基于耗散結構理論的礦產資源循環利用系統研究
摘 要：將耗散結構理論應用于礦產資源循環利用系統，礦產資源循環利用系統是復雜的開放系統，具有非線性有序結構，礦產資源循環利用系統內部各子系統之間的作用是非線性的，外部和內部的漲落對礦產資源循環利用系統的穩定性影響是顯著的。耗散結構理論對礦產資源循環利用有重要的啟示，力圖從理論上把耗散結構系統擴大到礦產資源循環利用系統，從而為實現人類社會與自然和諧發展的崇高追求進行有益的思考和探索。
關鍵詞：耗散結構理論;礦產資源;循環利用;對策
我國疆域遼闊、成礦地質條件優越、礦種齊全配套、資源總量豐富，是具有自己資源特色的一個礦產大國。改革開放以來，中國經濟的快速發展是以資源的高消耗、環境的嚴重破壞為代價的。隨著我國經濟的進一步發展，這種粗放的經濟運行方式已不能保證經濟的持續健康發展，能源對經濟良性發展已構成嚴重制約[1]。面對這些問題，礦產資源利用迫切需要新的理論作為指導。耗散結構理論[2]對于目前解決礦產資源利用中遇到的各種問題，提供了理論基礎和現實可能性，對構建礦產資源循環利用系統具有重要的現實意義。
1.礦產資源開發存在的問題
礦產資源的開發，有利于促進經濟的發展和社會的進步，但是目前礦產資源開發中存在的一些問題也相當嚴重，我國長期以來礦產沿用的是大量消耗資源和傳統的粗放式經營模式。重速度、數量，輕效益和質量;重外延擴大再生產，輕內涵挖潛;對礦產資源重開發，輕保護，造成了資源的過度破壞和巨大浪費，自然資源面臨枯竭，導致了礦業的可持續發展面臨巨大的挑戰。目前，我國礦產資源在開發過程中存在的問題如下[3-4]：
(1)礦產資源枯竭，后備資源儲備不足。隨著我國經濟的高速發展，對于各種礦產資源的消耗也隨之增加，加之我國礦業秩序混亂，投資環境差，地質勘探投入嚴重不足，導致新發現的礦產數目急劇減少，礦產資源探明儲量每年呈現下降趨勢，出現了后備礦產資源儲量增長速度嚴重滯后于消耗速度。我國礦產資源對經濟社會的支持力度不斷減弱，可以預見，在未來的幾十年內，隨著我國工業化進程的加快，對于礦業資源的消費需求還將面臨嚴峻的挑戰。
(2)礦產資源有用礦物的回收率低。目前我國選礦工藝及其裝備相當落后，技術水平低，使許多有用的礦物得不到有效的回收，導致礦物資源回收率低。目前我國鐵礦和有色金屬礦有用礦物回收率為50%～60%;非金屬礦有用礦物回收率為20%～60%;煤礦有用礦物回收率為30%～50%。由于選礦和冶金水平與國外有較大差距，導致我國礦產資源總回收率只有30%～40%，遠遠低于國際礦產資源總回收率的平均水平。
(3)礦產資源的綜合利用率低，礦產資源經營粗放。我國的共生、伴生礦較多，但是對共生、伴生礦產進行綜合開發的只占總數的1/3，其綜合回收率不及20%，造成大量礦產資源的浪費。以我國有色金屬礦產的綜合利用而言，國外先進礦山綜合利用率可以達到80%～90%，而國內有色金屬礦產的綜合利用的平均水平為50%。
(4)非金屬礦產資源開發利用落后。國內外非常重視非金屬礦產資源的開發利用，我國有豐富的非金屬礦產資源，種類繁多，性質各異，被廣泛應用于各行各業。但是我國非金屬礦選礦技術落后，造成非金屬礦回收率低，精礦品味低，超級精品少，直接導致非金屬礦產品質量不高。
(5)二次資源的回收利用率低。目前，我國礦山排放的尾礦堆存量巨大，并且每年以2.0×108～3.0×108t的速度增長，尤其是礦山剝離廢石的堆存量達數百億噸。由于我國綜合利用率低，尾礦中存在的大量有價值元素及可利用的非金屬礦遺留在固體廢棄物中，每年礦產資源開發損失總值高達1000億元，特別是建造較早的尾礦，由于受到當時技術條件等方面的限制，尾礦中有價值元素及可利用的非金屬礦損失更大。
礦產資源所面臨的上述問題，如果不能盡快妥善解決，勢必威脅到礦業的可持續發展，而且也會動搖鋼鐵工業的基礎，進而威脅到我國的社會、經濟、政治安全和穩定。面對如此嚴峻的形勢，運用耗散結構理論，使得礦產資源可持續發展，從而實現我國資源、經濟、環境的可持續發展。
2.礦產資源可持續發展的耗散結構
2.1耗散結構理論
普里戈金在非平衡熱力學系統的線性區的研究的基礎上，探索非平衡熱力學系統在非線性區的演化特征。在研究偏離平衡態熱力學系統時發現，當系統離開平衡態的參數達到一定閾值時，系統將會出現“行為臨界點”，在越過這種臨界點后系統將離開原來的熱力學無序分支，發生突變而進入到一個全新的穩定有序狀態;若將系統推向離平衡態更遠的地方，系統可能演化出更多新的穩定有序結構。普里戈金將這類穩定的有序結構稱作“耗散結構”。從而提出了關于遠離平衡狀態的非平衡熱力學系統的耗散結構理論。
耗散結構理論指出，系統從無序狀態過渡到這種耗散結構有幾個必要條件[5]，一是系統必須是開放的，即系統必須與外界進行物質、能量的交換;二是系統必須是遠離平衡狀態的，系統中物質、能量流和熱力學力的關系是非線性的;三是系統內部不同元素之間存在著非線性相互作用，并且需要不斷輸入能量來維持。
2.2礦產資源可持續發展的耗散結構特性
目前我國礦產資源可持續發展面臨來自兩方面的巨大壓力[6]，一是國民經濟持續、快速的增長要求礦業提供更多的礦產資源;二是礦山開發過程中環境保護的任務艱巨。礦產資源可持續發展是傳統發展的內容與非傳統發展內容的有機結合，改變了傳統上關于礦產資源發展關系的認識，運用市場機制、依靠科技進步和發現可替代資源的基礎上，規劃與協調礦產資源的最佳耗竭率，使得礦產資源的發展既能滿足當代人的需要，同時不會對后代人的需要構成威脅，從而實現礦產資源可持續發展和人類代際之間的公正。
實現礦產資源可持續發展必須明確。社會生產力系統是一切經濟活動的基礎，是人們從事生產和進行各種社會活動的載體，要研究耗散結構系統的運行規律，必須首先認識決定其本質的生產力系統的構成和基本內容。礦產資源可持續發展是一個開放的、能與外界進行物質、能量、信息交換的系統;系統的平衡是一種動態平衡，在實踐的過程中為了使礦產資源發展保持絕對的平衡，往往會不自覺地走向另一極端追求平衡，導致整個系統的動態平衡被打破，出現遠離平衡狀態;系統從無序狀態向有
序狀態的躍進，需要不斷輸入能量使遠離平衡的機體要有相當的自身活力和抵抗力，通過漲落達到臨界點實現系統從無序狀態恢復到有序狀態。
3.礦產資源利用的建議與對策
為推動循環經濟在礦產資源領域的發展，要加強相關理論和實踐模式的研究，提高各級礦產資源管理部門和相關企業對發展循環利用的重要性的認識，借鑒國內外先進經驗，采取綜合措施，積極開展礦產資源循環利用的實踐[7-8]。基于耗散結構理論下的礦產資源循環利用是通過優化系統內部結構，借助非線性機制的調節和自組織作用，從而使系統達到一種遠離平衡態的穩定有序的耗散結構的過程和動態行為。
3.1基于耗散結構理論下的建議
1.不斷完善相關法規改革，促進循環經濟在礦業領域中的普及和推廣。立法是推廣循環經濟的最主要手段。盡快完善涉及國土資源安全的法律、法規體系，進一步完善和健全各種單項資源和環境保護法，修改、補充相關法律，使礦產資源循環利用形成一個開放的系統。 開放是系統有序進化的前提，是耗散結構得以形成、維持和發展的首要條件。耗散結構系統作為一個復雜的系統，其開放程度如何，直接決定系統功能的大小。耗散結構系統一刻也離不開它賴以生存和發展的大環境，它必須通過充分的開放，不斷地吸收外界的“負熵”和增大負熵值，才能發生組織結構有序化的轉變。
2.不斷開發應用新技術、新工藝，提高礦業資源綜合利用的技術水平。我國礦產資源綜合利用率不高，關于在于工藝技術水平較低。因此，要加強礦產循環利用技術的基礎理論研究，不斷創新，尤其要開發新技術、新工藝，并使其滲透到礦產資源循環利用的各個領域。遠離平衡態是耗散結構形成的前提條件。一個充滿活力的礦產資源循環利用系統，必須是一個有差異、非平衡的系統。只有遠離平衡態,才能形成耗散結構。通過企業開發應用新技術、新工藝的能力不同，使系統中各個部分的發展區分先后，形成有序結構和動態特征，提高了競爭性，對企業的發展起到極大的推動作用。
為了使耗散結構系統擺脫僵化的平衡態模式，脫離平衡態或遠離平衡態，最后達到動態平衡形成耗散結構，就必須打破舊的平衡態，積極創造促使系統發展的非平衡發展。通過變革、學習、競爭，努力實現動態平衡,形成較高層有序的耗散結構。為此,我們必須做到以下幾個方面：一是改善思維慣式，增強創新意識。改變傳統的礦產資源的發展模式，樹立礦產資源循環利用理念。二是打破靜態平衡，增強競爭意識，鼓勵企業之間開展競爭，通過競爭的方式，使礦產資源循環利用系統在更高層次上實現動態平衡。三是不斷實現自我超越，增強危機意識。通過與外界不斷交流物質、能量和信息,使人們在精神和心理上時常保持一種緊迫感和危機感，并把這種感覺轉變為內在動力,通過建立學習型組織，實現自我超越。
3.大力將高新技術引入礦物加工工程領域。高新技術已經在許多領域發揮了巨大的作用，因此，將高新技術引入礦物加工工程領域，用高新技術改造傳統產業，是解決礦產資源循環利用的有效途徑。礦產資源循環利用系統應成為各要素相互調節的自組織系統，礦物加工工程領域就是礦產資源循環利用系統中重要要素之一，為了系統穩定在新的有序的耗散結構上，必須通過內部的非線性機制來調節。
系統非線性機制的調節必須貫徹以下三種基本思想：一是善于在決策中運用非線性調節思想。將非線性調節思想運用到決策和計劃中，建立考慮非線性目標、非線性約束和決策函數的模型，做到統籌規劃、周密運籌、科學決策，從而減少失誤，達到耗散結構的要求。二是善于在具體操作中貫徹優化結構的思想。運用非線性調節思想對系統的要素進行優化，并通過合理組合，實現系統軟硬資源的最優配置，使要素具備功能非線性加和的性質。三是善于在實踐中貫徹自我完善系統的思想。強化系統深層次的調節，人是負熵流之源，通過理順關系，在系統內逐步形成一種趨同和競爭關系，使系統自我發展、自我完善。
4.礦山固體廢棄物處置的具體技術措施。礦山固體廢棄物主要分為尾礦和廢石。對于這些礦山固體廢棄物處理或處置不當，會給社會、經濟和環境造成嚴重的危害，直接威脅人類的生存。礦山固體廢棄物具有危害性的同時，也具有可利用的特性，是寶貴的二次資源。礦產資源循環利用必須通過漲落來實現，強調了“漲落導致有序”的觀點在非平衡系統具備了形成有序結構的客觀條件后，漲落對實現這種有序結構起著決定作用。
首先, 礦產資源循環利用系統也存在漲落現象，例如一項新技術、新工藝的創新或突破都會對區域的發展起到重要的影響，甚至成為其興衰成敗的關鍵點和轉折點。其次，決策者要善于利用漲落規律，在系統處于發生質變的臨界點之前，要積極創造條件、因勢利導，使其結構能夠通過自反饋與自調節在各種漲落在作用中趨利避害，使系統向所希望的分支躍遷。其三，當系統完成了質變以后，要及時通過非線性機制的調節和自組織效應達到穩定有序。漲落是一種啟動力,可以導致有序，但也可能將企業帶入新的混亂狀態。它強調系統中某個微小變化,可能會帶來大的結果性偏差。這就需要具備把握全局的能力，利用敏銳的洞察力，善于把握趨勢，調整制度、優化決策、調配資源，使漲落引發的非線性相關作用向著有利于形成功能更加完善的耗散有序結構方向演化發展，推動礦產資源循環利用系統不斷前進。
3.2礦產資源利用的對策
開展礦山固體廢棄物處置與處理，進行無廢工藝的研究，實現礦山固體廢棄物的“減量化、資源化、無害化”，化害為利，變廢為寶，從根本上改善和提高礦區生態環境質量，提高礦山經濟效益，促進我國礦產資源的合理配置，實現礦產資源循環利用，是我國礦業所面臨的主要任務。為此，必須做到：
(1)從源頭做起，開展資源綜合利用。從源頭做起，開展一次資源的綜合利用，減少固體廢棄物的產生量，特別是細粒尾礦的產生量。在工藝設計和生產實際中，除了要提高礦石中主元素的回收率外，還要考慮伴生、共生的金屬元素、非金屬元素的綜合回收。對于綜合回收技術還不太成熟的復合多金屬礦，可以采取資源儲備方式，同時建立尾礦整體利用的數據庫及信息管理系統。
(2)開展礦山固體廢棄物的資源化，增加資源補給。由于我國礦產資源貧、細、雜的特點，以及受當時經濟技術條件的限制，礦
產綜合利用工藝技術還存在一些尚未解決的問題，致使不少礦產資源未能綜合利用，即使進行了綜合回收，關于這方面的典型例子已很多;廢石、尾礦用于建筑材料、生產建材產品或用于采空區充填料。
(3)建設礦山固體廢棄物整體利用示范工程和無廢礦山。按產業部門選擇大、中、小代表性礦山建設固體廢棄物整體利用示范工程，開展尾礦資源特征及整體利用研究，建立示范礦山。另外，國家要積極組織好試點工作，試點工作要全面展開，同時國家有關部門要加強與其他部門的相關合作，共同搞好試點工作，使礦產資源循環利用的工作真正落實到實處。
我國的礦山企業要實現礦產資源的循環利用，必須針對自己的實際情況制定出具體的對策和措施，依靠技術創新和理論突破，有效開發和利用礦產資源，采用新的工藝技術、新型設備，加強對礦產資源的循環利用的研究。
4.結論
礦產資源循環利用系統具有明顯的耗散結構系統的特性，應用耗散結構理論，可以有效地理解和分析我國在礦產資源利用方面存在的問題。礦產資源的有效配置或利用是決定和制約國民經濟發展的重要因素。根據礦產資源循環利用系統具有開放性、動態平衡、非線性和漲落的耗散結構特征，運用耗散結構理論，提出礦產資源循環利用的四點建議：不斷完善相關法規改革，不斷開發應用新技術、新工藝，大力將高新技術引入礦物加工工程領域，礦山固體廢棄物處置的具體技術措施。從而使我國對礦產資源利用實現從源頭做起，開展資源綜合利用;開展礦山固體廢棄物的資源化，增加資源補給;建設礦山固體廢棄物整體利用示范工程和無廢礦山。礦產資源循環利用可以有效地緩解我國目前資源的短缺和大量消耗的困境，為我國經濟的持續發展起到推動作用。
參考資料:
[1] 吳季松.新循環經濟學[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2] 沈小峰, 胡崗, 姜璐. 耗散結構論[M]. 上海: 上海人民出版社,1987.
[3] 張德明，喬繁盛.循環經濟：礦業經濟發展的必然模式[J].國土資源情報,2005
[4] 王冰冰,于傳利,宮國靖.循環經濟:企業運行與管理[M].北京:企業管理出版社,2005.
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