孙灏副教授团队：基于压力–状态–响应模型和多源遥感数据的矿区生态风险评价——以高头窑煤矿为例

创新点

矿区生态风险评价旨在评估矿区生产活动对矿区生态系统产生不利影响的可能性及其强度。该评价对于环境问题预测、预防、生态保护策略制定及矿业可持续发展至关重要。现有相关研究所构建的评价指标体系指标获取相对困难，不利于动态或实时风险评价。本文采用“压力−状态−响应”模型和多源遥感解译方法，建立了一种遥感与地理信息驱动的矿区生态风险评价框架。该评价框架中压力指数包括距采空区距离、沟壑密度等，状态指数包括生态质量、结构和服务功能等，响应指数包括土地复垦规划分布等。本研究最终以高头窑煤矿为例，成功实现了 10 m分辨率的生态风险空间分布评价，通过与单一指标综合比较、与未开采时期的生态服务功能比较、以及与实地调查数据比较表明，本文评价结果与矿区实际情况具有较高的一致性。本文构建的矿区生态风险评价方法，数据易于获取且操作简便，在业务化、动态或实时矿区生态风险评估方面具有较大应用潜力。

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基于压力–状态–响应模型和多源遥感数据的矿区生态风险评价——以高头窑煤矿为例

作者：石燕^1,2, 孙灏^1,2, 崔希民^1,2, 蒋金豹^1,2, 吴瑞翔^1,2, 王超群^1,2

单位：1. 中国矿业大学(北京) 内蒙古研究院；2. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院

引用格式：

石燕，孙灏，崔希民，等. 基于压力−状态−响应模型和多源遥感数据的矿区生态风险评价−以高头窑煤矿为例[J]. 绿色矿山，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

矿区生态风险评价旨在评估矿区生产活动对矿区生态系统产生不利影响的可能性及其强度。该评价对于环境问题预测、预防、生态保护策略制定及矿业可持续发展至关重要。现有相关研究所构建的评价指标体系指标获取困难，不利于动态或实时风险评价。本研究以高头窑煤矿为例，采用“压力–状态–响应”模型和多源遥感解译方法，建立了一种矿区生态风险评价框架，其中压力指数包括距采空区距离、沟壑密度等，状态指数包括生态质量、结构和服务功能等，响应指数包括土地复垦规划分布。结果表明，评价层权重为压力0.68、状态0.2、响应0.12，压力指标为主导；实现了10 m分辨率的高头窑矿区生态风险评价，评价结果表明宏观上中部生态风险较高，矿区周边生态风险较低；与单一指标综合比较、与未开采时期的生态服务功能比较以及与实地调查数据比较表明，评价结果与实际情况具有较高的一致性。研究发展的技术框架有助于矿区生态风险的动态或实时评估。

引言

矿区包括若干矿井或露天矿的区域，有完整的生产工艺、地面运输、电力供应、通信调度、生产管理及生活服务等设施。矿区生态风险评价是在矿区范围内描述和评估人为活动对生态系统及其组分产生不利影响的可能性和大小的过程。这一过程对于预测潜在环境问题、预防其发生、指导制定生态环境保护与恢复策略，以及促进矿业的可持续发展具有至关重要的作用。随着社会对生态文明建设和绿色矿山发展理念的日益重视，矿区生态风险评价已成为环境管理和决策支持的关键工具。当前，矿区生态风险评价面临的挑战包括生态系统的复杂性、风险因素的多样性以及生态环境变化的不确定性。因此，评价工作需要构建一个多指标的生态评价体系，综合运用遥感监测、GIS空间分析、模型模拟等现代技术手段对这些指标进行综合评价，以确保评价结果的科学性和实用性。

矿区生态风险评价体系的研究进展主要集中在风险评价理论与方法的构建、风险源和受体的识别与分类，以及风险评估模型与技术方法的发展上。近期的研究成果显示，研究者们遵循客观性、整体性、层次性和可比性原则，构建了更为全面和科学的评价指标体系。该体系旨在量化多风险源与多风险受体和多种评价终点(即生态效应)之间的交互作用 ，并评估矿区生态系统各个单元之间的暴露与危害作用关系。如张思锋等基于矿区的生态风险源、风险受体及多种生态效益，采用生态梯度风险评价法构建一个包含采空塌陷、土壤质量破坏、大气污染、水资源量损失、水资源污染、植被枯死等多指标的综合生态风险评价指标体系，对榆林煤炭开采区进行评价；杨瑞等采用生态风险因果链模型，建立以自然地理、矿区地质环境、土地损毁情况和生态敏感度4个方面构建评价指标体系以研究井工开采活动造成的生态风险问题，最终得出该区域的生态风险分区结果；郭淑慧基于“压力−状态−响应”(PSR)模型构建以花垣县矿区人均收入、开发利用水平、废水排放量、废弃物排放量等多指标评价体系评价花垣县矿区生态风险。目前生态风险综合评价中，多指标的融合方法有综合指数法、层次分析法、灰色关联度法、物元评判法、主成分投影法等。以上每种方法都有其特定的适用条件以及各自的优势和局限性。鉴于研究的实际操作性和执行效率，在完成指标数据的量化处理后，选择了广泛应用于实际并得到普遍认可的层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)来确定各项指标的权重。随后，依据各指标权重进行多指标综合评价。

现有矿区生态风险评价体系中，部分指标数据的获取非常困难，很难通过遥感或地理信息数据替代。此外，很多评价指标体系未充分考虑生态系统的结构特征和服务功能，导致风险评价相对片面。现有指标体系业务化执行能力较弱，不利于动态或实时风险评价。为了克服上述局限，笔者基于多源遥感数据以及矿区实际开采情况，利用SPR模型从压力、状态、响应3方面建立矿区生态风险评价指标体系，并运用层次分析法对矿区生态风险进行了综合评价。PSR模型从人类系统与环境系统相互作用、相互影响的角度出发，对环境指标进行分类和组织，具有较强的系统性。多源遥感数据的使用也大大减轻了指标数据获取的困难，因而，本文构建的评价框架可用于矿区生态风险的动态或实时评估。

部分图片

图 1 高头窑矿区土地覆盖类型及开采区分布

图 2 高头窑矿区评价指标体系

图 3 矿区生态风险评估操作流程

图 4 压力指标分级

图 5 状态指标分级

图 6 响应指标分级

图 7 2023年高头窑矿区综合生态风险空间分布

图 8 综合结果和各指标相关性热图

图 9 2022年、2023年现开采区SCE空间变化分析

图 10 实地勘探高风险区各地质风险拍摄图

通讯作者

孙灏（1986—），男，安徽太和人，中国矿业大学（北京）副教授、博导、越崎青年学者，兼任《遥感学报》《煤炭学报》《自然资源信息化》青年编委、北京地理学会青年工作委员会副主任、中国遥感应用协会热红外遥感专业委员会委员、中国环境科学学会生态遥感监测与评估专业委员会委员、中国测绘学会矿山测量专业委员会等委员。

研究方向

土壤与植被参量遥感反演、矿区生态环境遥感应用

主要成果

近年来主持国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划子课题1项、北京市自然科学基金等省部级科研项目2项，主持其他企事业单位委托科研项目10余项。在Remote Sensing of Environment、Journal of HydrologyIEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、《煤炭学报》、《遥感学报》等高水平期刊上发表学术论文50余篇，已授权发明专利4项。荣获中国煤炭工业科学技术奖一等奖等科技奖4项，北京市高等教育教学成果奖二等奖等教学奖6项。曾获龙软科技教师贡献奖“优秀青年教师”荣誉称号。

策划丨郭晓炜

责编丨黄小雨

编辑丨李莎

审核丨常明然

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

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