基于SD的鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统模拟与控制

张延飞， 唐 鑫， 张振东， 丁木华， 李 颖， 于 臻

(1.东华理工大学 理学院，江西 南昌 330013；2. 江西省生态文明建设制度研究中心，江西 南昌 330013；3. 东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013；4.东华理工大学 经济与管理学院，江西 南昌 330013)

基于SD的鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统模拟与控制

张延飞1,2， 唐 鑫3， 张振东3， 丁木华1， 李 颖4， 于 臻4

(1.东华理工大学 理学院，江西 南昌 330013；2. 江西省生态文明建设制度研究中心，江西 南昌 330013；3. 东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013；4.东华理工大学 经济与管理学院，江西 南昌 330013)

运用系统动力学理论和方法，探讨鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统内诸要素间的交织作用，设计SD模型，以历史数据实现模型检验，证明模型结构、行为与实际状况是一致的。模拟维持现状、开发优先、节能环保、协调发展等四种发展模式下，2014—2030年间鄱阳湖域矿产资源开发和社会经济协调发展演变趋势。结果表明：到2030年，协调发展模式较维持现状模式，铜精矿累计保有储量提高了16.38%，GDP增加了8.69%，工业固废排放减少了7.40%，是鄱阳湖域矿产资源优化开发和社会经济全面协调、生态环境保护的较优发展模式。

矿产资源开发；生态经济系统；鄱阳湖域；SD

张延飞，唐鑫，张振东，等.基于SD的鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统模拟与控制[J].东华理工大学学报：社会科学版，2016，35(4)：323-330.

Zhang Yan-fei，Tang Xin，Zhang Zhen-dong，et al.Simulating and controlling of eco-economic system of mineral resources in Poyang Lake Zone based on system dynamics[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(4)：323-330.

矿产资源丰富的鄱阳湖域在生态经济区国家战略实施和推进下，资源大力开发，社会经济持续发展，但伴随工业化和城市化进程加快，面临着资源储备下降，人口快速增加，生态环境污染日益严峻等问题。2014年11月20日，江西省步入我国首批全境列入生态文明先行示范区建设的队伍，这对地区“既要金山银山，更要绿水青山”的理念提出了更高要求。科学处理资源开发、经济发展、生态保护等关系成为了推动和深化鄱阳湖域生态经济区和生态文明先行示范区建设的题中之义。

近年来，国内外学者关于矿产开发及其与生态、经济关系方面的研究取得了一定成果。其中，国外学者多基于经济学[1-3]及生态系统[4-5]影响性角度分析矿产开发利用；国内学者主要强调从矿产资源和产业的某一侧面进行研究，体现在以下方面：矿产资源开发整合[6-8]、矿产资源开发利用效率[9-11]、矿产资源开发战略[12-14]和矿产资源对生态、经济的支持与约束作用[15-19]等。但现有研究多静态分析和现状评价，系统性、层次性、动态性研究较少，对于诸要素间的相互渗透、交织作用的研究尚需进一步完善与深入。

鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统是一个开放的、非线性复杂巨系统，主要包含区域矿产资源开发、人口建设、经济发展、生态环境保护治理等要素，且诸要素间相互交织，相互影响，构成有机整体。本研究拟用定性和定量相结合的系统动力学(SD)方法，从系统性、层次性、动态性视角，设计鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型，分析地区矿产资源开发和社会经济发展现状，调整相关参数与控制变量，模拟分析鄱阳湖域矿产资源开发和社会经济协调发展演变趋势，以期为区域生态经济区和生态文明先行示范区建设提供决策参考。

1 系统边界与系统结构分析

系统边界不仅是区分系统和其环境之间的界限，还是系统和其环境交织作用的中介。本研究涉及矿产开发、人口建设、经济发展与生态环境保护治理的内部要素与实体，并确定主要变量研究，追踪新变量，直到对系统存在重要影响的变量无遗漏为止，最终确定系统的边界。基于研究可行性与数据可获得性，确定鄱阳湖域的研究范围主要包括南昌、景德镇、鹰潭，以及九江、新余、抚州、宜春、上饶、吉安的部分县(市、区)，共38个县(市、区)。

依据“生态经济人假设”条件下的人口、资源、环境框架，结合最终地区经济发展目标，选取矿产开发、人口建设、经济发展、生态环境保护作为鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的子系统，综合设计SD模型。各子系统分述如下：

矿产开发子系统是鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的核心。该系统主要研究矿区投资背景下的矿产资源勘查、采选、利用带来的矿产产出效应。矿产开发子系统包含的主要要素：矿产保有量，矿产新增保有量、矿产采出量、矿产资源创造价值、矿区投资等。

人口建设子系统是鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的有机主体。该系统主要研究地区人口的增长和减少效应。人口子系统包含的主要要素：地区总人口、人口出生和死亡状况、社会公共服务体系完善程度等。

经济发展子系统是鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的前提。除了自身存在递增效应，其还为其他子系统的发展平衡、完善提供物质和资金基础，该系统主要研究经济发展背景下矿区投资产生的矿产开发利用效应和环保投资带来的生态环境治理效应，以及它们对地区GDP未来发展的影响效应。经济子系统包含的主要要素：地区GDP、GDP增长率、矿区总投资，环保投资、矿产资源供需状况等。

生态环境保护子系统是鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的保障。该系统主要研究生态环境破坏、生态环境治理及生态环境的治理效应对整个地区人口、经济及资源开发的影响。生态子系统包含的主要要素：工业三废产生、土地塌陷、水土流失、环保投资、生态环境治理等。

2 鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型设计

2.1 系统因果关系图设计

因果关系反映了动力学系统的相互作用，用以描述系统内各要素之间的相互关系。鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统是一个动态的非线性、复杂巨系统，四个子系统间存在着非线性的相互影响、相互制约关系。矿产开发利用客观上有利于社会经济的进步，但对生态环境又产生破坏作用，制约了社会经济的良性发展；人口的变化，影响经济发展与矿产资源开发；经济发展为矿产资源开发和生态环境治理保护提供物质和资金，生态环境的治理效应最后又反馈给地区社会经济。子系统内部各要素间也存在复杂的相互影响、相互制约关系。基于Vensim PLE软件，充分考虑系统结构和系统内要素的相互影响、相互交织关系，设计出鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD因果关系图，如图1所示：

图1 鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD因果关系图

鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统主要反馈回路分述如下：

①累计保有储量—+矿产采出量—+矿产供应量—+地区GDP增长量—+地区GDP—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量；

②累计保有储量—+矿产采出量—+生态环境污染— -地区GDP增长量—+地区GDP—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量；

③累计保有储量—+矿产采出量—+矿产开发利用程度— -投资比率—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量；

④地区GDP—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量—+矿产采出量—+矿产供应量—+地区GDP增长量—+地区GDP；

⑤地区GDP—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量—+矿产采出量—+生态环境污染— -地区GDP增长量—+地区GDP；

⑥生态环境污染— -地区GDP增长量—+地区GDP—+矿区总投资—+新增保有储量—+累计保有储量—+矿产采出量—+生态环境污染。

2.2 系统模型设计

分析鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的因果关系和各子系统的反馈作用途径，充分考虑系统内要素的特点，设计了鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型，如图2所示。

鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型涉及的变量主要有状态变量、速率变量和辅助变量等，具体见表1。

图2 鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型

变量类型变量说明主要变量名称状态变量决定系统行为累计保有储量、累计采出量、总人口、矿产产出量、地区GDP、工业固废排放量、工业废水排放量、工业废气排放量、水土流失累积量、土地破坏累计面积等10个。速率变量直接改变状态变量新增保有储量、年采出量、死亡人口、矿产产出增长量、GDP增长量、固废产生量、废水处理量、水土流失增加量、土地破坏增量、土地复垦量等16个。辅助变量其他变量计算而得矿区总投资、环境污染对死亡率影响因子、二产矿产需求量、矿产进口量、单位产值固废产生变化量、单位产值土地破坏增量、土地复垦率表函数等47个。常量不随时间变化变量新增保有储量修正系数、年采出量修正系数、进口率、GDP增长率修正系数、出生率修正系数、环保投资修正系数等8个。

2.3 模型检验

鄱阳湖域的矿产资源矿种多样，资源丰富，是我国最重要的铜产业和有色金属基地。鉴于数据可获得性和研究代表性，本文以具有相对优势的铜矿和铜产业数据为矿产基础数据，研究鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统的发展现状和演变规律。数据主要来源于《鄱阳湖生态经济区统计年鉴》(2010—2013年)、《江西省统计年鉴》(2011—2014年)、《鄱阳湖生态经济区矿产资源开发利用规划》(2008—2020年)、《鄱阳湖区五河流域治理规划》等。

通过对鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型结构及行为的适合性检验，模型中模型界限、变量设置、流图结构以及方程式都是合理的。本研究以2010年为初始年，时间步长为1年，仿真模拟鄱阳湖域在2011—2013年累计保有储量、地区GDP等变量，系统模拟的结果与鄱阳湖域实际发展状况一致性较高，相对误差在5%以内，如表2所示。说明设计的SD系统模型可以实现对鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统模拟与控制。

表2 状态变量历史值与仿真值对比表

3 模型仿真与结果

3.1 模拟方案设计

系统动力学模型类似一个政策实验室，可以仿真模拟不同政策方案下，系统发展的主要行为和运行结果。根据鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型的结构、特点、变量间的反馈关系结合地区矿产资源开发、人口、经济、生态环境现实发展状况，选取影响系统中状态变量的相关参数：新增保有储量、出生率、GDP增长率、土地复垦率等，修正和调控参数，设计出维持现状型、开发优先型、节能环保型和协调发展型等四种发展模式，对2014—2030年间，地区矿产资源开发利用与社会经济发展情势实现仿真模拟。如表3所示。各发展模式思路分述如下。

维持现状型。保持当前发展条件下的系统模型变量和所有参数不变，按照地区的现实发展状况和演变趋势实现系统的仿真模拟。并且将该方案下的鄱阳湖域矿产资源开发利用和社会经济发展情势作为其它发展模式仿真结果的对比基础。

开发优先型。大力加快推进鄱阳湖生态经济区社会经济发展步伐，加强地区矿产资源资源勘查活动，提高新增探明率实现新增保有储量的增加，扩大矿产开发利用规模，提高GDP增长速度，促进了经济持续增长，刺激了地区人口的增加。政府和企业集中进行资源开发和经济建设，对生态环境无暇治理。

表3 不同发展模式参数调控表

节能环保型。综合考虑资源节约和生态环境治理，未来限制矿产资源的进一步勘查活动和开采规模，降低新增保有储量和年采出量，放慢地区GDP增长速度，控制新增人口，同时加大环保投资力度，加强生态环境保护治理，以改善地区生态环境质量。

协调发展型。践行可持续发展理念，将矿产资源开发、人口控制、经济发展和生态环境保护治理纳入全局考虑，适度提高矿产新增保有储量和采出量，促进地区GDP的良性增长，合理控制人口规模，适度加大环保投资力度。以期推动地区生态经济区和生态文明先行示范区建设的发展。

3.2 仿真结果分析

依据上述不同模式的发展思路，调控鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型中的主要参数，实现仿真运行模型，各主要变量的仿真结果如表4和图3(a-f)所示。

表4 不同发展模式下主要变量的仿真结果表

由表4可知，在维持现状型发展模式下，到2030年，鄱阳湖域铜精矿累计保有储量增至2 160.66 万吨，累计采出量增至1 279.86万吨，占累计保有储量比重近60%；矿产产出量为112.13万吨，地区GDP升至43 775.70亿元；总人口为2 636.36万人，年均增加36.72万人；工业三废排放量分别达1 734.23万吨、86 857.90万吨、1 052 960.00吨，水土流失累计面积达26 166.70 km2，土地破坏累计面积达1 620.31 hm2。表明在现有的社会经济发展与资源开发利用条件下，鄱阳湖域存在资源后续保障不足，经济总量较低，人口有所膨胀，生态环境污染破坏较严重等问题，将制约生态经济区和生态文明先行示范区建设。

在开发优先型发展模式下，鄱阳湖域铜精矿累计保有储量由2014年的506.53万吨迅速增至2030年的2 716.32万吨，年均增长近138.12万吨；累计采出量由121.57万吨窜升至1 593.13万吨，增加了近1 471.56万吨。矿产产出量由28.21万吨增至129.24万吨，增加近4.6倍；地区经济迅猛增长，GDP迅速升至51 084.90亿元，较维持现状型下的43 775.70亿元，增加了约7 309.20亿元。地区总人口增加至2 726.34万人，较维持现状型，多出近89.98万人，加重了社会负担。同时，生态环境问题没有加强治理，使得生态环境问题依然严峻。

在节能环保型发展模式下，到2030年，鄱阳湖域铜精矿累计保有储量增加到1 867.98万吨，累计采出量升至1 127.28万吨，矿产产出量增至104.32万吨，矿产资源勘查与开发利用规模均缩减。地区GDP增长趋缓，到2030年为40 968.50亿元；人口增长也趋缓，总人口仅为2 543.06万人，低于维持现状型和开发优先型。在加强环保治理的指导思想下，到2030年，工业三废排放量分别为1 477.48万吨、80 997.50万吨、774 705.00吨，水土流失面积降至23 289.00 km2，土地破坏累计面积降至1 349.99 hm2，与前两种发展模式相比，生态环境污染破坏总量均有大幅下降，但该模式是以限制资源开发利用和牺牲经济发展速度为前提，不利于鄱阳湖域资源优化利用和社会经济的高效发展。

图3 鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统不同模式仿真结果

在协调发展型发展模式下，到2030年，鄱阳湖域铜精矿累计保有储量增加到2 514.58万吨，累计采出量升至1 458.79万吨，矿产产出量增至120.35万吨，地区GDP增加至47 583.10亿元，而总人口缓增至2 633.46万人，与维持现状型基本持平，生态环境污染状况也得到了改善，到2030年，固废排放量为1 605.85万吨，与维持现状型和开发优先型下的1 734.23万吨相比，减少了近128.38万吨，工业废水排放、工业废气排放、水土流失面积、土地破坏面积等均有不同程度的下降。

分析表4和图3(a-f)各变量在不同发展模式下的仿真结果，可得出累计保有储量、累计采出量、矿产产出量及地区GDP在2014—2030年间，开发优先型发展模式的增长幅度最大，矿产资源的勘查和开采规模过度增长，不利于资源的可持续利用，节能环保型的增长幅度最缓，单纯限制矿产资源开发利用规模，不利于社会经济的良性增长，而协调发展型的增长幅度明显高于节能环保型，介于开发优先型和维持现状型之间，由矿产开发程度仿真曲线可发现协调发展型的指数最低，较之其他发展模式，其未来矿产资源的后续保障能力最强，体现了适度扩大矿产勘查和开发利用，有效发展社会经济。从总人口曲线可得出，节能环保型的人口增长是最缓的，但考虑该发展模式下地区GDP的增长也是最缓的，牺牲经济发展质量来保持人口低增长是不可取的，而协调发展模式下的人口增长缓于开发优先型，与维持现状型持平，且表现在工业三废排放、水土流失、土地破坏等问题治理上虽弱于节能环保型，但明显优于维持现状型和开发优先型，综上所述，协调发展型综合考虑了资源合理开发利用、人口稳定增长、经济高效发展、生态环境综合治理，是鄱阳湖域矿产资源优化开发和社会经济全面协调、持续发展的较优发展模式。

4 结语

本文运用解决非线性、复杂系统问题的系统动力学方法，设计了鄱阳湖域矿产资源开发生态经济系统SD模型，基于地区铜矿、铜产业及相关统计数据，仿真模拟了鄱阳湖域2010—2030年间矿产开发利用和社会经济发展现状及未来情势，修正调控主要政策参数，设计维持现状、开发优先、节能环保和协调发展等四种发展模式，优化对比分析后，得出协调发展模式是鄱阳湖域矿产资源优化开发和社会经济全面协调、生态环境保护的较优发展模式。此外，本研究主要从资源、经济、环境及社会模块中的人口要素综合设计了SD模型，未来需扩大系统边界，强化系统的集成性，如将社会模版中的其他要素(如就业、社会进步等)融入巨系统中，有机组合各子模块，并实现它们之间的优化交互耦合，将系统动力学方法与层次分析法、灰色理论等方法相结合，博采众长，有待进一步研究。

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Simulating and Controlling of Eco-Economic System of Mineral Resources in Poyang Lake Zone Based on System Dynamics

ZHANG Yan-fei1,2， TANG Xin3， ZHANG Zhen-dong3， DING Mu-hua1， LI Ying4， YU Zhen4

(1.FacultyofScienceofEastChinaUniversityofTechnology，Nanchang330013，China;2.ResearchCenterforJiangxiEcologicalConstructionCivilizationSystem,Nanchang330013,China;3.FacultyofNuclearEngineeringandGeophysicsofEastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China;4.FacultyofEconomicandManagementofEastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

Based on the theory and method of system dynamics, this paper analyzes the interaction of all the factors of the eco-economic system of mineral resources exploiting in Poyang Lake Zone.The system dynamic model is set up and then tested with the historical data.The high degree of authenticity proves the model is consistent with the actual situation of eco-economic system of mineral resources exploiting in Poyang Lake Zone.The authors adjust the main policy parameters to simulate the developing tendency of the mineral resources exploiting and the development of social economy from 2014 to 2030 under four developing scenarios (the maintaining status quo,the development priority,the resource environment priority and the coordinated development model). The results show, compared with the maintaining status quo,the total maintaining reserves of copper will be improved by 16.38%; GDP will be increased by 9.3%,and the industrial solid wastes will fall by 7.4% under the coordinated development model in 2030. These could promote the intensive utilization of resources,the appropriate growth of population,the efficient development of the economy and protection of the ecological environment. Therefore, the coordinated development model will be the optimal one.

mineral resources exploiting;eco-economic system;Poyang Lake Zone; system dynamics

2016-07-10

教育部人文社科基金项目(12YJC630298)；江西省社科规划项目 (14GL24)；江西省高校人文社科项目(JJ1104)。

张延飞(1976—)，男，贵州铜仁人，副教授，硕士生导师。主要从事资源评价与保护、软科学与计算方法研究。

F461.1

A

1674-3512(2016)04-0323-08