孫灝副教授團(tuán)隊(duì)：基于壓力–狀態(tài)–響應(yīng)模型和多源遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——以高頭窯煤礦為例

創(chuàng)新點(diǎn)

礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)旨在評(píng)估礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的可能性及其強(qiáng)度。該評(píng)價(jià)對(duì)于環(huán)境問題預(yù)測(cè)、預(yù)防、生態(tài)保護(hù)策略制定及礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)有相關(guān)研究所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)獲取相對(duì)困難，不利于動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本文采用“壓力?狀態(tài)?響應(yīng)”模型和多源遙感解譯方法，建立了一種遙感與地理信息驅(qū)動(dòng)的礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框架。該評(píng)價(jià)框架中壓力指數(shù)包括距采空區(qū)距離、溝壑密度等，狀態(tài)指數(shù)包括生態(tài)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能等，響應(yīng)指數(shù)包括土地復(fù)墾規(guī)劃分布等。本研究最終以高頭窯煤礦為例，成功實(shí)現(xiàn)了 10 m分辨率的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布評(píng)價(jià)，通過與單一指標(biāo)綜合比較、與未開采時(shí)期的生態(tài)服務(wù)功能比較、以及與實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)比較表明，本文評(píng)價(jià)結(jié)果與礦區(qū)實(shí)際情況具有較高的一致性。本文構(gòu)建的礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，數(shù)據(jù)易于獲取且操作簡(jiǎn)便，在業(yè)務(wù)化、動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面具有較大應(yīng)用潛力。

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基于壓力–狀態(tài)–響應(yīng)模型和多源遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——以高頭窯煤礦為例

作者：石燕^1,2, 孫灝^1,2, 崔希民^1,2, 蔣金豹^1,2, 吳瑞翔^1,2, 王超群^1,2

單位：1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 內(nèi)蒙古研究院；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院

引用格式：

石燕，孫灝，崔希民，等. 基于壓力?狀態(tài)?響應(yīng)模型和多源遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)?以高頭窯煤礦為例[J]. 綠色礦山，2025，3(1)：51?62. SHI Yan，SUN Hao，CUI Ximin，et al. Ecological risk assessment of mining area based on pressure-state-response model and multi-source remote sensing data: A case study of Gaotouyao Coal Mining area[J]. Journal of Green Mine，2025，3(1)：51?62.

摘要

礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)旨在評(píng)估礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的可能性及其強(qiáng)度。該評(píng)價(jià)對(duì)于環(huán)境問題預(yù)測(cè)、預(yù)防、生態(tài)保護(hù)策略制定及礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)有相關(guān)研究所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)獲取困難，不利于動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本研究以高頭窯煤礦為例，采用“壓力–狀態(tài)–響應(yīng)”模型和多源遙感解譯方法，建立了一種礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框架，其中壓力指數(shù)包括距采空區(qū)距離、溝壑密度等，狀態(tài)指數(shù)包括生態(tài)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能等，響應(yīng)指數(shù)包括土地復(fù)墾規(guī)劃分布。結(jié)果表明，評(píng)價(jià)層權(quán)重為壓力0.68、狀態(tài)0.2、響應(yīng)0.12，壓力指標(biāo)為主導(dǎo)；實(shí)現(xiàn)了10 m分辨率的高頭窯礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明宏觀上中部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，礦區(qū)周邊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低；與單一指標(biāo)綜合比較、與未開采時(shí)期的生態(tài)服務(wù)功能比較以及與實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)比較表明，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況具有較高的一致性。研究發(fā)展的技術(shù)框架有助于礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)評(píng)估。

引言

礦區(qū)包括若干礦井或露天礦的區(qū)域，有完整的生產(chǎn)工藝、地面運(yùn)輸、電力供應(yīng)、通信調(diào)度、生產(chǎn)管理及生活服務(wù)等設(shè)施。礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在礦區(qū)范圍內(nèi)描述和評(píng)估人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及其組分產(chǎn)生不利影響的可能性和大小的過程。這一過程對(duì)于預(yù)測(cè)潛在環(huán)境問題、預(yù)防其發(fā)生、指導(dǎo)制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)策略，以及促進(jìn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和綠色礦山發(fā)展理念的日益重視，礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為環(huán)境管理和決策支持的關(guān)鍵工具。當(dāng)前，礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)面臨的挑戰(zhàn)包括生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、風(fēng)險(xiǎn)因素的多樣性以及生態(tài)環(huán)境變化的不確定性。因此，評(píng)價(jià)工作需要構(gòu)建一個(gè)多指標(biāo)的生態(tài)評(píng)價(jià)體系，綜合運(yùn)用遙感監(jiān)測(cè)、GIS空間分析、模型模擬等現(xiàn)代技術(shù)手段對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以確保評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和實(shí)用性。

礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的研究進(jìn)展主要集中在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論與方法的構(gòu)建、風(fēng)險(xiǎn)源和受體的識(shí)別與分類，以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型與技術(shù)方法的發(fā)展上。近期的研究成果顯示，研究者們遵循客觀性、整體性、層次性和可比性原則，構(gòu)建了更為全面和科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該體系旨在量化多風(fēng)險(xiǎn)源與多風(fēng)險(xiǎn)受體和多種評(píng)價(jià)終點(diǎn)(即生態(tài)效應(yīng))之間的交互作用 ，并評(píng)估礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)單元之間的暴露與危害作用關(guān)系。如張思鋒等基于礦區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)受體及多種生態(tài)效益，采用生態(tài)梯度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法構(gòu)建一個(gè)包含采空塌陷、土壤質(zhì)量破壞、大氣污染、水資源量損失、水資源污染、植被枯死等多指標(biāo)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)榆林煤炭開采區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)；楊瑞等采用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因果鏈模型，建立以自然地理、礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、土地?fù)p毀情況和生態(tài)敏感度4個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以研究井工開采活動(dòng)造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題，最終得出該區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)結(jié)果；郭淑慧基于“壓力?狀態(tài)?響應(yīng)”(PSR)模型構(gòu)建以花垣縣礦區(qū)人均收入、開發(fā)利用水平、廢水排放量、廢棄物排放量等多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)花垣縣礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。目前生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)中，多指標(biāo)的融合方法有綜合指數(shù)法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、物元評(píng)判法、主成分投影法等。以上每種方法都有其特定的適用條件以及各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。鑒于研究的實(shí)際操作性和執(zhí)行效率，在完成指標(biāo)數(shù)據(jù)的量化處理后，選擇了廣泛應(yīng)用于實(shí)際并得到普遍認(rèn)可的層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)來確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。隨后，依據(jù)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。

現(xiàn)有礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中，部分指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取非常困難，很難通過遙感或地理信息數(shù)據(jù)替代。此外，很多評(píng)價(jià)指標(biāo)體系未充分考慮生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和服務(wù)功能，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相對(duì)片面?，F(xiàn)有指標(biāo)體系業(yè)務(wù)化執(zhí)行能力較弱，不利于動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。為了克服上述局限，筆者基于多源遙感數(shù)據(jù)以及礦區(qū)實(shí)際開采情況，利用SPR模型從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3方面建立礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用層次分析法對(duì)礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。PSR模型從人類系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用、相互影響的角度出發(fā)，對(duì)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分類和組織，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性。多源遙感數(shù)據(jù)的使用也大大減輕了指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的困難，因而，本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)框架可用于礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)評(píng)估。

部分圖片

圖 1 高頭窯礦區(qū)土地覆蓋類型及開采區(qū)分布

圖 2 高頭窯礦區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖 3 礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估操作流程

圖 4 壓力指標(biāo)分級(jí)

圖 5 狀態(tài)指標(biāo)分級(jí)

圖 6 響應(yīng)指標(biāo)分級(jí)

圖 7 2023年高頭窯礦區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布

圖 8 綜合結(jié)果和各指標(biāo)相關(guān)性熱圖

圖 9 2022年、2023年現(xiàn)開采區(qū)SCE空間變化分析

圖 10 實(shí)地勘探高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)各地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)拍攝圖

通訊作者

孫灝（1986—），男，安徽太和人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）副教授、博導(dǎo)、越崎青年學(xué)者，兼任《遙感學(xué)報(bào)》《煤炭學(xué)報(bào)》《自然資源信息化》青年編委、北京地理學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)副主任、中國(guó)遙感應(yīng)用協(xié)會(huì)熱紅外遙感專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)礦山測(cè)量專業(yè)委員會(huì)等委員。

研究方向

土壤與植被參量遙感反演、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用

主要成果

近年來主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題1項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金等省部級(jí)科研項(xiàng)目2項(xiàng)，主持其他企事業(yè)單位委托科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。在Remote Sensing of Environment、Journal of HydrologyIEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、《煤炭學(xué)報(bào)》、《遙感學(xué)報(bào)》等高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，已授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)。榮獲中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)4項(xiàng)，北京市高等教育教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等教學(xué)獎(jiǎng)6項(xiàng)。曾獲龍軟科技教師貢獻(xiàn)獎(jiǎng)“優(yōu)秀青年教師”榮譽(yù)稱號(hào)。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨黃小雨

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為：CN10-1912/TD，ISSN號(hào)：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評(píng)價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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