礦山可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價

陳文彬

礦山可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價

陳文彬

從礦山生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的基本矛盾出發(fā)，引進城市生態(tài)學(xué)中的全排列多邊形圖示指標(biāo)法，結(jié)合生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟學(xué)的整合評價指標(biāo)——生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)指標(biāo)，綜合考慮社會、經(jīng)濟和環(huán)境三方面的內(nèi)容，對元寶山露天煤礦可持續(xù)性的歷年發(fā)展?fàn)顩r做出了動態(tài)多尺度的分析和評價。研究結(jié)果表明：元寶山露天煤礦的生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)在1.43～4.55之間波動，生態(tài)足跡多樣性指數(shù)在0.578 2～0.720 7之間變化，說明礦山要維持經(jīng)濟增長所付出的生態(tài)資源消耗量將會更大。從多邊形圖的形狀變化趨勢可以看出，元寶山露天煤礦經(jīng)濟發(fā)展步伐加快的同時也加速了對生態(tài)資源的掠奪，這種發(fā)展模式存在著一定的不合理性。

可持續(xù)性；整合評價；生態(tài)足跡；生態(tài)承載力；礦產(chǎn)資源開發(fā)

0 引言

可持續(xù)發(fā)展的核心問題是資源和生態(tài)環(huán)境[1]。工業(yè)革命以后，由于社會生產(chǎn)力極大提高，人們開采礦產(chǎn)資源的種類在不斷增加，開采的方式在不斷革新，開采的總量在不斷增大，其產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重[2]。深入研究礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境問題，尤其是對礦山經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性做出定量的、全面的、綜合的評價，使生態(tài)-經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的理念在礦山生產(chǎn)中轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的管理模式，已經(jīng)成為實現(xiàn)礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)利用的核心所在，也是其亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

評價礦山發(fā)展的可持續(xù)性，也就是利用適當(dāng)?shù)亩炕治龉ぞ撸炕V山經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展對礦山生態(tài)系統(tǒng)的依賴和對生態(tài)資源的需求，以及定量測度礦山生態(tài)系統(tǒng)對資源的供給。因此，對礦山的可持續(xù)性進行評價，也就是對礦山經(jīng)濟系統(tǒng)對自然資源的需求量和礦山生態(tài)系統(tǒng)對自然資源的供給量做出定量的、直觀的、科學(xué)的評價。20世紀(jì)90年代提出的生態(tài)足跡模型為礦山生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的定量分析和評價開拓了新途徑。

生態(tài)足跡 （EF） 是由 William E.Rees和 Mathis Wackernagel等于1992年提出和發(fā)展起來的。生態(tài)足跡（EF）是支持特定人口或經(jīng)濟體的資源消費和廢棄物吸收所需要的具有一定生態(tài)生產(chǎn)力的土地的面積，是用生態(tài)性土地面積來度量一個確定人口或經(jīng)濟規(guī)模的資源消費和廢棄物吸收水平的賬戶工具。生態(tài)足跡方法是定量測度綜合生態(tài)壓力的較好方法[3-5]。該方法以社會代謝中的生物質(zhì)和能源消費為重點，為度量人類對生態(tài)資源的占用提供了方法和指標(biāo)[6]。如果把人類活動對生態(tài)環(huán)境的沖擊比作負載著人類及其所創(chuàng)造的物質(zhì)文明的沉重的巨腳踏在地球上，那么生態(tài)足跡就是測度這只腳留下的腳印的大小的方法和指標(biāo)[7]。

本文構(gòu)建了基于生態(tài)足跡指標(biāo)的礦山可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價模型，利用該模型對元寶山露天煤礦1995年～2007年經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進行了詳細的分析和系統(tǒng)的評價。本研究對于在生態(tài)系統(tǒng)承載能力有限的前提下，思考礦山經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)系列問題具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

1 生態(tài)足跡基本指標(biāo)

1.1 生態(tài)足跡需求模型

在生態(tài)足跡需求賬戶計算中，生態(tài)生產(chǎn)性土地主要考慮以下6種類型：耕地、草地、林地、化石能源土地、建設(shè)用地和水域。生態(tài)足跡EF(Ecological Footprint)計算公式為：

式中：EF——總的生態(tài)足跡；

N——人口數(shù)；

ef——人均生態(tài)足跡；

i——消費品和投入的類型；

j——生態(tài)生產(chǎn)性土地類型；ci——第i種消費品的人均消費量；pi——第i種消費品的平均生產(chǎn)能力；rj——等量因子。

1.2 生態(tài)承載力模型

研究區(qū)域?qū)嵱械?類土地面積sk（k=1，2，…，6） 分別乘以相應(yīng)的產(chǎn)量系數(shù) λk和等量因子 γk（k=1，2，…，6），然后求和，就是具有全球平均生產(chǎn)力的生態(tài)承載力EC(Ecological loading Capacity)：

1.3 生態(tài)效率模型

生態(tài)效率一般定義為使用單位生態(tài)資源能夠獲得的產(chǎn)出。應(yīng)用生態(tài)足跡指標(biāo)構(gòu)建研究對象的生態(tài)效率時，生態(tài)資源的使用量即為生態(tài)足跡的大小，而產(chǎn)出一般為經(jīng)濟產(chǎn)出（如工業(yè)產(chǎn)值等）。其計算模型為：

2 礦山可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價模型

2.1 全排列多邊形圖示指標(biāo)模型

回顧近20 a來有關(guān)可持續(xù)發(fā)展量化指標(biāo)的構(gòu)建可以看出，不同的專家或研究機構(gòu)的視角可能不同，但總體的研究思路是以某種方式把自然資源和環(huán)境狀態(tài)與社會、經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)同時考慮。即一般情況下是在社會、經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮環(huán)境因素，以達到體現(xiàn)發(fā)展的可持續(xù)性的目的[8]。更有的為全面反映可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計了涵蓋社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多個方面的一百幾十個指標(biāo)，能夠較全面地反映可持續(xù)發(fā)展的狀況。但這些指標(biāo)體系嚴(yán)格來說還是單一指標(biāo)的簡單組合，每個指標(biāo)反映某個方面的一個側(cè)面，在加權(quán)計算的時候又有權(quán)重處理的主觀性強、任意性大的問題，存在一定的不確定性，在實踐中也會出現(xiàn)種種估值困難。

指標(biāo)綜合方法——全排列多邊形圖示指標(biāo)法是由吳瓊等[9]于2005年提出的城市生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的方法。應(yīng)用全排列多邊形圖示指標(biāo)法對礦山可持續(xù)性進行多尺度整合評價：①既有單項指標(biāo)又有綜合指標(biāo)，既有幾何直觀圖示又有代數(shù)解析數(shù)值，既有靜態(tài)指標(biāo)又有動態(tài)趨勢；②與傳統(tǒng)簡單加權(quán)法相比，不用專家主觀評判權(quán)系數(shù)的大小，減少了主觀隨意性；③當(dāng)分項指標(biāo)值落在臨界值以下時其對綜合指標(biāo)產(chǎn)生緊縮效應(yīng)(邊長小于1)，當(dāng)分項指標(biāo)值落在臨界值以上時其對綜合指標(biāo)產(chǎn)生放大效應(yīng) (邊長大于1)，反映了整體大于或小于部分之和的系統(tǒng)整合原理。在吳瓊等[9]的全排列多邊形圖示指標(biāo)法中，關(guān)鍵值、下限和上限均是由專家進行估算的。在本研究中，將每一指標(biāo)的平均水平作為關(guān)鍵值，最小值作為其下限，最大值作為其上限，從而可以反映礦山系統(tǒng)的真實動態(tài)情況，同時也減小了在評價過程中人為主觀因素對評價結(jié)果的影響。

對于所選取的指標(biāo)利用以下公式計算每一個指標(biāo)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值:

利用n個指標(biāo)可以做出一個中心正n邊形。n邊形的n個頂點為Si=1時的值，中心點為Si=-1時的值，中心點到頂點的線段為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值所在的區(qū)間，而Si=0時構(gòu)成的多邊形為指標(biāo)的臨界區(qū)。臨界區(qū)的內(nèi)部區(qū)域表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值為負，外部區(qū)域表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值為正。

綜合指標(biāo)值的計算公式如下：

基于生態(tài)足跡的全排列多邊形圖示指標(biāo)法的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為雙曲線型函數(shù)。這個函數(shù)在指標(biāo)的上、下限構(gòu)成的閉區(qū)間內(nèi)是單調(diào)上升的，而且奇點不在這個區(qū)間內(nèi)（無論上下限的值如何）。在對系統(tǒng)進行多尺度整合評價時，由于采用的是面積或面積的比值作為多尺度整合評價的結(jié)果，所以綜合發(fā)展能力優(yōu)良的區(qū)域在區(qū)域總面積中所占的比例較小，系統(tǒng)達到優(yōu)良的難度呈非線性增大，反映了礦山達到生態(tài)型綠色經(jīng)濟系統(tǒng)建設(shè)最高目標(biāo)的難度在不斷增大。

對于多尺度整合評價指標(biāo)體系中指標(biāo)的數(shù)量，過少的指標(biāo)不夠全面，而過多的指標(biāo)會因為指標(biāo)間的相關(guān)性導(dǎo)致指標(biāo)間關(guān)系復(fù)雜，指標(biāo)綜合結(jié)果無法正確反映各指標(biāo)的重要性。為了將生態(tài)足跡和所解決問題的經(jīng)濟、社會及其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來進行應(yīng)用分析，本文共選取生態(tài)足跡、人均生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、人均生態(tài)承載力、人口、工業(yè)總產(chǎn)值、生態(tài)效率和萬元工業(yè)產(chǎn)值生態(tài)赤字8個指標(biāo)。這8個指標(biāo)綜合了社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境三方面的主要內(nèi)容。

2.2 生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)模型

生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性（Ecological footprint Economic Resilience，EER） 是指人類活動的自然需求對經(jīng)濟發(fā)展變化的反應(yīng)或敏感程度[10]，其彈性大小用“生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)”來表示。該系數(shù)反映了經(jīng)濟增長所要求的資源消費增長。如果生態(tài)系統(tǒng)不能支持經(jīng)濟增長所需要的資源消費，經(jīng)濟增長就會受到生態(tài)系統(tǒng)對自然資源供給有限性的制約。

其計算模型為：

式中：EER——生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)；

REF——生態(tài)足跡的年變化百分?jǐn)?shù)；

R工業(yè)總產(chǎn)值——工業(yè)總產(chǎn)值的年變化百分?jǐn)?shù)。

3 元寶山露天煤礦可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自《平莊煤業(yè)集團元寶山露天煤礦1995年～2007年度生產(chǎn)經(jīng)營計劃執(zhí)行情況》、《1995年～2007年遼寧統(tǒng)計年鑒》等。本文對這些數(shù)據(jù)進行了整理計算。計算中等量因子選擇全球標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)量系數(shù)選擇Wackernagel等對中國產(chǎn)量系數(shù)的計算結(jié)果，即中國的各類土地的平均生產(chǎn)力與世界平均生產(chǎn)力的比值。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 元寶山露天煤礦可持續(xù)性評價指標(biāo)

在對元寶山露天煤礦的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行詳細統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，利用本文的計算模型對1995年～2007年元寶山露天煤礦如下8個指標(biāo)歷年的情況進行了詳細計算，計算結(jié)果見表1。

表1 元寶山露天煤礦可持續(xù)性評價指標(biāo)歷年發(fā)展?fàn)顩r

3.2.2 元寶山露天煤礦可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價

應(yīng)用本文建立的動態(tài)多尺度整合評價模型對所選取指標(biāo)的歷年值進行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)各個指標(biāo)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化值繪制元寶山露天煤礦歷年的全排列多邊形示意圖 (見第4頁圖1）。

從圖1可以看出，元寶山露天煤礦經(jīng)濟系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性在1995年～2003年間發(fā)生了顯著的變化，全排列多邊形示意圖的變化過程是從“花瓣狀”演變成為“放射狀”再演變?yōu)椤盎ò隊睢钡恼w趨勢。元寶山露天煤礦可持續(xù)性歷年全排列多邊形示意圖中的“放射狀”圖形（見圖1中的1999年、2000年、2004年～2007年圖） 表明礦山生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)中的一些指標(biāo)值處于最低狀態(tài)（如元寶山露天煤礦2004年的人口數(shù)、總生態(tài)足跡以及總承載力）。1995 1995年，總生態(tài)承載力指數(shù)最大值出現(xiàn)在1996年）。“放射狀”圖形（如2000年圖）表明礦山可持續(xù)性具有較低的綜合指標(biāo)值，而“花瓣狀”圖形（如2007年圖） 表明礦山可持續(xù)性具有較高的綜合指標(biāo)值。

圖2為元寶山露天煤礦可持續(xù)性綜合指數(shù)變化趨勢。從圖2中可以看出，2000年以前，元寶山露天煤礦可持續(xù)性綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐年下降趨勢，2000年以后呈現(xiàn)波動性增長趨勢，說明了在2000年以前元寶山露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)是逐年向著臨界狀態(tài)靠近并逐漸進入內(nèi)部區(qū)域，發(fā)展能力進入較差的等級；2000年～2004年，系統(tǒng)的發(fā)展能力在0.05～0.18之間波動，2004年以后呈現(xiàn)快速增大趨勢，發(fā)展能力由2004年的0.08增大到2007年的0.34，說明系統(tǒng)進入了相對較強的發(fā)展階段。

圖3為生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)變年～1998年，隨著時間的變化，圖形位于臨界區(qū)域內(nèi)層的部分逐漸減小，說明每個指標(biāo)從最大值逐漸接近臨界值（歷年的平均水平）。1995年～1998年期間，圖形主要集中在臨界區(qū)的外層，說明元寶山露天煤礦生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)在此階段的發(fā)展?fàn)顩r要高于歷年的平均發(fā)展水平。全排列多邊圖形的兩種典型形狀“放射狀”和“花瓣狀”說明所有指標(biāo)的最小值并非全部出現(xiàn)在礦山生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)的最早時期（如元寶山露天煤礦的工業(yè)總產(chǎn)值指數(shù)最小值出現(xiàn)在1997年，人均足跡指數(shù)最小值出現(xiàn)在1999年），最大值也不是全部出現(xiàn)在系統(tǒng)的最后階段（如元寶山露天煤礦的總生態(tài)足跡指數(shù)最大值出現(xiàn)在化趨勢圖。從圖3可以看出，元寶山露天煤礦1995年～2007年的生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)不穩(wěn)定，僅有1997年～1999年以及2003年、2004年的生態(tài)足跡彈性系數(shù)為負值，這說明在這幾年中元寶山露天煤礦工業(yè)總產(chǎn)值增長的同時生態(tài)總足跡是在下降的，整個礦山生態(tài)-經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)處于一種良性發(fā)展的狀態(tài)。但是2000年～2002年以及2006年～2007年的生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)在1.43～4.55之間波動，說明了生態(tài)足跡的增長速度已經(jīng)明顯地超過了礦山工業(yè)產(chǎn)值的增長速度，生態(tài)壓力超載嚴(yán)重。元寶山露天煤礦1995年～2007年工業(yè)產(chǎn)值的平均增長率為12.79%，歷年生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)的平均值為1.27。也就是說，如果在未來實現(xiàn)12.79%的生產(chǎn)總值的增長速度，那么生態(tài)足跡的增長率將達到16.24%。經(jīng)過計算得，元寶山露天煤礦生態(tài)承載力的平均增長率僅為2.85%。由此可見，元寶山露天煤礦經(jīng)濟系統(tǒng)未來的發(fā)展可能會受到生態(tài)系統(tǒng)資源供給有限性的制約進入一種不可持續(xù)的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用構(gòu)建的基于生態(tài)足跡的礦山可持續(xù)性動態(tài)多尺度整合評價模型，對元寶山露天煤礦1995年～2007年礦山可持續(xù)性的發(fā)展?fàn)顩r進行了詳細的分析和系統(tǒng)的評價，得出以下主要結(jié)論：

①基于生態(tài)足跡的全排列多邊形圖示指標(biāo)法對元寶山露天煤礦可持續(xù)性的動態(tài)多尺度整合評價結(jié)果顯示，元寶山露天煤礦2004年以后進入了相對較強的發(fā)展階段，但從多邊形圖的形狀變化趨勢可以看出“放射狀”圖形居多，因此元寶山露天煤礦經(jīng)濟發(fā)展步伐加快的同時也加速了對生態(tài)資源的掠奪；

②生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)不穩(wěn)定，2000年以后的生態(tài)足跡經(jīng)濟彈性系數(shù)在1.43～4.55之間波動，說明了這些年份中的生態(tài)足跡增長速度已經(jīng)明顯超過了礦山工業(yè)產(chǎn)值的增長速度，生態(tài)壓力超載嚴(yán)重，礦山要維持經(jīng)濟增長所付出的生態(tài)資源消耗量將會更大，經(jīng)濟增長的越快環(huán)境壓力增大的也將越快，礦山發(fā)展的生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性較差。

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Dynamic Multi-scale Synthesis Evaluation on the Sustainability of Mining

Chen Wenbin

This article begins with the basic contradiction of ecological system and economic system in mining area.Meanwhile,this paper redefines the meaning of urban ecology which is named Full Permutation Polygon Synthesis Index Method.The coefficient of elasticity of ecological footprint,the ecological footprint diversity index and economic system development capability index are used to dynamic multi-scale synthesis evaluate ecological economic system in Yuan Baoshan open-pit coal.The results shows that the coefficient of elasticity of ecological footprint and economic fluctuates between 1.43～4.55,and the ecological footprint diversity index varied between 0.5782～0.7207.The Results indicates that Yuan Baoshan open-pit coal has to pay more ecological resources consumption to keep the rapid economic growth.The results of Full Permutation Polygon Synthesis Index Method also shows that with the accelerating pace of economic development,the consumption of ecological resources will be accelerated.This development pattern is unreasonable.

sustainability;synthesis evaluation;ecological footprint;ecological loading capacity;mineral resources exploitation

TD98

A

1000-4866（2011）01-0001-05

陳文彬，男，1964年1月出生，1983年8月大同煤校畢業(yè)（采礦專業(yè)），現(xiàn)在山西煤炭進出口集團內(nèi)蒙古浩沁煤電籌備處工作，工程師。

2010-11-19

2010-12-15