基于系统力学的煤炭固体废物产量模拟与预测——以四川省宜宾市为例

仙　巍， 邵怀勇， 武锦辉， 刘　智

(1.成都信息工程大学 资源环境学院，四川 成都 610225；2.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；

3.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京 100875；4.四川省地质调查院，四川 成都 610081)



基于系统力学的煤炭固体废物产量模拟与预测
——以四川省宜宾市为例

仙巍1， 邵怀勇2， 武锦辉3， 刘智4

(1.成都信息工程大学 资源环境学院，四川 成都 610225；2.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；

3.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京 100875；4.四川省地质调查院，四川 成都 610081)

摘要：矿业活动在为人类生产生活提供有价值矿产的同时也产生了许多矿业废弃物，矿业固体废弃物的堆积会带来地表水污染、土壤溶蚀、地表景观遭到破坏、地质灾害等一系列环境问题。以四川省宜宾市为研究区域，运用系统动力学理论对研究区煤炭固体废弃物生产与处理情况进行模型构建与情景假设，对煤炭固体废弃物、废石与煤灰渣在环境型情景、当前型情景和能源型情景下的保有量进行模拟。结果显示，2017年煤炭固体废弃物保有量约是2005年的10倍，短期内煤炭固体废弃物的处理能力仍无法满足开采量快速增长的要求。废石处理方面，废石处理能力也有较大提升，煤炭剥采比有减小的趋势，但不明显。煤灰渣处理方面，未来几年，煤灰渣处理将有大幅度提高，环境型情境下的处理比率比当前情境下的处理比率高。同时，将系统动力学理论应用于煤炭开采与使用领域，通过算法对整个系统进行模拟，可得到良好且比较客观的结果。

关键词：煤炭固体废弃物；系统动力学；四川省宜宾市

矿业活动在为人类生产生活提供有价值矿产的同时也产生了许多矿业废弃物，矿业废弃物会对空气、土壤和地下水造成污染。随着我国经济的发展，整个社会对煤炭的需求呈几何级增长[1]。当前，虽然我国在处理煤炭固体废弃物方面的二次冶炼能力不断提高[2]，但有效利用比率仍然较低[3-4]。煤炭固体废弃物的堆积会破坏地表景观、造成水污染、土壤污染、地质灾害、生态失衡等一系列环境问题。有效管理和处理煤炭固体废弃物对于生态环境保护具有至关重要的意义，达成这一目标的重要前提是对煤炭固体废弃物的年生产量做出有效预测。

系统动力学出现于1961年，是一门用来预测系统间各因子变化趋势的科学[5]。随着这一理论的发展，它已被众多科学家应用于许多研究领域[6-11]。煤炭开采与使用是一个复杂的系统工程，它也符合系统动力学的研究范畴，但在这一领域鲜见系统动力学理论的相关研究。

宜宾市地处川、滇、黔三省交界区域，是四川省内重要的产煤基地[12-13]。随着煤炭开采活动的规模、强度和深度不断扩大，宜宾市面临着森林破坏面积扩大、水土流失加剧、固体废弃物和水体污染严重等一系列突出环境问题[14]。本文以四川省宜宾市为研究区域，运用系统动力学理论对研究区煤炭固体废弃物生产与处理情况进行模型构建，对废石与煤灰渣保有量进行模拟，以期加深对宜宾市煤炭废弃物生产、利用情况的认识与理解，为当地煤炭固体废弃物的有效管理与处理提供方法支持和决策依据。

1研究区概况

宜宾市位于四川省，面积13 283 km2。地貌以中低山地和丘陵为主体，气候属中亚热带湿润季风气候。宜宾市矿产资源丰富，是四川省内重要的产煤基地。以宜宾市为中心的川南煤田是云贵煤田的重要组成部分，是国家规划发展的13个大型煤炭基地之一。目前矿种数量达25种，主要矿种有煤、硫铁矿、盐矿、石英砂岩等，其中煤炭累计查明资源储量4.832×109t，占四川省储量50%以上，主要分布在筠连、珙长、贾村、五指山、象鼻等矿区[15-16]。

2数据与方法

2.1研究数据

本文采用2005—2012年宜宾市原煤年开采量(万吨)、宜宾市国民生产总值(亿元)、宜宾市更新改造投资(万元)、宜宾市年用煤量(万吨)数据[16-17]，根据宜宾市煤炭产业固体废弃物生产、利用情况进行模型构建(图1)。

2.2系统描述

TASW(N)=TASW(N-1)+AASW(N)-DSW(N)

(1)

式中：TASW(N)为第N年的煤炭固体废物总量；而AASW(N)为第N年煤炭固体废物增加量；DSW(N)为第N年煤炭固体废物处理量。固体废物总量增加时，固体废物增加量大于固体废物处理量；减少时，固体废物增加量小于固体废物处理量[18]。

图1　系统流程

AASW(N)=GT(N)+GCA(N)

(2)

式中：GT(N)为第N年废石产生量；GCA(N)为第N年煤灰渣产生量。这两种固体废物分别代表了煤在生产和利用中的两种主要固体废物。生产中，废石主要是煤矸石、劣质煤等，利用过程中，煤灰渣主要是粉煤灰、锅炉渣等。

DSW(N)=UT(N)+UCA(N)

(3)

式中：UT(N)为第N年尾矿利用量；UCA(N)为第N年煤灰渣利用量。

RCP(N)=TAM(N)·(R-PRCS(N))

(4)

式中：RCP(N)为第N年原煤产量；TAM(N)为第N年煤炭开采量；R-PRCS(N)为第N年原煤产率，受经济活动和矿床品位的影响。

(5)

式中：0.640 6为初始产率，是多年统计均值；0.001 18为经济活动对原煤产率的影响系数；0.004 393为着开采时间的增加，矿床品位降低，原煤产率的衰减系数，上述系数由多年实际值回归得出[19]。

GT(N)=TAM(N)-RCP(N)

(6)

RI(N)=IETU(N)/IETU(N-1)

(7)

式中：RI(N)为固定投资增长率；IETU(N)是第N年对设备和技术的更新的固定投资，影响尾矿的利用率。

(8)

式中：PUT(N)为第N年尾矿利用率；0.493 7为利用率初始比率，是多年统计值回归结果；0.102为设备和技术更新的投资增长率与尾矿利用率的回归分析系数；0.016 4为时间对设备和技术的更新影响系数，时间起点设为2004年。介于政府政策的调整以及其他因素的影响，投资增长率有时会有大的波动，为符合这种现象，本研究设定长期监测阈值1.25，但对整体影响并不大。

UT(N)=GT(N)·PUT(N)

(9)

GCA(N)=A·TIC(N)

(10)

式中：A为煤灰渣产生率，受燃煤的品质与锅炉等的影响，本研究根据研究区用煤的平均灰分设定为0.28；TIC(N)为第N年研究区工业用煤总量。

UCA(N)=GCA(N)·(R-UCA)

(11)

式中：R-UCA为煤灰渣利用率，本研究基于对长期监测结果的统计分析设定为0.75[20]。

2.3系统验证

系统验证是系统模拟与系统预测的必要前提。为降低系统误差、提高模型精度，本文选取宜宾市原煤年开采量、宜宾市煤灰渣年产量、宜宾市煤炭开采尾矿年产量3个变量通过对比2005—2012年模拟值与真实值验证模型精度(图2、表1)。结果显示模拟值与真实值具有较好的一致性，说明该模型符合预测要求。

图2　系统验证

表1　原煤、废石与煤灰渣模拟误差

2.4情景描述

固体废物产量预测方法较多，比较可靠的有：据统计数据，建立数学模型，如灰色模型、数理统计模型等，其中比较可靠的固体废物预测模型是灰色模型。考虑到固体废物产量和系统力学之间相互作用的随机性和不确定性以及不同时期固体废物产量与系统力学的关系是不断变化的，系统中所采取的是近几年的小样本数据，这种小样本数据反映的信息不确切、不全面，具有灰色性，因此可以选用灰色关联模型[21]。灰色关联模型最早出现于20世纪80年代，在预测方面不追求大量的历史数据和它的典型分布，只运用预测对象自身的时间序列建立模型，对受多因素影响，因素间变量难以量化的情景具有很好的适应性[22]。

根据未来宜宾市不同的发展目标下面临的发展环境不同，模型中相应系数也不同。本文假定了环境型情景、当前型情景和能源型情景3种未来可能的情景来模拟宜宾市煤炭固体废弃物、煤灰渣和开采尾矿的变化情况。

环境型情景基于“宜宾市第十二个五年规划”进行假设，在本情景中，假定改变经济增长方式，增加更新改造投资，加强生态文明的建设，加大环境保护力度，该情景中，煤炭开采的增长率放缓。

当前型情景基于宜宾市煤炭产业当前的发展模式，假定发展模式没有改变。本情景中，宜宾市原煤年开采量、宜宾市煤灰渣年产量、宜宾市煤炭开采尾矿年产量采用灰色关联模型(GM(1，1))进行自身预测。

(12)

能源型情景是基于以扩大煤炭开采的粗放型发展模式进行假定，在该情景中，煤炭开采的增长率会进一步被调高。

3讨论

不同情景下煤炭固体废弃物保有量变化情况如图3所示。总体上，2005—2017年3种情景下宜宾市煤炭固体废弃物保有量呈现快速上升的趋势。其中，环境型情境中煤炭固体废弃物上升幅度最小，从2005年的834.6×104t增长至2017年的7 680.8×104t；当前型煤炭情景中固体废弃物上升幅度次之，2017年达到7 822.1×104t；能源型情景中煤炭固体废弃物上升幅度最大，2017年达到8 760.4×104t，约是2005年的10倍。通过情景比较，说明在“十二五”政策的调控下煤炭产业盲目开采的扩张趋势得到了有效的控制，煤炭固体废弃物到2017年的保有量相比目前的发展模式大约下降了200×104t，相比资源型情景大约下降了1 000×104t。从煤炭固体废弃物的增长趋势来看，短期内固体废弃物的处理能力仍然无法满足开采量快速增长的要求。

图3　三种情景下煤炭固体废弃物保有量变化趋势

不同情景下煤炭废石年保有量变化情况如图4所示。整体来看，2005—2017年3种情景下煤炭废石保有量均呈现增长趋势，其中2009年受到经济发展和原煤开采量减少的影响，煤炭废石保有量出现下降。环境型情境下煤炭废石保有量增长幅度最小，从2006年的325.5×104t增长到2017年的2 526.1×104t，但相对其他情景环境型情境下煤炭矿石开采剥离比最小，说明煤炭开采技术不断改进，开采方式更加科学。当前型情境下铁矿石废石保有量增长幅度处于中等水平，2017年铁矿石废石保有量预计将达到2 546.8×104t。资源型情景下铁矿石废石保有量增长幅度最大，2017年铁矿石废石保有量预计将将达到3 284.1×104t，这说明在资源型政策主导下，不断增大的环境压力迫使政府企业加大了处理量，但相对资源型政策下巨大的开采量，煤炭废石处理比例依然较低，开采时的剥采比最高。

图5显示每年煤灰渣保有量从2005—2017年在环境型情景、当前型情景和资源型情景下的变化情况。由于环境型情景下，煤炭产业开采盲目扩张趋势得到了有效的控制，因此该情境下的尾矿保有量在3种情景下最小，2017年的煤灰渣保有量预计为493.5×104t。当前情景下，煤灰渣保有量增长较快，2006年为134.7×104t，2017年预计为547.5×104t。资源型情景下，铁矿石尾矿保有量增长最快，2017年预计达到651.6×104t。

图4　三种情景下煤炭废石年保有量变化趋势

图5　三种情景下煤灰渣年保有量变化趋势

本文结合研究区的实际情况，将系统动力学相关理论与方法应用于煤炭产业中。通过建立系统动力学模型对研究区煤炭产业固废物排放、处理和利用情况进行了模拟和预测。根据模拟和预测的结果，得出以下结论：固体废弃物方面，研究区煤炭产业固体废弃物的排放规模继续呈现较高的增长态势。3种情景下，2017年煤炭固体废弃物保有量至少是2005年的10倍，短期内固体废弃物的处理能力仍然无法满足开采量快速增长的要求。对固体废物的治理可以通过3个方面：首先是要控制其源头产生量。其次是开展综合利用，把固体废物作为资源和能源来对待，让其再度回到物质循环圈内，打破不文明的大规模生产、大规模消费、大规模产生废物的生产方式，珍惜本已匮乏的资源，尽量建设一个资源的闭合循环系统。废石处理方面，废石处理能力也有较大提升，煤炭剥采比有减小的趋势，但不明显。可以通过加大从废石中先提取有价元素再整体利用或将废石整体加工利用为各种产品来提高废石处理能力，达到资源再利用。煤灰渣处理方面，未来几年，煤灰渣处理将有大幅度提高，环境型情境下的处理比率比当前情境下的处理比率高。此外，从煤炭固体废物保有量和废石及煤灰渣的处理能力来看，在十二五的调控下煤炭产业盲目开采的扩张趋势将得到有效的控制。

此外，针对固体废弃物、废石、煤灰渣保有量未来的变化情况，建议开展定期的保有量监测，根据变化情况调整监测周期；提高废弃物处理能力，加大废弃物处理新技术的引进和研发；完善矿业开采的体制机制，保证矿产资源的有序开发和持续合理利用。

本研究证明了将系统动力学的理论和方法应用在煤炭产业固废废物排放、处理和利用情况预测模拟方面的可行性。根据固体废物排放、处理和利用情况中的变量关系建立模型，搜集相关数据，通过算法对整个系统进行模拟，可得到良好的结果且比较客观。

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The Simulation and Prediction of the Output of Solid Coal Waste Based on System Dynamics：Taking Yibin City as an Example

XIANWei1，SHAOHuai-yong2，WUJin-hui3，LIUZhi4

(1.College of Resources and Environment，Chengdu University of Information Techology，Chengdu 610225，China；2.College Of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3.School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；4.Sichuan Institute of Geological Survey，Chengdu 610081，China)

Abstract:Mining activities provide a valuable mineral for human life and production，but also generate a lot of mining wastes.And with the Mining accumulation of the mining solid waste，it will bring about a series of environmental problems and geological disasters，such as surface water pollution，soil erosion，surface damages to the landscape.This study aimed at simulating and predicting the volume of solid coal waste，coal spoil and coal ash produced by coal industry each year in Yibin city based on system dynamics.The result indicated that solid coal waste volume appears a fleet increasing tendency which is at least ten times in 2005 by the year of 2017，and coal solid waste processing capacity still can't meet the rapid growth of production in a short term.In the aspect of waste disposal，its capacity increases remarkably，and stripping ratio shows a decreasing trend though not obviously.In the aspect of tailing reutilization，reutilized volume will increase substantially during 2014 to2017 while reutilized ratio under environment scenario will be higher than current situation.

Key words:coal solid wastes，system dynamic，Yibin city of Sichuan province

中图分类号：F426.21(271)

文献标志码：A

文章编号：1009-4210-(2016)01-009-07

作者简介：仙巍(1979—)，女，博士，从事遥感技术在资源环境中的应用等研究。

基金项目：国家自然科学青年基金项目(41401659、41302282)；四川省科技厅项目(2014ZR0145、2015JY0145)；四川省教育厅项目

收稿日期：2015-03-11；改回日期：2015-12-16

doi:10.3969/j.issn.1009-4210.2016.01.002

(13ZB0089)；国土资源部地学空间信息技术重点实验室开放基金项目(KLGSIT2013-07)；成都信息工程学院引进人才

科研启动项目(KYTZ201304)；中国地质调查局地质调查项目(12120115063501)