基于系统动力学模型的矿业绿色循环发展路径探究

贺汇文，杜明东,江 松

(1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学管理学院，陕西 西安 710055)

矿业经济发展是国民经济发展的基础，在建设绿色矿山、实现可持续发展的时代要求下，中国矿业发展当前依然呈现出产业结构不合理、生态环境破坏严重、资源利用效能低、节能减排成果不明显、集约化程度低等问题，严重制约着矿业经济、生态环境与当地经济的协调快速发展。2015年中国工程院在对秦巴山脉地区调研的基础上开展秦巴山脉绿色循环发展战略研究，其中矿业绿色循环发展战略研究作为其重要的组成部分，从宏观方面研究了秦巴山脉地区矿产资源的利用现状及未来实现矿业可持续发展的整体思路。全国矿产资源规划(2016～2020年)明确指出中国矿业发展应当牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，并要求到2020年基本形成节约高效、环境友好、矿地和谐的绿色矿业发展模式，进一步塑造资源安全与矿业发展新格局[1]。同时，在我国矿业从最初追求经济快速增长的粗放式发展，到当前提倡的绿色矿业可持续发展模式之间，面对资源合理利用及解决供需之间的矛盾，国内外学者在矿业发展模式创新和实现路径方面已做出了诸多探索。

国外学者在模式创新方面，J Kretschmann等[2]对矿山关闭前后的采矿活动对环境、经济和社会方面的长期影响进行系统和前瞻性分析，并提出了适应可持续发展后矿业时代的新发展战略。C O’Faircheallaigh[3]指出矿业活动产生的经济效益受益者的不公平性，这种不公平可通过发展社区发展协议(CDA)模式来克服；在实现路径方面，K Babi等[4]指出矿业发展必须平衡经济、环境和社会成本与效益之间的关系，对企业各发展阶段做好规划，建立有效的环保和发展政策，培养社区可持续发展的矿业企业。B O’Regan等[5]、Sujoko等[6]进一步分别对矿区环境与政策之间的相互作用和未来公司绩效进行了剖析与评价，并提出更有效的优化策略。

国内学者在模式创新方面，侯成桥等[4]定性分析了建设生态矿业的必要性和紧迫性，提出了以节约资源、清洁生产、废弃物循环利用为特征的生态矿业发展模式。郭敏等[8]通过总结矿业试点单位循环经济发展情况，提出实现矿业持续发展的循环经济发展模式。方月梅等[9]指出矿业发展的高效、循环、集约的必要性，并提出“资源→产品→废弃物→再资源化”的矿业循环发展模式。李素峰等[10]针对资源供需矛盾和环境问题，利用系统动力学模型对资源密集区域的标准、传统、准绿色和绿色等四种发展模式进行动态仿真模拟与分析。孙玉峰[11]着眼于制定正确的矿业发展战略，运用系统动力学对矿区资源开发与利用进行了仿真研究。在实现路径方面，刘敏[12]借助于SWOT分析法分析了当前我国矿业发展面临的机遇和挑战，提出了实现我国绿色矿业可持续发展的四大策略。吴青等[13]基于霍夫曼定理综合考虑环境容量、科技支撑和资源供应能力等因素的基础上，分析了实现矿业可续发展模式的各阶段的动力机制。崔倩等[14]引入物质平衡原理，定性对矿业废弃物的循环利用模式进行了研究，并从政策、法律、技术和公共意识方面提出了相关规范与发展建议。

总的来说，当前国内外学者对矿业可持续发展模式的研究侧重于定性研究，定量仿真研究相对较少，而对矿业绿色循环发展模式的仿真研究并无先例。因此，本文拟在前人研究的基础上，结合绿色理念、循环经济理论与方法，以汉中市略阳县矿业发展现状为例，借助系统动力学的原理和方法，通过定性与定量相结合，构建矿业绿色循环发展系统动力学模型，进一步探索实现矿业绿色循环发展的最优路径。

1 略阳县绿色矿业发展现状分析

略阳县矿产资源丰富，矿业经济发展为全县经济发展做出了巨大贡献，但在发展绿色循环矿业的总体要求下，略阳县矿业发展依然存在诸多问题亟待解决和完善。①产业结构不完善，矿产资源开发缺乏统筹规划，集约式少，粗放式多,矿山分散经营，产业配套能力差，平均产值规模小；②绿色循环科技水平低，新工艺、新技术成果少，资源综合利用效率低，其中矿业“三废”及低品位、难处理矿利用率低，尾矿利用未开展，循环资源量少，高效集约和节能减排效果不明显，环境问题依然突出；③产业链不完善，矿产品深加工利用环节薄弱，产品以初加工产品为主，附加值低，企业规模经济和总体效益不明显，企业抗风险能力低；④矿产勘查开发的力度不足，资源保障程度底，全县当前已探明的主要矿产资源量已耗去50%左右，而现保有的资源量中有80%左右难以利用或采矿难度大；⑤绿色循环发展理念缺失，受经济利益驱动，企业不愿在绿色循环新工艺和技术改造方面投入大量资金和精力。略阳县矿业发展水平与全国矿业发展水平主要参数比较见表1。

表1 略阳县矿业发展水平与全国矿业发展水平主要参数比较

注：(估)为估算值。

资料来源：全国矿产资源规划(2008～2015年);中国矿产资源节约与综合利用报告(2015)中2013年的数据。

2 模型构建

2.1 系统结构分析，关键变量确定

为全面了解矿业发展现状及其内部结构，探讨矿产资源开发与经济、环境、人口、科技等因素之间的内在关系，预测县域矿业未来发展的趋势。本文在结合略阳县矿业发展现状的基础上，将矿业绿色循环发展系统分为经济子系统、资源子系统、矿区环境子系统、矿区人口子系统和科技子系统等五大子系统，综合设计系统动力学模型。

1) 经济子系统。主要通过国内生产总值(GDP)、矿业GDP、矿业绿色GDP等来反映。以GDP为水平变量，以GDP增长量为速率变量，以矿业GDP和矿业绿色GDP、矿山环境治理投资和万元GDP能耗等变量为辅助变量，其中万元GDP能耗作为节能降耗的特征参数反应能源的消耗量。

2) 资源子系统。以矿产资源储量为水平变量，以新增探明量和消耗量为速率变量，用辅助变量资源综合利用率表达尾矿等固体废弃物中可再次利用的循环资源量情况，同时，由于略阳县矿业深加工产品未来会对矿业GDP产生较大影响，该模型给予矿产深加工产品增值增长率较大关注。

3) 矿区环境子系统。包括固体废弃物排量、废气排量和废水排量以及可用水量等水平变量，辅助变量包括环境相对污染程度和矿区社区和谐度等变量，其中环境相对污染程度用来表征环境质量水平，并以2016年环境污染程度作为计算基准，矿区社区和谐度由矿业绿色GDP、矿区人口和环境相对污染程度计算而来。

4) 矿区人口子系统。以矿区人口为水平变量，以人口增加量为速率变量，以人口增长率为辅助变量，由于矿区人口数量变化不大，该模型更多关注人口子系统对矿区环境和矿区社区和谐度的影响作用。

5) 科技子系统。以绿色循环科技水平为水平变量,以矿业科研费用支出为速率变量，以技术进步和科研费用支出增长率和科研费用支出增系数为辅助变量，通过技术进步参与其他子系统相关变量计算。

2.2 系统反馈回路分析。

因果关系图反应系统内部各主要变量之间的相互作用和动态反馈关系，通过梳理各子系统之间的关系，基于Vensim PLE(6.3G)软件，绘制矿业绿色循环发展因果关系图，并归纳出几条主要反馈回路，如图1所示。

图1 矿业绿色循环发展因果关系图

回路1:GDP→+科研费用支出→+绿色循环科技水平→+资源综合利用率→-矿业“三废”排量→+环境相对污染程度→-GDP增长率→+GDP。

回路2：GDP→+资源开发投资→+实际采选量→+矿业“三废”排量→+环境相对污染程度→-GDP增长率→+GDP。

回路3：GDP→+资源开发投资→+实际采选量→+矿产资源供给量→+GDP增长率→+GDP。

回路4：GDP→+矿区环境治理投资→-矿业“三废”排量→+环境相对污染程度→-GDP增长率→+GDP。

回路5：矿产资源储量→+实际采选量→+矿产资源供给量→+GDP增长率→+GDP→+资源勘查投资→+矿产资源储量。

回路6：绿色循环科技水平→+矿产资源储量→+实际采选量→+矿产资源供给量→+GDP增长率→+GDP→+科研费用支出→+绿色循环科技水平。

2.3 系统流图构建

结合各子系统之间因果反馈关系，充分考虑系统内部主要关注要素的特点，综合设计矿业绿色循环发展系统流图，如图2所示。

图2 矿业绿色循环发展系统流图

3 SD动态仿真模型参数确定与有效性检验

3.1 SD动态仿真模型参数确定

模型地域边界为略阳县行政辖区边界，时间边界为2015～2035年，共20年，历史数据为2006～2015年的数据，数据主要来源于区域统计年鉴、社会经济发展年度统计公报和矿产资源发展规划以及借鉴前人的经验参数[15-16]。模型以2015年为基年进行仿真模拟，数据处理采用如下方法：趋势外推法确定当前路径下矿山环境治理投资增长系数(0.08)、资源开采投资增长率系数(0.04322)、资源勘查投资增长系数(0.03)、矿产资源需求系数(表函数(2025,6.6923)(2035,6.6923))、科研费用支出增长系数(0.04444)、矿产深加工产品增值增长率(0.06)等；算数平均法确定矿区人口增长率(0.03)等，其他路径的参数参考姚建等[15]、程叶青等[16]相关论文，并在考虑目标可实现的因素下，结合矿区实际情况做适当比例缩放与调整。

3.2 SD动态仿真模型有效性检验

矿业绿色循环发展是一个复杂的大系统，仿真模型的建立仅仅是对实际系统的抽象模拟，建立的模型能否真实有效地模拟现实系统，能否对制定政策起到有效的参考作用，仿真模型的有效性检验是必不可少的一步。

本文对矿业绿色循环发展系统动力学模型的检验以略阳县矿业为例，主要选取略阳县2006～2015年的数据进行检验，从历史检验结果看，模型的模拟结果和历史实际值基本一致，二者的相对误差值介于-8.86%～10%之间。因此，可以认为该矿业绿色循环发展系统动力学模型与实际系统的拟合度较高，能够真实的反映实际情况，可以作为矿业绿色循环发展和规划政策实施的参考依据，并能对发展动态进行可靠分析与预测。

4 动态仿真结果分析与发展模式选择

矿业绿色循环发展系统行为受矿山环境治理投资增长系数、资源开采投资增长率系数、资源勘查投资增长系数、矿产资源需求系数、科研费用支出增长系数、矿产深加工产品增值增长率、人口增长率等作用的影响，在本文中，通过对政策参数进行多次调整与组合，以GDP、矿业GDP、环境相对污染程度和矿产资源储量、绿色循环科技水平、矿区社区和谐度为指示变量，对多种发展模式进行仿真模拟，遴选并重点分析了三种典型发展路径：路径Ⅰ(当前发展路径)、路径Ⅱ(经济发展路径)和路径Ⅲ(绿色协调发展路径)。最终选定政策参数见表2，模拟结果见图3。

表2 不同仿真路径政策参数设定

图3 矿业绿色循环复合系统不同路径下指示变量的对比图

路径Ⅰ是略阳县当前发展路径。保持初始系统的政策参数不变(表2，下同)，按照略阳县当前矿业发展路径模式进行仿真模拟，从仿真结果图(图3)中可以看出，当前发展路径相对路径Ⅱ和路径Ⅲ，略阳县整体经济发展相对缓慢，对资源的依赖程度较高，资源储量消耗过快，技术水平发展缓慢，环境污染程度相对较高，严重影响矿区社区和谐度和经济发展速度，未来矿业发展依然未能克服略阳县当前矿业发展面临的几大问题，该路径不可取。

路径Ⅱ是经济增长型发展路径。在略阳县当前发展路径，即路径Ⅰ的基础上，在适当调整县域经济发展产业结构的背景下，降低GDP对资源的需求系数，适当提高矿业勘查和开采投资，以及提高矿产深加工产品增值增长率，以此来延伸产业链，提高产品附加值。另外，注重科学技术发展和矿山环境保护工作，提高资源的利用效率，寻求经济的快速增长，从仿真结果图(图3)中看出，该路径模式下，GDP和矿业GDP发展最快，环境污染程度相对路径Ⅰ有所改善，但是相对路径Ⅲ，资源消耗依然较快，后期资源保障程度不足，环境问题依然突出，矿区社区和谐度依然较低。该路径下矿业发展依然未能完全解决当前略阳县矿业发展所面临的资源保障不足和环境问题，不是理想的发展路径。

路径Ⅲ是绿色循环协调路径，该路径的设计立足于循环经济的“3R”原则，即：资源的减量化、再利用、再循环使用的原则。在路径Ⅱ的基础上，适当降低矿产资源开发投资，适当减小资源开采力度，大力发展矿区科技并引用先进设备，则矿区劳动力将会明显减少。结合调整县域经济发展产业结构的背景，降低GDP对矿产资源需求系数，把工作重点放在勘查、科技和环保等方面，比如适当提高矿产资源勘查投资，提高科研费用支出和矿山环境治理投资等工作。从仿真结果图(图3)中可以看出，此路径模式下，相对于路径Ⅰ和路径Ⅱ，略阳县绿色循环科技水平明显提高，虽然降低了资源开发投资，但是GDP水平与路径Ⅱ中GDP水平基本持平，依然获得良好的社会经济效益；而矿业GDP相对路径Ⅱ中矿业GDP发展稍慢，但相对路径Ⅰ发展较快，即比当前矿业经济效益有所改观，同时由于实行了资源保护，加大了勘查力度，资源储量稳定，资源保障程度合理，环境质量改善速度相对其他两种路径明显加快，矿区社区和谐度最高，与当前所倡导的技能减排，绿色循环发展的理念基本吻合，完全解决略阳县矿业发展所面临的几大问题，是理想的发展路径。

5 结论与建议

首先，从系统动力学模型应用的效果来看，由于矿业绿色循环发展系统是一个包含多变量高阶次的复杂反馈系统，本文通过构建矿业绿色循环发展系统动力学模型，以略阳县矿业绿色循环发展为例，探讨了三种典型路径中各影响因素及其之间的相互作用，较为真实地反映了矿业绿色循环的内部结构，达到了预期的仿真模拟效果，为略阳县制定矿业发展政策提供可参考的依据。

其次，从仿真模拟结果的指导性来看，通过大力开采矿产资源而获得客观经济效益方式，已经不能满足当前矿业可持续发展的时代需求，要实现矿业可持续发展，需要提高对科学技术水平和环保的投资比重，推进绿色循环科学技术发展和矿区环保工作，实现节能减排和资源高效循环利用，方能从本质上推进矿业经济发展。

最后，结合略阳县矿业发展现实情况以及上述分析，提出实现县域矿业绿色循环发展的建议。

1) 政府规划层面。政府应制定相关政策，对资源开发进行统筹规划，优化矿业产业布局，严格要求矿山企业执行相关政策及制度。比如当地环保制度、退出机制以及对落后技术和工艺的淘汰机制等政策制度，积极引导矿山企业引进新技术和新设备,拓展矿产资源利用新领域，延伸产业链，将当前矿山的粗放式生产变为共享型和集约式生产，促进矿业经济健康发展。

2) 投资发展层面。投资是矿业发展的动力源泉，是实现矿业健康发展不可或缺的举措，企业和政府应该在资源勘查、绿色循环技术和生态环境保护等方面做好投资工作，以此鼓励科技创新，确保资源的储备、科技水平的提高和环境质量的改善，同时也要积极推广和应用对品位低和难利用矿产资源的利用技术成果，确保投资的有效性。

3) 绿色循环发展理念认识层面。提倡绿色清洁生产、循环利用尾矿资源及废弃物资源，通过应用采选新技术、新工艺，延伸产业链等措施，实现对尾矿和低品位、难利用矿产的综合利用，提高产品附加值，实现矿山企业经济效益提高和矿区环境质量的改善，以此增强人们对绿色循环发展理念的认识，尽早实现矿山企业发展转型。

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