中国铝土矿的供应安全评价

任晓娟，范凤岩，柳群义，樊礼军

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

铝作为我国用量最大的有色金属，性能优良，广泛应用于建筑业、交通运输业、电力、机械制造、家电通讯、包装等领域，是国民经济发展的重要基础原材料。随着中国经济的快速发展，中国铝资源的需求高速增长，2018年中国氧化铝、原铝产量及原铝消费量均占世界的一半以上，是世界最大的原铝消费国，但同时国内铝土矿资源品质较差、供给不足，进口矿石供应不稳，对外依存度较高等矛盾愈发突，给我国的铝资源供应安全带来严重的威胁，并制约了我国铝工业的可持续发展。因此对铝土矿供应安全的研究迫在眉睫。

矿产资源供应安全是资源能够稳定持续的供给和及时经济的获得，来保障社会经济的安全[1]。关于矿产资源安全研究的文章比较多，未来关于矿产资源安全的研究仍是热点[2]。胡小平等[3]从国内、国际方面，建立专家打分法与AHP相结合的数学模型来评价世界主要国家的石油供应安全；郑修思等[4]、WANG等[5]通过构建基于PSR模型的评价体系来进行安全评价；MOHSIN等[6]通过制定综合指数，来评估南亚国家的石油供应风险；王晓宇等[7]从供需、市场安全方面，利用主成分分析法对我国天然气安全供应进行分析；在铝土矿的安全评价方面，代涛等[8]从资源储采比等五个方面对中国大宗性矿产资源(铁、铜、铝)安全性进行综合分析；范振林等[9]从市场集中度分析了我国利用海外铝土矿的安全问题；王东方等[10]从对外依存度和市场集中度两方面，构建铝土矿进口资源安全程度评价矩阵，评价中国铝土矿的资源供应安全程度。

虽然关于供应安全的文献研究较多，但是存在一些问题：①供应安全研究主要集中在能源矿产；②关于铝土矿供应安全的研究不多，大多研究集中在矿产的贸易安全或从单一的角度对铝土矿的供应安全进行分析，尚未进行系统评价；③矿产资源供应安全不仅仅是目前稳定的供给，还需要未来可持续的供应，因此未来供应安全趋势的预测就十分必要，但尚未有文献进行铝土矿供应安全趋势的预测；④研究方法多采用定性分析，主观性较强。因此，本文从资源禀赋安全、国内供需安全、进口市场安全三个方面出发构建评价指标，采用熵权-TOPSIS法客观地确定评价指标的权重，定量地对铝土矿供应安全进行评价，另选取预测精度较高的分数阶算子灰色模型对未来供应安全趋势进行预测。

1 供应安全评价体系的构建

1.1 评价指标的选择

矿产资源供应安全评价是一个涉及多方面的复杂系统，关于供应安全评价指标的构建，许多学者从不同的方面提出了自己的观点。本文由于考虑到一些数据的难获得性和量化性，在借鉴国内外研究的基础上，最终确定三类十四个评价指标来进行铝土矿资源安全供应评价。

图1 铝土矿供应安全评价指标体系Fig.1 Bauxite supply safety evaluation index system

铝土矿矿产资源安全的影响因素可以分为三个层次、14个因素。第一层次为目标层，第二层次为直接影响因素，第三层次为间接影响因素，通过影响资源禀赋安全、国内供需安全、进口市场安全进而影响铝土矿的安全。

1.2 要素指标的含义和说明

1) 储采比(x1)，表示国内铝土矿的开采年限，开采年限越大越好，表明我国铝土矿资源可供使用的年份越长，为正指标。其公式为：储采比=储量/产量。

2) 占世界储量的比重(x2)，表示我国铝土矿的丰富度，为正指标。

3) 勘查潜力(x3)，表示我国铝土矿的勘查潜力[11]，为正指标。其公式为：勘查潜力=储量/资源量。

4) 国内生产能力(x4)，表示我国铝土矿在生产份额中所占比例，其值越大表明铝土矿供应能力越强，为正指标。其公式为：国内生产能力=铝土矿产量/世界铝土矿总产量。

5) 铝土矿的供应能力(x5)，表示我国铝土矿供应情况，其值越大表明我国铝土矿供应能力较强，对外需求较少，资源供应越安全，为正指标。其公式为：铝土矿的供应能力=铝土矿产量/(原铝消费量-再生铝产量)，其中铝土矿产量按4∶1折算成原铝。

6) 再生铝的供应能力(x6)，表示二次铝资源的回收利用情况，其值越大表明我国废铝的回收利用率越高，铝土矿的供应压力越小，为正指标。

7) 人均铝土矿消费量(x7)，表示铝土矿的实际消费水平，其值越大表明铝土矿的需求越大，供应压力也越大，矿产资源供应越不安全，为负指标。

8) 需求增速(x8)，表示我国原铝的需求状况，增速越大，原铝需求越旺盛，铝土矿的供应压力越大，为负指标。其公式为：(原铝的消费量-上期原铝消费量)/上期原铝消费量。

9) 占世界消费量的比重(x9)，表明我国的消费规模，为负指标。

10) 生产集中度(x10)，表示铝土矿的生产分布的集中度，其值越大表明世界铝土矿的生产主要集中于个别国家，我国在铝土矿进口时可能会形成垄断，为负值标。其公式为：生产集中度=(排名在前五的国家产量之和/世界铝土矿产量)。

11) 对外依存度(x11)，表示我国铝土矿需求中有多少是从国外进口的，其值越大表明我国遇到的国际风险将会增加，为负指标。其公式为：对外依存度=铝土矿净进口量/(铝土矿净进口量+铝土矿产量)。

12) 进口市场集中度(x12)，表示进口市场的集中度和市场结构[10]，其值越大表明我国的进口来源越集中，越不利于供应风险的防控和分散，为负指标。其公式为：

式中：Si为排名在前i名的国家进口额；S为中国铝土矿总进口额。

由于铝土矿进口来源国数量少且前三位占比较大，所以选取前三位国家反映指标x12。

13) 进口来源国稳定程度(x13)，表示进口来源的稳定性，其值越小表明我国铝土矿进口国的变动较大，供应风险也较大，为正指标。其公式为：进口来源国稳定程度=(排名在前三的国家中持续进口量之和/上一年排名前三国家的进口量之和)。

14) 铝土矿价格波动(x14)，反映国际市场供需状况，其值越大表明供需变化越大，安全程度越低，为负指标。其公式为：铝土矿价格波动=|本期铝土矿价格-上期铝土矿价格|/上期铝土矿价格。

1.3 数据来源

本文基于2000～2018年的数据进行研究，包括资源禀赋安全、国内供需安全、进口市场安全三方面的数据。2000～2018年铝土矿储量数据自美国地质调查局(USGS)和国家统计局；2000～2018年资源量来自中国矿产资源报告，其中2018年资源储量来自合理估计；2000～2018年各国铝土矿产量、原铝消费量、二次铝回收量数据来自世界金属统计局(WBMS)；2000～2018年中国铝土矿的进口量、价格数据来自联合国贸易数据库(UN Comtrade Database)；2000～2018年铝土矿的消费量按照原铝消费量进行折算(铝土矿∶原铝=4∶1)。

2 评价方法和步骤

目前关于安全供应的研究文献中大多采用定性分析法、主成分分析法、层次分析法、聚类分析法等方法进行安全评价，仅有少数研究进行定量评价。层次分析法[3]和定性分析法[12]主观性较强，不能客观对矿产资源进行评价，主成分分析法[7]只能反映主要指标信息。本文采取熵权-TOPSIS分析法进行评价，不仅能避免评价过程的主观性，还能反映全部指标信息。关于未来预测方面，像灰色GM(1,1)模型、指数平滑法、BP神经网络模型、曲线拟合、lSTM模型预测等方法模型应用广泛。BP神经网络模型和lSTM模型预测对样本要求较高，在本文的预测中效果不理想，指数平滑法和曲线拟合法进行拟合时的精度不高，而灰色GM(1,1)模型拟合精度达到90%，本文通过调节原始序列的累加分数阶来进一步提高模型精度，即分数阶算子灰色模型。评价中所有的运算都是基于Python编程进行处理，Python不仅编写简便、代码量少而且有丰富的数据处理包，利用Python进行数据处理简单高效。

2.1 熵权-TOPSIS法

熵权法主要根据指标提供的有效信息来确定权重，在评价过程中，当某一指标所提供的有效信息量越小，则该熵值Ej越大，其权重值越小，反之当指标提供的有效信息量量越大，熵值Ej越小，其权重值越大。TOPSIS法又称逼进理想解排序法，是有限方案多目标决策分析中的一种常用方法[13]。该方法首先确定出正理想解(各个属性值是各可行解中最好的)和负理想解(各个属性值是各可行解中最坏的)，然后根据各个可行解距离正负理想解的大小对各个评价对象进行综合评分，如果某个可行解既接近理想解又远离负理想解，即为满意解。具体评价步骤如下所述。

构建初始矩阵X，设m为评价年份的总数，n为铝土矿评价指标的总数，则铝土矿的安全供应评价系统的初始矩阵见式(1)。

(1)

式中：xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)为第i年在第j项评价指标中的数值；Xj(j=1,2,…,n)为第j个指标的在所有年份的列向量数据。

1) 数据标准化处理。由于铝土矿评价体系中的各指标的量纲单位、数量级均存在差异，无法直接用于评价。本文采取采用极差变换法对数据进行标准化，消除这些差异对评价结果造成的影响，计算见式(2)和式(3)。

(2)

(3)

2) 数据的归一化处理，得到yij，即比重矩阵Y，计算见式(4)。

(4)

3) 计算第j项指标信息熵的值eij及第j项指标的差异系数dj，计算见式(5)和式(6)。

(5)

dj=1-ej(j=1,2,…,n)

(6)

4) 计算第j项指标的权重wj，构造加权矩阵YW，见式(7)和式(8)。

(7)

(8)

5) 计算被评价对象与正理想解Y+、负理想解Y-的距离，计算见式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中：Y+为Yi1…Yin中最大值；Y-为Yi1…Yin中的最小值。

6) 计算各评价对象与Y+的接近程度，即供应安全得分，计算见式(11)。

(11)

2.2 分数阶算子灰色模型

分数阶算子灰色模型即分数阶算子GM(1,1)模型，分数阶算子灰色模型和GM(1,1)模型的结构完全相同[14]，GM(1,1)模型是分数阶算子灰色模型累加阶数为1时的特例。分数阶算子灰色模型可以通过调节累加阶数以及利用新信息优先的原则来提高预测精度[15]。分数阶算子灰色模型具体预测步骤如下所述。

1) 把Ci作为预测的原始数据C(0)(k)，计算C(0)(k)的r阶累加生成序列C(r)(k)，见式(12)。

k=1,2,…,n

(12)

本文利用Python编程的for语句循环遍历最合适的r值，确定阶数为0.4372。

2) 对C(r)(k)进行紧邻均值计算，生成序列Z(r)(k)，见式(13)。

k=2,3…,n

(13)

3) 计算C(r)(k)的一阶累减序列C(r-1)(k)，利用最小二乘法估算参数a,b，计算见式(14)和式(15)。

C(r-1)(k)=C(r)(k)-C(r)(k-1)

k=2,3…,n

(14)

[a,b]T=(BTB)-1BTQ

(15)

k=2,3…,n

(16)

k=2,3…,n

(17)

本文参照前人的研究[16]将铝土矿安全供应的评分标准划分为5个级别，具体见表1。

3 评价结果分析

本文通过Python处理得到中国铝土矿安全供应的权重表(表2)、综合评价表(表3)和评分趋势图(图2)。

表1 矿产资源安全判断标准Table 1 Mineral resources safety judgment standards

表2 指标权重表Table 2 Index weight table

3.1 综合评价状况

从表3和图2可知，资源禀赋安全、国内供需安全、进口市场安全作用下，2000～2018年我国铝土矿综合安全程度呈下降趋势，安全状况不断恶化，目前处于较危险状态。我国铝土矿安全供应状况趋势可分为三个阶段。第一个阶段(2000～2002年)：我国铝土矿综合安全状况处于相对安全，在此阶段进口市场安全和供需安全变化一致，但在禀赋安全作

用下，综合安全状况处于下降趋势，但是总体相对安全。第二阶段(2003～2005年)：铝土矿的综合安全状况表现为较安全，在此阶段供需安全和市场安全呈上升趋势，在禀赋安全下降的作用下，略呈下降趋势。第三阶段(2006～2018年)：我国铝土矿综合安全状况处于较危险，2006～2008年在进口市场安全与禀赋安全的作用下，铝土矿的综合安全处于下降趋势，2010年在供需安全的作用下，铝土矿的综合安全状况有所好转，2011～2018年我国铝土矿的供应安全处于先下降再上升后下降的波动变化状态，但是总体变化较缓慢。

表3 指标评分表Table 3 Index score table

图2 2000～2018年各指标的评分和综合评分的趋势图Fig.2 Trends of scores and composite scores for each indicator from 2000 to 2018

3.2 资源禀赋安全状况分析

从图3可知，我国资源禀赋安全呈现快速下降趋势。21世纪后，我国进入快速发展阶段，铝资源的需求量快速增加，但是由于我国铝土矿资源占有量低、质量较差、开采成本高，使得我国铝土矿的勘查潜力不大、储采比不断下降。2000～2018年我国铝土矿储量占全球储量的比例不超过4%，中国铝土矿的禀赋状况难以满足需求。

3.3 国内供需安全状况分析

从表2可知，铝土矿的人均消费量在进口市场安全中权重最大。从图2和图4可知，2000～2006年国内供需安全处于相对安全状态，虽然此阶段原铝的需求增加较快，但是人均消费量较小，我国铝土矿供应处于主导地位，铝土矿产量基本满足需求，安全状况处于相对安全。2006～2015年国内供需安全评分值呈波动下降趋势，此阶段人均消费量增长较快，而我国再生铝供应率增长缓慢且呈下降趋势，铝土矿供应率在60%左右浮动，生产能力增长比较平缓，国内供应不能满足需求。2015～2018年国内供需安全评分由0.3112下降到0.2970，虽然安全状况呈下降状态，但是变化趋于平缓，此阶段我国人均消费量仍然较大，国内铝土矿以及再生铝的供应占比基本不变，但需求增速变缓，使得我国供需安全状况呈缓慢下降。

图3 中国铝土矿资源禀赋安全指标变化趋势图Fig.3 Trend diagram of China’s bauxite resource endowment safety indicators

图4 中国铝土矿国内供需安全指标变化趋势图Fig.4 China bauxite domestic supply and demand safety indicators change trend chart

3.4 进口市场安全状况分析

从表2可以看出，铝土矿的对外依存度在进口市场安全中权重最大。从图2和图5可知，2000～2005年我国铝土矿的对外依存度较小，对国外资源的需求不大，进口市场处于较安全状态。2005～2013年我国进口市场安全的评分值呈波动下降趋势，此阶段我国铝土矿的对外依存度呈上升趋势，虽然进口集中度处于下降趋势，但是价格的波动较大且生产集中度不断增加，使得我国的进口安全状况不断恶化。2014年由于我国最大的进口来源国印度尼西亚限制铝土矿进口，使得对外依存度下降，进口市场趋于多元化，进口安全增加。2015年受印度尼西亚政策的影响，进口来源国稳定度下降，使得我国进口安全度下降。2016～2018年我国进口市场安全的评分值呈下降趋势，此阶段对外依存度和进口市场集中度不断增加，使得我国铝土矿进口安全度不断降低。

3.5 未来供应安全趋势的分析

本文基于2000～2018年的评价得分，利用分数阶算子灰色模型对2019～2023年的安全趋势进行预测，预测值分别为0.2513、0.2433、0.2398、0.2347、0.2299(表4)。由图5可知，预测曲线与2000～2018年的真实评价值曲线基本吻合，经过精度检验，分数阶算子灰色预测模型的精度达到93.2%，后验差比值C为0.19，小误差P=1，可知模型精度满足需求，适合进行评价预测。响应函数见式(18)。

k=2,3…,n

(18)

从图6可知，2019～2023年中国铝土矿的供应安全依然处于较危险状态，由于铝在新产业、新材料领域大量使用，我国原铝需求峰值将在2025年左右[17]。未来一段时间我国人均铝土矿的消费量仍将继续增加，供应安全状况呈下降趋势，随着中国原铝的需求达到峰值，届时中国供需安全将会有所好转，铝土矿供应安全将会得到改善。

图5 中国铝土矿进口市场安全指标变化趋势图Fig.5 Safety indicators trends of China’s bauxite import market

表4 中国铝土矿供应安全评价值与预测值Table 4 China bauxite supply safety evaluation value and predicted value

类别年份200020012002200320042005200620072008200920102011综合评分值0.74120.69260.62770.58190.57060.54710.48520.37510.33340.33470.35590.2976预测值0.74120.68260.63440.580.52840.48310.44470.41260.38580.36330.34420.3279类别年份201220132014201520162017201820192020202120222023综合评分值0.26680.30180.29750.26010.30140.27890.2542-----预测值0.31390.30160.29080.28120.27260.26480.25770.25130.24530.23980.23470.2299

图6 中国铝土矿供应安全评价与预测图Fig.6 China bauxite supply safety evaluation and prediction map

4 结 论

1) 资源禀赋安全呈现快速下降趋势。我国铝土矿品质较差且勘查潜力不大，由于需求量的快速增加，使得我国铝土矿储采年限逐年降低。

2) 国内供需安全呈波动下降趋势。当国内资源满足需求时呈上升趋势，当受资源禀赋的限制，难以满足铝土矿需求时呈下降趋势。

3) 进口市场安全呈波动下降趋势。当对外依存度较小时，其他因素对进口市场安全的影响不大，进口市场较安全，当对外依存度较大时，进口市场受市场集中度、价格波动性、生产集中度的影响呈波动下降趋势。

4) 在禀赋安全、供需安全、进口安全状况不断下降的作用下，我国铝土矿的安全供应总体呈下降趋势，安全状况不断恶化。

5) 由于离原铝的消费峰值还有一段时间，我国的铝土矿需求还会持续增长，未来一段时间我国铝土矿的供应安全依然不容乐观，随着原铝需求峰值的到来，铝土矿的供应安全状况将会有所改善。