礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度研究

李元棟 李亞靜

(中國礦業(yè)大學(北京)管理學院，北京市海淀區(qū)，100083)

在煤炭為主的基礎能源供給格局短期難以改變的背景下，煤炭作為主體能源長期占我國一次能源消費總量高達70%以上。煤炭目前是我國資源最豐富的能源品種，具有難以替代的資源稟賦優(yōu)勢。與此同時，煤炭行業(yè)傳統(tǒng)高耗能、高污染的發(fā)展模式對生態(tài)環(huán)境的破壞，已經成為制約我國經濟健康發(fā)展的瓶頸。為此，在能源結構轉型過程中，煤炭行業(yè)扮演著重要角色。在此背景下，煤炭工業(yè)發(fā)展通過轉型調結構實現(xiàn)清潔生產，建設綠色生態(tài)礦山，將是突破經濟發(fā)展瓶頸的重要一環(huán)。實現(xiàn)能源-經濟-環(huán)境(3E)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展，是礦區(qū)健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。通過對能源、經濟和環(huán)境單個系統(tǒng)或多個系統(tǒng)復合進行分析，可以明確各系統(tǒng)發(fā)展之間的相互關系，有針對性地采取措施控制各系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展。利用主成分分析得出3E系統(tǒng)各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，結合模糊系統(tǒng)隸屬度函數(shù)確定能源與經濟和環(huán)境這兩個子系統(tǒng)間的協(xié)調水平以及系統(tǒng)總體協(xié)調水平，并借助環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)對協(xié)調度和改善途徑進行分析。

1 礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指標體系的建立

1.1 指標體系建立的原則

以礦區(qū)為基礎，從3E系統(tǒng)協(xié)調性研究的角度，考慮3E系統(tǒng)層次性與整體性、區(qū)域性、動態(tài)性、可調控性4個特性(程聲通，2012；曾嶸等，2000)，結合礦區(qū)能源、經濟、環(huán)境領域相應的考量指標(孫玉峰等，2014；武曉斐等，2010；張瑞等，2009)，對能源、經濟、環(huán)境3個子系統(tǒng)建立4級指標體系。

1.2 礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指標體系架構

能源子系統(tǒng)指標的選擇與礦區(qū)資源和生產水平密切相關，本文以礦區(qū)一次性能源流動為例，從能源總量指標、能源增長指標、能源效益指標3個方面分析。能源總量指標可以選用煤炭生產總量、能源消耗總量；能源增長指標可以選用能源消耗總量年變化率；能源效益指標可以選用單位工業(yè)增加值綜合能耗，工業(yè)萬元產值能耗。

經濟子系統(tǒng)可以從經濟總量指標、經濟實力指標、經濟結構指標、經濟效益指標4個方面分析。經濟總量指標可以選用工業(yè)生產總值、工業(yè)增加值總量；經濟實力指標可以選用人均工業(yè)增加值、單位工業(yè)用地面積工業(yè)增加值；經濟結構指標可以選用非煤產業(yè)產值占總產值比重；經濟效益指標可以選用工業(yè)增加值年增長率。

環(huán)境子系統(tǒng)可以從環(huán)境污染指標、環(huán)境質量指標和生態(tài)環(huán)境指標3個方面考慮。環(huán)境污染指標可以選用工業(yè)固體廢棄物排放量、工業(yè)SO2排放量、單位工業(yè)增加值SO2排放量、單位工業(yè)增加值新鮮水耗；環(huán)境質量指標可以選用工業(yè)SO2處理率、工業(yè)固體廢棄物處置利用率、工業(yè)用水重復利用率、工業(yè)廢水排放達標率；生態(tài)環(huán)境指標可以選擇土地復墾率、環(huán)境保護投入占工業(yè)生產總值的比重。礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調性綜合評價指標體系框架見表1，其中逆向指標后標注(逆)，適度指標后標注(適)，其余則為正向指標。

表1 礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指標體系

2 能源-經濟-環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度測算方法

2.1 數(shù)據(jù)標準化

首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，再將標準化后的數(shù)據(jù)使用SPSS軟件進行處理。文中采用的數(shù)據(jù)標準化方法是先將指標分為3種類型：正向指標、逆向指標和適度指標，計算公式為：

(1)

式中：Xi——指標原始值；

Xmax——同一年度指標最大值；

Xmin——同一年度指標最小值；

M——適度指標參考值。

2.2 主成分分析

主成分分析(PCA)是一種統(tǒng)計學方法，它使用正交變換將可能相關變量的一組觀察值轉換為一組稱線性不相關變量值，選取特征值大于1，且累計載荷大于85%的一組主成分。主成分分析的目的在于對原始數(shù)據(jù)進行降維，應用主成分分析對3E系統(tǒng)綜合評價指標體系數(shù)據(jù)進行處理，選取保留原始信息最多并且具有明顯代表性的幾個主成分，有效降低指標間的冗余度，去除各指標間相互重復信息的部分，確保指標體系的完整性、結構性、層次性和真實性。文中采用SPSS軟件進行主成分分析，根據(jù)分析結果提取前n個主成分A1、A2…An，通過F=α1A1+α2A2+…+αnAn計算綜合評價指數(shù)，αi是第i個主成分的信息貢獻率。

2.3 隸屬度函數(shù)測算協(xié)調度

協(xié)調度是表現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)間協(xié)調性的模糊概念, 因此, 可利用隸屬度模型(曾珍香等，2000)對其進行描述, 與此同時，隸屬度變化規(guī)律可以通過隸屬度函數(shù)來反映。以此為基礎, 建立協(xié)調度函數(shù)模型，計算公式為：

(2)

式中：U——隸屬度；

X——樣本的觀測值；

X′——樣本的協(xié)調值，可根據(jù)實際發(fā)展水平要求，通過建立回歸方程求得；

S2——樣本方差。

(3)

U(j/i)——Xi系統(tǒng)與Xj系統(tǒng)之間的協(xié)調度。

系統(tǒng)整體協(xié)調度計算公式為：

(4)

Xi——樣本觀測值；

Xmax——樣本最大值；

Xmin——樣本最小值；

M——樣本平均值。

2.4 系統(tǒng)協(xié)調度等級劃分

OEDC(1998)將協(xié)調度等級水平定義為：U∈[0.9,1.0)為優(yōu)質協(xié)調；U∈[0.8,0.9)為良好協(xié)調；U∈[0.7,0.8)為中度協(xié)調；U∈[0.6,0.7)為基本協(xié)調；U∈[0.5,0.6)為輕度不協(xié)調；U∈[0.4,0.5)為中度不協(xié)調；U∈[0.3,0.4)為嚴重不協(xié)調；U∈[0.1,0.3)為極度不協(xié)調。

3 準能礦區(qū)3E系統(tǒng)協(xié)調度測算

3.1 原始數(shù)據(jù)獲取

文中原始數(shù)據(jù)來源于國家能源集團準能礦區(qū)年度統(tǒng)計報告，見表2，對原始數(shù)據(jù)中個別年度指標出現(xiàn)缺失的數(shù)據(jù)采用三次樣條插值法獲取。

表2 準能礦區(qū)3E系統(tǒng)指標原始數(shù)據(jù)信息表

3.2 主成分分析及協(xié)調度測算

將數(shù)據(jù)通過式(1)進行標準化處理后，根據(jù)主成分分析結果提取3個主成分，其累計方差貢獻率達到96.4%。按照協(xié)調發(fā)展的原則，使子系統(tǒng)指標特征層的每個指標權重相同且相加等于1，并通過表3的主成分分析結果計算得到各子系統(tǒng)的年度綜合發(fā)展指數(shù)。以此為基礎利用式(2)、式(3)和式(4)得到能源與經濟協(xié)調度U(x,y)、能源與環(huán)境協(xié)調度U(x,z)、經濟與環(huán)境協(xié)調度U(y,z)、3E系統(tǒng)協(xié)調度U(x,y,z)，見表4，以及協(xié)調度變化趨勢見圖1。

表3 主成分分析總方差解釋

表4 各系統(tǒng)協(xié)調度水平

圖1 系統(tǒng)協(xié)調度變換趨勢圖

3.3 準能礦區(qū)3E系統(tǒng)協(xié)調度結果分析

3.3.1 能源與經濟子系統(tǒng)

能源與經濟發(fā)展協(xié)調度2014年之前明顯高于能源與環(huán)境和環(huán)境與經濟之間的協(xié)調度。由圖1可知，在2012年末-2017年初的整個時間段內，能源與經濟之間的協(xié)調水平雖年度變化產生一些波動，但都處于0.75～0.85之間，屬于不協(xié)調。自2012年起煤炭市場延續(xù)低迷，主要耗煤行業(yè)和幾大運煤港口庫存持續(xù)增加，煤炭市場價格全線下跌。2013年初-2014年末，準能集團所屬礦區(qū)能源與經濟之間發(fā)展協(xié)調度一直處于下滑趨勢。在2015年初整個煤炭市場持續(xù)低迷的形式下，準能集團依托鐵路發(fā)展物流業(yè)，減小煤炭市場低迷對企業(yè)經濟發(fā)展的影響。與此同時，煤炭產量逐年降低，但鐵路物流業(yè)產生巨大效益，使能源與經濟協(xié)調度得以回升。2016年上半年，煤炭市場出現(xiàn)回暖，直至下半年供求關系逐步平衡，短時間內出現(xiàn)供不應求，煤炭價格理性上浮。準能集團憑借開采成本低、煤炭質量好等優(yōu)勢，采取降產量、調結構、大力發(fā)展鐵路物流運輸業(yè)等措施，將能源與經濟協(xié)調度控制在0.75～0.85之間。經過3年去產能政策的影響，2017年初煤炭經濟市場運行保持總體平穩(wěn)態(tài)勢。到2017年末，能源與經濟發(fā)展協(xié)調度穩(wěn)步回升至0.85左右，處于良好協(xié)調水平。

3.3.2 能源與環(huán)境子系統(tǒng)

2012年末，煤炭市場庫存積壓嚴重并且增速依然較快，進口煤炭規(guī)模不斷加大，導致煤炭行業(yè)產量出現(xiàn)負增長。煤炭工業(yè)生產本身具有高排放、高污染、高耗能的特點，粗放式的煤炭經濟發(fā)展模式加劇了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的擾動、大氣環(huán)境破壞和水污染。2013年初，準能集團降低煤炭產量，降幅維持在1%～5%之間，2013年和2014年能源與環(huán)境之間協(xié)調度未出現(xiàn)較大波動。2015年，煤炭產量延續(xù)下降趨勢，煤炭產量的減少降低了對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的擾動，在環(huán)境保護政策高壓運行下，企業(yè)調整發(fā)展結構，加大土地復墾力度和環(huán)境保護投入，發(fā)展綠色產業(yè)使2015-2017年3年間的能源與環(huán)境發(fā)展協(xié)調水平從0.7～0.75上升到0.75～0.8之間，處于中度協(xié)調水平。同時，許多綠色產業(yè)處于建設期還未成形，因此還有較大上升空間。

3.3.3 經濟和環(huán)境子系統(tǒng)

2013年初-2014年末，準能集團憑借所屬礦區(qū)資源開采成本低和煤炭資源質量等優(yōu)勢，在煤炭經濟不景氣的市場環(huán)境下依然可以維持較高的盈利水平，能源與環(huán)境發(fā)展協(xié)調水平維持在0.7～0.73之間。2015年初，煤炭產量延續(xù)下降趨勢，準能集團依托鐵路發(fā)展物流運輸業(yè)。與此同時，企業(yè)調整發(fā)展結構，在資源利用方面大力發(fā)展循環(huán)經濟，建立煤炭采選-鐵路物流、煤炭-電力、鋁業(yè)及鋁加工和土地復墾-畜牧旅游4條產業(yè)鏈；在環(huán)境保護方面，加大環(huán)境保護投入，引進一批高效節(jié)能設備和廢棄物處理裝置，加強伴生礦物利用技術研發(fā)，獲得多項專利并且產品已進入中式階段。礦區(qū)目前在廢棄物排放和物質能源消耗方面取得明顯效果，物質循環(huán)利用和伴生產物利用產業(yè)尚處于建設期還未產生明顯經濟效益。2015年初-2016年末，經濟與環(huán)境發(fā)展協(xié)調水平漲幅較大，由0.73上升至0.98，處于優(yōu)質協(xié)調狀態(tài)，2017年略有下滑但依然在0.97水平左右，呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢。

3.3.4 3E系統(tǒng)協(xié)調水平

2013年初-2017年末，該礦區(qū)能源-經濟-環(huán)境發(fā)展協(xié)調度水平一直處于0.68～0.78之間波動，平均水平處于0.72左右。經過市場調整，以及在去產能和環(huán)境政策高壓態(tài)勢影響下，協(xié)調度在波動中有所上升但還是中度協(xié)調狀態(tài)。近年來，準能集團依托資源優(yōu)勢，形成以煤炭為中心建設鐵路物流、電力、鋁業(yè)、生態(tài)畜牧業(yè)等多元化發(fā)展方向。在對污染物排放處理和加強節(jié)能減排技術應用的同時，加大綠色產業(yè)和循環(huán)經濟的投入，規(guī)劃形成煤炭采選-鐵路物流、煤炭-電力、鋁業(yè)及鋁加工和土地復墾-畜牧旅游4條產業(yè)鏈；實現(xiàn)坑口發(fā)電，建立煤矸石發(fā)電廠、電解鋁中試廠，并著手發(fā)展鋁制品加工產業(yè)；加大土地復墾力度，以此為基礎發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)；利用礦業(yè)生產遺址和礦產地質遺跡等開發(fā)國家礦山公園，發(fā)展旅游業(yè)。目前，礦區(qū)在降低物質能源消耗和污染物處理方面取得顯著成效，實現(xiàn)工業(yè)用水重復率98%以上，污水、SO2等污染物合格處理率達到100%，但主要固體廢棄物煤矸石的綜合利用率只有不到20%，與此同時資源高效利用產業(yè)鏈當前正處于建設期，使得3E系統(tǒng)協(xié)調水平雖有所提升但幅度較小，系統(tǒng)協(xié)調水平始終未突破0.78，依舊是中度協(xié)調。

3.4 礦區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀分析及建議

從準能礦區(qū)實踐出發(fā)，結合環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)即環(huán)境質量的變化會隨著工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出先降低后升高的倒U形變化，見圖2，對準能礦區(qū)3E系統(tǒng)的協(xié)調水平現(xiàn)狀及發(fā)展做出分析。

圖2 EKC曲線分析圖

通過研究發(fā)達國家能源工業(yè)經濟發(fā)展和能源消耗過程發(fā)現(xiàn)，能源系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間的發(fā)展狀態(tài)可以分為3個階段：第一階段為能源工業(yè)加速發(fā)展階段，該階段片面追求經濟效益總量，忽視質量與結構，環(huán)境負荷不斷增加，高耗能、高污染、高排放現(xiàn)象加劇，生態(tài)效率低下；第二階段為補救調整階段，環(huán)境惡化造成影響日益嚴峻，開始注重資源環(huán)境的價值，轉變發(fā)展理念并調整發(fā)展結構和采取補救措施，環(huán)境負荷緩慢上升，能源環(huán)境經濟系統(tǒng)協(xié)調度仍處于較低水平；第三階段為協(xié)調發(fā)展階段，該階段在我國尚未實現(xiàn)，建立起合理的發(fā)展模式和發(fā)展結構，環(huán)境負荷不斷下降，能源、經濟和環(huán)境之間協(xié)調度處于一個較高的協(xié)調水平。當前煤炭工業(yè)發(fā)展的任務就是在保證國民經濟發(fā)展的前提下，降低EKC曲線的弧度，在曲線尋求一條平緩的通道B，實現(xiàn)經濟與能源環(huán)境協(xié)調發(fā)展的目標。準能礦區(qū)當前處于第二階段，經過第一階段的發(fā)展使得3E系統(tǒng)處于一個較低的協(xié)調水平。為此，企業(yè)在加強對污染治理的同時，開始注重發(fā)展循環(huán)經濟，規(guī)劃并建立4條產業(yè)鏈，加強資源及伴生產物綜合高效利用，但在產業(yè)鏈中也出現(xiàn)了高耗能、高污染的產業(yè)。加強節(jié)能減排技術、清潔生產技術以及伴生產物和固體廢棄物綜合利用技術研發(fā)可以使整個補救調整階段更為平緩。當前，該礦區(qū)在污染防治設備、伴生產物處理利用技術研發(fā)方面已取得顯著成果，許多成果已進入中試階段，在未來幾年內便可實現(xiàn)投產；在生態(tài)產業(yè)建設方面，礦山地質公園、生態(tài)牧場正逐步建立，幾年后在生態(tài)環(huán)境方面將有顯著改善。

4 結語

通過礦區(qū)3E系統(tǒng)協(xié)調度測度的研究，明確了準能礦區(qū)當前發(fā)展階段的建設重點，對當前礦區(qū)在污染治理、生態(tài)建設、廢棄物處置以及物質循環(huán)利用方面存在的問題進行了分析，并提出了發(fā)展建議。在建設生態(tài)產業(yè)鏈的同時，對產業(yè)鏈中新增高耗能、高污染的產業(yè)進行能耗及污染控制，切實發(fā)揮減量化、再循環(huán)、再利用的功效。在煤矸石利用產業(yè)鏈的建設中，加大利用技術研發(fā)力度，使煤矸石得到真正利用。在圍繞污染防治與清潔生產兩條路線發(fā)展循環(huán)經濟的同時，更加注重節(jié)能減排技術與物質資源清潔利用技術的研發(fā)。用技術保障循環(huán)經濟的發(fā)展，用循環(huán)發(fā)展促進技術的提升，使礦區(qū)能源、經濟和環(huán)境逐步持續(xù)協(xié)調發(fā)展。