国有煤炭企业与环境共生系统动力学模型

三、国有煤炭企业与环境共生系统动力学模型

国有煤炭企业生产造成的环境污染主要包括固体废物、水污染以及大气污染三部分（孙玉峰，2006）。本书依据系统动力学的建模原理以及矿区环境自身所具有的特性，确定了国有煤炭企业生产环境污染与治理模块各元素的因果关系，如图5-1所示（李堂军，2000）。在此基础上，又分别建立了固体废物、水以及大气的污染及治理模块。从图5-1可以看出，模型主要的负反馈回路有:

总投资↑→原煤产量↑→原煤综合利用率↑→矸石总量↓→环境质量↑→环境投资↓→总投资↓

总投资↑→原煤产量↑→原煤综合利用率↑→矿井水排放量↓→环境质量↑→环境投资↓→总投资↓

总投资↑→原煤产量↑→原煤综合利用率↑→塌陷面积↓→环境质量↑→环境投资↓→总投资↓

总投资↑→总产值↑→能源燃烧总量↑→总人口↑→环境质量↓→环境投资↑→总投资↓

矸石总量↑→环境质量↓→环境投资↑→矸石利用率↑→矸石总量↓

图5-1　共生系统因果关系图

矿井水排放量↑→环境质量→↓环境投资→↑矿井水处理率↑→矿井水排放量↓

塌陷面积↑→环境质量↓→环境投资↑→土地复垦率↑→塌陷面积↓

粉煤灰总量↑→环境质量↓→环境投资↑→粉煤灰利用率↑→粉煤灰总量↓

生活废水排放量↑→环境质量↓→环境投资↑→生活废水处理率↑→生活废水排放量↓

废气排放量↑→环境质量↓→环境投资↑→大气污染治理率↑→废气排放量↓

1.固体废物污染及治理模块

矿区固体废物主要包括矸石、粉煤灰、其他固体废物以及生活垃圾等，其中矸石和粉煤灰占矿区固体废物的绝大部分。所以，对固体废物污染的治理亦重点集中在这两种固体废物的综合利用上。依据系统动力学的建模原理，结合上述分析，把矸石量、粉煤灰量、其他固体废物量和生活垃圾量确定为模型的状态变量，再确定相应的速率变量、辅助变量以及有关的参数，建立各要素的相互关系，即可确定本模块的结构关系（JIA Renan，1991）。本模块的结构关系如图5-2所示。

图5-2　固体废物污染及治理模块结构图

从图5-2可以看出，矿区固体废物污染为矸石、粉煤灰、其他固体废物及生活垃圾之和。矸石和粉煤灰的堆积总量遵从系统动力学的状态方程。

构造SD方程的变量集:

矸石总量（GSZL）、初始矸石总量（CSGSZL）、矸石产生量（GSCSL）、矸石利用量（GSLYL）、原煤产量（YMCL）、矸石产生量因子（GSCSLYZ）、矸石利用率（GSLYLU）、矸石利用投资（GSLYTZ）、固体废物处理投资（GTFWCLTZ）、矸石利用投资比例（GSLYTZBL）。

主要方程如下:

NOTE

NOTE矸石产生与利用

NOTE

L　GSZL.K = CSGSZL.J＋DT*（GSCSL.JK － GSLYL.JK）

R　GSCSL.KL = YMCL.K*GSCSLYZ

R　GSLYL.KL = GSCSL.K*GSLYLU

A　GSLYTZ.K＝GTFWCLTZ.K*GSLYTZBL

粉煤灰的SD方程与矸石类似。其他固体废物和生活垃圾的堆存量按实际发生量计算。

2.水污染及治理模块

矿区水污染主要包括矿井水、生活废水、洗煤水以及焦化废水污染等，其中矿井水和生活废水占矿区水污染的绝大部分。因此，对水污染的治理应重点集中在这两种废水上。建模时，把矿井水、生活废水、洗煤水和焦化水确定为模型的状态变量，在此基础上，确定相应的速率变量、辅助变量以及有关的参数，即可确定出水污染模块的结构关系，如图5-3所示。从图5-3中可以看出，矿区水污染为矿井水、生活废水、洗煤水及焦化废水之和。水污染的治理途径主要是减少排放和增加废水的利用率，实现废水的综合利用。本模块的SD方程与固体废物模块类似，这里不再赘述。

构建SD方程的变量集:

矿井水总量（KJSZL）、初始矿井水总量（CSKJSZL）、矿井水排放量（KJSPFL）、矿井水处理量（KJSCLL）、原煤产量（YMCL）、矿井水产生系数（KJSCSXS）、矿井水处理率（KJSCLL）。

图5-3　水污染及治理模块结构图

主要方程如下:

NOTE

NOTE水污染

NOTE

L　KJSZL.K = CSKJSZL.J + DT*（KJSPFL.JK - KJSCLL.JK）

R　KJSPFL.KL = YMCL.K* KJSCSXS

R　KJSCLL.KL = KJSPFL.K* KJSCLL

生活废水的SD方程与矿井水类似，这里不再赘述。

3.大气污染及治理模块

矿区废气污染属于煤烟型污染，其主要污染物是工业锅炉、窖炉和民用燃煤产生的烟尘和矿井排风、燃煤所产生的瓦斯、CO₂、SO₂、NO₂等有毒气体。本模块的结构关系如图5-4所示（丁凡、王艳，1998）。从图中可以看出，废气的治理途径主要是增加投资，改善燃煤锅炉，减少烟尘和有毒气体的排放量，改造矿井排风系统，回收瓦斯等有毒气体，变废为宝，实现资源的再利用。

图5-4　大气污染及治理模块结构图

构造SD方程的变量集:

大气污染（DQWR）、初始大气污染（CSDQWR）、大气污染产生（DQWRCS）、大气污染治理（DQWRZL）、大气污染消散（DQWRXS）

主要方程如下:

NOTE

NOTE大气污染

NOTE

L　DQWR.K = CSDQWR.J + DT* ［DQWRCS.JK -（DQWRZL.JK＋DQWRXS.JK）］

R　DQWRCS.KL = FQPFL.K*YCPFL.K

R　DQWRXS.KL = DQWR.K*DQWRXSSJ

R　DQWRZL.KL = DQWRCS.K*DQWRZLL

A　YCPFL.K = NYRSZL.K*KCMHF

另外，在矿产资源的开发过程中会不可避免地造成地表变形和塌陷，这对矿区环境会产生较大的影响。因此，在建立国有煤炭企业共生环境评价模型时，必须充分考虑矿区地表变形和塌陷及治理问题，建立塌陷区复垦及治理模块。