研究区位于焦作市中东部地区以及新乡市西南部地区,地理坐标为东经113°13'—113°34',北纬35°11'—35°27',研究区总面积为354.66 km²,跨一市一县二区,135个行政村,采矿历史悠久,尤其是在20世纪60年代和70年代。焦作煤矿多年来在国内创造了煤矿的安全性,成本和效率等多项第一。从1990年之后开始进入衰减阶段,小马矿和冯营矿已先后关闭,中马矿,韩王矿山和演马矿山等其他矿山也已枯竭。

焦作煤矿为社会经济发展做出了重大贡献,但同时也带来了巨大的损失。其中最严重的是对土地资源的破坏,例如地面塌陷、挖掘和压占,其中损毁面积最大是塌陷地。煤矿的塌陷区主要分布在解放区、山阳区、马村区和修武县,在某些地区还形成了塌陷盆地,大片土地不能耕种,破坏耕地严重,部分公路因为塌陷而进行多次修复,个别厂矿、村庄被迫搬迁,造成直接经济损失3 000多万元。同时地面塌陷伴有地裂缝,分布在北中部山前地带的中站区、解放区、山阳区、马村区和修武县煤矿采空区,地裂缝造成房屋墙体开裂,迫使村民部分搬迁或全村搬迁,公路部分地段开裂或沿裂缝处形成带状凸起,如解放区森林公园北等。由于大气降水沿裂缝渗漏,造成雨季淹井,多次使有关矿山被迫停产。

本研究所使用的数据主要有:(1)焦作矿区3个时期的Landsat系列卫星遥感影像数据:1999-05-29的TM影像、2008-05-05的TM影像和2018-05-01的OLI影像;(2)焦作矿区的DEM数据,空间分辨率为30 m;(3)统计数据来源于焦作市以及辉县市的社会经济统计年鉴以及统计公报。

在ENVI和ArcGIS中对遥感影像进行镶嵌、裁剪,并采用监督分类中支持向量机的方法对影像进行分类,将研究区分为林草地、耕地、水域、建筑物以及未利用地5类。

根据指标体系选取的如下原则:科学性原则、动态性原则、可靠性原则、代表性原则、可操作性原则^[14],依据PSR模型构建矿区生态安全评价指标体系,PSR模型是基于因果关系而建立的,它突出反映了评价系统产生的压力—压力下所产生的状态—人们积极做出的响应这3个环节之间相互影响,相互制约的关系^[15]。本文从矿区生态环境压力、矿区生态环境状态、矿区生态环境响应3个方面构建焦作矿区生态安全评价指标体系,同时充分考虑研究区的社会经济状况、生态环境状况、土地利用变化特征等实际情况,选取了19个反映矿区生态安全的指标体系,进而从时间和空间两个方面对焦作矿区生态安全状况进行分析。指标体系见表1。

因为指标数据之间有不同单位,因此数据之间没有可比性,所以需要对指标体系进行标准化处理。本文采用最大离差法对矿区生态安全指标体系进行变换处理,处理公式如下:

正向指标:

X'_ij=(x_ij-x_jmin)/(x_jmax-x_jmin)(1)

负向指标:

X'_ij=(x_jmax-x_ij)/(x_jmax-x_jmin)(2)

式中:X'_ij为经过标准化处理过后的值; x_ij为标准化前的原始值; x_jmax,x_jmin分别为待标准化数据中是最大值和最小值。

表1 PSR模型下的矿区生态安全评价指标体系

将两种或两种以上的权重确定方法结合,得到新的权重方法即为组合赋权,本文将层次分析法和熵值法结合,进行组合赋权。由于层次分析法得到的指标权重,往往存在很强的主观性与偶然性,难以准确的反映矿区的生态安全状况,而熵值法虽然可以客观的确定指标权重,但是缺乏各指标直接的横向比较,样本的影响因素较大^[16],因此对层次分析法和熵值法分别计算权重再进行处理得出最优解,可以为后续分析做出更准确的判断。

2.3.1 层次分析法确定指标权重

层次分析法是一种层次权重决策分析方法,该方法是将与决策相关的元素分解成目标、准则、方案等层次,将复杂的决策思维进行条理化,将决策过程中的定性与定量的因素有机的结合起来进行分析^[17-18],由专家对各个层次的指标的重要程度进行评价,得到准则层和各指标的判断矩阵,得出最大特征根λ_max对应的特征向量W,对特征向量归一化处理后,得到各指标的权重,结果见表2。

表2 层次分析法确定的指标权重值

2.4 生态安全评价方法

2.4.1 评价单元划分

评价单元的划分会直接影响到后续的评价工作,因此合理划分评价单元极其重要。在划分评价单元时,我们常用的主要有矢量评价单元划分法和栅格评价单元划分法^[20]。为了使矿区生态安全状况的评价结果具有准确性和客观性,结合研究区实际情况,本文选用矢量评价单元划分法对研究区进行划分,研究区域涉及135个行政村,故本研究区域共划分为135个评价单元。

表3 熵值法确定的指标权重值

表4 指标体系综合权重值

2.4.2 评价模型

综合指数法是将各指标进行加权求和,即将每一项归一化处理后的指标数据与其对应的权重值相乘来表示各指标得分,然后将各指标得分相加,得到评价区域的生态安全指数,从而实现定量化评价。该方法体现了生态安全评价中的综合性、整体性和层次性,综合考虑研究区生态安全影响因素的多样性,因此选择综合指数法对矿区进行综合评价。具体计算公式如下:

式中:F_j为第j村的生态安全综合评价指数; W_i为指标i的最优组合权重; X_ij为指标i的标准值。

2.4.3 评价标准

矿区生态安全评价结果通常以安全等级的形式来表现,即在计算其生态安全综合指数后,依据相关评价标准对评价结果进行分级。但是矿区生态安全评价结果分级目前还没有统一的标准,因此,为了更好的对研究区生态安全进行分析,参照相关研究成果^[15],结合研究区的实际情况,根据计算得到研究区生态安全综合指数,将矿区生态安全评价结果分为5个等级,不同的安全等级代表着不同的生态状态,划分结果分别代表生态恶劣、生态较差、生态预警、生态良好和生态安全,结果见表5。

表5 生态安全等级

由表6可以看出,1999—2018年焦作矿区生态安全状况呈现波动上升趋势,说明焦作矿区生态安全状况在逐渐改善。其中,1999—2008年呈现上升趋势,2008—2018年呈现下降趋势,从1999年的29.63上升到2008年的52.39再下降到2018年的50.26,20 a来,矿区生态安全综合指数上升了20.63。除1999年整体处于生态恶劣状态之外,其余两年均处于生态预警状态。根据上述计算与分析结果,得到每一年生态状况对比,见表7。

表7 研究区生态状况占比%

1999—2008年,研究区生态安全指数呈现上升态势。这主要是因为:为了摆脱资源型城市“矿竭城衰”的命运,1999年焦作市政府做出了第二次转型的战略决策,开始把目光由地下矿产资源转向地上山水资源,提出要把人文、自然、社会景观相结合,主打山水,为此,焦作对城市环境进行大力治理,在这期间植被覆盖度、人均GDP、人均粮食产量以及土地复垦治理率等指标持续上升,城镇化率随之上升。

2008—2018年,研究区生态安全指数稍有下降。这主要是因为:2002—2012年被称为煤炭产业的“黄金十年”,在这期间焦作矿区仍然在大力开采煤炭,并且随着时间的推移煤矿塌陷区面积逐渐增大。此外,焦作市于2008年被列为首批资源枯竭城市,并进行资源型城市转型试点,到2018年转型已经初见成效,在这期间,工业发展带来的水土污染也愈发严重,单位耕地农药以及化肥负荷加大,交通网密度也逐渐加大,这些都对矿区生态安全状况带来了一定的影响。

综上,1999—2018年,焦作矿区生态安全综合指数总体呈现上升趋势,由生态恶劣到生态预警,但是离生态良好以及生态安全状态仍有一定的距离,仍然需要加大力度治理生态问题。

为了探究焦作矿区生态安全空间格局的演变情况,对全区4个县区的生态安全评价进行研究,以此了解不同区域的生态安全演变趋势。根据上述计算过程,结合矿区生态安全评价标准,以县区为单位,并利用Excel表格统计,得出每个县区不同村庄的生态安全值对比图,见图1。

20a来,研究区北部地区生态安全指数高于其他区域,东北和西南地区生态安全指数低于其他区域。4个县区中,修武县生态安全指数高于其他3个区域,山阳区生态安全指数较低,辉县市一直处于生态较差状态,山阳区一直处于生态较差与生态恶劣状态,但生态恶劣状态区域在逐渐减少。整体来看生态良好以及生态预警区域逐年增多,生态安全指数由外向内逐渐增大。

(1)1999年,修武县和辉县市均处于生态较差状态,而马村区均处于生态恶劣状态,山阳区76.92%处于生态恶劣状态,23.08%处于生态较差状态,修武县和辉县市的生态安全状况整体高于马村区和山阳区。

(2)2008年,修武县92.85%处于生态良好状态,7.15%处于生态预警状,马村区12.73%处于生态良好状态,29.09%处于生态预警状态,58.18%生态较差状态,辉县市4.00%处于生态预警状态,96.00%处于生态较差状态,山阳区84.62%处于生态较差状态,15.38%处于生态恶劣状态,修武县的生态安全状况整体高于马村区、辉县市和山阳区。

(3)2018年,修武县14.29%处于生态良好状态,76.19%处于生态预警状态,9.52%处于生态较差状态,马村区29.09%处于生态良好状态,65.46%处于生态预警状态,5.45%处于生态较差状态,辉县市全部处于生态较差状态,山阳区84.62%处于生态较差状态,15.38%处于生态恶劣状态,修武县和马村区生态安全状况整体高于辉县市和山阳区。

图1 修武县、辉县市、马村区以及山阳区生态安全对比

焦作矿区生态安全状况发展不均,不同区域发展状况不同。其中,修武县和辉县市生态安全综合指数均呈现先上升后下降的趋势,马村区生态安全综合指数呈现上升趋势,山阳区53.96%呈现上升趋势,46.04%呈现先上升后下降的趋势。根据矿区位置分布图以及县区生态安全对比图,可以发现,现已关停的小马矿和冯营矿位于修武县和马村区以及山阳区; 资源枯竭的中马矿、韩王矿和演马矿位于山阳区和马村区; 目前仍在开采的九里山矿和古汉山矿位于马村区和辉县市,矿区开采情况一定程度上影响了矿区生态状况。此外,人口密度、土地利用强度、塌陷区面积等等以及人类与生物活动都影响着矿区的生态安全状况。