矿区能源-经济-环境系统协调度研究

李元栋 李亚静

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京市海淀区，100083)

在煤炭为主的基础能源供给格局短期难以改变的背景下，煤炭作为主体能源长期占我国一次能源消费总量高达70%以上。煤炭目前是我国资源最丰富的能源品种，具有难以替代的资源禀赋优势。与此同时，煤炭行业传统高耗能、高污染的发展模式对生态环境的破坏，已经成为制约我国经济健康发展的瓶颈。为此，在能源结构转型过程中，煤炭行业扮演着重要角色。在此背景下，煤炭工业发展通过转型调结构实现清洁生产，建设绿色生态矿山，将是突破经济发展瓶颈的重要一环。实现能源-经济-环境(3E)系统协调发展，是矿区健康持续发展的重要保障。通过对能源、经济和环境单个系统或多个系统复合进行分析，可以明确各系统发展之间的相互关系，有针对性地采取措施控制各系统的协调发展。利用主成分分析得出3E系统各子系统的综合发展水平，结合模糊系统隶属度函数确定能源与经济和环境这两个子系统间的协调水平以及系统总体协调水平，并借助环境库兹涅茨曲线(EKC)对协调度和改善途径进行分析。

1 矿区能源-经济-环境系统综合评价指标体系的建立

1.1 指标体系建立的原则

以矿区为基础，从3E系统协调性研究的角度，考虑3E系统层次性与整体性、区域性、动态性、可调控性4个特性(程声通，2012；曾嵘等，2000)，结合矿区能源、经济、环境领域相应的考量指标(孙玉峰等，2014；武晓斐等，2010；张瑞等，2009)，对能源、经济、环境3个子系统建立4级指标体系。

1.2 矿区能源-经济-环境系统综合评价指标体系架构

能源子系统指标的选择与矿区资源和生产水平密切相关，本文以矿区一次性能源流动为例，从能源总量指标、能源增长指标、能源效益指标3个方面分析。能源总量指标可以选用煤炭生产总量、能源消耗总量；能源增长指标可以选用能源消耗总量年变化率；能源效益指标可以选用单位工业增加值综合能耗，工业万元产值能耗。

经济子系统可以从经济总量指标、经济实力指标、经济结构指标、经济效益指标4个方面分析。经济总量指标可以选用工业生产总值、工业增加值总量；经济实力指标可以选用人均工业增加值、单位工业用地面积工业增加值；经济结构指标可以选用非煤产业产值占总产值比重；经济效益指标可以选用工业增加值年增长率。

环境子系统可以从环境污染指标、环境质量指标和生态环境指标3个方面考虑。环境污染指标可以选用工业固体废弃物排放量、工业SO2排放量、单位工业增加值SO2排放量、单位工业增加值新鲜水耗；环境质量指标可以选用工业SO2处理率、工业固体废弃物处置利用率、工业用水重复利用率、工业废水排放达标率；生态环境指标可以选择土地复垦率、环境保护投入占工业生产总值的比重。矿区能源-经济-环境系统协调性综合评价指标体系框架见表1，其中逆向指标后标注(逆)，适度指标后标注(适)，其余则为正向指标。

表1 矿区能源-经济-环境系统综合评价指标体系

2 能源-经济-环境系统协调度测算方法

2.1 数据标准化

首先对原始数据进行标准化处理，再将标准化后的数据使用SPSS软件进行处理。文中采用的数据标准化方法是先将指标分为3种类型：正向指标、逆向指标和适度指标，计算公式为：

(1)

式中：Xi——指标原始值；

Xmax——同一年度指标最大值；

Xmin——同一年度指标最小值；

M——适度指标参考值。

2.2 主成分分析

主成分分析(PCA)是一种统计学方法，它使用正交变换将可能相关变量的一组观察值转换为一组称线性不相关变量值，选取特征值大于1，且累计载荷大于85%的一组主成分。主成分分析的目的在于对原始数据进行降维，应用主成分分析对3E系统综合评价指标体系数据进行处理，选取保留原始信息最多并且具有明显代表性的几个主成分，有效降低指标间的冗余度，去除各指标间相互重复信息的部分，确保指标体系的完整性、结构性、层次性和真实性。文中采用SPSS软件进行主成分分析，根据分析结果提取前n个主成分A1、A2…An，通过F=α1A1+α2A2+…+αnAn计算综合评价指数，αi是第i个主成分的信息贡献率。

2.3 隶属度函数测算协调度

协调度是表现系统与系统间协调性的模糊概念, 因此, 可利用隶属度模型(曾珍香等，2000)对其进行描述, 与此同时，隶属度变化规律可以通过隶属度函数来反映。以此为基础, 建立协调度函数模型，计算公式为：

(2)

式中：U——隶属度；

X——样本的观测值；

X′——样本的协调值，可根据实际发展水平要求，通过建立回归方程求得；

S2——样本方差。

(3)

U(j/i)——Xi系统与Xj系统之间的协调度。

系统整体协调度计算公式为：

(4)

Xi——样本观测值；

Xmax——样本最大值；

Xmin——样本最小值；

M——样本平均值。

2.4 系统协调度等级划分

OEDC(1998)将协调度等级水平定义为：U∈[0.9,1.0)为优质协调；U∈[0.8,0.9)为良好协调；U∈[0.7,0.8)为中度协调；U∈[0.6,0.7)为基本协调；U∈[0.5,0.6)为轻度不协调；U∈[0.4,0.5)为中度不协调；U∈[0.3,0.4)为严重不协调；U∈[0.1,0.3)为极度不协调。

3 准能矿区3E系统协调度测算

3.1 原始数据获取

文中原始数据来源于国家能源集团准能矿区年度统计报告，见表2，对原始数据中个别年度指标出现缺失的数据采用三次样条插值法获取。

表2 准能矿区3E系统指标原始数据信息表

3.2 主成分分析及协调度测算

将数据通过式(1)进行标准化处理后，根据主成分分析结果提取3个主成分，其累计方差贡献率达到96.4%。按照协调发展的原则，使子系统指标特征层的每个指标权重相同且相加等于1，并通过表3的主成分分析结果计算得到各子系统的年度综合发展指数。以此为基础利用式(2)、式(3)和式(4)得到能源与经济协调度U(x,y)、能源与环境协调度U(x,z)、经济与环境协调度U(y,z)、3E系统协调度U(x,y,z)，见表4，以及协调度变化趋势见图1。

表3 主成分分析总方差解释

表4 各系统协调度水平

图1 系统协调度变换趋势图

3.3 准能矿区3E系统协调度结果分析

3.3.1 能源与经济子系统

能源与经济发展协调度2014年之前明显高于能源与环境和环境与经济之间的协调度。由图1可知，在2012年末-2017年初的整个时间段内，能源与经济之间的协调水平虽年度变化产生一些波动，但都处于0.75～0.85之间，属于不协调。自2012年起煤炭市场延续低迷，主要耗煤行业和几大运煤港口库存持续增加，煤炭市场价格全线下跌。2013年初-2014年末，准能集团所属矿区能源与经济之间发展协调度一直处于下滑趋势。在2015年初整个煤炭市场持续低迷的形式下，准能集团依托铁路发展物流业，减小煤炭市场低迷对企业经济发展的影响。与此同时，煤炭产量逐年降低，但铁路物流业产生巨大效益，使能源与经济协调度得以回升。2016年上半年，煤炭市场出现回暖，直至下半年供求关系逐步平衡，短时间内出现供不应求，煤炭价格理性上浮。准能集团凭借开采成本低、煤炭质量好等优势，采取降产量、调结构、大力发展铁路物流运输业等措施，将能源与经济协调度控制在0.75～0.85之间。经过3年去产能政策的影响，2017年初煤炭经济市场运行保持总体平稳态势。到2017年末，能源与经济发展协调度稳步回升至0.85左右，处于良好协调水平。

3.3.2 能源与环境子系统

2012年末，煤炭市场库存积压严重并且增速依然较快，进口煤炭规模不断加大，导致煤炭行业产量出现负增长。煤炭工业生产本身具有高排放、高污染、高耗能的特点，粗放式的煤炭经济发展模式加剧了矿区生态环境的扰动、大气环境破坏和水污染。2013年初，准能集团降低煤炭产量，降幅维持在1%～5%之间，2013年和2014年能源与环境之间协调度未出现较大波动。2015年，煤炭产量延续下降趋势，煤炭产量的减少降低了对矿区生态环境的扰动，在环境保护政策高压运行下，企业调整发展结构，加大土地复垦力度和环境保护投入，发展绿色产业使2015-2017年3年间的能源与环境发展协调水平从0.7～0.75上升到0.75～0.8之间，处于中度协调水平。同时，许多绿色产业处于建设期还未成形，因此还有较大上升空间。

3.3.3 经济和环境子系统

2013年初-2014年末，准能集团凭借所属矿区资源开采成本低和煤炭资源质量等优势，在煤炭经济不景气的市场环境下依然可以维持较高的盈利水平，能源与环境发展协调水平维持在0.7～0.73之间。2015年初，煤炭产量延续下降趋势，准能集团依托铁路发展物流运输业。与此同时，企业调整发展结构，在资源利用方面大力发展循环经济，建立煤炭采选-铁路物流、煤炭-电力、铝业及铝加工和土地复垦-畜牧旅游4条产业链；在环境保护方面，加大环境保护投入，引进一批高效节能设备和废弃物处理装置，加强伴生矿物利用技术研发，获得多项专利并且产品已进入中式阶段。矿区目前在废弃物排放和物质能源消耗方面取得明显效果，物质循环利用和伴生产物利用产业尚处于建设期还未产生明显经济效益。2015年初-2016年末，经济与环境发展协调水平涨幅较大，由0.73上升至0.98，处于优质协调状态，2017年略有下滑但依然在0.97水平左右，呈现稳定态势。

3.3.4 3E系统协调水平

2013年初-2017年末，该矿区能源-经济-环境发展协调度水平一直处于0.68～0.78之间波动，平均水平处于0.72左右。经过市场调整，以及在去产能和环境政策高压态势影响下，协调度在波动中有所上升但还是中度协调状态。近年来，准能集团依托资源优势，形成以煤炭为中心建设铁路物流、电力、铝业、生态畜牧业等多元化发展方向。在对污染物排放处理和加强节能减排技术应用的同时，加大绿色产业和循环经济的投入，规划形成煤炭采选-铁路物流、煤炭-电力、铝业及铝加工和土地复垦-畜牧旅游4条产业链；实现坑口发电，建立煤矸石发电厂、电解铝中试厂，并着手发展铝制品加工产业；加大土地复垦力度，以此为基础发展畜牧养殖业；利用矿业生产遗址和矿产地质遗迹等开发国家矿山公园，发展旅游业。目前，矿区在降低物质能源消耗和污染物处理方面取得显著成效，实现工业用水重复率98%以上，污水、SO2等污染物合格处理率达到100%，但主要固体废弃物煤矸石的综合利用率只有不到20%，与此同时资源高效利用产业链当前正处于建设期，使得3E系统协调水平虽有所提升但幅度较小，系统协调水平始终未突破0.78，依旧是中度协调。

3.4 矿区发展现状分析及建议

从准能矿区实践出发，结合环境库兹涅茨曲线(EKC)即环境质量的变化会随着工业发展呈现出先降低后升高的倒U形变化，见图2，对准能矿区3E系统的协调水平现状及发展做出分析。

图2 EKC曲线分析图

通过研究发达国家能源工业经济发展和能源消耗过程发现，能源系统、经济系统和环境系统之间的发展状态可以分为3个阶段：第一阶段为能源工业加速发展阶段，该阶段片面追求经济效益总量，忽视质量与结构，环境负荷不断增加，高耗能、高污染、高排放现象加剧，生态效率低下；第二阶段为补救调整阶段，环境恶化造成影响日益严峻，开始注重资源环境的价值，转变发展理念并调整发展结构和采取补救措施，环境负荷缓慢上升，能源环境经济系统协调度仍处于较低水平；第三阶段为协调发展阶段，该阶段在我国尚未实现，建立起合理的发展模式和发展结构，环境负荷不断下降，能源、经济和环境之间协调度处于一个较高的协调水平。当前煤炭工业发展的任务就是在保证国民经济发展的前提下，降低EKC曲线的弧度，在曲线寻求一条平缓的通道B，实现经济与能源环境协调发展的目标。准能矿区当前处于第二阶段，经过第一阶段的发展使得3E系统处于一个较低的协调水平。为此，企业在加强对污染治理的同时，开始注重发展循环经济，规划并建立4条产业链，加强资源及伴生产物综合高效利用，但在产业链中也出现了高耗能、高污染的产业。加强节能减排技术、清洁生产技术以及伴生产物和固体废弃物综合利用技术研发可以使整个补救调整阶段更为平缓。当前，该矿区在污染防治设备、伴生产物处理利用技术研发方面已取得显著成果，许多成果已进入中试阶段，在未来几年内便可实现投产；在生态产业建设方面，矿山地质公园、生态牧场正逐步建立，几年后在生态环境方面将有显著改善。

4 结语

通过矿区3E系统协调度测度的研究，明确了准能矿区当前发展阶段的建设重点，对当前矿区在污染治理、生态建设、废弃物处置以及物质循环利用方面存在的问题进行了分析，并提出了发展建议。在建设生态产业链的同时，对产业链中新增高耗能、高污染的产业进行能耗及污染控制，切实发挥减量化、再循环、再利用的功效。在煤矸石利用产业链的建设中，加大利用技术研发力度，使煤矸石得到真正利用。在围绕污染防治与清洁生产两条路线发展循环经济的同时，更加注重节能减排技术与物质资源清洁利用技术的研发。用技术保障循环经济的发展，用循环发展促进技术的提升，使矿区能源、经济和环境逐步持续协调发展。