煤层气开采清洁生产评价模型研究

李凡凡，康静文，高 青

(太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 晋中 030600)

随着传统化石能源日渐紧缺，煤层气在能源结构中所占的比例日益增大。煤层气开采的蓬勃推进必然会引发环境污染、生态破坏等问题，评价企业的清洁生产情况是推动企业绿色开采的重要途径[1]。因此，本文拟建立煤层气开采清洁生产评价模型，以下将该过程细化为指标体系构设、指标权重计算、评价标准确定、评价方法概述4个步骤。

1 指标体系构设

遵循指标体系的编制原则[2]，并结合煤层气开采活动的特征，在已有成果基础上构设煤层气开采清洁生产指标体系，如表1所示[3-4]。

煤层气开采清洁生产指标体系包括资源与能源利用、产品特征、污染控制、生态保护、废弃物利用、生产技术特征和环境管理7项一级指标。

表1 煤层气开采清洁生产指标体系Table 1 Clean production index system for coalbed methane mining

1) 资源与能源利用指标

资源与能源利用指标体显了清洁生产“节约能源、降低消耗”的内涵[5]，可细化为单位产品新鲜水消耗量、单位产品电能消耗量、单井柴油消耗量与合单井土地占用面积4项二级指标。

其中，合单井土地占用面积指建成后井场、站场和连接道路的总占地面积与井数的比值。

2) 产品特征指标

清洁生产关注由原材料到产品的全生命周期[6]。开采项目的产品即煤层气，其质量决定着燃烧热值的高低以及使用过程是否产生污染[7]。该一级指标可细化为甲烷质量分数与硫质量分数2项二级指标。

3) 污染控制指标

污染控制指标反映了清洁生产“防阻污染”的本质[8]。该一级指标可细化为施工期合单井污废水产生量、运营期合单井污废水年产生量、施工期单井SO2产生量等11项二级指标。

其中，施工期合单井污废水产生量指施工期污废水(包括废钻井液、井场冲洗废水、机械冲洗废水及管道试压废水等)产生量与井数的比值，运营期合单井污废水年产生量指运营期污废水(包括气井采出水、站场压缩废水、锅炉废水、生活污水及站场检修废水等)年产生量与井数的比值。

4) 生态保护指标

煤层气开采破坏了原有的表土和植被，对地表造成了很大扰动，施行生态恢复显得尤为重要[9]。该一级指标可细化为退役期场地复垦率与运营期场地绿化率2项二级指标。

5) 废弃物利用指标

废弃物利用指标突出了清洁生产“限减废物”的主题。该一级指标可细化为钻井介质重复利用率与污废水回收利用率2项二级指标。

6) 生产技术特征指标

先进的生产技术是清洁生产的基础[5]。该一级指标可细化为生产工艺的先进程度、生产设备的先进程度等5项二级指标。

7) 环境管理指标

项目管理的疏漏是导致浪费和污染的源头[8]。环境管理指标从管理层面评价开采项目的清洁生产情况，可细化为『三同时』制度执行情况、清洁生产审核情况与环境管理体系建立、运行、认证情况3项二级指标。

2 指标权重计算

计算指标权重常用根据指标相对重要程度赋权的层次分析法。基于层次分析法客观性差的缺点，本文拟引入熵值法联合赋权。

2.1 层次分析法赋权

采用层次分析法为全部指标赋权，计算过程不再赘述。二级指标的层次分析法权重wci(i=1,2,…,29)如表2所示。

2.2 熵值法赋权

熵值法是一种根据指标的数值变化程度分配权重的客观赋权法。某项指标的数值变化程度越大，则信息熵越小，信息的贡献值越大，从而指标权重应越大；同理，某项指标的数值变化程度越小，指标权重应越小[10]。其优势在于，赋权建立在实际数据之上，可排除主观因素的干扰。

表2 指标权重及评价标准Table 2 Index weights and evaluation standards

应用熵值法为定量指标赋权，以下为计算过程：

第一，选取沁水煤田郑庄区块、古交矿区、潞安矿区、贺西矿、沙曲矿、双柳矿及寺家庄矿7个具有代表性的煤层气开采项目，按随机的顺序记作T1，T2，…，T7.统计各个项目的相关数据，如表3所示。定义xij(i=1，2，…，21；j=1，2，…，n)为表3中二级指标Bi的第j个数据，n为各二级指标的数据量。二级指标不同，对应n的值可能不同。

第三，分别根据公式(1)、公式(2)和公式(3)计算各项二级指标的比重Pij、熵值Ei和差异系数Gi.

(1)

(2)

Gi=1-Ei.

(3)

(4)

2.3 联合赋权

为实现主观与客观的统一，将层次分析法权重与熵值法权重整合优化。定义wi(i=1,2,…,29)为优化权重。

定量二级指标的优化权重wi(i=1，2，…，21)与层次分析法权重wci和熵值法权重wsi都应尽可能相近[11]，转换为优化问题：

其中，F表示wi与wci、wsi的总相对熵函数。

运用拉格朗日乘数法求解，可得：

(5)

定性二级指标的优化权重wi(i=22,23,…,29)即层次分析法权重wci.

最终可得全部二级指标的优化权重wi(i=1,2,…,29)，结果见表2.

3 评价标准确定

将评价标准划分为3个等级。定义em(m=1，2，3)为第m个等级，则V={e1，e2，e3}为煤层气开采的清洁生产等级集。其中：e1表示清洁生产先进水平，e2表示清洁生产基本水平，e3表示传统生产水平[12]。调查煤层气开采项目的实际生产情况，参考煤层气开采项目的清洁生产要求，设置各等级的基准值或描述，见表2.

4 评价方法概述

为合理判断项目的清洁生产等级，有效区分隶属相同等级的各个项目的清洁生产水平的差异，本文的评价方法选择二元语义法[13-14]。以下为二元语义法的评价步骤。

4.1 计算等级隶属度

根据以下隶属度函数计算各二级指标的等级隶属度。

1) 定量二级指标的隶属度函数

若指标值越大，清洁生产水平越高，则隶属度函数为：

(6)

(7)

(8)

若指标值越小，清洁生产水平越高，则隶属度函数为：

(9)

(10)

(11)

其中，rim(i=1，2，…，21；m=1，2，3)表示yi隶属于em的程度，yi表示二级指标Bi的实际值，aim表示二级指标Bi对应em的基准值。

2) 定性指标的隶属度函数

(12)

其中，rim(i=22，23，…，29；m=1，2，3)表示二级指标Bi的数据隶属于em的程度。

4.2 计算综合隶属度向量

建立二级指标的隶属度矩阵R1，R2，…，R7.以资源与能源利用指标A1为例：

(13)

将对应二级指标的优化权重归一化可得二级指标的权重向量W1=(WB1，WB2，WB3，WB4)，则一级指标的隶属度向量U1=W1·R1，同理求出U2，U3，…，U7.

建立一级指标的隶属度矩阵：R=(U1，U2，…，U7)T，则综合隶属度向量U=W·R.

4.3 根据二元语义输出评价结果

将U归一化可得U′=(u1，u2，u3)，按公式(14)计算项目的等级特征值v.

(14)

若等级特征值v满足：m-0.5≤v

5 实例应用

应用该模型对7个项目中具有完整数据的T1，T2，T3的清洁生产现状进行评价，其二级指标数据见表3.计算得到三者的二元语义依次为(e2，-0.035 5)，(e2，-0.034 6)，(e2，-0.049 1).即：T1，T2，T3均隶属第2个等级，且按清洁生产水平从高到低排序为T3，T1，T2，与实际情况一致。

6 结语

本文构设了煤层气开采清洁生产指标体系，引入熵值法改进了层次分析法权重，在确定评价标准的基础上，选取二元语义法对项目的清洁生产水平进行了量化、分级与排序，并将该模型应用于实例，结果证明了该模型合理。

本文的不足之处为：第一，煤层气开采项目不同污废水的特征污染物浓度受开采地区的地质环境、土壤环境影响显著[15-17]，使得污废水特征污染物指标及相应评价标准的确定存在很大困难，因此本文的指标体系中未包括污废水水质控制指标；第二，计算熵值法权重时，本文收集的数据较少，可能降低权重的准确性。

今后的研究应在此基础上进一步完善，以期为煤层气开采企业清洁生产水平的判定提供借鉴。