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1、生态经济第32卷第2期(2016年2月) Ecological Economy，V0132，No2(February 2016)煤炭开采与水资源利用保护的耦合关系研究 q于中国10个煤炭资源丰裕省份的分析杨军，吴蔚，丛建辉，张波(山西大学经济与管理学院，山西太原030006)摘要：作为煤炭资源丰裕省份的重要生产活动，煤炭开采对区域水资源有着重要影响。文章以中国lo个煤炭资源丰裕省份为研究对象，建立了煤炭开采与水资源利用保护相互影响作用的评价指标体系，构造了煤炭开采与水资源利用保护两大系统之间的耦合模型，对省域范围内煤炭开采与水资源利用保护的耦合度与耦合协调度进行了双向实证研究。研究结果表明，1
2、0个煤炭资源丰裕省份两大系统的耦合度整体偏低，耦合协调度在空间分布上呈现出一种北重南轻的“倒三角”结构，据此提出了通过科技进步、结构调整与制度改革等方式助推煤炭开采与水资源利用保护向良好、优质协调方向发展的建议。关键词：煤炭开采；水资源；耦合度；耦合协调度中图分类号：F0622 文献标识码：A 文章编号：16714407(2016)0215604Coupled Research of Coal Mining and Protection and Utilization of Water Resource：Based on theAnalysis of China 10 Provinces in
3、 the Abundance of Coal ResourcesYANGJun，WU Wei，CONG Jianhui，ZHANG Bo(School of Economics and Management，Shanxi University,Taiyuan Shanxi 030006，China)Abstract：As an important production of coal resources abundance provinces，coal mining has important implicationsfor regional water resourcesThis artic
4、le based on the ten abundance of coal resources provinces in China，establishinga detailed evaluation index system，constructing the coupling model of two system of coal mining and protection andutilization of water resource，macroscopically and empirically researching the coupled and coupled coordinat
5、ion two-waydegree of the two system within the scope of provincialThe results show that the two systemscoupling of the 1 0 provinceswhich abundance of coal resources is generally lowerIn the spatial distribution of the coupled coordination degree showa trend that the northem distribution more southe
6、rn distribution is less，which is calledinverted triangle”structureThispaper accordingly puts forward policy recommendations that through scientific and technological progress，structuralaajustment and reform of the system to develop coal mining and protection in the utilization of water resources in
7、thedirection of good coordinationKey words：coal mining；the water resources；the coupled；the coupled coordination degree作为煤炭资源丰裕省份的重要生产活动，煤炭开采对区域水资源有着重要影响。在全国大力实施以改善水环境质量为核心的“水十条”政策等宏观背景下，如何界定并努力协调煤炭开采与水资源利用保护的关系，成为一个引人关注的话题131 o这一问题的解决，对改善煤炭资源丰裕省份区域水生态环境、加速推进生态文明建设以及实现煤炭工业的可持续发展都具有重要意义H”】。关于煤炭开采与水资源利
8、用保护的关系，理论界主要从两个角度进行了探讨：一是以具体的煤矿开采为例，系统研究煤炭开采对水资源各个方面的影响，代表性文献包括Alhamed对德国波鸿煤矿开采所造成的水质污染的研究呻】和吕新、蒋晓辉等所做的关于窟野河流域煤炭开采对水资源水量、水质以及水循环影响机制的研究等“J；二是从煤层与含水层的空间关系角度，探讨如何在有效保水基础上合理采煤，代表性学术成果主要集中在王双明、李连娟等学者对陕北榆神府矿区的研究中p10。综合现有研究结论来看，尽管可能存在多种具体机制，但煤炭开采活动会影响水资源已经成为共识，许多学者也尝试性提出了考虑水资源影响在内的区域采煤方法。不过，现有研究在以下方面还存在明显
9、不足：(1)主要侧重煤炭开采对水资源利用保护的单向影响，甚至直接认定煤炭开采对水资源的影响就是破坏作用，而对两者之间的相互影响，尤其是水资源利用及保护过程中可能对煤炭开采产生的影响，考虑并不充分；(2)个别涉及煤炭开采与水资源利用保护两者相互关系的研究文献，主要是从评价指标体系构建方法角度展开的，但建立的指标体系多为大系统、基金项目：国家社会科学基金项目(14CJL036)；山西省高校哲学社会科学研究项目(115544901002)作者简介：杨军，男，湖北松滋人，博士，教授，山西大学副校长，主要研究方向为资源环境经济。156 万方数据生态经济第32卷第2期(2016年2月) Ecologica
10、l Economy，V0132，No2(February 2016)粗指标，且缺乏定量分析。另外，现有研究多以一个典型矿区为研究对象进行微观分析，而立足全国省域范围基础上的宏观性分析比较匮乏。基于此，本文借鉴物理学中的耦合模型，以全国10个煤炭资源丰裕省份为研究对象，在构建煤炭开采与水资源利用保护两大系统评价指标体系基础上，通过双向分析计算耦合度、耦合协调度，研究两者之间的耦合关系，以发现省域基础上煤炭开采与水资源利用保护的共性规律，就此提出针对性建议。1研究区域煤炭资源及水资源概况本文以山西省、陕西省、内蒙古自治区、河北省、河南省、山东省、四川省、新疆维吾尔自治区、贵州省和广西壮族自治区等1
11、0个省份为研究对象，这些省份横跨中国东、中、西部，纵贯南北，年均煤炭开采量均在千万吨以上，2013年合计总产量为305亿吨，占全国煤炭产量的8336，是我国的主要煤炭资源供应地。10省主要的煤炭资源与水资源情况如表1。表1 1 0省煤炭资源及水资源概况煤炭储量 全国占省份 年降水量 境内主要水域(亿吨) 比新疆 18 0373 3057 150mill 塔里木河、伊犁河、额尔齐斯河等陕西 20311 344 537real 黄河、渭河、汉江、嘉陵江等贵州 18972 322 1200 lrtln 乌江、南盘江、北盘江、都柳江等四J| 30379 051 1383mln 岷江、沱江、青衣江、大渡
12、河等汾河、沁河、桑干河、滹沱河、漳山西389918 66 370 lnlTl 河等河南 91971 156 670 nllxl 海河、黄河、淮河、长江广西 1764 003 1070 rain 南盘江、红水河、郁江、柳江等内蒙 12 25071 2076 255inn 黄河河北 60139 101 532toni 潭卫南运河、于才河、大清删等山东 40513 O69 716mlTl 黄河、大运河、南四湖、东平湖等由表1可知，10省中，年降水量在100500 naln之间的省份是新疆和内蒙古，这两个省的煤炭储量分别为第一和第二，境内水域多为流量较小的内流河；年降水量在5001000 rllirl
13、之间的有陕西、山西、河南、河北和山东，其中山西和陕西的煤炭储量超过千亿吨，境内水域河流较为丰富；年降水量在1000 mm以上的省份为西南地区的四川、贵州和南部沿海的广西，其中贵州的煤炭储量超过千亿吨，三省境内的河流数量多、流量大、流域广，水资源丰富。2耦合度模型设定、指标体系构建与数据来源21煤炭开采与水资源利用的耦合协调度模型“耦合”一词源于物理学，主要研究两个或两个以上系统之间互相作用、彼此影响的机制。耦合因能够客观反映出系统内部的各子系统之间互相依存、互相牵制的互动与关联关系，以及判断子系统之间的结构演化方向与变化趋势，因而得到了广泛应用。煤炭开采与水资源利用保护是两个有机联系的系统，利
14、用耦合模型来分析二者之间的关系，不但形象，而且可以定量化测度这两个系统内部要素的动态关系，从而为两大系统协同共生提供最优决策方案。本文构建了反映煤炭开采与水资源利用保护的耦合协调度模型，具体建模过程为：首先，设定煤炭开采和水资源利用保护两个大系统，并用F。(f，x)和R(f，力函数来度量两个系统的发展水平，其中抵y分别为水资源利用保护系统和煤炭开采系统的特征向量，t指代特定年度，t、x和Y值确定时计算出F1和R。其次，定义两大系统的相对离差系数C，2IF，(f，J)+F2(t，训卜Fl(万t再F2(t爿Y，J)+ ， )C越小，意味着水资源利用保护系统和煤炭开采系统越协调】。对公式(1)变形得
15、到：f：21一p，e，工)F2(t，)护t(f，互)+Fz(t，州22(2)#ci，：p。(f，z)F2(t，叫舻t(f，z)+F2(t，叫22(3)显然0茎CI兰1，C1越大，C值越小，F1(f，x)和F2(t，y)之间的协调程度越好。当F。(f，工)=F2(f，Y)时，CL取最大值，此时C=0，离差最小，F，(f，x)和F2(t，力处于最协调状态。然后借鉴容量耦合系数模型”21，建立两大系统间相互作用的耦合度模型，定义耦合函数：四：铀)F2(t，)p如，J)+Fz(t，硝胪(4)采用中值分段法对a进行区间划分，有以下几种类型：当0a茎03时，表示两个系统处于低水平耦合阶段；当03a兰05时
16、，表示两个系统处于拮抗期阶段，即两个系统相互抑制；当05C11 08时，表示两个系统进入磨合期阶段；当08凹1时，表示两系统进入高水平耦合阶段【1引。a仍存在一定的局限性，比如若F，iR=02，则两大系统的a大于Fl=07，疋=08时的情况，结果显然失真，为解决这一问题，设置耦合协调度指标D：刃=(四，)8 (5)在式(5)中，D为耦合协调度，表示煤炭开采与水资源利用保护的整体“功效”与“协同”效应，其中T=aFl(f，x)+bF2(t，y)指区域煤炭开采与水资源利用保护的综合评价指数，反映两者的整体效益或水平；a、b为待定参数。耦合协调度D的评价标准见表2。经过上述公式(1)(5)的建模过程
17、，煤炭开采与水资源利用保护两大系统的耦合度模型构建完毕，对所构造模型进行求解：首先，待定系数a和b的取值取决于区域煤炭开采综157万方数据生态经济第32卷第2期(2016年2月) Ecological Economy，V0132，No2(February 2016)表2耦合协调度评价标准耦合协调 0009 01O19 O2O29 O3O39 04049度D协调等级 极度失调 严重失调 中度失调 轻度失调 濒临失调耦合协调 O5O59 06069 O7079 080_89 O9099度D协调等级 勉强协调 初级协调 中级协调 良好协调 优质协调合指数和水资源利用保护综合指数的相对重要程度，本文假
18、设a=045，b=055，并且参照吴玉鸣和柏玲、生延超和钟志平的做法【1214】，令a=05。在此基础上，下一步的关键为求解煤炭开采系统指标值E和水资源利用保护系统值F2。蜀和尼的求解过程需要借助于两大系统的耦合指标体系。对构建的指标体系用SD决策分析测度出每一项指标的权重，将所有原始数据标准化后乘以各自对应的权重，再将两大系统中所有的指标值相加，得出两组量化数据，就是E和R，将结果代入到公式(4)和公式(5)中，即可得出耦合协调度结果。22指标体系构建为了测度煤炭开采与水资源利用保护的耦合协调度，本文在理论分析基础上，经过专家咨询，构建了煤炭开采和水资源利用保护的指标体系，详细见表3。其中，
19、部分指标的选择借鉴了王晓宇和许海霞等学者的研究成果“516。表3煤炭开采与水资源利用保护耦合指标体系目标 准则层 指标层 权重层煤炭产量01600 原煤产量10000 01600原煤入洗率02400 01296煤炭 煤炭资源利用率 煤炭综合采储比01000 005400。5400 煤炭综合回采率01700 00918开采 煤矸石综合利用率0460002484煤炭行业投资及收 煤炭采选业投资06700 O2010益03000 主营业务收入(总产值)03300 00990因采煤排放的废水总量O5400 03618水资 水污染指标06700 COD浓度03000 O_2010源利 氨氮浓度O1600
20、 01072用与 矿井水综合回用率02900 00957保护 水污染治理指标 污染水达标排放率05700 O188103300水污染治理投入01400 00462如表3所示，本文构建的指标体系包括两个目标层：煤炭开采和水资源利用与保护，煤炭产量、煤炭利用率、煤炭行业投资及收益、水污染指标、水污染治理指标五个准则层指标类型，另外还包括原煤产量等13项指标层指标。这些指标个数虽然不多，但相互之间具有严密的逻辑关系，又足够衡量两大系统。采用SD超级决策分析确定各指标权重。第一个目标层煤炭开采系统下分三个准则层和七个指标层，第二个目标层水资源利用与保护系统下分两个准则层和六个指标层，经两两对比分析均得
21、出了各自权重，且都通过了一致性检验。23数据来源本文数据主要来自2013年度10省份统计年鉴、10省份环保部门网站统计资料、(2013年中国能源统计年鉴以及部分煤矿的统计数据。3煤炭开采与水资源利用保护的耦合关系实证分析采用偏大和偏小型的极差标准化方法将所有指标数据进行处理，以消除量纲，进而得到煤炭开采和水资源利用保护两大系统的评分值。将计算出的评分值代入耦合模型，得出两大系统的耦合度与耦合协调度。计算结果如表4所示。表4煤炭开采与水资源科用保护韵耦合度煤炭开采系统 水资源利用保护地区 耦合度 耦合度类型评分 系统评分山西 05294 03855 04938 拮抗期陕西 05753 03883
22、 04905 拮抗期内蒙古 05582 04404 04965 拮抗期河南 01408 05545 04018 拮抗期山东 04316 08568 04720 拮抗期河北 04322 06678 04884 拮抗期四J11 04704 07529 04865 拮抗期新疆 02245 05067 04613 拮抗期贵州 02612 09369 04129 拮抗期广西 03420 O8140 04564 拮抗期由表4可以明显看出，10个省份在耦合类型上均处于“拮抗期”。不过，处于同一种耦合度类型的山西和广西两省，其水资源利用与保护的系统评分值相差却很大，因此单纯以耦合度作为衡量指标并不能准确反映出
23、一个地区两大系统的真实关系，有必要在此基础上进一步测算耦合协调度。根据公式(5)，10省煤炭开采与水资源利用保护两大系统之间的耦合协调度计算结果如图l。图1 10省耦合协调度分布图从耦合协调度的结果来看，10省份的耦合协调度整体偏低，这说明我国的煤炭资源丰裕省份在煤炭开采的同时并未特别重视水资源的利用保护问题，导致了二者之间的协调度较差。10省份的耦合协调度可分为三类：轻度失调、濒临失调和勉强协调。其中，轻度失调的省份为河南一省，濒临失调的省份有山西、陕西、内蒙古和新疆四省，勉强协调的省份有山东、河北、四川、贵州和广西五省。从程度上来说，北部地区较为严重，南部地区较为轻微，因此，耦合协调度在空
24、间分布上呈现出一种北重南轻的“倒三角”结构，北部省份耦合协调度在o405之间分布，南部省份耦合协调度在0506之间分布，具体如图2所示。158 万方数据生态经济第32卷第2期(2016t112月) Ecological Economy，V0132，No2(February 2016)图2 1 0省份耦合协调度空间分异煤炭资源丰裕省份耦合协调度类型的“倒三角”型空间分布结构是由它们各自的地理位置、自然条件和经济基础等因素综合作用的结果。山西、陕西、内蒙古、新疆等北部省份处于干旱和半干旱的内陆地区，水资源本身就相对匮乏，而这四个省份煤炭产量位列全国前四，采掘业的用水特殊性也决定了煤炭开采过程会消耗
25、大量水资源。另外，四省经济整体上都欠发达，水资源优化利用技术水平落后。以上因素叠加致使四省两大系统的耦合协调度偏差。河南省煤炭产量较高，水资源相对丰富，但是耦合协调度最低，原因在于河南省煤炭产业投资小、收益低、排污量大，且循环利用和清洁处理能力都难以与其他几省相比，直接导致该省的煤炭开采与水资源利用保护形成一种轻度失调的耦合状态。河北、山东为东部沿海经济较为发达的地区，进行清洁环保技术研发与应用的时间较早，煤矸石等回收利用较西部地区高，因采煤排放的废水相对较少，因此耦合协调度高于西北内陆省份。西南部的四川、贵州、广西三省水资源相对西北内陆来说较为宽裕，且这些省份在煤炭开采行业进行的投资力度很大
26、，水系统的自净和恢复能力较强，因此其耦合协调度也相对较好。4结论与政策启示41研究结论本文以全国10个煤炭资源丰裕省份为研究对象，构建了较为煤炭开采与水资源利用保护两大系统的耦合模型，通过设立煤炭开采与水资源利用保护相互影响作用的评价指标体系，并应用SD超级决策辅助确定权重，经过数据搜集整理带入模型，最终得出了两大系统之间的耦合度与耦合协调度，在省域范围内定量双向分析了煤炭开采与水资源利用保护的耦合关系。研究结果表明：我国10个煤炭资源丰裕省份煤炭开采与水资源利用保护的耦合协调度整体偏低：耦合协调度类型在空间分布上呈现出一种北重南轻的“倒三角”结构，北部省份耦合协调度在0405之间分布，南部省
27、份耦合协调度在0506之间分布；某些水资源较为丰富的省份在煤炭资源开采时出现煤炭产量较高但耦合协调度很低的现象。42政策启示为了缓解煤炭开采与水资源利用保护的低水平耦合现状，有必要借助科技进步、结构调整、制度改革等助推两大系统向良好、优质协调的方向发展。一是针对北方缺水地区的低耦合状态，可以考虑从优化水资源配置、调整煤炭产业结构方面着手改革，最大化的利用水资源，将其对煤炭开采的约束降到最低。根据水资源分布情况，匹配相应的煤炭产业结构布局，以此来有效提高水资源承载能力，即从改善水环境的角度着眼做好煤炭开采的合理布局与总量控制，实现采煤、用水的“两位一体”。以水定产，以水定量，加快煤炭产业结构调整
28、。另外，要改革水价体制，建立一整套能够反映市场优化配置的分质定价、超量加价、排污处罚的价格体系，使得煤炭行业的开采与水资源管理效益最大化；确定出合理的煤炭开采新政策，政策内容包括开采量、开采区域等因素，使煤炭开采活动进行的同时不触及水资源系统的自净阂值，不扰乱水资源系统自身调控状态，使水资源能够更好的为煤炭开采服务。二是针对出现水资源丰富、煤炭开采量大但耦合协调度极其低下状态的省份，政府要适当加大投资，加快节水环保的技术革新。煤炭开采节水重点是水资源的循环利用，包括坑口水回收再利用等，加大技术研发投入，运用新的技术、设备，确保水资源循环再利用，保证不同品质的煤矿配套相应规模的煤炭洗选设备，提高
29、水资源利用率，这样既能够减少煤炭开采对地下水的污染，又能有效防止地下水环境进一步恶化，同时还能增加采煤活动中的供水量，以此用最小的水资源消耗产出最大的煤炭产量。另外，由于这些省份采煤活动引起的水资源污染比较严重，因此治污成为一个重点解决的问题，可以成立第三方环境监督及治理平台，由污染者付费，第三方治理，有效解决煤炭开采企业自行处理的高成本困扰，做到服务与管理的双赢。同参考文献：1曹雅，汲奕君，朱坦，等环渤海地区非常规水资源利用现状及保障对策阴生态经济，2013(4)：1741772Howladar M FCoal mining impacts on water environs aroundt
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31、)：675-6914常建忠煤炭开采与水资源利用的利益协调机制研究J】_经济(下转164页)159万方数据生态经济第32卷第2期(2016E2月) Ecological Economy，V0132，No2(February 20 1 6)2000年增加且增加量较大，使碳排放没有减少；燃烧类能源相对2000年全部增加，使氧消耗量大幅增加。排碳耗氧量与不同地区的功能有关系。(3)从年碳氧收支状况来看，2010年碳氧失衡较2000年严重，2010年较2000年碳差值相差将近2倍，氧差值相差将近5倍；分区来看，区域总量失衡与单位面积失衡状况不完全一致，城市拓展区与涵养区失衡状况在总量与单位面积上相一致，
32、且仅涵养区排放的二氧化碳能够被全部吸收，氧气能够满足消耗；城市中心区与发展区碳氧失衡状况在总量和单位面积上不一致，总量上，城市发展区失衡较城市中心区严重；从单位面积看城市中心区较城市发展区较严重。囝参考文献：1张颖，王群，李边疆，等应用碳氧平衡法测算生态用地需求量实证研究J中国土地科学，2007(6)：23282林刚，肖劲松，杜鹏飞，等碳氧平衡理论在生态城市规划中的应用以贵阳市为例J动感：生态城市与绿色建筑，2010(4)：634663陈燕飞，胡海波城市总体规划中的碳氧平衡分析J城市规划，2010：S1：1361404】马巾英，尹锴，吝涛城市复合生态系统碳氧平衡分析以沿海城市厦门为例【J环境科
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