基于量本利的礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建及優(yōu)化研究

謝洪軍，李 穎

(重慶理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院，重慶 400054)

一、引言

煤炭資源的開發(fā)利用水平在一定程度上與國家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平相互促進(jìn)并相互制約，近年來，煤炭資源支撐了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，相伴而來的資源約束與生態(tài)環(huán)境壓力也越來越突出，并成為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式和調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的重要“瓶頸”之一。我國煤炭礦區(qū)在形成和發(fā)展的過程中存在著諸多問題，主要的問題是礦區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈過短且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)過于單一。產(chǎn)業(yè)鏈過短導(dǎo)致礦產(chǎn)在生產(chǎn)過程中所形成的煤炭伴生資源得不到充分的利用，從縱向來講，煤炭資源沒有得到深度加工，從橫向來看，與煤共伴生的礦體及礦產(chǎn)開發(fā)過程中形成的次級資源沒有得到科學(xué)處理，從而造成了資源浪費(fèi)并給環(huán)境帶來污染，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一使得整個(gè)煤炭礦區(qū)的穩(wěn)定性差，且給礦區(qū)的發(fā)展帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)煤炭礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必由之路是發(fā)展基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的生態(tài)工業(yè)園區(qū)模式，而發(fā)展生態(tài)工業(yè)園區(qū)模式的基礎(chǔ)即是生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建。目前，我國關(guān)于礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建的研究為數(shù)不多，張帥等［1］重點(diǎn)分析了煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位，詳細(xì)總結(jié)了我國煤炭資源利用中存在的問題，提出了構(gòu)建基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。譚大鵬等［2］重點(diǎn)研究了煤系伴生資源生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建方式。肖芬等［3］從促進(jìn)因素和阻礙因素兩方面對煤炭礦區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈延伸的影響作用進(jìn)行分析，建立了雙因素模型，并對其進(jìn)行了實(shí)證研究。賀振偉等［4］以平朔礦區(qū)為例，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度，分析礦區(qū)工業(yè)—生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性和可行性。于成學(xué)等［5］從低碳經(jīng)濟(jì)的視角分析了生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的多元穩(wěn)定因素。於世為等［6］以超化礦區(qū)為例，根據(jù)煤炭生產(chǎn)特點(diǎn)，對礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了延伸和優(yōu)化，并對延伸后的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了效益分析。本文將依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，構(gòu)建基于煤、與煤共伴生礦體以及開發(fā)過程中的次級資源循環(huán)利用的煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)模型，并對其生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化研究，使整個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈得以優(yōu)化，以期為煤炭礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展及其生態(tài)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)提供理論和實(shí)踐參考。

二、煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)模型構(gòu)建

循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式的三大基本原則是資源減量化、產(chǎn)品再利用及廢棄物資源化，提倡“資源—產(chǎn)品—再生資源”閉路循環(huán)路線，實(shí)際上就是使得物質(zhì)和能量得到最優(yōu)化的利用，廢棄物得到最小化的排放，某企業(yè)的流出物(包括其產(chǎn)品、副產(chǎn)品或廢棄物)可以作為其他企業(yè)的原料進(jìn)行供應(yīng)，從而可以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用。煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈即是以整個(gè)礦區(qū)內(nèi)部生產(chǎn)的各種資源(包括其產(chǎn)品、副產(chǎn)品及其廢棄物)為聯(lián)系紐帶，將各個(gè)不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起，模擬自然生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈原理的一種鏈狀資源流動(dòng)方式［7］。

(一)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的鏈條類型

1.縱向生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

礦區(qū)縱向生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且悦禾抠Y源的開采為主線，以其加工產(chǎn)生的廢棄物重新利用，并不斷創(chuàng)造新的價(jià)值來進(jìn)行拓展的。煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的縱向延伸路徑可以有以下幾種:煤炭—電力—養(yǎng)殖、建材、供熱、化工、肥料等;煤炭—?dú)饣裼汀⑹X油、硫磺等;煤炭—焦化—化工產(chǎn)品等。這些縱向延伸的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈都是單一的鏈狀結(jié)構(gòu)，是我國目前煤炭礦區(qū)實(shí)踐過程中最原始、最簡單的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。

2.橫向生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

礦區(qū)橫向生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈主要是以煤炭的伴生資源(如高嶺土、硅藻土、煤矸石、礦井水等)的有效利用為主線，橫向耦合多條生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。在整個(gè)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)中，單一的鏈狀結(jié)構(gòu)是不存在的，在實(shí)際工作中，在確定好鏈狀產(chǎn)業(yè)鏈耦合結(jié)構(gòu)后，根據(jù)食物鏈的“加環(huán)”設(shè)計(jì)(生產(chǎn)環(huán)、增益環(huán)、減耗環(huán)、復(fù)合環(huán))、食物鏈的“解鏈”設(shè)計(jì)、“加工環(huán)”設(shè)計(jì)等原理，使名種副產(chǎn)品、名種次級資源實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用［8］。本文主要研究煤炭開采過程中的共伴生礦物、煤矸石和礦井水的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)思路。

(1)煤炭開采過程中的共伴生礦物

煤炭資源的開采和加工過程中伴隨著大量的煤共伴生礦產(chǎn)資源，如果不加以利用，則勢必會(huì)造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)給環(huán)境帶來污染，因此，構(gòu)建合理的煤系共伴生礦物生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，可以變廢為寶，進(jìn)而提高煤炭資源的綜合利用水平。在我國煤炭礦區(qū)中的共伴生資源中，比較有利用價(jià)值的煤共伴生礦產(chǎn)主要有高嶺土、硅藻土、膨潤土、硫化鐵和石墨等。分別對其產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行橫向延伸可以得到:高嶺土—造紙、硅藻土—催化劑、膨潤土—吸附劑、硫化鐵—制取硫磺及工業(yè)硫酸、石墨—陶瓷。

(2)煤矸石

煤矸石是在煤炭資源開采及加工過程中排放出的廢棄物，約占煤炭產(chǎn)量的15% ～20%。目前，煤矸石已成為我國排放量最大的固體廢棄物之一，它給我國的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞，我們有必要在短時(shí)間內(nèi)有效地提高煤矸石的綜合利用率。以煤矸石為源頭的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈縱向延生路徑主要分為下面幾種:煤矸石—電力—建材、化工、肥料、礦業(yè)等;煤矸石—電力—煤化工;煤矸石—電力—電網(wǎng);煤矸石—電力—供熱等。根據(jù)煤炭資源開采的外部環(huán)境、資源條件及所排放的廢物特征，煤矸石的橫向耦合共生生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈可以延伸為:煤矸石—電廠—粉煤廠—煤化工、電廠—煤矸石—建材廠—建材產(chǎn)品、煤矸石—充填復(fù)墾—土地資源—農(nóng)業(yè)或旅游業(yè)等。

(3)礦井水

在煤炭資源的開采過程中，地下水與煤層、巖層接觸，加上人類活動(dòng)的影響，水資源往往會(huì)遭到嚴(yán)重的破壞，造成礦井水污染。合理利用礦井水資源，構(gòu)建礦井水生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，對節(jié)能減排的開展具有重要的意義。本文以“礦井水處理—提取熱能—初級利用—循環(huán)利用”為設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建煤炭礦區(qū)礦井水生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈體系，以期實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。經(jīng)過處理的礦井水可以用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、生活用水及煤礦井下生產(chǎn)用水，而利用水源熱泵提取的礦井水中的熱量可以用于井口防凍、職工洗浴及工廠建筑供暖，在企業(yè)內(nèi)部，通過合理的安置排水系統(tǒng)、處理凈化裝置及運(yùn)輸管道，可以實(shí)現(xiàn)礦井水的多次循環(huán)利用。

(二)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)構(gòu)建

依據(jù)上述煤炭礦區(qū)縱向生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈和橫向耦合生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)，將它們相互融合即可得出煤炭礦區(qū)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)模型(如圖1)。

圖1 煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)模型

三、煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)優(yōu)化研究

煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)中的各個(gè)企業(yè)單元在資源(包括產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物)的鏈狀流動(dòng)方面有著密切的聯(lián)系，而煤炭礦區(qū)內(nèi)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建不僅不同程度地受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平、企業(yè)生產(chǎn)政策、市場消費(fèi)需求及資源利用效率等因素的影響［9］，各企業(yè)單元的生產(chǎn)規(guī)模及資源流入與流出也對其存在一定的影響，各個(gè)企業(yè)單元之間必然存在一種生產(chǎn)規(guī)模上的動(dòng)態(tài)均衡機(jī)制，因此，我們需要設(shè)立相關(guān)的指標(biāo)，并通過指標(biāo)優(yōu)化來進(jìn)行生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化。

(一)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)中各個(gè)企業(yè)單元的最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模分析

根據(jù)量本利模型進(jìn)行分析，煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)的每個(gè)企業(yè)單元都存在著最優(yōu)的生產(chǎn)規(guī)模，某個(gè)企業(yè)單元是否可以成為這個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的節(jié)點(diǎn)，在市場需求平衡的狀態(tài)下，一般是由這個(gè)企業(yè)的產(chǎn)量能否達(dá)到最優(yōu)來決定的，可以用量本利模型分析法來確定其最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模［10］。由圖2可知，當(dāng)且僅當(dāng)Q1＜Q＜Q2時(shí)，礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈中某企業(yè)盈利;當(dāng)Q=Q1或Q2時(shí)，企業(yè)盈虧平衡;當(dāng)Q＜Q1或Q＞Q2時(shí)，企業(yè)虧損。

圖2 量本利模型分析

(二)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)中各個(gè)企業(yè)單元的資源流入與流出分析

在整個(gè)煤炭礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中存在著許多企業(yè)單元，每個(gè)橫向和縱向的耦合節(jié)點(diǎn)之間都存在著物質(zhì)、能量和信息的流動(dòng)，因而構(gòu)成了上游企業(yè)單元和下游企業(yè)單元。一般來說，上游企業(yè)單元的資源(產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物)供給能力并不受下游企業(yè)單元的影響，但下游企業(yè)單元的生產(chǎn)規(guī)模卻主要取決于對應(yīng)的上游企業(yè)單元供給資源的吸收能力。假設(shè)在整個(gè)煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系中，各個(gè)企業(yè)單元都有可能會(huì)接受n-1個(gè)企業(yè)單元的資源供給，同時(shí)，它也可以向n-1個(gè)企業(yè)單元提供資源。

1.資源流入量分析

(1)在整個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系內(nèi)，第j個(gè)企業(yè)單元接受來自n-1個(gè)企業(yè)單元的資源流入總量可以用如下公式表示:

其中，Wij表示第i個(gè)企業(yè)單元流入第j個(gè)企業(yè)單元的資源量，Ri為第i個(gè)企業(yè)單元流入第j個(gè)企業(yè)單元的資源量修正系數(shù)，其具體計(jì)算和修正方法將在以后的研究中探討。

(2)在整個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系外，第j個(gè)企業(yè)單元接受來自其他m個(gè)生產(chǎn)部門的資源流入總量可以用如下公式表示:

(3)第j企業(yè)單元的資源流入總量可以表示為:

2.資源流出量分析

(1)在整個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系內(nèi)，第j個(gè)企業(yè)單元流出到n-1個(gè)企業(yè)單元的資源總量可以用如下公式表示:

其中，Vij表示第i個(gè)企業(yè)單元接受的來自第j個(gè)企業(yè)單元的資源 量為第i個(gè)企業(yè)單元接受的來自第j個(gè)企業(yè)單元的資源量修正系數(shù)

(2)在整個(gè)礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系外，第j個(gè)企業(yè)單元流出到其他m個(gè)生產(chǎn)部門的資源總量可以用如下公式表示:

(3)第j企業(yè)單元的資源流出總量可以表示為:

(三)優(yōu)化分析

礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)體系內(nèi)各企業(yè)單元之間的流入及流出資源控制指標(biāo)可以用來判斷整個(gè)生態(tài)體系中是否需要建立第j企業(yè)單元及其最優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)模，下面僅分析評價(jià)單一的企業(yè)單元的資源流入與流出，分別用流入第j企業(yè)單元的資源控制指標(biāo)來作為流入資源量控制指標(biāo)，第j企業(yè)單元流出到礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)系統(tǒng)中的資源控制指標(biāo)來作為流出資源控制指標(biāo)。

整個(gè)煤炭礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部和外部共流進(jìn)第j企業(yè)單元的資源控制指標(biāo)表示為:

當(dāng)S1=0或S1→0時(shí)，分兩種情況進(jìn)行優(yōu)化分析:①若S2=0，則表明礦區(qū)生態(tài)體系內(nèi)外流入到第j企業(yè)單元的資源量(產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物總量)恰好是最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模，并且第j企業(yè)單元流出到礦區(qū)生態(tài)體系內(nèi)的n-1個(gè)企業(yè)單元的資源量(產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物總量)也恰好是其各自企業(yè)的最優(yōu)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，消除了“資源過剩”及“剩余短缺”的發(fā)生，因而，成立第j企業(yè)單元，會(huì)使得整個(gè)礦區(qū)生態(tài)體系中的企業(yè)單元得到協(xié)調(diào)發(fā)展。②若S2≤0，則表明第j企業(yè)單元流出到礦區(qū)生態(tài)體系內(nèi)的n-1個(gè)企業(yè)單元的資源量(產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物總量)沒有達(dá)到各自的最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模，至少比整個(gè)礦區(qū)生態(tài)體系中的某一個(gè)企業(yè)單元的最有生產(chǎn)規(guī)模要大，出現(xiàn)了“資源過剩”的現(xiàn)象，可以采取擴(kuò)大第j企業(yè)單元的生產(chǎn)規(guī)模或者將過剩的資源運(yùn)到礦區(qū)生態(tài)體系外處理的方法解決這一問題，以達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模。

當(dāng)S1＜0時(shí)，分3種情況進(jìn)行優(yōu)化分析:① 若S2=0或S2→0，則表明礦區(qū)生態(tài)體系內(nèi)外流入到第j企業(yè)單元的資源量(產(chǎn)品、副產(chǎn)品及廢棄物總量)并不是最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模，要比其小，出現(xiàn)“剩余短缺”的現(xiàn)象，可以采取縮減第j企業(yè)單元的生產(chǎn)規(guī)模或者從礦區(qū)生態(tài)體系外取得相關(guān)剩余資源的方法解決這個(gè)問題。② 若S2＞0，則不需要建立這個(gè)企業(yè)單元。③ 若S2＜0，也不需要設(shè)立這個(gè)企業(yè)單元。

當(dāng)S1＞0時(shí)，可以分兩種情況進(jìn)行優(yōu)化分析:① 若S2＜0，則應(yīng)該建立這一企業(yè)單元，但需要找到新的市場。② 若S2＞0，則也應(yīng)該設(shè)立這個(gè)企業(yè)單元，并將其規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

四、結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，低碳經(jīng)濟(jì)也越發(fā)受到大眾的關(guān)注。煤炭作為我國的重要能源，走可持續(xù)發(fā)展道路是必然的選擇，構(gòu)建并完善煤炭礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，深化煤炭資源利用率，既可以使企業(yè)節(jié)約成本，也可以減少其對環(huán)境的污染。對煤炭礦區(qū)各企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化，可以更好地完善其生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)、社會(huì)和環(huán)境的和諧發(fā)展。

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