某露天煤矿生态足迹和生态包袱的分析

2011-12-06初道忠朱庆丽

中国矿业 2011年5期

初道忠,朱庆丽

(1.山东理工大学,山东淄博255049;2.东北大学,辽宁沈阳110004)

21世纪,随着我国加入W TO,世界经济全球化和国家进一步开放,我国煤炭工来将面临更加严峻的挑战。面对激烈的市场竞争和严格的环境约束,需要从战略的高度来全面的研究煤炭产业的对策,以确保我国能源安全和煤炭行业可持续发展[1]。这就需要重新认识煤炭开采与生态资源的关系,弄清煤炭各个环节所带来的生态压力。重新塑造一种“资源节约、污染少、能耗低”的循环发展体系。生态足迹指标和生态包袱被广泛应用于研究社会-经济系统的代谢特征,人类消费对生态资源占用和对生态的冲击,量化生态压力。

本文用生态足迹与生态包袱相结合的方法,对某煤炭露天矿的生态压力进行分析,揭示其近期发展规律,并得出其恢复生态承载的最佳途径是植树造林。

1 煤炭露天开采中的生态足迹

1.1 生态足迹

生态足迹 (Ecological Footp rint)是近几年来发展并流行的一种量化测度可持续发展、资源效率、生态效率的重要方法[2,3]。生态足迹现有的计算方法,有综合法和成分法[4]。综合法以各类物质的宏观统计量为基础,计算一个地域或群体对各类物质的整体消费及其对应的生态足迹,适合全球、国家和区域层次的生态足迹研究;成分法则以构成消费成分的单体测量为基础,计算研究对象的物质消费量和生态足迹,适合于小单元对象的生态足迹计算,如城镇、村庄、公司、小学校、个人或单项活动等[5,6]。

本文将生态足迹的研究应用于煤炭露天开采中,分析采煤过程中的生态压力,应用生态足迹的模型和成分法中能源生态足迹模型来计算采煤中生态足迹。将各种消费量折算为耕地、牧草地、林地、建用地、海洋 (水域)、化石能源地等六类基本的生态生产性土地面积。支持某一类区域人类消费所需要的6类生态生产性土地的任一类的面积Ak为:式中:n为该区域人类消费中由第K类土地提供的消费项目的数量;Aki、Cki和Yki分别表示由第 K类土地提供的第i种消费的土地需求面积 (hm2)、年消费量 (t·-1)和世界平均生产力 (t·hm-2·a-1)。

1.2 成分法中能源的生态足迹

能源主要有煤炭、石油、天然气和电力,能源消费对生态冲击主要表现为CO2排放导致的温室效应。要抵消这一冲击,就需要有足够的林地来吸收CO2,所以能源消费对土地占用是林地。由于这类土地专门用于吸收CO2,不以生产林产品为目的,故将其独立列出,称之为“化石能源地”。上述4种化石能源消费所需的化石能源地面积为:式中:Ac、Ao、Ag、Aeare分别计算年内煤炭、石油、天然气、电力消费所需的化石能源地面积;Qc、Qo、Qg、Qe分别为计算年内煤炭、石油、天然气、电力的消费量;η为燃烧锅炉的平均燃烧率;Cc、Oc、Gc分别为煤、石油、天然气的 C排放因子;β为C与CO2的转化因子;ρ为天然气的密度;ECO2为普通火电厂单位发电量的 CO2排放量;Pa为平均每公顷林地一年内可吸收的 CO2量 (即化石能源地的平均生产力)。

1.3 数据处理

收集某煤矿露天矿2004～2008年5年在分类项中所需的数据。数据处理时有几点需要说明:

1)物质投入系数采用德国伍伯塔研究所(W uppertal Institute)关于生态包袱的计算表进行计算。

2)由于运输带的、炸药、汽油的用量相对小,并且一些相关物质投入系数很难找到,所以在计算生态包袱时以其自身的重量计算。

3)木材的统计数据中单位为立方米,本文按照1m3=0.8t木材的系数将它们折算成重量。

1.4 露天煤矿开采中的物质投入

露天煤矿开采中的物质投入,主要是电、煤炭、柴油、汽油、钢材、木材、运输带、炸药、新水和水泥。

1.5 露天煤矿的生态足迹及分析

根据分类项及数据处理方法,并采用表1所示的能源排放因子,计算得露天矿的生态足迹见表2。根据产煤量,得出吨煤的生态足迹见表3。露天矿吨煤的生态足迹变化情况,如图1所示。端全面地揭示产品对自然资源的消耗和对生态环境的冲击。一件产品的生态包袱等于其物质投入总重量与产品自身重量之差,其生态包袱系数则是其物质投入总重量与其自身重量的比值。

表1 能源生态足迹的排放因子表

表2 露天煤矿资源消耗的生态足迹 (hm2)

表3 露天煤矿吨煤的生态足迹

图1 露天矿吨煤生态足迹图

产品直接使用的物质一般都不是单一的,计算其生态包袱时需要考虑涉及到的所有物质,包括直接使用和间接动用的物质。所有物质的量都以重量计算。一件产品含有的和生产中消耗的各种物质的重量Wi乘以各自的生态包袱系数γi,再求和就是该产品的物质投入总重量,再减去产品自身的重量就是该产品的生态包袱R,即:

其生态包袱系数为:

露天矿的生态足迹对应的是化石能源地和林地。其中化石能源地占到总生态足迹的89.3%以上,林地占总生态足迹1.44%～10.69%。电力生态足迹占总生态足迹的52.7%～61.43%,煤炭生态足迹占总生态足迹的28.56%～32.38%,二者随着开采的进行呈上升趋势。钢材的生态足迹占到总生态足迹的1.18%～9.43%,木材的生态足迹占总生态足迹的1.44%～10.69%,二者随着开采的进行均成下降趋势。燃油类的生态足迹随着开采的进行略有增加,但不到总足迹的4%。露天矿吨煤的生态足迹随着采煤的进行呈下降趋势,说明随着开采的进行,露天矿的生态压力有所降低。

2 煤炭露天开采中的生态包袱

2.1 生态包袱

生态包袱 (Ecological Rucksack)的概念由魏兹舍克 (Weizsaecker)最先提出,生态包袱是经济系统的物质代谢的重要组成部分,欧盟的物质总需求50%左右是生态包袱[7]。生态包袱形象地表达出人类为获得有用物质而造成的附加生态压力。生态包袱是人类获得有用物质和生产产品而动用的没有直接进入交易和生产制程的物料,在物质流账户中又被称为隐藏流[8]。例如为了开采煤炭,必须挖许多巷道及剥离大量岩石,这些工作并未直接进入产品的生产过程和产品本身,故称为隐藏流,亦即生态包袱。生态包袱可以从输入

生态包袱计算的关键是找出所有投入,需强调两点:①能量消耗 (如电力)也作为“物质”投入;②需追踪“投入的投入”及其生态包袱,如电力投入引起的煤炭投入和煤炭的生态包袱、钢铁投入引起的铁矿石的生态包袱等。

为了找出所有投入,需不断追踪其工序前一工序的投入,生态包袱系数的好处,是不需要再重复对每一工序进行计算。但生态包袱系数的应用也是有限的,不是所有的数据都能得到。因此,生态包袱系数需要分开来计算。德国乌伯塔研究所 (Wuppertal Institute)将自然物质投入分为5个部分:非生物性物质、生物性物质、土壤移动、水和空气。

非生物性物质包括矿物、携带能源、非使用开挖、土壤开挖;生物性物质包括耕种的植物、非耕种的植物、非养殖的动物;土壤移动包括农业和造林运用的土地、水土流失;水包括工艺用水 (抽取的地表水、抽取的地下水、抽取的深层地下水)、冷却水 (抽取的地表水、抽取的地下水、抽取的深层地下水);空气包括燃烧用气、化学转化用气、物理转化用气 (凝聚状态)、其他抽取的空气。

本文物质投入系数采用德国伍伯塔研究所(Wuppertal Institute)关于生态包袱的计算表,如表4所示。

2.2 露天煤矿的生态包袱计算及分析

根据露天煤矿的生产数据,计算得出露天矿的生态包袱,见表5。根据产煤量计算得生态包袱系数见表6,其变化情况见图2。

表4 一些物质投入系数

表5 露天矿各类型生态包袱总量表

表6 露天煤矿的生态包袱系数表

图2 露天矿生态包袱系数图

露天矿生态包袱中,剥离生态包袱占总生态包袱的35.73%～38.28%,其他固体非生物性物质占总生态包袱的1.62%～2.17%。水生态包袱占总生态包袱的59.85%～62.03%。空气生态包袱占总生态包袱的0.23%～0.28%。固体非生物性生态包袱和水生态包袱,构成露天采煤生态包袱的主体部分。在露天矿生态包袱系数中,固体非生物性物质生态包袱系数最大,其值1.279～3.424。随着开采的进行,各生态包袱系数均呈下降趋势,说明每采1t煤所动用的各种资源越来越少。