煤層氣開采清潔生產(chǎn)評價模型研究

李凡凡，康靜文，高 青

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

隨著傳統(tǒng)化石能源日漸緊缺，煤層氣在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例日益增大。煤層氣開采的蓬勃推進(jìn)必然會引發(fā)環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題，評價企業(yè)的清潔生產(chǎn)情況是推動企業(yè)綠色開采的重要途徑[1]。因此，本文擬建立煤層氣開采清潔生產(chǎn)評價模型，以下將該過程細(xì)化為指標(biāo)體系構(gòu)設(shè)、指標(biāo)權(quán)重計算、評價標(biāo)準(zhǔn)確定、評價方法概述4個步驟。

1 指標(biāo)體系構(gòu)設(shè)

遵循指標(biāo)體系的編制原則[2]，并結(jié)合煤層氣開采活動的特征，在已有成果基礎(chǔ)上構(gòu)設(shè)煤層氣開采清潔生產(chǎn)指標(biāo)體系，如表1所示[3-4]。

煤層氣開采清潔生產(chǎn)指標(biāo)體系包括資源與能源利用、產(chǎn)品特征、污染控制、生態(tài)保護(hù)、廢棄物利用、生產(chǎn)技術(shù)特征和環(huán)境管理7項一級指標(biāo)。

表1 煤層氣開采清潔生產(chǎn)指標(biāo)體系Table 1 Clean production index system for coalbed methane mining

1) 資源與能源利用指標(biāo)

資源與能源利用指標(biāo)體顯了清潔生產(chǎn)“節(jié)約能源、降低消耗”的內(nèi)涵[5]，可細(xì)化為單位產(chǎn)品新鮮水消耗量、單位產(chǎn)品電能消耗量、單井柴油消耗量與合單井土地占用面積4項二級指標(biāo)。

其中，合單井土地占用面積指建成后井場、站場和連接道路的總占地面積與井?dāng)?shù)的比值。

2) 產(chǎn)品特征指標(biāo)

清潔生產(chǎn)關(guān)注由原材料到產(chǎn)品的全生命周期[6]。開采項目的產(chǎn)品即煤層氣，其質(zhì)量決定著燃燒熱值的高低以及使用過程是否產(chǎn)生污染[7]。該一級指標(biāo)可細(xì)化為甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)2項二級指標(biāo)。

3) 污染控制指標(biāo)

污染控制指標(biāo)反映了清潔生產(chǎn)“防阻污染”的本質(zhì)[8]。該一級指標(biāo)可細(xì)化為施工期合單井污廢水產(chǎn)生量、運(yùn)營期合單井污廢水年產(chǎn)生量、施工期單井SO2產(chǎn)生量等11項二級指標(biāo)。

其中，施工期合單井污廢水產(chǎn)生量指施工期污廢水(包括廢鉆井液、井場沖洗廢水、機(jī)械沖洗廢水及管道試壓廢水等)產(chǎn)生量與井?dāng)?shù)的比值，運(yùn)營期合單井污廢水年產(chǎn)生量指運(yùn)營期污廢水(包括氣井采出水、站場壓縮廢水、鍋爐廢水、生活污水及站場檢修廢水等)年產(chǎn)生量與井?dāng)?shù)的比值。

4) 生態(tài)保護(hù)指標(biāo)

煤層氣開采破壞了原有的表土和植被，對地表造成了很大擾動，施行生態(tài)恢復(fù)顯得尤為重要[9]。該一級指標(biāo)可細(xì)化為退役期場地復(fù)墾率與運(yùn)營期場地綠化率2項二級指標(biāo)。

5) 廢棄物利用指標(biāo)

廢棄物利用指標(biāo)突出了清潔生產(chǎn)“限減廢物”的主題。該一級指標(biāo)可細(xì)化為鉆井介質(zhì)重復(fù)利用率與污廢水回收利用率2項二級指標(biāo)。

6) 生產(chǎn)技術(shù)特征指標(biāo)

先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)是清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)[5]。該一級指標(biāo)可細(xì)化為生產(chǎn)工藝的先進(jìn)程度、生產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)程度等5項二級指標(biāo)。

7) 環(huán)境管理指標(biāo)

項目管理的疏漏是導(dǎo)致浪費(fèi)和污染的源頭[8]。環(huán)境管理指標(biāo)從管理層面評價開采項目的清潔生產(chǎn)情況，可細(xì)化為『三同時』制度執(zhí)行情況、清潔生產(chǎn)審核情況與環(huán)境管理體系建立、運(yùn)行、認(rèn)證情況3項二級指標(biāo)。

2 指標(biāo)權(quán)重計算

計算指標(biāo)權(quán)重常用根據(jù)指標(biāo)相對重要程度賦權(quán)的層次分析法。基于層次分析法客觀性差的缺點(diǎn)，本文擬引入熵值法聯(lián)合賦權(quán)。

2.1 層次分析法賦權(quán)

采用層次分析法為全部指標(biāo)賦權(quán)，計算過程不再贅述。二級指標(biāo)的層次分析法權(quán)重wci(i=1,2,…,29)如表2所示。

2.2 熵值法賦權(quán)

熵值法是一種根據(jù)指標(biāo)的數(shù)值變化程度分配權(quán)重的客觀賦權(quán)法。某項指標(biāo)的數(shù)值變化程度越大，則信息熵越小，信息的貢獻(xiàn)值越大，從而指標(biāo)權(quán)重應(yīng)越大；同理，某項指標(biāo)的數(shù)值變化程度越小，指標(biāo)權(quán)重應(yīng)越小[10]。其優(yōu)勢在于，賦權(quán)建立在實(shí)際數(shù)據(jù)之上，可排除主觀因素的干擾。

表2 指標(biāo)權(quán)重及評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Index weights and evaluation standards

應(yīng)用熵值法為定量指標(biāo)賦權(quán)，以下為計算過程：

第一，選取沁水煤田鄭莊區(qū)塊、古交礦區(qū)、潞安礦區(qū)、賀西礦、沙曲礦、雙柳礦及寺家莊礦7個具有代表性的煤層氣開采項目，按隨機(jī)的順序記作T1，T2，…，T7.統(tǒng)計各個項目的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。定義xij(i=1，2，…，21；j=1，2，…，n)為表3中二級指標(biāo)Bi的第j個數(shù)據(jù)，n為各二級指標(biāo)的數(shù)據(jù)量。二級指標(biāo)不同，對應(yīng)n的值可能不同。

第三，分別根據(jù)公式(1)、公式(2)和公式(3)計算各項二級指標(biāo)的比重Pij、熵值Ei和差異系數(shù)Gi.

(1)

(2)

Gi=1-Ei.

(3)

(4)

2.3 聯(lián)合賦權(quán)

為實(shí)現(xiàn)主觀與客觀的統(tǒng)一，將層次分析法權(quán)重與熵值法權(quán)重整合優(yōu)化。定義wi(i=1,2,…,29)為優(yōu)化權(quán)重。

定量二級指標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重wi(i=1，2，…，21)與層次分析法權(quán)重wci和熵值法權(quán)重wsi都應(yīng)盡可能相近[11]，轉(zhuǎn)換為優(yōu)化問題：

其中，F(xiàn)表示wi與wci、wsi的總相對熵函數(shù)。

運(yùn)用拉格朗日乘數(shù)法求解，可得：

(5)

定性二級指標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重wi(i=22,23,…,29)即層次分析法權(quán)重wci.

最終可得全部二級指標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重wi(i=1,2,…,29)，結(jié)果見表2.

3 評價標(biāo)準(zhǔn)確定

將評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為3個等級。定義em(m=1，2，3)為第m個等級，則V={e1，e2，e3}為煤層氣開采的清潔生產(chǎn)等級集。其中：e1表示清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平，e2表示清潔生產(chǎn)基本水平，e3表示傳統(tǒng)生產(chǎn)水平[12]。調(diào)查煤層氣開采項目的實(shí)際生產(chǎn)情況，參考煤層氣開采項目的清潔生產(chǎn)要求，設(shè)置各等級的基準(zhǔn)值或描述，見表2.

4 評價方法概述

為合理判斷項目的清潔生產(chǎn)等級，有效區(qū)分隸屬相同等級的各個項目的清潔生產(chǎn)水平的差異，本文的評價方法選擇二元語義法[13-14]。以下為二元語義法的評價步驟。

4.1 計算等級隸屬度

根據(jù)以下隸屬度函數(shù)計算各二級指標(biāo)的等級隸屬度。

1) 定量二級指標(biāo)的隸屬度函數(shù)

若指標(biāo)值越大，清潔生產(chǎn)水平越高，則隸屬度函數(shù)為：

(6)

(7)

(8)

若指標(biāo)值越小，清潔生產(chǎn)水平越高，則隸屬度函數(shù)為：

(9)

(10)

(11)

其中，rim(i=1，2，…，21；m=1，2，3)表示yi隸屬于em的程度，yi表示二級指標(biāo)Bi的實(shí)際值，aim表示二級指標(biāo)Bi對應(yīng)em的基準(zhǔn)值。

2) 定性指標(biāo)的隸屬度函數(shù)

(12)

其中，rim(i=22，23，…，29；m=1，2，3)表示二級指標(biāo)Bi的數(shù)據(jù)隸屬于em的程度。

4.2 計算綜合隸屬度向量

建立二級指標(biāo)的隸屬度矩陣R1，R2，…，R7.以資源與能源利用指標(biāo)A1為例：

(13)

將對應(yīng)二級指標(biāo)的優(yōu)化權(quán)重歸一化可得二級指標(biāo)的權(quán)重向量W1=(WB1，WB2，WB3，WB4)，則一級指標(biāo)的隸屬度向量U1=W1·R1，同理求出U2，U3，…，U7.

建立一級指標(biāo)的隸屬度矩陣：R=(U1，U2，…，U7)T，則綜合隸屬度向量U=W·R.

4.3 根據(jù)二元語義輸出評價結(jié)果

將U歸一化可得U′=(u1，u2，u3)，按公式(14)計算項目的等級特征值v.

(14)

若等級特征值v滿足：m-0.5≤v

5 實(shí)例應(yīng)用

應(yīng)用該模型對7個項目中具有完整數(shù)據(jù)的T1，T2，T3的清潔生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行評價，其二級指標(biāo)數(shù)據(jù)見表3.計算得到三者的二元語義依次為(e2，-0.035 5)，(e2，-0.034 6)，(e2，-0.049 1).即：T1，T2，T3均隸屬第2個等級，且按清潔生產(chǎn)水平從高到低排序為T3，T1，T2，與實(shí)際情況一致。

6 結(jié)語

本文構(gòu)設(shè)了煤層氣開采清潔生產(chǎn)指標(biāo)體系，引入熵值法改進(jìn)了層次分析法權(quán)重，在確定評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，選取二元語義法對項目的清潔生產(chǎn)水平進(jìn)行了量化、分級與排序，并將該模型應(yīng)用于實(shí)例，結(jié)果證明了該模型合理。

本文的不足之處為：第一，煤層氣開采項目不同污廢水的特征污染物濃度受開采地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、土壤環(huán)境影響顯著[15-17]，使得污廢水特征污染物指標(biāo)及相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)的確定存在很大困難，因此本文的指標(biāo)體系中未包括污廢水水質(zhì)控制指標(biāo)；第二，計算熵值法權(quán)重時，本文收集的數(shù)據(jù)較少，可能降低權(quán)重的準(zhǔn)確性。

今后的研究應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，以期為煤層氣開采企業(yè)清潔生產(chǎn)水平的判定提供借鑒。