国内外关于露天开采对环境影响方面的研究始于20世纪90年代后期[1-2],研究方向可划分为2大类[3]:露天矿开采的环境压力量化研究和露天矿开采过程中引起的环境系统损害及对人类带来的不利影响的研究,以事实和数据为基础指出了矿产资源开发环境压力研究的意义、思路及方向。此后关于露天开采产生的环境压力和生态资源占用的研究成果逐渐增多,并初步建立了评价指标[4-6],但是这些指标体系多关注于矿区的生态可持续评价及生态成本核算而忽略了露天开采技术的影响,在应用中具有一定的局限与不足。文献[7-8]提出的露天矿开采扰动效应理论和评价指标体系及评价模型是确定环境与社会可以共同接受的露天开采扰动量值的理论基础,是评价露天开采科学性和绿色程度的有效方法,为露天矿绿色、协调、可持续发展规划提供了理论依据和方法指导。露天矿开采过程的本质是大规模的土石方时空移运过程[9-10],土石方的移运改变并重塑了矿区的地形、地貌及外部环境,甚至改变了矿区的生态环境[11],其最主要的扰动行为是压占和挖损了大量的土地。因此,深入研究露天开采对土地的扰动强度量化方法及其演化规律对于客观评价露天开采与生态环境之间的相互作用关系、科学规划土地复垦和生态重建方案、丰富露天矿开采扰动效应理论都具有重要的理论和现实意义。
因各露天矿所处的地理位置不同,其环境背景值也存在差异,若仅以挖损或压占的土地面积表征露天开采对土地扰动的强弱而不考虑各评价对象之间的公平性,显然不尽合理。
充分考虑评价对象之间的公平关系是构建评价指标体系及指标量化算法过程中最重要、最本质的问题之一,不仅要考虑对所有评价对象的公平,还要考虑对所有人的公平以及对生态环境要素的公平。文献[7-8]的研究表明,实现对所有露天矿土地扰动强度的公平评价,关键需解决评价对象间煤种和扰动土地类型的差异性问题,建立度量土地扰动程度的统一尺度,使评价指标具有普适性。
热值是影响煤炭利用方式的最主要因素,对于煤质的差异性,应将各露天矿的原煤产量根据标准煤计算原理换算为标准煤量,从而使不同煤质的露天矿可以进行横向比较。标准煤具有统一的热值标准,联合国规定标准煤的热值为29 300.6 kJ/kg,中国规定标准煤的热值与联合国的是一致的。标准煤换算方法见式(1)。
(1)
式中:Qsc为换算后的标准煤当量,tce;Q为换算前的原煤量,t;ksc为标准煤换算系数,其取值为评价对象原煤发热量与标准煤发热量之比;Qnet.ar为原煤收到基低位发热量,kJ/kg。
对于土地类型的差异性,运用生态经济学中生态生产性土地面积替代扰动土地的自然面积。生态生产性土地是指具有生态生产能力的土地或水域。地球上不同区域的土地在气候条件、土壤理化性质等方面存在差异,因此具有不同的生产力,适合不同类型生物质的生长。受扰土地面积和恢复土地面积换算为生态生产性土地面积后,相当于考虑了环境本底值和恢复效果的不同,使不同土地类型的扰动面积可以进行横向比较。在生态生产性土地计算中,根据生物生产力和适合生长的生物种类,生态生产性土地被分为:耕地、草地、林地、建筑用地、水域和荒漠戈壁6大类[1,3]。生态生产性土地面积计算方法见式(2)。
(2)
式中:Ae为生态生产性土地面积,m2;k为土地类型,取1、2、3,…,6;pek为第k类土地的实际自然面积,m2;λk为第k类土地等量因子,取值见表1[3];γk为第k类土地产量因子,取值见表1[3]。
露天开采对土地的扰动主要体现为挖损和压占2种形式,其改变了土地的生产力,最终使土地的价值和利用方式也发生了变化。根据露天开采扰动土地的过程和特征,露天矿开采扰动效应理论[7-8]首次提出了3个土地扰动强度的基本评价指标,分别为土地挖损强度、土地压占强度和土地生产力弹性系数。
表1 不同土地类型的等量因子及产量因子
Table 1 Equivalence factor and yield factor of
different land types
序号土地类型等量因子产量因子1耕地2.81.742草地0.50.513林地1.10.864建筑用地2.81.745水域0.20.746荒漠戈壁0.11.00
注:等量因子实现了同一类型土地不同国家和地区面积度量的统一;产量因子实现了同一国家和地区不同土地类型面积度量的统一。
1)土地挖损强度(Land Excavation Intensity,LEI)定义为露天矿采出单位标准煤需要挖损的生产性土地面积(Ecological Productive Area,EPA)。该指标是露天矿土地挖损状态的动态监测指标,在指标计算时,生物生产性土地主要考虑以下6种类型:耕地、草地、林地、建设用地、水域和荒漠戈壁,生产性土地面积的计算方法见文献[3]。LEI的计算方法见式(3)。
(3)
式中:LEI为土地挖损强度,m2/tce;为采出量Q原煤挖损生产性土地面积,m2。
2)土地压占强度(Land Occupied Intensity,LOI)定义为露天矿采出单位标准煤需压占的生物生产性土地面积(EPA)。该指标是露天矿土地压占状态的动态监测指标,在指标计算时,生物生产性土地亦主要考虑以下6种类型:耕地、草地、林地、建设用地、水域和荒漠戈壁,生产性土地面积的计算方法与LEI指标相同。LOI的计算方法见式(4)。
(4)
式中:LOI为土地压占强度,m2/tce;为采出量Q原煤压占生产性土地面积,m2;pok为采出量Q原煤压占第k类土地的自然面积,m2。
3)土地生产力弹性系数(Land Productivity Resilience,LPR)定义为一定时期内复垦的生产性土地面积增长幅度与扰动的生产性土地面积增长幅度的依存关系。该指标旨在利用土地生产力变化来表征露天矿复垦的及时性和有效性,是反映露天矿采复一体化效果的有效指标。尽管露天矿开采过程中挖损和压占了一定范围的生态生产性土地,但如果及时、科学、有效地复垦,仍会保持矿田范围内土地总生产力不变甚至逐渐增加。LPR是一个动态指标,其计算方法见式(5)。
(5)
式中:LPR为土地生产力弹性系数,无量纲;Rea为矿田内恢复的生产性土地面积增长率,%;Rda为矿田内扰动EPA增长率,%;为t时期矿田的生产性土地面积,km2;为t-1时期矿田的生产性土地面积,km2;为t时期矿田扰动的EPA,km2;为t-1时期矿田扰动的生产性土地面积,km2。
应用该指标既可计算某时点的土地挖损强度也可计算一段时期内(如1年内或多年内)的平均土地挖损强度,因露天矿采掘场形态随时间的推移在不断变化,所以单纯计算某时点的土地挖损强度,其实际意义不大,建议计算某段时期内露天矿平均土地挖损强度作为评价指标。LEI计算结果越大,表明开采产生的土地挖损强度越大,产生的负向扰动效应越强,反之越弱。
LEI一般受露天矿煤层埋藏深度、工作帮坡角、煤层倾角、内排土场跟进情况、地形条件和煤种等因素影响较大。对于特定露天矿而言,当煤层倾角为0°、露天矿的生产规模及开采工艺保持不变、采区形状为规则矩形、工作帮坡角恒定、露天矿全生命周期内无需采区转向时,LEI随着剥采排工程时空关系的发展而动态变化,且呈一定的阶段变化规律,如图1所示。
图1 露天矿全生命周期内LEI的变化规律
Fig.1 Change rule of LEI in full life of open-pit mine
1)第1阶段:露天矿开始基建剥离(出煤)至开始内排前,LEI随采掘场开挖面积的不断增大而呈现逐渐增大的趋势。该阶段持续时间的长短主要受煤层倾角、埋藏深度、移交时规模、建设时间等因素影响。值得说明的是,该阶段曲线未考虑矿建剥离开工至开始出煤期间的LEI为+∞的特殊情况,曲线不经过坐标系中的(0,0)点,因为该时期的累积出煤量Qsc数值为0,而外排土场压占面积为非0数值,导致LEI为+∞,该值并无实际意义。
2)第2阶段:露天矿开始内排至完全实现内排期间,LEI随内排土场工程位置发展、采掘场开挖面积逐渐减小而呈现逐渐减小至趋于基本稳定的趋势。该阶段持续时间的长短主要受煤层赋存条件、开采程序和内排发展规划等因素影响,内排发展越快,持续时间越短。
3)第3阶段:露天矿完全实现内排时至露天矿工作帮地表到界期间,LEI受煤层倾角的影响较大,对于近水平或者缓倾斜煤层实施纵采的露天矿而言,这一期间LEI基本保持稳定。实际受煤层倾角、煤层厚度等变化的影响,LEI可能会略有波动。该阶段的持续时间主要受露天矿服务年限的影响,服务年限越长,持续时间越长。
4)第4阶段:露天矿地表到界至闭坑期间,LEI随着内排土场的不断跟进而呈现逐渐减小的趋势。该阶段的持续时间主要受露天矿开采深度的影响。因为该时期挖损面积已经趋于常数,而累计出煤量Qsc仍继续增大,只是受靠帮开采期间规模逐渐减小的影响,Qsc增大的速度将逐渐变慢,但LEI的总体变化趋势仍是逐渐减小的。值得说明的是,该阶段曲线未考虑露天矿闭坑时仍留有一定大小的尾坑无法全部回填的问题,因为考虑该因素,将导致所有露天矿闭坑时的LEI无法归0,即露天矿闭坑后仍然对土地表现出挖损效应。国内已经闭坑的几个典型露天煤矿,如抚顺西露天矿、平庄西露天矿、海州露天矿等,均对尾坑进行了科学有效的灾害治理及生态恢复,甚至对尾坑开展了多途径的综合利用,创造了显著的经济、环境和社会效益,挖损效应早已不再是负效应。综上所述,露天矿闭坑时的LEI归0是必要的,也是符合实际的。
应用该指标时既可计算某一时点的土地压占强度也可计算一段时期内的平均土地压占强度。因露天矿外排土场的形态随时间的推移在不断变化,所以单纯计算某一时点的土地压占强度实际意义不大,建议计算某一段时期内(如1年内或多年内)的平均土地压占强度作为评价指标。LOI计算结果越大,则表明露天矿开采产生的土地压占强度越大,产生的扰动效应越强,反之越弱。
LOI一般受露天矿煤层埋藏深度、煤层倾角、首采区和初始拉沟位置、开采程序、外排土规划等因素影响较大。对于特定露天矿而言,当露天矿的生产规模及开采工艺保持不变,外排土场基底为水平,所有排土台阶随采场工作帮平行同步推进时,LOI随着剥采排工程时空关系的发展而动态变化,且呈现出一定阶段变化规律,如图2所示。
图2 露天矿全生命周期内LOI的变化规律
Fig.2 Change rule of LOI in full life of open-pit mine
1)第1阶段:露天矿开始基建剥离(出煤)至外排土台阶排土工作线全部形成期间,LOI随外排土场压占土地面积的不断增大而呈现逐渐增大的趋势。该阶段持续时间的长短主要受露天矿外排土量和排土场占地面积大小的影响。值得说明的是,为了使曲线的时间范畴涵盖露天矿的全生命周期,该阶段曲线未考虑矿建剥离开工至开始出煤期间的LOI值为+∞的特殊情况,曲线不经过坐标系中的(0,0)点,因为该时期的累积出煤量Qsc数值为0,而外排土场压占面积为非0数值,LOI的计算结果为+∞,该值并无实际意义。
2)第2阶段:外排土台阶全部形成排土工作线至外排土场最下层台阶全部到界期间,因单位时间的外排土量和出煤量均是一定的,当外排土场的基底为水平,排土场周界形状规则,露天矿生产剥采比均衡时,该阶段的LOI基本趋于稳定。LOI的实际值受地形起伏,规模变化,剥采比调整,排土场形状不规则等因素影响,会有波动。
3)第3阶段:外排土场最下层台阶全部到界至闭坑期间,因为该时期的累积出煤量Qsc不断增大,而外排土场压占土地面积不再发生变化,所以,该时期LOI呈现逐渐减小的趋势,但露天矿闭坑时的LOI终值不为0。此阶段未考虑因采区形状、采区接续、煤层赋存条件和开采工艺发生改变等因素导致露天矿由完全内排转为再次发生外排工程量的情景,该情景在实际中确有发生,如平朔、霍林河等矿区的露天矿。
应用该指标时一般应计算某一段时期内(如1年内或多年内)的土地生产力弹性系数作为评价指标。设LPR计算起始点为0,计算期T内的任意时点为t(t>0),当T=[0,t]时期的LPR>1时,表明露天矿田范围内土地的总生产能力在逐渐增加,该时期露天矿的生态恢复和重建工程改善了矿田范围内土地的原始状况,矿田范围内的土地质量和生态环境状况整体向好,该状态是露天矿实现绿色开采所追求的目标;当T=[0,t]时期的LPR=1时,表明露天矿田范围内的土地总生产能力基本未发生改变,露天矿开采过程中没有破坏矿田范围内土地的原始状况,其生态恢复和重建工程也未改善矿田范围内土地的原始状况,矿田范围内的土地质量和生态环境状况基本得到了恢复,该状态是露天矿实现绿色开采的基本要求;当T=[0,t]时期的LPR<1时,表明露天矿田范围内的土地总生产能力在逐渐降低,露天矿开采过程中破坏了矿田范围内土地的原始状况,其生态恢复和重建工程的效果较差,矿田范围内的土地质量和生态环境状况正在逐渐变差,该状态表明矿山的发展方式是不可持续的。LPR一般受露天矿所处的建设和生产时期,露天矿区原始地貌和土地类型,生态恢复和重建技术水平,管理水平等影响较大,其变化规律因矿而异,并不遵循一般变化规律。
应用土地扰动强度量化方法研究了神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素露天煤矿2006—2015年的土地扰动强度时间序列演化规律,并结合露天矿的实际生产和技术决策,分析了开采技术与扰动强度指标的相互作用机制。
本研究需要大量的基础数据,这些数据主要来自《神华准能集团黑岱沟露天矿2006—2015年度生产经营计划统计报表》《神华准能集团哈尔乌素露天矿2006—2015年度生产经营计划统计》《神华准能集团黑岱沟露天矿2006—2015年度剥采排工程平面图》《神华准能集团哈尔乌素露天矿2006—2015年度剥采排工程平面图》及两矿2006—2015年卫星遥感影像资料等。计算中的等量因子选择全球标准,产量系数选择WACKERNAGEL等[12-13]对中国产量系数的计算结果。神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素露天煤矿2006—2015年土地扰动强度量化指标计算所需基础数据见表2,土地扰动强度量化指标计算结果见表3。
表2 土地扰动强度量化指标计算所需基础数据
Table 2 Basic data required for calculation of quantitative indicators of land disturbance intensity
年份2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年原煤采出量/Mt24.6526.5330.2238.8947.2157.1661.5463.3163.9564.37采出标准煤量/Mtce14.3115.4017.5522.5827.4133.1935.7336.7637.1337.37采掘场开挖面积/km20.791.001.201.301.241.000.931.141.251.35外排土场压占面积/km20.711.501.221.981.070.410.420.210.010.01压占及挖损土地类型草地草地草地草地草地草地草地草地草地草地压占及挖损土地等量因子0.500.500.500.500.500.500.500.500.500.50压占及挖损土地产量因子0.510.510.510.510.510.510.510.510.510.51排土场逐年复垦面积/km20.300.320.350.370.360.300.280.310.320.33复垦土地类型林地林地林地林地林地林地林地林地林地林地复垦土地等量因子1.101.101.101.101.101.101.101.101.101.10复垦土地产量因子0.860.860.860.860.860.860.860.860.860.86
注:为了简化计算,复垦的土地类型均按林地计算,实际复垦的土地类型包括耕地、林地和草地等。
神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素露天煤矿2006—2015年土地挖损和压占强度的时间序列演化规律如图3所示。
表3 土地扰动强度量化指标计算结果
Table 3 Calculation results of quantitative
indicators of land disturbance intensity
年份LOILEILPR2006年0.350.510.782007年1.051.110.462008年1.541.740.802009年2.172.271.422010年2.442.691.162011年2.532.961.572012年2.623.201.812013年2.663.491.792014年2.663.802.012015年2.664.132.05
图3 2006—2015年土地挖损和压占强度演化规律
Fig.3 Evolution law of land excavation and occupation
intensity from 2006 to 2015
由图3可得,2006—2015年两矿LEI呈现逐渐增大的趋势,但增速较缓慢,处于图1中曲线的第2阶段的前半期。2006—2010年LEI由0.51增大到2.69,平均增长率为56%;2011年以后,LEI值基本以8%~10%的速度增长,由2.96增加到了4.13。从LEI的整体变缓趋势来看,增长率正在逐渐放缓,这表明两矿的挖损强度正在逐渐减弱。
2006—2010年两矿LOI呈现逐渐增大的趋势,由0.35增大到2.44,平均增长率为70.42%;2011—2013年,LOI增长变缓,维持在2.53~2.66,平均增长率为2.8%,LOI的变化很小;2014年以后,LOI基本保持2.66不变。这表明两矿的压占强度已经趋于稳定,2015年以后压占的生态生产性土地面积不再增加,压占强度即开始逐渐减弱。
分析认为,产生这一变化趋势的主要原因是:2008年以前,准格尔矿区仅有黑岱沟露天矿进行开采,且已经开始实现内排,自2008年哈尔乌素露天煤矿开始基建剥离起,采掘场开挖面积和外排土场压占面积均开始增大,开挖面积每年增加0.2~0.4 km2,开挖面积增长率为25%~30%,压占面积每年增加0.4~0.7 km2,压占面积增长率为35%~50%。但哈尔乌素露天矿初期采出煤量较少,据统计数据显示,哈尔乌素露天煤矿2007—2008年为基建剥离期,未出煤,2009年开始出煤,当年出煤量约1 400万t,2010年出煤1 900万t,2011年达产。表明新建露天矿的基建剥离开挖和初期外排导致了压占和挖损生态生产性土地面积的急剧增加,而出煤量增长滞后,导致了LEI和LOI指标的快速增大。LEI和LOI的演化规律及对矿山建设生产的影响机制表明,露天矿建设初期对土地的扰动是十分剧烈的。因此,露天矿的规划设计对土地挖损和压占强度的影响巨大,也是影响扰动效应的源头和关键。可见,露天矿的规模、初始拉沟位置和开采程序是决定露天矿土地扰动强度的主导因素,也是实现露天矿绿色开采的关键技术决策,在规划设计过程中应予以足够重视。
神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素露天煤矿2006—2015年土地生产力弹性系数的时间序列演化规律如图4所示。
图4 2006—2015年土地生产力弹性系数演化规律
Fig.4 Evolution law of land productivity elasticity
coefficient from 2006 to 2015
从图4可知,2006—2008年,矿区的LPR小于1,2009以后,矿区的LPR均大于1,且呈现逐年增大的趋势,由2009年的1.42增大到了2015年的2.05,平均增长率为17.5%。LPR的演化规律表明,2009年以后露天矿田范围内土地的总生产能力逐年增加,露天矿的生态恢复和重建工程大幅改善了矿田范围内土地的原始状况,恢复后的土地质量和生态环境状况整体向好。
结合图3分析可知,尽管LEI仍以一定的速率增长,但随着露天矿逐渐完全实现内排,2014年以后LOI趋于稳定,LEI的增长率也将逐渐减小并趋于0。2009年以后,随着黑岱沟露天矿外排土场的到界,露天矿进行了大量科学有效的土地复垦和生态重建工程[14-16]。至2015年,矿区整体的土地生产力增加了近1倍,可以认为,露天矿的开发改善了矿区的环境状况和土地质量,使土地价值得到了大幅提升。
准格尔矿区2006年和2015年的遥感影像对比如图5所示。
图5 2006年和2015年准格尔矿区遥感影像
Fig.5 Remote sensing image map of Zhungeer Mining
Area in 2006 and 2015
由图5可得,2006—2015年准格尔矿区随着露天矿的开采,扰动土地的累积自然面积不断增加。根据遥感数据分析,累积挖损土地面积约11.2 km2,累积压占土地面积约7.53 km2,累积生产原煤477.89 Mt,折合标准煤277.42 Mtce,即2006—2015年期间,准格尔矿区开采吨煤平均扰动原始土地约0.039 m2。结合LEI和LOI指标计算结果分析,自2014年起,随着哈尔乌素露天矿开始完全实现内排,外排土场压占土地面积基本不再增加,内排土场跟进速度基本与工作帮推进速度同步,因此2014年以后,两矿实际开采单位原煤扰动的土地面积远小于0.039 m2,经计算约为0.025 m2,减小了35.90%。
根据土地扰动强度计算原理,2006—2015年,准格尔矿区开采标准煤当量平均扰动生态生产性土地面积为0.017 m2,2014年以后,两矿实际开采单位标准煤平均扰动生态生产性土地面积为0.004 m2,恢复的生态生产性土地面积为0.016 m2。考虑扰动和恢复前后土地的类型及生产力差异,尽管开采单位原煤扰动了一定范围的土地,但经过生态恢复,土地的生产力得到了提升,生态恢复和重建后单位面积的土地价值已经远高于扰动之前。这也是图4中显示LPR逐渐增大的根本原因。
1)露天开采对土地产生扰动效应的直观表达是挖损和压占2种典型形式,以土地挖损强度(LEI)、土地压占强度(LOI)和土地生产力弹性系数(LPR)等3个指标进行量化是符合实际的。应用标准煤和生态生产性土地面积(EPA)计算原理可解决煤质和土地类型不同的露天矿间评价公平性的难题,评价结果具有全球可比性,是度量土地扰动程度的统一尺度。
2)从指标的一般性变化规律及实证研究中LEI和LOI指标的演化规律可知,露天矿开采初期的土地扰动显现最为剧烈,扰动强度和持续时间主要受露天矿合理规模,初始拉沟位置和开采程序等技术决策影响,因此对露天矿的科学规划和设计是减弱扰动效应的关键途径。
3)实证研究中LPR指标演化规律及遥感影像数据表明,2009年以后,随着黑岱沟露天矿外排土场的到界,露天矿进行了大量科学有效的土地复垦和生态重建工程,至2015年,矿区整体的土地生产力增加了近1倍,露天矿的开发改善了矿区的环境状况和土地质量,使受扰土地的价值在恢复和重建后得到了大幅提升。
4)准格尔矿区土地扰动强度指标的演化过程及数据表明,仅从露天开采对土地的挖损和压占角度分析露天矿对环境的破坏作用是不全面的,还应全面考虑土地复垦和生态重建对土地价值和环境功能的改善和提升作用。
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