矿业是对生态环境损害最大的行业之一,最大限度地降低这种损害不仅需要土地复垦等末端治理措施,还需要在矿山设计中贯彻“为环境设计”的理念,实现生态环境压力的源头减量。然而,在国内外的矿山设计中,至今仍然把生态环境的损害视为外部效应而不予考虑,仍然以纯经济效益最大化为开采方案设计的核心目标。虽然很多国家的法规都要求对矿山项目进行环境评价,但环境评价与矿山设计相互独立,没有反作用于设计方案。本文以金属露天矿为对象,以对矿山生产的经济效益和生态环境损害有重大影响的最终境界和开采计划为切入点,研究生态成本内生化的优化设计方法。基于金属露天矿的生产特点,应用生态足迹概念与方法,量化了矿山生产的生态压力,包括直接压力和间接压力两大部分:前者是矿山生产中挖损、压占的土地面积,包括露天采场、排土场、尾矿库、专用道路和设施等对土地的挖损和压占,它们对土地上的生态系统造成直接破坏;后者是矿山生产中各种能耗所产生的污染物排放对生态环境的间接损害,如空气污染、温室效应等,用吸收污染物所需要的林地面积度量其生态压力。借鉴生态成本领域的研究成果,把生态压力转化为生态成本。本研究把生态成本定义为“伴随生态功能丧失的生态价值损失和恢复生态功能所需的费用。”对于金属露天矿,把生态成本分为四大项:直接经济损失——生态系统能够提供的具有市场价值的产品(如农田的农作物、林地的林木、草原的牲畜)的价值损失;外生生态价值损失——生态系统能够提供的除了经济产品之外的其他生态服务(如林地的水土保持、空气净化、氧气释放等)的价值损失;生态恢复成本——主要是土地复垦费用;能耗生态成本——吸收或处理矿山生产能耗所排放的污染物的成本。前三项对应于矿山生产的直接生态压力,后一项对应于间接生态压力。基于这一分类,建立了基于金属露天矿生态成本的具体估算模型。把生态成本纳入最终境界优化算法,实现了生态成本内生化的境界优化。境界的大小决定了采矿量和剥岩量,不同的境界显然造成不同的采场、排土场和尾矿库等对土地的损毁面积,即造成不同的直接生态压力;同时,不同境界对应的能耗总量也不同,即造成不同的间接生态压力。因此,不同境界的生态成本不同。然而,要计算生态成本就要先圈定境界。为解决这一矛盾,基于境界优化的锥体排除法,设计了生态成本内生化的境界优化迭代算法:先不考虑生态成本优化出一个初始境界,然后计算境界的生态成本,再把各项生态成本按其作用对象纳入采矿、剥岩和选矿成本中,重新优化境界,如此迭代下去直到相邻两次的优化结果相同或足够接近,就得到了考虑生态成本的最佳境界。把生态成本纳入已知境界的开采计划优化模型,实现了生态成本内生化的开采计划优化。在已知境界中优化开采计划,就是确定每年的采矿量、剥岩量、采剥位置(即开采顺序)和开采寿命,使矿山生产的总净现值(NPV)最大。显然,不同的开采计划在不同的时间段造成不同的土地破坏面积(即直接生态压力)和不同的能源消耗对应的间接生态压力。也就是说,不同的开采计划具有不同量的生态成本在时间轴上的不同分布。因此,生态成本直接影响开采计划的NPV,从而影响开采计划的选择。本文首先在境界中按工作帮坡角产生一个增量足够小的“地质最优开采体序列”,序列中的每个开采体是所有同样大小的开采体中含金属量最大者;然后对序列中的地质最优开采体进行动态排序,找出使NPV最大的那个地质最优开采体子序列,子序列中的第i个开采体就是第i年推进到的最佳位置(即最佳采剥区段),从而得到最优开采计划。在动态排序模型与算法中,依据开采体的矿岩量和地表面积计算各项生态成本,并对应到不同排序路径的不同状态,使生态成本在开采计划优化中同正常成本一样发挥作用,从而实现了生态成本内生化的开采计划优化。由于境界和开采计划不是相互独立而是相互作用的,所以先优化境界而后在境界中优化开采计划不能得到全局最优方案,必须对二者实行整体优化。本文首先按最终帮坡角产生一个“地质最优境界序列”,其中的每个境界是所有同样大小的境界中含金属量最大者,这一序列中的境界是整体优化的最佳候选境界。然后应用上述在已知境界中优化开采计划的模型与算法,对每个候选境界进行开采计划优化,得到所有候选境界及其计划的NPV,最大NPV对应的那个候选境界及其计划就是境界-开采计划的全局最优方案。在每个候选境界的开采计划优化中纳入生态成本,就实现了生态成本内生化的境界-开采计划整体优化。基于南芬露天矿的实际地质模型和技术经济条件,应用所建立的优化模型与算法,进行了考虑和不考虑生态成本的境界优化,境界优化结果境界内的开采计划优化,以及境界-开采计划整体优化的实例研究与对比分析。结果表明:本文建立的生态成本内生化优化模型与算法体系具有合理性和实用性;生态成本对金属露天矿的最终境界和开采计划均有不可忽视的影响;无论是考虑还是不考虑生态成本,境界-开采计划整体优化均优于境界和计划单独优化。