煤炭礦區復合生態系統協同演化序參量的選擇與協同度評價

王廣成,李 寧,崔新新

(1.山東工商學院管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005；2.山東工商學院統計學院，山東 煙臺 264005)

煤炭礦區復合生態系統協同演化序參量的選擇與協同度評價

王廣成1,李 寧1,崔新新2

(1.山東工商學院管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005；2.山東工商學院統計學院，山東 煙臺 264005)

以協同學理論為基礎，建立礦區復合生態系統協同管理評價模型，通過對影響礦區復合生態系統協同管理的因素進行分析，構建礦區復合生態系統協同管理的參量指標體系，運用層次分析法、熵值法將各級指標合成綜合類指標，通過所構建的評價模型選擇礦區復合生態系統協同管理的序參量并評價系統協同程度。應用龍口礦區2005～2014年的數據對所建模型進行實證研究。結果表明，龍口礦區復合生態系統的演化過程中生態類參量起到了序參量的作用，礦區生態系統管理與當地經濟的發展已經形成協同效應，但協同程度不高。礦區復合生態系統的協同度在不斷增加，但是社會子系統與政府對復合生態系統的協同作用并不明顯，有待于進一步改善。

煤炭礦區；復合生態系統；協同管理；哈肯模型；序參量

煤炭礦區作為煤炭生產與開發的主要經濟社區，由自然資源、社會、經濟、生態環境四個部分相互耦合而構成形成較為復雜的復合生態系統[1]。長期以來煤炭資源的大規模開發利用導致了十分尖銳的生態環境問題，集中表現在煤矸石的堆積、礦區廢氣粉塵污染、水資源污染、地表沉陷等方面，嚴重影響復合生態系統的健康狀態。煤炭礦區復合生態系統作為一個具有完整性的復雜大系統，其管理模式應該協同各子系統及其內部的多種要素，以實現系統管理“2+2>4”的效應[2]。協同管理作為礦區復合生態系統管理的一種重要手段，要實現復雜大系統的協同管理必須先對系統的協同狀況進行評價，并選取系統演化發展的序參量以識別礦區復合生態系統協同管理的協同機會。序參量是實現協同管理的重要標志性指標之一，在系統中它的變化影響著系統內的各類相關因素從一種相變狀態到另一種相變狀態演化的集體協同行為[3]，要把握礦區復合生態系統的演變方向必須要把握序參量的變化與發展方向。哈肯將在一定外部條件下系統內部的不同變量相互作用所引起的系統演變過程用數學形式來表達形成了哈肯模型[4]，其主要的目的是在影響系統演變的眾多要素中尋找起著決定作用的序參量，進而對整個系統協同管理的發展方向進行把握。哈肯模型作為研究復雜系統協同演化狀態的模型在區域經濟的發展、貨幣政策傳導機制、產業發展、零售產業內部主體之間的關系以及物流系統序參量的選擇等方面得到了廣泛應用[5-9]。哈肯模型作為序參量選擇的主要模型，為實施煤炭礦區復合生態系統協同管理提供了重要工具。

1 序參量評價模型的構建

煤炭礦區復合生態系統的協同管理即指在整個的礦區范圍內各生態、社會、資源、經濟組分之間的協同共生，通過對系統內部的管理主客體、組織目的與環境等因素等進行協同，形成相互之間的優化組合與配置，合力促進復合生態系統由無序到有序、從初級到高級進行動態演變，最終產生一個在結構、功能等方面遠超原有組織系統的新型系統，達到協同管理的目的。值得注意的是，礦區復合生態系統的協同管理是一個動態的演變過程，是不斷演化發展的，但最終目的是要實現區域各子系統之間的管理協同。運用哈肯模型分析煤炭礦區復合生態系統的協同管理，通過分析煤炭礦區復合生態系統各子系統的主要作用參量，構造運動方程，求解后得到煤炭礦區復合生態系統協同管理的序參量，并根據序參量得分值評估系統管理的協同水平。

哈肯模型是由協同學理論的創始人哈肯提出的，該模型被用以衡量系統演變過程中的有序度，并通過識別系統演變過程中的序參量來判斷系統演變所處的狀態。哈肯提出了絕熱消去法[10]，并對系統內的參量做了數學處理，對模型做出了數學表述。

在某系統內假設P1是其某個子系統及參量的內力，P2是另外某子系統的變量并被該內力所支配的變量，則系統所滿足的運動方程見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

(3)

式中，P1即為系統的一個序參量。

將式(3)代入式(1)得出系統演化方程，見式(4)。

(4)

繼續求解序參量的演化方程，對的相反數進行積分可以求得系統演變的勢函數，根據系統演變過程的勢函數可以有效的對整個系統所處的協同狀態進行判斷，見式(5)。

(5)

由于物理方程是針對連續性隨機變量設置的，但是在實際應用中的變量并非連續的，所以要將哈肯模型應用到現實經濟分析當中需要將其進行離散化處理，見式(6)、式(7)。

P1(t)=(1-λ1)P1(t-1)-aP1(t-1)P2(t-1)

(6)

(7)

通過礦區復合生態系統協同管理參量指標體系確定出系統內部協同演變的主要參量，之后利用哈肯模型構造出各主要參量兩兩之間的運動方程，求解并識別出整個系統的序參量同時對整個系統的協同水平進行評估。

2 礦區復合生態系統協同管理參量指標體系及其權重的確定

2.1 各類參量及其指標選取

煤炭礦區復合生態系統的協同管理要求區域內部各子系統之間，以及各子系統內部的各要素相互協調，并有機的結合在一起形成有序演變的狀態，其本質是資源、環境、要素、產業及人類活動的協同。從煤炭礦區復合生態系統健康發展的角度來講，即通過煤炭礦區復合生態系統的協同管理，協調系統內資源的分配、要素與產業的流動、信息的溝通與反饋。充分發揮各管理要素的作用，使礦區復合生態系統協同演替，產生煤炭礦區復合生態系統健康的協同效應。概括來講，煤炭礦區復合生態系統協同管理的主要影響因素包括以下四個方面：生態因素、經濟因素、社會因素中的公眾因素與政府因素(表1)。

2.1.1 生態類參量

生態類因素包括礦區復合生態系統的資源因素與環境因素，資源因素反映了礦區的自然資源稟賦，煤炭資源儲量的多少直接影響到礦區的發展潛力，是礦區各子系統之間協同發展的基礎。環境因素反映了礦區對該區域內經濟與社會活動的承載能力，是礦區協同發展的外部保障。

1)資源因素指標。煤炭資源作為一種不可再生的礦產資源，且其開發及利用是礦區生產的主要目的，煤炭資源的利用效率以及綜合能源的利用率反映了礦區企業的協同管理水平，同時也是礦區長久協同發展的重要保障。但，在礦區的生產過程中不僅只有煤炭資源發揮作用，還要涉及其他多種資源的配置與流動，因此選擇綜合能源利用率、單位水耗產值、煤炭資源利用率來作為礦區資源因素的指標。

2)環境因素指標。煤炭礦區在開采過程中產生的廢棄物對區域生態環境造成一系列的破壞，這對礦區協同管理的外部條件造成一定的破壞，因此選取廢水治理達標率、廢棄物治理達標率、煤矸石綜合利用率、塌陷地復墾率、固體廢棄物綜合利用率這些能夠反映當地生態環境狀況與管理水平的指標作為環境因素的指標。

2.1.2 經濟類參量

煤炭礦區復合生態系統的協同發展與管理要求實現經濟要素之間的協同共享，通過系統內各類經濟活動來強化各子系統之間的關系，從而構成高效率的協作“紐帶”。在高效的協同作用當中系統內部會存在大量的要素與能量的流動，要素與能量流動越頻繁則表明礦區復合生態系統的協同作用越強，這主要體現在礦區的經濟發展水平與經濟發展潛力上。經濟發展水平越高、經濟發展潛力越大，礦區的協同性會越好、協同動力越足。

1)經濟發展水平指標。在煤炭礦區內，煤炭資源的開發利用是煤炭礦區經濟效益的核心，為了反映管理主體的協同狀況因此選用工業產值占總產值的比重這一指標。產業效率反映了一定單位的資源所能產出的產品價值，單純的選擇工業產值不能準確的反映礦區的實際財富，因此選擇成本費用利潤率與工業產值相結合來代表當地經濟發展水平。

2)經濟發展潛力指標。礦區作為一種特殊的資源區域，其內部的經濟圍繞煤炭資源展開，主要以工業為主，工業產值年增長率是礦區經濟發展潛力的外部表現，技術水平作為經濟發展的主要推動因素，礦區技術研發投入占工業產值的比重體現了礦區經濟發展的內部動力，因此選擇該兩項指標作為礦區經濟發展潛力的指標。

2.1.3 社會類參量

社會因素中的公眾與政府是礦區復合生態系統管理進程的主要推動力量，作為礦區生態環境的主要利益主體，對礦區生態系統的協同管理起到了十分重要的作用，要實現礦區生態系統的協同管理必須協調好礦區的利益相關者之間的關系。在礦區復合生態系統的管理過程中，公眾與政府對礦區生態系統管理的參與監督顯得尤為重要。因此將社會類因素分為公眾類參量與政府類參量。公眾類參量包括公眾參與度與公眾參與意愿，政府類參量主要體現在法律法規方面。

1)公眾參與度指標。生態管理當中公眾大多通過非官方的組織與渠道來反應自己的意見，因此公眾利益表達渠道的多少直接體現公眾在生態管理當中的參與程度。在當下公眾參與保障制度不健全的情況下，要提高公眾的參與程度必須讓公眾參與到礦區經濟生產活動中，因此礦區居民的就業率間接體現了公眾的參與程度。

2)公眾參與意愿指標。生態環境作為一種公共資源，其管理本身具有特殊性，公眾的參與更加具有自愿性，因此公眾的環保意識、知識水平、收入水平等直接影響公眾的參與意愿，同時，公眾訴求的實現程度在一定程度上構成公眾參與管理的一種動力，體現公眾的參與意愿。

3)法律、政策類指標。法律法規由國家制定具有強制力，其制定與修改具有剛性，其完善程度直接影響著政府的管理水平。地方政府的政策、規定的制定與修改具有一定彈性，因此，其執行力度也是影響政府對礦區生態系統協同管理的主要因素。同時，一項政策方針的制定與實施都需要資金的支持，礦區生態環境的治理與保護是對公共資源的管理，必須由政府出面管理相應的資金，因此，由政府征收的生態保證金等環境資金對生態管理的投入力度也是重要指標。

依據以上的闡述進而構建煤炭礦區復合生態系統協同管理參量指標體系如表1所示。

2.2 參量指標權重的確定

在礦區復合生態系統協同管理參量的指標體系的基礎上運用AHP法將各類指標合成為A級復合參量，AHP法的判斷矩陣是通過對25位專家進行咨詢后對咨詢結果進行整理后得出。其中各B級指標對A級指標的解釋力度相同，因此確定B級指標對相應A級指標的權重為0.5，A4當中只有一個B級指標，因此B7對A4的權重為1。為了避免層次分析法中專家打分與專家咨詢環節導致的標度不準確與信息丟失，采用熵值法對其進行修正，計算結果見表2。

表1 參量指標體系

表2 各參量指標權系數

注：α為層次分析法確定的權重向量；e為熵向量；g為差異系數向量；μ為權系數向量。

3 實證研究

3.1 研究區域概況

龍口礦區位于山東半島渤海灣南岸的龍口市境內，已探明地質儲量2.68×109t，其中包括1.39×109t的陸地儲量和1.29×109t的海底儲量；始建于1968年，于2003年3月經改制后成立“龍口礦業集團有限公司”，礦區現有北皂、洼里、梁家三對生產礦井，是目前我國僅有的一家掌握海下采煤技術的礦區。經過40多年的建設，龍礦集團依托礦區煤炭資源的生產開發已經發展成為一家以煤炭生產、熱電聯產、油頁巖綜合利用、煤炭物流為核心主業，集合建工建材、機械加工、房地產等為一體的跨產業、跨所有制、跨區域的綜合性的企業集團，形成了較為完整的“煤-電-油-運”循環經濟產業鏈。

3.2 2005～2014年龍口礦區協同演化管理序參量的識別

選取龍口礦區2005～2014年的相關數據進行分析，其中數據來源于龍口礦區的實地調研數據。各個子系統參量的組合值見表3。

在前文建立的哈肯模型中共選取了四個變量：A1、A2、A3、A4，由于哈肯模型是對變量兩兩之間進行比較，下文對所選取的四個變量進行兩兩之間的分析。基本步驟如下：①提出模型假設，在下文的分析中將P1假設為序參量；②構造運動方程并判斷方程是否成立；③求解方程參數，并判斷是否滿足絕熱近似假設；④判斷模型假設是否成立，確定模型序參量。模型方程的求解均運用EVIEWS6.0軟件，計算結果見表4。

表3 參量組合值

表4 2005～2014年變量之間兩兩計算結果

注：表中括號內值分別代表t值、p值；*、**、***分別表示在10%、5%、1%的水平上顯著，無*的代表不顯著；其余組合情況運動方程和模型假設均不成立，因此，計算結果在此略去不再贅述。

將λ1、λ2、a、，b代入哈肯模型的式(1)與式(2)可以得到式(8)、式(9)。

(8)

(9)

令式(9)=0，得出式(10)。

(10)

將式(10)代入式(8)，得到序參量方程，見式(11)。

(11)

對式(11)的相反數求積分，可以得到反映龍口礦區復合生態系統協同演變的勢函數，見式(12)。

(12)

4 結果分析

從實證分析結果，可以看出龍口礦區復合生態系統協同演化的內在機制。勢函數所體現出來的是龍口礦區復合生態系統所具有的向著某種趨勢發展的能力的大小，函數當中狀態參量以及控制參數的變化均會引起勢函數的變化，從而表現為龍口礦區復合生態系統的演化，其演化發展的路徑是非線性的。2014年龍口礦區復合生態系統生態類參量的取值為0.638 9，并未達到該階段的最佳協同水平值0.644 8。由表3看到在2005～2014年間龍口礦區復合生態系統的序變量A1的取值范圍在(0，0.644 8)之內并逐步趨近于0.644 8的最佳協同狀態，即龍口礦區復合生態系統的協同狀況是在逐年變好的。

控制變量即模型中所設定的參數λ1、λ2、a、b的取值反應了龍口礦區復合生態系統的演化行為，其絕對值越大代表相應的作用水平越高。a=-0.188<0代表狀態參量經濟類因素對序參量生態類因素具有促進作用，經濟發展水平的提高與經濟發展潛力的增大會產生更多的生態保護資金以及生態保護技術研發投入，進而促進生態環境的改善。b=0.403>0代表序參量生態類因素對狀態參量經濟類因素也具有促進作用，礦區生態環境與資源狀況作為礦區經濟發展的基礎保障，其狀況的改善必然會起到促進經濟發展的作用。由a、b的取值看出龍口礦區復合生態系統的經濟發展與生態發展形成了協同互增的效應，但其絕對值并不大，因此互増程度不強。λ1=-0.039<0表明代表序參量的生態類子系統已經建立起促進礦區復合生態系統穩定性增加的正反饋機制，這一點可以看作為礦區生態系統的自我調節能力。λ2=0.291>0說明狀態變量經濟子系統內部形成了維持生態系統穩定的負反饋機制，表明龍口礦區的經濟產業鏈設計、產業布局、經濟增長方式都是比較合理的。因為，一般而言在礦區生態系統當中負反饋機制往往會因為人為的因素而被破壞，尤其是對礦區不可再生資源來說經濟的增長反映出的都是正向的反饋[11]，從而加速生態系統的不穩定性變化。

由于只有在假設生態類參量為序參量時能夠建立模型運動方程，因此龍口礦區復合生態系統的演化過程中起到決定作用的是生態類參量，其中包括煤炭資源利用率、廢棄物治理達標率、塌陷地復墾率等主要生態環境指標。龍口礦區生態環境的改變會影響到整個礦區復合生態系統的穩定性的變化，經濟子系統內的各項主要指標作為快變量對礦區的生態環境的影響作用最大。礦區作為以煤炭資源的開發與生產為主要經濟活動的區域，其特殊的經濟結構與生產方式阻礙了礦區環境的自主凈化與生態系統的恢復，甚至對其造成了破壞。由于作為序參量的生態子系統不同于其他系統的是其具有一定的自我調節能力，因此，可以在一定的范圍內保持相對的穩定狀態，一旦人類活動對生態系統的擾動突破了生態系統自我調節能力的邊界值，即作為序參量的生態類參量發生了突破其極限的變化，礦區復合生態系統原有的結構就再難以適應序變量的這種變化，進而發生或好的或壞的系統演化最終進入新的穩定狀態。

社會公眾類參量以及政府類參量在模型計算過程中沒能夠建立運動方程、滿足模型假設，即在龍口礦區復合生態系統的協同演化過程中并未與礦區其他因素形成良好的協同作用。由表2看出在公眾類參量當中礦區居民的就業率與公眾訴求實現程度權重占到了0.79，政府類參量中法律法規的完善程度與政策執行力度權重達到了0.856，可見這些指標在社會子系統的發展當中起到了重要作用。就龍口礦區的實際情況來看：雖然生態管理的法律法規已經較為完善，但是由于政府管理部門之間職能的分割與政策權利的交疊以及各項生態管理資金管理的缺乏使得各項法規政策不能充分的得到落實最終導致政府無法與其他礦區因素形成協同作用。礦區的居民雖然能夠間接參與礦區生態系統管理，但是其平均受教育年限在10年左右，其環保意識薄弱，加之礦區目前并未形成有效的公眾參與機制，公眾對于環保訴求的實現程度較低使其缺乏主動參與的動力阻礙了礦區公眾對礦區復合生態系統協同演化促進作用的發揮。

5 結論及建議

1)龍口礦區復合生態系統協同演化的序參量為其中的生態類參量。煤炭資源利用率、煤矸石綜合利用率、塌陷地復墾率是龍口礦區序參量的代表性指標，要實現礦區復合生態系統協同管理，實施采煤塌陷地全面復墾、提高煤矸石的綜合利用率、提高煤炭資源的回采率是比較有效的途徑。

2)龍口礦區復合生態系統的生態子系統與經濟子系統的相互促進作用共同推動了龍口礦區復合生態系統的演化發展。兩者之間協同互增效應已形成但程度不高，當地政府、企業應采取相應措施加強合作與溝通著力促進當地經濟的發展與環境改善，保持并提高這種互増效應，以促進礦區復合生態系統的高度協同。

3)社會類參量與政府因素雖然對生態系統的發展也有影響但是從模型當中來看其促進作用效果并未顯現。為了促進當地煤炭礦區復合生態系統的有序發展，政府需完善相應的法律法規，加強其執行力度，完善公眾參與生態管理與保護的機制。企業、公眾都應提高自身環保意識，著重提高公眾的生態管理參與程度。

4)龍口礦區復合生態系統的生態子系統已經建立起了能夠使復合生態系統有序度增強的正反饋機制，但是λ1的絕對值較小，表明其有序性還較小。政府管理部門應加強這種正的反饋機制，建立健全相關的環境監測反饋機制，實施生態保證金制度，以增加系統有序度。

5)龍口礦區復合生態系統的經濟子系統中已經建立起了促進復合生態系統有序度增強的負反饋機制，并且λ2的絕對值相對較大，表明其有序性已經達到一個相對較高的水平。由于經濟對生態類參量具有促進作用，政府應在目前其相對合理的產業結構與布局的基礎上繼續加大對煤炭生態產業園區的建設力度，延長煤炭開發生態產業鏈，發展循環經濟，實施生態恢復與重建，治理因采礦引起的環境污染。

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The determination of order parameter and the assessment of the synergy degree for the co-evolution of integrated ecosystem in coal mining area

WANG Guangcheng1, LI Ning1, CUI Xinxin2

(1.School of Management Science and Engineering, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China; 2.School of Statistics, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China)

Based on the synergetic theory, the assessment model for collaborative management of integrated ecosystem in mining area is given, the parameters index system of collaborative management is established by analyzing the influence factors of the ecosystem management. The comprehensive indexes are composed by using the method of AHP and Entropy. The order parameters are chosen, and the synergy degree is evaluated by the assessment model. Original data from Longkou mining area during 2005 to 2014 is employed to proceed empirical study. The conclusion reaches that ecological parameter is employed as the order parameter. The mining area ecosystem management and the development of local economy has been formed synergies, but the level of synergy is not high. The coordination degree of the mining area integrated ecosystem is increasing, but the effect of social subsystem and the government to the synergy of integrated ecosystem is not obvious, needs to be further improved.

coal mining area; integrated ecosystem; collaborative management; Haken model; order parameter

2016-08-23

國家自然科學基金項目資助(編號：71273158)

王廣成(1965-)，男，內蒙古赤峰人，教授，博士，碩士生導師，研究方向為資源與環境管理，E-mail: gcwang658@sina.cn；

李寧(1988-)，女，山東淄博人，研究生，研究方向為資源與環境管理，E-mail: lining0533@sina.com；

F426.1；X171.1

A

1004-4051(2017)02-0099-06

崔新新(1992-)，女，山東濰坊人，研究生，研究方向為統計調查與分析。