基于能值分析的生態(tài)供水效益量化方法

黃顯峰,周 祎,閻 瑋,方國華,陳思宇

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210029)

生態(tài)供水是指為了維持流域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán),人們在開發(fā)流域水資源時為保證生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展與平衡所需的水量。生態(tài)供水同工、農(nóng)業(yè)以及生活供水一樣為一個用水單元。生態(tài)供水概念的提出,是人們重視生態(tài)保護(hù)的結(jié)果,也為流域環(huán)境管理提供了一種新的思維模式,引導(dǎo)人們將重點放在生態(tài)環(huán)境和水資源之間的內(nèi)在關(guān)系上。生態(tài)供水系統(tǒng)是由人類進(jìn)行管理和控制的“自然-人工復(fù)合經(jīng)濟系統(tǒng)”,它與自然生態(tài)系統(tǒng)的能量流動并不相同,受人類活動的影響很大,并且很難用價格機制進(jìn)行評判,通常只能通過間接計算法進(jìn)行估算。王紅瑞等[1]使用配水效益計算方法,在不同的來水條件下,計算各種配水量方案下黃河河口地區(qū)所增加的生態(tài)效益;楊麗等[2]使用替代工程法計算京石段應(yīng)急供水工程完工后北京產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益;陳寧等[3]使用機會成本法計算生態(tài)環(huán)境供水經(jīng)濟效益,考慮兩種測算機會成本的方法,建立了計算生態(tài)環(huán)境供水經(jīng)濟效益的線性規(guī)劃模型。在目前的研究中,有的學(xué)者通過定量計算工程完工后所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益,解決了生態(tài)服務(wù)功能價值難以計算的問題,但仍有部分生態(tài)環(huán)境效益不能被定量計算出來；有的計算方法在使用前必須明確水資源及供水用戶的屬性,在不同情況下計算方法和結(jié)果也隨之改變,因此并不具有通用性,尤其是當(dāng)系統(tǒng)成分比較復(fù)雜時,會給研究帶來很大的麻煩。

能值分析法20世紀(jì)90年代在中國開始傳播,至今已經(jīng)得到眾多生態(tài)學(xué)家的認(rèn)可,在多個領(lǐng)域都有應(yīng)用。Brown等[4]利用能值理論計算水務(wù)服務(wù)成本的回收;Nilsson[5]利用能值理論對作為區(qū)域供熱系統(tǒng)燃料的秸稈進(jìn)行了評價;Baral等[6]利用能值分析法計算汽油和玉米、酒精在使用中的能量周期;羅乾等[7-8]利用能值分析法研究了連云港市的農(nóng)業(yè)灌溉效益以及工業(yè)供水效益;韓增林等[9]利用能值分析法對中國海洋生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展作出了評價;彭俊杰[10]利用能值分析方法對河南省的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進(jìn)行了綜合研究。能值分析法是一種量化研究方法,該方法能夠?qū)⑺胁煌哪芰哭D(zhuǎn)化成同一量綱,能夠客觀精確地比較各種能量的等級[11-13]。然而,目前還沒有學(xué)者采用能值分析法研究生態(tài)供水的效益,筆者在前人的研究基礎(chǔ)上[14-20],以南水北調(diào)東線應(yīng)急供水受水區(qū)——京津冀地區(qū)為實例,擬對能值分析法應(yīng)用于生態(tài)供水效益的量化研究進(jìn)行探討。

1 生態(tài)供水效益

目前,我國的水資源嚴(yán)重匱乏,南北地區(qū)水資源分布不均,加之近幾年大力發(fā)展生產(chǎn),為滿足生產(chǎn)需求而忽略了生態(tài)供水,這使得我國的生態(tài)環(huán)境遭到了不同程度的破壞。水是維持生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的核心,因此,在重視工、農(nóng)業(yè)供水的同時,也需要保證一定的生態(tài)供水來維持生態(tài)系統(tǒng)自身的平衡。生態(tài)供水效益是指與不提供生態(tài)供水相比,提供生態(tài)供水的情況下所獲得的經(jīng)濟效益總和。計算生態(tài)供水效益是為了正確估算供水生態(tài)環(huán)境的國民經(jīng)濟效益。

采用能值分析法計算生態(tài)供水效益,是從生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)整體出發(fā),考慮生態(tài)供水的特征,在定性分析生態(tài)供水產(chǎn)生效益的基礎(chǔ)上,對各個效益因子進(jìn)行量化。具體過程是先將影響各方面效益的因素轉(zhuǎn)化為太陽能值,然后通過生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)計算供水效益,此時的供水效益是由能值表示的,需要通過能值/貨幣比率轉(zhuǎn)化為貨幣形式,公式如下:

S=εEIY

(1)

(2)

式中:S為生態(tài)供水總效益(以太陽能值表示),sej;ε為生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù);EIY為系統(tǒng)總能值產(chǎn)出,萬元;M為生態(tài)供水總效益(以貨幣形式表示),萬元;EP為能值/貨幣比率,即用某個國家某一年的能值利用總量除以同一年的GDP所得結(jié)果。

2 利用能值分析法計算生態(tài)供水效益

2.1 能值分析法

Odum教授[11]提出了能值(Emergy)的概念,并推導(dǎo)出能值分析法,利用該方法可以將生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中由于量綱不同而不能進(jìn)行比較的能量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的能值,通過這種轉(zhuǎn)換可以對所有的能量進(jìn)行比較分析,判斷其等級。因此,能值可被視為生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟學(xué)之間的橋梁。它是一種流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數(shù)量。從本質(zhì)上來說就是所包含的能量,而太陽能是一切能量的來源,所以通常將能值數(shù)量以太陽能焦耳(sej)為單位進(jìn)行表示。能值轉(zhuǎn)換率為單位物質(zhì)包含的太陽能值數(shù)量。物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率越低,說明該物質(zhì)在能量系統(tǒng)中的等級就越低,若要生產(chǎn)每單位該物質(zhì),消耗的能量也就越少。例如1J燃油當(dāng)中包含66 000 sej,那么燃油的能值轉(zhuǎn)換率為66 000 sej·J-1。能值貨幣價值為某種能值相當(dāng)?shù)呢泿帕俊?/p>

2.2 利用能值分析法計算生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)

步驟1收集資料。通過實地考察,查詢往年資料等方式,收集相關(guān)的自然地理、社會經(jīng)濟等方面的資料。

步驟2繪制詳細(xì)的系統(tǒng)能量圖。根據(jù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和主要能源、物質(zhì)、信息等生態(tài)經(jīng)濟流,繪制系統(tǒng)能量圖。繪制過程中最主要的內(nèi)容是確定能值投入、能值產(chǎn)出以及明確各成分之間的過程及關(guān)系。通過整合上一步驟收集的資料,明確系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),形成包括系統(tǒng)主要組分和相互關(guān)系以及能量流、物質(zhì)流、貨幣流等流向的系統(tǒng)能量圖,從而明確研究對象各組分和環(huán)境的關(guān)系。

步驟3建立能值分析表。能值分析表中需要列出能量圖中所確定的系統(tǒng)內(nèi)的主要成分,并且將各成分所包含的能量轉(zhuǎn)換為太陽能值。建立能值分析表的具體方法如下:首先,列出生態(tài)供水系統(tǒng)的輸入和輸出資源;其次,計算系統(tǒng)中各種資源的能量流;最后,使用能值計算公式完成系統(tǒng)中不同度量單位的項目到共同的能值單位的轉(zhuǎn)換,能值計算公式如下:

E=τB

(3)

式中:E為能值;τ為能值轉(zhuǎn)換率;B為能量或貨幣價值或物質(zhì)的數(shù)量。

步驟4計算生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)。生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)公式如下:

(4)

式中:EIW為生態(tài)供水總能值;EIT為總能值投入。

步驟5系統(tǒng)發(fā)展評價和策略分析。通過能值指標(biāo)分析,為制定合理的系統(tǒng)管理調(diào)控措施和發(fā)展策略提供科學(xué)依據(jù),指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)良性運作和可持續(xù)發(fā)展。

3 實例研究

南水北調(diào)東線工程是我國南水北調(diào)總體布局中的重要組成部分。2013年東線一期工程建成后,新建南水北調(diào)工程與現(xiàn)有江水北調(diào)工程共同構(gòu)成調(diào)水工程體系,長江邊一級提水規(guī)模達(dá)500 m3/s,年平均新增供水量為36億m3,在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。一期工程魯北干渠目前可與位山引黃線路及潘莊應(yīng)急引黃線路相連,具備向河北省和天津市輸水的條件。在二期工程實施前,采取聯(lián)合調(diào)度管理措施和新增少量工程措施,充分利用一期工程的供水能力和全年的供水潛力,向北延伸應(yīng)急輸水至京津冀地區(qū),實現(xiàn)水資源的合理利用,以最大程度地發(fā)揮一期工程效益。

3.1 繪制京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能量圖

將京津冀地區(qū)看作獨立的系統(tǒng),其占地面積的邊界就是本次生態(tài)供水系統(tǒng)的邊界。京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能量圖如圖1所示。生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)主要能值分為可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源以及系統(tǒng)總能值產(chǎn)出三類?？筛颅h(huán)境資源包括風(fēng)能、雨水勢能、雨水化學(xué)能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、生態(tài)供水;不可更新環(huán)境資源包括勞務(wù)、固定資產(chǎn)投入;系統(tǒng)總能值產(chǎn)出分為社會環(huán)境產(chǎn)出和生態(tài)產(chǎn)出兩大類,前者包括園林水果、林產(chǎn)品、水產(chǎn)品、牛肉、羊肉、禽蛋、奶類及新產(chǎn)品產(chǎn)值,后者包括旅游收入。

圖1 京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能量圖

3.2 建立京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析表

以2015年為例,根據(jù)收集的原始數(shù)據(jù)及相應(yīng)能值轉(zhuǎn)換率計算各種生態(tài)流的能值,將其分類匯總,編制能值分析表(表1)。

通過表1將不同種類的能量轉(zhuǎn)化為太陽能值,從而得到2015年京津冀地區(qū)投入的可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源以及系統(tǒng)總能值產(chǎn)出,將數(shù)據(jù)匯總至表2。從表2可以看出,京津冀地區(qū)的不可更新環(huán)境資源占總能值投入的92%以上,說明京津冀地區(qū)的供水效益主要依靠在該地區(qū)投入不可更新環(huán)境資源來獲取,在這種模式下,水資源綜合利用效率低,環(huán)境壓力大,因此應(yīng)改變傳統(tǒng)的發(fā)展方式,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),推動綠色經(jīng)濟的發(fā)展。

表1 2015年京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析

注:①原始數(shù)據(jù)來源于各地區(qū)統(tǒng)計年鑒、水資源公報、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報;②能值轉(zhuǎn)換率參照文獻(xiàn)[11-13];③2015年能值/貨幣比率為6.98×1011sej/元。

表2 2015年京津冀地區(qū)生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)投入產(chǎn)出

表3 2015年京津冀地區(qū)生態(tài)供水效益計算

3.3 計算京津冀地區(qū)生態(tài)供水效益

京津冀地區(qū)生態(tài)供水效益計算見表3。由表3可知,京津冀地區(qū)生態(tài)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)為4.08%,單方水供水總效益為5.48元/m3。由此可見,向京津冀地區(qū)進(jìn)行生態(tài)供水是經(jīng)濟合理的。然而，北方地區(qū)原本就干旱缺水,若要進(jìn)行生態(tài)供水勢必會影響其他生產(chǎn)活動,因此除了要注意各方面用水的平衡以外,還可以考慮其他辦法,例如利用雨洪資源來緩解這個問題?？傊瑧?yīng)通過合理的管控及調(diào)度,使水資源能夠滿足人們的生活、生產(chǎn)需要,并且發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

實施生態(tài)供水,不僅能夠有計劃地實施各地區(qū)綠化、美化建設(shè),還能改善生態(tài)環(huán)境,開發(fā)旅游資源。一些過去無人問津的大片荒地,通過生態(tài)供水,可成為各類水生生物的聚集地,吸引游客前往參觀,實現(xiàn)人水和諧、人與自然和諧。在利用能值分析法量化研究某個地區(qū)的生態(tài)供水效益時,將該地區(qū)占地面積的邊界作為分析邊界,以能值為量綱,對生態(tài)供水過程中投入和產(chǎn)出的各項能量流、物質(zhì)流和貨幣流的動態(tài)過程和相互關(guān)系進(jìn)行分析,以得到反映生態(tài)與經(jīng)濟性能的能值綜合指標(biāo),幫助人們對某地區(qū)的生態(tài)供水進(jìn)行更好的管理。

4 結(jié) 語

生態(tài)供水系統(tǒng)是一個開放、復(fù)雜的系統(tǒng),首先需要系統(tǒng)外的能源向系統(tǒng)供給能量,然后由人類通過勞動、貿(mào)易、投資等將自然生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)合起來。利用能值分析法量化研究生態(tài)供水效益,在其應(yīng)用領(lǐng)域上是一個新的突破,解決了自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的各種成分由于量綱不同而無法進(jìn)行統(tǒng)計分析的問題。本文以南水北調(diào)東線應(yīng)急供水受水區(qū)——京津冀地區(qū)為例,計算驗證了能值分析法在量化研究生態(tài)供水效益方面的可行性。該方法以太陽能值為介,通過能值指標(biāo)體系建立起投入與產(chǎn)出的數(shù)量關(guān)系,為生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的定量分析標(biāo)準(zhǔn),與其他只考慮單一用水因子的傳統(tǒng)計算方法相比,該方法能夠客觀、真實地反映生態(tài)供水系統(tǒng)中供水效益的影響。

目前我國水資源管理保護(hù)任務(wù)艱巨,國家新發(fā)展理念也對水資源管理保護(hù)提出了更高的要求,然而基層水資源管理機構(gòu)不健全,專業(yè)結(jié)構(gòu)不適應(yīng)管理要求,基層水資源管理保護(hù)能力與目標(biāo)任務(wù)嚴(yán)重不匹配。隨著全球氣候變化以及人類活動對地球的影響不斷加大,影響水資源效益的因子以及影響機制會更加復(fù)雜,這對于水資源的合理規(guī)劃來說是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此,在之后的研究中,需要更進(jìn)一步了解系統(tǒng)內(nèi)各組分的邏輯關(guān)系,完善生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)能量圖,才能在復(fù)雜多變的環(huán)境中將能值分析法作為生態(tài)供水效益量化評價、實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的科學(xué)工具。