油氣資源承載能力宏觀性評價方法與案例試點

徐興雨,王偉鋒,李瑞敏,陳 謀,李海良

(1.中國石油大學 (華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580;2.中國地質調查局地質環境監測院,北京 100081;3.廣西地質環境監測總站,南寧 530028)

0 引 言

能源礦產是人類生活與生產的物質基礎, 也是人類經濟社會發展的基本條件, 在可持續發展的社會中, 非可再生資源的承載能力已經成為制約社會發展與維持生態平衡的重要因素。 隨著國民經濟的快速增長和人民生活水平的穩步提升, 我國在能源產量, 特別是石油天然氣開采量快速增長的同時, 對生態環境也造成了一定的影響。 此外, 在我國存在大量的能源礦產依賴型城市, 以礦產開采、 加工為主導或支柱產業的城市, 占全國總數的34%, 他們對我國建立獨立完整的工業體系、 促進國民經濟發展作出了重要的貢獻。這些城市不僅是能源礦產開發的生力軍,更是我國重要的戰略資源保障基地,是國民經濟持續健康發展的重要支撐,然而隨著礦業城市的快速發展,人口、資源、環境之間的矛盾不斷增大,這些典型城市都將面臨像甘肅玉門一樣資源枯竭、資源承載力消失的風險,這就要求工業化、城鎮化的快速推進必須在資源環境承載的閾值內實現[1-2]。

關于承載能力的研究[3-5],最早見于1758年法國經濟學家Francois Quesnay的著作《Tableau Ecollomique》,書中論述了土地資源的生產能力與財富累積的關系,對承載能力的概念進行了探討;1798年,英國經濟學家Malthus在其著作《人口論》中系統論述了食物對于人口的極限承載能力,隨后許多科學家分別從不同角度對馬爾薩斯的理論進行了完善;在20世紀50年代，William Allan提出了一定的土地資源最多能承載的人口極值,并提出了以食物為主要參考標準的土地資源承載能力公式,并以此推算出了一定地區所能承載的人口數量的最大值;70年代初,美國學者Meadows提出了包括了人口數量、生態環境、工農生產等評價因子的計算模型,首次將各種因素統籌于承載能力的概念中;80年代初,UNESCO綜合人口、資源、環境與發展之間的關系,模擬在不同的變量下,發展中國家人口與承載能力間此消彼長的關系,并在此基礎上發布了ECCO評價模型,且成功在肯尼亞、贊比亞等非洲相對貧困國家得到了應用。在此之后,承載能力的概念擴展到礦產資源領域。我國對承載能力的相關探討起步較晚,最早見于1986年梅成瑞[6]對土地資源承載能力的相關論述；1996年徐強[7]率先提出了礦產資源承載能力的概念,即：在一個可預見的時期內,在當時的科技水平和自然條件允許下,礦產資源的經濟可采儲量對社會經濟發展的支持能力；王玉平等[8]提出了礦產資源經濟承載力的含義、評價指標體系和數學模型,并通過測算得出我國主要礦產資源對未來一段時間經濟發展支撐能力不足的結論；齊亞彬[9]首次提出了石油天然氣的承載能力,并以天津市為研究對象對油氣資源的開發方式進行了研究。

綜上所述,目前對于礦產資源承載能力的研究多是從某一個獨立角度出發構建礦產資源環境承載力評價指標,少有從多要素角度對礦產資源特別是油氣資源的承載能力進行綜合評價的。針對油氣資源承載能力的評價工作總體還處于起步階段,尤其是油氣資源承載能力評價的總體思路、評價技術方法、評價指標體系等都相對薄弱,尚未形成一套業內廣泛認可的評價指標體系?；诖?本文通過梳理油氣資源開發現狀,從多個角度篩選承載能力評價因子[10-12],建立承載能力宏觀性評價方法體系,并結合陜西省延安市實例,以期實現油氣資源承載能力的綜合評價,為我國油氣資源的可持續發展提供技術支持。

1 油氣資源承載能力及評價指標體系

1.1 油氣資源承載能力概念內涵

油氣資源承載能力是一個涵蓋資源、經濟、人口、環境等要素的綜合概念,是指在一定的時期和一定區域范圍內,維持區域資源開發符合可持續發展需要,區域社會和生態環境功能仍具有維持其穩態效應能力的條件下,區域資源系統所能承受來自人類各種社會經濟活動壓力大小的一種能力。油氣資源承載能力的定義從本質上反映了油氣資源與人類工程經濟活動之間的辨證關系,建立了油氣開發與人類活動之間的關系紐帶,為油氣資源開發與人類活動之間的協調發展提供了理論依據[12]。

1.2 指標選取原則

油氣資源環境評價指標體系需從宏觀角度反映規劃實施帶來的環境、社會經濟影響,選取定性與定量相結合的原則搭建評價指標體系,主要遵循如下原則:① 動態性原則:須考慮系統內各構成要素所具有的運動特性和發展特性,盡可能把評價區時間和空間上油氣資源的發展變化刻畫出來；② 可操作性原則:既要考慮數據獲取的可能性,又要考慮評價體系的可實踐性,故本次評價對于油氣開發過程中,涉及到的石油開采污水回注、井場集輸管線滲漏、勘探及燃料燃煙氣排放、開采過程伴生硫化氫、鉆井廢棄泥漿巖屑、石油運輸落地油、罐底油泥等在實際評價中較難以獲取的細致性指標,暫不作考慮；③ 可比性原則:同一地區在不同的時間節點上具有可比性,且不同地區在同一時間節點也具有可比性；④ 整體性原則:指標在選取時要求指標性質之間盡量互補,能從不同方面、用不同角度系統地反映評價區整體承載能力；⑤ 客觀性原則:所建立的指標體系,必須能客觀地反映一個地區礦產資源可開發的實際情況[13]。在實際應用中,在不違背基本原則的前提下,結合評價區發展的實際情況,可對評價指標進行適當調整與完善[14]。

1.3 評價指標體系

油氣資源承載能力評價包括承載本底、承載狀態和承載能力3個指標。

所謂油氣資源承載本底,是指在當前科學技術水平下評價區的礦產資源稟賦,反映評價區的油氣資源基本供應能力。油氣資源承載狀態,是指在一定時期和一定區域內,油氣資源所能提供的支撐能力與維持人類正常生產活動、生態平衡、經濟社會發展等所帶來的壓力之間的關系。承載能力是在承載本底和承載狀態的基礎上綜合評價而得到的。

承載本底評價重在研究礦產資源自然稟賦優劣,取決于當前經濟技術條件下可開采利用的資源儲量在全國空間范圍內的優劣程度;承載狀態評價重在研究可利用油氣資源量在當前經濟技術和環境條件下適宜開發情況。根據油氣資源勘探開發的環境影響特點,將石油、天然氣資源承載能力評價指標體系劃分為3個層次，如圖1所示。

圖1 油氣資源承載能力評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of oil and gas resources carrying capacity

2 油氣資源承載能力評價方法

在搭建“承載本底-承載狀態-承載能力”指標體系下,利用層次分析法確定各單因素指標權重,采用綜合評價法對油氣資源區域環境狀況進行分析及診斷,得出油氣資源承載本底和承載狀態綜合評價指數,為油氣資源區域生態環境管理提供參考和依據。

2.1 承載本底指標及評價——資源可利用量占比

礦產資源承載本底評價指標選用資源可利用量占比來衡量,指標意義及評價方法如下。

針對油氣資源特點,可開采利用的資源量采用剩余技術可采儲量來表示。資源可利用量占比可作為油田擴大生產能力、編制開采設計的依據,亦可作為上級機關編制建設規劃、總體設計的依據。計算公式如下

Pro=Rt/RT×100%。

式中:Pro—資源可利用量占比;Rt—區域內某種礦產的剩余技術可采儲量;RT—全國該類礦產資源總的剩余技術可采儲量(保有儲量)。 其中:剩余技術可采儲量是指一個油氣田投入開發,并達到某一開發階段,探明儲量減去動用儲量所剩余的儲量,即,到統計上報之日為止,探明的礦產儲量扣除出礦量和損失礦量,礦床還擁有的實際儲量。它反映的是已探明儲量在現有技術經濟環保條件下還可動用的儲量[15-17]。

根據資源可利用量占比,基于以下分級原則:能反映空間差異性;同類型地區既相似,又可比;滿足評價區域當前功能定位。將油氣資源承載本底按不同層級劃分為5個等級(表1),即:高、較高、中、較低和低。

表1 油氣資源承載本底分級標準

Table 1 Classification standard of oil and gas resources carrying backgroundPro/%

高較高中較低低油(省)≥10[5,10)[1,5)[0.05,1)<0.05油(市)≥5[1,5)[0.5,1)[0.05,0.5)<0.05油(縣)≥1[0.5,1)[0.1,0.5)[0.01,0.1)<0.01氣(省)≥20[10,20)[5,10)[1,5)<1氣(市)≥10[1,10)[0.1,1)[0.01,0.1)<0.01氣(縣)≥1[0.1,1)[0.01,0.1)[0.001,0.01)<0.001

2.2 承載狀態指標

油氣資源承載狀態評價利用一個綜合指標(承載指數)反映評價區域上可利用油氣資源適宜開發的整體狀況。承載指數用于評價區域上可開采利用的油氣資源在即注重經濟發展,又注重生態保護的條件下適宜開發的規模和強度,數值范圍在0～100。承載指數包括油氣經濟占比指數、油氣就業指數、開采破壞指數、廢物排放強度4個分指數。

2.2.1 油氣經濟占比指數 油氣經濟占比指數反映被評價區域內油氣資源開發過程中,工業增加值對該區域GDP的重要程度，其計算公式為

Em=Ake×Miav/GDP，

式中:Em—油氣經濟占比指數;Ake—油氣經濟占比指數的歸一化系數;Miav—油氣開發工業增加值;GDP—地區生產總值。 應注意的是， 指標閾值的設定需根據不同地區情況適度調整。

2.2.2 油氣就業指數 反映被評價區域內油氣田開發過程中,油氣資源影響人口就業程度，其計算方法為

Jm=Akj×Ne/N，

式中:Jm—油氣就業指數;Akj—油氣就業指數的歸一化系數;Ne—油氣從業人員總數;N—區域內人口總數。

2.2.3 開采破壞指數 反映被評價區域內油氣田開發過程中,對區域的破壞程度，其計算公式為

Imdb=Amdb×Sb/ST，

式中:Imdb—開采破壞指數;Amdb—開采破壞指數的歸一化系數;Sb—開采破壞面積;ST—區域總面積。

2.2.4 廢物排放強度 廢物排放強度的強弱反映在油氣田開發過程中,一定規模等級的開采強度能夠對開發地造成的污染程度,用來預警礦產開發或繼續開發的可行性[18]。計算公式為

式中:TPDQ—廢物排放強度;M—礦產資源年開采量(或產能);ST—礦產開發區區域總面積;Ai—第i類廢物的歸一化系數;Wi—第i類廢物在總排放物中的權重;Ci—第i類廢物的污染系數。石油開采行業污染系數如表2、 表3所示。

表2 石油開采行業污染系數

注:A為各油田含水率。

表3 天然氣開采行業污染系數

2.3 指標量化方法及權重確定

評價指標涉及范圍比較廣,由于每個指標有不同的量綱,因此指標數量級差異很大,故首先需要對評價指標進行無量綱化處理。以上4個分指數中的歸一化系數是指對數據進行無量綱化處理的系數,取一系列數據中最大值的倒數的100倍,即

歸一化系數=100/A最大值,

式中:A最大值—某指數歸一化處理前的最大值。

評價指標權重的賦予必須要盡量符合客觀規律,排除主觀因素的干擾。在評價指標體系中,由于各指標的變化對于整體的影響程度不同,這就需要在尋求合適的權重確定方法的基礎上,根據各級指標的重要性程度對指標分別賦予合理的權重。本方案設立兩級權重指標：在一級權重指標中應保證正向指標和負向指標權重之比為1∶1,以保證整個評價體系的科學性；二級權重則根據具體評價地區實際情況統籌確定,以保證評價體系的合理性[19]。具體操作如下:

采用層次分析法為基礎確定評價指標的權重大小。首先對評價指標重要性進行評估,在廣泛征求專家意見的基礎上,針對研究區域(各油田)污染物排放特點完成各評價指標的權重賦值,最終結合專家意見和調查結果確定各評價指標權重值[20]。承載狀態各指標權重分配如表4所示。

表4 油氣資源承載狀態指標體系

2.4 承載狀態評價

在完成上述分指數評價的基礎上,對油氣資源承載狀態進行承載狀態評價,承載指數的計算公式為

Y=WEm×Em+WJm×Jm+WImbd×(100-Imdb)+

WTPDQ×(100-TPDQ),

式中:Y為承載指數;W為各分指數權重;Em、Jm、Imbd、TPDQ分別為4個分指數。

根據承載能力評價的內涵, 將承載狀態等級劃分為盈余、 均衡、 超載3個等級, 劃分標準見表5。

2.5 承載能力評價

在承載本底和承載狀態評價的基礎上,按照表6對評價區進行承載能力綜合評價。

表5 油氣資源承載狀態評價分級標準

表6 油氣資源承載能力評價分級標準

2.6 修正建議

為確保評價結果的客觀可靠性,各指標的基礎數據主要來源于公開數據及已完成項目的成果,主要包括:全國礦產資源利用現狀調查、全國礦產資源潛力評價、全國年度礦產資源儲量通報、各地綠色礦業發展規劃、各地年底礦產資源開發利用報告、各油田儲產數據統計、各地政府工作報告、各地生態環境現狀調查報告，以及人口、能源等年度統計年鑒等。

部分未能獲取數據的指標可選擇近似指標代替(如廢物排放強度可采用主要污染物排放強度代替、礦產開發區區域面積可采用礦權面積代替、采礦破壞面積可采用礦權面積代替等),或者通過現場調研、補充調查等形式完成。特別地,為使總體評價成果更趨向于實際,需對一些已有成果中的關鍵部分進行點上的補充調查,以進一步修正評價成果。

3 案例研究——延安市承載能力分析

延安市位于黃土高原的中南地區,東西最大橫距257.85 km,南北最大縱距239.12 km,全市總面積3.7萬km2。延安油氣資源豐富,地形多為黃土溝壑,勘探上具有長期性和復雜性的特點[20],生態環境相對薄弱。延安市2017年石油資源量14億t,天然氣資源量3 000億m3以上,是國家重要的能源接續地。

根據評價指標中的具體要素,通過實地走訪調查、資料調研、網絡和出版物數據整理等多種方式,收集了延安市2017年的基礎資料,包括各油田的油氣資源的資源量、儲量、產量數據、人口數、國民生產總值、在冊職工數、勘探面積等相關基礎數據。數據主要來源于2017年的各縣綠色礦業發展規劃、各油田年度資源開發利用情況報告、地方統計年鑒或統計調查數據、各地人口發展報告、各地相應經濟規劃、各地環保部門發布數據、各地生態環境評價報告等,或者來源于各個縣的國土資源網站、統計局網站,以及各縣統計年鑒等權威數據。

將收集的各項基礎數據根據上述方法分別計算出承載本底和承載狀態各指標數值。從承載本底評價的結果(表7、 表8, 圖2a、b)來看,安塞區、志丹縣和延長縣油氣資源稟賦最好,石油天然氣資源可利用量占比分別達到了2.42%、1.255%和2.10%、1.108%以及0.75%、1.709%,其次為寶塔區,其石油承載本底為較高級,位于延安南部的黃龍縣和洛川縣無可開采油氣資源,故承載本底最差。

延安市各區縣承載指數整體北部優于南部(表9、 表10, 圖2c、 d), 具體來看, 延安市西北部屬于石油資源的重點開發區域, 南部區域則資源量較小, 不適宜開發。 13個縣中, 志丹縣石油承載狀態為盈余, 承載指數是80.03, 適宜開發; 延長縣、 安塞區、 甘泉縣、 吳起縣承載狀態為均衡, 承載等級較高,承載指數63.03～65.72,可以進行限制性開發;除洛川縣和黃龍縣沒有石油資源外,寶塔區、延川縣、子長縣、富縣、黃陵縣和宜川縣石油資源處于超載狀態,應引起進一步重視。

從4個分指數角度分析, 吳起縣礦業經濟占比為全市最高, 表明石油勘探開采工業在全縣的經濟構成中占有很大比例； 其次, 礦業就業指數占比為全市第二, 其石油勘探開發承載了較多的人口就業壓力；但同時應注意到兩個負向指標對環境的影響較大,在下一步的工作中應注重開發區域的土地恢復與污染物的排放控制。其余各區縣中,志丹縣的采礦破壞指數和廢物排放強度均較高,這表明在開發過程中破壞面積的修復程度低和對污染物的排放限制有待加強,因此,在繼續開發的過程中,需要強化對因開發造成的破壞進行修復或恢復治理力度,嚴格按照國家相關規定限制污染物的排放。對于處在均衡區的延長縣、甘泉縣、安塞區,如果要進行限制性開發,限制條件應該是在保持嚴格控制污染物排放的情況下,重點開展已破壞面積的修復和恢復治理。

表7 延安各縣石油承載本底評價結果

表8 延安各縣天然氣承載本底評價結果

圖2 延安油氣資源承載本底和承載狀態評價圖Fig.2 Carrying background and state of Yan′an oil and gas resourcesa—石油承載本底;b—天然氣承載本底;c—石油承載狀態;d—天然氣承載狀態

表9 延安各縣石油承載狀態評價結果

表10 延安各縣天然氣承載狀態評價結果

天然氣方面,各區縣天然氣承載狀態呈現北優南弱的態勢。具體看來,西北部屬于天然氣資源的重點開發區域,南部區域則資源量較小,開發程度也較低。整體來說,本區天然氣開發尚處于初步階段,開發程度較低。吳起縣天然氣資源承載指數為74.76,屬于均衡區域范圍,且該縣承載指數為全市最高,表明吳起縣的天然氣勘探開發走在全市前列。其余各區縣中,安塞區和志丹縣以及延長縣的經濟占比均較高,但同時負向指數部分較為不理想,應該修復或恢復治理與嚴格控制污染物排放兩手并重。

綜合承載本底和承載狀態,最終得出延安市各區縣承載能力如表11、表12、圖3所示。除洛川縣和黃龍縣以外,其余各縣均有油氣資源分布。全市油氣資源承載能力差異較大,總體上呈現北部大于南部,西部優于東部的特點。評價結果較為符合當地實際情況,說明該指標系統能夠較為準確地反映出評價區資源環境承載狀況,具有實際應用價值。

表11 延安各縣石油承載能力評價結果

表12 延安各縣天然氣承載能力評價結果

圖3 延安石油(a)、天然氣(b)資源承載能力評價圖Fig.3 Carrying capacity of Yan′an oil(a) and gas(b) resources

4 結 論

(1)通過分析國內資源型城市現狀,結合油氣資源特點,初步厘定了油氣資源承載能力的內涵:指在一定的時期和一定區域范圍內,在維持區域資源開發符合可持續發展需要,區域社會和生態環境功能仍具有維持其穩態效應能力的條件下,區域油氣資源系統所能承受來自人類各種社會經濟活動壓力大小的一種能力。

(2)通過梳理油氣資源儲產現狀及特點、資源利用情況、環境質量現狀等環境因子,初步提出了基于資源、經濟、人口、環境等多因素的評價方法,選取了油氣資源稟賦、油氣經濟占比指數、油氣就業指數、開采破壞指數、廢物排放強度等宏觀性評價指標,從承載本底-承載狀態-承載能力三方面構建了全國油氣資源承載能力評價體系。

(3)以油氣資源型城市延安為例,對承載能力評價體系開展應用案例評價,結果顯示:除洛川縣和黃龍縣以外,其余各縣均有油氣資源分布,安塞區、志丹縣和延長縣油氣資源稟賦最好,志丹縣承載狀態最為突出?？傮w上,延安市油氣資源承載能力呈現北部大于南部,西部優于東部的特點。評價結果較為符合當地實際情況,說明該指標系統能夠較為準確的反映出評價區資源環境承載狀況,應用效果良好,評價結果可為后續大規模開展油氣資源環境影響評價提供參考。