環(huán)境熵評(píng)價(jià)建模及煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)證研究

韓麗麗，李春蕾，王傳鵬，譚 梅 ，宋華嶺

(1.山東師范大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250318；2.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東 蓬萊 265600；3.山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005 )

經(jīng)濟(jì)研究

環(huán)境熵評(píng)價(jià)建模及煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)證研究

韓麗麗1，李春蕾2，王傳鵬2，譚 梅1，宋華嶺3

(1.山東師范大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250318；2.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東 蓬萊 265600；3.山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005 )

本文應(yīng)用基于熵信息的復(fù)雜性測(cè)度理論，對(duì)煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)環(huán)境熵的概念，用于描述循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)產(chǎn)業(yè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的固體、液體和氣體及其它廢棄物對(duì)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)所造成的損害程度，并建立了基于熵復(fù)雜信息量度量的循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境熵評(píng)價(jià)模型。應(yīng)用該模型對(duì)典型的煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)——西山煤電古交礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)的生態(tài)、環(huán)境及其環(huán)境熵進(jìn)行了復(fù)雜性測(cè)度實(shí)證研究，提出了一種環(huán)境熵評(píng)價(jià)的研究方法與應(yīng)用案例。

復(fù)雜性；循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；環(huán)境熵；復(fù)雜性測(cè)度

人類在創(chuàng)造人工系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的過程中，向自然系統(tǒng)不斷的排放其代謝物，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染形成——環(huán)境熵。由此引起的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為我國目前社會(huì)、安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的急需解決的問題，特別是煤炭資源開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，向清潔能源開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫切眉睫。循環(huán)經(jīng)濟(jì)作為一種資源再開發(fā)利用的反饋式發(fā)展模式，在資源開發(fā)型的煤炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，成為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型且減少環(huán)境熵的一種發(fā)展模式。

對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)問題，有些學(xué)者提出環(huán)境熵的評(píng)價(jià)思想，但目前多限于概念層次，對(duì)于環(huán)境熵的量化與數(shù)學(xué)模型研究，則是一個(gè)新的內(nèi)容。周賓等人曾采用生態(tài)足跡-環(huán)境熵對(duì)嘉峪關(guān)市規(guī)劃基期(2005年)的生態(tài)環(huán)境容載力進(jìn)行定量分析，對(duì)2001～2008年嘉峪關(guān)市的環(huán)境熵進(jìn)行了實(shí)證分析[1]。趙海霞等人從環(huán)境演變動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，以不同的時(shí)空尺度相配置，對(duì)氣候波動(dòng)與地表植被盛衰變化的關(guān)系，植被退化、土地沙化發(fā)生的地質(zhì)歷史過程和現(xiàn)代過程，提出了與這種周期性氣候波動(dòng)相適應(yīng)，在彈性限度內(nèi)有效遏制環(huán)境熵增所采取的對(duì)策[2]。周賓等人還將環(huán)境熵定義為城市化對(duì)城市環(huán)境的影響程度，相當(dāng)于環(huán)境水平變化與城市化水平變化的熵值，并對(duì)漢中環(huán)境熵的主要環(huán)境污染物排放量與城市化率的變化進(jìn)行實(shí)證分析[3]。江水法認(rèn)為社會(huì)環(huán)境、自然環(huán)境、生活環(huán)境和環(huán)保產(chǎn)業(yè)等價(jià)格為環(huán)境價(jià)格，它的客觀基礎(chǔ)是環(huán)境熵[4]。歐陽婷萍運(yùn)用“城市環(huán)境熵”以珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化河水為例，進(jìn)行實(shí)證研究[5]。

在循環(huán)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)價(jià)與評(píng)價(jià)參量量化問題方面研究，特別是在其復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境熵及其定量化研究與建評(píng)價(jià)模型方面的研究成果較少。在循環(huán)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)價(jià)與評(píng)價(jià)參量量化問題方面研究，特別是在其復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境熵及其定量化研究與建評(píng)價(jià)模型方面的研究成果較少。作者曾提出復(fù)雜系統(tǒng)的信息熵評(píng)價(jià)理論，并應(yīng)用擴(kuò)展的復(fù)雜性研究方法，對(duì)復(fù)雜性問題進(jìn)行研究，在管理科學(xué)學(xué)報(bào)等期刊發(fā)表論文多篇[6-9]，本文這里對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境熵進(jìn)行復(fù)雜性分析與評(píng)價(jià)，建立了基于信息量度量的環(huán)境熵評(píng)價(jià)方法與模型，并對(duì)典型的西山古交礦區(qū)多礦集約式進(jìn)行實(shí)證研究。

1 建立基于熵理論的循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境熵評(píng)價(jià)模型

關(guān)于環(huán)境熵的建模與測(cè)度模型，本文不同于其他研究，依據(jù)系統(tǒng)理論，宏觀與微觀系統(tǒng)結(jié)合，并依據(jù)熵理論的基本概念，建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境熵評(píng)價(jià)模型體系。

1.1 熵與環(huán)境熵的基本概念

在熱力學(xué)，一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)的過程都是熵增的過程，反之使熵減少的過程則需要外力的介入。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)境輸出的正、負(fù)能量越來越大，熵產(chǎn)生速度越來越快，必然使系統(tǒng)更加混亂無序，這就是熵增的過程；而要想使這個(gè)系統(tǒng)有序化，就需要人為的進(jìn)行能量的輸入，摒除與降解無用的物質(zhì)—減熵過程。

本文利用熵的重要特征，作為度量復(fù)雜環(huán)境熵信息的尺度，解決循環(huán)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境熵測(cè)度的尺度與建模、系統(tǒng)的增熵與減熵的過程問題。這里環(huán)境熵用于描述循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，生產(chǎn)排放的固體、液體、氣體工業(yè)廢料對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的破壞程度，即是對(duì)微管個(gè)體對(duì)。系統(tǒng)整體引起的混亂、無序的程度的度量。

環(huán)境熵定義為：生態(tài)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)各個(gè)微觀子系統(tǒng)的無序程度在宏觀整體上宏觀量的表征，即循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)排放與喂給到生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的固體、液體與氣體廢料物對(duì)生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)造成的損害、混亂與無序程度的宏觀總體上的度量量。

環(huán)境熵增加E增：循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的梯次階段i，產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)j處于增熵狀態(tài)s增(i，j)時(shí)，產(chǎn)生的固體、液體、氣體工業(yè)廢料物給排放到生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成混亂與無序程度的度量。

環(huán)境熵減少E減：循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的梯次階段i節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈j處于減熵狀態(tài)s減(i，j)時(shí)，產(chǎn)生的固體、液體、氣體工業(yè)廢料物通過綜合利用，降解減少對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成損害、混亂與無序程度的度量。

1.2 環(huán)境熵概念的數(shù)學(xué)模型表征

對(duì)于一個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，設(shè)階段i為循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)的遞階梯次，i=1，2，…m。

節(jié)點(diǎn)j：循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)產(chǎn)業(yè)單元，j=1，2，…n。

1.3 環(huán)境熵評(píng)價(jià)模型的建立

若i階段梯次和產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)j的增熵狀態(tài)為s增(i，j)，則第i階段梯次和產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)j產(chǎn)生的系統(tǒng)環(huán)境熵增加見式(1)；若i階段梯次和產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)j的減熵狀態(tài)為s減(i，j)，則第i階段梯次和產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)j減少的環(huán)境熵減少見式(2)。由式(1)、式(2)引出式(3)、式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

將每個(gè)階段梯次的環(huán)境熵增加累加可以得到整個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的環(huán)境熵增加量，見式(6)。

(6)

將各階段梯次的每個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)減少的環(huán)境熵減少進(jìn)行累加，得到循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各階段梯次減少的環(huán)境熵，見式(7)。

(7)

將每個(gè)階段梯次減少的環(huán)境熵累加，得整個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)減少的環(huán)境熵量值，見式(8)。

(8)

依此，建立了關(guān)于環(huán)境熵評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，本文將應(yīng)用此模型對(duì)我國煤礦典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)西山煤電集團(tuán)古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)進(jìn)行環(huán)境熵的評(píng)價(jià)。

2 實(shí)證研究——西山煤電古交礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)多礦集約式模式園區(qū)環(huán)境熵評(píng)價(jià)

古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)是我國典型的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)集群集約化的煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。該園區(qū)建立了多個(gè)煤礦為產(chǎn)業(yè)園龍頭產(chǎn)業(yè)，包括屯蘭礦、馬蘭礦、東曲礦、西曲礦和鎮(zhèn)城底礦為一級(jí)產(chǎn)業(yè)的物料喂給產(chǎn)業(yè)鏈龍頭節(jié)點(diǎn)，以連接各龍頭產(chǎn)業(yè)運(yùn)煤通道為鏈條線，將煤矸石、中煤供給世界最大的配煤廠——古交配煤廠集中配煤，再喂給中煤坑口電廠——興能發(fā)電有限責(zé)任公司、進(jìn)行發(fā)電。整個(gè)園區(qū)形成三條產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，分別為“煤-電-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生資源”。古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)是我國典型的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)集群集約化的煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。該園區(qū)建立了多個(gè)煤礦為產(chǎn)業(yè)園龍頭產(chǎn)業(yè)，包括屯蘭礦、馬蘭礦、、東曲礦、西曲礦和鎮(zhèn)城底礦為一級(jí)產(chǎn)業(yè)的物料喂給產(chǎn)業(yè)鏈龍頭節(jié)點(diǎn)，以連接各龍頭產(chǎn)業(yè)運(yùn)煤通道為鏈條線，將煤矸石、中煤供給世界最大的配煤廠——古交配煤廠集中配煤，再喂給中煤坑口電廠——興能發(fā)電有限責(zé)任公司、進(jìn)行發(fā)電。整個(gè)園區(qū)由三條產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)由“煤-電-建材”、“煤-焦-化”、“煤-伴生資源(煤層氣、鋁、鐵等)”構(gòu)成，形成了我國目前規(guī)模最大、節(jié)點(diǎn)最復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)最好的循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)，其產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)見圖1。

應(yīng)用前述循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)環(huán)境熵評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算，給出系統(tǒng)各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)廢棄物排放與利用情況，見表1。

2.1 環(huán)境增熵

各梯次層次和各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)的排放與喂給到生態(tài)環(huán)境自然系統(tǒng)的廢棄物由向量表示出來，應(yīng)用式(1)～(8)，計(jì)算各層次各節(jié)點(diǎn)的排放到自然界中的廢棄物的熵值，并計(jì)算各層次各節(jié)點(diǎn)的環(huán)境增熵，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表可知，古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)環(huán)境熵E增=1.052。

2.2 環(huán)境減熵

圖1 古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)圖

表2 古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)環(huán)境熵計(jì)算表

各梯次層次和各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)被綜合開發(fā)利用的廢棄物由向量表示；計(jì)算各層次與節(jié)點(diǎn)的被下階次節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)開發(fā)利用的廢棄物，求的在整個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系中所占的比例；計(jì)算各層次與各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)的環(huán)境熵減少值。由于p(i，j)在1/e=0.3679兩端的環(huán)境熵計(jì)算公式不同，先進(jìn)行比較p(i，j)和1/e的大小關(guān)系，然后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可知，古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)減少對(duì)環(huán)境熵E減=0.746。

3 結(jié)果分析

1)產(chǎn)業(yè)鏈的長度與復(fù)雜程度是影響環(huán)境熵的增減的重要因素。西山園區(qū)是一個(gè)多礦產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)集約式的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)喂給關(guān)系復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)多。

2)循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)綜合利用技術(shù)先進(jìn)程度的高低與優(yōu)劣，是影響環(huán)境熵的增減的重要因素。古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)的環(huán)境熵減少值為0.746，其值占總的系統(tǒng)整體熵產(chǎn)生的41.5%。各階次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的喂給物料與廢棄物未進(jìn)行降解利用，其環(huán)境熵增加，而造成環(huán)境系統(tǒng)的污染后，近年又有新建礦和整合礦加如該系統(tǒng)，各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)的降解能力匹配銜接的不是最好，未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的最終閉合。

3)循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開發(fā)不同階段的環(huán)境熵產(chǎn)生不同。古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)中，環(huán)境熵產(chǎn)生最大的是系統(tǒng)喂給關(guān)系的第四階段，而其中第六階段最小。因其構(gòu)成的化肥廠等產(chǎn)業(yè)各種廢棄物料進(jìn)行了綜合利用，使其環(huán)境增熵大大減少，實(shí)現(xiàn)該園區(qū)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈第二梯次、喂給物料產(chǎn)生最多的洗煤廠的廢棄物的綜合利用是環(huán)境熵減少的基本途徑。

4)由表中和以上的環(huán)境熵的增加與減少的分析可知，實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)的資源開發(fā)利用模式，減少各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)的廢棄物的自然排放，提高各種資源的利用率，能極大地減少對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的污染，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。同時(shí)由環(huán)境熵的增加分析表明，應(yīng)力爭(zhēng)建立完善的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，力爭(zhēng)做到資源的充分利用，否則，則引起環(huán)境熵的增加。并且要通過先進(jìn)的綜合利用技術(shù)和資源環(huán)境管理等措施，來減少環(huán)境熵增加。

表3 古交循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)環(huán)境熵減少計(jì)算表

對(duì)于環(huán)境熵評(píng)價(jià)與量化研究問題，是一個(gè)較新的研究內(nèi)容，本文提供了一個(gè)研究方法。我國的資源型、高能耗、高污染的企業(yè)，如煤炭、鋼鐵、石化產(chǎn)業(yè)，必須建立減熵或者增加負(fù)熵的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，通過建設(shè)其遞階減熵的綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，使不同階次的廢棄物變成了可用的高度有序的產(chǎn)品資源，減少了對(duì)環(huán)境熵產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化與循環(huán)利用，使人類人造系統(tǒng)的生產(chǎn)與消費(fèi)過程的產(chǎn)生環(huán)境熵最小，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。這對(duì)當(dāng)前我國進(jìn)行霧霾治理，減少與消除氣體污染物的排放研究也具有重要意義。

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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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：71373148)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：Y2006H10)；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：11YJA630101)

韓麗麗(1987-)，女，山東臨沂人，山東師范大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橘Y源管理復(fù)雜性。E-mail：hanlili1117@163.com。

F407.21

A

1004-4051(2015)05-0031-06