區(qū)域水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析

沈 昱

(上海市浦東新區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200127)

1 概 述

水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(WEES)對(duì)社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要，但人類活動(dòng)的快速發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能產(chǎn)生了負(fù)面的生態(tài)影響。水生態(tài)系統(tǒng)的惡化會(huì)導(dǎo)致人民生活水平的下降，必須協(xié)調(diào)社會(huì)與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系，生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)為處理社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)層面的跨學(xué)科問題提供了有效的手段[1-2]。水的流動(dòng)被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)過程與生態(tài)過程相結(jié)合的系統(tǒng)框架，生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的能值理論在區(qū)域尺度上得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

作為生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)能值理論的一個(gè)應(yīng)用，本文重點(diǎn)研究生態(tài)經(jīng)濟(jì)能值綜合評(píng)價(jià)方法，并試圖將該方法應(yīng)用于城市A的生態(tài)經(jīng)濟(jì)決策。通過計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)外的生態(tài)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出，探討基于一系列能值指標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)狀況、水資源開發(fā)和系統(tǒng)可持續(xù)性。

2 理論與方法

2.1 能值理論

能值，特別是太陽(yáng)能能值，是“直接或間接用于提供服務(wù)或產(chǎn)品的可用太陽(yáng)能”[5]。能值分析將所有系統(tǒng)視為能量流網(wǎng)絡(luò)，能值分析為生態(tài)系統(tǒng)商品和服務(wù)的量化或評(píng)價(jià)提供了有力的依據(jù)。能值分析的一個(gè)基本原理是最大功率原理，它指出，“在與他人競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)，通過加強(qiáng)生產(chǎn)過程和系統(tǒng)組織克服限制，利用流入的能值資源開發(fā)最有用的工作”。Odum指出，這一原則決定了哪些生態(tài)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)將隨著時(shí)間的推移而生存，從而對(duì)未來的系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。

2.2 WEES能值分析

一般來說，在能值分析中，各種形式的能量通過反映能量值的轉(zhuǎn)換因子(轉(zhuǎn)化率)轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能當(dāng)量或太陽(yáng)能能值。通過將投入和產(chǎn)出乘以它們各自的轉(zhuǎn)化率，可以計(jì)算出每種資源、服務(wù)和相應(yīng)產(chǎn)品的能值。在同一單元的基礎(chǔ)上，通過一系列能值相關(guān)比率和指標(biāo)，可以方便地對(duì)這些量進(jìn)行分析，從而更好地評(píng)價(jià)相關(guān)系統(tǒng)。這些指數(shù)表明了系統(tǒng)在效率和可持續(xù)性方面的各種性能特征。

基于Odum的能量電路符號(hào)和基本數(shù)據(jù)以及運(yùn)行機(jī)制，制定了WEES的聚集能量圖，見圖1，以說明復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)外的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)投入和產(chǎn)出。在理論上，水的存在會(huì)導(dǎo)致不同的能值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。根據(jù)不同水體的特性，提出了系統(tǒng)用水的基本假設(shè)：系統(tǒng)用水分為兩類，當(dāng)?shù)厮?WL)和外來水(WE)，當(dāng)?shù)厮址譃榈乇硭?WLS)和地下水(WLG)，它們之間的轉(zhuǎn)換變化見圖1。

圖1 水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值流動(dòng)圖

2.3 能值指標(biāo)

4種生態(tài)經(jīng)濟(jì)傳統(tǒng)指標(biāo)包括可再生能源投資率(RIR)、能值產(chǎn)出率(EYR)、能值投資率(EIR)、環(huán)境負(fù)荷率(ELA)和能值可持續(xù)性指數(shù)(ESI)，分別評(píng)價(jià)了生產(chǎn)過程的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品對(duì)社會(huì)的凈貢獻(xiàn)，以及生產(chǎn)過程的生態(tài)經(jīng)濟(jì)潛力人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。除了上述熟悉的4個(gè)指標(biāo)外，本文還提出了5個(gè)強(qiáng)調(diào)水資源的指標(biāo)：①水能值比WER=WR/U，它是水資源的總能值WR與總能值U的比值。該指標(biāo)反映了水資源在小水電中的比重，是水資源潛力的標(biāo)志。②水能利用率WEUR=WC/WR，它是用水量能值與水資源總量的比值，反映了水資源的開發(fā)利用程度。③水能自給率WESR=WL/WC，該指標(biāo)反映了當(dāng)?shù)厮Y源占總用水量的能值比例。比例越高的系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的依賴越大，提高生產(chǎn)力的潛力也越大。④水能密度WED=WC/area，它是總用水量能值除以土地面積的比率。這個(gè)指數(shù)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)志，該系統(tǒng)單位面積水能消耗較少，表明該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低。⑤水資源人口承載力WPC=8×WR/(U/P)=8×WR/U×P，其中P是人口。該指標(biāo)反映了以現(xiàn)有生活水平為標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)所能承載的人口容量，它取決于系統(tǒng)目前的總?cè)丝?、系統(tǒng)總能值的增長(zhǎng)率和水資源總量。它是評(píng)價(jià)WEES可持續(xù)性的綜合指標(biāo)。

3 案例研究

3.1 研究區(qū)域

以國(guó)內(nèi)某一城市為研究對(duì)象，可根據(jù)調(diào)查資料和當(dāng)?shù)卣幹频臉?biāo)準(zhǔn)年度統(tǒng)計(jì)年鑒，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)查詢，例如某城市為研究對(duì)象，2005年全市生產(chǎn)總值1 650億元，人口716萬(wàn)人，人均總產(chǎn)值2 850美元，人口密度962人/km2。平均水資源量為12.8×108m3，人均水資源量為179 m3，僅為該省平均水平的一半，低于世界平均水平。

3.2 能值計(jì)算

在圖1中，可將WEES的能值分為四大類：可再生當(dāng)?shù)刭Y源(R)，如陽(yáng)光、雨水和風(fēng)力；不可再生當(dāng)?shù)刭Y源(N)，例如土壤侵蝕；購(gòu)買能值投入(IMP)，如從外部購(gòu)買的不可再生礦物燃料和化肥以及從外部購(gòu)買的水資源等可再生投入；出口資源(EXP)，如出口到外部的產(chǎn)品和勞動(dòng)力。系統(tǒng)總產(chǎn)量(Y)是指系統(tǒng)的產(chǎn)品，如工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。系統(tǒng)的總能值(U)是輸入和輸出的矢量和，表示為U=R+N+IMP-EXP。則經(jīng)過進(jìn)一步整理，形成該城市能值流動(dòng)圖，見圖2。

對(duì)于一個(gè)地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)研究，一般將1年作為系統(tǒng)分析的時(shí)間周期，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)是每年統(tǒng)計(jì)的。計(jì)算能值的關(guān)鍵是不同資源、產(chǎn)品或服務(wù)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換。在過去的30年中，Odum計(jì)算了各種產(chǎn)品和服務(wù)的轉(zhuǎn)化率，計(jì)算能值的詳細(xì)參考資料見Odum和Brown and Ulgiati[5-6]。根據(jù)調(diào)查資料和當(dāng)?shù)卣幹频臉?biāo)準(zhǔn)年度統(tǒng)計(jì)年鑒，將該城市的環(huán)境保護(hù)、工農(nóng)業(yè)、進(jìn)出口等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，形成水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值表，為進(jìn)一步研究該城市水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，見表1。

圖2 城市A水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值流動(dòng)圖

表1 城市A生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值表

進(jìn)一步計(jì)算可再生能源投資率、能值投資率、能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)荷率等11個(gè)動(dòng)態(tài)能值指標(biāo)，對(duì)水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

表2 城市A水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值指標(biāo)計(jì)算

3.3 結(jié)果和討論

3.3.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展

一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展評(píng)價(jià)包括4個(gè)指標(biāo)：可再生能源投資率(RIR)、能值投資率(EIR)、能值產(chǎn)出率(EYR)和環(huán)境負(fù)荷率(ELA)。

該城市可再生能源環(huán)境投資占總能值的比例為2.16%，表示不可再生資源的消耗在短期內(nèi)無(wú)法得到補(bǔ)償，存在資源枯竭和環(huán)境破壞的潛在危險(xiǎn)。2005年能值投資率為2.39%，表明更依賴于環(huán)境固有資源，整體仍然處于工業(yè)化狀態(tài)。能值收益率用于評(píng)估能源對(duì)經(jīng)濟(jì)的潛在貢獻(xiàn)。2005年城市的EYR值為60.13，意味著其在國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。城市的環(huán)境負(fù)荷率為45.18，這意味著該城市正在密集消耗不可再生的環(huán)境資源，對(duì)環(huán)境的負(fù)荷最大。

3.3.2 水資源開發(fā)

由表2可知，城市水資源開發(fā)評(píng)價(jià)包括4個(gè)指標(biāo)：水能值比、水能值利用率、水能值自給率和水能值密度。這些指標(biāo)衡量水資源的開發(fā)利用程度及其對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。水資源短缺是該城市水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)危害最嚴(yán)重的因素之一。2005年水資源能值僅占總能值的3.38%。用水量占水資源總量的56.53%，其中僅79.77%為地方用水，約1/4的水依賴于外部水源。水資源利用量大、面積相對(duì)較小的發(fā)達(dá)城市通常具有較高的水能密度，這就意味著需要消耗大量的水資源來維持一定區(qū)域內(nèi)城市的結(jié)構(gòu)和功能。城市水能密度為1.31×1011sej/m2，低于全國(guó)平均水平，說明城市水資源十分稀缺。

3.3.3 持續(xù)性

城市可持續(xù)性評(píng)價(jià)包括兩個(gè)指標(biāo)：水資源人口承載力和能值可持續(xù)性指標(biāo)。城市A的2005年實(shí)際人口716×104人，遠(yuǎn)大于WPC值193.6×104人，說明城市水資源壓力較大。目前的情況是水資源短缺和人口快速增長(zhǎng)?；谀苤档目沙掷m(xù)性指數(shù)提供了系統(tǒng)可持續(xù)性的綜合衡量指標(biāo)。城市ESI(1.33)低于該省平均水平(1.76)，表明城市的可持續(xù)性較差，其能值產(chǎn)出率遠(yuǎn)低于全國(guó)其他地區(qū)，環(huán)境壓力也高于全國(guó)其他地區(qū)。

4 結(jié) 論

將生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源相結(jié)合，提出了基于能值綜合的水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的理論框架和方法。作為傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和能源分析的補(bǔ)充，在區(qū)域的水生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，對(duì)不同質(zhì)量的能源和材料進(jìn)行測(cè)量、比較和匯總。根據(jù)上述能值分析，城市A生態(tài)經(jīng)濟(jì)狀況具有以下特點(diǎn)：①對(duì)進(jìn)口的集約型燃料、商品和服務(wù)的依賴性強(qiáng)；②不可再生資源消耗過度，環(huán)境負(fù)荷大；③實(shí)際人口是水資源承載力的3.7倍，水資源壓力大；④水資源可持續(xù)性指標(biāo)表明，城市水資源可持續(xù)性較差。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，節(jié)約用水、尋找新水源是實(shí)現(xiàn)一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。