基于系統動力學模型的礦業綠色循環發展路徑探究

賀匯文，杜明東,江 松

(1.西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

礦業經濟發展是國民經濟發展的基礎，在建設綠色礦山、實現可持續發展的時代要求下，中國礦業發展當前依然呈現出產業結構不合理、生態環境破壞嚴重、資源利用效能低、節能減排成果不明顯、集約化程度低等問題，嚴重制約著礦業經濟、生態環境與當地經濟的協調快速發展。2015年中國工程院在對秦巴山脈地區調研的基礎上開展秦巴山脈綠色循環發展戰略研究，其中礦業綠色循環發展戰略研究作為其重要的組成部分，從宏觀方面研究了秦巴山脈地區礦產資源的利用現狀及未來實現礦業可持續發展的整體思路。全國礦產資源規劃(2016～2020年)明確指出中國礦業發展應當牢固樹立和貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，并要求到2020年基本形成節約高效、環境友好、礦地和諧的綠色礦業發展模式，進一步塑造資源安全與礦業發展新格局[1]。同時，在我國礦業從最初追求經濟快速增長的粗放式發展，到當前提倡的綠色礦業可持續發展模式之間，面對資源合理利用及解決供需之間的矛盾，國內外學者在礦業發展模式創新和實現路徑方面已做出了諸多探索。

國外學者在模式創新方面，J Kretschmann等[2]對礦山關閉前后的采礦活動對環境、經濟和社會方面的長期影響進行系統和前瞻性分析，并提出了適應可持續發展后礦業時代的新發展戰略。C O’Faircheallaigh[3]指出礦業活動產生的經濟效益受益者的不公平性，這種不公平可通過發展社區發展協議(CDA)模式來克服；在實現路徑方面，K Babi等[4]指出礦業發展必須平衡經濟、環境和社會成本與效益之間的關系，對企業各發展階段做好規劃，建立有效的環保和發展政策，培養社區可持續發展的礦業企業。B O’Regan等[5]、Sujoko等[6]進一步分別對礦區環境與政策之間的相互作用和未來公司績效進行了剖析與評價，并提出更有效的優化策略。

國內學者在模式創新方面，侯成橋等[4]定性分析了建設生態礦業的必要性和緊迫性，提出了以節約資源、清潔生產、廢棄物循環利用為特征的生態礦業發展模式。郭敏等[8]通過總結礦業試點單位循環經濟發展情況，提出實現礦業持續發展的循環經濟發展模式。方月梅等[9]指出礦業發展的高效、循環、集約的必要性，并提出“資源→產品→廢棄物→再資源化”的礦業循環發展模式。李素峰等[10]針對資源供需矛盾和環境問題，利用系統動力學模型對資源密集區域的標準、傳統、準綠色和綠色等四種發展模式進行動態仿真模擬與分析。孫玉峰[11]著眼于制定正確的礦業發展戰略，運用系統動力學對礦區資源開發與利用進行了仿真研究。在實現路徑方面，劉敏[12]借助于SWOT分析法分析了當前我國礦業發展面臨的機遇和挑戰，提出了實現我國綠色礦業可持續發展的四大策略。吳青等[13]基于霍夫曼定理綜合考慮環境容量、科技支撐和資源供應能力等因素的基礎上，分析了實現礦業可續發展模式的各階段的動力機制。崔倩等[14]引入物質平衡原理，定性對礦業廢棄物的循環利用模式進行了研究，并從政策、法律、技術和公共意識方面提出了相關規范與發展建議。

總的來說，當前國內外學者對礦業可持續發展模式的研究側重于定性研究，定量仿真研究相對較少，而對礦業綠色循環發展模式的仿真研究并無先例。因此，本文擬在前人研究的基礎上，結合綠色理念、循環經濟理論與方法，以漢中市略陽縣礦業發展現狀為例，借助系統動力學的原理和方法，通過定性與定量相結合，構建礦業綠色循環發展系統動力學模型，進一步探索實現礦業綠色循環發展的最優路徑。

1 略陽縣綠色礦業發展現狀分析

略陽縣礦產資源豐富，礦業經濟發展為全縣經濟發展做出了巨大貢獻，但在發展綠色循環礦業的總體要求下，略陽縣礦業發展依然存在諸多問題亟待解決和完善。①產業結構不完善，礦產資源開發缺乏統籌規劃，集約式少，粗放式多,礦山分散經營，產業配套能力差，平均產值規模小；②綠色循環科技水平低，新工藝、新技術成果少，資源綜合利用效率低，其中礦業“三廢”及低品位、難處理礦利用率低，尾礦利用未開展，循環資源量少，高效集約和節能減排效果不明顯，環境問題依然突出；③產業鏈不完善，礦產品深加工利用環節薄弱，產品以初加工產品為主，附加值低，企業規模經濟和總體效益不明顯，企業抗風險能力低；④礦產勘查開發的力度不足，資源保障程度底，全縣當前已探明的主要礦產資源量已耗去50%左右，而現保有的資源量中有80%左右難以利用或采礦難度大；⑤綠色循環發展理念缺失，受經濟利益驅動，企業不愿在綠色循環新工藝和技術改造方面投入大量資金和精力。略陽縣礦業發展水平與全國礦業發展水平主要參數比較見表1。

表1 略陽縣礦業發展水平與全國礦業發展水平主要參數比較

注：(估)為估算值。

資料來源：全國礦產資源規劃(2008～2015年);中國礦產資源節約與綜合利用報告(2015)中2013年的數據。

2 模型構建

2.1 系統結構分析，關鍵變量確定

為全面了解礦業發展現狀及其內部結構，探討礦產資源開發與經濟、環境、人口、科技等因素之間的內在關系，預測縣域礦業未來發展的趨勢。本文在結合略陽縣礦業發展現狀的基礎上，將礦業綠色循環發展系統分為經濟子系統、資源子系統、礦區環境子系統、礦區人口子系統和科技子系統等五大子系統，綜合設計系統動力學模型。

1) 經濟子系統。主要通過國內生產總值(GDP)、礦業GDP、礦業綠色GDP等來反映。以GDP為水平變量，以GDP增長量為速率變量，以礦業GDP和礦業綠色GDP、礦山環境治理投資和萬元GDP能耗等變量為輔助變量，其中萬元GDP能耗作為節能降耗的特征參數反應能源的消耗量。

2) 資源子系統。以礦產資源儲量為水平變量，以新增探明量和消耗量為速率變量，用輔助變量資源綜合利用率表達尾礦等固體廢棄物中可再次利用的循環資源量情況，同時，由于略陽縣礦業深加工產品未來會對礦業GDP產生較大影響，該模型給予礦產深加工產品增值增長率較大關注。

3) 礦區環境子系統。包括固體廢棄物排量、廢氣排量和廢水排量以及可用水量等水平變量，輔助變量包括環境相對污染程度和礦區社區和諧度等變量，其中環境相對污染程度用來表征環境質量水平，并以2016年環境污染程度作為計算基準，礦區社區和諧度由礦業綠色GDP、礦區人口和環境相對污染程度計算而來。

4) 礦區人口子系統。以礦區人口為水平變量，以人口增加量為速率變量，以人口增長率為輔助變量，由于礦區人口數量變化不大，該模型更多關注人口子系統對礦區環境和礦區社區和諧度的影響作用。

5) 科技子系統。以綠色循環科技水平為水平變量,以礦業科研費用支出為速率變量，以技術進步和科研費用支出增長率和科研費用支出增系數為輔助變量，通過技術進步參與其他子系統相關變量計算。

2.2 系統反饋回路分析。

因果關系圖反應系統內部各主要變量之間的相互作用和動態反饋關系，通過梳理各子系統之間的關系，基于Vensim PLE(6.3G)軟件，繪制礦業綠色循環發展因果關系圖，并歸納出幾條主要反饋回路，如圖1所示。

圖1 礦業綠色循環發展因果關系圖

回路1:GDP→+科研費用支出→+綠色循環科技水平→+資源綜合利用率→-礦業“三廢”排量→+環境相對污染程度→-GDP增長率→+GDP。

回路2：GDP→+資源開發投資→+實際采選量→+礦業“三廢”排量→+環境相對污染程度→-GDP增長率→+GDP。

回路3：GDP→+資源開發投資→+實際采選量→+礦產資源供給量→+GDP增長率→+GDP。

回路4：GDP→+礦區環境治理投資→-礦業“三廢”排量→+環境相對污染程度→-GDP增長率→+GDP。

回路5：礦產資源儲量→+實際采選量→+礦產資源供給量→+GDP增長率→+GDP→+資源勘查投資→+礦產資源儲量。

回路6：綠色循環科技水平→+礦產資源儲量→+實際采選量→+礦產資源供給量→+GDP增長率→+GDP→+科研費用支出→+綠色循環科技水平。

2.3 系統流圖構建

結合各子系統之間因果反饋關系，充分考慮系統內部主要關注要素的特點，綜合設計礦業綠色循環發展系統流圖，如圖2所示。

圖2 礦業綠色循環發展系統流圖

3 SD動態仿真模型參數確定與有效性檢驗

3.1 SD動態仿真模型參數確定

模型地域邊界為略陽縣行政轄區邊界，時間邊界為2015～2035年，共20年，歷史數據為2006～2015年的數據，數據主要來源于區域統計年鑒、社會經濟發展年度統計公報和礦產資源發展規劃以及借鑒前人的經驗參數[15-16]。模型以2015年為基年進行仿真模擬，數據處理采用如下方法：趨勢外推法確定當前路徑下礦山環境治理投資增長系數(0.08)、資源開采投資增長率系數(0.04322)、資源勘查投資增長系數(0.03)、礦產資源需求系數(表函數(2025,6.6923)(2035,6.6923))、科研費用支出增長系數(0.04444)、礦產深加工產品增值增長率(0.06)等；算數平均法確定礦區人口增長率(0.03)等，其他路徑的參數參考姚建等[15]、程葉青等[16]相關論文，并在考慮目標可實現的因素下，結合礦區實際情況做適當比例縮放與調整。

3.2 SD動態仿真模型有效性檢驗

礦業綠色循環發展是一個復雜的大系統，仿真模型的建立僅僅是對實際系統的抽象模擬，建立的模型能否真實有效地模擬現實系統，能否對制定政策起到有效的參考作用，仿真模型的有效性檢驗是必不可少的一步。

本文對礦業綠色循環發展系統動力學模型的檢驗以略陽縣礦業為例，主要選取略陽縣2006～2015年的數據進行檢驗，從歷史檢驗結果看，模型的模擬結果和歷史實際值基本一致，二者的相對誤差值介于-8.86%～10%之間。因此，可以認為該礦業綠色循環發展系統動力學模型與實際系統的擬合度較高，能夠真實的反映實際情況，可以作為礦業綠色循環發展和規劃政策實施的參考依據，并能對發展動態進行可靠分析與預測。

4 動態仿真結果分析與發展模式選擇

礦業綠色循環發展系統行為受礦山環境治理投資增長系數、資源開采投資增長率系數、資源勘查投資增長系數、礦產資源需求系數、科研費用支出增長系數、礦產深加工產品增值增長率、人口增長率等作用的影響，在本文中，通過對政策參數進行多次調整與組合，以GDP、礦業GDP、環境相對污染程度和礦產資源儲量、綠色循環科技水平、礦區社區和諧度為指示變量，對多種發展模式進行仿真模擬，遴選并重點分析了三種典型發展路徑：路徑Ⅰ(當前發展路徑)、路徑Ⅱ(經濟發展路徑)和路徑Ⅲ(綠色協調發展路徑)。最終選定政策參數見表2，模擬結果見圖3。

表2 不同仿真路徑政策參數設定

圖3 礦業綠色循環復合系統不同路徑下指示變量的對比圖

路徑Ⅰ是略陽縣當前發展路徑。保持初始系統的政策參數不變(表2，下同)，按照略陽縣當前礦業發展路徑模式進行仿真模擬，從仿真結果圖(圖3)中可以看出，當前發展路徑相對路徑Ⅱ和路徑Ⅲ，略陽縣整體經濟發展相對緩慢，對資源的依賴程度較高，資源儲量消耗過快，技術水平發展緩慢，環境污染程度相對較高，嚴重影響礦區社區和諧度和經濟發展速度，未來礦業發展依然未能克服略陽縣當前礦業發展面臨的幾大問題，該路徑不可取。

路徑Ⅱ是經濟增長型發展路徑。在略陽縣當前發展路徑，即路徑Ⅰ的基礎上，在適當調整縣域經濟發展產業結構的背景下，降低GDP對資源的需求系數，適當提高礦業勘查和開采投資，以及提高礦產深加工產品增值增長率，以此來延伸產業鏈，提高產品附加值。另外，注重科學技術發展和礦山環境保護工作，提高資源的利用效率，尋求經濟的快速增長，從仿真結果圖(圖3)中看出，該路徑模式下，GDP和礦業GDP發展最快，環境污染程度相對路徑Ⅰ有所改善，但是相對路徑Ⅲ，資源消耗依然較快，后期資源保障程度不足，環境問題依然突出，礦區社區和諧度依然較低。該路徑下礦業發展依然未能完全解決當前略陽縣礦業發展所面臨的資源保障不足和環境問題，不是理想的發展路徑。

路徑Ⅲ是綠色循環協調路徑，該路徑的設計立足于循環經濟的“3R”原則，即：資源的減量化、再利用、再循環使用的原則。在路徑Ⅱ的基礎上，適當降低礦產資源開發投資，適當減小資源開采力度，大力發展礦區科技并引用先進設備，則礦區勞動力將會明顯減少。結合調整縣域經濟發展產業結構的背景，降低GDP對礦產資源需求系數，把工作重點放在勘查、科技和環保等方面，比如適當提高礦產資源勘查投資，提高科研費用支出和礦山環境治理投資等工作。從仿真結果圖(圖3)中可以看出，此路徑模式下，相對于路徑Ⅰ和路徑Ⅱ，略陽縣綠色循環科技水平明顯提高，雖然降低了資源開發投資，但是GDP水平與路徑Ⅱ中GDP水平基本持平，依然獲得良好的社會經濟效益；而礦業GDP相對路徑Ⅱ中礦業GDP發展稍慢，但相對路徑Ⅰ發展較快，即比當前礦業經濟效益有所改觀，同時由于實行了資源保護，加大了勘查力度，資源儲量穩定，資源保障程度合理，環境質量改善速度相對其他兩種路徑明顯加快，礦區社區和諧度最高，與當前所倡導的技能減排，綠色循環發展的理念基本吻合，完全解決略陽縣礦業發展所面臨的幾大問題，是理想的發展路徑。

5 結論與建議

首先，從系統動力學模型應用的效果來看，由于礦業綠色循環發展系統是一個包含多變量高階次的復雜反饋系統，本文通過構建礦業綠色循環發展系統動力學模型，以略陽縣礦業綠色循環發展為例，探討了三種典型路徑中各影響因素及其之間的相互作用，較為真實地反映了礦業綠色循環的內部結構，達到了預期的仿真模擬效果，為略陽縣制定礦業發展政策提供可參考的依據。

其次，從仿真模擬結果的指導性來看，通過大力開采礦產資源而獲得客觀經濟效益方式，已經不能滿足當前礦業可持續發展的時代需求，要實現礦業可持續發展，需要提高對科學技術水平和環保的投資比重，推進綠色循環科學技術發展和礦區環保工作，實現節能減排和資源高效循環利用，方能從本質上推進礦業經濟發展。

最后，結合略陽縣礦業發展現實情況以及上述分析，提出實現縣域礦業綠色循環發展的建議。

1) 政府規劃層面。政府應制定相關政策，對資源開發進行統籌規劃，優化礦業產業布局，嚴格要求礦山企業執行相關政策及制度。比如當地環保制度、退出機制以及對落后技術和工藝的淘汰機制等政策制度，積極引導礦山企業引進新技術和新設備,拓展礦產資源利用新領域，延伸產業鏈，將當前礦山的粗放式生產變為共享型和集約式生產，促進礦業經濟健康發展。

2) 投資發展層面。投資是礦業發展的動力源泉，是實現礦業健康發展不可或缺的舉措，企業和政府應該在資源勘查、綠色循環技術和生態環境保護等方面做好投資工作，以此鼓勵科技創新，確保資源的儲備、科技水平的提高和環境質量的改善，同時也要積極推廣和應用對品位低和難利用礦產資源的利用技術成果，確保投資的有效性。

3) 綠色循環發展理念認識層面。提倡綠色清潔生產、循環利用尾礦資源及廢棄物資源，通過應用采選新技術、新工藝，延伸產業鏈等措施，實現對尾礦和低品位、難利用礦產的綜合利用，提高產品附加值，實現礦山企業經濟效益提高和礦區環境質量的改善，以此增強人們對綠色循環發展理念的認識，盡早實現礦山企業發展轉型。

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