环境熵评价建模及煤矿循环经济系统应用实证研究

韩丽丽，李春蕾，王传鹏，谭 梅 ，宋华岭

(1.山东师范大学管理科学与工程学院，山东 济南 250318；2.济南大学泉城学院，山东 蓬莱 265600；3.山东工商学院管理科学与工程学院，山东 烟台 264005 )

经济研究

环境熵评价建模及煤矿循环经济系统应用实证研究

韩丽丽1，李春蕾2，王传鹏2，谭 梅1，宋华岭3

(1.山东师范大学管理科学与工程学院，山东 济南 250318；2.济南大学泉城学院，山东 蓬莱 265600；3.山东工商学院管理科学与工程学院，山东 烟台 264005 )

本文应用基于熵信息的复杂性测度理论，对煤炭循环经济的生态环境系统进行分析，提出了循环经济的生态与环境系统环境熵的概念，用于描述循环经济系统产业链各个产业节点产生的固体、液体和气体及其它废弃物对生态与环境系统所造成的损害程度，并建立了基于熵复杂信息量度量的循环经济系统环境熵评价模型。应用该模型对典型的煤矿循环经济系统——西山煤电古交矿区循环经济园区的生态、环境及其环境熵进行了复杂性测度实证研究，提出了一种环境熵评价的研究方法与应用案例。

复杂性；循环经济系统；环境熵；复杂性测度

人类在创造人工系统进行生产活动的过程中，向自然系统不断的排放其代谢物，造成环境的严重污染形成——环境熵。由此引起的环境污染问题已经成为我国目前社会、安全与经济发展面临的急需解决的问题，特别是煤炭资源开发应用产业，向清洁能源开发利用的经济转型迫切眉睫。循环经济作为一种资源再开发利用的反馈式发展模式，在资源开发型的煤炭产业应用，成为经济转型且减少环境熵的一种发展模式。

对于循环经济体系的生态环境评价问题，有些学者提出环境熵的评价思想，但目前多限于概念层次，对于环境熵的量化与数学模型研究，则是一个新的内容。周宾等人曾采用生态足迹-环境熵对嘉峪关市规划基期(2005年)的生态环境容载力进行定量分析，对2001～2008年嘉峪关市的环境熵进行了实证分析[1]。赵海霞等人从环境演变动态、系统的观点出发，以不同的时空尺度相配置，对气候波动与地表植被盛衰变化的关系，植被退化、土地沙化发生的地质历史过程和现代过程，提出了与这种周期性气候波动相适应，在弹性限度内有效遏制环境熵增所采取的对策[2]。周宾等人还将环境熵定义为城市化对城市环境的影响程度，相当于环境水平变化与城市化水平变化的熵值，并对汉中环境熵的主要环境污染物排放量与城市化率的变化进行实证分析[3]。江水法认为社会环境、自然环境、生活环境和环保产业等价格为环境价格，它的客观基础是环境熵[4]。欧阳婷萍运用“城市环境熵”以珠江三角洲经济区城市化河水为例，进行实证研究[5]。

在循环经济复杂系统评价与评价参量量化问题方面研究，特别是在其复杂系统环境熵及其定量化研究与建评价模型方面的研究成果较少。在循环经济复杂系统评价与评价参量量化问题方面研究，特别是在其复杂系统环境熵及其定量化研究与建评价模型方面的研究成果较少。作者曾提出复杂系统的信息熵评价理论，并应用扩展的复杂性研究方法，对复杂性问题进行研究，在管理科学学报等期刊发表论文多篇[6-9]，本文这里对循环经济系统环境熵进行复杂性分析与评价，建立了基于信息量度量的环境熵评价方法与模型，并对典型的西山古交矿区多矿集约式进行实证研究。

1 建立基于熵理论的循环经济系统环境熵评价模型

关于环境熵的建模与测度模型，本文不同于其他研究，依据系统理论，宏观与微观系统结合，并依据熵理论的基本概念，建立循环经济系统环境熵评价模型体系。

1.1 熵与环境熵的基本概念

在热力学，一个系统自发的过程都是熵增的过程，反之使熵减少的过程则需要外力的介入。随着社会的发展，对环境输出的正、负能量越来越大，熵产生速度越来越快，必然使系统更加混乱无序，这就是熵增的过程；而要想使这个系统有序化，就需要人为的进行能量的输入，摒除与降解无用的物质—减熵过程。

本文利用熵的重要特征，作为度量复杂环境熵信息的尺度，解决循环经济复杂系统环境熵测度的尺度与建模、系统的增熵与减熵的过程问题。这里环境熵用于描述循环经济产业链各个节点上，生产排放的固体、液体、气体工业废料对生态环境系统的破坏程度，即是对微管个体对。系统整体引起的混乱、无序的程度的度量。

环境熵定义为：生态环境复杂系统各个微观子系统的无序程度在宏观整体上宏观量的表征，即循环经济系统各个节点排放与喂给到生态环境系统中的固体、液体与气体废料物对生态与环境系统造成的损害、混乱与无序程度的宏观总体上的度量量。

环境熵增加E增：循环经济产业链的梯次阶段i，产业链节点j处于增熵状态s增(i，j)时，产生的固体、液体、气体工业废料物给排放到生态环境系统造成混乱与无序程度的度量。

环境熵减少E减：循环经济产业链的梯次阶段i节点，产业链j处于减熵状态s减(i，j)时，产生的固体、液体、气体工业废料物通过综合利用，降解减少对生态环境系统造成损害、混乱与无序程度的度量。

1.2 环境熵概念的数学模型表征

对于一个循环经济产业链系统，设阶段i为循环经济系统的产业链系统的递阶梯次，i=1，2，…m。

节点j：循环经济系统产业链上的各个产业单元，j=1，2，…n。

1.3 环境熵评价模型的建立

若i阶段梯次和产业链节点j的增熵状态为s增(i，j)，则第i阶段梯次和产业链节点j产生的系统环境熵增加见式(1)；若i阶段梯次和产业链节点j的减熵状态为s减(i，j)，则第i阶段梯次和产业链节点j减少的环境熵减少见式(2)。由式(1)、式(2)引出式(3)、式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

将每个阶段梯次的环境熵增加累加可以得到整个循环经济系统的环境熵增加量，见式(6)。

(6)

将各阶段梯次的每个产业链节点减少的环境熵减少进行累加，得到循环经济系统各阶段梯次减少的环境熵，见式(7)。

(7)

将每个阶段梯次减少的环境熵累加，得整个循环经济系统减少的环境熵量值，见式(8)。

(8)

依此，建立了关于环境熵评价的数学模型，本文将应用此模型对我国煤矿典型的循环经济园区西山煤电集团古交循环经济园区进行环境熵的评价。

2 实证研究——西山煤电古交矿区循环经济多矿集约式模式园区环境熵评价

古交循环经济园区是我国典型的产业链系统复杂、产业集群集约化的煤矿循环经济园区。该园区建立了多个煤矿为产业园龙头产业，包括屯兰矿、马兰矿、东曲矿、西曲矿和镇城底矿为一级产业的物料喂给产业链龙头节点，以连接各龙头产业运煤通道为链条线，将煤矸石、中煤供给世界最大的配煤厂——古交配煤厂集中配煤，再喂给中煤坑口电厂——兴能发电有限责任公司、进行发电。整个园区形成三条产业链系统，分别为“煤-电-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生资源”。古交循环经济园区是我国典型的产业链系统复杂、产业集群集约化的煤矿循环经济园区。该园区建立了多个煤矿为产业园龙头产业，包括屯兰矿、马兰矿、、东曲矿、西曲矿和镇城底矿为一级产业的物料喂给产业链龙头节点，以连接各龙头产业运煤通道为链条线，将煤矸石、中煤供给世界最大的配煤厂——古交配煤厂集中配煤，再喂给中煤坑口电厂——兴能发电有限责任公司、进行发电。整个园区由三条产业链系统由“煤-电-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生资源(煤层气、铝、铁等)”构成，形成了我国目前规模最大、节点最复杂、环境保护最好的循环经济园区，其产业链系统见图1。

应用前述循环经济系统环境熵评价模型进行计算，给出系统各产业链节点废弃物排放与利用情况，见表1。

2.1 环境增熵

各梯次层次和各产业链节点的排放与喂给到生态环境自然系统的废弃物由向量表示出来，应用式(1)～(8)，计算各层次各节点的排放到自然界中的废弃物的熵值，并计算各层次各节点的环境增熵，计算结果见表2。

由表可知，古交循环经济园区环境熵E增=1.052。

2.2 环境减熵

图1 古交循环经济产业链系统图

表2 古交循环经济园区环境熵计算表

各梯次层次和各产业链节点被综合开发利用的废弃物由向量表示；计算各层次与节点的被下阶次节点产业开发利用的废弃物，求的在整个循环经济体系中所占的比例；计算各层次与各产业链节点的环境熵减少值。由于p(i，j)在1/e=0.3679两端的环境熵计算公式不同，先进行比较p(i，j)和1/e的大小关系，然后进行计算，计算结果见表3。

由表3可知，古交循环经济园区减少对环境熵E减=0.746。

3 结果分析

1)产业链的长度与复杂程度是影响环境熵的增减的重要因素。西山园区是一个多矿产业链节点集约式的循环经济模式，产业链系统喂给关系复杂，节点多。

2)循环经济系统节点的产业综合利用技术先进程度的高低与优劣，是影响环境熵的增减的重要因素。古交循环经济园区的环境熵减少值为0.746，其值占总的系统整体熵产生的41.5%。各阶次产业产生的喂给物料与废弃物未进行降解利用，其环境熵增加，而造成环境系统的污染后，近年又有新建矿和整合矿加如该系统，各个产业链节点的降解能力匹配衔接的不是最好，未实现产业链的最终闭合。

3)循环经济系统开发不同阶段的环境熵产生不同。古交循环经济园区中，环境熵产生最大的是系统喂给关系的第四阶段，而其中第六阶段最小。因其构成的化肥厂等产业各种废弃物料进行了综合利用，使其环境增熵大大减少，实现该园区系统产业链第二梯次、喂给物料产生最多的洗煤厂的废弃物的综合利用是环境熵减少的基本途径。

4)由表中和以上的环境熵的增加与减少的分析可知，实施循环经济的资源开发利用模式，减少各产业链节点的废弃物的自然排放，提高各种资源的利用率，能极大地减少对生态环境造成的污染，有利于生态环境的保护。同时由环境熵的增加分析表明，应力争建立完善的循环经济产业链系统，力争做到资源的充分利用，否则，则引起环境熵的增加。并且要通过先进的综合利用技术和资源环境管理等措施，来减少环境熵增加。

表3 古交循环经济园区产业链系统环境熵减少计算表

对于环境熵评价与量化研究问题，是一个较新的研究内容，本文提供了一个研究方法。我国的资源型、高能耗、高污染的企业，如煤炭、钢铁、石化产业，必须建立减熵或者增加负熵的产业链系统，通过建设其递阶减熵的综合利用产业链系统，使不同阶次的废弃物变成了可用的高度有序的产品资源，减少了对环境熵产生，实现废弃物减量化与循环利用，使人类人造系统的生产与消费过程的产生环境熵最小，系统达到最优。这对当前我国进行雾霾治理，减少与消除气体污染物的排放研究也具有重要意义。

[1] 周宾，陈兴鹏，张旺锋，等.基于EF-EE的嘉峪关生态环境容载力实证[J].干旱区资源与环境，2011，25(4)：33-38.

[2] 赵海霞，那日苏，刘雅学，等.草原植被退化与气候波动跨学科研究评述[J].科技创新导报，2011(4)：144-145.

[3] 周宾，陈兴鹏，张燕霞.循环经济指导下的汉中环境熵聚类实证[J].资源与产业，2010(5)：159-163.

[4] 江水法.环境价格的客观基础和主要形式—环境熵及其标志性价格[J].中国物价，2010(5)：21-23.

[5] 欧阳婷萍，朱照宇，匡耀求，等.城市环境熵模型的建立及其在城市化环境影响评价研究中的应用[J].生态环境，2007，16(6)：1824-1828.

[6] 宋华岭，刘全顺，刘丽娟，等.管理熵理论-企业组织系统复杂性度量的新尺度[J].管理科学学报2003，6(3)：19-27.

[7] 宋华岭.企业车间系统结构与工艺复杂性多维度评价[J].管理科学学报，2007，10(1)：54-61.

[8] 宋华岭，温国锋，李金克，等.基于信息度量的企业组织协同复杂性评价[J].管理科学学报，2009，12(3)：22-36.

[9] 宋华岭.复杂性测度理论、方法与实证研究[M].北京：经济管理出版社，2010：96-97.

Research into environmental entropy of coal circular economy system

HAN Li-li1，LI Chun-lei2，WANG Chuan-peng2，TAN Mei1，SONG Hua-ling3

( 1.School of Management Science and Engineering，Normal University of Shandong，Ji’nan 250318，China；2.Quancheng School，Jinan University，Penglai 265600，China；3.School of Management Science and Engineering，Shandong Institute of Business and Technology，Yantai 264005，China)

With entropy based complexity measurement under the theory of complex system，this paper oriented to evaluate the ecological environment of coal circular economy system.The concept of environmental entropy is presented and under which the degrees of disorder or pollution to environment is quantitative in respective nodes of circular chain.Consequently，an environmental evaluation model is set up，which is based on complexity metric of entropy，and empirical research on two cases，which are Gujiao Mine Circular Economy Park of Xishan Coal Electricity Group ，indicates that the proposed model is available to environment evaluation of coal circulation industries.The highlights are preferred to conclude as a new environmental entropy metric method and an application case in this paper.

complexity；circular economy system；environmental entropy；evaluation of complexity

2014-08-25

国家自然科学基金项目资助(编号：71373148)；山东省自然科学基金项目资助(编号：Y2006H10)；教育部人文社会科学研究项目资助(编号：11YJA630101)

韩丽丽(1987-)，女，山东临沂人，山东师范大学硕士研究生，研究方向为资源管理复杂性。E-mail：hanlili1117@163.com。

F407.21

A

1004-4051(2015)05-0031-06