矿山开采的生态成本.pdf

收稿日期2012 －10 －29 基金项目国家自然科学基金资助项目 50974041 ;教育部高等学校博士学科点专项资金资助项目 0042120040 ;辽宁省自然 科学基金资助项目 201102065 ;教育部新世纪人才支持计划项目 NCET －11 －0073 ． 作者简介顾晓薇 1971 － ， 女， 辽宁凤城人， 东北大学教授， 博士生导师;王青 1962 － ， 男， 内蒙古兴和人， 东北大学教授， 博 士生导师． 第34卷第4期 2013 年 4 月 东北 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Journal of Northeastern University Natural Science Vo l． 34， No． 4 Apr．2 0 1 3 矿山开采的生态成本 顾晓薇1，胥孝川1，王青1，王润2 1． 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;2． 鞍钢集团 矿业公司，辽宁 鞍山114041 摘要以生态足迹基本方法为基础， 构建生态成本计算模型， 并应用该模型以某露天矿和地下矿为例 估算了 2011 ～2020 年的生态成本． 研究结果表明， 直接经济价值损失和能耗生态成本占矿山总生态成本的比 例很大; 露天矿山的生态成本远远高于地下矿山， 露天矿山单位原矿的生态成本大约是地下矿山单位原矿的 生态成本的两倍， 主要是露天矿山的直接经济价值损失和复垦成本远远高于地下矿山． 对矿山生态成本进行 研究与核算， 有利于矿山企业加强对生态成本的控制， 促使企业更好地履行社会责任， 使矿山企业自身的发展 与社会的可持续发展结合起来． 关键词生态足迹; 生态成本; 露天矿; 地下矿; 生产计划 中图分类号TP 274文献标志码A 文章编号1005 －3026 2013 04 －0594 －05 Ecological Cost of Mining GU Xiao- wei1，XU Xiao- chuan1，WANG Qing1，WANG Run2 1． School of Resources ＆ Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2． Mining Company，Anshan Iron and Steel Group Corporation，Anshan 114041，China． Corresponding author XU Xiao- chuan，E- mail 493212755 qq． com AbstractBased on the ecological footprint ，a mathematical model was built to calculate the mine ecological cost． The model was applied in an open pit mine and an underground mine to estimate their ecological costs during the production period from 2011 to 2020． The results showed that the direct economic value loss and the ecological cost of the energy consumption have a large proportion in the total ecological cost of the mine． The ecological cost of the open- pit mine is about twice as much as that of the underground mine，which is mainly due to the higher reclamation cost and the loss of the direct economic value． Mine ecological cost studies and cost accounting can help mine operators in rcising better ecological cost control and fulfilling their social responsibilities，which making the mine enterprise’ s own development consistent with the sustainable development of the whole society． Key wordsecological footprint;ecological cost;open- pit mine;underground mine;production design 经济收益是市场经济环境中矿山企业追求的 主要目标， 也一直是矿山项目投资和设计评价中 的主要决策依据之一． 在矿山项目评价和设计方 案比较中， 通常以净现值 NPV 或内部收益率 IRR 为衡量经济收益的指标． 在 NPV 或 IRR 的 计算中， 到目前为止只考虑内部成本， 即矿山建设 与生产中发生的、 在企业财务账目中体现的各项 投资和经营费用的支出; 而矿山生产对生态系统 的破坏与损害所造成的生态功能的损失， 被看做 “外部成本” 不予考虑． 在可持续发展的时代背景 下， 如何在获取人类社会发展所需要的矿产资源 的同时， 尽可能降低对生态系统的损害， 是当代和 今后的采矿工程技术人员与矿产开发决策者必须 考虑的问题． 在矿山项目评价和矿山设计中如果 把生态成本作为一个重要的决策因子， 践行“为 环境设计” 的理念， 实现矿产开采生态压力的源 头减量， 将是矿业在可持续发展道路上迈出的重 要一步 ［1 －3 ］． 把矿山生态压力转化为生态成本， 以成本的 形式纳入到矿山项目的评价和设计优化之中， 使 外部成本内部化， 是实现矿山项目和设计方案的 “经济 － 生态一体化” 评价的基础． 本文是对生态 成本计量的思路和方法的研究． 1矿山生态成本的构成 矿山生产的生态成本包括 矿山生产对生态 系统的破坏和损害所造成的生态功能的价值损 失， 以及矿山企业为恢复生态功能而支出的各种 费用． 对生态功能的价值损失的计量， 首先需要找 到对生态系统的性质的表征和对生态功能损失的 计量基础． 这里， 以生态足迹中对生态生产性土地 的分类作为对生态系统的性质的表征， 以生态足 迹指标中各类土地的需求面积 即对应于各土地 类型的足迹分量 作为生态系统的功能损失的计 量 关于生态足迹指标的详细介绍可参见本文作 者的其他研究， 具体可参考文献［ 4 －7］ ． 为了体 现不同类型土地的当地经济价值和生态价值， 各 类土地的面积均为生态足迹中同类土地的当地面 积， 即不换算为全球公顷． 1. 1矿山生产的生态足迹 矿山生产的生态足迹可定义为 提供矿石生 产过程中所消耗和破坏的资源和吸收所排放的废 弃物需要的生态生产性土地的面积． 它是为生产 矿石而产生的生态压力的一个综合度量方法和指 标． 这一生态足迹的计算范畴应该是因矿石生产 而存在的资源消耗、 破坏和废弃物排放， 例如， 虽 然矿山职工是为矿石生产服务的， 但其生活消费 食物等 不应该计算在内， 因为这种消费不是由 于矿石生产而存在的 即使他们为别的企业工 作， 这种消费也存在; 矿山的专用办公楼和机修设 施的占地应该计算在内， 因为如果不开采矿石它 们就不会存在． 矿山生产的生态足迹可分为能耗足迹、 土地 直接占用足迹、 携带足迹和污染足迹 4 部分 A ∑ n i Aei Adi Aci Api． 1 式中 A 为总的矿山生态足迹， hm2; n 为破坏土地 类型数量; Aei为矿山第 i 类土地能耗足迹， hm2; Adi为矿山第 i 类土地直接占用足迹， hm2; Aci为矿 山第 i 类土地携带足迹， hm2; Api为矿山第 i 类土 地污染足迹， hm2． 从理论上讲， 应计算矿山生产的每一项土地 占压和破坏、 能耗、 材料和设备消耗以及各种废弃 物排放的生态足迹， 以全面揭示矿山生产的生态 压力． 但在实际计算中往往受到相关数据的可获 得性的限制， 一些足迹项目无法计算， 例如矿山携 带足迹和矿山污染足迹． 有关研究表明， 土地直接 占用足迹和能耗足迹是矿山生态压力的主导部 分， 而且其计算所需要的数据易于获得， 所以一般 只计算这两部分足迹， 有关能耗足迹以及矿山直 接占用足迹的计算公式可参考文献［ 8］ ． 1. 2矿山生态成本模型 本着界限清晰和易于计算的原则， 把某类土 地的生态成本划分为复垦成本、 直接经济价值损 失、 外部生态价值损失、 能耗生态成本 4 部分 P ∑ n i 1 Pdi Pei Pri PEi． 2 式中 P 为总的生态成本现值， 元; n 为破坏土地 类型数量; Pdi为第 i 类土地直接价值损失的现值， 元; Pei为第 i 类土地矿山直接破坏的外生生态价 值的现值 例如林地的释氧价值， 固定二氧化碳 价值以及保持水土等等 ， 元; Pri为第 i 类土地矿 山复垦成本， 元; PEi为第 i 类土地能耗的生态成本 现值， 元． 生态成本的详细计算过程可以参考文献 ［ 8］ ． 为了比较不同矿山或开采方案的生态压力， 一般把矿山生产的各项生态成本换算为生产单位 产品量的生态成本． 对于没有选矿厂的矿山， 产品 为原矿， 生态成本不包含选矿流程的生态成本; 对 于有选矿厂的矿山， 产品为精矿， 生态成本应包含 选矿流程的生态成本． Pdi Pdi m ， Pei Pei m ， Pri Pri m ， PEi PEi m            ． 3 式中 m 为矿山原矿生产量， t; Pdi为第 i 类土地单 位原矿直接价值损失的现值， 元; Pei为第 i 类土地 单位原矿外生生态价值的现值， 元; Pri为第 i 类土 地单位原矿复垦成本， 元; PEi为第 i 类土地单位原 矿能耗的生态成本现值， 元． 2实例应用 根据以上构建的计算模型， 对矿山生态成本 595第 4 期顾晓薇等 矿山开采的生态成本 进行计算． 首先计算出矿山开采占地面积， 由占地 面积计算出由于占地破坏的生态环境潜在效益， 然后考虑当矿山开采结束后， 如何进行复垦， 以及 矿山开采过程中所排放的废气 主要是二氧化 碳 用林地吸收， 或者用碳捕集方法进行处理时 所需要的费用． 由于露天采场和排土场是随着开采的进行而 逐步扩大， 其占地面积的扩大与开采量存在某种 比例关系， 但是由于不能确定其真实比例关系， 无 法进行计算． 本文以十年的数据进行假设 根据这 十年的数据， 假设这十年矿山的开采是新建矿山 的开采， 露天采场和排土场都是以这十年的开采 量新建; 假设占地面积与开采量呈正比例关系; 矿 山开采十年后结束生产， 进行复垦． 根据矿山调研和近十年的矿山统计年鉴 ， 分别得到辽宁省某国有露天和地下铁矿山 以下 简称露天矿和地下矿 未来十年的生产计划如 表 1 所示． 表 1矿山生产计划 Table 1Mine production plan104t 采区矿岩类型 年份 2011201220132014201520162017201820192020 地下矿 矿石170170175180180180180180180180 岩石63557468677258566167 露天矿 矿石700650650650650650650650650650 岩石2 2002 0001 6001 5001 5001 4001 3001 3001 2001 100 2. 1矿山生态足迹计算 计算中所用数据源于矿山生产实际情况， 假 设露天境界平均深度取 200 m; 排土场平均高度 取 50 m， 尾矿库平均深度取 70 m． 地下矿的排土 场平均高度取50 m， 尾矿库平均深度取 70 m． 岩石 原地体重取 2. 7 t/m3， 矿石原地体重取 3. 0 t/m3， 尾矿平均体重取 1. 75 t/m3， 排土场体积膨胀系数 取 1. 3， 采场形态系数取 2. 5， 排土场形态系数取 2， 尾矿库形态系数取 2. 5， 尾矿平均产生率取 0. 162， 露天年均电消耗量为 31. 04 GW h a －1 ， 露 天年均柴油消耗量为 540. 29 t， 地下矿年均电消 耗量为 19. 8 GW h a －1． 基于公式 1 ， 参考文献［ 8］ 中相关矿山生态 足迹 计 算 公 式， 计 算 结 果 露 天 直 接 足 迹 为 473. 07 hm2， 地下直接足迹为 36. 06 hm2， 露天能 耗足迹为 123 129 hm2， 地下能耗足迹为 50 111 hm2． 这里地下矿没有采场足迹， 一般地下开采存 在区域塌陷， 由于这里假设矿山是新建矿山， 所以 不考虑矿山塌陷区域． 2. 2矿山生态成本计算 矿山所在地区为林地， 林地种类为温带常绿针 叶林和落叶阔叶林， 所以在计算生态成本时， 只考 虑矿山破坏的林地． 基于公式 2 ， 参考文献［ 8］ 中 相关生态成本计算公式及参数， 分别计算露天矿和 地下矿生态成本， 参数中各种价格都是基于当前市 场价格进行计算． 通过计算得出露天矿山直接经济 价值损失为11. 35 亿元， 地下矿山直接经济价值损 失为0. 87 亿元; 露天矿山复垦成本为 9 620 万元， 地下矿山复垦成本为 733. 5 万元; 露天矿山外部 生态价值损失现值 884 万元， 地下矿山外部生态 价值损失现值为 65 万元; 露天矿山能耗生态成本 现值为 2. 77 亿元， 地下矿山能耗生态成本现值为 1. 13 亿元． 基于矿山生产计划以及矿山总的生态成本， 结 合公式 3 ， 露天矿和地下矿各单位原矿生态成本 所占比例如图1 和图2 所示． 这里之所以以单位原 矿为基础进行计算， 是考虑到矿山所有生态成本的 产生都是因为原矿的开采造成的． 图 1 为露天矿的 单位原矿各项生态成本占总生态成本的比例， 其中 直接经济价值损失为72， 能耗成本为 18， 占总 生态成本的比例极大， 是影响生态成本的主要因 素． 图2 为地下矿的单位原矿各项生态成本占总生 态成本的比例， 其中直接经济价值损失为 41， 能 耗成本为55， 仍然占总生态成本的比例极大， 是 影响生态成本的主要因素． 比较两矿山的各项生态 成本可以发现， 影响两矿山生态成本的因素所占总 生态成本比例不同， 露天矿山的单位原矿直接经济 价值损失远大于能耗成本， 而地下矿的单位原矿能 耗成本比直接经济价值损失大． 图 1露天单位原矿矿山生态成本比例分析 Fig. 1Unit raw ore eco- cost ratio analysis of open pit mine 695东北大学学报 自然科学版第 34 卷 图 2地下矿单位原矿山生态成本分析 Fig. 2Unit raw ore eco- cost ratio analysis of underground mine 露天和地下单位矿石生态成本比较如图 3 所 示， 露天矿山单位原矿生态成本现值为 23. 145 元， 地下矿山单位原矿生态成本现值为 11. 586 元． 露天矿山单位原矿生态成本约为地下矿山的 2 倍， 其中直接经济价值损失现值露天比地下多 出 10. 48 元． 图 3矿山生态成本比较 单位原矿 Fig. 3Comparison of unit raw ore ecological cost of mine 从图中可以看出单位原矿生态成本中， 直接 经济价值损失、 复垦成本和外生生态价值损失仍 然是露天大于地下， 这主要是因为露天矿的生产 中直接占压和破坏的土地面积远远大于地下矿， 而这三项生态成本都是矿山生态足迹的函数， 成 正比例关系; 对于单位原矿能耗生态成本， 可以看 出地下比露天大， 主要原因是地下矿生产的效率 没有露天矿大， 所以每吨原矿的能耗也就大， 由此 可以看出， 对于矿山在进行成本计算的时候， 账目 中不仅要体现所消耗能源的真实价值， 同时要考 虑由于能源消耗造成的能耗成本． 3结论 1通过计算得出直接经济价值损失和能耗生 态成本占总生态成本比例极大， 占到了总生态成本 的90以上， 是影响矿山生态成本的主要因素． 2比较露天矿山与地下矿山的生态成本构 成， 露天矿山的直接经济价值损失与能耗生态成 本所占的比例差距很大， 直接经济价值损失所占 的比例约是能耗生态成本所占比例的 4 倍; 地下 矿山的直接经济价值损失与能耗生态成本所占的 比例差距不大， 能耗生态成本略高于直接经济价 值损失． 3在不考虑地下矿山沉陷等条件下， 露天矿 山单位原矿生态成本高于地下矿山， 约为地下矿 山的 2 倍， 主要影响因素为直接经济价值损失， 其 原因是露天矿山的生产中直接占压和破坏的土地 面积远远大于地下矿山． 参考文献 ［ 1］Odell C J． Integration of sustainability into the mine design process［D］． VancouverUniversity of British Columbia， 2004． ［ 2］Molotilov S G， Norri V K， Cheskidov V I， et al． Nature- oriented open coal mining technologies using mined- out space in an open pit． Part I analysis of the current mineral mining s［ J］ ． Journal of Mining Science， 2006， 42 6 622 － 627． ［ 3］Durucan S， Korre A， Munoz- Melendez G． Mining life cycle modelingacradle- to- gateapproachtoenvironmental management in the minerals industry［J］ ． Journal of Cleaner Production， 2006 14 1057 －1070． ［ 4］顾晓薇． 国家环境压力指标体系及减量化研究［D］ ． 沈阳 东北大学， 2005． Gu Xiao- wei． National environmental pressure indicators and dematerializationanalysis ［D］．ShenyangNortheastern University， 2005． ［ 5］顾晓薇， 胥孝川， 王青， 等． 区域经济发展的碳足迹与碳承载 力研究［J］ ． 东北大学学报 自然科学版， 2012， 33 8 1194 －1197． Gu Xiao- wei， Xu Xiao- chuan， Wang Qing， et al． Carbon footprint and carbon bearing capacity of regional economic development［ J］ ． Journal of Northeastern University Natural Science， 2012， 33 8 1194 －1197． ［ 6］王青， 王凤波， 顾晓薇， 等． 区域经济的资源环境载荷与效率 ［ J］ ． 东北大学学报 自然科学版， 2011， 32 10 1488 － 1491． Wang Qing， Wang Feng- bo， Gu Xiao- wei， et al． Resource- environmental pressure and efficiency of regional economy ［J］． Journal of Northeastern University Natural Science， 2011， 32 10 1488 －1491． ［ 7］Wilson J， Grant J L． Calculating ecological footprints at the municipal level what is a reasonable approach for Canada ［ J］ ． Local Environment， 2009， 14 10 963 －979． ［ 8］王青， 任凤玉， 顾晓薇， 等． 采矿学［M］ ． 2 版． 北京 冶金工 业出版社， 2011 501 －511． Wang Qing，Ren Feng- yu，Gu Xiao- wei，et al． Mining science［M］． 2nd ed． Beijing Metallurgical Industry Press， 2011 501 －511． 795第 4 期顾晓薇等 矿山开采的生态成本