矿区生态系统健康评价的理论和方法

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2005.03.024 第27卷第3期 北京科技大学学。报 Vol.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 矿区生态系统健康评价的理论和方法 闫旭骞12)张顺堂1,2) 袁怀雨 1)山东工商学院，烟台2640052)北京科技大学土木与环境学院，北京100083 摘要分析了矿区生态系统健康内涵，建立了评价指标体系，以模糊评价理论对矿区生态 系统健康现状、以灰色预测和趋势函数法对矿区生态系统健康的发展趋势、以非线性理论对 矿区生态系统的稳定性进行了评价，在此基础上提出了综合评价方法.实例研究的结果表明， 研究矿区生态系统处于亚健康状态，需要对其进行干预和调控.并提出了相应的对策和建议. 关键词矿区：生态系统健康：评价 分类号TD88 生态系统健康是上世纪80年代末在可持续 在保证矿区经济社会发展目标的前提下，通过对 发展思想推动下，作为生态环境管理的工具而提 矿旷区复合生态系统承载和胁迫机理的深入研究， 出的新概念，是研究人类活动、社会组织、自然系 以促进正确的决策，使人类在环境容量的限制下 统及人类健康的整合性科学，在生态环境管理方 最大限度地利用矿产资源，在对生态系统现状评 面有着广阔的应用前景.刊矿区是以矿产资源开 价的基础上，充分利用经济、科技和社会等诸多 发利用为主，带动和支持本区经济和社会发展的 方法和手段实现包括人类健康在内的矿区复合 独特的典型经济社区，生态系统健康理论与矿区 生态系统的可持续发展， 可持续发展研究相结合，可为矿区生态系统管理 矿区生态系统健康评价与其他的生态系统 提供一个新的视角，有望成为保证矿区稳定、协 健康评价目的一样，并不是为生态系统诊断疾 调与可持续发展目标实现的新工具，为矿区可持 病，而是在一个生态学框架下，结合人类健康观 续发展从理论走向实践提供一条有效的途径. 点对生态系统特征进行描述，定义人类所期望的 生态系统状态，确定生态系统破坏的最低和最高 1矿区生态系统健康内涵及评价 阙值，在明确的可持续发展框架下进行保护，并 在文化、道德、政策、法律、法规的约束下，实施有 矿区生态环境问题的根源是由于矿区经济 效的生态系统管理.因此，矿区生态系统健康评 社会发展引发了矿区自然生态系统结构和功能 价的内容是由系统本身的活力、结构、功能及系 的退化.矿区生态系统健康应纳入矿区可持续发 统健康的特性所决定的，从系统的结构和功能来 展的思想框架，它的目标是保证矿区生态系统持 看，系统健康的评价内容同诊断内容基本一致， 续稳定地为人类提供生态系统服务，由于矿区生 包括矿区生态系统结构健康评价和功能健康评 态系统是典型的脆弱生态系统，人类对矿产资源 价，并依据其组成进行多要素的分解分析，然后 的开发利用必然会造成对生态系统的负面影响， 进行综合，从健康特性来看，整体性、开放性和突 而人类也不会因此而停止发展：因此要维持其稳 变性是矿区生态系统健康的突出特征，因此评价 定性和持续性，人类必须对其进行调控和管理， 中要紧密结合与特性相关的内容，并采取相应的 对于矿区生态系统健康的维持一方面与矿区的 方法. 社会经济科技发展水平密切相关，另一方面决定 于人对生态系统的态度和人类决策的正确程度， 2矿区生态系统健康评价指标 因此把矿区复合生态系统健康的内涵定义为阿： 收稿日期：20040419修回日期：2004-12-10 从矿区生态系统的组成出发，充分体现矿区 基金项目：国家自然科学基金资助项目No.70173034) 生态环境、自然资源和经济社会各自的发展特点 作者简介：闫旭赛(1966一)，男，副教授，博士

第 2 7 卷 第 3 期 2 00 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s yit 0 f S c i e n c e a n d Te c h n o Ol yg B e ij in g 、 b l . 2 7 N o . 3 J u n . 2 0 0 5 矿 区生态系统健康评价的理论和方法 闰 旭鸯 ’ , , , 张顺 堂 ’ , , , 袁怀 雨 ” 1) 山 东工 商学 院 , 烟 台 26 40 05 2) 北京科 技大学土木 与环 境学 院 , 北 京 10 0 83 摘 要 分析 了矿 区 生态 系统健 康 内涵 , 建 立 了评 价指 标体 系 , 以模糊评 价 理论对 矿区 生态 系 统健 康现状 、 以灰 色预 测和趋 势 函数 法对 矿 区 生态 系统健康 的发展趋 势 、 以非线 性理论 对 矿 区生态 系统 的稳定性 进行 了评价 , 在此基础 上提 出 了综合 评价 方法 . 实例 研究 的结果 表明 , 研 究矿 区 生态系统 处于亚健 康状态 , 需要对其 进行干预 和调控 . 并提 出了相应 的对 策和建 议 . 关 键词 矿 区 ; 生态 系 统健康 ; 评价 分 类号 功 8 生 态系 统健 康 是上 世 纪 80 年代 末 在可 持 续 发 展思想 推 动下 , 作 为生 态环境 管理 的工 具而提 出的新概 念 , 是研 究人 类活动 、 社 会组 织 、 自然 系 统及 人类 健康 的整 合性 科学 , 在 生态环 境 管理 方 面 有着广 阔 的应用 前 景洲, . 矿 区是 以矿 产资源 开 发利 用 为主 , 带动 和支 持本 区经济 和社 会发 展 的 独特的典 型经 济社 区 . 生态 系统健 康理 论与矿 区 可持 续发展 研 究相 结合 , 可 为矿 区生态 系统 管理 提供 一个 新 的视 角 , 有 望 成为 保证 矿 区稳 定 、 协 调与 可持续 发展 目标实现 的新 工具 , 为矿 区 可持 续发 展 从理 论走 向实践 提供 一 条有 效的 途径 . 1 矿 区 生 态 系统 健康 内涵 及 评 价 矿 区 生 态 环境 问题 的根源 是 由于 矿 区 经 济 社 会 发展 引发 了矿 区 自然 生态 系 统 结构 和 功 能 的退化 . 矿 区生 态系 统健康 应纳 入矿 区可 持续 发 展 的思 想框 架 , 它 的 目标 是保证 矿 区 生态 系统 持 续 稳定 地为 人类提 供 生态系 统服 务 . 由于矿 区 生 态 系统 是典 型的脆 弱 生态系 统 , 人类对 矿产 资源 的开发 利用 必然会 造成 对生 态系 统 的负面 影响 , 而人 类 也不会 因 此 而停 止发展 ; 因此要 维持 其稳 定 性和 持续 性 , 人类 必须 对其 进 行调 控和 管 理 . 对 于矿 区生 态 系统 健康 的维 持 一 方面 与 矿 区 的 社会 经济科技 发展 水平 密切相 关 , 另一 方面 决定 于人 对 生态系 统的 态度和 人类 决策 的正 确程度 . 因此 把矿 区 复合 生 态系 统健 康 的 内涵 定义 为 `5 , : 收稿 日期 : 2 00 4 目 刁 -4 1 9 修 回 日期 : 2 0 0-4 1冬 10 基金项 目: 国家 自然 科 学基金 资助项 目(N .0 70 17 3 03 4) 作者简介 : 闰旭蓦 ( 19 6 6 一 ) , 男 , 副 教授 , 博士 在保证 矿 区经济 社会 发展 目标 的前提 下 , 通过 对 矿 区复 合 生态系 统承 载和胁 迫机 理 的深入 研究 , 以促进 正确 的决 策 , 使人类 在 环境容 量 的限制 下 最 大 限度地 利用 矿产 资源 , 在对 生态 系统 现状 评 价 的基 础 上 , 充 分利 用 经济 、 科技 和社 会 等诸 多 方 法 和手 段 实 现包 括 人 类健 康 在 内的矿 区 复合 生 态系统 的可 持续 发展 . 矿 区 生态 系 统 健 康 评价 与其 他 的 生 态 系统 健康 评 价 目的 一样 , 并 不是 为 生 态系 统 诊 断疾 病 , 而是在 一 个 生态 学框 架 下 , 结合 人类 健康 观 点对 生态 系统特征 进行描 述 , 定 义人类 所期 望 的 生态 系统 状态 , 确 定生态 系统 破坏 的最低 和 最高 阐值 , 在 明确 的可 持续 发 展框 架下 进行 保 护 , 并 在文 化 、 道 德 、 政策 、 法律 、 法 规 的约束下 , 实施 有 效 的生 态系 统管 理 . 因此 , 矿 区 生态 系统 健康 评 价 的 内容是 由系 统本 身 的活 力 、 结 构 、 功 能及 系 统健康 的特 性所 决 定的 . 从系 统 的结构和 功能 来 看 , 系 统健 康 的评价 内容 同诊 断 内容基 本一 致 , 包 括 矿 区 生态 系 统 结构 健 康评 价 和 功 能健 康 评 价 , 并 依据 其组 成进 行 多要 素 的分解 分 析 , 然后 进 行综 合 . 从健康 特性 来看 , 整 体性 、 开放 性和 突 变 性是 矿 区生态 系统健 康 的突 出特征 , 因此评价 中要紧 密结 合与特 性相 关 的 内容 , 并 采取 相应 的 方 法 . 2 矿 区生 态 系统 健康评 价指 标 从矿 区生 态系 统 的组成 出发 , 充分 体现矿 区 生态 环境 、 自然资 源和 经济社 会各 自的发展特 点 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 024

·352· 北京科技大学学报 2005年第3期 及矿区生态系统健康的内涵，构建了矿区生态系 成，每个方面又由若干指标构成，见表1. 统健康评价的指标体系框架”.该指标体系共分 需要说明的是，上面所给出的指标是针对普 目标层、准则层、指标层和指标描述层四个层次， 遍情况而言的，对具体矿区可根据评价目标和重 其中准则层由生态环境保障度、自然资源支持 点的不同而选择不同的指标，对单项指标或因子 度、社会经济发展度和健康可持续度四个方面组 的选择同样应根据评价目的的不同而有所侧重， 表！矿区生态系统健康综合评价指标体系 Table I Index system of comprehensive assessment for ecosystem health in mining area 目标层 准则层 指标层 指标的属性和参数 生态水平指数 植被覆盖率，物种多样性，湿润指数 大气环境指数 TST和S0,日平均浓度 生态环境 士壤环境指数 土壤污染状况 保障度 水环境指数 矿区饮用水质达标率，矿区地面水质量 噪声环境指数 噪声强度，受害人数，影响范围 矿产资源保证指数 矿区剩余服务年限，剩余服务年限后其他资源替代的可能性 白然资源 非矿资源状况指数 耕地人均占有量，水资源人均占有量等 矿区生 支持度 资源利用效率指数 产资源回采率，选矿旷回收率，矿产资源综合利用率 态系统 经济规模指数 矿区人均产值，经济密度，非矿产业比重 健康度 社会经济 经济效益指数 资金利润率，资产负债率 发展度 生活质量指数 矿区人均收入，恩格尔系数，人均居住面积 职工健康危害指数 环境因子对健康的危害，事故死亡率 科技促进指数 科技人员比重，科研费用占产值的比重 健康可 环境协调指数 环保投资占总产值的比重，塌陷土地综合利用率 持续度 污染控制指数 工业污水治理率，工业有害废气治理率，工业固体废弃物综合利用率 社会政治环境指数 环境保护意识，管理水平，政策法规贯彻力度 3矿区生态系统健康评价方法 健康程度的隶属度，评价指标可分为正向指标和 逆向指标两种.对于正向指标，其隶属度计算公 矿区生态系统随着矿产资源的日益耗竭将 式如下（以第i项指标x,为例，S为第i项指标的第 向城市、农村等其他人类生态系统演化，这要求 j级健康度标准)： 对矿区生态系统健康评价必须树立动态的思想， (I)当第i项指标x的实际值大于其对应的第 并在矿区生态系统演化的过程中加强对其生态 1级健康度标准时，它对“很健康”的隶属度为1， 系统健康进行评价和管理，因此在对矿区生态系 而对其他健康程度的隶属度为0，即当x>5:时， 统健康现状评价的同时必须注重对其发展趋势 r1=1,r2=r3=r4=r5=0 (1) 健康状况进行评价.同时，矿区生态系统的健康 (2)当第i项指标x的实际值介于其对应的第 如同有机体的健康一样，其本身的素质对其健康 j级和第0+1)级健康度标准之间时，它对j级健康 状况有很大的影响，矿区生态系统的稳定性是矿 程度的隶属度为，=二，对第(+1)级健康程度 区生态系统素质的集中体现，因此本文提出了包 S+1一S, 括生态系统健康现状评价、趋势评价和生态系统 的求属度为-1号而对其他健康程度的 稳定性评价的矿区生态系统健康综合评价方法. 隶属度为0，即当swSx,≤S-1时， 3】矿区生态系统健康现状评价 u=,r1=1-,j=1,2,34 (2) Sy-S 矿区生态系统是由资源、环境、经济、社会等 (3)当第i项指标x,的实际值小于其对应的第 因素耦合而成的复杂动态系统，同时，被评价的 5级健康度标准时，它对“疾病”的隶属度为1，而 对象、评价的主体和评价的标准都具有或多或少 对其他健康程度的隶属度为0，即当x<S时， 模糊性，因此需要用模糊的评价方法对其进行评 r5=1,r1=r2=r=r4=0 (3) 价周.具体评价方法如下： 对于负向指标，隶属度的计算方法与正向指 首先，根据研究矿区指标的实际值，确定其 标类似，其计算公式如下：

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 3 期 及 矿 区生态系 统健康 的 内涵 , 构建 了矿 区生态系 统 健康 评价 的指标 体系 框架 〔 6,71 . 该指标 体 系共分 目标 层 、 准则层 、 指标层 和指标 描述层 四个层 次 , 其 中准 则层 由生态 环 境保 障度 、 自然 资源 支 持 度 、 社 会经济 发展度 和健 康 可持续度 四个 方面组 成 , 每个 方面 又 由若干 指标 构成 , 见表 1 . 需要 说 明的是 , 上面所 给 出的指 标是针 对普 遍 情况而 言 的 , 对具 体矿 区 可 根据评 价 目标和重 点的不 同而选 择不 同 的指 标 , 对单 项指标 或 因子 的选择 同样应 根据评 价 目的 的不 同而 有所 侧重 . 表 l 矿 区生 态系统 健康综合 评价 指标体 系 aT b l . 1 I n d e x sy , t e m o f e o . P作b e . s iv e . ” e s s m e n t fo r c o sy s et m b e a lt h i n m i n i o g a 代a 目标层 准则层 指标 层 指标 的属性 和参数 生 态环 境 保障度 生态水 平指数 大气环 境指数 土 壤环 境指数 水环 境 指数 噪声环 境指数 植被覆 盖率 , 物种 多样性 , 湿润指 数 T s T 和 5 0 2 日平 均 浓度 土 壤污 染状况 矿区 饮 用水质达 标率 , 矿 区 地面水 质量 噪 声强度 , 受害人 数 , 影响范 围 矿 区 生 态系统 健康度 自然 资源 支持 度 矿 产资源 保证指 数 非矿 资源 状况指 数 资源 利用 效率指 数 经济规 模指数 经济效 益指 数 生活质 量指数 职 工 健康 危害指 数 科技促 进指数 环 境协 调 指数 污染控 制指数 社 会政 治环境指 数 矿 区 剩余服 务年 限 , 剩余 服务年 限后其 他资源 替代 的可能性 耕地人 均 占有 量 , 水 资源人 均 占有 量等 矿产 资源 回采 率 , 选 矿回收 率 , 矿 产资 源综合利 用率 社会 经济 发展 度 矿 区 人 均产值 , 经济 密度 , 非矿产 业 比重 资金利 润率 , 资产 负债率 矿 区人均 收入 , 恩格尔 系数 , 人均 居住面积 环境 因 子对 健康 的危 害 , 事故死亡 率 健康 可 持续 度 科技 人员 比重 , 科研 费用 占产值 的比 重 环保 投资 占总产值 的 比重 , 塌 陷土 地综 合利用 率 工 业污水 治 理 率 , 工 业有害废 气治 理率 , 工 业 固体废弃 物综合 利用率 环境 保护 意识 , 管理水 平 , 政 策法规 贯彻力 度 3 矿 区生 态 系 统健 康 评 价 方法 矿 区生 态 系 统 随 着矿 产 资源 的 日 益 耗 竭 将 向城 市 、 农 村等 其他 人类 生态 系统 演化 , 这要 求 对矿 区 生 态 系统健 康评 价必 须树 立动 态 的思想 , 并在 矿 区生 态 系 统演 化 的过 程 中加 强对 其 生 态 系统 健康进 行评价 和管 理 , 因此 在对 矿 区生态 系 统健 康 现 状 评价 的 同时 必 须注 重 对其 发展 趋 势 健康 状况 进 行评 价 . 同 时 , 矿 区 生态 系统 的健 康 如 同有机 体 的健康 一样 , 其 本 身的素 质对 其健 康 状况 有很 大 的影 响 , 矿 区 生 态 系统 的稳 定性 是矿 区 生 态系 统 素质 的集 中体现 . 因此本 文提 出了 包 括生 态系 统健 康现 状评 价 、 趋势 评价 和 生态 系统 稳定 性评 价 的矿 区生态 系统 健康 综合评 价 方法 . .3 1 矿 区生 态 系统健 康 现状评 价 矿 区生 态 系统 是 由资源 、 环 境 、 经济 、 社会 等 因素 祸合 而 成的 复杂 动态 系统 , 同时 , 被 评价 的 对象 、 评 价 的主 体和评 价 的标准 都具 有或 多或 少 模糊 性 , 因 此 需要 用模 糊 的评价 方法 对其 进行 评 价 181 . 具体评 价方 法 如下 : 首 先 , 根据研 究矿 区 指标 的 实 际值 , 确 定其 健康 程度 的隶 属度 . 评 价指 标可 分 为正 向指标 和 逆 向指标 两种 . 对于 正 向指 标 , 其隶 属度 计算 公 式如 下 ( 以第 i 项 指标 x `为例 , 叹护为第 i 项指 标 的第 j 级健康 度 标准 ) : ( l) 当第 i 项 指标 x 、的实 际值 大于 其对 应 的第 1 级 健康 度标 准 时 , 它对 “ 很 健康 ” 的隶 属度 为 l , 而对 其他 健康 程 度 的隶属 度 为 0 , 即当x 户is, , 时 , r 。 , , = l , r ,2 = i’r 3 = r `; = r 。 , , = 0 ( 1) (2 ) 当第 i 项 指标 x `的实 际值 介于 其对 应 的第 j 级和第公+ l) 级健 康度标 准之 间时 , 它对 j 级健 康 程度 的隶属度 为 ivr 几于书丈 , 对第+lU ,级健康程 度 的隶 属度 为+ir,l 一 ,贵彩沈 , 而对 其他 健康程 度 的 隶属 度 为 。 , 即 当s `, ` x “ s 。 · 1时 , 龙 一 5 1了+ l S , , 一 占, , 十 1 , r , , + , = l 一 r 护 , j ” 1 , 2 , 3 , 4 ( 2 ) (3) 当第 i 项 指标 x `的实 际值 小于 其对 应 的第 5 级 健康度 标 准 时 , 它对 “ 疾 病 ” 的隶属 度为 1 , 而 对其 他健 康程 度 的隶 属度 为 O , 即 当x 肉 ` , 时 , r ` , 二 1 , 乙 , 1 = r , 2 二 r o 3 二 r , , 4 二 0 ( 3) 对 于 负 向指 标 , 隶属 度 的计 算方 法与 正 向指 标类 似 , 其 计算 公式 如下 :

Vol.27 No.3 闫旭骞等：矿区生态系统健康评价的理论和方法 ·353 (1)当x,1 (⑤)对于各子系统，选取各指标中关联维数的 A={A'-1<A'<1; 最小值，将其作为判断各子系统稳定性程度的依 -1A<-1 据. 其中，4，这里e-1表示指标的增长率，4 (6)按照前述计算隶属度的方法，又可导出稳 为标准体系中规划的增长率. 定性评价指标与矿区生态健康程度之间的关系 据此，按照前述计算隶属度的方法，又可导 矩阵R,.并进而得出矿区生态系统稳定性评价结

V b L 2 7 N 0 . 3 闻旭 睿等 : 矿 区生 态系统 健康 评价 的理论 和方 法 ( 1)当 x :勺 : , : 时 , 勺 = 1 , ;ir 二 .ir , = ’ir, 二 气 5 “ 0 ( 2 )当 s。 ` ix ` 5+1, : 时 (4 ) 式尹 一= x , 一 s 夕 S `尹 l 一 S . J , irJ = l 一 irJ + t , j “ l , 2 , 3 , 4 ( 5 ) (3 ) 当不 淞 、 5时 乙 , , 一 l , 几 , : 一 r ` ; 一 r ,马 一 r . ,4 一 o ( 6 ) 然 后 , 可得 到 现状评 价指 标 和矿 区 生 态系 统 健 康程 度 之 间 的关系矩 阵R l : r 一2 二 ` 尹1, r 2 ’ · 八5 ( 7 ) 出趋 势评 价指 标 与矿 区生 态健 康 程度 之 间的关 系 矩 阵 R Z , 并进 而得 出矿 区 生态系 统健 康趋 势评 价 结果 从 : 从“ 琪刀 2 ( 10 ) 其 中 , 矶 为权 系数 . 1 3 矿 区生 态系统 稳 定性 评价 矿 区 生 态 系统稳 定性 是 矿 区 生态 系 统 健 康 的根本 特性 . 当 自然 因素 或人类 活动 对矿 区生态 系统 的影 响若是 线性 时 , 矿 区生态 系统 中的各个 要素 就只 会有 量 的增 减 , 不 会 引起 质 的变化 ; 只 有 当系 统 内部 的 作用 或 外 界对 系 统 的影 响 是 非 线 性 时 , 系 统才会 出现 突变 , 矿 区 生态 系统 的稳 定性才会 受 到影 响 , 生态 环境 才会 出现 退化 , , . 因 此 , 需 要 引入 非线 型理 论对矿 区生态系 统 的稳定 性进 行研 究 . 本文 通过 相空 间重构 的方 法确 定各 混沌 吸 引子 的关联 维数 , 来对 矿 区生态 系统 的稳 定性 进行 评 价 , 其计算 步骤 如 下 . ( l) 对 于 实际观 察到 的 单变量 等 间隔 时 间序 列值 x( t,) i( = O , 1 , 2 , … ,劝 , 用 一 定的 时间滞 后: (翻十 : 、 △)t 和一 定 的嵌 入维 数 m , 建 立起 一个 多维 的相 空 间 . 其 具 体 的作 法是 : 对 实际 测得 的一组 时 间序 列xl 丙丙 , … 丙 , … 为 , 如果 嵌 入 成 m 维 相 空 间 , 则 相 空 间 中 的相 点 为 n 二 刃一 (m 一 l) · r . 若 : 司 , 该相 空 间 中的 向量戈为 : 八lr ; · 乙 月.lres R 一 式 中 的 r 。 为第 i 项 指标 对 第 j 级 健 康程 度 的 隶属 度 , 由此可得 到矿 区 生态系统 健康 的现 状评 价结 果 为 : 犷 = 职R : (8 ) 式 中 , 班 是权 系 数 , 可用 层 次分 析法 进 行确 定 . 1 2 矿 区生 态 系统健 康 趋势 评 价 在 矿 区 生态 系统 健康 评价 中 , 健康 趋 势评 价 是 一个 非常 重要 的方 面 , 从对矿 区 生态系 统健 康 的动态 把握 和有 效调控 方面 讲 , 矿 区 生态 系统健 康 的趋 势评 价 和矿 区生 态 系统 的现 状评 价 具有 同等 的重 要性 . 矿 区 生态 系 统 健 康 趋 势评 价 包 括 两 方 面 内 容 : 一 是各 指 标变 化趋 势 的波 动性 , 可 用 D an iel 趋 势 函 数值 r 来 表 示 ; 二 是 指标 的变 化方 向和速 率 A , 可 用灰 色 理论 来对 各 个指 标值 的变 化速 率 作 出定量 描述 . 最 后将 二者 结合起 来计算 出趋 势 评价 指 数r 的值 , 依此 对 矿 区生态 系 统健 康 的变 化趋 势作 出评 价 . r 应 与 评 价指 标 变 化 趋势 的稳 定性 成正 比 ; 与指标 变化速 率 的关系 是 , 一方面 , 指 标保 持一 定 的增长 率对 生态 环境 的改 善有利 , 另一 方面过 度 的增长 可能 会影 响其可 持 续发展 . 因此 , 将 r 定义 如下 : r = w : l川+ w Z沐I (9 ) 式 中 , ; 表 示指 标 值变 化 的波动性 , 是 表 示矿 区 生 态 健康 的一个 综 合性 指 标 ; wl , 晰 为 指标 权 重 ; T 为 D an ic l 趋 势 函数值 ; A 的取 值 范 围可 限定在 一 1和 l 之 间 , 即 : , 为 , 与 , … , xt, 瓜 ) , 儿 , … , 龙 , 瓜 , 命 1 ) , … , ix , 溉 , 豁 , ,瓜+2 ) ( 11) , 寿 : , … , ix , … , 忘 , 粼 , , … 同 (2 ) 依 次取 若干 个 不 同 的 : 值 分 别计 算 出与 r 相对 应 的已 值 : 。 ( : , 。 卜 命艺(外 一 }比一 戈}}) ( i对) ( 12 ) 式 中 , 氏尤 ) 为阶 跃 函 数 , 其定义 为 : 、 一 };鱿 (3 ) 由从(m ) = I n G 仓 , m ) inr 估计 关联 维 数 的值 . 其 中 , , 性 军共 , 这 里 e一 1表 示指 标 的增 长率 , , 。 ~ ” ` 一 0A ’ ~ ~ 一 ` ~ ` J ’ J只 即 只 J 目 价 一 ’ 一 ” 为 标准 体系 中规 划 的增 长 率 . 据 此 , 按 照前 述 计算 隶属 度 的方 法 , 又可 导 (4 ) 不断 提 高m 值 , 直 到相 应 的关 联维 数不 再 随着 m 值 的变化 而 发 生有 意义 的变 化 . 此 时 的关 联维 数 即为所 需 要 的系 统的 关联 维数 值 . ( 5) 对 于各 子系统 , 选 取各 指标 中关联维数 的 最小值 , 将 其作 为判 断各 子系统 稳 定性程 度 的依 据 . (6 )按照 前述 计算 隶属度的方 法 , 又可 导 出稳 定性 评价 指 标 与矿 区生 态健 康 程 度之 间 的关 系 矩 阵凡 . 并进 而 得 出矿 区生态 系统 稳 定性评 价 结 ,,l1A< 一AI 一A 了. . 、 . A一

·354 北京科技大学学报 2005年第3期 果. 朝向健康持续的方向发展，从研究矿区生态系统 V=WR (12) 健康现状分析，生态环境保障度健康状况较差， 其中，W为权系数. 因此应采取措施减小矿区废物排放指数，提高 3.4矿区生态系统健康综合评价方法 区环境质量指数，更好的加强生态环境对区经 由于矿区牛态系统健康自身的特点，在对其 济社会发展的保障程度：对于提高矿区生态系统 进行综合评价中必须考虑多方面的因素：既要矿 发展健康趋势，主要措施是要在矿区经济和社会 区生态系统健康的现状及其发展趋势，又要考虑 发展同时，~定要加大对环境保护和科技发展的 矿区生态系统的稳定性：既要考虑各个平价指标 投入，提高矿区生态系统的健康可持续度，同时 的适度增长，又要考虑增长过程中的幅度和波动 要控制环境污染，减少矿区安全隐患和职业病对 性，以免对协调发展产生不利的影响.因此，在对 矿区职工健康状况的不良影响：自然资源支持度 矿区生态系统健康进行现状模糊评价、趋势评价 子系统是影响矿区生态系统稳定性的瓶颈，在矿 和稳定性评价的基础上，通过加权平均的方法得 区的发展过程中，一方面要加大探矿力度，提高 到矿区生态系统健康综合评价结果V: 矿产资源保有量，另-一方面也要注重提高矿产资 V=w1V,+w2V十wV3 (13) 源的综合利用率，并注意在矿产资源开采的过程 其中，V为矿区生态系统健康综合评价值，V, 中对非矿资源的保护. 分别表示矿区生态系统健康的现状、发展趋势及 其稳定性评价结果：w,w,W分别表示矿区生态 5结论 系统健康现状、发展趋势及稳定性的权系数， 本文根据矿区生态系统健康的特点和内涵， 4实证研究 构建了评价矿区生态系统健康的指标体系，提出 了包括现状评价，趋势评价和生态系统稳定性评 本文根据以上提出的矿区生态系统健康评 价的矿区生态系统健康综合评价方法.结合胶东 价的理论和方法，对胶东某金矿区生态系统健康 某金矿区进行了实证分析，结论与实际情况相 状况进行了评价，评价结果见表2@ 符，并提出了对矿区生态系统进行管理和调控的 表2胶东某矿区生态系统健康评价结论 建议， Table 2 Results of assessment for ecosystem health in a mining 参考文献 area in Jiaodong of China [1]Rapport D J.Ecosystem Health.Oxford:Blackwell Seience Ine 类捌很健康健炔亚健康~般疾病疾病 1998 现状Ψ价00530.4290.3570.1110.050 [2]Cairns JJ,Niederlehner B R.Ecosystem health concept as a man- 势评价0.15403160.2380.2830.005 agement tool.J Aquatic Ecosyst Health,1995,4(2):915 稳正性评价 000.4610.3930.144 [3]Costanza R.Mageau M.What is a healthy ecosystems.Aquatic 综合Ψ价00830,2980.3300.2310.051 Ecol,1999.331):105 [4曾德慧，姜风岐，范志平，等.生态系统健康与人类可持续 依据最大隶属度原则，研究矿区生态系统的 发展.应用生态学报，1999，J061:751 健康状况属于亚健康状态.从表2还可以看出， )闰旭骞，工广成.有关矿区复合生态基本间题初探，中国 评价结果对于各级健康程度的隶属关系并不是 煤炭，2003,298)：335 很集中，对亚健康状态的隶属度最大，也仅为 [6]Cairns J J,Niederlehner B R.A proposed framework for devel- oping indicator of ecosystem health.Hydrobiologia,1993,263 0330,对健康和-~般疾病的隶属度也分别达到 (1:14 了0.298和0.237.这种对各级健康程度隶属度相 [刀汤万金，高林，李祥仪.矿区可持续发展指标体系与评价 差不大的情况，一方面说明了研究矿区各子系统 方法研究.系统工程理论与实践，1999.1912：114 的健康程度很不一致，另·方面也说明了研究刊矿 [8]Ducey M J.Larson B C.A fuzzy set approach to the problem of sustainability.Forest Ecol Manage.1999,115 290 区生态系统健康特征比较复杂，因此，找出影响 [9)冉圣宏，金建君，脆弱生态区评价理论与方法.自然资源 研究矿区生态系统健康协调发展的限制因子更 学报，2002,171)：117 为重要. [10]闫旭寒.矿区生态系统健康评价理论与方法研究：[学位 论文】北京：北京科技大学，2004 从评价结论看，无论从其健康状况、发展趋 势还是稳定性方面，都需要对其进行干预，使其

。 3 54 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第3 期 果 仁 . 从“ 哄R 3 ( 12 ) 其 中 , 叭 为权 系数 . 3鸿 矿 区生 态 系统健 康综 合 评价 方法 由于矿 区 生 态系 统健 康 自身 的特点 , 在对 其 进 行综合 评价 中必 须考 虑 多方面 的因素 : 既要矿 区 生态 系统健 康的现状 及其 发展趋 势 , 又 要 考虑 矿 区 生 态 系统 的稳 定性 ; 既要考 虑各 个评价 指标 的适度增 长 , 又 要 考虑增 长过程 中 的幅度和 波动 性 , 以免对协 调 发展 产生 不利 的影响 . 因 此 , 在对 矿 区 生 态系统 健康 进行现状 模糊 评价 、 趋 势评价 和稳 定 性评价 的基 础上 , 通过 加权平 均的 方法得 到矿 区 生态 系 统健 康综 合评 价 结果 卜 F = w 】叭+ w Z从+ w 3鱿 ( 13) 其中 , F 为矿 区 _ 生 态 系统 健康综 合评价 值 鱿 , 矶 , 叱 分别 表示矿 区 生 态系统健 康 的现 状 、 发展 趋势及 其稳 定性 评 价 结果 ; w , , 磷 , w 3分 别表 示 矿 区 生态 系统 健康 现状 、 发 展趋 势及 稳 定性 的权 系数 . 朝 向健 康持续 的方 向发展 . 从 研究矿 区生 态系统 健康现 状 分析 , 生态 环境保 障 度健 康状 况较 差 , 因此应 采取 措施减 小矿 区废物 排放指 数 , 提高矿 区 环境 质量 指数 , 更好 的加 强生态 环 境对 矿区 经 济社会 发展 的保 障程度 ; 对 于提高矿 区 生态系 统 发展 健康趋 势 , 主要措 施是 要在矿 区 经济 和社 会 发展 同时 , 一 定要 加大 对环境 保护 和科技 发展 的 投 入 , 提 高矿 区生态 系统 的健 康可 持续 度 , 同时 要控 制环 境污染 , 减 少矿 区 安全 隐患和职 业病对 矿 区 职工 健 康状 况的 不 良影 响: 自然资源 支持度 子 系统是 影响矿 区 生态 系统 稳定性 的瓶颈 , 在 矿 区 的发展 过 程 中 , 一 方面 要 加大探 矿 力度 , 提 高 矿产 资源 保有量 , 另 一方面 也要注 重提 高矿产 资 源 的综合 利用率 , 并注 意在 矿产 资源 开采 的过程 中对非矿 资源 的保护 . 4 实 证研 究 本 文根据 以上 提 出 的矿 区 生 态 系统 健 康评 价的 理论和 方法 , 对胶 东某金 矿 区 生态 系统健康 状 况 进行 了评 价 , 评 价结果 见表 21 0] , 表 2 胶东 某矿 区生 态系 统健 康评价 结论 aT b l e 2 R e s u l t s o f a s s e s s m e n t fo r e e o s y s t e m 卜e a l th i n a m i n i n g a cr a i n J i a o d o n g o f C h i n a 类 别 很 健康 健康 亚 健康 一 般 疾病 疾病 现状 评 价 0 0 53 0 4 2 9 0 3 5 7 0 . 11 1 0 , 0 5 0 趋势 评 价 0 . 1 54 0 3 16 0 之3 8 0 2 8 3 0 刀0 5 稳定 性 评 价 0 0 0 4 6 1 0 3 9 5 0 144 综合 评 价 0 0 83 0 . 2 9 8 0 3 3 0 0 卫3 x 0 , 0 5 1 依据 最 大隶 属度 原则 , 研 究矿 区 生态 系统 的 健康 状况 属于 亚 健 康状 态 , 从 表 2 还 可 以看 出 , 评价 结 果对 于 各级 健 康程 度 的隶 属 关 系并 不是 很 集 中 , 对 亚健 康 状 态 的隶 属度 最 大 , 也 仅 为 0 . 3 3 0 , 对 健康 和 一 般 疾 病 的隶 属度 也 分别 达 到 了0 29 8 和 0 . 23 7 . 这 种对 各级 健康 程度 隶属 度相 差不 大的情 况 , 一 方面 说 明了研究矿 区 各 子系统 的健 康程度 很不 一 致 , 另一 方 面 也 说 明了 研究矿 区生 态系 统健康 特 征 比 较复 杂 , 因 此 , 找 出影 响 研 究矿 区 生 态 系统 健 康 协调 发展 的 限 制 因子 更 为重 要 . 从评 价 结论 看 , 无论 从其 健康 状况 、 发展趋 势还 是稳 定性 方面 , 都 需 要对 其进 行千 预 , 使其 5 结论 本 文 根据矿 区 生 态系 统健康 的特 点和 内涵 , 构 建 了评 价矿 区 生态 系统健 康的 指标体 系 , 提 出 了包括现 状评价 , 趋 势评 价和生态 系 统稳 定性评 价 的矿 区 生 态 系统健 康综合 评价 方法 . 结合 胶 东 某 金矿 一 区 进 行 了实 证分 析 , 结论 与 实际 情 况相 符 , 并提 出了对矿 区 生态 系统进 行管 理和 调控 的 建 议 . 参 考 文 献 [ l 」 R叩p o rt D J . E e o s y s et m H e a hlt . O x fo r d : B l a e kw e ll S e i e n e e x n e , 1 99 8 1 2 」C a lrns J J , N i e de r l e hn e r B R , E e o s y s t e m h e a lht e o n e e P t as a m an - 吧e m e n t ot o l . J A q u a t i e E e o s y s t H e a l t h , 19 9 5 , 4 ( 2 ) : 9 15 【3 」 C o s 切n z a R , M眼e au M . w l l at 1 5 a h e a it 勺 e e o s y st e m s . A q u a t i e E c o l , 19 9 9 , 33 ( I ) : 10 5 砰1 曾德 慧 , 姜 风岐 , 范志平 , 等 . 生态 系统健康 与人类 可 持续 发展 . 应 用生 态学报 , 19 9 9 , ] o( 6 ) : 7 5 ] 「5] 门旭 鸯 , 工 广 成 . 有关 矿 区 复合 生 态基本 问题初探 . 中 国 煤炭 , 2 0 0 3 , 2 9( 8 ) : 3 3 5 t6 」 C a i rn s J J , N i e d e r l e hn e r B R . A P r o P o s e d fr am e w o r k of r d e v e l - o Pi n g in di e at o r o f e e o 盯s t e m h e a lht . H yd or b i o l o g i a , 19 9 3 , 2 6 3 ( l ) : 14 【7] 汤 万 金 , 高林 , 李 祥仪 . 矿 区 可 持续 发展指标 体系与 评价 方法研 究 . 系统 工程理论 与实践 , 19 9 , l 9( l2 ) : 114 [8 1 D u e e y M J , L ars o n B C . A 几双》 s e t a P pro a e h t o ht e p ro b l em o f s u s ta i n a b ility . F o 溉t E e o l M a o a 罗 , 19 99 , ] ! 5 2 9 0 【91 冉圣宏 , 金建君 . 脆 弱生 态区 评 价理论 与方法 . 自然资源 学报 , 2 0 0 2 , 1 7( l ) : 一 7 【10 1 问旭赛 . 矿区 生态 系统健 康评 价理 论 与方法研 究 : t学位 论文 ] . 北 京 : 北 京科技 大学 , 2 0 04

Vol.27 No.3 闫旭骞等：矿区生态系统健康评价的理论和方法 ·355· Theory and method of ecosystem health assessment in a mining area YAN Xuqian2,ZHANG Shuntang 2,YUAN Huaiyu I)Shandong Institute of Business and Technology,Yantai 264005,China 2)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the connotation of ecosystem health in a mining area and an index system for assessment established in this paper,the status quo of ecosystem health was assessed by the fuzzy theory and its tread in devel- opment was predicted by the grey theory.The non-linear theory was applied to assess the stabilities of the ecosystem and a comprehensive assessment method was proposed.The results show that the situation of ecosystem health in the investigated mining area is sub-healthy.It is necessary to adjust and control the situation and some measures were recommended. KEY WORDS mining area;ecosystem health;assessment 5望6aoee里asYs2ms望sYas里sts皇ao望os业as望eo望o业a6童asa6Y6s望as望es望6堂o业a6Ye6堂%aoPoo业ao业ss业as7sts望6里a6业a6Ye66业es业a6ts堂as业 [Journal of University of Science and Technology Beijing(English Edition)2005,12(2):139] Microstructural morphology of semi-solid high carbon steel T12 before and after rheo-rolling LI Jiguang,KANG Yonglin,ZHAO Aimin,ZHAO Zhiping,YIN Xiandong Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083,China ABSTRACT The semi-solid high carbon steel T12 was rolled in closed box groove under a certain condition by the rheo-rolling equipment developed by our research group,and the microstructural morphology of semi-solid T12 before and after deformation was investigated by optical microscope in order to analysis and summarize the micro- structure evolution law of T12 deformed in semi-solid state.The experiments results show that the grains shape be- fore deformation of semi-solid T12 steel display globule or ellipse by the electromagnetic stirring,the distribution of solid and liquid phase is homogeneous.but the microstructure of semi-solid product after rheo-rolling exhibits macrosegregation that distribution of liquid and solid phases changes,the liquid phases divorce from the solid phases,most of solid phases get together in the center of the specimen and liquid phases flow to the surface or the edge of the specimen,the grains occur plastic deformation while reduction increased in transact.The middle micro- structure is more homogeneous than head or tail position in longitudinal direction,the head microstructure is similar to the tail and the size of grain is not homogeneous. KEY WORDS semi-solid,high carbon steel,T12,rheo-rolling,microstructural morphology

L N b V 7 2 0 . 闰 旭鸯等 3 : 矿 区生态 系统 健康评价 的理 论 和方法 一 5 5 3 - h T e o m r na y d e t h o d o f e e s o y s t e m h e a t h l e a s s s s m e t n i n a m i n i n r g a e a q N u a i X A Y , n , , ), 2 1丈咬刀 G hS u n at 叮 , , , ), Y乙只N uH a iy u , , 1 ) S h an d o gn nI st i t u t e fO B su sme s an d eT c h n 0 1 o 留 , 丫姗 tia 2 6 40 0 5 , C ihn a 2 ) C i v il an d E n v ior nm e ant l Egn ine e irn g S e h o o l , nU i v e rs ity o f S e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij in g, B e ij in g l 0 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T B as e d o n ht e e o n o t at i o n o f e e o s y s te m h e a lht i n a m i n i n g are a an d an i n d e x s y s t e m of r a s s e s s m e in e s atb li s he d in ht i s P aP er, het s t a ut s q u o o f e e o sy st em he a lht w as as s e s s e d by het fu 石卿 het o yr an d it s tr e ad in d e v e l - o Pm e n t w a s Per di e et d b y ht e gr e y ht e o .yr hT e n o n 一 li n e ar ht e o yr w a s ap Pli e d t o as s e , 5 ht e s abt iliti e s o f ht e e e o s y s t e m 阶d a e o m P r e h e n s i v e a s s e s sm ent m het o d w a s rP oP o s e d . hT e er s ul t s s h ow ht at ht e s iut at i o n o f e e o s y s t e m h e a l ht i n ht e ivn e s ti g at e d m in in g ar e a 1 5 s ub 一 h e a lt .hy It 1 5 n e e e s s a yr t o a dj u s t an d e o n otr l ht e s i ut a t i on an d s o m e m e a s ur e s w e er er e o们n m e n d e d . K E Y W O R D S m iin n g aer a ; e e o s y s t e m h e a lht ; a s s e s sm e in o[J urn a l of nU vlesr 妙 of cs ie n c e a n d eT c h n o l o 舒 eB ij i n g 准加g lis h 云id ti o )n 2 0 0 5 , 12 (2 ) : 13 9 ] M i e or s t ur e n ir a l m o pr h o l o g y o f s e m i 一 s o li d h i g h c a r b o n s t e e l T 1 2 b e fo r e an d a ft e r ht e o 一 r o llin g LI J igU a gn, 尤 JN G oY州 i,n Z月月 O 注 im in , Z H 注口 hZ iP i n g , } ZV iX a n do gn M at ier a l s S c i e n e e an d E n g in e erm g S e ho o l , nU i v e sr iyt o f s e ien e e an d eT e hn o l o g y B e ij in g , B e ij ign , 10 00 83 , C h in a A B S T R A C T T h e s e m i 一 s o l id h ihg c ar b o n s t e e l T 12 wa s or ll e d i n e l o s e d b o x gr o o v e un d e r a e e rt a i n e o n d it i on by ht e ht e o 一 r o l li n g e q ulP m e in d e v e lop e d 妙 o ur er s e ar e h gr o uP , an d ht e m i e or s trU c t ur a l m o rp h o l o gy o f s e m i 一 s o li d T 12 b e fo r e an d a ft e r d e fo mr iat o n 、 v a s ivn e s t i g at e d by o P t i e a l m i e or s e op e in o r d e r t o an a l y s i s an d s um m iar z e ht e m i e or - s trU e t ir e e v o lut i o n I aw o f T 12 d e fo mr e d i n s e m i 一 s o li d s at e . hT e e x P e r im e in s er s u It s s h o w t h at ht e gr a in s s h aP e b e - fo r e d e fo mr at i o n o f s e m i 一 s o li d T 12 s t e e l d i s P lay g l o b u l e o r e lli P s e b y ht e e l e e tr om a g刀e t i e s t ir i n g , ht e d i s itr b ut i o n o f s o l i d an d li qul d Ph as e 1 5 h o m o g e n e o u s . b ut ht e m i e r o s tr u c t Ur e o f s e m i 一 s o li d P r o du e t a ft e r ht e o 一 or lli n g e hx i b it s m ac r o s e gr e g at i o n ht at d i s itr b iut o n o f liqu i d an d s o l i d P h as e s e h an g e s , ht e liqul d P h a s e s d i v o cr e for m ht e s o li d P h a s e s , m o s t o f s o li d P ha s e s ge t t o g e het r in het c ent e r o f het s P e e im e n a n d li qul d Pha s e s flO w ot ht e s ur fa e e o r het e d g e o f t h e s P e c im e n , th e gr ia n s 0 c c ur P l a s t i e d e fo mr at i o n w h il e r e du e t i o n i n e r e a s e d i n tr a n s ac t . hT e m i d d l e m i c or · s t u c奴叮e i s r n o r e h o m o ge en ous ht an he ad or t ia l P o s it o n in 1 0 n g 1 ut d in a l idr e e it on , ht e h e a d m i cr o s lt u c t迸e i s s im il ar t o ht e tia l an d ht e s i z e o f gr a l n 1 5 n o t h o m o g e n e o u s . K E Y W O R D S s e m i 一 s o li d , h ihg e abr o n s t e e l , T 1 2 , ht e o 一 r o llin g , m i e or s trU c t u r a l m o pr h o l o gy