基于EEF模型的港口生態評價方法研究

郭子堅，崔維康，彭 云，張 祺

（大連理工大學建設工程學部，大連 116024）

基于EEF模型的港口生態評價方法研究

郭子堅，崔維康，彭 云，張 祺

（大連理工大學建設工程學部，大連 116024）

基于能值理論（emergy theory），在分析港口資源消費和污染等生態足跡的基礎上，考慮船舶在港作業期間對生態環境的影響，提出基于EEF模型（emergy?ecological footprint）的港口生態評價方法，將港口生態承載力分析計算擴展為自然資源生態承載力和社會經濟虛擬承載力兩類賬戶。以北方某港區為例計算了2009～2014年的生態足跡與生態承載力，結果表明港區歷年生態承載力指數均大于1，處于生態不可持續狀態，能源足跡與污染足跡是港口生態足跡的主要來源。港口經濟虛擬生態承載力賬戶對港區生態承載力的貢獻高于自然資源生態承載力賬戶，可有效控制生態赤字規模。

EEF模型；能值理論；港口生態足跡；港口生態承載力

隨著資源消費和污染排放增加，港口對生態環境的影響不斷擴大。因此如何合理地衡量港口生態承載力，保證港口生態系統能夠支撐港口實現良性發展，已成為當今社會亟待解決的重要問題［1］。

加拿大生態經濟學家Rees和Wackernage［2］提出了生態足跡模型（EF），其基本思想是將人類消耗的自然資源和排放的廢棄物轉化為相應的生物生產性土地面積與現存的土地面積比較來衡量人類社會的可持續發展狀況。生態足跡模型在城市和區域的生態性評價方面得到了較廣泛的應用。Erdas等［3］引入傳統生態足跡模型用于評估港口生態承載力，但研究偏重于強調港口對資源的需求，其承載力計算基于自然資源的多寡，僅考慮耕地、林地、草地、水域、化石能源地、建筑用地等6種土地的生產能力，土地類型功能性劃分單一，忽略了經濟、社會、技術等方面帶來的影響，溫室氣體考慮不全面，對港口污染物的影響考慮不足。

本文將能值-生態足跡模型（EEF）［4］引入港口生態評價研究，通過能值分析理論和傳統生態足跡模型相結合，將各種能量流換算成生物生產性土地面積，建立了港口EEF模型，分析港口生態演變趨勢。

1 研究方法

1.1 港口EEF模型

港口屬于人工-生態復合生態系統，能源與資源消費量大，生產經營活動中產生較多的各類污染物。為了更加科學合理地評價港口生態系統，本文提出港口EEF模型，通過能值轉換率與能值密度，將港口區域的不同類型、不同種類的消費項目和污染物換算為相應的生物生產性土地面積，計算港口生態足跡、生態承載力與生態承載力指數，對港口進行生態評價。與傳統港口生態足跡模型相比，港口EEF模型在生物資源足跡、能源消費足跡的基礎上，增加了水資源消費足跡與污染足跡指標，同時充分考慮了港口生態系統的開放性與港口經濟發展對生態系統的貢獻，引入港口經濟虛擬生態承載力，使計算結果能更客觀、真實地反映港口生態系統的狀況。港口EEF模型如圖1所示。

1.2 港口生態足跡

1.2.1 港口資源消費足跡

港口消費資源可分為生物資源、能源、水資源。生物資源包括港口從業人員消費的植物品（糧食、食用油、糖、水果、蔬菜等）和動物品（肉類、蛋類、奶類、水產品）；能源包括電力、煤炭、柴油、汽油、燃料油等，分為港口陸域生產作業消費的能源與船舶在港作業期間消耗的能源；港口水資源消費主要包括船舶上水、生產用水、生活用水、消防用水、綠化用水等。資源消費生態足跡計算如下

圖1 港口EEF模型Fig.1 The EEF model of sea port

式中：EFco為資源消費生態足跡，hm2；mi為第i種資源消費總量，J；Ti為第i種資源的太陽能值轉換率，Sej/J；P1為區域能值密度，Sej/hm2；TE為區域可更新資源總能值，Sej；S為區域總面積，hm2。

1.2.2 港口污染足跡

港口污染的生態足跡主要計算港口生產生活以及船舶在港期間排放的固體廢棄物、廢水和廢氣等的生態足跡。污染足跡計算如下

式中：EFpo為污染足跡，hm2；mk為第k種污染物總量，g；Tk為第k種廢棄物的太陽能值轉換率，Sej/g。

固體廢棄物包括港口裝卸作業產生的固體廢棄物，港口陸域生活垃圾以及港口接收的船舶固體廢棄物。廢水包括沖洗、洗箱等作業產生的生產廢水，港口陸域生活廢水以及港口接收的船舶廢水。

廢氣包括港口作業機械排放的大氣污染物與船舶靠泊期間排放的大氣污染物。港口作業機械大氣污染物排放計算如下［5］

式中：I為排放量，g/a；CF為修正因子；EF為排放因子，g/L；C為燃油消耗量，L/a；l=1，2，···，代表第l種大氣污染物。

船舶靠泊期間大氣污染物排放計算方法為［6-7］

式中：E為排放量，g/a；MCR為發動機額定功率；LF為特定工況負載因子平均負荷與最大負荷的比值；Act為在港作業時間，h；F為排放因子；FCF為燃料修正因子；CF為排放控制因子（使用了減排措施后的變化）。

1.2.3 港口總生態足跡

港口總生態足跡由資源消費足跡與污染足跡構成。計算公式為

式中：EF為港口總生態足跡，hm2。

1.3 港口生態承載力

1.3.1 自然資源生態承載力賬戶

自然資源的生態承載力賬戶是自然界的可更新資源能值的疊加計算。其包含的可更新能源有太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能、潮汐能以及地球旋轉能等。為避免重復計算，根據能值理論，同一性質的能量投入只取其中的最大值［8］。計算公式為

式中：ECn為自然資源生態承載力賬戶，hm2；E為可更新資源的能值，Sej；P2為全球平均能值密度，Sej/hm2；ej為第j種同類可更新資源的最大值，Sej。

1.3.2 港口經濟虛擬生態承載力賬戶

綜合考慮港口經濟系統對生態承載力的影響，在計算中引入港口經濟虛擬承載力賬戶對生態承載力進行修正。本文選取現代物流技術應用水平，從業人員勞動力資源因子兩項作為港口經濟因子。

式中：ECe為社會經濟虛擬承載力賬戶，hm2；te為能值-資本轉換率，用區域可更新自然資源的能值總量與區域國內生產總值的比值來表示［9］，sej/萬元；Vt為港口現代物流技術應用水平，采用港口現代物流業收入，代表技術水平發展的變化情況；Vs為從業人員勞動力資源因子，采用從業人員勞動收入，代表勞動力資源的變化；Vg為區域的國內生產總值；E為區域的可更新資源的能值。

1.3.3 港口總生態承載力

修正后的港口生態承載力即由自然資源生態承載力賬戶與社會經濟虛擬承載力賬戶共同構成。計算公式為

式中：EC為總生態承載力，hm2。

1.4 港口生態盈虧

將港口總生態足跡與港口總生態承載力進行比較，用于衡量港口的可持續發展情況，本文基于港口生態承載力水平［1］，將港口生態承載力指數作為分析港口生態安全的指標。計算式如下

式中：I為港口生態承載力指數，EF、EC意義同上。I大于、小于、等于1時，表示該港口生態分別處于赤字、盈余和平衡狀態。

圖2 區域能值密度P1（1015sej/hm2）Fig.2 The region emergy density P1

表1 港口生態足跡與港口生態承載力計算Tab.1 Calculations for ecological footprint and carrying capacity of sea porthm2

2 案例研究

利用基于EEF模型的港口生態評價方法對北方某集裝箱港區可持續發展狀況進行研究。港區共有14個集裝泊位，總面積320 hm2。

區域能值密度P1取港口所在城市區域能值密度。對港區所在城市2009～2014年間的區域生態環境可持續發展狀況進行動態分析，其中太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和海浪能屬于同一形式的能量，應選取最大值，經計算選取最大值雨水化學能、潮汐能和地球旋轉能為區域總能值，區域能值密度P1計算結果如圖2所示。全球年均總能值為1.583×1025sej，全球平均能值密度P2為3.104×1014sej/hm2。

該港區2009～2014年生態足跡和生態承載力的主要計算結果如表1所示，并得到該港區總生態足跡與總生態承載力變化趨勢（圖3），港口生態承載力指數計算結果見表2。

研究表明港區生態足跡呈持續上升趨勢，其中能源足跡與污染足跡是港口生態足跡的主要來源。港口經濟虛擬生態承載力賬戶對港區生態承載力的貢獻高于自然資源生態承載力賬戶，并呈上升趨勢，其貢獻度從2009年的72.8%上升至2014年的86.6%。港區歷年生態承載力指數均大于1，出現生態赤字，處于生態不可持續狀態。現代物流業務的迅速發展，有效提升港區對自然資源的挖掘和開發水平，提高了總生態承載力，控制了生態赤字的規模，港口生態承載力指數變化趨于穩定。

圖3 港區2009～2014年生態足跡與生態承載力狀況（hm2）Fig.3 The ecological footprint and carrying capacity of sea port from 2009 to 2014

表2 港口生態承載力指數Tab.2 The port ecological capacity index

3 結論

本文構建了基于EEF模型的港口生態評價方法。在港口生態足跡的計算中，考慮了在港船舶生產作業活動產生的生態足跡，并增加港口水資源消費足跡與污染足跡，完善了計算賬戶。在生態承載力的測算中增加港口經濟指標，使生態承載力賬戶同時覆蓋自然與社會兩個層面。本文以北方某港區為例進行計算分析，研究結果表明，該模型計算賬戶覆蓋面更廣，可以更好地反映出港口資源環境利用的真實狀況，較準確地評價港口生態演變狀況。研究表明能源足跡與污染足跡是港口生態足跡的主要來源。港口現代物流業的發展能夠有效的提高港口對區域可更新資源的利用水平，提升港口生態承載力。

［1］郭子堅，望燦，王文淵，等.基于生態足跡的港口生態承載力模型［J］.港工技術，2015（2）：48-51. GUO Z J，WANG C，WANG W Y，et al.Port Ecological Capacity Model Based on Ecological Footprint［J］.Port Engineering Tech?nology，2015（2）：48-51.

［2］Wackemagel M，Rees W E.Perceptual and structural barriers to investing in natural capital：Economics from an ecological footprint perspective［J］.Ecological Economics，1997，20：3-24.

［3］Erdas C，Fokaides P A，Charalambous C.Ecological footprint analysis based awareness creation for energy efficiency and climate change mitigation measures enhancing the environmental management system of Limassol port［J］.Journal of Cleaner Production，2015，108：716-724.

［4］Zhao S，Li Z，Li W.A modified method of ecological footprint calculation and its application［J］.Ecological Modelling，2005，185（1）：65-75.

［5］賈旭，封學軍，蔣柳鵬.港口作業機械大氣污染物排放研究［J］.華東交通大學學報，2014（3）：12-17. JIA X，FENG X J，JIANG L P.Research of Air Pollutants from Cargo Handling Equipments［J］.Journal of East China Jiaotong Uni?versity，2014（3）：12-17.

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［8］張雪花，李建，張宏偉.基于能值-生態足跡整合模型的城市生態性評價方法研究——以天津市為例［J］.北京大學學報：自然科學版，2011（02）：344-352. ZHANG X H，LI J，ZHANG H W.Emergy?Ecological Footprint Integrated Model for Eco?cityEvaluation：A Case of Tianjin City［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2011（2）：344-352.

［9］藍盛芳，欽佩，陸宏芳.生態經濟系統能值分析［M］.北京：化學工業出版社，2002.

Study on ecological evaluation of sea port based on EEF model

GUO Zi?jian,CUI Wei?kang,PENG Yun,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

By analyzing ecological footprint of resource consumed by port and waste,and considering the effect on environment of vessels,the EEF model(emergy?ecological footprint)for ecological evaluation of sea port has been built up based on emergy theory.Port ecological capacity was made up of the accounts of natural resources and the virtual accounts of port economic development.The ecological footprint and carrying capacity of a Northern Chi?na port from 2009 to 2014 was calculated.The ecological capacity index remained above 1 each year,which led to unsustainable port ecology.The energy ecological footprint and the pollution ecological footprint was main source of ecological footprint.The virtual accounts of port economic development contribute more for port ecological capacity, which avoided the growth of ecological deficit effectively.

EEF model;emergy theory;port ecological footprint;port ecological capacity

U 651

A

1005-8443（2017）02-0198-04

2016-10-11；

2016-12-16

國家自然科學基金資助項目（51279026）

郭子堅（1965-），男，遼寧省人，教授，主要從事港口規劃及港口物流研究。

Biography：GUO Zi?jian（1965-），male，professor.