生态学报  2014, Vol. 34 Issue (3): 710-717

文章信息

孙玉峰, 郭全营
SUN Yufeng, GUO Quanying
基于能值分析法的矿区循环经济系统生态效率分析
Ecological efficiency analysis of the circular economy system in mining area based on emergy analytic approach
生态学报, 2014, 34(3): 710-717
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(3): 710-717
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201306101566

文章历史

收稿日期:2013-6-10
修订日期:2013-10-30
基于能值分析法的矿区循环经济系统生态效率分析
孙玉峰1, 3 , 郭全营1, 2    
1. 山东工商学院,烟台 264005;
2. 山东师范大学 管理科学与工程学院,济南 250014;
3. 山东能源经济协同创新中心,烟台 264005
摘要:从系统的角度界定了循环经济和矿区循环经济的内涵,提出了煤炭矿区循环经济系统的基本框架,并以能值分析法为基础构建了矿区循环经济系统生态效率评价指标体系与方法。运用所构建的评价指标体系与方法对山东某矿区进行了研究,得出该矿区循环经济系统2007-2011年5年间的能值效率变化趋势图和生态效率指数趋势图,研究结果与该矿区的实际发展趋势基本一致。表明运用能值分析法所建立的评价指标体系具有较强的有效性,并且对煤炭矿区发展循环经济、提高生态效率具有重要指导意义和参考价值。
关键词矿区循环经济    能值方法    生态效率    
Ecological efficiency analysis of the circular economy system in mining area based on emergy analytic approach
SUN Yufeng1, 3 , GUO Quanying1, 2    
1. Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China;
2. School of Management and Economics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China;
3. Energy Economy Collaborative Innovation Center of Shandong, Yantai 264005, China
Abstract:This paper takes the recycling economy as a theoretical basis and systematically defines the recycling economy and recycling economy of coal mining areas. A basic framework for the recycling economy system in coal mining areas is put forward and a brief analysis of its systematic features is carried out. The author proposes that this is a complex interrelated system involving elements such as the environment, economy, resources, population, science, technology and culture. This paper starts with current problems faced by coal mining areas in China. By looking into the results of research and related references in this field from home and abroad, this paper briefly describes the basic rules and steps of Emergy Analysis and constructs an evaluation system for the eco-efficiency of the recycling economy in coal mining areas. It first sets up an emergy flow evaluation criterion which entails emergy efficiency evaluation criteria, sustainable development index and eco-efficiency index making it possible to analyze and study the sustainability and eco-efficiency of the recycling economy system in coal mining areas. By adoping this evaluation system, the paper carries out empirical research on a coal mine in Shandong province. By looking up statistical yearbooks, coal mine data and empirical surveys, an emergy data chart for the recycling economy system of this mine and an emergy evaluation chart will be presented. On this basis, the author drafted graphs of the variation tendency in emergy efficiency and eco-efficiency index in the five years from 2007 to 2011. Two tables have been devised and the predicted result is basically consistent with the real trends developing in the coal mining area. Finally, the author proposes that for future development, the proportion of investment in the environment should be increased while improving its overall investment so as to realize a coordinated development between the economy and environment, prolonging the useful years of the coal mine and improving the sustainability of the recycling economy system of this coal mine. The results also show that the established evaluation system, based on Emergy Analysis, has a high level of reliability and effectiveness. It will play an important role in advancing the recycling economy, promoting energy conservation and emission reduction and realizing sustainable development of the recycling economy system.
Key words: recycling economy in coal mining areas    emergy analysis    eco-efficiency    
1 矿区循环经济概述

循环经济是由美国经济学家K·波尔丁在20 世纪60年代提出,是指在人、自然资源和科学技术的大系统内,在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中,把传统的依赖资源消耗的线形增长的经济,转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。近年来国内外学者对循环经济做了大量研究,从不同的角度对循环经济概念做出了不同的解释[1, 2]。本文结合以往的研究和对循环经济的理解,从系统的角度认为:循环经济是指在实现经济发展的同时达到资源节约和废弃物高效资源化的目标,进而实现资源系统内循环利用的生态经济形态。

矿区循环经济是以矿区产品清洁生产、矿产资源综合利用、废弃物高效资源化为特征的煤炭矿区生态经济发展形态。煤炭矿区循环经济遵循煤炭矿区能量流动规律,是以资源物质循环为目标,以资源开采—资源利用—资源再生为资源反馈式流程的经济发展模式;同时,矿区循环经济是以减量化、资源化和无害化 ,即3R 原则为基础,以发展矿区生态经济、技术经济为核心,以矿区经济可持续发展为目标的一种全新的经济增长方式。

矿区循环经济系统是典型的复杂巨系统[3]。此系统由环境、经济、资源、人口、科技、文化等要素组成一个有机整体。矿区循环经济系统作为一种特殊的复合生态系统,是由自然子系统、经济子系统和社会子系统耦合而成,并且三大子系统两两相关,系统内外不断进行物质、能量和信息的交换,其框架结构图如图1所示。本文以能值分析方法为基础,以生态效率为主线,通过对经济循环型矿区系统的分析,构建矿区循环经济生态效率指标体系,并对其生态效率进行分析。

图 1 循环经济型矿区系统结构图 Fig. 1 The system structure diagram for circular economy in mining area

通过文献阅读和文献检索可知,国内外对矿区循环经济的研究已经深入到各个方面。其中国外矿区循环经济的发展成果主要体现在煤炭开采、运输、加工和利用等技术方面,以及与此相关的环境污染问题、废物再利用问题和洁净煤技术问题的处理等,侧重于矿区循环经济发展的技术与实践,对于其学术研究成果较少。国内学者对矿区循环经济的研究较为广泛,主要有矿区循环经济运行机制、发展模式及规律、静脉产业、指标体系评价与仿真、生态效率评价等,在生态效率评价方面多使用熵权法、数据包络分析法、非期望产出理论等方法[4],但运用能值分析法进行生态效率评价的研究成果较少。综上两方面所述,关于将能值分析法运用于矿区循环经济系统生态效率评价的研究成果极少,本文旨在构建其评价体系与方法,验证该方法对矿区循环经济系统生态效率评价的有效性,对矿区循环经济发展趋势作出有效分析与评价。

2 能值分析法 2.1 能值分析法的基本原理

能量是自然生态系统和复合生态系统存在和发展的基础,能量的存在表达了生命和环境、自然和社会的内在联系。美国著名生态学家H.T.Odum在20世纪50年代提出了能值的概念,并开始对生态系统的能量流动进行了深入而细致的研究,于80年代后期创立了能值理论和方法,使得能值成为普遍使用的重要科学概念和度量标准[5]。H.T.odum将能值定义为:一种流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量,称为该能量的能值。他又将能值进一步解释为:产品或劳务形成过程中直接和间接投入应用的一种有效能总量,就是其所具有的能值。

为了对不同类别与各种类型的能量进行比较研究,需要将其转换为统一标准的能值,因而提出了能值转换率的概念。能值转换率就是每单位某种类别的能量或物质所含能值之值。各种不同形式的能量均来源于太阳能,因此可以以太阳能为基准通过太阳能值转换率来衡量不同能量的能值。任何流动或存储的能量所包含的太阳能的量,就是该能量所具有的太阳能值,单位为太阳能焦耳,即sej,以太阳能值为基准,可以衡量和比较生态系统中各种不同能量的真实价值。太阳能值转换率的单位为太阳能焦耳/焦耳,即sej/J,几种主要能量类型的太阳能值转换率如表1所示。

表 1 几种主要能量类型的太阳能值转换率 Table 1 The solar transformity of the main types of emergy
能量类型
Types of energy
太阳能值转换率/(sej/J)
Solar emergy transformity
太阳光Sunlight1
风动能Kinetic energy of wind623
有机物质Organic matter4420
雨水势能
Potential energy of rainwater
8888
雨水化学能
Chemical energy of rainwater
15423
河流势能
Potential energy of rivers
23564
河流化学能
Chemical energy of rivers
41000
波浪、海潮机械能
Mechanical energy of wave and tide
17 000—29 000
燃料Fuel18 000—58 000
食物、果菜、粮食、土产品
Food,vegetable and native products
24 000—20 000
高蛋白食物High protein diet1000 000—4000 000
人类劳务Human labour80 000—5 000 000 000
资料信息Information10 000—10 000 000 000 000

能值分析的基本方法就是将各种形式的含能物质通过能值转换率全部转化为以太阳能值表达的形式,其基本表达式为[6]

Em=μP

式中,Em为太阳能值,单位为sej; μ为太阳能值转换率; P为其他可用能。

运用能值分析方法,以物质流动为基础,将生态系统中不同等级、不同种类、不可比较的物质所含能量转化成统一标准的能值进行分析、比较和研究,从而评价不同的物质流在生态系统中的贡献及地位;结合建立的评价指标体系,综合评价生态系统的生态效率和经济效益。

2.2 能值分析法的基本步骤

对不同类型和尺度进行能值分析研究时,方法有所差别,但若以分析手段与步骤而言,主要包括能量系统图的绘制、能值分析表的制定、能值计算与评估、能值转换率和其他能值指标的计算、系统分析等[7]。本文研究矿区循环经济的能值分析法基本步骤如下[8]

(1)资料收集 通过查询统计年鉴和实际调查,获取所需原始数据;

(2)能量系统图绘制 以H.T.Odum的“能量系统语言”图例,组织上一步骤收集的资料,绘制详细的能量系统图;

(3)能值分析、评价表编制 列出拟研究系统的主要能源(其中小于系统应用能值5%的项目可不列入),根据各种相应的能值转换率,将不同的度量单位(J,g或$)转换为统一能值单位(sej),编制成能值系统评价表;

(4)能值综合系统图构建 简化第二步骤中的能量系统图,构建体现系统资源能值结构的综合系统图,以利整体分析评价;

(5)能值指标体系建立 依据能值分析表和能量系统图,建立一系列反映系统生态效率和经济效率的能值指标体系;

(6)系统发展评价 通过对各能值指标进行分析,对系统的可持续发展进行评价。

3 矿区循环经济系统生态效率能值评价指标体系

从能值流量、能值效率的角度构建矿区循环经济系统生态效率能值评价指标体系,并根据建立的指标体系计算系统的生态效率评价指数[9]

(1)能值流量评价指标

能值流量评价指标主要是指矿区循环经济系统自身具有的能值流以及系统购买和输出的资源与服务的能值流,分别由可更新资源能值(R)、不可更新资源能值 (N)、购买资源与服务能值即输入能值(IMP)、输出能值(EXP)、废弃物能值 (W)5项指标构成[10](表2)。

表 2 矿区循环经济系统能值流量评价指标 Table 2 The evaluating indicator of emergy flux on circular economy system in mining areas
能值流量
Emergy flux
能值流量指标
Emergy flux index
所含项目
Items of the index
能值流量可更新资源天阳能
Emergy flux能值(R)风能
雨水势能
雨水化学能
地球旋转能
不可更新资源
能值(N)煤炭
钢材
电力
购买资源与固定资产投资
服务能值(IMP)实际利用外资
进口
劳务输入
输出能值(EXP)工业总产值
废弃物能值(W)废水
废气
废物

(2)能值效率评价指标

矿区循环经济系统发展以经济活动为核心,以自然生态环境为支撑,因此能值效率评价指标应包括反映污染物排放效率、资源利用效率和经济效率的相关指标。评价指标分别由能值自给率(ESR)、 能值产出率(EYR)、能值废弃率(EWR)、环境负荷 率(ELR)、可更新资源能值比(r)、不可更新资源能值比(n)和废弃物能值比(w)7项指标构成[11],具体的指标计算和指标意义如表3所示。

能值自给率评价系统对自有资源的利用情况及系统自我支持能力。矿区循环经济系统能值自给率越大,说明对系统内部资源开发和利用程度越高,系统的自我支持能力、自足能力较强。能值产出率评价系统的经济发展效益,是衡量系统运行效率的一种标准。系统的产出能值越大,运行效率就越高。能值废弃率是系统对排放废弃物的可利用程度和系统循环能力的评价指标。能值废弃率越大,表明系统废弃物排放量越大,系统排放的废弃物可利用程度越大,表明废弃物资源化水平比较低,系统资源利用的效率越低;反之,能值废弃率越小,表明废弃物排放量小,表明系统资源利用的水平越高,系统废弃物资源再生水平越高。环境负荷率对经济系统起到警示作用,环境负荷率值较小,表明经济系统中能值利用强度相对比较低,对系统环境产生的压力也比较小,因此系统环境所承受的压力一般用环境负荷率来表示。如果系统在较长一段时期内具有较高的环境负荷率,系统平衡就很容易遭到破坏。依据以往众多学者的研究,可以总结出一般结论:当ELR<3时, 表明环境承受压力很小;当310时,表明环境承受压力已经相对过大。可更新资源能值比率是系统环境可利用潜力的评价指标。若可更新资源能值比率越大,系统环境可利用潜力就越大。废弃物能值比率、不可更新资源能值比率分别从废弃物排放、资源利用的角度对系统运行效率进行评价,是矿区循环经济系统生态效率评价的重要指标。

表 3 矿区循环经济系统能值效率评价指标 Table 3 The evaluation index of emergy efficiency on circular economy system in mining areas
能值效率指标
Index of emergy efficiency
计算表达式
Calculation expression
代表意义
The meaning of the index
能值效率能值自给率(ESR)(R+N)/(R+N+IMP)矿区系统自我支持、支撑能力
Emergy efficiency能值产出率(EYR)(R+N+IMP)/IMP矿区系统的经济发展效益
能值废弃率(EWR)W/R矿区系统的循环能力
环境负荷率(ELR)(N+IMP)/R矿区系统经济活动对环境的压力
可更新资源能值比(r)R/(R+N+IMP)矿区系统的自然环境潜力
不可更新资源能值比(n)N/(R+N+IMP)矿区系统资源利用对环境的压力
废弃物能值比(w)W/(R+N+IMP)矿区系统废弃物排放对环境的压力

(3)根据以上步骤建立的指标体系,计算矿区循环经济系统的可持续发展指数(SDI)[12]、改进的可持续发展指数(ISDI)[13]和生态效率指数(EEI)[14],具体的计算公式和指数意义如表4所示。

4 典型矿区循环经济系统生态效率评价

本文以山东某矿区为例,通过查阅统计年鉴、矿区内部数据和实地调研,绘制出该矿区2011年循环经济系统能值数据表(表5)。

表 4 矿区循环经济系统生态效率评价指数 Table 4 The evaluation indices of energy efficiency on circular economy system in mining areas
指数名称
The name of the index
计算表达式
Calculation expression
代表意义
The meaning of the index
效率指数可持续发展指数(SDI)EYR/ELR系统可持续发展
Efficiency index改进的可持续发展指(ISDI)EYR×EER/ELR考虑能值交换率的系统可持续发展
生态效率指数(EEI)EYR×(1-w)×(1-n)评价系统资源效率、环境效率以及经济效率的可持续发展指数
表 5 2011年某矿区循环经济系统能值数据表 Table 5 The table for emergy data in a mining area circular economy system (2011)
能值流量
Emergy flux
基础数据
Date base
能值转换率
Emergy transformity
太阳能值
Solar emergy
可更新资源能值(R)Renewable resources emergy224 000 000 000 000 000 000
太阳能
Solar energy
4 160 000 000 000 000 000 1 4 160 000 000 000 000 000
风能
Wind energy
7 620 000 000 000 000 663 5 050 000 000 000 000 000
雨水势能
Potential energy of rainwater
67 300 000 000 000 8 890 598 000 000 000 000 000
雨水化学能
Chemical energy of rainwater
3 820 000 000 000 000 15 400 58 900 000 000 000 000 000
地球旋转能
The energy of the rotation of the earth
2 670 000 000 000 000 58 000 155 000 000 000 000 000 000
不可更新资源能值(N) Non-renewable resource emergy228 000 000 000 000 000 000

Water
8 600 000 000 000 41 000 353 000 000 000 000 000
煤炭
Coal
76 800 000 000 39 800 3 060 000 000 000 000
钢材
Steel
52 700 000 000 4 130 000 000 218 000 000 000 000 000 000
电力
Electric power
35 600 000 000 000 269 000 9 580 000 000 000 000 000
购买资源与服务能值即输入能值(IMP) Import emergy1 260 000 000 000 000 000 000
固定资产投资
Investment in the fixed assets
123 000 000 8 670 000 000 000 1 070 000 000 000 000 000 000
实际利用外资
The actual utilization of
foreign investment
328 000 8 670 000 000 000 2 840 000 000 000 000 000
进口
Enter port
676 000 2 500 000 000 000 1 690 000 000 000 000 000
劳务输入
Labor migration
1 200 155 000 000 000 000 000 186 000 000 000 000 000 000
输出能值(EXP) Export emergy46 300 000 000 000 000 000 000
工业总产值
Value of gross output
5 340 000 000 8 670 000 000 000 46 300 000 000 000 000 000 000
废弃物能值(W) Waste emergy98 200 000 000 000 000 000
废水
Waste water
435 000 000 000 660 000 287 000 000 000 000 000
废气
Exhaust gas
17 800 000 000 660 000 11 700 000 000 000 000
废物
Waste material
653 000 000 000 150 000 000 98 000 000 000 000 000 000

将表5的能值数据带入能值效率评价指标公式和生态效率评价指数公式,即可得出ESR、SDI等2011年该矿区循环经济系统生态效率评价指标值。以上述同样的方式可以得出2007—2011年该矿区循环经济系统生态效率评价指标值,如表6所示。

表 6 某矿区循环经济系统能值评价表 Table 6 The table for emergy evaluation in a mining area circular economy system
年份
Year
指标Index
可更新资源能值(R)
Renewable resources emergy
不可更新资源能值(N)
Non-renewable resource emergy
购买资源与服务能值(IMP)
Import emergy
2007236 000 000 000 000 000 000 164 000 000 000 000 000 000 377 000 000 000 000 000 000
2008244 000 000 000 000 000 000 152 000 000 000 000 000 000 428 000 000 000 000 000 000
2009217 000 000 000 000 000 000 159 000 000 000 000 000 000 662 000 000 000 000 000 000
2010198 000 000 000 000 000 000 176 000 000 000 000 000 000 771 000 000 000 000 000 000
2011224 000 000 000 000 000 000 228 000 000 000 000 000 000 1 260 000 000 000 000 000 000
平均值
Average value
223 800 000 000 000 000 000 175 800 000 000 000 000 000 699 600 000 000 000 000 000
年份
Year
指标Index
输出能值(EXP)
Export emergy
废弃物能值(W)
Waste emergy
能值自给率(ESR)
Emergy self-sufficiency rate
200719 800 000 000 000 000 000 000 86 700 000 000 000 000 000 0.5148
200825 300 000 000 000 000 000 000 95 400 000 000 000 000 000 0.4806
200930 400 000 000 000 000 000 000 88 600 000 000 000 000 000 0.3622
201038 500 000 000 000 000 000 000 80 700 000 000 000 000 000 0.3266
201146 300 000 000 000 000 000 000 98 200 000 000 000 000 000 0.264
平均值
Average value
32 060 000 000 000 000 000 000 89 920 000 000 000 000 000 0.3897
年份
Year
指标Index
能值产出率(EYR)
Emergy yield ratio
能值废弃率(EWR)
Emergy waste rate
环境负荷率(ELR)
Environmental loading ratio
可更新资源能值比(r)
Renewable resources
emergy ratio
20072.0610.36742.29240.3037
20081.92520.3912.3770.2961
20091.5680.40833.78340.2091
20101.48510.40764.78280.1729
20111.35870.43846.64290.1308
平均值
Average value
1.67960.40253.97570.2225
年份
Year
指标Index
可持续发展指数(SDI)
Sustainable development index
废弃物能值比(w)
Waste emergy ratio
不可更新资源能值比(n)
Non-renewable resource emergy ratio
改进的可持续发展指数(ISDI)
Sustainable development
index improved
20070.89910.11160.21112.5715
指标Index
可持续发展指数(SDI)
Sustainable development index
废弃物能值比(w)
Waste emergy ratio
不可更新资源能值比(n)
Non-renewable resource emergy ratio
改进的可持续发展指数(ISDI)
Sustainable development
index improved
20080.80990.11580.18451.9002
20090.41440.08540.15320.9051
20100.31050.07050.15370.6807
20110.20450.05740.13320.409
平均值
Average value
0.52770.08810.16711.2933

依据表6绘制该矿区循环经济系统能值效率变化趋势图和生态效率指数变化趋势图分别如图2、图3所示。

图 2 某矿区循环经济系统能值效率变化趋势 Fig. 2 The variation tendency of emergy efficiency in a mining area circular economy system
图 3 某矿区循环经济系统生态效率指数趋势 Fig. 3 The tend of ecological efficiency in a mining area circular economy system

依据图2、图3得出该矿区能值效率和生态效率指数变化趋势表如表7所示。

表 7 某矿区能值效率和生态效率指数变化趋势表 Table 7 The table for variation tendency of emergy efficiency and ecological efficiency in a mining area circular economy system
能值效率
Emergy efficiency
变化趋势
Variation trend
生态效率指数
Ecological efficiency index
变化趋势
Variation trend
能值产出率(EYR)
Emergy yield ratio
下降趋势可持续发展指数(SDI)逐年下降
能值废弃率(EWR)
Emergy waste rate
小幅波动,整体呈上升趋势改进的可持续发展指(ISDI)逐年下降
环境负荷率(ELR)
Environmental loading ratio
上升趋势生态效率指数(EEI)逐年下降

由图2和表7可以看出,2007—2011年该矿区循环经济系统能值产出率EYR呈现下降趋势,能值废弃率EWR除了在2010年出现小幅波动外,整体仍然呈现上升趋势,能值负荷率ELR也呈现上升趋势,并且能值负荷率近年来上升幅度较大。能值产出率下降表明该矿区循环经济系统的投入与产出效率值呈现下降趋势,该矿区循环经济系统的经济发展效益在相对降低;能值废弃率上升表明该矿区在资源开发利用过程中资源利用率低,该矿区经济系统的循环能力不断减弱;能值负荷率上升表明该矿区的经济活动对矿区环境造成的压力在逐年增加。同时由表6中ELR值还可以看出在2007、2008年ELR<3,该矿区环境承受压力处于较低水平,之后环境承受的压力水平逐年增加;ELR平均值亦表明该矿区2007—2011年环境承受的压力处于中等水平。

由图3和表7所示2007—2011年该矿区循环经济系统的可持续发展指数、改进的可持续发展指数和生态效率指数均呈现下降趋势,表明该矿区循环经济系统的可持续性减弱。

综合上述图示结论表明,该矿区环境承受压力较大,矿区系统可持续发展形式严峻。此结论和该矿区当前发展状况较为吻合,该矿区当前正处在快速发展阶段,矿区总投资逐年增加。在矿产资源开采过程中,矿产利用率低,废弃物排放量大,从而降低了矿区循环经济系统的可持续性。因此,该矿区在今后的发展过程中,在加大矿区总投资的同时要提高矿区环境投资的比例,实现矿区经济、环境的协调发展,延长矿区的使用年限。

5 结论

矿区循环经济系统是一个典型的复杂系统,运用能值分析方法,构建矿区循环经济系统生态效率评价指标体系,计算其可持续发展指数(SDI)、改进的可持续发展指数(ISDI)和生态效率指数(EEI),能够反映系统的生态效率水平。文章通过对山东某矿区的实证研究,得出该矿区循环经济系统能值效率和生态效率指数变化趋势,有效地拟合了该矿区的实际发展趋势,验证了矿区循环经济系统生态效率评价指标体系与方法的有效性,对矿区进一步深化循环经济,推进节能减排,实现可持续发展都具有重要意义。

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