国有煤炭企业与环境共生系统动力学模型

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【摘要】：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。矸石和粉煤灰的堆积总量遵从系统动力学的状态方程。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。

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。