基于能值分析的生態供水效益量化方法

黃顯峰,周 祎,閻 瑋,方國華,陳思宇

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.南水北調東線江蘇水源有限責任公司,江蘇 南京 210029)

生態供水是指為了維持流域生態系統的良性循環,人們在開發流域水資源時為保證生態系統的發展與平衡所需的水量。生態供水同工、農業以及生活供水一樣為一個用水單元。生態供水概念的提出,是人們重視生態保護的結果,也為流域環境管理提供了一種新的思維模式,引導人們將重點放在生態環境和水資源之間的內在關系上。生態供水系統是由人類進行管理和控制的“自然-人工復合經濟系統”,它與自然生態系統的能量流動并不相同,受人類活動的影響很大,并且很難用價格機制進行評判,通常只能通過間接計算法進行估算。王紅瑞等[1]使用配水效益計算方法,在不同的來水條件下,計算各種配水量方案下黃河河口地區所增加的生態效益;楊麗等[2]使用替代工程法計算京石段應急供水工程完工后北京產生的生態環境效益;陳寧等[3]使用機會成本法計算生態環境供水經濟效益,考慮兩種測算機會成本的方法,建立了計算生態環境供水經濟效益的線性規劃模型。在目前的研究中,有的學者通過定量計算工程完工后所產生的生態環境效益,解決了生態服務功能價值難以計算的問題,但仍有部分生態環境效益不能被定量計算出來；有的計算方法在使用前必須明確水資源及供水用戶的屬性,在不同情況下計算方法和結果也隨之改變,因此并不具有通用性,尤其是當系統成分比較復雜時,會給研究帶來很大的麻煩。

能值分析法20世紀90年代在中國開始傳播,至今已經得到眾多生態學家的認可,在多個領域都有應用。Brown等[4]利用能值理論計算水務服務成本的回收;Nilsson[5]利用能值理論對作為區域供熱系統燃料的秸稈進行了評價;Baral等[6]利用能值分析法計算汽油和玉米、酒精在使用中的能量周期;羅乾等[7-8]利用能值分析法研究了連云港市的農業灌溉效益以及工業供水效益;韓增林等[9]利用能值分析法對中國海洋生態經濟可持續發展作出了評價;彭俊杰[10]利用能值分析方法對河南省的生態經濟系統進行了綜合研究。能值分析法是一種量化研究方法,該方法能夠將所有不同的能量轉化成同一量綱,能夠客觀精確地比較各種能量的等級[11-13]。然而,目前還沒有學者采用能值分析法研究生態供水的效益,筆者在前人的研究基礎上[14-20],以南水北調東線應急供水受水區——京津冀地區為實例,擬對能值分析法應用于生態供水效益的量化研究進行探討。

1 生態供水效益

目前,我國的水資源嚴重匱乏,南北地區水資源分布不均,加之近幾年大力發展生產,為滿足生產需求而忽略了生態供水,這使得我國的生態環境遭到了不同程度的破壞。水是維持生態系統良性循環的核心,因此,在重視工、農業供水的同時,也需要保證一定的生態供水來維持生態系統自身的平衡。生態供水效益是指與不提供生態供水相比,提供生態供水的情況下所獲得的經濟效益總和。計算生態供水效益是為了正確估算供水生態環境的國民經濟效益。

采用能值分析法計算生態供水效益,是從生態經濟系統整體出發,考慮生態供水的特征,在定性分析生態供水產生效益的基礎上,對各個效益因子進行量化。具體過程是先將影響各方面效益的因素轉化為太陽能值,然后通過生態供水效益分攤系數計算供水效益,此時的供水效益是由能值表示的,需要通過能值/貨幣比率轉化為貨幣形式,公式如下:

S=εEIY

(1)

(2)

式中:S為生態供水總效益(以太陽能值表示),sej;ε為生態供水效益分攤系數;EIY為系統總能值產出,萬元;M為生態供水總效益(以貨幣形式表示),萬元;EP為能值/貨幣比率,即用某個國家某一年的能值利用總量除以同一年的GDP所得結果。

2 利用能值分析法計算生態供水效益

2.1 能值分析法

Odum教授[11]提出了能值(Emergy)的概念,并推導出能值分析法,利用該方法可以將生態系統或生態經濟系統中由于量綱不同而不能進行比較的能量轉換成統一標準的能值,通過這種轉換可以對所有的能量進行比較分析,判斷其等級。因此,能值可被視為生態學與經濟學之間的橋梁。它是一種流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數量。從本質上來說就是所包含的能量,而太陽能是一切能量的來源,所以通常將能值數量以太陽能焦耳(sej)為單位進行表示。能值轉換率為單位物質包含的太陽能值數量。物質的能值轉換率越低,說明該物質在能量系統中的等級就越低,若要生產每單位該物質,消耗的能量也就越少。例如1J燃油當中包含66 000 sej,那么燃油的能值轉換率為66 000 sej·J-1。能值貨幣價值為某種能值相當的貨幣量。

2.2 利用能值分析法計算生態供水效益分攤系數

步驟1收集資料。通過實地考察,查詢往年資料等方式,收集相關的自然地理、社會經濟等方面的資料。

步驟2繪制詳細的系統能量圖。根據系統的基本結構和主要能源、物質、信息等生態經濟流,繪制系統能量圖。繪制過程中最主要的內容是確定能值投入、能值產出以及明確各成分之間的過程及關系。通過整合上一步驟收集的資料,明確系統的基本結構,形成包括系統主要組分和相互關系以及能量流、物質流、貨幣流等流向的系統能量圖,從而明確研究對象各組分和環境的關系。

步驟3建立能值分析表。能值分析表中需要列出能量圖中所確定的系統內的主要成分,并且將各成分所包含的能量轉換為太陽能值。建立能值分析表的具體方法如下:首先,列出生態供水系統的輸入和輸出資源;其次,計算系統中各種資源的能量流;最后,使用能值計算公式完成系統中不同度量單位的項目到共同的能值單位的轉換,能值計算公式如下:

E=τB

(3)

式中:E為能值;τ為能值轉換率;B為能量或貨幣價值或物質的數量。

步驟4計算生態供水效益分攤系數。生態供水效益分攤系數公式如下:

(4)

式中:EIW為生態供水總能值;EIT為總能值投入。

步驟5系統發展評價和策略分析。通過能值指標分析,為制定合理的系統管理調控措施和發展策略提供科學依據,指導生態系統良性運作和可持續發展。

3 實例研究

南水北調東線工程是我國南水北調總體布局中的重要組成部分。2013年東線一期工程建成后,新建南水北調工程與現有江水北調工程共同構成調水工程體系,長江邊一級提水規模達500 m3/s,年平均新增供水量為36億m3,在經濟社會發展中發揮了巨大的作用。一期工程魯北干渠目前可與位山引黃線路及潘莊應急引黃線路相連,具備向河北省和天津市輸水的條件。在二期工程實施前,采取聯合調度管理措施和新增少量工程措施,充分利用一期工程的供水能力和全年的供水潛力,向北延伸應急輸水至京津冀地區,實現水資源的合理利用,以最大程度地發揮一期工程效益。

3.1 繪制京津冀地區生態生產系統能量圖

將京津冀地區看作獨立的系統,其占地面積的邊界就是本次生態供水系統的邊界。京津冀地區生態生產系統能量圖如圖1所示。生態生產系統主要能值分為可更新環境資源、不可更新環境資源以及系統總能值產出三類。可更新環境資源包括風能、雨水勢能、雨水化學能、太陽能、地球旋轉能、生態供水;不可更新環境資源包括勞務、固定資產投入;系統總能值產出分為社會環境產出和生態產出兩大類,前者包括園林水果、林產品、水產品、牛肉、羊肉、禽蛋、奶類及新產品產值,后者包括旅游收入。

圖1 京津冀地區生態生產系統能量圖

3.2 建立京津冀地區生態生產系統能值分析表

以2015年為例,根據收集的原始數據及相應能值轉換率計算各種生態流的能值,將其分類匯總,編制能值分析表(表1)。

通過表1將不同種類的能量轉化為太陽能值,從而得到2015年京津冀地區投入的可更新環境資源、不可更新環境資源以及系統總能值產出,將數據匯總至表2。從表2可以看出,京津冀地區的不可更新環境資源占總能值投入的92%以上,說明京津冀地區的供水效益主要依靠在該地區投入不可更新環境資源來獲取,在這種模式下,水資源綜合利用效率低,環境壓力大,因此應改變傳統的發展方式,優化產業結構,推動綠色經濟的發展。

表1 2015年京津冀地區生態生產系統能值分析

注:①原始數據來源于各地區統計年鑒、水資源公報、國民經濟和社會發展統計公報;②能值轉換率參照文獻[11-13];③2015年能值/貨幣比率為6.98×1011sej/元。

表2 2015年京津冀地區生態生產系統投入產出

表3 2015年京津冀地區生態供水效益計算

3.3 計算京津冀地區生態供水效益

京津冀地區生態供水效益計算見表3。由表3可知,京津冀地區生態供水效益分攤系數為4.08%,單方水供水總效益為5.48元/m3。由此可見,向京津冀地區進行生態供水是經濟合理的。然而，北方地區原本就干旱缺水,若要進行生態供水勢必會影響其他生產活動,因此除了要注意各方面用水的平衡以外,還可以考慮其他辦法,例如利用雨洪資源來緩解這個問題。總之，應通過合理的管控及調度,使水資源能夠滿足人們的生活、生產需要,并且發揮最大的經濟效益。

實施生態供水,不僅能夠有計劃地實施各地區綠化、美化建設,還能改善生態環境,開發旅游資源。一些過去無人問津的大片荒地,通過生態供水,可成為各類水生生物的聚集地,吸引游客前往參觀,實現人水和諧、人與自然和諧。在利用能值分析法量化研究某個地區的生態供水效益時,將該地區占地面積的邊界作為分析邊界,以能值為量綱,對生態供水過程中投入和產出的各項能量流、物質流和貨幣流的動態過程和相互關系進行分析,以得到反映生態與經濟性能的能值綜合指標,幫助人們對某地區的生態供水進行更好的管理。

4 結 語

生態供水系統是一個開放、復雜的系統,首先需要系統外的能源向系統供給能量,然后由人類通過勞動、貿易、投資等將自然生態系統與社會經濟系統結合起來。利用能值分析法量化研究生態供水效益,在其應用領域上是一個新的突破,解決了自然生態系統與人類社會經濟系統中的各種成分由于量綱不同而無法進行統計分析的問題。本文以南水北調東線應急供水受水區——京津冀地區為例,計算驗證了能值分析法在量化研究生態供水效益方面的可行性。該方法以太陽能值為介,通過能值指標體系建立起投入與產出的數量關系,為生態生產系統提供了統一的定量分析標準,與其他只考慮單一用水因子的傳統計算方法相比,該方法能夠客觀、真實地反映生態供水系統中供水效益的影響。

目前我國水資源管理保護任務艱巨,國家新發展理念也對水資源管理保護提出了更高的要求,然而基層水資源管理機構不健全,專業結構不適應管理要求,基層水資源管理保護能力與目標任務嚴重不匹配。隨著全球氣候變化以及人類活動對地球的影響不斷加大,影響水資源效益的因子以及影響機制會更加復雜,這對于水資源的合理規劃來說是一個嚴峻的挑戰。因此,在之后的研究中,需要更進一步了解系統內各組分的邏輯關系,完善生態生產系統能量圖,才能在復雜多變的環境中將能值分析法作為生態供水效益量化評價、實現人與自然和諧發展的科學工具。