環境熵評價建模及煤礦循環經濟系統應用實證研究

韓麗麗，李春蕾，王傳鵬，譚 梅 ，宋華嶺

(1.山東師范大學管理科學與工程學院，山東 濟南 250318；2.濟南大學泉城學院，山東 蓬萊 265600；3.山東工商學院管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005 )

經濟研究

環境熵評價建模及煤礦循環經濟系統應用實證研究

韓麗麗1，李春蕾2，王傳鵬2，譚 梅1，宋華嶺3

(1.山東師范大學管理科學與工程學院，山東 濟南 250318；2.濟南大學泉城學院，山東 蓬萊 265600；3.山東工商學院管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005 )

本文應用基于熵信息的復雜性測度理論，對煤炭循環經濟的生態環境系統進行分析，提出了循環經濟的生態與環境系統環境熵的概念，用于描述循環經濟系統產業鏈各個產業節點產生的固體、液體和氣體及其它廢棄物對生態與環境系統所造成的損害程度，并建立了基于熵復雜信息量度量的循環經濟系統環境熵評價模型。應用該模型對典型的煤礦循環經濟系統——西山煤電古交礦區循環經濟園區的生態、環境及其環境熵進行了復雜性測度實證研究，提出了一種環境熵評價的研究方法與應用案例。

復雜性；循環經濟系統；環境熵；復雜性測度

人類在創造人工系統進行生產活動的過程中，向自然系統不斷的排放其代謝物，造成環境的嚴重污染形成——環境熵。由此引起的環境污染問題已經成為我國目前社會、安全與經濟發展面臨的急需解決的問題，特別是煤炭資源開發應用產業，向清潔能源開發利用的經濟轉型迫切眉睫。循環經濟作為一種資源再開發利用的反饋式發展模式，在資源開發型的煤炭產業應用，成為經濟轉型且減少環境熵的一種發展模式。

對于循環經濟體系的生態環境評價問題，有些學者提出環境熵的評價思想，但目前多限于概念層次，對于環境熵的量化與數學模型研究，則是一個新的內容。周賓等人曾采用生態足跡-環境熵對嘉峪關市規劃基期(2005年)的生態環境容載力進行定量分析，對2001～2008年嘉峪關市的環境熵進行了實證分析[1]。趙海霞等人從環境演變動態、系統的觀點出發，以不同的時空尺度相配置，對氣候波動與地表植被盛衰變化的關系，植被退化、土地沙化發生的地質歷史過程和現代過程，提出了與這種周期性氣候波動相適應，在彈性限度內有效遏制環境熵增所采取的對策[2]。周賓等人還將環境熵定義為城市化對城市環境的影響程度，相當于環境水平變化與城市化水平變化的熵值，并對漢中環境熵的主要環境污染物排放量與城市化率的變化進行實證分析[3]。江水法認為社會環境、自然環境、生活環境和環保產業等價格為環境價格，它的客觀基礎是環境熵[4]。歐陽婷萍運用“城市環境熵”以珠江三角洲經濟區城市化河水為例，進行實證研究[5]。

在循環經濟復雜系統評價與評價參量量化問題方面研究，特別是在其復雜系統環境熵及其定量化研究與建評價模型方面的研究成果較少。在循環經濟復雜系統評價與評價參量量化問題方面研究，特別是在其復雜系統環境熵及其定量化研究與建評價模型方面的研究成果較少。作者曾提出復雜系統的信息熵評價理論，并應用擴展的復雜性研究方法，對復雜性問題進行研究，在管理科學學報等期刊發表論文多篇[6-9]，本文這里對循環經濟系統環境熵進行復雜性分析與評價，建立了基于信息量度量的環境熵評價方法與模型，并對典型的西山古交礦區多礦集約式進行實證研究。

1 建立基于熵理論的循環經濟系統環境熵評價模型

關于環境熵的建模與測度模型，本文不同于其他研究，依據系統理論，宏觀與微觀系統結合，并依據熵理論的基本概念，建立循環經濟系統環境熵評價模型體系。

1.1 熵與環境熵的基本概念

在熱力學，一個系統自發的過程都是熵增的過程，反之使熵減少的過程則需要外力的介入。隨著社會的發展，對環境輸出的正、負能量越來越大，熵產生速度越來越快，必然使系統更加混亂無序，這就是熵增的過程；而要想使這個系統有序化，就需要人為的進行能量的輸入，摒除與降解無用的物質—減熵過程。

本文利用熵的重要特征，作為度量復雜環境熵信息的尺度，解決循環經濟復雜系統環境熵測度的尺度與建模、系統的增熵與減熵的過程問題。這里環境熵用于描述循環經濟產業鏈各個節點上，生產排放的固體、液體、氣體工業廢料對生態環境系統的破壞程度，即是對微管個體對。系統整體引起的混亂、無序的程度的度量。

環境熵定義為：生態環境復雜系統各個微觀子系統的無序程度在宏觀整體上宏觀量的表征，即循環經濟系統各個節點排放與喂給到生態環境系統中的固體、液體與氣體廢料物對生態與環境系統造成的損害、混亂與無序程度的宏觀總體上的度量量。

環境熵增加E增：循環經濟產業鏈的梯次階段i，產業鏈節點j處于增熵狀態s增(i，j)時，產生的固體、液體、氣體工業廢料物給排放到生態環境系統造成混亂與無序程度的度量。

環境熵減少E減：循環經濟產業鏈的梯次階段i節點，產業鏈j處于減熵狀態s減(i，j)時，產生的固體、液體、氣體工業廢料物通過綜合利用，降解減少對生態環境系統造成損害、混亂與無序程度的度量。

1.2 環境熵概念的數學模型表征

對于一個循環經濟產業鏈系統，設階段i為循環經濟系統的產業鏈系統的遞階梯次，i=1，2，…m。

節點j：循環經濟系統產業鏈上的各個產業單元，j=1，2，…n。

1.3 環境熵評價模型的建立

若i階段梯次和產業鏈節點j的增熵狀態為s增(i，j)，則第i階段梯次和產業鏈節點j產生的系統環境熵增加見式(1)；若i階段梯次和產業鏈節點j的減熵狀態為s減(i，j)，則第i階段梯次和產業鏈節點j減少的環境熵減少見式(2)。由式(1)、式(2)引出式(3)、式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

將每個階段梯次的環境熵增加累加可以得到整個循環經濟系統的環境熵增加量，見式(6)。

(6)

將各階段梯次的每個產業鏈節點減少的環境熵減少進行累加，得到循環經濟系統各階段梯次減少的環境熵，見式(7)。

(7)

將每個階段梯次減少的環境熵累加，得整個循環經濟系統減少的環境熵量值，見式(8)。

(8)

依此，建立了關于環境熵評價的數學模型，本文將應用此模型對我國煤礦典型的循環經濟園區西山煤電集團古交循環經濟園區進行環境熵的評價。

2 實證研究——西山煤電古交礦區循環經濟多礦集約式模式園區環境熵評價

古交循環經濟園區是我國典型的產業鏈系統復雜、產業集群集約化的煤礦循環經濟園區。該園區建立了多個煤礦為產業園龍頭產業，包括屯蘭礦、馬蘭礦、東曲礦、西曲礦和鎮城底礦為一級產業的物料喂給產業鏈龍頭節點，以連接各龍頭產業運煤通道為鏈條線，將煤矸石、中煤供給世界最大的配煤廠——古交配煤廠集中配煤，再喂給中煤坑口電廠——興能發電有限責任公司、進行發電。整個園區形成三條產業鏈系統，分別為“煤-電-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生資源”。古交循環經濟園區是我國典型的產業鏈系統復雜、產業集群集約化的煤礦循環經濟園區。該園區建立了多個煤礦為產業園龍頭產業，包括屯蘭礦、馬蘭礦、、東曲礦、西曲礦和鎮城底礦為一級產業的物料喂給產業鏈龍頭節點，以連接各龍頭產業運煤通道為鏈條線，將煤矸石、中煤供給世界最大的配煤廠——古交配煤廠集中配煤，再喂給中煤坑口電廠——興能發電有限責任公司、進行發電。整個園區由三條產業鏈系統由“煤-電-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生資源(煤層氣、鋁、鐵等)”構成，形成了我國目前規模最大、節點最復雜、環境保護最好的循環經濟園區，其產業鏈系統見圖1。

應用前述循環經濟系統環境熵評價模型進行計算，給出系統各產業鏈節點廢棄物排放與利用情況，見表1。

2.1 環境增熵

各梯次層次和各產業鏈節點的排放與喂給到生態環境自然系統的廢棄物由向量表示出來，應用式(1)～(8)，計算各層次各節點的排放到自然界中的廢棄物的熵值，并計算各層次各節點的環境增熵，計算結果見表2。

由表可知，古交循環經濟園區環境熵E增=1.052。

2.2 環境減熵

圖1 古交循環經濟產業鏈系統圖

表2 古交循環經濟園區環境熵計算表

各梯次層次和各產業鏈節點被綜合開發利用的廢棄物由向量表示；計算各層次與節點的被下階次節點產業開發利用的廢棄物，求的在整個循環經濟體系中所占的比例；計算各層次與各產業鏈節點的環境熵減少值。由于p(i，j)在1/e=0.3679兩端的環境熵計算公式不同，先進行比較p(i，j)和1/e的大小關系，然后進行計算，計算結果見表3。

由表3可知，古交循環經濟園區減少對環境熵E減=0.746。

3 結果分析

1)產業鏈的長度與復雜程度是影響環境熵的增減的重要因素。西山園區是一個多礦產業鏈節點集約式的循環經濟模式，產業鏈系統喂給關系復雜，節點多。

2)循環經濟系統節點的產業綜合利用技術先進程度的高低與優劣，是影響環境熵的增減的重要因素。古交循環經濟園區的環境熵減少值為0.746，其值占總的系統整體熵產生的41.5%。各階次產業產生的喂給物料與廢棄物未進行降解利用，其環境熵增加，而造成環境系統的污染后，近年又有新建礦和整合礦加如該系統，各個產業鏈節點的降解能力匹配銜接的不是最好，未實現產業鏈的最終閉合。

3)循環經濟系統開發不同階段的環境熵產生不同。古交循環經濟園區中，環境熵產生最大的是系統喂給關系的第四階段，而其中第六階段最小。因其構成的化肥廠等產業各種廢棄物料進行了綜合利用，使其環境增熵大大減少，實現該園區系統產業鏈第二梯次、喂給物料產生最多的洗煤廠的廢棄物的綜合利用是環境熵減少的基本途徑。

4)由表中和以上的環境熵的增加與減少的分析可知，實施循環經濟的資源開發利用模式，減少各產業鏈節點的廢棄物的自然排放，提高各種資源的利用率，能極大地減少對生態環境造成的污染，有利于生態環境的保護。同時由環境熵的增加分析表明，應力爭建立完善的循環經濟產業鏈系統，力爭做到資源的充分利用，否則，則引起環境熵的增加。并且要通過先進的綜合利用技術和資源環境管理等措施，來減少環境熵增加。

表3 古交循環經濟園區產業鏈系統環境熵減少計算表

對于環境熵評價與量化研究問題，是一個較新的研究內容，本文提供了一個研究方法。我國的資源型、高能耗、高污染的企業，如煤炭、鋼鐵、石化產業，必須建立減熵或者增加負熵的產業鏈系統，通過建設其遞階減熵的綜合利用產業鏈系統，使不同階次的廢棄物變成了可用的高度有序的產品資源，減少了對環境熵產生，實現廢棄物減量化與循環利用，使人類人造系統的生產與消費過程的產生環境熵最小，系統達到最優。這對當前我國進行霧霾治理，減少與消除氣體污染物的排放研究也具有重要意義。

[1] 周賓，陳興鵬，張旺鋒，等.基于EF-EE的嘉峪關生態環境容載力實證[J].干旱區資源與環境，2011，25(4)：33-38.

[2] 趙海霞，那日蘇，劉雅學，等.草原植被退化與氣候波動跨學科研究評述[J].科技創新導報，2011(4)：144-145.

[3] 周賓，陳興鵬，張燕霞.循環經濟指導下的漢中環境熵聚類實證[J].資源與產業，2010(5)：159-163.

[4] 江水法.環境價格的客觀基礎和主要形式—環境熵及其標志性價格[J].中國物價，2010(5)：21-23.

[5] 歐陽婷萍，朱照宇，匡耀求，等.城市環境熵模型的建立及其在城市化環境影響評價研究中的應用[J].生態環境，2007，16(6)：1824-1828.

[6] 宋華嶺，劉全順，劉麗娟，等.管理熵理論-企業組織系統復雜性度量的新尺度[J].管理科學學報2003，6(3)：19-27.

[7] 宋華嶺.企業車間系統結構與工藝復雜性多維度評價[J].管理科學學報，2007，10(1)：54-61.

[8] 宋華嶺，溫國鋒，李金克，等.基于信息度量的企業組織協同復雜性評價[J].管理科學學報，2009，12(3)：22-36.

[9] 宋華嶺.復雜性測度理論、方法與實證研究[M].北京：經濟管理出版社，2010：96-97.

Research into environmental entropy of coal circular economy system

HAN Li-li1，LI Chun-lei2，WANG Chuan-peng2，TAN Mei1，SONG Hua-ling3

( 1.School of Management Science and Engineering，Normal University of Shandong，Ji’nan 250318，China；2.Quancheng School，Jinan University，Penglai 265600，China；3.School of Management Science and Engineering，Shandong Institute of Business and Technology，Yantai 264005，China)

With entropy based complexity measurement under the theory of complex system，this paper oriented to evaluate the ecological environment of coal circular economy system.The concept of environmental entropy is presented and under which the degrees of disorder or pollution to environment is quantitative in respective nodes of circular chain.Consequently，an environmental evaluation model is set up，which is based on complexity metric of entropy，and empirical research on two cases，which are Gujiao Mine Circular Economy Park of Xishan Coal Electricity Group ，indicates that the proposed model is available to environment evaluation of coal circulation industries.The highlights are preferred to conclude as a new environmental entropy metric method and an application case in this paper.

complexity；circular economy system；environmental entropy；evaluation of complexity

2014-08-25

國家自然科學基金項目資助(編號：71373148)；山東省自然科學基金項目資助(編號：Y2006H10)；教育部人文社會科學研究項目資助(編號：11YJA630101)

韓麗麗(1987-)，女，山東臨沂人，山東師范大學碩士研究生，研究方向為資源管理復雜性。E-mail：hanlili1117@163.com。

F407.21

A

1004-4051(2015)05-0031-06