城镇物质流与能流分析方法与实践

我国已经进入城市化进程的快速发展阶段。专家预测, 2050年, 中国城市化水平将达到65%。城市化通过促进聚集效应、专业分工、知识创造等方式, 推动了经济迅速发展, 但另一方面, 城市的脆弱性也不断显现并且有加剧的倾向, 城市环境问题不断升级, 由传统的水供应、垃圾处理等问题逐渐升级到工业化带来的工业污染问题以及威胁全球生态安全的全球环境问题, 城市环境问题影响的范围越来越大, 出现的极端事件也越来越多, 城市已经面临着资源紧缺、环境污染严重的严峻挑战。一方面, 传统城市要发挥凝聚作用建成都市圈, 带动整个地区的发展, 例如以重点城市为中心形成区域集团带动地区经济发展, 长三角、珠三角的各种大的区域集团, 以滨海新区为经济增长极的京津冀都市圈要带动中国整个东北地区的发展;另一方面, 中小型城市要通过城乡一体化战略带动农村地区的发展, 例如西江沿岸的各中小城市。在这种背景下, 构建城镇代谢分析方法, 揭示城市物质与能量流动特征, 对于迫切城镇资源环境困境, 具有一定指导意义。

一、物质流与能流分析研究进展

物质流分析思想起源于20世纪60年代, 1969年, Ayres和Kneese提出必须从整个经济系统平衡的角度看待环境污染及其控制。1996年, 欧盟委员会 (EC) 组建“Con Account”平台为物质流分析的国际研究奠定了基础。1999年, 欧洲环境署 (EEA) 提出核算物质流的方法和指标体系。2001年, 欧盟统计局制定了欧盟国家进行物质流分析的统一指南, 提出了EW-MFA的标准方法, 并于2013年发布了更为系统而详尽的EW-MFA编制指导手册。2004年, Paul H.Brunner和Helmut Rechberger出版了《物质流分析应用手册》一书, 系统介绍了物质流分析的概念、研究范围及目标, 详细陈述了数据库管理、软件应用的具体操作方法, 列举了许多关于环境管理、废弃物管理及区域物质流分析与管理的经典案例, 为物质流方法的应用提供了指导。能流分析是用来评估能源使用效率的方法, 它对环境-经济系统中能量的投入和产出进行量化分析, 同时通过能量统计, 对能源的初级输入、能源转换、最终能源使用、能源输出等过程进行核算。随着能流分析实践的不断深入, 能流分析理论不断完善, 学者的研究对象开始从能源数量深入到能源质量领域。Odum等提出采用能值分析法分析能流和物质流, 为度量不同类型能源的质量差异提供了标尺, 为生态经济学发展奠定了的基础。1996年, Odum分析了社会系统与环境系统内部及两者之间能量和物质流动过程。20世纪90年代, Ayres等又提出采用exergy来度量能量, 并构建了基于exergy分析的综合能源和物质分析系统, 后来又有学者制定了exergy计算手册, 从而所有物质的exergy都可以进行计算和比较, 为exergy计算能流系统奠定了基础。美国Cleveland等研究认为石油对煤炭的质量因子为1.9, 电力对煤炭的质量因子为18.3。还有些学者研究了能量结构变化对能量使用量改变的影响。黄晓芬 (2010) 依据欧盟导则, 分析了1990-2003年上海市经济系统的物质总需求、物质消耗强度和物质生产力等主要指标, 并与国家物质流账户以及国外城市进行对比, 表明上海市物质总需求和直接物质消耗给全市生态环境带来了巨大压力, 物质消耗强度原大于全国平均水平, 但其物质生产力水平与发达国家还有一定的差距。吴开亚等 (2011) 采用物质流分析方法构建表征环境压力总量的环境荷载指标, 分析1990-2007年安徽省环境载荷变化趋势及其减量化状态。2012年, 采用脱钩模型和EKC理论, 分析1990-2007年安徽省经济增长与环境压力之间的关系。陈东景 (2014) 运用物质流分析方法对长海县的物质输入与输出状况进行计算, 并用物质消耗强度、废物排放强度和环境负荷强度3个指标衡量了该海岛县生态效率的变化, 分析了技术进步对海岛生态经济系统生态压力变化的贡献状况。李永红等 (2015) 以银川市为研究对象, 运用物质流分析方法系统的对银川市生态经济系统中的物质输入量和输出量进行分析, 研究表明与其他区域相比, 化石燃料、矿物和建筑材料需求的增加对银川市生态环境产生的压力在加大;化石燃料燃烧和工业过程释放的废气, 导致银川市生态环境压力较大。沈丽娜等 (2015) 对西安2001-2010年的物质流动进行了初步分析。通过建立城市层面的物质流框架以及核算指标, 针对西安市的具体情况进行调正, 从资源投入量、污染物排放量、物质消耗强度、污染物排放强度、物质生产力、资源效率和环境效率7个方面对西安市物质流进行分析, 得出西安市近10年来物质流的发展趋势, 并给出了西安市物质流的全景图。2014年, 解苗苗等利用能值分析的基本理论分析了河北省2011年的经济系统发展状况, 并比较分析了河北省能源与资源的利用程度。2015年, 翟会颖等以廊坊市为研究对象, 基于能值分析方法, 计算了廊坊市2008年-2012年间社会、经济与自然子系统的各个能值指标, 将三个子系统的能值指标综合分析, 进而找到廊坊市复合生态系统的优劣情况 (见图1) 。

二、方法

(一) 城镇物质流/能流分析框架

参考国内外物质流分析、能流分析研究以及具体应用案例, 基于城镇物质、能量输入输出特征, 提出城镇物质流/能流分析框架, 如图1所示。城镇物质流与能流分析框架分为输入、输出和城镇经济系统通量三部分。在输入端, 物质与能源输入分为本地获取和进口两大类, 本地获取是指城镇系统输入资源来源于本地开采的数量, 进口是指城镇系统输入资源来源于本地之外的其他地区的数量, 反映了城镇系统对系统外部资源的消耗程度。在输出端, 包括环境输出、热耗散、出口, 为了反映城镇水资源消耗特征, 以及水资源独立统计特性, 本文将城镇水的输入, 以及污水的输出单独考虑。在经济系统内容, 物质与能源在各产业部门以及消费体之间流动, 并表现出一定循环往复特征, 其中有一部分资源消耗之后, 会以污染的形式输出城镇系统, 而有一部分资源会继续以固定基础设施或者具有持续使用功能的形式留存到系统中 (见图2) 。

(二) 城镇物质流/能流分析框架

为了有效表征城镇物质流、能流特征, 一般采取指标体系的方式。构建城镇物质流与能流分析指标体系, 如表1所示。设置本地能源输入量、外地能源输入量、总能源输入量、总污染物输出量、总能源输出量等作为能源技术应用系统的输入输出指标, 从不同侧面反映城镇系统代谢过程中物质/能量流动情况, 其中输入指标表示一定时期内投入到城镇系统的资源, 反映了城镇活动所动用的资源量, 是度量城镇系统对环境产生的压力影响的不可或缺的指标。输出指标反映了城镇系统对自然环境直接输出的环境压力, 也是环境污染的直接来源。

1. 输入指标

(1) 本地能源输入量、外地能源输入量分别指直接从本地、外地获取的能源量, 反映了对外部能源的依赖程度;

(2) 总能源输入量:指一定时期内投入到能源技术应用系统中的能源之和, 包括原煤、原油、天然气、生物质能、太阳能、地热能、风能等。

2. 输出指标

(1) 总污染物输出量:反映了投入能源技术应用系统的物质在使用后, 离开系统向区域或其它地方的环境输出量 (由生产活动产生的大气污染物、水体污染物和固体废弃物等) ;

(2) 总能源输出量:反映输出到建筑系统的能源和能源在加工转换过程中的热耗散。

3. 强度和效率指标

反映能源技术应用系统的能源消耗水平和利用效果, 即能源有效利用程度、污染排放的综合指标。强度和效率指标包括污染排放强度、能源服务强度, 即单位服务面积污染物排放量、能源消耗量。

在能源技术代谢分析的实际操作过程中, 需根据各能源技术的特征, 选择相应的分析指标。

(三) 城镇物质流/能流统计方法

以天津市滨海新区东丽区为研究案例, 统计以滨海新区、东丽区等的物质、能量数据为目标, 同时从供应端和使用端进行统计, 采用自上而下和自下而上相结合的方式, 查阅天津市、滨海新区、东丽区年鉴资料以及其他统计资料;采用自下而上的方式, 通过供热站、开发商、信息平台、现场监测等收集城镇的能流和物质流数据, 以及不同能源供应技术集成的能流和物质流基础数据, 建立城镇物质流/能流数据库, 收集的数据包括输入物质数据、输出物质数据 (包括污染物质排放、耗散性物质等) 等。

三、分析结果

基于城镇物质流/能流分析模型和指标体系, 以东丽区为对象, 采用东丽区调查数据和2015年统计年鉴数据, 对东丽区开展物质流/能流分析 (见图3) 。

指标计算表明, 东丽区总能源输入量为8755583.23tce, 其中煤合计7864620.14tce, 油品合计20846.24tce, 天然气合计263373.46tce, 电力523198.80tce, 热力2130.11tce, 其他能源81415.00tce。污染总输出量为2484.70万吨。能源产出率为10342.66元/tce, 能源消耗强度为11.62tce/人, 万元GDP能源消耗强度为0.967tce/万元。

四、结论与展望

城镇物质流、能流分析方法能够有效揭示城镇物质、能量代谢特征, 并通过指标的形式加以展示, 能够从宏观尺度揭示城镇代谢对资源输入以及环境输出的压力, 并能进一步揭示压力的来源和程度。

如果未来能否增加更多分析数据, 从纵向时间尺度进一步分析多年时间序列东丽区物质、能量代谢特征, 从横向尺度对比东丽区与我国其他城镇代谢特征, 那么分析结果将能进一步为东丽区代谢调控提供科学依据。

摘要：我国进入快速城市化阶段, 城镇系统代谢剧烈, 城市面临资源消耗和污染输出双重压力。构建城镇物质流能流分析方法, 建立城镇物质流、能流分析框架, 建立指标体系, 并以天津市滨海新区的东丽区为案例, 分析东丽区城镇代谢特征。结果表明, 城镇物质流与能流分析能够客观揭示城镇代谢物质与能量输入与污染输出特征, 为城镇资源战略制定与污染调控政策提供科学依据。

关键词：城镇,代谢分析,物质流,能流,东丽区

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