劉 健,卜 炎,姜子玉,劉虹利
(1.中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司,北京 100083; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,湖北 武漢 430074; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北 武漢 430074)
資源短缺和環(huán)境污染問題困擾著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。十九大報告中明確指出要加快生態(tài)文明體制改革、推進(jìn)綠色發(fā)展、建設(shè)美麗中國的戰(zhàn)略部署,發(fā)展清潔低碳能源已成為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑[1]。地?zé)崮芤蚱渚G色、環(huán)保、可再生的特性,有望成為未來主要清潔能源之一,且在建設(shè)“美麗中國”和生態(tài)文明、保障我國能源安全中將發(fā)揮重要作用。雖然中國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)還處在起步階段,資源開發(fā)利用程度低[2],但是,“十二五”期間,中國地質(zhì)調(diào)查局完成了336個地級以上城市淺層地溫能調(diào)查,31個省(區(qū)、市)地下熱水資源調(diào)查,基本查明了我國地?zé)豳Y源賦存條件、分布特征與開發(fā)利用現(xiàn)狀,結(jié)果顯示,中國地?zé)豳Y源豐富、分布廣,發(fā)展前景廣闊,開發(fā)利用潛力巨大[3]。然而在開發(fā)利用地?zé)崮苤埃柰ㄟ^適當(dāng)?shù)姆椒?,結(jié)合地?zé)豳Y源條件、地質(zhì)環(huán)境條件等諸多因素,開展地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價工作。
目前,已經(jīng)有學(xué)者對地?zé)豳Y源選區(qū)問題展開研究。尚宇寧等[4]從地?zé)豳Y源條件和地?zé)豳Y源量角度出發(fā),綜合選取主要熱儲層埋深、熱儲層厚度、地?zé)峋克俊⒌責(zé)豳Y源量和地?zé)崴疁囟鹊?個因子,采用綜合指數(shù)評判方法,進(jìn)行地?zé)豳Y源區(qū)劃;孔維臻等[5]以地下水源熱泵為例,從地下水富水性、動力場條件、滲透條件、水質(zhì)水溫和地質(zhì)環(huán)境條件五個方面,通過模糊AHP分析法研究了淺層地溫能的適宜性分區(qū);趙洋等[6]從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā),從資源條件、開發(fā)利用效率、管理水平三個維度,通過層次分析法建立了開發(fā)利用評價模型;鮑新華等[7]從熱源、資源量、導(dǎo)熱、聚熱、地震活動五個方面考慮,根據(jù)打分法和層次分析法將增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)分成適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜和不適宜五個等級。
綜上來看,目前國內(nèi)學(xué)者對地?zé)豳Y源選區(qū)評價的研究成果較少,且存在以下不足之處。①研究視角主要集中在地?zé)豳Y源和地質(zhì)條件等方面。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)的時代背景下,加之國家相關(guān)部門出臺《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》《關(guān)于北方地區(qū)清潔供暖價格政策的意見》等一系列政策方針[8],地?zé)豳Y源開發(fā)既要考慮經(jīng)濟(jì)效益問題也要考慮環(huán)境保護(hù)問題還要考慮政策問題;另外,在地?zé)犴?xiàng)目開采及運(yùn)營過程中還需要考慮現(xiàn)有的技術(shù)水平及所屬部門的管理體制問題。因此在研究地?zé)豳Y源選區(qū)問題上應(yīng)該進(jìn)一步納入經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響、政策風(fēng)險、技術(shù)水平和管理體制等因素。②目前國內(nèi)文獻(xiàn)關(guān)于地?zé)豳Y源選區(qū)評價的研究多采用模糊綜合評價法和層次分析法等。模糊綜合評價方法雖然能將模糊的評價資料轉(zhuǎn)化為量化數(shù)據(jù),但是當(dāng)評價資料和評價指標(biāo)過多時則會出現(xiàn)計算復(fù)雜和超模糊的情況,導(dǎo)致評價結(jié)果較差。層次分析法雖然簡單實(shí)用,但主觀成分較大,當(dāng)評價指標(biāo)過多時,評價矩陣過于復(fù)雜,指標(biāo)權(quán)重難以確定。鑒于此,本文提出了灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法,TOPSIS優(yōu)選法可以展現(xiàn)備選方案與理想方案之間的整體相似度。灰色關(guān)聯(lián)度法還可以展現(xiàn)備選方案內(nèi)部影響因素的變化趨勢與理想方案之間區(qū)別[9],將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,從整體相似度和內(nèi)部的差異來評價各方案的優(yōu)劣更具科學(xué)性。
依據(jù)我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀,結(jié)合地?zé)豳Y源開發(fā)項(xiàng)目的典型特征,本文從地?zé)豳Y源優(yōu)勢、地質(zhì)條件、環(huán)境影響、技術(shù)水平、政策風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)效益、管理體制7個維度構(gòu)建地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價指標(biāo)體系。具體指標(biāo)如圖1所示。
1) 資源優(yōu)勢。從地?zé)豳Y源總量、地?zé)豳Y源可開采量、地溫梯度、地?zé)峋克康人膫€方面進(jìn)行評估。地?zé)豳Y源總量反應(yīng)所在地區(qū)地?zé)豳Y源豐富程度,地?zé)豳Y源可開采量是指單位面積上的可利用地?zé)豳Y源量,地溫梯度和地?zé)峋畣挝挥克繘Q定了所在地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用方式。
2) 地質(zhì)條件。根據(jù)地?zé)豳Y源形成地質(zhì)背景、控制其分布的主要地質(zhì)條件和熱水賦存運(yùn)移條件,地?zé)豳Y源可以劃分為隆起山地對流型和沉積盆地傳導(dǎo)型。在實(shí)際地?zé)豳Y源選區(qū)評價中,地質(zhì)條件評價層面上從主要熱儲層埋深、熱儲層厚度、地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害等四個方面進(jìn)行評估,反應(yīng)出不同地區(qū)地?zé)豳Y源開采深度和開采難度。
圖1 地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for geothermal resource development constituency
3) 環(huán)境影響。從節(jié)能減排效果、水污染和其他污染等三個方面來評估??紤]節(jié)能減排效果,主要是由于不同地區(qū)現(xiàn)階段能源結(jié)構(gòu)及環(huán)境狀況不同,由于地?zé)崮艿牡吞?、清潔、環(huán)保將會促進(jìn)地區(qū)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境改善。考慮水污染和其他污染,主要是由于地?zé)豳Y源開發(fā)利用過程中地下深處成分復(fù)雜物質(zhì)被帶到地表及對地質(zhì)環(huán)境的改變會對地表環(huán)境及地下環(huán)境造成嚴(yán)重危害,可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題,主要包括對地下水、地表水、生態(tài)、土壤、大氣以及聲環(huán)境等的影響[10]。不同地區(qū)、不同地?zé)崮茴愋偷拈_發(fā)利用方式不同,對環(huán)境的影響亦不同。
4) 政策風(fēng)險。從產(chǎn)業(yè)政策、區(qū)域政策、國家財稅政策和投融資體制等四個方面進(jìn)行評估。以供暖為例,現(xiàn)階段各地供暖主要還是煤炭和天然氣,從不同地區(qū)供暖規(guī)模和供暖設(shè)施狀況等方面考慮,不同地區(qū)地?zé)峁┡恼叻龀殖潭缺厝徊煌?,這就導(dǎo)致地?zé)岙a(chǎn)業(yè)在不同地區(qū)面臨的政策風(fēng)險具有差異。2018年1月8日,國家發(fā)展和改革委等相關(guān)部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用促進(jìn)北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》,明確規(guī)定要完善相關(guān)的政策支持[11],隨著地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展,各地政府也將會征收相應(yīng)的稅費(fèi)[12],加之各地區(qū)對地?zé)崮艿慕邮艹潭炔煌?,各地區(qū)市場投資體制的差異,使得在地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)過程中,應(yīng)充分考慮區(qū)域政策風(fēng)險。
5) 經(jīng)濟(jì)效益。從項(xiàng)目建設(shè)成本、年運(yùn)行費(fèi)用、內(nèi)部收益率、投資回收期和政策補(bǔ)貼等五個方面進(jìn)行評估。項(xiàng)目建設(shè)成本反應(yīng)出地?zé)犴?xiàng)目開發(fā)到建成投產(chǎn)前需投入資金的數(shù)量,年運(yùn)行費(fèi)即項(xiàng)目建成投產(chǎn)后每年需要投入的固定資金和流動資金數(shù)量,這兩項(xiàng)指標(biāo)體現(xiàn)了地?zé)犴?xiàng)目的投資風(fēng)險和資金壓力。內(nèi)部收益率和投資回收期反應(yīng)該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益狀態(tài),通常內(nèi)部收益率越大、投資回收期越短,該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益狀態(tài)越好。近年來,由于地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的興起,國家及各地方政府也出臺相應(yīng)的政策補(bǔ)貼。如地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目享受電價補(bǔ)貼,采用合同能源管理的地?zé)犴?xiàng)目可享受稅收優(yōu)惠,地?zé)峁┡评漤?xiàng)目享受民用電價等[8]。部分地方政府也出臺了一些補(bǔ)貼政策,例如北京市出臺了專項(xiàng)的地?zé)崮芗钫撸瑢τ谛陆岜庙?xiàng)目、中深層地?zé)峁┡?xiàng)目、燃煤(油)供暖鍋爐替代項(xiàng)目,分別給予30%、50%、50%的資金支持[8]。
6) 技術(shù)水平。從技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)適宜性、技術(shù)應(yīng)用程度、技術(shù)保護(hù)程度等四個方面進(jìn)行評估。目前國內(nèi)并沒有統(tǒng)一規(guī)范的地?zé)嵘a(chǎn)裝備,主要還是依靠國外的先進(jìn)技術(shù)。無論是硬件設(shè)施還是軟件設(shè)施,均要因地制宜,選擇與開發(fā)方案相匹配的生產(chǎn)技術(shù)。技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)應(yīng)用程度決定了地?zé)犴?xiàng)目在市場的生存能力,技術(shù)適宜性和技術(shù)保護(hù)程度決定了地?zé)犴?xiàng)目能否長期處于穩(wěn)定的市場競爭中?,F(xiàn)在國內(nèi)外的地?zé)衢_發(fā)技術(shù)不成熟,開發(fā)利用模式有待改進(jìn),開發(fā)利用的效率有待提高。
7) 管理體制。從項(xiàng)目建設(shè)管理、運(yùn)營管理、人力資源管理三個方面進(jìn)行評估。地?zé)豳Y源開發(fā)需要高水平的工程團(tuán)隊(duì)來實(shí)施,在開發(fā)層面,如果管理不善,會造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失;地?zé)嶙鳛樾履茉?,市場占比較少,普及范圍較小,需要因地制宜制定運(yùn)營策略來促進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
針對地?zé)犴?xiàng)目選區(qū)評價的指標(biāo)體系及評價的目的,本文采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS模型進(jìn)行評價。首先,組建地?zé)豳Y源選區(qū)評價專家組,該專家組由三類專家構(gòu)成,分別為水文地質(zhì)專家組、地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)專家組、地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)評價專家組,其中水文地質(zhì)專家組主要從資源優(yōu)勢、地質(zhì)條件、環(huán)境影響等因素來評價各地?zé)豳Y源開發(fā)項(xiàng)目{A1,A2,…,An}的優(yōu)劣。地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)專家從技術(shù)水平等因素來評價各備選區(qū)域的優(yōu)劣,主要是因?yàn)椴煌貐^(qū)地質(zhì)條件狀況所選用的技術(shù)設(shè)施會有所不同。地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)評價專家組從政策風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)效益和管理體制等因素來評價各備選區(qū)域的優(yōu)劣。具體地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價技術(shù)路線如圖2所示。
圖2 地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價技術(shù)路線Fig.2 Technical route for geothermal resource development constituency evaluation
TOPSIS法是多目標(biāo)決策分析中常用的決策方法,其基本思想是對歸一化的原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行計算,得出評價方案與正理想解和負(fù)理想解的距離,以最靠近正理想解和遠(yuǎn)離負(fù)理想解為最滿意的方案[13]?;诨疑P(guān)聯(lián)TOPSIS法的地?zé)豳Y源選區(qū)評價步驟如下所述。
1) 確定各評價指標(biāo)的權(quán)重,構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣
第一步:構(gòu)建評價矩陣。假設(shè)對m個樣本進(jìn)行評價,包含n個評價指標(biāo),相對應(yīng)的各指標(biāo)值為rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),其指標(biāo)矩陣R=(rij)m×n見式(1)。
(1)
第二步:評價矩陣規(guī)范化。對n個評價指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理,得到無量綱矩陣X=(xij)m×n,規(guī)范化公式見式(2)。
(2)
第三步:確定指標(biāo)權(quán)重。確定指標(biāo)權(quán)重的方法有很多,分為主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)。主觀賦權(quán)主要包括層次分析法、序關(guān)系分析法、專家調(diào)查法等;客觀賦權(quán)法主要包括熵權(quán)法、拉開檔次法和簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法等。本文采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)熵的定義,計算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值bj見式(3)。
(3)
(4)
式中,aij為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i種方案的比重,第j項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)計算見式(5)。
(5)
指標(biāo)權(quán)重列向量計算見式(6)。
E=(e1,e2,…,en)T
(6)
式中,ei為指標(biāo)權(quán)重。
第四步:評價矩陣加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化。將規(guī)范化后的指標(biāo)矩陣與相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重相乘,求得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣見式(7)。
V=(vij)m×n=(ejxij)m×n
(7)
2) 計算樣本與正理想樣本和負(fù)理想樣本的歐氏距離和灰色關(guān)聯(lián)度
第一步:確定正負(fù)理想解。分別確定每個指標(biāo)集的最大值與最小值,其中正理想解由正向指標(biāo)j+的最大值與負(fù)向指標(biāo)j-的最小值構(gòu)成,負(fù)理想解由正向指標(biāo)的j+最小值與負(fù)向指標(biāo)j-的最大值構(gòu)成,計算見式(8)和式(9)。
(8)
(9)
(10)
(11)
第三步:計算樣本到正負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度。計算第i個樣本與正理想樣本關(guān)于第j個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)見式(12)。
(12)
(13)
第i個樣本與正理想樣本的灰色關(guān)聯(lián)度見式(14)。
(14)
同理可得第i個樣本與負(fù)理想樣本的灰色關(guān)聯(lián)度見式(15)。
(15)
3) 根據(jù)計算相對貼近度,實(shí)現(xiàn)樣本的排序優(yōu)選
第一步:歐式距離和灰色關(guān)聯(lián)度的無量綱化處理見式(16)。
(16)
(17)
(18)
第三步:計算相對貼近度。相對貼近度表示待評價樣本與正理想解或負(fù)理想解在態(tài)勢變化上的接近程度見式(19)。
(19)
式中,ξi為相對貼近度。
第四步:地?zé)豳Y源開發(fā)項(xiàng)目優(yōu)劣排序。根據(jù)式(19)的計算結(jié)果,當(dāng)ξi值越大,表示待選擇的項(xiàng)目越貼近正理想樣本,該項(xiàng)目越優(yōu);反之,ξi值越小,表示待選擇的項(xiàng)目越貼近負(fù)理想樣本,該項(xiàng)目越劣。
本文選取北方某10個待開采的地?zé)犴?xiàng)目作為實(shí)證研究案例,根據(jù)調(diào)研資料,邀請水文地質(zhì)專家、地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)專家、地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)評價專家按照0~1打分法分別從資源優(yōu)勢、地質(zhì)條件、環(huán)境影響、技術(shù)水平、政策風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)效益、管理體制,共計7個方面對10個待開采地?zé)犴?xiàng)目進(jìn)行打分,并根據(jù)式(2)~(6)利用熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果見表1。
表1 地?zé)犴?xiàng)目選區(qū)打分結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重Table 1 Geothermal project selection scores and indicator weights
表1中數(shù)據(jù)根據(jù)式(7)進(jìn)一步計算得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣V。
對加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣V,利用式(8)和式(9)求解其正理想解和負(fù)理想解,計算結(jié)果見表2。
根據(jù)正、負(fù)理想解,分別采用式(10)和式(11)計算樣本到正負(fù)理想解的歐式距離,再根據(jù)式(12)~(15)可分別求出樣本到正、負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度,計算結(jié)果見表3。
首先利用式(16)對表3的計算結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理,再根據(jù)式(17)和式(18)計算樣本與正理想解和負(fù)理想解的接近程度,取μ1=μ2=0.5,最后根據(jù)式(19)計算相對貼近度,計算結(jié)果見表4。最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的優(yōu)劣排序,見表5。
表2 各指標(biāo)正負(fù)理想解Table 2 Positive and negative ideal solutions for each indicator
表3 歐氏距離與灰色關(guān)聯(lián)度Table 3 Euclidean distance and gray correlation
表4 各地?zé)犴?xiàng)目與正負(fù)理想解的接近度Table 4 Proximity of each geothermal project with positive and negative ideal solutions
表5 選區(qū)評價結(jié)果Table 5 Selection results
由表5可知,10個被評價的地區(qū)開發(fā)項(xiàng)目得分從高到低依次是:A8>A1>A2>A10>A6>A7>A5>A4>A9>A3。
越貼近正理想解的樣本是越好的,根據(jù)得分結(jié)果地?zé)犴?xiàng)目A8適合優(yōu)先開發(fā),其次是項(xiàng)目A1和項(xiàng)目A2,項(xiàng)目A3開采風(fēng)險較大。對比項(xiàng)目A8和項(xiàng)目A3不難看出,雖然項(xiàng)目A8地?zé)豳Y源優(yōu)勢一般,但是地質(zhì)條件優(yōu)越,開采難度較小,短期效益較好,而項(xiàng)目A3雖然具有地?zé)豳Y源優(yōu)勢,但是地質(zhì)條件較差,開采難度大,短期內(nèi)效益一般,相比較而言,當(dāng)前項(xiàng)目A8適合優(yōu)先開發(fā)。對比項(xiàng)目A1和項(xiàng)目A9,雖然項(xiàng)目A9的地?zé)豳Y源比項(xiàng)目A1更具優(yōu)勢,但項(xiàng)目A1的經(jīng)濟(jì)效益和政策風(fēng)險明顯優(yōu)于項(xiàng)目A9,從經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度來看,短期內(nèi)項(xiàng)目A1更加適合優(yōu)先開發(fā)。綜上分析,地?zé)豳Y源優(yōu)勢和地質(zhì)條件并不是地?zé)犴?xiàng)目開發(fā)與否的決定因素,綜合考慮地?zé)豳Y源優(yōu)勢、地質(zhì)條件、環(huán)境影響、技術(shù)水平、政策風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)效益和管理體制等因素來決策項(xiàng)目的開發(fā)與否才更加科學(xué)。
1) 本文從地?zé)豳Y源優(yōu)勢、地質(zhì)條件、環(huán)境影響、技術(shù)水平、政策風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)效益和管理體制7個維度出發(fā),構(gòu)建了包含27個指標(biāo)的地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價體系,與現(xiàn)有的地?zé)豳Y源選區(qū)評價體系相比,它更能讓相關(guān)政府單位或企業(yè)從宏觀上認(rèn)識和了解地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)狀況。其次,水文地質(zhì)專家組、地?zé)豳Y源開發(fā)技術(shù)專家組、地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)評價專家組三類專家組的設(shè)定,相對于以往的專家評判更加科學(xué)和具體,可以更好地為相關(guān)政府單位及企業(yè)制定開發(fā)方案時提供科學(xué)參考。
2) 將灰色關(guān)聯(lián)度和TOPSIS法相結(jié)合,構(gòu)建灰色理想值逼近模型,對地?zé)豳Y源開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行評價,從地質(zhì)資源狀況和宏觀經(jīng)濟(jì)管理角度對地?zé)犴?xiàng)目進(jìn)行優(yōu)劣篩選,與現(xiàn)有的評價方法相比,該方法既能評價各方案的總體狀況,又能反映出各方案內(nèi)部影響因素變化趨勢與理想方案之間的區(qū)別,是一種更為有效的選區(qū)評價方法。
3) 地?zé)嶙鳛樾屡d產(chǎn)業(yè),國內(nèi)學(xué)者在研究地?zé)豳Y源選區(qū)時大多都是從資源本身出發(fā)探討選區(qū)問題,而本文則是站在地?zé)豳Y源投資開發(fā)的角度,基于灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法構(gòu)建了地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價指標(biāo)體系,但由于地質(zhì)背景復(fù)雜,新能源發(fā)展還處于起步階段,目前可借鑒的地?zé)豳Y料和指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取存在困難,地?zé)豳Y源開發(fā)選區(qū)評價的指標(biāo)體系仍需進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。