王 瑾，劉 建，畢如田，張凱媛，劉慧芳，田曉紅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

煤炭是我國的主要能源，也是山西經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，然而，采煤造成的水土資源損毀以及衍生的資源環(huán)境問題尤為突出，它的影響涉及到了社會、經(jīng)濟、生態(tài)等方方面面[1]。煤炭開采破壞了原有的地形、地貌以及水文條件，引發(fā)了生態(tài)環(huán)境與社會條件的失衡[2]。煤炭開采不僅使得礦區(qū)水土資源的時空匹配遭受影響，水土資源的持續(xù)利用能力受到約束，同時制約著煤炭資源的開發(fā)與區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。因此迫切要求在煤礦區(qū)協(xié)調(diào)煤炭、水、土地資源，建立煤礦區(qū)水土資源優(yōu)化配置模式與方法，以充分保護和挖掘煤礦區(qū)煤炭、水、土地資源的開發(fā)和產(chǎn)出潛力。在礦產(chǎn)資源和水土資源并存區(qū)，如何做到在進行煤炭資源開采時，保護水土資源在國內(nèi)外都已有研究[3-4]。

通過分析開采煤炭引發(fā)的問題，找出最優(yōu)開采規(guī)模一直是國內(nèi)外都在關(guān)注的熱點。ANNE和 AUDE[5]分析了技術(shù)不確定性對最優(yōu)開采速度的影響，得出如果消費者的瞬時替代彈性小于1，則技術(shù)不確定性延緩了煤炭資源的開采速度;當替代彈性大于1時，情況則正好相反。WAQAR和DIMITRAKOPOULOS[6]通過對煤礦開采作業(yè)的分析，探討了礦產(chǎn)資源在不確定性供應(yīng)和長期儲存條件下的最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模，指出生產(chǎn)能力優(yōu)化模型應(yīng)注重資源邊界品位理論與生產(chǎn)能力之間的聯(lián)系，在多個級別品位資源曲線的認識基礎(chǔ)上構(gòu)建了礦山的最優(yōu)生產(chǎn)能力模型。李靜[7]運用經(jīng)濟學(xué)采礦學(xué)動態(tài)最優(yōu)化等理論，對儲量價格技術(shù)環(huán)境約束及政策等不確定條件下我國煤炭資源的最優(yōu)開采規(guī)模進行了研究，針對我國煤炭資源開采的實際情況，提出了煤炭資源實現(xiàn)最優(yōu)開采的政策及建議;姜杰[8]打破了以往研究忽略煤礦生產(chǎn)主要影響因素的動態(tài)不確定性及煤礦開采所造成的外部性等缺陷的研究局限，利用動態(tài)最優(yōu)化理論和方法對我國煤礦跨期最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模進行了研究;翟燕妮[9]為了使煤炭資源能夠得到更好的保護利用,通過分析煤炭工業(yè)進出壁壘狀況、煤炭資源開采利用的正負效應(yīng)、以及煤炭資源流通過程中存在的問題，對煤炭資源開采規(guī)模影響因素如價格、開采率、成本、技術(shù)等及相互關(guān)系進行系統(tǒng)分析，引入煤炭資源開采引起的生態(tài)環(huán)境約束條件，建立煤炭資源開采規(guī)模的線性規(guī)劃模型。

總之，關(guān)于煤礦的研究多側(cè)重于研究煤礦的最大經(jīng)濟效益，忽略了資源等同于經(jīng)濟發(fā)展的重要地位。筆者以長河流域為研究區(qū)，介紹研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源，分析煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)的運行過程并構(gòu)建因果關(guān)系圖，然后建立煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)的流圖與變量方程，并進行模型驗證，最后定義長河流域未來發(fā)展可能的幾種主要情景，用SD模型模擬不同煤炭開采規(guī)模情景下的水土資源利用結(jié)構(gòu)，并根據(jù)模擬過程闡述實現(xiàn)這些水土利用結(jié)構(gòu)的路徑，找出煤炭-資源經(jīng)濟效益雙效最優(yōu)的煤炭開采模式，為長河流域煤炭開采規(guī)模的調(diào)控提供借鑒。

1 長河流域現(xiàn)狀分析

長河流域的面積是113.16 km2，在豐富的礦產(chǎn)資源中，煤炭資源探明儲量占到澤州縣的3/4。因此，長河流域存在著很大的經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿?。?0世紀80年代以來，長河流域內(nèi)的采礦等能源重化工企業(yè)大量興起，從2009年開始，山西省扎實推進煤炭資源整合和煤礦企業(yè)兼并重組，該地區(qū)統(tǒng)計整合煤礦企業(yè)達到了11個，采礦業(yè)大約占到第2產(chǎn)業(yè)的30%(數(shù)據(jù)來源于澤州統(tǒng)計年鑒)，礦業(yè)的快速發(fā)展帶動了該區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。目前，該地區(qū)正處于快速進入工業(yè)化和城市化的階段，資本的形成和積累對經(jīng)濟的增長具有非常重要的影響。然而，長河流域受煤炭開采的影響較大，煤礦開采給該區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來了很大的損害。土地塌陷、地下水位下降、糧食減產(chǎn)、房屋裂縫等問題已經(jīng)嚴重影響到了當?shù)厝嗣竦慕?jīng)濟發(fā)展與生活。長河流域的土地資源問題突出，農(nóng)田人均占有量少，根據(jù)澤州統(tǒng)計年鑒顯示，長河流域在2014年的人均耕地大約只有120 m2。而煤炭的開采對土地造成了破壞，加劇了該地區(qū)土地資源的緊張局面。并且，保證糧食產(chǎn)量，就離不開水的灌溉，長河流域水資源不僅總量較少，且時空分布不均。人均水資源擁有量僅為世界人均擁有量的3.6%，全國人均量的14.4%，山西人均量的81.3%，該區(qū)屬于嚴重缺水地區(qū)，而且在開采資源的過程中，那些礦石、廢渣等有毒成分污染水資源，如今地表水利用率低，淺、中層地下水資源已遭破壞、用水浪費現(xiàn)象嚴重、水資源破壞嚴重等問題始終存在，而農(nóng)業(yè)用水占比較大，大約占到全部用水量的50%，生活用水占約23%，工業(yè)用水占約20%(數(shù)據(jù)來源于澤州統(tǒng)計年鑒)，水資源的破壞，對農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)發(fā)展都造成了一定程度的影響。

從2007年山西省人民政府印發(fā)的《山西省煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策措施試點工作總體實施方案》的說明強調(diào)充分發(fā)揮山西省的煤炭資源優(yōu)勢，發(fā)展煤炭生產(chǎn)必須堅持開發(fā)與保護并重，實行合理開發(fā)，綜合利用，在提高社會經(jīng)濟效益的同時必須防治環(huán)境污染，保護自然資源，維持生態(tài)平衡，可以看出國家對于“山西煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策措施試點”的大力支持。因此，最優(yōu)開采模式的研究對促進該地區(qū)的煤炭和水土資源的協(xié)同利用就尤為重要。

2 長河流域“煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟”仿真系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)因果關(guān)系圖

煤炭開采規(guī)模、水資源、土地資源、系統(tǒng)經(jīng)濟4個子系統(tǒng)基本涵蓋了礦區(qū)發(fā)展工作涉及的主要方面，在相互耦合作用力下，共同構(gòu)成礦區(qū)煤炭開采規(guī)模與水土資源協(xié)調(diào)發(fā)展的仿真系統(tǒng)(圖1)。在煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)因果關(guān)系圖中，煤炭開采量的增加，會帶來水資源損毀量的增加，繼而造成水資源不足和產(chǎn)生較多的廢水污染土地，因此，一方面通過提高生態(tài)環(huán)境治理投資，治理廢水改善水資源環(huán)境，構(gòu)成一個正因果回路;另一方面，減小煤炭開采量，減少水資源消耗，保證水資源環(huán)境的健康發(fā)展，構(gòu)成一個負因果回路。又因為該地區(qū)煤炭資源豐富，是目前該地區(qū)的主要發(fā)展產(chǎn)業(yè)，因此，煤炭開采量加大，可以很大程度上提高該地區(qū)的國民產(chǎn)值的增長速度，經(jīng)濟的進步使得采煤技術(shù)提高，更好的服務(wù)于煤炭產(chǎn)業(yè)，構(gòu)成一個正因果回路[10]。

圖1 煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)的因果關(guān)系Fig.1 Causal relationship diagram of coal mining scale-water and soil resources economic system

2.2 模型建立數(shù)據(jù)來源

研究中數(shù)據(jù)的主要來源有歷年山西省晉城市澤州縣統(tǒng)計年鑒、水資源規(guī)劃、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、水資源公報、耕地資源公報、環(huán)境狀況公報、水土保持概況以及澤州縣相關(guān)的規(guī)劃資料等。系統(tǒng)分析的時間為2011—2030年，以2011年為基期年，系統(tǒng)仿真模擬了2011—2016年數(shù)據(jù)，仿真步長為1 a，模型最終預(yù)測時間為2030年。其他參數(shù)及變量邏輯關(guān)系的確定，有3種情況:① 借鑒其他學(xué)者前期的測定和研究;② 根據(jù)指標的定義進行計算;③ 建立相應(yīng)計量經(jīng)濟學(xué)模型[11-13]。

2.3 系統(tǒng)關(guān)系流圖

模型要研究的煤炭最優(yōu)開采模式是一個多層次的復(fù)雜問題，煤炭的開采規(guī)模受到耕地面積、社會經(jīng)濟、水資源量、政策制度等多方面因素的約束，當我們有了這些資源約束系數(shù)，就可以建立起相應(yīng)的動態(tài)模型。

根據(jù)煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)因果關(guān)系圖用vensim 軟件得到系統(tǒng)各變量之間的流圖，如圖2所示:模型選擇了69個參數(shù)變量，其中有耕地面積、耕地損毀面積、總?cè)丝凇⒚禾靠偭?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資、固定資產(chǎn)投資、生態(tài)環(huán)境投資、總需水量以及總供水量9個變量設(shè)為狀態(tài)變量。10個速率變量，26個常數(shù)量，25個輔助變量。在模型中耕地面積與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資、煤炭開采量有關(guān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資與國民產(chǎn)值有關(guān)，國民產(chǎn)值與煤炭開采量有關(guān);水資源量與生態(tài)環(huán)境投資、煤炭開采量有關(guān)，生態(tài)環(huán)境投資量與國民產(chǎn)值有關(guān)，國民產(chǎn)值與煤炭開采量有關(guān);煤炭開采量直接影響著國民生產(chǎn)總值;煤炭開采量與固定資產(chǎn)投資、水資源供需差、耕地面積供需差有關(guān)。如前所述，通過模型找出最優(yōu)開采規(guī)模，關(guān)系到該地區(qū)煤炭資源、水資源和土地資源能否得到高效利用。

2.4 系統(tǒng)動力學(xué)方程

為了驗證構(gòu)建模型的有效性并進行仿真，需要對模型中的狀態(tài)變量方程、參數(shù)、表函數(shù)等進行初始值賦值。根據(jù)因果關(guān)系圖、系統(tǒng)關(guān)系流圖，通過趨勢外推法、回歸分析法等確定模型的方程和參數(shù)如下:

耕地面積 = INTEG(土地復(fù)墾量-礦區(qū)土地面積損毀量,耕地面積初始量)，km2;

耕地損毀面積=INTEG(礦區(qū)土地損毀量-土地復(fù)墾量，耕地損毀面積初始量)，km2;

總?cè)丝?= INTEG(總?cè)丝凇寥丝谠鲩L率，總?cè)丝诔跏剂?，萬人;

礦區(qū)土地損毀量=塌陷面積+壓占面積+水污染耕地面積，km2;

耕地供需差=耕地面積-耕地需求量，km2;

人口增長速率用表函數(shù)表示:

([(2011,-0.06)-(2030,0.1)],(2011,0.001 9),(2012,0.004 7),(2013,0.003 5),(2014,-0.000 61),(2015,0.000 2),(2016,0.000 2));

耕地供需差= IF THEN ELSE(耕地面積-耕地需求量>0，耕地面積-耕地需求量，0)，km2;

總供水量= INTEG(水資源增加量-水資源減少量，總供水量初始量),萬t;

總需水量= INTEG(工業(yè)新鮮用水量+農(nóng)業(yè)用水量+活用水量+生態(tài)用水量，總需水量初始量)，萬t;

水資源供需差=IF THEN ELSE(總供水量-總需水量>0，總供水量-總需水量,0)，萬t;

萬噸煤開采廢水排水量=萬t煤開采廢水排放量系數(shù)×固定資產(chǎn)投資;

煤炭總量= INTEG(煤炭開采量-煤炭利用量-煤炭銷售量，煤炭總量初始量)，萬t;

采出率=(耕地供需差影響因子0.3+水資源供需差影響因子0.2+固定資產(chǎn)投資影響因子0.5)×采出率表格;

開采儲量= STEP(39 000,1)，萬t;

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資= INTEG(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資率初始量)，萬元;

固定資產(chǎn)投資= INTEG(固定資產(chǎn)投資率，固定資產(chǎn)投資初始量)，萬元;

生態(tài)環(huán)境投資= INTEG(生態(tài)環(huán)境投資率，生態(tài)環(huán)境投資初始量)，萬元;

煤礦業(yè)產(chǎn)值=單位煤炭產(chǎn)值×煤炭銷售量。

2.5 模型檢驗

本研究構(gòu)建了流圖，并設(shè)置了其中的變量方程與相關(guān)參數(shù)，下面用該模型以2011年為基期模擬2012—2016年長河流域煤炭開采與水土資源利用的關(guān)系，并與真實的2012—2016年數(shù)據(jù)對比驗證模型的模擬效果，結(jié)果詳見表1?？梢娤鄬φ`差在5%內(nèi)，傳統(tǒng)認為模擬精度在5%以內(nèi)即可，于是可認為構(gòu)建的SD模型具有較高的模擬精度，其結(jié)構(gòu)合理、邏輯可行，是用于目標年不同情景下水土資源利用狀況模擬預(yù)測的有效工具，下文用該模型模擬長河流域2030年不同情景下水土資源利用狀況[14-17]。

表1 長河流域土地資源-水資源-煤炭開采規(guī)模-經(jīng)濟系統(tǒng)主要變量仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對比
Table 1 In the long river the basin land resources-water resources-coal mining scale-economic system comparison of the main variable simulation data with historical data

3 煤炭開采方式仿真模擬方案的設(shè)定

3.1 煤炭開采方式仿真模擬方案的設(shè)定

礦區(qū)煤炭資源的發(fā)展存在很多的不確定性，提前判定不同煤炭資源開采模式下礦區(qū)水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展結(jié)構(gòu)并分析實現(xiàn)該方式的路徑對礦區(qū)的發(fā)展管理具有重要意義。該地區(qū)的基本矛盾是煤炭開采損毀水土資源與水土資源需求間的矛盾，即有限水土資源既要滿足民生需求和維持生態(tài)空間，又要支持礦業(yè)的發(fā)展，長河流域是典型煤炭主產(chǎn)區(qū)，擔(dān)負著該煤炭資源的供給任務(wù)，同時長河流域地區(qū)部分耕地沙化嚴重，又是水資源比較緊張的生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，而作為欠發(fā)達地區(qū)，又需要維持經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，因此合理控制煤炭資源的開采規(guī)模，促進煤炭、水土資源的同步高效利用是該地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵。從關(guān)鍵矛盾出發(fā)把長河流域的未來發(fā)展情景劃分為經(jīng)濟優(yōu)化型、資源優(yōu)化型、SD-MOP優(yōu)化型3類。

情景模擬最關(guān)鍵的是識別不同情景的主要指標，由各指標值來定義每一情景的內(nèi)容，筆者認為經(jīng)濟優(yōu)化型的情景的標示指標是煤炭開采規(guī)模，即煤炭采出率，資源優(yōu)化型情景主要是土地復(fù)墾率與廢水治理率，而SD-MOP優(yōu)化型情景主要是煤炭開采規(guī)模與水土資源的雙效控制。 具體指標的大小設(shè)置詳見表2。

表2 不同發(fā)展情景下關(guān)鍵指標數(shù)值確定

Table 2 Determination of key indicators in different development scenarios %

本文指標設(shè)置參考了3種數(shù)據(jù):長河流域發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)、山西省經(jīng)濟發(fā)展資源量最低保留量數(shù)據(jù)以及與地區(qū)延軌跡發(fā)展的預(yù)測數(shù)據(jù)。對采出率指標設(shè)置，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測長河流域未來煤炭開采量的增速的上限為1.96%，通過模擬運行找出采出率的增速上限為0.01%，若考慮到長河流域未來經(jīng)濟轉(zhuǎn)型及資源束縛壓力，本文選擇-7.43%作為長河流域煤炭開采量增速的下限，即采出率下限為-0.02%，因為經(jīng)過對歷史數(shù)據(jù)、資源最低保留數(shù)據(jù)分析在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型壓力下煤礦開采增長率將長期維持在-7.43%以上。同理，對廢水治理率指標設(shè)置，總供水量的增速上限是3%，即廢水治理率的增速上限為1.6%，總供水量的增速下限是-0.59%，即廢水治理率的增速下限為-0.006%;對復(fù)墾率指標設(shè)置，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測長河流域耕地面積的增速上限是0.4%，下限為-0.01%，即復(fù)墾率的增速上限為0.02%，下限為-0.000 1%[18]。

3.2 長河流域經(jīng)濟優(yōu)化型、資源優(yōu)化型煤炭開采方式的情景模擬

分別把表中這2種不同情景的關(guān)鍵指標值代入所構(gòu)建的SD模型中，模擬不同情景下2030年長河流域煤炭開采模式，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 經(jīng)濟優(yōu)化型、資源優(yōu)化型模擬仿真方案Fig.3 Economic optimization,resource optimization simulation program

通過對模型及數(shù)據(jù)的分析可以得，在經(jīng)濟優(yōu)化型發(fā)展模式中，隨著煤炭開采量不斷增加，年國民生產(chǎn)總值由2016年的440 389萬元增加到2030年的506 770萬元，較2016年增加了15.07%，但是總供水量由2016年的2 650萬t減少到2030年的2 435萬t，較2016年減少了8.11%，耕地也出現(xiàn)了小幅度減少，由2016年的98.60 km2減少到2030年的98.46 km2，較2016年減少了0.14%;在資源優(yōu)化型發(fā)展模式圖形中，國民生產(chǎn)總值增長幅度明顯減少，由2016年的440 389增加到2030年的453 378萬元，僅增長了2.95%，耕地面積由2016年的98.60 km2增加到2030年的104.27 km2，增長了5.75%，總供水量由2016年的2 650萬t增加到2030年的4 008萬t，增長了51.24%。

通過分析可以得出，長河流域的煤炭產(chǎn)業(yè)對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和水土資源都有很大的影響，實施經(jīng)濟優(yōu)化型發(fā)展方案，即加大煤炭開采規(guī)模，使得國民生產(chǎn)總值的增長率大幅度提高，但是煤炭資源的開采給水資源帶來了很大影響，在本就水資源不充足的地區(qū)這種發(fā)展模式是行不通的;而實施資源優(yōu)化型發(fā)展方案，在以煤炭資源發(fā)展為主的地區(qū)，大幅度減少其煤炭開采規(guī)模，雖然提高了耕地面積和水資源供應(yīng)量，但是很大程度上減小了當?shù)貒癞a(chǎn)值的增長速度，煤炭經(jīng)濟發(fā)展的控制很大程度上限制了該區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。

總結(jié)可得，經(jīng)濟優(yōu)化型發(fā)展模式不符合社會經(jīng)濟發(fā)展的長遠利益，會導(dǎo)致當?shù)厮Y源不足，難以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標;資源優(yōu)化型發(fā)展模式雖然保證了當?shù)刭Y源環(huán)境，但是不利于經(jīng)濟的發(fā)展，因此，為更好的實現(xiàn)經(jīng)濟-生態(tài)雙重效益的同步發(fā)展，我們利用多目標規(guī)劃模型和系統(tǒng)動力學(xué)模型相結(jié)合的方式找出煤炭最優(yōu)開采模式。

3.3 SD-MOP優(yōu)化型仿真方案的模擬

通過建立SD模型，仿真模擬了經(jīng)濟優(yōu)化型、資源優(yōu)化型煤炭開采規(guī)模方式。為保持水資源和土地資源利用的良性循環(huán)，提高土地和水資源的最大效率和效益，使土地和水資源可持續(xù)利用，最大限度促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。因此，利用SD與多目標規(guī)劃整合模型，對2030年長河流域煤炭開采規(guī)模-水土資源狀況進行仿真與優(yōu)化，旨在提高煤炭、水和土地的效率和效益，維持煤炭資源-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)的相對平衡，實現(xiàn)該地區(qū)煤炭、土地、水資源的可持續(xù)利用。

3.3.1敏感性因素識別

在構(gòu)建SD模型時，利用線性回歸等方法建立各因素之間的關(guān)系式時，通過對模型不斷的運行調(diào)整，可以看出敏感性較強的因素，因此，經(jīng)過大概篩選，對應(yīng)耕地面積選取了糧食自給率、塌陷因子、壓占因子、復(fù)墾率;對應(yīng)煤炭開采量選取了采出率和固定資產(chǎn)投資系數(shù);對應(yīng)水資源供應(yīng)量選取了萬噸煤開采廢水排放量、廢水治理率，生態(tài)環(huán)境投資系數(shù);對應(yīng)國民生產(chǎn)總值選取了煤炭銷售系數(shù)，總共有10個參數(shù)。然后，分別以耕地面積、煤炭開采量、總供水量和國民生產(chǎn)總值為輸出變量，將以上10個參數(shù)分別代入公式中，并結(jié)合回歸分析模型得出各參數(shù)之間的關(guān)系式，進行系統(tǒng)的原始模擬運行。最后根據(jù)靈敏度公式計算得出影響煤炭開采規(guī)模-水土地資源損毀系統(tǒng)最大的敏感性因素為采出率、廢水治理率和復(fù)墾率[19]。

靈敏度計算公式為

(1)

式中，S為靈敏度;X為變化參數(shù);Y為輸出變量;t為模擬時間。

當S(t)<1時，表明該參數(shù)為非敏感性因子;當S(t)>1時，表明該參數(shù)為敏感性因子。

3.3.2多目標規(guī)劃模型構(gòu)建

根據(jù)煤炭開采規(guī)模-水土資源經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的敏感性因素，將采出率、廢水治理率和復(fù)墾率分別定義為x1,x2與x3，將煤炭開采量、耕地面積、總供水量、廢水排放量、耕地損毀面積分別定義為y1，y2，y3，y4，y5。

(1)經(jīng)濟效益目標函數(shù)為

(2)

式中，k1為單位煤炭的價格，元/t;k2，k3為耕地和總供水量單位面積的產(chǎn)值，萬元/km2，現(xiàn)設(shè)定為多年平均值，經(jīng)測算k1=450，k2=0.68,k3=0.23。

(2)生態(tài)效益目標函數(shù)為

(3)

式中，z2為耕地綠當量系數(shù);z3為最低供水量系數(shù)，結(jié)合該地區(qū)的實際狀況，設(shè)定耕地綠當量z2=0.2,z3=0.9。

(3)各元素與敏感性因素的回歸關(guān)系為

y1=39 431x1+330x2-2 476x3+1 994

y2=-229 692x1+x2+2 380x3+5 275

y3=22 230x1-x2+180x3+2 411

y4=34 710x1-125x2-1 500x3+240

y5=9 104x1-x2-531x3+733

(4)

(4)煤炭開采量、耕地面積、總供水量、廢水排放量、耕地損毀量的約束

煤炭開采量約束。根據(jù)該地區(qū)的煤炭存儲量、煤炭探明量以及各煤炭企業(yè)批準最高煤炭開采量等因素的測算，到2030年該地區(qū)的煤炭開采量不得超過600萬t。因此，煤炭開采量的約束條件是y1≤600萬t。

耕地面積約束。采用插值法測算，到2030年長河流域耕地保有量只有為31.25 km2才可保證區(qū)域人口糧食安全。因此，耕地保有量約束條件為y2≥3 125。

總供水量約束。根據(jù)該地區(qū)人口等因素分析得出，總供水量約束條件是y3≥1 872。

廢水排放量約束。根據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的趨勢預(yù)測以及水資源儲量的分析得出，廢水排放量的約束條件是y4≤70。

耕地損毀面積約束。根據(jù)耕地面積即投資開墾費用等因素的分析得出，耕地損毀面積約束條件是y5≤678。

變量約束x1>0;x2>0;x3>0。利用lingo11.0軟件求解，得出優(yōu)化值x1=0.001 5，x2=0.57，x3=0.07。根據(jù)結(jié)果可以推出:采出率是以-0.3%的增速運行;污水處理率是0.8%的增速運行;復(fù)墾率是以0.1%的增速運行。再將其代入系統(tǒng)流圖，模擬各類元素變化情況，對系統(tǒng)進行優(yōu)化。方案模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 SD-MOP優(yōu)化型模擬仿真方案Fig.4 SD-MOP optimized simulation solution

通過數(shù)據(jù)分析，到2030年，長河流域年國民生產(chǎn)總值從2016年的440 872.7萬元增加到2030年的479 385.5萬元，較2016年增加了8.74%，經(jīng)濟效益得到很大提高;耕地面積從2016年的98.60 km2增加到2030年的101.40 km2，增加了2.84%;總供水量從2016年的2 650萬t增加到了3 131.65萬t/a，增加了18.17%。該方案既保證了水土資源的健康持續(xù)發(fā)展，也確保了該地區(qū)的經(jīng)濟能夠穩(wěn)步持續(xù)增長。因此，經(jīng)濟-生態(tài)雙重效益同步發(fā)展的優(yōu)化型方案是礦區(qū)煤炭開采形式的最理想方案。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)濟優(yōu)化型。經(jīng)濟優(yōu)化型方案以高資源消耗率以及低效能的資源保護投入為主要特征，實現(xiàn)社會經(jīng)濟快速發(fā)展的目的。分析得出:隨著煤炭開采量不斷增加，年國民生產(chǎn)總值也在快速增長，但是供水量也在快速減少，耕地面積也出現(xiàn)了小幅度減小?？梢?，經(jīng)濟型發(fā)展模式不符合社會經(jīng)濟發(fā)展的長遠利益，會導(dǎo)致礦區(qū)陷入“水資源不足”的威脅中，難以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

(2)資源優(yōu)化型發(fā)展方式。資源型發(fā)展模式以保護土地和水資源為主，減少煤炭的開采規(guī)模，同時增加生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投資。結(jié)果顯示:年國民生產(chǎn)總值增速較大幅度減小，耕地面積在加大農(nóng)業(yè)投資和減少開采規(guī)模的作用下快速增長，總供水量也快速增加?？梢?，資源型發(fā)展模式維護資源的健康穩(wěn)步發(fā)展，但是不利于經(jīng)濟的發(fā)展。

(3)SD-MOP整合優(yōu)化模型，對長河流域煤炭開采規(guī)模的設(shè)定進行了綜合考慮，既考慮了經(jīng)濟效益又重視了生態(tài)環(huán)境，其優(yōu)化方案是朝著煤炭資源、土地資源和水資源的合理利用，經(jīng)濟-生態(tài)雙優(yōu)化的改造過程，是在提高研究區(qū)煤炭資源、水和土地資源的利用效率的過程，有助于優(yōu)化長河流域煤炭、水和土地資源的數(shù)量結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)與效益結(jié)構(gòu)。因此，此方案是科學(xué)可行的。

未來，長河流域若想要健康發(fā)展，就要對煤炭開采規(guī)模進行嚴格控制，必須改變現(xiàn)狀，向土地保護、水資源保護等方面綜合調(diào)整，并輔之以科學(xué)的管理，來提高煤炭、土地和水資源的利用效率，減少土地和水資源損毀，保護土地和水資源的質(zhì)量安全，實現(xiàn)該區(qū)域煤炭資源、水資源和土地資源的高效利用。