域 外，其研究范围日益拓展，侧重点也有所变化，即以大尺度地域生态系统的整体性研 河北理i ：学院硕士学位论文 究，和生物的生存与保护为主体是近期的特色。目前，生态退化研究主要集中在为全 球变化、生物多样性丧失和保护、全球土地利用与被覆状况的改变、脆弱生态环境及 其整治、生态系统健康等方面，为了与国际研究同步，我国在这方面的工作也在不断 开展，近些年我国陆续建起了全球变化陆地样带和中国生态系统研究网络等一系列生 态监测站点和网络。“八五”期问，中国科学院等有关单位丌展了生态环境综合整治 与恢复技术研究，研究地域包括农牧交错带、风蚀水蚀交错带、沙漠向绿洲的过渡带、 红壤丘陵、岩溶山区和干热河谷。研究的问题涉及到土地沙化、水土流失及其他退化 土地的治理：矿山开发后生态环境的综合整治( 包括土地复垦、环境污染的治理、废 弃物和回收和综合利用技术的研究等) ：生物多样性的保护技术研究；以及脆弱生态 环境的形成及贫困山区自然资源的综台开发利用技术的研究等，在这些方面已取提了 初步的成就 2 1 l 。 1 _ 3 矿业开发密集地区生态退化研究现状 我国9 5 以上的能源、s 0 以上的工业原料。7 0 以上的农业生产资料都来自 矿产资源。矿石采掘量仅次于俄罗斯和美国，成为世界第三大矿业国家1 3 1 4 1 。可是， 矿产资源开采给人类提供资源的同时，也给矿区带来了一系列的生态环境问题。 由于采矿生产使矿山生态结构破坏，生态功能丧失或降低生态环境恶化生态 平衡受到破坏。采矿造成地表的挖掘破坏或塌陷崩落；地下水位下降：露天矿边坡失 稳或滑坡：矿山排出的三废使地表植被破坏，耕地废弃，河流淤积污染地下水资源， 土壤沙化，水土流失；采矿过程排出的粉尘、有毒有害气体也导致附近农业用地减产， 并污染土壤。更为严重的是，矿山开采将导致数倍于开采面积的区域发生根本变化。 据统计我国平均每年因矿业生产活动在陆地表面搬动运移的岩土量达3 2 5 亿吨， 平均每人每年扰动25 吨岩土。矿业是除农业外扰动土地最多的彳亍业( 表1 1 ) ，如用 级别来定量表示各行业对生态施加综合影响的强度，则矿业对生态的影响居于首位 ( 表】2 ) f 9 一i i 】。 表1 1 不同行业对生态的影响程度 t a b l e1 1t h ei n f l u e n c et ot h ee c o l o g y v o c a t i o n 表1 2 中国每年扰动的土壤和岩石总量 t a b l e1 , 2t h e g r o s so fs o i la n dr o c ko f d i f f e i v n t d i s a r r a n g e di nc h i n aa n n u a l 河北理工学院硕士学位论文 行业影响强度 采矿业 化学和石油加t 业 冶金 燃料能源 建筑业 纸浆造纸业 运输业 扰动餐( 亿f ) 农业 矿业 牧业 基础设施 林业 城市建殴 总量 在这些受破坏的脆弱的生态系统中，对矿区生态系统的退化的研究应当给予高度 的重视。目前，矿区生态系统的研究已经成为我国生态退化研究领域的一个重要组成 部分，并且在大矿区退化生态系统的研究方面取得了一定的成就。 然而，我国国内对于在矿业丌发密集地区，由于矿业开发所造成的生态退化问题 还未有研究。我国是一个矿业大国，有许多的矿业发达地区。而在这些地区中又有很 多是矿业开发密集地区，对于这类地区的生态退化问题还有待研究。 姗 抛 m 4 8 5 4 1 0 0，i 河北理1 学院顶十学位论文 第二章研究内容概述 2 1 研究的目的和意义 2 1 1 研究目的 本课题的研究目的就是在详细调研的基础上，分析矿业开发中对生态环境造成的 影响和破坏的现状，总结矿业开发对生态环境破坏帮影响的方式、程度及其变化规律， 研究矿业开发密集地区生态退化的特点、程度及现状，优化选择评价指标体系及评价 方法，并以迁安市为例进行综合评价。建立矿业开发密集地区生念退化信息系统，未 进行综合评价提供支持和服务。 2 1 2 研究意义 我国是一个矿业大国，且矿山分布相对集中。多年来，矿韭发展给生念环境造成 了很大的影响和破坏。近年来，人们越来越关注矿业开发与矿区生态关系的研究。而 对于许多矿山相对集中的矿业开发密集地区的生念退化问题还没有迸行研究，所以 本论文立足生态，对矿业开发密集地区生态退化问题进行研究。 在许多地方，矿产资源开发在经济腾飞做出巨大贡献的同时，也带了严重的生态 环境问题，致使区内生态系统退化，生态平衡破坏，生态功能丧失，生态环境恶化， 如何使矿业开发实现可持续发展，如何协调矿业开发与环境保护的关系，这便成了摆 在人们面前而亟待解决的问题。该论文将对区内生态环境退化程度、规模、现状和规 律及防治对策作详细研究，我国对区域及矿区生态退化及防治对策作了大量的研究工 作，但多集中在大区域或大型煤炭矿区或大型矿山，对某个区域从生态角度对其进行 综合研究这还是首次，该研究成果完成后，可在河北及全国范围内推广，该成果的推 广将使矿区乃至整个地区的生态环境有明显的改善，因而具有广泛的生态效益和社会 效益。 河北理2 1 ：学院硕士学位论文 2 2 理论依据 2 2 1 生态系统理论 世界著名生态学家e p 奥德姆认为，生态系统就是一定空间内生物和非生物成分 通过物质的循环，能量的流动和信息直勺交换而相互作用、扭互依存所构成的生态学功 能单位。自然界包含多种多样的生态系统，按空间环境性质生态系统可划分为淡水生 态系统、海洋生态系统和陆地生态系统。按人类的影响大小生态系统又可划分为自然 生态系统和人工生态系统。当然，再细分还有森林生态系统、草原生态系统、沼泽生 态系统、农田生态系统、高山生态系统、海洋生态系统等。 一个生态系统在空间边晁上是模糊的，也就是说，它在大小上是不确定的，其空 间范围在很大程度上根据人们的研究对象、研究内容、研究目的或地理条件等因素而 确定。矿区生态退化研究面甸的就是整个矿区生态系统。 矿区生态系统是一个特殊的生态系统，它往往是在对原有的生态系统进行了一定 程度的破坏之后建立起来的。它采取原生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，削弱原系统的抗干扰能力，甚至导致瘫痪崩溃。 矿区开发后一随着物质流、能量流、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，由于直接挖掘引起地表沉陷和废弃土石堆积等原因，破环和占用大量的土地，使 绿色植物大幅度减少，动物迁移，耕地数量急剧下降，农作物减产，并引起大气、水 体和土壤的污染。 矿区生态系统的一般特征： ( 1 ) 它是一个以人为中心的生态系统，且该系统的产生、存在、发展和渭亡都是 按人的意愿进行的。 ( z ) 它是一个开放型系统，它和整个社会的自然、经济和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影响。 ( 3 ) 系统中的生物群落发生了改变，主要表现在：生产者数量减少，净初级生产 力下降；第一性生产者结构和数量的不良变化也导致次级生产力降低在系统中，主 要的消费者是人。 河北理工学院硕士学位论文 ( 4 j 。特殊的能量流动和物质循环，主要表现在：能量和物旋是开放式的；需要大 量的辅助能源和辅助物质。 2 2 2 生态退化理论 生态环境退化是指由于人类对自然资源过度以及不合理利用藕造成的生客系统 结构破坏、功能衰退、生物多样性减少、生物生产力下降以及土地生产潜力衰退、土 地资源丧失等一系列生态环境恶化的现象。 生态退化实际上是一个生态系统在超载干扰下的一个逆向演替过程。这种干扰的 根本驱动力就是入。而矿区生态系统币是典型的受人为干扰而退化的生态系统。 与成熟的生态系统相比，退化生态系统表现出以下特征： ( 1 ) 在系统结构方面，退化生态系统的物种多样性、尘化物质多样性、结构多样 性和空间异质性低。 ( 2 ) 在能量学方面，退化生态系统的生产量低，系统储存的能量低，食物链多为 直线状。 ( 3 ) 在物质循环方面，退化生态系统中总有机质存储少，矿质元素较为开放，无 机营养元素多储存在环境库中。 ( 4 ) 在稳定性方面，由于退化生态系统的组成和结构单一，生态联系和生态学过 程简化，退化生态系统对夕 界干扰显得较为脆弱和敏感，系统的抗_ 遵能力和自我恢复 能力较低。 表2 1 退化生态系统与成熟生态系统之比较 t a b l e2 ，l c o m p a r i s o n b e t w e e n d c g e n e r 矗t i v ee c o s y s t e m 勰dm a t u r e 钟o s y s t c r n 河北理一i 学院硕十学位论文 2 。2 3 恢复生态学理论 恢复生态学是研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术与方 法、生态学过程与机理的科学( 余作岳等，1 9 9 6 ) 。国际恢复生态学会( s o c i e t yf o r e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ) 曾先后提出三个定义：生态恢复是修复被人类损害的原生生 态系统的多样性及动态的过程( 1 9 9 4 ) ：生态恢复是维持生念系统健康及更新的过程 ( 1 9 9 5 ) ；生念恢复是帮助研究生态整合性的恢复和管理过程的科学，生态整合性包 括生物多样性、生态过程和结构、区域及历史情况、可持续的社会实践等广泛的范围 ( 1 9 9 5 ) 吐 退化生态系统的恢复与重建要求在遵循自然规律的基础上，通过人类的作用，根 据技术上适当，经济上可行，社会能够接受的原则，使受害或退化生态系统重新获得 健康并有益于人类生存与生活的生态系统重构或再生过程。生态恢复与重建的原则一 般包括自然法则、社会经济技术原则和美学原则 4 】o 自然法则是生态恢复与重建的基本原则，也就是说，只有遵循自然规律的恢复重 建才是真正意义上的恢复与重建，否则只能是背道而驰，事倍功半。 社会经济技术条件是生态恢复与重建的后盾和支柱，在一定尺度上制约着恢复重 建的可能性、水平与深度。 美学原则是指退化生态系统的恢复重建应给以人们美的享受【2 2 1 。 矿区生态系统是一个典型的退化生态系统，要对其进行研究，就要灵活运用各种 理论知识，把它们进行有机结合，综合考虑实际情况，充分发挥理论的正确指导作用。 通过研究与实践，尽快恢复生态系统的结构，从而恢复其功能，实现生态、经济、社 会和美学效益的统一。 河北理i ：学院硕士学位论文 2 _ 3 研究内容 2 3 。1 研究区域生态退化现状 通过现场调查，在搜集大量数据的基础上，对研究区域内出于矿业开发所造成的 矿区生态退化的方式、程度、类型及现状进行总结。并对矿业开发对矿区生态环境的 破坏以及相应的防治对策进行系统的研究。从而对该区域内矿业开发对生态环境破坏 和影响的方式、程度及其变化规律形成全面的认识。 2 3 2 生态退化综合评价指标体系及评价方法的选择 为了对研究区域内由于矿业开发所造成的生态退化现状有一个直观、全面的了解 和认识，本论文首先选择了9 个评价指标，建立了评价指标体系。并运用考虑均衡度 的灰色关联分析法，以迁安市为例，对区域生态退化进行了综合评价。 2 3 3 建立矿业开发密集地区生态退化信息系统 为了更形象直观地显示、分析与研究区域生态退化相关的因素，我们把地理要素 和属性数据结合起柬，运用地理信息系统( g i s ) ，以m a p l n f o r 为平台，对调查收集 到的数据进行存储、管理、搡作、分析及显示。为进行综合评价和进行系统分析提供 支持和服务， 2 3 4 研究制定矿业开发密集地区生态退化防治及重建对策 矿业开发密集地区生态退化研究的最终目的是要对已经退化的矿区生态系统进 行恢复与重建，这就需要在评价的基础上，进行对策研究，制定出有针对性的切实可 行的对策。 2 4 研究方法 2 4 。1 资料收集整理 从矿业开发和对生态影响和破坏的角度出发，对唐山北部遵化、迁西、迁安三县 矿业开发及生态退化的相关情况进行了丈量的谓查工作。特剐是对些大豹矿山和矿 点密集地区，通过现场调查，搜集到了大量翔实的手资料，并根据研究需要进行了 数据资料的整理。 河北理一学院硕十学位论文 2 4 2 评价方法 从矿区实际及评价的需要出发，本论文提出并应用考虑均衡度的灰色关联分析法 对矿业开发密集地区生态退化情况进行综合评价。该评价方法的优点在于考虑关联度 的同时，还考虑了各个指标的均衡度。各个指标的权系数用层次分析法确定。 2 4 3 运用地理信息系统工具 以m a p i n f o 为平台，把图形数据与属性数据相结合，建立矿区生态退化信息系统。 其目的在于对收集到的数据进行存储、管理、操作与分析，从而为进行数据查询及综 合评价提供支持和服务。 河北理1 。学院硕十学伉论文 第三章矿业开发密集地区生态退化综合评价 矿业丌发对区域经济的发展作出了巨大的贡献但同时也引起了矿区生态环境不 同程度的退化，为了更好的对其进行恢复与重建，必须对退化情况进行综合评价。因 此，生态退化评价具有重要的意义。 3 1 生态评价原则 ( 1 ) 可持续性原则；我们研究的目的是要保护矿产资源和矿区生态环境的功 能，矿产资源是人类社会经济发展的重要的原材料基础。保护好矿产资源和矿区的生 态环境对于矿区以及人类社会的发展具有非常重要的意义。因此，评价中应该用科学 的观点，从可持续发展角度认识评价的意义。 ( 2 ) 科学性原则：要遵循矿区生态学和生态环境保护的基本原理。从可持续 发展战略出发。生态评价的主要目的和根本任务是保持生态系统的环境功能，满足区 域可持续发展对生态环境的要求。要提高评价的有效性，首先必须使评价具有科学性， 即要使评价建立在矿区生态学基本原理的基础上遵循生态学基本规律，反映矿区环 境的客观实际和按矿区生态环境固有特点采取相应的对策措施。 ( 3 ) 针对性原则：针对性是进行矿业开发密集地区生态退化评价的重要原则。 这是由区域生态环境的地域差异性决定的。针对唐山地区矿业开发活动以及受影响的 矿区环境的特点，进行卓有成效的分析和评价是有重要意义的， ( 4 ) 协调性原则：综合考虑区域环境与社会、经济的协调发展。矿业密集地 区是自然经济一社会复合系统中的重要组成部分，矿区的经济效益和环境效益直接 影响当地的协调发展。促进矿区环境与当地经济的侨调发展是进行矿区生态逼化评价 的目的。同时可以使矿区环境评价提出的措施得以实施，为唐山矿区的生态建设提出 有益的建议。 3 2 矿业开发密集地区生态退化评价指标熔系的建立 3 2 1 指标选择原则 对一事物进行评价，指标体系的建立是其首要和关键的一步。建立的好坏直接关 河北理1 ：学院硕士学位论文 系到评价的精确性和科学性。对不周的区域以及不周尺度的生态系统而言，对退化指 标的选取和要求也是不同的，为了评价的准确性、客观性，在建立生态退化指标体系 时，应遵循以下原则： ( 1 ) 整体性原则 ( 2 ) 指标概括性原则 ( 3 ) 指标的动态性原则 ( 4 ) 定性指标与定量指标相结合的原则 ( 5 ) 评价指标体系的层次性原则 3 2 2 评价指标的选取 矿区作为一个独特的生态系统，要对它的环境退化情况进行评价，选取的指标在 考虑以上原则的同时，必然有其自身的特点。本论文在查阅大量资料以及现场调查的 基础上，选取的评价因素有： ( 1 ) 土地破坏因素：占地是矿业丌发对生态环境造成破坏的直接表现，进行采 矿活动就必然要占用和破坏土地，并且同时破坏掉原有的植被和景观。所以占地因素 的选取同时考虑了植被的破坏。该因素包括的评价因子有：采场占地面积。排土场占 地面积尾矿占地面积。 ( 2 ) 生态恢复因素：土地复垦是恢复被破坏的土地使其重新具有某种实用功能 的活动。是人类对已破坏环境的补救和改造的活动。从目前的情况来看，虽然矿山土 地复垦工作有一定的局限性，存在着一些问题，但对于改造和利用被破坏的土地确实 具有非常重要的意义，并且很多矿山已经取得了良好的效益，积累了相当的经验。该 因素中包括的评价因子有：已复垦面积。 ( 3 ) 土壤因素：对人类而言，土壤是生命和健康的基础，质量好的土壤是净化 空气和水环境的过滤器。是有机废物分解与解毒及植物养分循环的最终受体和孵化 室。土壤及其土壤特性在持续生产体系中的作用越来越被人们所认识。矿区土地评价 是矿区生态评价的重要组成部分，它可以为土地复垦、土地利用规划及复垦工程设计 提供基础数掘，在本次评价中，土壤因素包括的评价因子有：有机质，速氮，速磷 速钾。 ( 4 ) 水污染因素：在矿区内，矿山排水主要指的是企业选矿废水的排放。铁矿 河北理i 学院硕七学位论文 山选矿废水对环境的主要污染是排放到河流中悬浮物。而河中的悬浮物则会对下游的 农业及养殖业造成一定的影响。据调查每选一吨铁矿石，需要用水5 吨左右。该评 价因素的评价因子是矿山废水排放量。 ( 5 ) 景观破坏因素：矿山开采在破坏生态的同时，必然改变原有的地物和地貌， 破坏原有自然景观的一致性和协调性造成严重的景观破坏。本论文选取的景观破坏 的评价指标为景观破坏级别。因为景观破坏的程度是定性的，而不是定量的，所以首 先要把定性的指标定量化。我们把景观破坏按程度的高低分为5 个级别，每一级赋以 一个数值，程度越严重，数值越大，见表3 1 。 表3 1 景观破坏情况与评价值 t a b l e 3it h el a n d s c a p ed e s u n _ l c t i o nl e v e la n da s s e s s m e n tv a l u e 景观破坏情况赋值 景观破坏严重9 景观破坏较严重7 景观破坏一般严重5 景观醴坏较轻3 景观破坏很轻1 河北理r 学i 觉硕十学位论文 圈3 ，l 迂安矿区生态退化评价指标体系 f i g3 1t h ei n d e xs y s t e mf o ra s s e s s i n gd e g r a d i n ge c o s y s t e m i nq i a n l a l lm i n i n g 3 3 评价方法的选取 矿区生态系统是一个条件复杂且不断变化的动态系统，影响区内生态系统质量的 因素很多，有很多因素是不完全性和非确知性的，也就是说矿区生态系统具有一种更 为深刻广泛的特性灰色性这种系统的灰色性不仅包含随机性和模糊性还包含了 这两种不确定性以外的系统的更为广泛的特性综合考虑，同时为了考虑各指标的均 衡程度，本论文提出并应用考虑均衡度的灰色关联分析法，对迁安矿区内各乡由于矿 业开发所造成的生态退化情况进行评价【4 2 】。 3 4 灰色关联分析法 灰色系统理论是在二十世纪八十年代忉由华中理工大学邓聚龙教授提出并建立 的。之后。灰色系统理论得到了较深入的研究，并在很多方面获得了成功的应用【“。 灰色系统理论认为，人们对客观事物的认识具有广泛的灰色性，即信息的不完全性和 不确定性。因而由客观事物所形成的是一种灰色系统，即部分信息已知，部分信息未 知的系统。比如社会系统、经济系统、生态系统等都可以看作是灰色系统人们对综 合评价的对象安评价事物的认识也具有灰色性，因而可以借助灰色系统的相关理 论来研究综合评价问题【4 5 】。 获色关联分析是根据灰色系统内部各因素之间发展态势的相似或相异程度来衡 量因素之间关联程度的一种方法。与传统的相关分析有所不同，它不受样本量、典型 分布等的限制。坎色关联分析是通过对灰色系统中有限数据序列的分析，寻求系统内 部诸因素间的关系。找出影响目标值的主要因素，进而从总体上把握系统动态运动的 规律。关联系数和关联度是描述系统各因素之间相巨关系的主要参数，它可从整体上 或动态上定量分析事物之间的关联程度和影响程度为确立事物发展变化的主要因素 提供数量依据【4 引。即根据系统动态过程发展态势，也就是有关统计数据的几何关系 极其相似程度，来判断其关联程度，认为各个统计数据列所构成的曲线形状越接近， 则变化态势越接近，关联度就越大| 4 ”。 河北理1 ：学院硕士学位论文 3 4 1 确定比较序列和最优序列 在进行灰色关联分析时首先要指定参考数据列，通常已为xo ( k ) 即石o ( k ) = x0 ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，粕( 1 3 ) 。 设与参考序列鄢( k ) 进行比较的数据列有m 个，每个数据序列( 方案) 有n 个 因素( 指标) ，则这些比较数据列可记为x 1 ( k ) ，x 2 ( k ) ，z 。( k ) ( k = l ， 2 ，月) 。其中参考方案数据列勒( k ) 的各项指标值是从各比较方案的指标数据 列中选出的最优值，由此而组成最优的参考数据列。 在矿区生态退化评价指标之中，有的值是越大越好而有的值则是越小越好。对 于前者，数据列中取其最大值为最优值；后者，则取其最小值为最优值。 3 4 2 数据的无量纲化处理 在非时间序列中，同一序列往往有许多不同的物理量，它们的取值单位一般来说 也各不相同，且其数值大小相差过分悬殊，为避免非等权情况，必须对原始数据进 行无量纲化处理。对非时间序列数据无量纲化的方法有均值法和初值法等f 4 8 1 。本论 文采用初值化法。即以参考序列中的最优值为初值进行无量纲化，其具体计算方法如 下： 当指标值为越大越好时，则以最大值作为最优值，这时，考虑效果测度( 采用 定的对策处理一定事件的效果) ，以上限效果测度作为衡量方案相对优劣的指标，上 限效果测度的函数式如下： y1 = u j u i 。，u 0 u m x ( 3 一1 ) 式中yt 一上限效果铡度： u j 一白化后第i 个决策目标，第j 个方案的目标函数的值； u 。一第i 个决策目标各方案的最大值。 当指标值越小越好时，则以最小值为最优值。这时，则以下限效果测度作为衡量 方案相对优劣的指标。下限效果测度的函数式如下： ，f = u i m 协u ，1 ，u 1 u i m m ( 3 2 ) 式中yr 一下限效果测度； u 。一第i 个决策目标各方案的最小值； 其它符号同上式。 河北理【：学院硕士学位论文 3 4 。3 关联系数计算 对于一个最优数据列x o ( k ) ，有若干个比较方案数序列x ( k ) ，x2 ( k ) ， x 。( k ) ，第i 个比较数据列与最优数据列在对应第k 个指标的相对差，即关联系 数，可以表示为： = 雩桨并篇鬻黑裂 c 。q ， 董“”2 莨而丽青面毒# 葡丌一 ( 3q 式中，舌。( 七) 是比较序列( x i ) 第k 个元素x i ( k ) 与参考序y i j x o 相应元素x o ( k ) 的 相对差值，称为( x ) 对 x o ) 在第k 个元素上的关联系数。p 称为分辨系数，它的大 小可以控制m a x m a x i x 。( k ) 一x ，( k ) l 对数据转化的影响，p 取较小的值，可以提高关联 系数间差异的显著。陛。尸的取值范围在0 和l 之间，通常令p = 0 5 。 3 4 4 评价指标权系数的确定 权系数如何确定，对方案的评价结果具有举足轻重的作用。权系数的差异会直接 影响到评价结果的不同。由于权系数往往是由人为确定的因此常常带有主观随意性， 影响评价结果的客观合理性。为了尽量合理地确定权系数，本论文采用层次分析法柬 确定方案评价中各指标的权重 4 6 1 。 层次分析法简称a h p 方法。是2 0 世纪7 0 年代初由美国运筹学家匹兹堡大学教 授t l s a a t y 提出。这种方法的优点是定性与定量相结合，具有高度的逻辑性、系统 性、简捷性和实用性是针对大系统中多层次、多目标规则决策等问题的有效决策方 法。 a h p 法的基本原理是把所要研究的复杂问题看作一个大系统，先通过对系统的 多个因素的分析，划分出各因素间相互联系的有序层次；再请专家对每一层次的各因 素进行较客观的判断后，相应给出相对重要性的定量表示；进而建立数学模型，计算 出每一层次全部因素的相对重要性的权值，并加以排序；最后根据排序结果进行规划 决策和选择解决问题的措施。 假设对某一规划决策目标u ，影响因素有p ，( 滓i ，2 ，n ) 共r 1 个，且p 的重要性权数分别为w i ( i 1 ，2 ，n ) 。其中 彬= 旧+ 暖+ + 雕) = 1 河北理t 学院硕十学位论文 w ， o u = 磁只= k 冀+ 只十+ k e j 2 【 由于因素p i 对目标u 的影响程度即重要性权数w 。不