區域水生態經濟系統能值分析

沈 昱

(上海市浦東新區規劃設計研究院，上海 200127)

1 概 述

水生態經濟系統(WEES)對社會發展至關重要，但人類活動的快速發展對生態系統的結構、過程和功能產生了負面的生態影響。水生態系統的惡化會導致人民生活水平的下降，必須協調社會與生態系統的關系，生態經濟學為處理社會、經濟和生態層面的跨學科問題提供了有效的手段[1-2]。水的流動被認為是經濟過程與生態過程相結合的系統框架，生態經濟學的能值理論在區域尺度上得到了廣泛的應用[3-4]。

作為生態經濟學能值理論的一個應用，本文重點研究生態經濟能值綜合評價方法，并試圖將該方法應用于城市A的生態經濟決策。通過計算系統內外的生態經濟投入產出，探討基于一系列能值指標系統的經濟狀況、水資源開發和系統可持續性。

2 理論與方法

2.1 能值理論

能值，特別是太陽能能值，是“直接或間接用于提供服務或產品的可用太陽能”[5]。能值分析將所有系統視為能量流網絡，能值分析為生態系統商品和服務的量化或評價提供了有力的依據。能值分析的一個基本原理是最大功率原理，它指出，“在與他人競爭中占優勢的系統，通過加強生產過程和系統組織克服限制，利用流入的能值資源開發最有用的工作”。Odum指出，這一原則決定了哪些生態和經濟系統將隨著時間的推移而生存，從而對未來的系統做出貢獻。

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換因子(轉化率)轉換為太陽能當量或太陽能能值。通過將投入和產出乘以它們各自的轉化率，可以計算出每種資源、服務和相應產品的能值。在同一單元的基礎上，通過一系列能值相關比率和指標，可以方便地對這些量進行分析，從而更好地評價相關系統。這些指數表明了系統在效率和可持續性方面的各種性能特征。

基于Odum的能量電路符號和基本數據以及運行機制，制定了WEES的聚集能量圖，見圖1，以說明復雜系統內外的生態和經濟投入和產出。在理論上，水的存在會導致不同的能值進行轉化。根據不同水體的特性，提出了系統用水的基本假設：系統用水分為兩類，當地水(WL)和外來水(WE)，當地水又分為地表水(WLS)和地下水(WLG)，它們之間的轉換變化見圖1。

圖1 水生態經濟系統能值流動圖

2.3 能值指標

4種生態經濟傳統指標包括可再生能源投資率(RIR)、能值產出率(EYR)、能值投資率(EIR)、環境負荷率(ELA)和能值可持續性指數(ESI)，分別評價了生產過程的生態經濟效益和產品對社會的凈貢獻，以及生產過程的生態經濟潛力人類活動對環境的影響。除了上述熟悉的4個指標外，本文還提出了5個強調水資源的指標：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。該指標反映了水資源在小水電中的比重，是水資源潛力的標志。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利用程度。③水能自給率WESR=WL/WC，該指標反映了當地水資源占總用水量的能值比例。比例越高的系統對當地水資源的依賴越大，提高生產力的潛力也越大。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。這個指數是經濟發展的標志，該系統單位面積水能消耗較少，表明該系統經濟發展水平相對較低。⑤水資源人口承載力WPC=8×WR/(U/P)=8×WR/U×P，其中P是人口。該指標反映了以現有生活水平為標準的系統所能承載的人口容量，它取決于系統目前的總人口、系統總能值的增長率和水資源總量。它是評價WEES可持續性的綜合指標。

3 案例研究

3.1 研究區域

以國內某一城市為研究對象，可根據調查資料和當地政府編制的標準年度統計年鑒，進行相關數據查詢，例如某城市為研究對象，2005年全市生產總值1 650億元，人口716萬人，人均總產值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 能值計算

在圖1中，可將WEES的能值分為四大類：可再生當地資源(R)，如陽光、雨水和風力；不可再生當地資源(N)，例如土壤侵蝕；購買能值投入(IMP)，如從外部購買的不可再生礦物燃料和化肥以及從外部購買的水資源等可再生投入；出口資源(EXP)，如出口到外部的產品和勞動力。系統總產量(Y)是指系統的產品，如工農業產品。系統的總能值(U)是輸入和輸出的矢量和，表示為U=R+N+IMP-EXP。則經過進一步整理，形成該城市能值流動圖，見圖2。

對于一個地區的水生態系統研究，一般將1年作為系統分析的時間周期，因為大多數數據是每年統計的。計算能值的關鍵是不同資源、產品或服務的太陽能轉換。在過去的30年中，Odum計算了各種產品和服務的轉化率，計算能值的詳細參考資料見Odum和Brown and Ulgiati[5-6]。根據調查資料和當地政府編制的標準年度統計年鑒，將該城市的環境保護、工農業、進出口等方面的數據進行分類整理，形成水生態經濟系統能值表，為進一步研究該城市水生態經濟系統提供數據基礎，見表1。

圖2 城市A水生態經濟系統能值流動圖

表1 城市A生態經濟系統能值表

進一步計算可再生能源投資率、能值投資率、能值產出率、環境負荷率等11個動態能值指標，對水生態經濟系統健康狀況進行評價，結果見表2。

表2 城市A水生態經濟系統能值指標計算

3.3 結果和討論

3.3.1 經濟發展

一個城市的經濟發展評價包括4個指標：可再生能源投資率(RIR)、能值投資率(EIR)、能值產出率(EYR)和環境負荷率(ELA)。

該城市可再生能源環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無法得到補償，存在資源枯竭和環境破壞的潛在危險。2005年能值投資率為2.39%，表明更依賴于環境固有資源，整體仍然處于工業化狀態。能值收益率用于評估能源對經濟的潛在貢獻。2005年城市的EYR值為60.13，意味著其在國內的競爭力越強。城市的環境負荷率為45.18，這意味著該城市正在密集消耗不可再生的環境資源，對環境的負荷最大。

3.3.2 水資源開發

由表2可知，城市水資源開發評價包括4個指標：水能值比、水能值利用率、水能值自給率和水能值密度。這些指標衡量水資源的開發利用程度及其對經濟發展的貢獻。水資源短缺是該城市水生態經濟系統危害最嚴重的因素之一。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、面積相對較小的發達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域內城市的結構和功能。城市水能密度為1.31×1011sej/m2，低于全國平均水平，說明城市水資源十分稀缺。

3.3.3 持續性

城市可持續性評價包括兩個指標：水資源人口承載力和能值可持續性指標。城市A的2005年實際人口716×104人，遠大于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。基于能值的可持續性指數提供了系統可持續性的綜合衡量指標。城市ESI(1.33)低于該省平均水平(1.76)，表明城市的可持續性較差，其能值產出率遠低于全國其他地區，環境壓力也高于全國其他地區。

4 結 論

將生態經濟系統與水資源相結合，提出了基于能值綜合的水生態經濟系統評價的理論框架和方法。作為傳統經濟和能源分析的補充，在區域的水生態經濟系統中，對不同質量的能源和材料進行測量、比較和匯總。根據上述能值分析，城市A生態經濟狀況具有以下特點：①對進口的集約型燃料、商品和服務的依賴性強；②不可再生資源消耗過度，環境負荷大；③實際人口是水資源承載力的3.7倍，水資源壓力大；④水資源可持續性指標表明，城市水資源可持續性較差。從長遠來看，節約用水、尋找新水源是實現一個地區經濟社會可持續發展和可持續發展的迫切需要。