某露天煤礦生態(tài)足跡和生態(tài)包袱的分析

初道忠,朱慶麗

(1.山東理工大學(xué),山東淄博255049;2.東北大學(xué),遼寧沈陽110004)

21世紀(jì),隨著我國加入W TO,世界經(jīng)濟(jì)全球化和國家進(jìn)一步開放,我國煤炭工來將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面對激烈的市場競爭和嚴(yán)格的環(huán)境約束,需要從戰(zhàn)略的高度來全面的研究煤炭產(chǎn)業(yè)的對策,以確保我國能源安全和煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。這就需要重新認(rèn)識煤炭開采與生態(tài)資源的關(guān)系,弄清煤炭各個環(huán)節(jié)所帶來的生態(tài)壓力。重新塑造一種“資源節(jié)約、污染少、能耗低”的循環(huán)發(fā)展體系。生態(tài)足跡指標(biāo)和生態(tài)包袱被廣泛應(yīng)用于研究社會-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的代謝特征,人類消費(fèi)對生態(tài)資源占用和對生態(tài)的沖擊,量化生態(tài)壓力。

本文用生態(tài)足跡與生態(tài)包袱相結(jié)合的方法,對某煤炭露天礦的生態(tài)壓力進(jìn)行分析,揭示其近期發(fā)展規(guī)律,并得出其恢復(fù)生態(tài)承載的最佳途徑是植樹造林。

1 煤炭露天開采中的生態(tài)足跡

1.1 生態(tài)足跡

生態(tài)足跡 (Ecological Footp rint)是近幾年來發(fā)展并流行的一種量化測度可持續(xù)發(fā)展、資源效率、生態(tài)效率的重要方法[2,3]。生態(tài)足跡現(xiàn)有的計(jì)算方法,有綜合法和成分法[4]。綜合法以各類物質(zhì)的宏觀統(tǒng)計(jì)量為基礎(chǔ),計(jì)算一個地域或群體對各類物質(zhì)的整體消費(fèi)及其對應(yīng)的生態(tài)足跡,適合全球、國家和區(qū)域?qū)哟蔚纳鷳B(tài)足跡研究;成分法則以構(gòu)成消費(fèi)成分的單體測量為基礎(chǔ),計(jì)算研究對象的物質(zhì)消費(fèi)量和生態(tài)足跡,適合于小單元對象的生態(tài)足跡計(jì)算,如城鎮(zhèn)、村莊、公司、小學(xué)校、個人或單項(xiàng)活動等[5,6]。

本文將生態(tài)足跡的研究應(yīng)用于煤炭露天開采中,分析采煤過程中的生態(tài)壓力,應(yīng)用生態(tài)足跡的模型和成分法中能源生態(tài)足跡模型來計(jì)算采煤中生態(tài)足跡。將各種消費(fèi)量折算為耕地、牧草地、林地、建用地、海洋 (水域)、化石能源地等六類基本的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。支持某一類區(qū)域人類消費(fèi)所需要的6類生態(tài)生產(chǎn)性土地的任一類的面積Ak為:式中:n為該區(qū)域人類消費(fèi)中由第K類土地提供的消費(fèi)項(xiàng)目的數(shù)量;Aki、Cki和Yki分別表示由第 K類土地提供的第i種消費(fèi)的土地需求面積 (hm2)、年消費(fèi)量 (t·-1)和世界平均生產(chǎn)力 (t·hm-2·a-1)。

1.2 成分法中能源的生態(tài)足跡

能源主要有煤炭、石油、天然氣和電力,能源消費(fèi)對生態(tài)沖擊主要表現(xiàn)為CO2排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)。要抵消這一沖擊,就需要有足夠的林地來吸收CO2,所以能源消費(fèi)對土地占用是林地。由于這類土地專門用于吸收CO2,不以生產(chǎn)林產(chǎn)品為目的,故將其獨(dú)立列出,稱之為“化石能源地”。上述4種化石能源消費(fèi)所需的化石能源地面積為:式中:Ac、Ao、Ag、Aeare分別計(jì)算年內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電力消費(fèi)所需的化石能源地面積;Qc、Qo、Qg、Qe分別為計(jì)算年內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電力的消費(fèi)量;η為燃燒鍋爐的平均燃燒率;Cc、Oc、Gc分別為煤、石油、天然氣的 C排放因子;β為C與CO2的轉(zhuǎn)化因子;ρ為天然氣的密度;ECO2為普通火電廠單位發(fā)電量的 CO2排放量;Pa為平均每公頃林地一年內(nèi)可吸收的 CO2量 (即化石能源地的平均生產(chǎn)力)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

收集某煤礦露天礦2004～2008年5年在分類項(xiàng)中所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時有幾點(diǎn)需要說明:

1)物質(zhì)投入系數(shù)采用德國伍伯塔研究所(W uppertal Institute)關(guān)于生態(tài)包袱的計(jì)算表進(jìn)行計(jì)算。

2)由于運(yùn)輸帶的、炸藥、汽油的用量相對小,并且一些相關(guān)物質(zhì)投入系數(shù)很難找到,所以在計(jì)算生態(tài)包袱時以其自身的重量計(jì)算。

3)木材的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中單位為立方米,本文按照1m3=0.8t木材的系數(shù)將它們折算成重量。

1.4 露天煤礦開采中的物質(zhì)投入

露天煤礦開采中的物質(zhì)投入,主要是電、煤炭、柴油、汽油、鋼材、木材、運(yùn)輸帶、炸藥、新水和水泥。

1.5 露天煤礦的生態(tài)足跡及分析

根據(jù)分類項(xiàng)及數(shù)據(jù)處理方法,并采用表1所示的能源排放因子,計(jì)算得露天礦的生態(tài)足跡見表2。根據(jù)產(chǎn)煤量,得出噸煤的生態(tài)足跡見表3。露天礦噸煤的生態(tài)足跡變化情況,如圖1所示。端全面地揭示產(chǎn)品對自然資源的消耗和對生態(tài)環(huán)境的沖擊。一件產(chǎn)品的生態(tài)包袱等于其物質(zhì)投入總重量與產(chǎn)品自身重量之差,其生態(tài)包袱系數(shù)則是其物質(zhì)投入總重量與其自身重量的比值。

表1 能源生態(tài)足跡的排放因子表

表2 露天煤礦資源消耗的生態(tài)足跡 (hm2)

表3 露天煤礦噸煤的生態(tài)足跡

圖1 露天礦噸煤生態(tài)足跡圖

產(chǎn)品直接使用的物質(zhì)一般都不是單一的,計(jì)算其生態(tài)包袱時需要考慮涉及到的所有物質(zhì),包括直接使用和間接動用的物質(zhì)。所有物質(zhì)的量都以重量計(jì)算。一件產(chǎn)品含有的和生產(chǎn)中消耗的各種物質(zhì)的重量Wi乘以各自的生態(tài)包袱系數(shù)γi,再求和就是該產(chǎn)品的物質(zhì)投入總重量,再減去產(chǎn)品自身的重量就是該產(chǎn)品的生態(tài)包袱R,即:

其生態(tài)包袱系數(shù)為:

露天礦的生態(tài)足跡對應(yīng)的是化石能源地和林地。其中化石能源地占到總生態(tài)足跡的89.3%以上,林地占總生態(tài)足跡1.44%～10.69%。電力生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的52.7%～61.43%,煤炭生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的28.56%～32.38%,二者隨著開采的進(jìn)行呈上升趨勢。鋼材的生態(tài)足跡占到總生態(tài)足跡的1.18%～9.43%,木材的生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的1.44%～10.69%,二者隨著開采的進(jìn)行均成下降趨勢。燃油類的生態(tài)足跡隨著開采的進(jìn)行略有增加,但不到總足跡的4%。露天礦噸煤的生態(tài)足跡隨著采煤的進(jìn)行呈下降趨勢,說明隨著開采的進(jìn)行,露天礦的生態(tài)壓力有所降低。

2 煤炭露天開采中的生態(tài)包袱

2.1 生態(tài)包袱

生態(tài)包袱 (Ecological Rucksack)的概念由魏茲舍克 (Weizsaecker)最先提出,生態(tài)包袱是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝的重要組成部分,歐盟的物質(zhì)總需求50%左右是生態(tài)包袱[7]。生態(tài)包袱形象地表達(dá)出人類為獲得有用物質(zhì)而造成的附加生態(tài)壓力。生態(tài)包袱是人類獲得有用物質(zhì)和生產(chǎn)產(chǎn)品而動用的沒有直接進(jìn)入交易和生產(chǎn)制程的物料,在物質(zhì)流賬戶中又被稱為隱藏流[8]。例如為了開采煤炭,必須挖許多巷道及剝離大量巖石,這些工作并未直接進(jìn)入產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和產(chǎn)品本身,故稱為隱藏流,亦即生態(tài)包袱。生態(tài)包袱可以從輸入

生態(tài)包袱計(jì)算的關(guān)鍵是找出所有投入,需強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn):①能量消耗 (如電力)也作為“物質(zhì)”投入;②需追蹤“投入的投入”及其生態(tài)包袱,如電力投入引起的煤炭投入和煤炭的生態(tài)包袱、鋼鐵投入引起的鐵礦石的生態(tài)包袱等。

為了找出所有投入,需不斷追蹤其工序前一工序的投入,生態(tài)包袱系數(shù)的好處,是不需要再重復(fù)對每一工序進(jìn)行計(jì)算。但生態(tài)包袱系數(shù)的應(yīng)用也是有限的,不是所有的數(shù)據(jù)都能得到。因此,生態(tài)包袱系數(shù)需要分開來計(jì)算。德國烏伯塔研究所 (Wuppertal Institute)將自然物質(zhì)投入分為5個部分:非生物性物質(zhì)、生物性物質(zhì)、土壤移動、水和空氣。

非生物性物質(zhì)包括礦物、攜帶能源、非使用開挖、土壤開挖;生物性物質(zhì)包括耕種的植物、非耕種的植物、非養(yǎng)殖的動物;土壤移動包括農(nóng)業(yè)和造林運(yùn)用的土地、水土流失;水包括工藝用水 (抽取的地表水、抽取的地下水、抽取的深層地下水)、冷卻水 (抽取的地表水、抽取的地下水、抽取的深層地下水);空氣包括燃燒用氣、化學(xué)轉(zhuǎn)化用氣、物理轉(zhuǎn)化用氣 (凝聚狀態(tài))、其他抽取的空氣。

本文物質(zhì)投入系數(shù)采用德國伍伯塔研究所(Wuppertal Institute)關(guān)于生態(tài)包袱的計(jì)算表,如表4所示。

2.2 露天煤礦的生態(tài)包袱計(jì)算及分析

根據(jù)露天煤礦的生產(chǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算得出露天礦的生態(tài)包袱,見表5。根據(jù)產(chǎn)煤量計(jì)算得生態(tài)包袱系數(shù)見表6,其變化情況見圖2。

表4 一些物質(zhì)投入系數(shù)

表5 露天礦各類型生態(tài)包袱總量表

表6 露天煤礦的生態(tài)包袱系數(shù)表

圖2 露天礦生態(tài)包袱系數(shù)圖

露天礦生態(tài)包袱中,剝離生態(tài)包袱占總生態(tài)包袱的35.73%～38.28%,其他固體非生物性物質(zhì)占總生態(tài)包袱的1.62%～2.17%。水生態(tài)包袱占總生態(tài)包袱的59.85%～62.03%?？諝馍鷳B(tài)包袱占總生態(tài)包袱的0.23%～0.28%。固體非生物性生態(tài)包袱和水生態(tài)包袱,構(gòu)成露天采煤生態(tài)包袱的主體部分。在露天礦生態(tài)包袱系數(shù)中,固體非生物性物質(zhì)生態(tài)包袱系數(shù)最大,其值1.279～3.424。隨著開采的進(jìn)行,各生態(tài)包袱系數(shù)均呈下降趨勢,說明每采1t煤所動用的各種資源越來越少。

3 結(jié)論

基于生態(tài)足跡和生態(tài)包袱的方法,對某煤炭露天礦開采中的生態(tài)壓力分別進(jìn)行了計(jì)算和分析,得出該煤炭露天礦開采產(chǎn)生的生態(tài)壓力情況。

1)通過對某煤碳露天礦開采過程中所消耗的物料的生態(tài)足跡的計(jì)算,結(jié)果其生態(tài)足跡是化石能源地和林地,并以化石能源地為主。為更好的恢復(fù)其生態(tài)承載,在復(fù)墾時,應(yīng)以植樹造林為主。

2)通過對露天礦的生態(tài)包袱計(jì)算,得出剝離生態(tài)包袱、電生態(tài)包袱、新水生態(tài)包袱是露天礦的主要生態(tài)包袱。降低剝采比、降低電耗、提高水的循環(huán)利用、采用清潔能源和生物性能源,都可以有效的降低露天礦的生態(tài)壓力。

3)隨著開采的進(jìn)行,露天礦噸煤的生態(tài)足跡和各生態(tài)包袱系數(shù)呈下降趨勢,說明露天礦的生態(tài)壓力和噸煤所動用的各種資源有所降低。

[1] 現(xiàn)化可持續(xù)發(fā)展理論的產(chǎn)生 [EB/OL].http://61.129.67.23/chinese/development/bknow lege/know.3.htm.

[2] 徐中民,張志強(qiáng).可持續(xù)發(fā)展定量指標(biāo)體系的分類及評價[J].西北師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000(04):82-87.

[3] 徐中民,張志強(qiáng),程國棟,等.中國1999年生態(tài)足跡計(jì)算與發(fā)展能力分析 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003(2):280-285.

[4] Simmons C,Lewis K,Barrett J.Two feet-two app roaches;a component- based model of ecological footp rint[J].Ecological Economies,2000(3):375-380.

[5] Best Foot Fo rward.Island State:An Ecological Footp rint Analysis of the Isle of Weight[M].Oxfo rd:Seacourt Press Lim itid,2000:1-63.

[6] 顧曉薇,李廣軍,王青,等.高等教育的生態(tài)效率—大學(xué)校園生態(tài)足跡 [J].冰川凍土,2005(3):418-425.

[7] European Communities.Material use indicato rs fo r Official Publications of the Eruopean Communities,2001:5-10.

[8] 陶在樸 (奧).生態(tài)包袱和生態(tài)足跡 [M].北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社,2003:18-19;83.