能值分析基础--延伸学习

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1、1、能值理论能量是自然生态系统和复合生态系统存在和发展的基础，可用于表达生命与环境、自然与社会的 内在关联。由美国著名生态学家H.T.Odum从20世纪50年代至今对生态系统的能量流动进行了 系统而深入的研究，陆续提出了能量系统、能路语言、能量质量、能量等级、体现能和能量 转换率等一系列开拓性的概念，并于80年代末创立了能值理论和方法。 能值(Emergy)是一个新的科学概念和度量标准，H.工odum将能值定义为: 一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值(HTOdurn， 1987;Seieneeman，1987)。他又进一步解释能值为:产品或劳务形成过程中直接和

2、间接投入应 用的一种有效能量(Availableenergy)，就是其所具有的能值。任何形式的能量均源于太阳能， 故常以太阳能为基准来衡量各种能量的能值，任何资源、产品或劳务形成所需直接和间接应 用的太阳能之量，就是其所具有的太阳能值(Solarenergy)，单位为太阳能焦耳(Solaremjoules， 即sej)，以能值为基准，可以衡量和比较生态系统中不同等级能量的真实价值与贡献。 在实际应用中以“太阳能值”(Solaremergy)衡量某一能量的能值。在任何流动或储存的能量所饮食 的太阳能(501盯energy)之量，即为该能量的太阳能值。任何能量均始于太阳能，都可以太阳 能值为标准，

3、衡量任何类别的能量。太阳能值为单位为太阳能焦耳。例如，lm3雨水降落到地 上，包含有7.5x10osej太阳能值;即有7.5只10。sej的能值由这lm，雨水直接或间接带到地上。 根据Odum的能值公式计算出生态经济系统总能值使用量。U=No+N1+R+IMP 式中，U是总能值使用量，N0是较粗放使用的自然资源，N1是集约使用的自然资源，R是可更新资 源，IMP是总进口(包括旅游业、进口劳务和利用的外资)。 能值分析是以能值为基准，把生态系统或生态经济系统中不同种类、不同等级、不可比较的能量 转换成同一标准的能值来衡量和分析，从中评价其在系统中的作用和地位;综合分析系统中各 种生态流(能物流、

4、货币流、人口流和信息流)，得出一系列能值综合指标(EnergyIndices)，定 量分析系统的结构功能特征与生态经济效益。2、能值分析指标及其概念(l)太阳能转换率(Solar transformity) 能值转换率(EmergyTransformity)即形成每单位物质或能量所含有的另一种能量之量; 而能值分析中常用太阳能值转换率(solartransformity)。太阳能值转换率被定义为:生 产一焦耳产品或服务所需要投入的太阳能值，单位为sej/J或sej/g。例如形成lJ木材 的能量需要34900太阳能焦耳转化而来，那么木材的能值转换率就是34900sej/J。 太阳能值与太阳能值转

5、换率之间的关系如下: M=TxB 式中，M为太阳能值，T为太 阳能值转换率，B为可用能。能值转换率是一个重要的概念，它是衡量能量的能质等级的指标。生态系统或生态 经济系统的能流，从量多而质低的等级(如太阳能)向量少而质高的等级(如电能)流动 和转化，能值转换率随着能量等级的提高而增加。大量低能质的能量，如太阳能、 风能、雨能，经传递、转化而成为少量高能质、高等级的能量。系统中较高等级者 具有较大的能值转换率，需要较大量低能质能量来维持，具有较高能质和较大控制 力，在系统中扮演中心功能作用。复杂的生命、人类劳动、高科技等均属高能质、 高转换率的能量。某种能量的能值转换率愈高，表明该种能量的能质和

6、能级愈高;能 值转换率是衡量能质和能级的尺度。 通过太阳能值转换率可以计算得出某种物质、能量或劳务的太阳能值。H.T.Odum和 合作者从地球系统和生态经济角度换算出自然界和人类社会主要能量类型的太阳能 值转换率，可用于大系统如国家、区域、城市系统的能值分析。根据各种资源(物 质、能量)相应的太阳能值转换率，可将不同类别能量(J)或物质(g)转换为统一度量 的能值单位(sej)。(2)净能值产出率(netemergyyieldratio;NEYR) 净能值产出率等于产出的能值(Y)除以自经济系统反馈(F)的能值，如图 3.1所示。如果生产过程中产出的能值大于自经济系统投入的能值(F)， 则此能

7、源的净产量为正值或其净能值产出率大于1，具有经济效益。净 能值产出率是评价基本能源利用的指标，它也可以用来说明经济生产 利用能源的效率，表示经济活动的竞争力。当前发达国家经济活动过 程中净能值产出率为6:1或更高为(Odum，1998，1990)，这说明发达国 家自经济系统反馈1份能值到生产过程，可产生6份左右的产品能值。 净能值产出率愈高，说明经济效益愈好。(3)能值投入率(Emergyinvestmentratio;EIR)能值投入率是自生态经济系统投入的能值与输入经济生产过程的自然环境可更新能值的比率 ，如图3.2所标。前者如燃料、电力、物质和劳务等，均花钱购买，故称为“购买能值”;后

8、者为自然界无偿输送，称为“免费能值”，包括土地、矿藏等不可更新的资源和太阳能、 风、雨等可更新资源。 能值投入率(EIR)=投入能值(F)/可更新资源能值使用量 能值投入率用于决定经济活动在一定条件下的竞争力，并用来作为测知环境资源条件对经 济活动的负荷量的指标。一个经济系统要能有竞争力，必须具有低能质的可更新资源与 高能质的能量适当搭配，也就是能值投资比值恰当。世界范围的能值投入率为2:1，发达 国家较高，如美国为7:1(Odum，1998)，这些国家需购买的各种能值较多。此外，较高的 投入率，亦可以被视为自然环境要承受大量的经济活动，因此，此值亦可作为测定自然 环境对经济活动负荷量的衡量指

9、标。(4)能值货币比率(Emergydoxlar:atio;EDR) 能值与货币的数量关系可以用能值/货币比率表示。其定义为:指一个国家或区域的能值与货的比率，等于该国 或该区域经系统全年使用的所有太阳能能值除以当年的国民生产总值(GNP)，单位是sej/$。在许多不发达 的国家和地区，其能值货币比率都很高，因为它的很多的能源都取自于自然环境而无需付费;而发达国家 则恰恰相反，虽然驱动经济花费了大量的能源，但由于这些国家的货币循环迅速(国内生产总值数额巨大) ，其能值比率通常都较低(5)能值密度(Eme飞ydensity;ED) 能值密度(ED)=总能值使用量(U)/总面积(Area) 从单位

10、面积能值使用量可得知该国家或地区的能值使用的集约情形。若属于适度开发的国家或地区，其经济 活动频繁，每单位面积能值使用量必然非常高。 (6)人均能值使用量(eme电ypere即ita;EPe) 人均能值使用量=总能值使用量(U)/该国(地区)总人口(POP) 人均能值使用量可以判断居民生活水平的高低。人均能值使用量越高，表示该国(区域)的生活水平越高。 (7)能值承受人口(C拼yingeapaeity;eC) 能值承受人口(CC)=可利用能值/人均能值使用量(EPC) 在目前的生活水平下的人口数，是一相对指标。由于人类生活需要能量，所以能值使用量的高低，以及可利 用能值量，将直接影响人口承载量

11、的多少。 (8)国内不可更新资源能值使用量比(Fraction from loeal-ly nonrenewable resourees:FLNR) 国内不可更新资源能值使用量比=国内不可更新资源能值使用量/总能值使用量。通过该指标可以得知系统内 部资源的蕴藏及利用情形。在高度发达的国家，这一比值大多偏低，主要原因是由于其能值使用量多于 生态经济系统所产生的能值。 (9)环境负载率(ELR) 该指标是采购能值和自产的不可更新资源的能值(付费能值)与无需付费的环境能值的比率。较高的能值负荷率 说明科技发展水平较高，同时环境所承受的压力也较大。系统若长期处于高环境负载下，系统平衡很容 易遭到破坏，

12、因而该 指标对生态经济系统的运行具有预警作用。 (10)可持续发展指数(ESI) 该指标定义为系统能值产出率与环境负载率之比(即EY侧ELR)。可持续发展指数是评价生态经济系统可持续性 ，其大小在l和10之间表明经济系统富有活力的发展潜力，大于10则是经济不发达，小于1时为消费型经济 系统。3、能值计算的方法4、能值分析的主要步骤(l)基本资料的收集;收集所研究城市 及城市所在国家的自然环境、社会 资源以及经济活动的资料。包括平 均降雨量、平均径流量、平均潮汐 量、平均海拔以及平均风能等环境 资源土地利用情况，水土流失情况; 人口资源、各种经济活动指标、进 出口贸易等。 (2)绘制能量系统图:

13、确定所研究城市 的系统外边界和系统内组分，利用 各种“能量语言符号仪H.T.odum， 1988)将系统主要能流标注，包括环 境无偿投入能值、经济活动反馈能 值与进出口交换能值，注意要按其 太阳能值转换率的高低，从左到右 顺序排列。3.1.1.4能值分析的主要步骤(3)编制能值系统分析表:首先计算出所研究城市或地区 以及整个国家当年的能值/货币比率;列出研究城市 的主要能源项目，包括可更新资源、不可更新资 源、燃料利用、进出口能流等，其中能值小于系统总能值5%的项目可不列入;根据能量计算公式， 求出各能源的流量数，表示如能量流(J)、物质流 (g)或货币流($);根据各种资源相应的能值转换率，

14、 将不同能量单位转换为统一度量的能值单位(其中 货币流部分，用货币“能值/货币比率求得)。为进 一步了解各能流在整个系统中的相对贡献，可将能值再转换成宏观经济价值($，能值除以能值/货 币比率求得)来分析 (4)建立能值指标体系，在能值系统分析表基础上，为 分析自然环境对人类经济的贡献，突出整个城市系统的生态经济特征制定科学的发展策略，可进- 步建立能值指标体系。 (5)系统动态模拟分析:将对整个城市生态系统发展有决 定作用的几个因子，例如人、资源、水资源、电 力消费等，利用微机编程进行动态模拟，预测评 估该城市在不同政策下的变化模式，以便有效利 用各种资源。 (6)通过对各种能值指标进行分析

15、和系统决定因子的动 态模拟，同时与世界其他城市地区进行比较讨论 制定出正确可行的城市管理措施和经济发展策略，指导整个城市生态系统的可持续发展(隋春花、 蓝盛芳，1999)。5、能值分析的优点提供了经济与生态系统相联接的桥梁经济和环境是通过物质流、能量流相联系。物质流和能量流是导致环境问题产生 的主要原因(其它如土地使用、生物、社会因素等)，也是衡量环境压力的间接 指标，从系统生态学和生态经济学发展出来的科学概念和度量尺度一能值， 提供了衡量自然资源对经济发展真实贡献的标准。 弥补了货币无法客观评价非市场性输入的缺陷，以及传统能量衡量中 不同能量之间直接相加而导致的不合理，提供了一种以生态为中心

16、 的评价方法。 以往的生态价值或生态系统服务的价值通常都是用货币形式加以衡量的，但货币 只是在人类及经济活动中循环流动，而不经过环境系统，它只付给人类劳务 ，而从不付给“免费的”自然环境，不能衡量自然界的贡献。传统的能量分析 方法长期以来只在同类别的能量分析研究上才取得成效，不同类别的能量具 有不同来源，存在质与价值的根本差异.如煤燃烧产生的IJ能量与电所发出lJ能 量不可作简单比较，不同类别能量的这种“不可比”特性，常使能量分析陷于 困境。至于环境资源与经济的本质关系，用一般能量单位更无从衡量与表达 。而能值恰恰提供了衡量自然资源对经济发展真实贡献的标准能值分析的优点量纲统一，可以在一个平等的基础上比较所有不同质的资源。能值分析方法的提出，克服了传统经济学与能量分析方法无法在统一的尺度上对不 同质的资源价值进行量化计算的局限，为客观评价一切自然与经济活动的产品 及服务提供了一个统一的平台，给出有关系统发展过程中的环境贡献与资源利 用可持续性的信息，广泛应用于对自然生态系统、农业生态系统、工业生产系 统、城市生态系统以及区域生态系统发