1、潞安矿区系统康复与生态文明建设研究阶段性研究报告潞安矿区生态系统基础研究项目单位：山西潞安矿业（集团）有限责任公司开发机构：河南理工大学二一年十二月目 录1 矿区生态系统特性 .11.1 矿区生态系统的基本特征 .11.1.1 矿区及矿区生态系统基本概念 .11.1.2 矿区生态系统的一般特征 .31.2 矿区生态系统的组成与结构 .41.2.1 资源子系统 .41.2.2 环境子系统 .91.2.3 人口子系统 .131.2.4 经济子系统 .151.2.5 科技子系统 .161.3 矿区生态链分析 .172 矿区生态系统演变 .202.1 矿区生态系统演变的研究方法 .202.2 我国矿区
2、生态系统演替的一般模式 .212.3 潞安矿区生态系统演变 .222.3.1 土地及景观演变规律 .222.3.2 沉陷区土壤质量演变规律 .223 矿区生态系统的物流、能流、信息流 .273.1 矿区煤化学组成及其主要衍生物 .273.1.1 煤的化学成分 .273.1.2 煤衍生物 .293.1.3 潞安矿区煤化学组分及衍生物 .293.2 物质循环 .313.2.1 矿区生态系统物质流动特征 .313.2.2 矿区生态系统水循环 .333.2.3 矿区生态系统碳循环 .343.2.4 矿区生态系统硫循环 .363.2.5 潞安矿区物质流动产生的生态风险控制实践 .373.3 能量流动 .
3、453.3.1 矿区生态系统能量流动特征 .453.3.2 矿区生态系统能量流动理论 .453.4 信息传递 .463.4.1 矿区生态系统信息传递特征 .463.4.2 矿区信息传递问题分析 .474 潞安矿区生态系统净初级生产量 .514.1 国内外研究进展 .514.1.1 统计模型 .514.1.2 过程模型 .524.1.3 参数模型 .534.2 遥感在植被 NPP 研究中的应用 .544.2.1 植被遥感原理 .544.2.2 植物状态参数和遥感信息的提取 .554.2.3 生物量和植被净初级生产力遥感估算 .584.3NPP 遥感估算模型的构建 .594.3.1 模型构建 .5
4、94.3.2APAR 和 FPAR 的估算 .604.3.3 光能利用率的估算 .614.3.4 模型的具体实现 .644.4 数据准备 .654.4.1 遥感数据 .654.4.2 气象数据 .664.5 模拟结果及分析 .664.5.1 模拟结果 .664.5.2 结果分析 .665 潞安矿区生态系统健康评价 .715.1 矿区生态系统健康主要影响因子分析 .725.1.1 开采沉陷破坏土地和水资源 .725.1.2 加剧水土流失、引起滑坡和泥石流 .725.1.3 矿区固体废弃物压占土地、污染环境 .725.2 潞安矿区生态系统健康评价指标体系的建立 .735.2.1 指标体系建立的原则
5、 .735.2.2 指标体系评价因子选择 .745.2.3 评价理论与方法 .765.2.4 潞安矿区生态健康评价结果 .785.3 潞安矿区生态系统健康发展思路 .805.3.1 大力推动 ISO14001 环境管理体系在矿区各单位全面实施 .815.3.2 调整产业结构，降低能耗，提高企业能源利用效率 .815.3.3 建立有效的激励机制，全面发展循环经济和清洁生产 .815.3.4 改善环境质量，提升矿区环境魅力 .825.3.5 加强环境宣传教育，营造良好的“创建生态矿区”的舆论氛围 .826 潞安矿区生态承载力 .836.1 生态承载力研究进展 .836.1.1 生态承载力的概念 .
6、836.1.2 生态承载力度量方法 .846.2 潞安矿区生态承载力研究 .856.2.1 矿区生态承载力评价基础理论 .866.2.2 矿区生态系统弹性力研究 .876.2.3 矿区资源环境承载力分析 .896.2.4 矿区生态系统压力分析 .917 主要研究结论与下一步工作安排 .937.1 主要研究结论 .937.2 下一步工作安排 .94主要参考文献 .9511 矿区生态系统特性1.1 矿区生态系统的基本特征1.1.1 矿区及矿区生态系统基本概念1.1.1.1 矿区及其特征与类型矿区（mining area）一般指曾经开采、正在开采或准备开采的含矿地段，包括若干矿井或者露天矿的区域，具
7、有完整的生产工艺、地面运输、电力供应、通信调度、生产管理以及生活服务等设施（陈玉和等，2000） 。也有学者认为，矿区是以开发利用矿产资源的生产作业区和职工及其家属的生活区为主，并辐射一定范围而形成的经济和行政社区；在该社区中，矿业作为主导产业，带动和支持本区经济与社会的发展（汤万金等，1999） 。矿区是一个功能结构远较矿山企业复杂的多样性的社区；它具有经济产业结构（是以矿物开采和加工为主导的) 、资源结构、生态结构，是一个完整的功能系统。但随着矿产资源的消耗，矿区中矿业的主导作用将会被矿区中其他产业所取代。除了矿产资源这一主导资源外，还有土地、水、大气、景观、人口劳动力、人文历史、乡镇、社
8、会等其他重要环境资源。在矿产资源开发过程中，对其他环境资源的合理利用和保护，是矿区生态系统协调与平衡的关键，是矿区能够持续发展的重要条件。矿区的特征主要有以下 4 点。 矿区是由于资源开采加工及其相关活动衍生出来的、从事这些活动的地域空间场所。这些活动是矿区形成的原因和存在的基础，没有资源开采行为就无所谓矿区，更无所谓矿区概念。因此，在矿区概念中强调资源开采行为是矿区这一概念的起点。 矿区应具有共同的经济属性，主要体现在矿区对所在区域的经济影响上。正是由于矿区的出现打破或者改变了原有区域存在的经济环境形态，例如原来以农业为主，现在变成了矿业工业为主，原来是农田或牧草地现在变成了矿区。 矿区应具
9、有类似的环境属性。由于采矿活动影响，对土地的挖损、占压以及引起的塌陷、污染等，对当地以及周边环境均产生了不同程度的影响，而且从时间上，其影响是持续的、深远的。 矿区具有一定的社会属性。矿区是通过对区内资源进行开采加工后销往2区外而获得经济效益，所以矿区资源具有社会特征的一面，且资源的社会特征对矿区生产运营与可持续具有重要的影响，它包括国民经济和市场对矿区资源的需求状况、矿区资源对外交易费用水平、能源水源和原材料供给条件、劳动力和物质供应条件以及采矿工艺技术水平等。矿区的类型可以按照开发规模、发展阶段、与周边中心城市的关系等不同标准来划分。如按照矿区开发规模划分，一般可分为大、中、小型工矿区，各
10、行业划分标准不同，一般是以生产能力、固定资产投资、职工人数、投入产出状况等综合划分，以煤炭为例可分为：大型矿区，煤炭年产量在 1000 万吨以上的矿区；中型矿区，煤炭年产量在 3001000 万吨的矿区；小型矿区，煤炭年产量在 300 万吨以下的矿区。按照矿区所处的发展阶段划分：新建煤矿，是指已纳入建设规划即将开发的矿区或者正在建设的矿区，此时矿区开发部署及外部协作条件均待确定；在采矿区，是指矿区煤炭生产、洗选加工、运输、辅助设施等必备条件已经形成，并建立了相应的外部协作关系；衰退矿区，是指已进入衰退中后期的矿区和报废矿区，此时煤炭资源接近枯竭，生产矿井相继转入深部和边残煤的开采，煤炭产量逐年
11、降低，采掘主导产业的地位已经或者行将丧失。按权属关系分类，可分为：国有工矿区（包括国家统配和地方国有） ；乡镇工矿区；个体工矿区。一般国有工矿区为大、中型工矿区，造成的水土流失严重，但易管理，企业自身调控能力强，能在有关部门监督下，进行土地复垦和生态重建工程。乡镇和个体工矿区属小型工矿区，数量多，分布广，难管理，往往以眼前利益为主，不考虑长远利益，土地复垦与生态重建工作极为棘手。按照矿区与周边中心城市的关系划分：城市附属型矿区，此类矿区地处发达城市，城市基础设施齐全，社会功能完整，矿区与城市关系密切，矿区仅为城市的一个工业部门，其产值占城市工业总产值的比重较小，矿区发展已纳入城市统一规划之内，
12、如京西、徐州矿区等；城市主体型矿区，此类矿区地处较为发达城市，交通便利，城市功能完整，矿区与城市关系密切。煤炭开采是城市的主体产业，矿区内资源丰富， ，城市往往是因矿而兴起，如鸡西、平顶山、大同、抚顺等矿区；城市映射型矿区，此类矿区远离城市中心，地处较偏远乡村、山区，交通相对不便，与城市协同发展差，在矿区范围内选择条件较好的乡镇为中心走矿区城市化发展道路，如潞安、大屯等矿区。31.1.1.2 矿区生态系统矿业与生态系统主要联系是矿物的开发与生产加工过程，深渗到生态环境中，增加了生态环境中的无机物含量，对生物生存条件产生影响。如果这种影响超过了自然所能调节的限度，那就要破坏生态平衡，最终影响矿业
13、可持续发展。因此，从生态学角度看，矿区生态系统属于自然人文复合生态系统，是由资源、环境、人口、经济和科技组成的相互联系、相互依存和相互作用的有机整体。它是将生态学理论应用于矿区，结合工业生态学、产业生态系统（生态工业园) 的研究成果，开展生态矿业、矿产生态学、矿业生态系统、绿色矿业等方面的研究（朱俊士，2000；霍明远，2000；寿嘉华，2000；肖松文等，2001；姜福兴、耿殿明，2002） 。研究矿区生态系统组成与结构及其动态变化，以期探明采矿活动及其衍伸产品对自然生态系统的影响，以及受其作用下的自然生态系统对矿业持续发展反作用。从而通过经济、技术及管理等手段，使人类的矿业生产活动不再成为
14、矿区生态平衡的破坏者，而逐步与矿区生态环境之间达到协调和适应。为实现矿区可持续发展，还须以生态学、生态经济学、可持续发展理论为依据，建立以节约资源、清洁生产和废弃物多层次循环利用为特征的、以满足社会发展需要、提高人类的生活水平及改善矿区生态环境质量为最终目标的现代矿业发展模式。1.1.2 矿区生态系统的一般特征从矿区的产生和发展过程以及从生态系统生态学角度来看，矿区生态系统是一个被改变了结构和功能的、受人类生产和生活影响明显的复合生态系统。矿区生态系统的主要特点表现为： 矿区生态系统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。矿区生态系统大都是在对原有农业生态系
15、统进行一定程度破坏之后建立起来的生态系统。我国的大部分矿区主要集中在农业区，矿区开发之后，随着物流、能流、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。环境系统的功能也演化为以矿产资源和交通条件为主，加入4了大量人工环境，使得矿区生态系统的环境更加复杂和多样化。 矿区生态系统是一个开放系统，它与整个社会的自然经济社会复合系统息息相关。既受自然生态规律的支配，又受社会经济规律的支配。 生物群落发生改变，生产者数量减少，生物性生产下降；有相当数量家养动物和一定数量野生动物，但主要消费者是人。 特殊的能量流动和物质循环，表现为能流与物流是开放式的。大量的物质和能量在矿区生态
16、系统中输入、输出、排放都大大超过了原来的生态系统，剧烈的人为活动在改变原环境的同时也不断地对其产生破坏；另外，矿区生态系统需要大量的辅助能源和辅助物质以维持其生产、生活的正常运行。总之，矿区生态系统大都是在对原有农业或者自然生态系统进行一定程度破坏之后建立起来的新的生态系统。1.2 矿区生态系统的组成与结构自然生态系统一般包括下列四种主要组成成分：非生物环境、生产者、消费者和分解者。但是，对于矿区生态系统，基于自身上述的特点，其主要成分由资源、环境、人口、经济和科技等 5 个子系统组成。1.2.1 资源子系统1.2.1.1 资源子系统组成及其特征在自然生态系统中作为非生物环境的资源是其重要的组
17、成部分。资源子系统是矿区生态系统的物质基础。矿产资源、土地、水资源、生物、气候等要素相互联系、相互作用，共同形成一个有机联系的整体。各要素又由若干个子要素构成，如矿产资源有金属矿产、非金属矿产、油气资源等；土地资源有耕地、林地、牧草地、居民及工矿用地等。矿产资源是整个采矿生产活动产生、存在以及消失的物质基础，是矿区生态系统区别于其他生态系统的关键。在资源开发利用过程中除了矿产资源自身特点以外，必然涉及经济、社会、环境、技术、人口等诸多因素，是一个非常复杂的过程。如煤炭资源开发受煤炭储量、赋存条件、煤炭质量、交通条件、机械设备、采煤技术、选煤方法、能源动力、市场需求等的影响，同时还要考虑生产安全
18、、生态环境、土地复垦、作业环境、就业收入等诸多问题。1.2.1.2 潞安矿区资源概况5（1）煤炭资源潞安矿区位于山西省东南部，太行山中段西侧、长治盆地西部，地理坐标为东经 1123253“1131635“，北纬 35509“363349“，南北平均长约65km，东西平均宽约 60km，总面积 4015km2（包括规划总面积 2297km2 和后备区 1718km2） ，位于沁水煤田的东部中段，属于我国 13 个大型煤炭基地之一晋东煤炭基地的范围内。行政区划隶属长治市、潞城市及襄垣、长子、壶关、长治、屯留等县。潞安矿区现有国有重点生产矿井 6 对，总设计能力为 11.80Mt/a；在建矿井5 对
19、，设计能力为 19.50Mt/a；地方煤矿及乡镇煤矿 147 处，面积约259.81km2，核定生产能力 24.46Mt/a。此外，矿区现有 6 座矿井型选煤厂，5 座在建选煤厂，4 座地方煤矿选煤厂，2 座资源综合利用电厂，2 座在建资源综合利用电厂，以及一系列的矿区辅助、附属企业和基础设施等。潞安矿区发展规模随着时间的推移愈来愈大，其不同时期的有关煤炭生产及利用项目如表 1-1。目前已开采煤矿有五阳矿、漳村矿、石圪节矿、王庄矿、司马矿和常村矿等，均属大型煤矿生产企业，总占地面积约 400km2。表 1-1 潞安矿区现有及未来不同时段投运项目组成概况实施阶段 煤矿项目 选煤项目 电厂项目 煤
20、化工及建材 项目近期2006- 2010潞安集团：新规划建设 2座，在建的建成 5 座，现有生产矿井扩建或维持现有生产能力的 6 座；产能2010 年达到 53.2 Mt/a；地方煤矿：产能 30.0Mt/a潞安集团：新建和改扩建同规模选煤厂；地方煤矿：维持现状。2 座在建矸石综合利用电厂建成；新建 2 座瓦斯电厂、1 座煤矸石电厂、2 座燃煤坑口电厂一期建成煤基合成油示范厂、煤基合成油一期、新建煤矸石砖厂、水泥厂扩建、PVC 厂扩建中期2011- 2018潞安集团：新规划建设 2座煤矿，产能达到 64.1 Mt/a；地方煤矿：规划期底产能22.5Mt/a。潞安集团：新建和改扩建煤矿配套同规模
21、选煤厂规划新建 1 座瓦斯电厂、1 座矸石电厂、2 座坑口电厂的二期工程。煤基合成油产业化工程二期远期2019- 2030漳村矿关闭，矿区总产量稳定在 86.0Mt/a无新建选煤厂，各选煤厂保持与煤矿同规模无新建电厂，维持以上规模 无新建项目（2）气候资源6潞安矿区地处内陆，气候属于暖温带半湿润区，大陆性季风影响强烈、持久，冬季受蒙古高压控制，多为西北风，夏季处在东南季风西行的末梢，为大陆性气候。年均气温 7.512，但季节差异比较明显。春季，少雨、多风，有“十年九春旱”之说，平均气温 1022；夏季平均气温22，雨量集中，占全年降水量的 60%以上，且多暴雨和冰雹，一般为 60 雨天（68
22、月） ；秋季平均气温 1022，多有连绵雨；冬季平均气温10 ，干寒、少雪、多风，长达56 个月（一般 10 月至次年 4 月） 。对农业生产有重大作用的活动积温（10的积温）数值多在 2815.03764.3，多年平均约在 3278.4。矿区多年平均降水量为 547.78660.61mm，年降水总量夏季占 5060%，冬季 5%以下、春季占 1015%，秋季占 25%上下，月均降水量最大值一般出现在7 月，占全年的 3040%，最小值出现于 12 月，占年降水量的 2%以下。其降水特点：一是降水总量小，地区变化较大，区域差异上表现为南部降水总量大于北部，呈带状递减；二是年内分配不均，7、8、
23、9 三月降水量占年总降水总量的 60%上下，且多以暴雨形式出现；三是年际变化大，丰水年比枯水年多 24倍。受太阳辐射、大气环流和地理环境等因素综合影响，气象要素在水平地带的分布差异也比较明显（见图 1-1） 。图 1-1 潞安矿区多年平均降水量空间分布格局（3）土壤资源从成土母质上来说，潞安矿区主要有黄土母质、坡积母质、冲积母质和洪7基母质 4 类，以黄土母质和坡积母质为主。其中前者是第四系上更新世地层的马兰黄土，呈淡灰带黄色，土体深厚，质地均匀、疏松，柱状发育，碳酸钙含量高，呈微碱反应，适合种植各种作物；主要分布于冲积平原和部分阶地上，由黄土经搬运后重新堆积而成；后者分布于海拔 1000m
24、以上的石质地区，由砂页岩和石灰岩经过风化后以残积和坡积的方式留在山上或搬运到山坡的中下部一带。在所有土壤类型中，褐土是研究区地带性土壤，属半湿润暖温带半淋溶土，也是重要的农业土壤，广泛分布于丘陵区和山地等区域，从海拔 800m 到1300m 均有分布。另外，潮土、黄垆土大面积分布，棕壤也有一定面积的分布。其中潮土属半水成土，大面积分布于中东部上党盆地区以及浊漳河两岸一级阶地；黄垆土属褐土的一个亚类组分，亦称耕种褐土，主要分布于研究区浊漳河二级阶地及山前坡麓平原，海拔一般在 1000m 左右，其母质为次生黄土，经长期人为垦种而成农耕土，土体深厚，碳酸钙淋溶淀积现象明显，通透性及耕性较好，适种性广。总之，潞安矿区有 4 种主要土壤：褐土、潮土、黄垆土、棕壤，其空间分布见图 1-2。图 1-2 潞安矿区主要土壤类型空间分布格局（4）生物资源潞安
