基于EEF模型的港口生態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

郭子堅(jiān)，崔維康，彭 云，張 祺

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連 116024）

基于EEF模型的港口生態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

郭子堅(jiān)，崔維康，彭 云，張 祺

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，大連 116024）

基于能值理論（emergy theory），在分析港口資源消費(fèi)和污染等生態(tài)足跡的基礎(chǔ)上，考慮船舶在港作業(yè)期間對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，提出基于EEF模型（emergy?ecological footprint）的港口生態(tài)評(píng)價(jià)方法，將港口生態(tài)承載力分析計(jì)算擴(kuò)展為自然資源生態(tài)承載力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力兩類(lèi)賬戶。以北方某港區(qū)為例計(jì)算了2009～2014年的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，結(jié)果表明港區(qū)歷年生態(tài)承載力指數(shù)均大于1，處于生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài)，能源足跡與污染足跡是港口生態(tài)足跡的主要來(lái)源。港口經(jīng)濟(jì)虛擬生態(tài)承載力賬戶對(duì)港區(qū)生態(tài)承載力的貢獻(xiàn)高于自然資源生態(tài)承載力賬戶，可有效控制生態(tài)赤字規(guī)模。

EEF模型；能值理論；港口生態(tài)足跡；港口生態(tài)承載力

隨著資源消費(fèi)和污染排放增加，港口對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不斷擴(kuò)大。因此如何合理地衡量港口生態(tài)承載力，保證港口生態(tài)系統(tǒng)能夠支撐港口實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展，已成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決的重要問(wèn)題［1］。

加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Rees和Wackernage［2］提出了生態(tài)足跡模型（EF），其基本思想是將人類(lèi)消耗的自然資源和排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積與現(xiàn)存的土地面積比較來(lái)衡量人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。生態(tài)足跡模型在城市和區(qū)域的生態(tài)性評(píng)價(jià)方面得到了較廣泛的應(yīng)用。Erdas等［3］引入傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型用于評(píng)估港口生態(tài)承載力，但研究偏重于強(qiáng)調(diào)港口對(duì)資源的需求，其承載力計(jì)算基于自然資源的多寡，僅考慮耕地、林地、草地、水域、化石能源地、建筑用地等6種土地的生產(chǎn)能力，土地類(lèi)型功能性劃分單一，忽略了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等方面帶來(lái)的影響，溫室氣體考慮不全面，對(duì)港口污染物的影響考慮不足。

本文將能值-生態(tài)足跡模型（EEF）［4］引入港口生態(tài)評(píng)價(jià)研究，通過(guò)能值分析理論和傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型相結(jié)合，將各種能量流換算成生物生產(chǎn)性土地面積，建立了港口EEF模型，分析港口生態(tài)演變趨勢(shì)。

1 研究方法

1.1 港口EEF模型

港口屬于人工-生態(tài)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，能源與資源消費(fèi)量大，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中產(chǎn)生較多的各類(lèi)污染物。為了更加科學(xué)合理地評(píng)價(jià)港口生態(tài)系統(tǒng)，本文提出港口EEF模型，通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率與能值密度，將港口區(qū)域的不同類(lèi)型、不同種類(lèi)的消費(fèi)項(xiàng)目和污染物換算為相應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，計(jì)算港口生態(tài)足跡、生態(tài)承載力與生態(tài)承載力指數(shù)，對(duì)港口進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)港口生態(tài)足跡模型相比，港口EEF模型在生物資源足跡、能源消費(fèi)足跡的基礎(chǔ)上，增加了水資源消費(fèi)足跡與污染足跡指標(biāo)，同時(shí)充分考慮了港口生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)放性與港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，引入港口經(jīng)濟(jì)虛擬生態(tài)承載力，使計(jì)算結(jié)果能更客觀、真實(shí)地反映港口生態(tài)系統(tǒng)的狀況。港口EEF模型如圖1所示。

1.2 港口生態(tài)足跡

1.2.1 港口資源消費(fèi)足跡

港口消費(fèi)資源可分為生物資源、能源、水資源。生物資源包括港口從業(yè)人員消費(fèi)的植物品（糧食、食用油、糖、水果、蔬菜等）和動(dòng)物品（肉類(lèi)、蛋類(lèi)、奶類(lèi)、水產(chǎn)品）；能源包括電力、煤炭、柴油、汽油、燃料油等，分為港口陸域生產(chǎn)作業(yè)消費(fèi)的能源與船舶在港作業(yè)期間消耗的能源；港口水資源消費(fèi)主要包括船舶上水、生產(chǎn)用水、生活用水、消防用水、綠化用水等。資源消費(fèi)生態(tài)足跡計(jì)算如下

圖1 港口EEF模型Fig.1 The EEF model of sea port

式中：EFco為資源消費(fèi)生態(tài)足跡，hm2；mi為第i種資源消費(fèi)總量，J；Ti為第i種資源的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率，Sej/J；P1為區(qū)域能值密度，Sej/hm2；TE為區(qū)域可更新資源總能值，Sej；S為區(qū)域總面積，hm2。

1.2.2 港口污染足跡

港口污染的生態(tài)足跡主要計(jì)算港口生產(chǎn)生活以及船舶在港期間排放的固體廢棄物、廢水和廢氣等的生態(tài)足跡。污染足跡計(jì)算如下

式中：EFpo為污染足跡，hm2；mk為第k種污染物總量，g；Tk為第k種廢棄物的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率，Sej/g。

固體廢棄物包括港口裝卸作業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物，港口陸域生活垃圾以及港口接收的船舶固體廢棄物。廢水包括沖洗、洗箱等作業(yè)產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水，港口陸域生活廢水以及港口接收的船舶廢水。

廢氣包括港口作業(yè)機(jī)械排放的大氣污染物與船舶靠泊期間排放的大氣污染物。港口作業(yè)機(jī)械大氣污染物排放計(jì)算如下［5］

式中：I為排放量，g/a；CF為修正因子；EF為排放因子，g/L；C為燃油消耗量，L/a；l=1，2，···，代表第l種大氣污染物。

船舶靠泊期間大氣污染物排放計(jì)算方法為［6-7］

式中：E為排放量，g/a；MCR為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率；LF為特定工況負(fù)載因子平均負(fù)荷與最大負(fù)荷的比值；Act為在港作業(yè)時(shí)間，h；F為排放因子；FCF為燃料修正因子；CF為排放控制因子（使用了減排措施后的變化）。

1.2.3 港口總生態(tài)足跡

港口總生態(tài)足跡由資源消費(fèi)足跡與污染足跡構(gòu)成。計(jì)算公式為

式中：EF為港口總生態(tài)足跡，hm2。

1.3 港口生態(tài)承載力

1.3.1 自然資源生態(tài)承載力賬戶

自然資源的生態(tài)承載力賬戶是自然界的可更新資源能值的疊加計(jì)算。其包含的可更新能源有太陽(yáng)輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能、潮汐能以及地球旋轉(zhuǎn)能等。為避免重復(fù)計(jì)算，根據(jù)能值理論，同一性質(zhì)的能量投入只取其中的最大值［8］。計(jì)算公式為

式中：ECn為自然資源生態(tài)承載力賬戶，hm2；E為可更新資源的能值，Sej；P2為全球平均能值密度，Sej/hm2；ej為第j種同類(lèi)可更新資源的最大值，Sej。

1.3.2 港口經(jīng)濟(jì)虛擬生態(tài)承載力賬戶

綜合考慮港口經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)承載力的影響，在計(jì)算中引入港口經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶對(duì)生態(tài)承載力進(jìn)行修正。本文選取現(xiàn)代物流技術(shù)應(yīng)用水平，從業(yè)人員勞動(dòng)力資源因子兩項(xiàng)作為港口經(jīng)濟(jì)因子。

式中：ECe為社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶，hm2；te為能值-資本轉(zhuǎn)換率，用區(qū)域可更新自然資源的能值總量與區(qū)域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比值來(lái)表示［9］，sej/萬(wàn)元；Vt為港口現(xiàn)代物流技術(shù)應(yīng)用水平，采用港口現(xiàn)代物流業(yè)收入，代表技術(shù)水平發(fā)展的變化情況；Vs為從業(yè)人員勞動(dòng)力資源因子，采用從業(yè)人員勞動(dòng)收入，代表勞動(dòng)力資源的變化；Vg為區(qū)域的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；E為區(qū)域的可更新資源的能值。

1.3.3 港口總生態(tài)承載力

修正后的港口生態(tài)承載力即由自然資源生態(tài)承載力賬戶與社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶共同構(gòu)成。計(jì)算公式為

式中：EC為總生態(tài)承載力，hm2。

1.4 港口生態(tài)盈虧

將港口總生態(tài)足跡與港口總生態(tài)承載力進(jìn)行比較，用于衡量港口的可持續(xù)發(fā)展情況，本文基于港口生態(tài)承載力水平［1］，將港口生態(tài)承載力指數(shù)作為分析港口生態(tài)安全的指標(biāo)。計(jì)算式如下

式中：I為港口生態(tài)承載力指數(shù)，EF、EC意義同上。I大于、小于、等于1時(shí)，表示該港口生態(tài)分別處于赤字、盈余和平衡狀態(tài)。

圖2 區(qū)域能值密度P1（1015sej/hm2）Fig.2 The region emergy density P1

表1 港口生態(tài)足跡與港口生態(tài)承載力計(jì)算Tab.1 Calculations for ecological footprint and carrying capacity of sea porthm2

2 案例研究

利用基于EEF模型的港口生態(tài)評(píng)價(jià)方法對(duì)北方某集裝箱港區(qū)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究。港區(qū)共有14個(gè)集裝泊位，總面積320 hm2。

區(qū)域能值密度P1取港口所在城市區(qū)域能值密度。對(duì)港區(qū)所在城市2009～2014年間的區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，其中太陽(yáng)輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能和海浪能屬于同一形式的能量，應(yīng)選取最大值，經(jīng)計(jì)算選取最大值雨水化學(xué)能、潮汐能和地球旋轉(zhuǎn)能為區(qū)域總能值，區(qū)域能值密度P1計(jì)算結(jié)果如圖2所示。全球年均總能值為1.583×1025sej，全球平均能值密度P2為3.104×1014sej/hm2。

該港區(qū)2009～2014年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的主要計(jì)算結(jié)果如表1所示，并得到該港區(qū)總生態(tài)足跡與總生態(tài)承載力變化趨勢(shì)（圖3），港口生態(tài)承載力指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

研究表明港區(qū)生態(tài)足跡呈持續(xù)上升趨勢(shì)，其中能源足跡與污染足跡是港口生態(tài)足跡的主要來(lái)源。港口經(jīng)濟(jì)虛擬生態(tài)承載力賬戶對(duì)港區(qū)生態(tài)承載力的貢獻(xiàn)高于自然資源生態(tài)承載力賬戶，并呈上升趨勢(shì)，其貢獻(xiàn)度從2009年的72.8%上升至2014年的86.6%。港區(qū)歷年生態(tài)承載力指數(shù)均大于1，出現(xiàn)生態(tài)赤字，處于生態(tài)不可持續(xù)狀態(tài)?，F(xiàn)代物流業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，有效提升港區(qū)對(duì)自然資源的挖掘和開(kāi)發(fā)水平，提高了總生態(tài)承載力，控制了生態(tài)赤字的規(guī)模，港口生態(tài)承載力指數(shù)變化趨于穩(wěn)定。

圖3 港區(qū)2009～2014年生態(tài)足跡與生態(tài)承載力狀況（hm2）Fig.3 The ecological footprint and carrying capacity of sea port from 2009 to 2014

表2 港口生態(tài)承載力指數(shù)Tab.2 The port ecological capacity index

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了基于EEF模型的港口生態(tài)評(píng)價(jià)方法。在港口生態(tài)足跡的計(jì)算中，考慮了在港船舶生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的生態(tài)足跡，并增加港口水資源消費(fèi)足跡與污染足跡，完善了計(jì)算賬戶。在生態(tài)承載力的測(cè)算中增加港口經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使生態(tài)承載力賬戶同時(shí)覆蓋自然與社會(huì)兩個(gè)層面。本文以北方某港區(qū)為例進(jìn)行計(jì)算分析，研究結(jié)果表明，該模型計(jì)算賬戶覆蓋面更廣，可以更好地反映出港口資源環(huán)境利用的真實(shí)狀況，較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)港口生態(tài)演變狀況。研究表明能源足跡與污染足跡是港口生態(tài)足跡的主要來(lái)源。港口現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展能夠有效的提高港口對(duì)區(qū)域可更新資源的利用水平，提升港口生態(tài)承載力。

［1］郭子堅(jiān)，望燦，王文淵，等.基于生態(tài)足跡的港口生態(tài)承載力模型［J］.港工技術(shù)，2015（2）：48-51. GUO Z J，WANG C，WANG W Y，et al.Port Ecological Capacity Model Based on Ecological Footprint［J］.Port Engineering Tech?nology，2015（2）：48-51.

［2］Wackemagel M，Rees W E.Perceptual and structural barriers to investing in natural capital：Economics from an ecological footprint perspective［J］.Ecological Economics，1997，20：3-24.

［3］Erdas C，F(xiàn)okaides P A，Charalambous C.Ecological footprint analysis based awareness creation for energy efficiency and climate change mitigation measures enhancing the environmental management system of Limassol port［J］.Journal of Cleaner Production，2015，108：716-724.

［4］Zhao S，Li Z，Li W.A modified method of ecological footprint calculation and its application［J］.Ecological Modelling，2005，185（1）：65-75.

［5］賈旭，封學(xué)軍，蔣柳鵬.港口作業(yè)機(jī)械大氣污染物排放研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：12-17. JIA X，F(xiàn)ENG X J，JIANG L P.Research of Air Pollutants from Cargo Handling Equipments［J］.Journal of East China Jiaotong Uni?versity，2014（3）：12-17.

［6］伏晴艷，沈寅，張健.上海港船舶大氣污染物排放清單研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012（5）：57-64. FU Q Y，SHEN Y，ZHANG J.On the ship pollutant emission inventory in Shanghai port［J］.Journal of Safety and Environment，2012（5）：57-64.

［7］Starcrest Consulting Group.Port of Los Angeles Inventory of Air Emissions 2014［R］.Los Angeles：Starcrest Consulting Group，2014.

［8］張雪花，李建，張宏偉.基于能值-生態(tài)足跡整合模型的城市生態(tài)性評(píng)價(jià)方法研究——以天津市為例［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（02）：344-352. ZHANG X H，LI J，ZHANG H W.Emergy?Ecological Footprint Integrated Model for Eco?cityEvaluation：A Case of Tianjin City［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2011（2）：344-352.

［9］藍(lán)盛芳，欽佩，陸宏芳.生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Study on ecological evaluation of sea port based on EEF model

GUO Zi?jian,CUI Wei?kang,PENG Yun,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

By analyzing ecological footprint of resource consumed by port and waste,and considering the effect on environment of vessels,the EEF model(emergy?ecological footprint)for ecological evaluation of sea port has been built up based on emergy theory.Port ecological capacity was made up of the accounts of natural resources and the virtual accounts of port economic development.The ecological footprint and carrying capacity of a Northern Chi?na port from 2009 to 2014 was calculated.The ecological capacity index remained above 1 each year,which led to unsustainable port ecology.The energy ecological footprint and the pollution ecological footprint was main source of ecological footprint.The virtual accounts of port economic development contribute more for port ecological capacity, which avoided the growth of ecological deficit effectively.

EEF model;emergy theory;port ecological footprint;port ecological capacity

U 651

A

1005-8443（2017）02-0198-04

2016-10-11；

2016-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279026）

郭子堅(jiān)（1965-），男，遼寧省人，教授，主要從事港口規(guī)劃及港口物流研究。

Biography：GUO Zi?jian（1965-），male，professor.