工業園區循環經濟關聯與生態效率評價
——以福建省蛟洋循環經濟示范園區為例

徐凌星,楊德偉,高雪莉,郭青海

1 中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院大學,北京 100049 3 西北師范大學 地理與環境科學學院,蘭州 730070

近幾十年來,面對全球資源耗竭與環境退化的危機,循環經濟發展模式成為實現資源、環境和經濟共贏的重要途徑[1-2]。其中,“減量化,再利用和資源化”成為廣為接受的循環經濟發展理念[2- 3]。傳統的循環體系強調廢棄物資源化,忽略“減量化與再利用”的循環效益,這在單一企業和社會靜脈產業中較為普遍[4- 5]。為全面優化生態效率,新型循環經濟模式提出“預防-減量-清潔處理-資源培育”的全生命周期要求,生態工業園成為重要試點[6- 8]。

循環經濟模式的擴展,對當前的工業園轉型提出了新挑戰。如何耦合關聯企業間的循環經濟過程,實現園區結構優化,功能提升,逐漸成為生態工業園發展評價的焦點。為揭示園區企業間的物質流轉和代謝特征,全生命周期[9]、物質流分析[10]、能值分析[11]等方法被應用到循環經濟過程研究中。基于工業園區循環經濟的過程分析,企業關聯結構與園區功能效益研究得以展開。為識別企業關聯關系與園區結構,有學者著重解析了生態產業共生的結構及調控機理[12- 13]；也有學者引入復雜網絡[14]、生態網絡分析[15]和社會網絡分析[1]等度量方法,構建工業園區網絡,實現對循環經濟結構關聯度的分析。在功能效益層面,循環經濟模式強調生態效率的最大化[3,16],為此,學者們先后建立了基于生態效率的單一指標法、指標體系法和模型法,用以衡量工業園區循環經濟水平[17]。

綜合來看,當前的研究提倡多指標、多方法進行生態工業園結構分析和功能評估,其中,園區結構分析突出企業關聯的網絡化特征,園區功效研究強調基于經濟、資源和環境多維度的復合生態效率分析[1,14,18]。綜合評估工業園區關聯網絡特征和生態效率水平,可實現工業園區循環經濟結構優化和效率提升的綜合策略分析。然而,以往的研究多關注大、中型成熟工業園區的循環經濟發展,缺乏對小型新興工業園區循環經濟產業鏈及效益優化策略的分析[11,15,18]。因此,本文從探討新興工業園區企業關聯度與生態效率的角度出發,以福建省蛟洋循環經濟示范園區為例,在運用物質流分析方法厘清園區循環經濟的物質流轉過程的基礎上,使用生態網絡分析方法評估園區網絡的關聯結構特征(連接度、穩定性、韌性等),并篩選園區網絡中的關鍵節點企業,進行關鍵企業的生態效率評估。最后,本文以提升企業關聯水平與生態效率為目的,探討園區循環經濟的發展策略,進而為類似新興化工循環經濟園區實現穩定運行和功效提升提供借鑒。

1 研究對象與數據來源

蛟洋循環經濟示范園位于福建省上杭縣,自2007年建設至今,已形成金屬冶煉、化工和建材三大支柱產業,入駐企業30余家,園區面積達5.78 km2,2016年產值達206.94億元。園區從2012年開始循環化改造,現已形成關聯9家重點企業的循環生產網絡。作為上杭縣的龍頭產業園區,蛟洋循環經濟示范園的發展,對調整縣域經濟產業結構,加強現代工業城鎮建設,減緩重工業(以礦產開采、金屬冶煉業為首)產生的資源環境壓力,實現區域可持續發展具有重要意義。

本文以園區進入循環經濟的9家企業為研究對象,針對2012—2016年的企業發展情況開展了3次實地調研。其中,有關園區規劃和管理的數據來源于蛟洋循環經濟示范園管理委員會；企業資源、環境及經濟投入產出數據源自對相關企業的調研與訪談。

2 研究方法

2.1 物質流分析

物質流分析是在工業代謝分析的基礎上構建的,是對系統物質流動過程進行跟蹤分析的一種評價方法?；趯︱匝髨@區物質輸入、貯存、輸出的跟蹤研究,本文確定了園區循環經濟生產鏈條。

2.2 生態網絡分析

生態網絡分析是通過網絡關聯生態系統組成要素的一種方法[19- 20]。工業園區網絡由節點和路徑組成,節點表示企業,路徑表示企業間達成的物質交換關系[21]。

2.2.1 連接度分析

網絡結構連接度(C)表示網絡各節點間的聯結程度。C值越大,網絡節點間的相關性越強[22],公式如下：

C=L/n2

(1)

式中,n為網絡節點數,L為節點間存在的路徑數。

2.2.2 穩定性分析

在進行生態網絡穩定性測算之前,首先需要計算生態網絡平均交互信息指標(Average mutual information, AMI),用以表征物質交換在網絡中的集中度[23]。隨著AMI指標值的升高,物質的流動過于集中,網絡的多樣性下降,從而導致網絡的穩定性(DR)降低[19],公式如下：

(2)

(3)

式中,K為尺度系數(針對單一系統時,K取1),fij為節點j流向節點i的流量,T..為網絡通量,Ti.為流至節點i的總流量,T.j為節點j流出的總流量。

2.2.3 韌性情景分析

在生態網絡分析過程中引入韌性情景分析法,可實現對園區循環經濟發展的抗干擾能力的評估。工業園中的干擾是指由于設備故障、生產流程升級或取締污染企業等行為引起節點間物質和能量流的中斷。一個節點的失效將會導致關聯路徑的消失,進而干擾整個工業園的網絡關聯效應,這種現象被稱為級聯效應[24]。為此,本文通過情景預設,分析干擾企業后園區產生的級聯效應,級聯效應越強表示園區網絡韌性越弱。在情景分析中,我們依據企業關聯程度(節點關聯的路徑數與流量)衡量企業在園區網絡中的重要性,按照重要性由大到小的順序依次進行情景分析,進而得到每個干擾發生后園區循環經濟網絡的變化情況。

2.3 生態效率

2.3.1 生態效率指標計算

生態效率本質上是一個衡量經濟活動過程對自然資源利用狀況或污染排放狀況的指標,其核心是考察研究對象的投入產出效益。企業生態效率指標可由資源效率與環境效率兩方面概括[2,9]。在本研究中,能源、水、燃料和礦石是企業消耗的主要資源,廢渣、廢水、廢氣及其他污染氣體是主要的環境污染指標,公式如下：

絕對生態效率=工業產值/資源消耗量或環境污染排放量

(4)

相對生態效率=工業產值增長倍數/資源消耗量或環境污染排放量增長倍數

(5)

2.3.2 生態效率評估模型

圖1 生態效率度量及循環經濟模式評判模型[25]Fig.1 Measuring model of ecological efficiency and circular economy pattern[25]

3 研究結果

3.1 園區物質流分析

通過關聯金屬冶煉、化工、建材生產及含氟新材料四大產業,蛟洋循環經濟示范園形成了“銅、金冶煉-副產品硫酸-磷、氟化工-副產品磷石膏、氟硅酸、氟化氫-建材、含氟材料生產”的循環經濟產業鏈,如圖2所示。其中,紫金銅業是上游企業,通過金屬冶煉為其他企業提供硫酸副產品；甕?；?、龍氟化工和甕福藍天是產業鏈的中游企業,通過磷、氟化工生產磷石膏、氟硅酸、氟化氫,參與園區下游循環鏈；德爾科技、思康新材料、泰山石膏、四川利森和建成新建筑屬于下游企業,主要輸出石膏板、水泥、多孔磚及含氟新材料。

進一步分析企業間的供求關系發現,當前園區的循環產業鏈仍有斷裂之處,導致副產品過?；蚓o缺：紫金銅業與甕福化工的硫酸供需配置不合理,甕?；?5%的硫酸需求由園區外滿足,而紫金銅業17.4%的硫酸閑置,通過外銷處理；泰山石膏、四川利森生產規模較小,導致甕?；?3.56%的磷石膏閑置；副產品氟化氫在園區以外銷為主,下游企業對無水氟化氫的利用率僅為5.45%；紫金銅業除生產副產品硫酸外,還輸出大量末端物料,在金屬冶煉末端亟待拓展對廢料再利用的產業鏈。

圖2 園區主要循環經濟鏈物質流圖Fig.2 The main chain of circular economy material flows in the Jiaoyang eco-industrial park

3.2 園區生態網絡分析

3.2.1 連接度分析

在物質流分析的基礎上,本文采用生態網絡分析方法明確了參與循環生產的節點與路徑,構建了園區循環經濟網絡矩陣,若企業節點i與節點j有連接,則矩陣的第i列第j行的元素為1,否則為0,如圖3。網絡連接度關注園區企業連接的合理性,研究園區網絡節點數n為9,路徑數L為11,網絡連接度C僅為0.136,說明蛟洋園區中各企業的關聯性一般。從流動方向上看,大部分企業值間只存在單向的物質輸入、輸出關系,而非互相流通的關系。

圖3 園區循環經濟網絡矩陣Fig.3 The circular economy network matrix in the Jiaoyang eco-industrial park節點企業1：思康新材料；節點企業2：甕福藍天；節點企業3：泰山石膏；節點企業4：四川利森；節點企業5：龍氟化工；節點企業6：紫金銅業；節點企業7：甕?；?；節點企業8：德爾科技；節點企業9：建成新建筑

3.2.2 穩定性分析

網絡穩定性分析結果顯示,蛟洋園區循環經濟網絡的AMI值為0.305,高于一般的人工網絡系統[23],說明物質在網絡中的流動過于集中；DR值僅為0.001,網絡結構的穩定性不足。分析原因發現,研究園區物質集中度過高、網絡穩定性不足,可能與園區網絡連接度、多樣性有關。由于循環網絡節點間連接性較低,物質分散流動的途徑較少,因此物質流動較為集中；從網絡多樣性角度分析,該園區循環經濟生產鏈條單一,沒有較多樣化的產業鏈延伸。

3.2.3 韌性情景分析

在進行韌性分析之前,首先需要對園區網絡各節點的關聯水平進行分析。本文依據節點關聯的路徑數目(向內與向外)和流量(輸入與輸出)兩個指標,進行園區網絡節點的關聯水平分析和重要性的排序,如表1所示。

表1 園區網絡節點(企業)的關聯水平評估

節點向內路徑數、輸入流量分別指物質流入該節點的路徑數、總流量；向外路徑數、輸出流量分別指物質流出該節點的路徑數、總流量

參照節點的關聯水平排序,本文依次分析了不同節點干擾情景對園區網絡的級聯效應,如圖4。整體來看,關聯度越高的節點對園區網絡的干擾程度越大,在圖中表現出網絡循環通量和關聯節點數的大幅降低。級聯效應最顯著的為節點6、7(紫金銅業、甕?；?,硫酸、磷石膏循環生產鏈的斷裂分別導致園區86%、89%網絡通量的損失,8、4條路徑的消失。節點5(龍氟化工)和節點2(甕福藍天)的消失雖然干擾了3、4條路徑,但由于關聯流量較低,園區網絡通量還能保持96%以上。節點8、1、4、3、9作為下游企業,發生干擾后,僅造成1至2條關聯路徑的消失,但對園區循環通量的影響不盡相同：8、1節點(德爾科技、思康新材料)對副產品氟化氫的循環利用率不高,對園區網絡通量近乎沒有影響；節點3、9(泰山石膏和建成新建筑)則干擾了園區7%的網絡通量；節點4(四川利森)關聯了園區內重要的磷石膏循環鏈,影響了園區46%的網絡通量。

圖4 基于節點干擾的園區網絡循環通量和關聯路徑韌性情景分析Fig.4 The resilience scenario analysis of the system network throughflow and pathways based on the disturbance nodes in the Jiaoyang eco-industrial park 網絡通量百分比指干擾情景下的網絡通量占原網絡通量比例；關聯路徑數指干擾情景下的現存路徑數(干擾發生前園區路徑總數為11)

3.3 園區重點企業生態效率分析

甕福化工、紫金銅業作為蛟洋循環經濟示范園的核心企業,是發揮顯著級聯效應的關鍵節點,關乎園區循環經濟發展生死,為此有必要開展相應的循環經濟效率評估工作。

3.3.1 資源與環境效率變化趨勢分析

在2012—2016年間,伴隨甕福化工經濟的增長,資源消耗和環境負荷也呈現出增長趨勢。由表2可知,甕福化工的電、燃料和水的資源效率平均每年增長1.01、1.05倍和1.28倍,但石膏塵、SO2、廢水環境效率及礦石資源效率的年均增長倍數僅在0.93—0.97間,呈現下降趨勢。可見隨著產業、資源結構的調整,甕?；さ馁Y源效率得以提升,但在2016年,甕福化工資源效率沒有繼續增長,反而下降,這與該年企業縮減生產規模、經濟效益降低有關。此外,礦石資源效率及環境效率逐年降低,企業對礦石廢料的末端利用率不高,污染控制水平有待提升。

與甕福化工相比,2012—2016年間,紫金銅業資源消耗、環境排放的增長速度普遍低于經濟增長速度,生態效率提升效果較顯著。表3中紫金銅業除礦石資源效率和廢水環境效率下降外(年均增長倍數0.84、0.96),其他資源、環境效率皆提升(增速在1.02—1.59倍間),其中燃料資源效率、固體顆粒物環境效率的提升最為明顯,年均增長倍數為1.59、1.55。各類環境效率普遍改善,得益于2015—2016年間紫金銅業嚴格控制銅金礦污染,加強廢棄物管理。紫金銅業發展了余熱發電等節能技術,企業的資源(電、燃料、水)效率得以提升,但其經濟產值的快速增長是以擴大礦石投入為代價,因此礦石資源效率逐年降低。

表2 2012—2016年甕?；て髽I生態效率變化情況

表3 2012—2016年紫金銅業企業生態效率變化情況

3.3.2 生態效率評估

在資源和環境效率分析的基礎上,本文進一步評估了甕?；ず妥辖疸~業的生態效率水平,如圖5、6。整體來看,甕?；ず妥辖疸~業的生態效率水平和循環經濟發展水平一直處于波動狀態。2012—2014年,甕?；さ纳鷳B效率水平和循環經濟效益高于紫金銅業,前者經歷了末端治理、循環經濟模式、源頭削減模式間的演變,后者未實現循環經濟的轉型,仍以傳統形式發展；2014之后,紫金銅業開始發展循環經濟模式,生態效率得以提升,甕?；ぐl展模式反而更傳統化,生態效益在弱化。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 園區循環經濟發展瓶頸及優化建議

(1)生態工業園區是企業間因地理靠近和產業集聚產生的網絡園區,通過設備基礎和服務共享、副產品的重復使用實現企業連接[1]。其中,副產品的再利用效率直接影響園區的企業關聯、產業鏈擴展和循環經濟水平。在本研究中,磷石膏、氟化氫和金屬冶煉末端物料等副產品的循環利用率較低,導致當前蛟洋園區的循環鏈條仍有斷裂現象,網絡關聯度、多樣性降低。為此,本文提出加大副產品循環利用,優化、拓展和增加循環經濟鏈的建議：泰山石膏可增加石膏凝膠材料、陶瓷裝飾生產,四川利森可增加磷石膏硫酸聯產水泥生產線；在紫金銅業下游引進再生有色金屬產業,對紫金銅業廢料加以循環利用；適當引進以磷石膏或無水氟化氫為原料的產業,如化肥工業(磷肥、土壤改良劑)和氟化工(鋰電池、脫色劑、催化劑)。

圖5 甕?；ず妥辖疸~業生態效率變化圖 Fig.5 The change of eco-efficiency in Wengfu Chemical Company and Zijin Copper Company during 2012—2016

圖6 甕福化工和紫金銅業循環經濟變化軌跡圖 Fig.6 The change route of circular economy in Wengfu Chemical Company and Zijin Copper Company during 2012—2016

(2)節點的級聯效應放大了園區的干擾行為,進而影響了園區網絡的穩定性。在企業加緊產業結構調整、經濟政策響應、技術革新的背景下,如何調整園區網絡結構和適應性策略,以減緩園區的級聯效應和規避外界干擾,成為當前工業園區轉型的挑戰[24,26]。在本研究中,上游企業的級聯效應波及整個園區的循環經濟發展,嚴重干擾中、下游企業的發展。為此,蛟洋園區在擴展和延伸循環產業鏈的同時,更應注意提升園區網絡的穩定度,培育專業化的產業集群,以形成良性的產業協同效應。上游企業應重點優化循環經濟模式,提升自身的抗干擾能力和核心競爭力,保證企業的規?；a和重要副產品的穩定輸出；中、下游產業應確保重要原料的庫存,建立專業化的市場配套體系,同時培育產業新鏈條,形成多向的產業共生關系。

(3)生態效率指標的核心是通過對比資源、環境增長速度與經濟發展速度,判定系統的循環效益[2,25,27]。穩定的循環經濟模式要求資源、環境效率的協同發展,強調源頭削減和末端治理。從甕福化工和紫金銅業的生態效率發展軌跡看,企業的循環經濟發展水平不夠穩定,尤其是礦石資源效率與環境效率較低。為此,礦石廢料的二次開發利用和污染控制技術及設備的更新對企業循環經濟的發展尤為關鍵。

4.1.2 研究的不足與展望

在當前的生態工業園區研究中,如何實現循環經濟的網絡優化和生態效率提升，成為工業園區轉型與發展的關鍵。一方面,企業關聯網絡優化(例如,副產品的供需平衡,廢棄物管理的共享機制)可以降低生產成本、提高資源利用率和控制污染物排放,綜合提升工業園區的經濟、資源和環境效益[28-29]。另一方面,企業的生態效率直接影響園區循環經濟網絡結構的穩定性,企業節點失效將對園區網絡造成不同程度的干擾[24,30]。

為此,本研究采用物質流分析和生態網絡分析方法,評估了蛟洋園區循環經濟的企業關聯度；采用生態效率評估方法,分析了蛟洋園區關鍵節點企業的功能效率水平。通過園區循環經濟關聯特征和生態效率水平的整合分析,本研究從循環經濟結構優化和生態效率提升的角度,探討蛟洋園區未來的循環經濟發展策略。然而,由于部分企業的歷史數據較難獲取,本文僅針對重點企業生態效率進行了評價,缺乏對園區歷年循環經濟關聯結構調整的動態追蹤,企業關聯結構對園區生態效率的影響分析尚停留在定性階段。為此,獲取企業更為詳實和長時間的數據,開展工業園區循環經濟組織結構對生態效率的影響評估,深入分析園區循環經濟網絡結構與功能效益的關聯關系,將是進一步研究的方向。

4.2 結論

本文運用物質流、生態網絡和生態效率等分析方法,從結構關聯和生態效率視角,綜合評估了2012—2016年間蛟洋循環經濟示范園區的循環經濟水平,結論如下：

(1)園區循環鏈條單一,抗壓能力不強。當前循環生產過程依托“銅、金冶煉—副產品硫酸—磷、氟化工—副產品磷石膏、氟硅酸、氟化氫—建材、含氟材料生產”單一產業鏈展開,上下游企業供需不平衡。

(2)園區企業間關聯性不足,網絡結構穩定性較弱,韌性和抗干擾能力較差。關鍵節點(甕福化工和紫金銅業)對下游企業的級聯效應顯著,關乎整個園區循環經濟發展存亡。

(3)園區重點企業的生態效率浮動大,尚未形成穩定的循環經濟發展模式。其中,紫金銅業的生態效率增長態勢較好,從傳統發展、源頭削減模式逐漸過渡為循環經濟模式；甕?；さ纳鷳B效率大致呈現下降趨勢,早期在末端治理、循環經濟、源頭削減間徘徊,后期企業生態效率弱化,淪為傳統發展模式。