韓 慧

(山東省棗莊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 棗莊 277100)

為了更好地滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨螅瑢τ诿禾康氖褂靡笤絹碓礁?，煤炭加工技術(shù)開始逐漸受到重視[1]。煤炭加工保證了開采的煤炭得到充分地利用，有效地發(fā)揮能源的應(yīng)用效果，使煤炭伴生礦產(chǎn)業(yè)得以應(yīng)用，滿足了社會需求[2]。由于煤炭加工需要生產(chǎn)出質(zhì)量不同的煤炭種類，這個過程中需要利用物理、化學(xué)方法對礦物中包含的雜質(zhì)進(jìn)行處理。煤作為高污染的能源，其自身對地質(zhì)環(huán)境有一定的影響，生產(chǎn)加工過程使煤中的各種有害元素得以釋放和溶解[3]。煤炭加工過程中主要污染物包括煤矸石、粉煤灰等。這些主要污染物大部分加工企業(yè)采取的處理方法是就地掩埋，或者堆放在煤炭加工廠附近空曠區(qū)域。隨著時間的不斷流逝，采取堆積貯存方式處理的污染物中包含的有害物質(zhì)發(fā)揮更大的破壞能力[4]，污染土壤結(jié)構(gòu)、破壞地下水資源等，都會對人的身體健康產(chǎn)生危害。因此，煤炭加工過程中主要污染物治理成為一件備受重視的工作[5]。

本文以污染物治理效率評估為研究核心，采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的方式，針對治理中的投資、運(yùn)行費(fèi)用等投入項(xiàng)以及污染物重復(fù)利用量、COD去除量、污染處理量等產(chǎn)出項(xiàng)為基礎(chǔ)，判斷污染物治理效率[6]，并依據(jù)評估結(jié)果顯示出的治理影響因素完成治理資源的合理分配，從而實(shí)現(xiàn)治理績效的有效提升[7]。

1 污染物治理效率評估方法設(shè)計

對于污染物治理效率評估方法設(shè)計，從投入、產(chǎn)出2個方向進(jìn)行研究[8]。由于煤炭加工過程中主要污染物治理的投入和產(chǎn)出包含多個指標(biāo)，指標(biāo)單位也并不相同[9]。因此需要采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法進(jìn)行多指標(biāo)計量，明確各項(xiàng)之間存在的定量關(guān)系。效率評估方法中數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的應(yīng)用減少了工作量，只需要確定投入與產(chǎn)出指標(biāo)就可以完成接下來的工作[10]。本文以DEA模型為基礎(chǔ)，對全要素生產(chǎn)率指數(shù)分析，并選取效率評估所需指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)污染物治理效率評估。

1.1 構(gòu)建治理效率評估模型

DEA方法理論和模型不斷深入的發(fā)展，使得該模型在生活中的效率評價應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。DEA模型所展現(xiàn)的效率評價結(jié)果，也從只能橫向比較同質(zhì)決策單元的有效性，拓展為縱向比較同一單元?dú)v史活動。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)DEA應(yīng)用具有一定步驟，如圖1所示。

圖1 DEA應(yīng)用步驟Fig.1 DEA application steps

通過圖1所示的應(yīng)用步驟，完成污染物治理效率評估，獲取最終評估結(jié)果。文中以DEA模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個污染物治理效率評估模型。該模型是效率評估方法設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容，以線性規(guī)劃工具為重點(diǎn)，針對已經(jīng)獲取的決策單元的投入產(chǎn)出項(xiàng)觀測值，將目標(biāo)決策單元同其他單元相比較，獲取效率值、治理投入冗余值以及產(chǎn)出不足值3方面數(shù)據(jù)信息。通過對DEA理論和作為污染物治理情況的研究，將治理效果當(dāng)作主要研究目標(biāo)，設(shè)計一個可變規(guī)模效益模型，構(gòu)建完成的線性規(guī)劃模型為：

(1)

式中,θ為目標(biāo)表達(dá)式；λ為權(quán)系數(shù)向量；xλ為污染物治理過程中目標(biāo)單元投入值；yλ為污染物治理過程中目標(biāo)單元產(chǎn)出值；N′為單位行向量；xi為其他決策單元的投入數(shù)值;yi為其他決策單元的產(chǎn)出數(shù)值。

通過上述模型得出的各種效率取值，大部分的取值在0～1。當(dāng)效率值達(dá)到1的情況下，表明DEA具有良好的效果。在規(guī)模報酬不變的條件下，通過計算可以獲取純技術(shù)效率；在規(guī)模報酬變化的情況下，可以獲得綜合技術(shù)效率。因此，將規(guī)模報酬不變與可變2種情況下的技術(shù)效率比值作為規(guī)模效率。通過DEA方法計算得出最佳產(chǎn)出值，將其同各決策單元的實(shí)際值相比較，獲得產(chǎn)出不足信息也就是投入冗余值。在數(shù)據(jù)包絡(luò)DEA方法應(yīng)用過程中需要注意的一點(diǎn)是保證輸入的數(shù)值為正，并且滿足投入、產(chǎn)出指標(biāo)、決策單元。和傳統(tǒng)回歸分析方法不同，效率評估過程中使用DEA方法具有更大優(yōu)勢，可以更加有效衡量生產(chǎn)函數(shù)，更客觀地呈現(xiàn)投入指標(biāo)和產(chǎn)出指標(biāo)間函數(shù)關(guān)系。

1.2 基于模型計算全要素生產(chǎn)率指數(shù)

基于治理效率評估模型，可以通過計算得到全要素生產(chǎn)率指數(shù)。最初全要素生產(chǎn)率指數(shù)應(yīng)用于測算生產(chǎn)效率變化情況，隨著不斷的發(fā)展，全要素理論與DEA理論逐漸融合，使得全要素生產(chǎn)率指數(shù)應(yīng)用范圍開始擴(kuò)大。以效率評估模型為依據(jù)完成全要素生產(chǎn)率指數(shù)的計算，從而明確目標(biāo)決策單元的污染物治理效率同其他時期內(nèi)污染物治理最佳狀態(tài)的距離，將治理績效的波動狀態(tài)準(zhǔn)確表達(dá)出來。根據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，全要素生產(chǎn)率指數(shù)由技術(shù)變化、技術(shù)效率變化2部分組成，通過計算獲取效率變動情況。而技術(shù)效率變化則由純技術(shù)效率、規(guī)模效率2方面變化來表達(dá)。

具體的全要素生產(chǎn)率指數(shù)公式為：

(2)

生產(chǎn)率水平的變化情況通過全要素生產(chǎn)率指數(shù)的計算得以呈現(xiàn)，生產(chǎn)率水平的提高會使獲取指數(shù)大于1，相反則表明生產(chǎn)率水平有所下降。技術(shù)變化、技術(shù)效率變化、純技術(shù)效率變化皆是如此。此外，規(guī)模效率變化反映出了當(dāng)前規(guī)模與最優(yōu)規(guī)模的關(guān)系，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果小于1，表明正在遠(yuǎn)離最優(yōu)規(guī)模，如果結(jié)果大于1則為正在靠近最優(yōu)規(guī)模。

1.3 選取效率評估指標(biāo)

對于污染物治理效率評估，需要一套作為標(biāo)準(zhǔn)的評估體系——污染物治理效率評估方法。當(dāng)前社會環(huán)境下，很多專業(yè)人員進(jìn)行污染物治理效率方面研究，建立了差異比較大的評價指標(biāo)體系。對煤炭加工過程中污染物處理的投入包括：治理設(shè)施、運(yùn)行費(fèi)用。①污染物治理設(shè)施的投入包括污染物處理區(qū)域建筑、機(jī)械設(shè)備等屬于一次性投入，是污染物治理的基礎(chǔ)；②運(yùn)行費(fèi)用則代表治理過程中花費(fèi)的金額，取決于污染物治理方式以及運(yùn)營管理決策，需要保證長期的資金注入。

所以，對于治理效率評估模型的投入項(xiàng)指標(biāo)選取，需要考慮污染物治理工程設(shè)施以及設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，具體包括煤炭加工過程中污染物源頭處理投資、基礎(chǔ)治理設(shè)施，以及設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用。治理效率分析的產(chǎn)出項(xiàng)指標(biāo)選取包括污染物處理量、污染物去除量、污染物再利用量3個方面，具體的投入產(chǎn)出指標(biāo)說明見表1。

根據(jù)DEA分析方法的要求，選取的投入產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)量需要保持在7以內(nèi)。因此，將表1中治理設(shè)施數(shù)量這一項(xiàng)進(jìn)行刪除，且產(chǎn)出指標(biāo)方向數(shù)據(jù)獲取困難，將污染物COD去除量指標(biāo)同樣剔除。根據(jù)保留結(jié)果作為評估指標(biāo)，完成污染物治理效率評估。

表1 污染物治理投入產(chǎn)出指標(biāo)Tab.1 Pollutant treatment input and output indicators

1.4 完成污染物治理效率評估

根據(jù)選取的效率評估指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對治理效率的初步分析。但是需要注意的一點(diǎn)是，由于當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)的約束，污染物治理過程中所投入的一些資源在治理過程中會出現(xiàn)附屬品，無法將投入資源向期望產(chǎn)出完全轉(zhuǎn)換。這些附屬品的出現(xiàn)，也被稱為非期望產(chǎn)出的污染物。非期望產(chǎn)出污染物的處理如圖2所示。

圖2 非期望產(chǎn)出污染物處理Fig.2 Treatment of undesired output pollutants

為了更加準(zhǔn)確地評估污染物治理效率，將評估分為如圖2所示的2個部分。第1部分評價過程中，重點(diǎn)在于非期望產(chǎn)出污染物。和通常情況下的產(chǎn)出不同，對于非期望產(chǎn)出的要求是越少越好。非期望產(chǎn)出污染物少也就代表對環(huán)境的影響程度越低。已經(jīng)存在的非期望產(chǎn)出，需要使用非線性規(guī)劃模型進(jìn)行處理。伴隨著研究人員不斷發(fā)掘，污染物處理的方法越發(fā)多樣化，采用線性數(shù)據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)換方式，其公式為：

(3)

式中,Z為足夠大的向量。

將式(3)轉(zhuǎn)換結(jié)果看作期望產(chǎn)出，融入到文中構(gòu)建的DEA模型進(jìn)行計算。由于會對第2階段治理效率產(chǎn)生影響，所以應(yīng)用投入導(dǎo)向的DEA模型，計算得出第1階段治理效率為：

(4)

而第2部分的污染物治理效率計算，需要對非期望產(chǎn)生污染物處理。所以，投入的部分含有污染物。為了使治理效率達(dá)到最佳效果，需要對新投入治理資源進(jìn)行改善。

(5)

將2部分綜合考慮可以獲得污染物治理總效率，公式為：

θ=w1θ1+w2θ2

(6)

w1+w2=1

(7)

式中，w1為第1治理階段污染物治理的總效率；w2為第2治理階段污染物治理的總效率。

污染物治理總效率評價具有以下特點(diǎn)，θ<[0,1]，并且min(θ1，θ2)<θ

此外，在進(jìn)行污染煤炭加工過程中主要污染物治理效率評估時，投入資源重要性存在差別，導(dǎo)致最終的效率評估結(jié)果并不相同。因此，在評價總效率過程中，不同的評價者通過為投入資源添加不同的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)效率評估。以2個污染物治理區(qū)域?yàn)槔?，對其進(jìn)行調(diào)查，投入資源重要性與總效率變化情況如圖3所示。

圖3 投入資源重要性與總效率Fig.3 Importance of resources and overall efficiency

由圖3可知，根據(jù)治理投入資源的重要性變化，2個區(qū)域的污染物治理總效率變化情況很大，當(dāng)2個階段重要性相同，區(qū)域1總效率大于區(qū)域2。當(dāng)投入資源重要性為80%時，區(qū)域2治理總效率明顯更大；當(dāng)投入資源重要性為20%時，區(qū)域1治理總效率明顯更大，不同條件下治理效率差距很大。由此可見，不同的權(quán)重選擇對總效率影響很大。因此，要選擇能跟上社會發(fā)展的步伐且符合國家戰(zhàn)略發(fā)展要求的合理的權(quán)重，公正公平地對總系統(tǒng)效率進(jìn)行評價。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中設(shè)計的效率評估方法在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以某省份近5年內(nèi)煤炭加工污染物治理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。具體的治理效率變化情況見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域近些年的污染物治理效率處于先上升后下降的趨勢，說明污染物治理過程中的資源分配沒有完成優(yōu)化，進(jìn)而拉低了污染物治理效率。為了保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，選取2種傳統(tǒng)的效率評估方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。并根據(jù)3種方法得出的評估結(jié)果分析治理過程中的投入冗余和產(chǎn)出不足，并且制定合理的治理投入預(yù)算和產(chǎn)出目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)污染物治理的績效提升。以規(guī)模效率為依據(jù)，該區(qū)域污染物治理過程中規(guī)模效率變化情況如圖4所示。

表2 近5年污染物治理效率值變化情況Tab.2 Changes in the efficiency of pollutant treatment in the past five years

圖4 規(guī)模效率變化情況Fig.4 Changes in scale efficiency

決策單元最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模的界限設(shè)置為1，當(dāng)規(guī)模效率小于1時代表當(dāng)前并未達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模。如圖4所示的規(guī)模效率始終小于1，因此需要對投資規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況，判斷該年份投入指標(biāo)的冗余程度，明確污染物治理的投入預(yù)算。在實(shí)際治理工作中可以減少部分設(shè)施的使用，提高每臺設(shè)施的使用效率，減少設(shè)施的損耗和維護(hù)費(fèi)用，減少不必須的資源浪費(fèi)，合理配置資源。從純技術(shù)效率的變化情況，提升治理工作中科學(xué)管理水平和制度水平的重視程度。從規(guī)模效率變動情況分析，獲取最佳有效的投資規(guī)模。綜合各方面信息進(jìn)行資源配置改善，最終實(shí)現(xiàn)治理績效的提升。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在污染物治理的過程中分別應(yīng)用3種效率評估方法得出的結(jié)果，分析影響治理效率的因素，針對因素進(jìn)行資源配置優(yōu)化。治理績效變動指數(shù)用TFP來表示，TFP值的計算表示了區(qū)域污染物治理效率與相鄰時期治理的最佳狀態(tài)的距離，反映了治理績效的變化情況。實(shí)驗(yàn)事件以1個月為期限，每隔5 d計算污染物治理績效，優(yōu)化后的治理績效變化如圖5所示。

根據(jù)圖5可以得出發(fā)現(xiàn)，依據(jù)文中設(shè)計的污染物治理效率評估方法得出結(jié)果優(yōu)化后，區(qū)域內(nèi)治理績效有了顯著提升，平均TFP值保持在1.15左右。而根據(jù)2種傳統(tǒng)方法評估結(jié)果優(yōu)化后，治理績效提升幅度較低，并且TFP值變化較大。以傳統(tǒng)方法1為依據(jù)優(yōu)化后污染物平均治理TFP值為0.81；以傳統(tǒng)方法2為依據(jù)優(yōu)化后污染物平均治理TFP值為0.67。

綜上所述，可以得出結(jié)論，文中的治理效率評估方法更加全面、準(zhǔn)確地反映了污染物治理效率影響因素，以此為依據(jù)進(jìn)行治理資源的優(yōu)化有效提升了污染物治理績效。相比2種傳統(tǒng)方法，文中方法的治理資源優(yōu)化將治理績效提升了29.6%、41.7%。更加適用于煤炭加工過程中的污染物治理評估。

4 結(jié)語

本文以污染物治理效率為研究方向，設(shè)計煤炭加工過程中主要污染物治理效率評估方法。通過模型的建立、全要素生產(chǎn)率指數(shù)計算、評估指標(biāo)選取。最后通過兩階段處理，完成污染物治理效率評估。通過本文的研究，分析了影響污染物治理效率的因素，利用治理資源調(diào)配的方式，合理進(jìn)行資源傾斜，有效提升污染物治理績效。文中設(shè)計的評估方法在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。