矿山可持续性动态多尺度整合评价

陈文彬

矿山可持续性动态多尺度整合评价

陈文彬

从矿山生态系统和经济系统的基本矛盾出发，引进城市生态学中的全排列多边形图示指标法，结合生态学和经济学的整合评价指标——生态足迹经济弹性系数指标，综合考虑社会、经济和环境三方面的内容，对元宝山露天煤矿可持续性的历年发展状况做出了动态多尺度的分析和评价。研究结果表明：元宝山露天煤矿的生态足迹经济弹性系数在1.43～4.55之间波动，生态足迹多样性指数在0.578 2～0.720 7之间变化，说明矿山要维持经济增长所付出的生态资源消耗量将会更大。从多边形图的形状变化趋势可以看出，元宝山露天煤矿经济发展步伐加快的同时也加速了对生态资源的掠夺，这种发展模式存在着一定的不合理性。

可持续性；整合评价；生态足迹；生态承载力；矿产资源开发

0 引言

可持续发展的核心问题是资源和生态环境[1]。工业革命以后，由于社会生产力极大提高，人们开采矿产资源的种类在不断增加，开采的方式在不断革新，开采的总量在不断增大，其产生的环境问题也日益严重[2]。深入研究矿产资源开发产生的环境问题，尤其是对矿山经济系统和生态系统的可持续性做出定量的、全面的、综合的评价，使生态-经济协调发展的理念在矿山生产中转变为现实的管理模式，已经成为实现矿产资源可持续开发利用的核心所在，也是其亟待解决的关键技术问题。

评价矿山发展的可持续性，也就是利用适当的定量化分析工具，量化矿山经济系统的发展对矿山生态系统的依赖和对生态资源的需求，以及定量测度矿山生态系统对资源的供给。因此，对矿山的可持续性进行评价，也就是对矿山经济系统对自然资源的需求量和矿山生态系统对自然资源的供给量做出定量的、直观的、科学的评价。20世纪90年代提出的生态足迹模型为矿山生态系统和经济系统的定量分析和评价开拓了新途径。

生态足迹 （EF） 是由 William E.Rees和 Mathis Wackernagel等于1992年提出和发展起来的。生态足迹（EF）是支持特定人口或经济体的资源消费和废弃物吸收所需要的具有一定生态生产力的土地的面积，是用生态性土地面积来度量一个确定人口或经济规模的资源消费和废弃物吸收水平的账户工具。生态足迹方法是定量测度综合生态压力的较好方法[3-5]。该方法以社会代谢中的生物质和能源消费为重点，为度量人类对生态资源的占用提供了方法和指标[6]。如果把人类活动对生态环境的冲击比作负载着人类及其所创造的物质文明的沉重的巨脚踏在地球上，那么生态足迹就是测度这只脚留下的脚印的大小的方法和指标[7]。

本文构建了基于生态足迹指标的矿山可持续性动态多尺度整合评价模型，利用该模型对元宝山露天煤矿1995年～2007年经济系统的发展状况进行了详细的分析和系统的评价。本研究对于在生态系统承载能力有限的前提下，思考矿山经济系统发展的可持续系列问题具有重要的理论及现实意义。

1 生态足迹基本指标

1.1 生态足迹需求模型

在生态足迹需求账户计算中，生态生产性土地主要考虑以下6种类型：耕地、草地、林地、化石能源土地、建设用地和水域。生态足迹EF(Ecological Footprint)计算公式为：

式中：EF——总的生态足迹；

N——人口数；

ef——人均生态足迹；

i——消费品和投入的类型；

j——生态生产性土地类型；ci——第i种消费品的人均消费量；pi——第i种消费品的平均生产能力；rj——等量因子。

1.2 生态承载力模型

研究区域实有的6类土地面积sk（k=1，2，…，6） 分别乘以相应的产量系数 λk和等量因子 γk（k=1，2，…，6），然后求和，就是具有全球平均生产力的生态承载力EC(Ecological loading Capacity)：

1.3 生态效率模型

生态效率一般定义为使用单位生态资源能够获得的产出。应用生态足迹指标构建研究对象的生态效率时，生态资源的使用量即为生态足迹的大小，而产出一般为经济产出（如工业产值等）。其计算模型为：

2 矿山可持续性动态多尺度整合评价模型

2.1 全排列多边形图示指标模型

回顾近20 a来有关可持续发展量化指标的构建可以看出，不同的专家或研究机构的视角可能不同，但总体的研究思路是以某种方式把自然资源和环境状态与社会、经济发展指标同时考虑。即一般情况下是在社会、经济发展指标的基础上考虑环境因素，以达到体现发展的可持续性的目的[8]。更有的为全面反映可持续发展状况，设计了涵盖社会、经济、环境等多个方面的一百几十个指标，能够较全面地反映可持续发展的状况。但这些指标体系严格来说还是单一指标的简单组合，每个指标反映某个方面的一个侧面，在加权计算的时候又有权重处理的主观性强、任意性大的问题，存在一定的不确定性，在实践中也会出现种种估值困难。

指标综合方法——全排列多边形图示指标法是由吴琼等[9]于2005年提出的城市生态学领域的方法。应用全排列多边形图示指标法对矿山可持续性进行多尺度整合评价：①既有单项指标又有综合指标，既有几何直观图示又有代数解析数值，既有静态指标又有动态趋势；②与传统简单加权法相比，不用专家主观评判权系数的大小，减少了主观随意性；③当分项指标值落在临界值以下时其对综合指标产生紧缩效应(边长小于1)，当分项指标值落在临界值以上时其对综合指标产生放大效应 (边长大于1)，反映了整体大于或小于部分之和的系统整合原理。在吴琼等[9]的全排列多边形图示指标法中，关键值、下限和上限均是由专家进行估算的。在本研究中，将每一指标的平均水平作为关键值，最小值作为其下限，最大值作为其上限，从而可以反映矿山系统的真实动态情况，同时也减小了在评价过程中人为主观因素对评价结果的影响。

对于所选取的指标利用以下公式计算每一个指标相应的标准化值:

利用n个指标可以做出一个中心正n边形。n边形的n个顶点为Si=1时的值，中心点为Si=-1时的值，中心点到顶点的线段为各指标标准化值所在的区间，而Si=0时构成的多边形为指标的临界区。临界区的内部区域表示各指标的标准化值为负，外部区域表示各指标的标准化值为正。

综合指标值的计算公式如下：

基于生态足迹的全排列多边形图示指标法的标准化函数为双曲线型函数。这个函数在指标的上、下限构成的闭区间内是单调上升的，而且奇点不在这个区间内（无论上下限的值如何）。在对系统进行多尺度整合评价时，由于采用的是面积或面积的比值作为多尺度整合评价的结果，所以综合发展能力优良的区域在区域总面积中所占的比例较小，系统达到优良的难度呈非线性增大，反映了矿山达到生态型绿色经济系统建设最高目标的难度在不断增大。

对于多尺度整合评价指标体系中指标的数量，过少的指标不够全面，而过多的指标会因为指标间的相关性导致指标间关系复杂，指标综合结果无法正确反映各指标的重要性。为了将生态足迹和所解决问题的经济、社会及其他指标关联起来进行应用分析，本文共选取生态足迹、人均生态足迹、生态承载力、人均生态承载力、人口、工业总产值、生态效率和万元工业产值生态赤字8个指标。这8个指标综合了社会、经济和生态环境三方面的主要内容。

2.2 生态足迹经济弹性系数模型

生态足迹经济弹性（Ecological footprint Economic Resilience，EER） 是指人类活动的自然需求对经济发展变化的反应或敏感程度[10]，其弹性大小用“生态足迹经济弹性系数”来表示。该系数反映了经济增长所要求的资源消费增长。如果生态系统不能支持经济增长所需要的资源消费，经济增长就会受到生态系统对自然资源供给有限性的制约。

其计算模型为：

式中：EER——生态足迹经济弹性系数；

REF——生态足迹的年变化百分数；

R工业总产值——工业总产值的年变化百分数。

3 元宝山露天煤矿可持续性动态多尺度整合评价

3.1 数据来源

本研究需要大量的基础数据。这些基础数据主要来自《平庄煤业集团元宝山露天煤矿1995年～2007年度生产经营计划执行情况》、《1995年～2007年辽宁统计年鉴》等。本文对这些数据进行了整理计算。计算中等量因子选择全球标准，产量系数选择Wackernagel等对中国产量系数的计算结果，即中国的各类土地的平均生产力与世界平均生产力的比值。

3.2 结果与分析

3.2.1 元宝山露天煤矿可持续性评价指标

在对元宝山露天煤矿的基础数据进行详细统计的基础上，利用本文的计算模型对1995年～2007年元宝山露天煤矿如下8个指标历年的情况进行了详细计算，计算结果见表1。

表1 元宝山露天煤矿可持续性评价指标历年发展状况

3.2.2 元宝山露天煤矿可持续性动态多尺度整合评价

应用本文建立的动态多尺度整合评价模型对所选取指标的历年值进行无量纲标准化处理。根据各个指标的无量纲标准化值绘制元宝山露天煤矿历年的全排列多边形示意图 (见第4页图1）。

从图1可以看出，元宝山露天煤矿经济系统与生态系统的协调性在1995年～2003年间发生了显著的变化，全排列多边形示意图的变化过程是从“花瓣状”演变成为“放射状”再演变为“花瓣状”的整体趋势。元宝山露天煤矿可持续性历年全排列多边形示意图中的“放射状”图形（见图1中的1999年、2000年、2004年～2007年图） 表明矿山生态-经济系统中的一些指标值处于最低状态（如元宝山露天煤矿2004年的人口数、总生态足迹以及总承载力）。1995 1995年，总生态承载力指数最大值出现在1996年）。“放射状”图形（如2000年图）表明矿山可持续性具有较低的综合指标值，而“花瓣状”图形（如2007年图） 表明矿山可持续性具有较高的综合指标值。

图2为元宝山露天煤矿可持续性综合指数变化趋势。从图2中可以看出，2000年以前，元宝山露天煤矿可持续性综合指数呈现逐年下降趋势，2000年以后呈现波动性增长趋势，说明了在2000年以前元宝山露天煤矿的可持续发展状态是逐年向着临界状态靠近并逐渐进入内部区域，发展能力进入较差的等级；2000年～2004年，系统的发展能力在0.05～0.18之间波动，2004年以后呈现快速增大趋势，发展能力由2004年的0.08增大到2007年的0.34，说明系统进入了相对较强的发展阶段。

图3为生态足迹经济弹性系数变年～1998年，随着时间的变化，图形位于临界区域内层的部分逐渐减小，说明每个指标从最大值逐渐接近临界值（历年的平均水平）。1995年～1998年期间，图形主要集中在临界区的外层，说明元宝山露天煤矿生态-经济系统在此阶段的发展状况要高于历年的平均发展水平。全排列多边图形的两种典型形状“放射状”和“花瓣状”说明所有指标的最小值并非全部出现在矿山生态-经济系统的最早时期（如元宝山露天煤矿的工业总产值指数最小值出现在1997年，人均足迹指数最小值出现在1999年），最大值也不是全部出现在系统的最后阶段（如元宝山露天煤矿的总生态足迹指数最大值出现在化趋势图。从图3可以看出，元宝山露天煤矿1995年～2007年的生态足迹经济弹性系数不稳定，仅有1997年～1999年以及2003年、2004年的生态足迹弹性系数为负值，这说明在这几年中元宝山露天煤矿工业总产值增长的同时生态总足迹是在下降的，整个矿山生态-经济复合系统处于一种良性发展的状态。但是2000年～2002年以及2006年～2007年的生态足迹经济弹性系数在1.43～4.55之间波动，说明了生态足迹的增长速度已经明显地超过了矿山工业产值的增长速度，生态压力超载严重。元宝山露天煤矿1995年～2007年工业产值的平均增长率为12.79%，历年生态足迹经济弹性系数的平均值为1.27。也就是说，如果在未来实现12.79%的生产总值的增长速度，那么生态足迹的增长率将达到16.24%。经过计算得，元宝山露天煤矿生态承载力的平均增长率仅为2.85%。由此可见，元宝山露天煤矿经济系统未来的发展可能会受到生态系统资源供给有限性的制约进入一种不可持续的状态。

4 结论

本文应用构建的基于生态足迹的矿山可持续性动态多尺度整合评价模型，对元宝山露天煤矿1995年～2007年矿山可持续性的发展状况进行了详细的分析和系统的评价，得出以下主要结论：

①基于生态足迹的全排列多边形图示指标法对元宝山露天煤矿可持续性的动态多尺度整合评价结果显示，元宝山露天煤矿2004年以后进入了相对较强的发展阶段，但从多边形图的形状变化趋势可以看出“放射状”图形居多，因此元宝山露天煤矿经济发展步伐加快的同时也加速了对生态资源的掠夺；

②生态足迹经济弹性系数不稳定，2000年以后的生态足迹经济弹性系数在1.43～4.55之间波动，说明了这些年份中的生态足迹增长速度已经明显超过了矿山工业产值的增长速度，生态压力超载严重，矿山要维持经济增长所付出的生态资源消耗量将会更大，经济增长的越快环境压力增大的也将越快，矿山发展的生态经济协调性和稳定性较差。

[1] 王 青，丁一，顾晓薇，等.中国铁矿资源开发中的生态包袱.资源科学，2005(1)：2-7.

[2] 都沁军.矿产资源开发环境压力研究的必要性.石家庄经济学院学报，2007(6)：47-50.

[3] Wackernagel M，Lewan L，Hansson CB.Evaluating the use of natural capital with the ecological footprint:Application in Sweden and sub regions.Ambio，1999(28)：604-612.

[4] Wackernagel M，Onisto L，Bello P，et al.National natural capital with the ecological footprint concept.Ecological Economics，1999（29）：375-390.

[5] Van Vuuren DP， Smeets EMW.Ecological footprints of Benin，Bhutan， Costa Rica and the Netherlands.Ecological Economics，2000 （34）：115-130.

[6] 顾晓薇.国家环境压力指标体系及减量化研究.东北大学.2005.

[7] 顾晓薇，王青.可持续发展的环境压力指标及其应用.北京：冶金工业出版社，2005.

[8] 肖松文，张泾生，曾北危.产业生态系统与矿业可持续发展.矿冶工程，2001，21(1)：4-6.

[9] 吴琼，王如松，李宏卿，等.生态城市指标体系与评价方法.生态学报，2005，25(8)：2099-2095.

[10]陈六君，毛谭，刘为，等.生态足迹的实证分析——中国经济增长中的生态制约.中国人口资源与环境，2004，14(5)：53-57.

Dynamic Multi-scale Synthesis Evaluation on the Sustainability of Mining

Chen Wenbin

This article begins with the basic contradiction of ecological system and economic system in mining area.Meanwhile,this paper redefines the meaning of urban ecology which is named Full Permutation Polygon Synthesis Index Method.The coefficient of elasticity of ecological footprint,the ecological footprint diversity index and economic system development capability index are used to dynamic multi-scale synthesis evaluate ecological economic system in Yuan Baoshan open-pit coal.The results shows that the coefficient of elasticity of ecological footprint and economic fluctuates between 1.43～4.55,and the ecological footprint diversity index varied between 0.5782～0.7207.The Results indicates that Yuan Baoshan open-pit coal has to pay more ecological resources consumption to keep the rapid economic growth.The results of Full Permutation Polygon Synthesis Index Method also shows that with the accelerating pace of economic development,the consumption of ecological resources will be accelerated.This development pattern is unreasonable.

sustainability;synthesis evaluation;ecological footprint;ecological loading capacity;mineral resources exploitation

TD98

A

1000-4866（2011）01-0001-05

陈文彬，男，1964年1月出生，1983年8月大同煤校毕业（采矿专业），现在山西煤炭进出口集团内蒙古浩沁煤电筹备处工作，工程师。

2010-11-19

2010-12-15