趙妍，田強，尚金城

1. 長春理工大學化學與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130022；2. 東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林 長春 130024

生態(tài)工業(yè)是指仿照自然界生態(tài)過程物質循環(huán)的方式來規(guī)劃和發(fā)展現(xiàn)行工業(yè)系統(tǒng)，以實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調發(fā)展。生態(tài)工業(yè)的相關理論和實踐自20世紀90年代以來發(fā)展迅速，國際上對應用生態(tài)工業(yè)原理設計、規(guī)劃生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的研究較為廣泛[1-4]，并對美國、加拿大、荷蘭等國家EIP創(chuàng)建經(jīng)驗進行了總結[5-6]，探討了在更大尺度區(qū)域建設生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)及其可持續(xù)發(fā)展等問題[7-10]。目前，全世界現(xiàn)有超過12000個生態(tài)工業(yè)園，其中丹麥卡倫堡作為工業(yè)生態(tài)學的經(jīng)典案例已被學術界和工業(yè)界所熟知。截止到2009年1月，國家環(huán)保部批準建設33個國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，另有蘇州工業(yè)園區(qū)等3家通過驗收授牌。工業(yè)生態(tài)學的一個重要特征是要求對所研究的問題進行量化分析，因而對生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)進行量化評價是一個重要問題[11-12]。依據(jù)工業(yè)生態(tài)學原理對長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)現(xiàn)行工業(yè)體系“生態(tài)結構重組”基礎上，完成系統(tǒng)多種替代方案的多級評價，促進以工業(yè)代謝過程為核心的資源高效利用和環(huán)境影響最小化。

1 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃

1.1 研究區(qū)域工業(yè)群落分析

長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)是1993年4月批準的國家級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，經(jīng)過長春市政府2000年和2003年兩次區(qū)劃調整，現(xiàn)在區(qū)域面積已經(jīng)達到112 km2。轄兩街一鎮(zhèn)，常住人口約17萬。10余年來開發(fā)區(qū)經(jīng)濟總量不斷擴大，在優(yōu)化所有制結構、提升工業(yè)化水平、促進新老城區(qū)一體化等方面對長春市均有著明顯的影響。隨著開發(fā)區(qū)主導產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出由資源、環(huán)境單要素約束性引起的生態(tài)環(huán)境問題，以及由于整體效應而產(chǎn)生的系統(tǒng)性問題。目前，長春市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)已有26個國家和地區(qū)的53家大跨國集團投資興業(yè)，全區(qū)累計批準設立企業(yè)3216戶。通過調查開發(fā)區(qū)內(nèi)背景狀況，可以確立玉米深加工產(chǎn)業(yè)、汽車零部件產(chǎn)業(yè)關鍵種。關鍵種企業(yè)使用和傳輸?shù)奈镔|最多、能量流動的規(guī)模最龐大，帶動和牽制著其他企業(yè)、行業(yè)的發(fā)展，居于中心地位，也是生態(tài)產(chǎn)業(yè)“鏈核”[13]。

玉米深加工產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃主要是玉米化工醇、聚酯等玉米深加工和相應配套的工業(yè)及基礎設施、公用設施等功能；規(guī)劃建成“糧食生產(chǎn)→初加工（附產(chǎn)品）→深加工（玉米化工）→精深加工的化工輕紡產(chǎn)業(yè)園區(qū)”的循環(huán)模式，參見圖1。汽車產(chǎn)業(yè)鏈堅持以產(chǎn)品生命周期環(huán)境管理為指導，從原輔材料和能源、技術工藝、設備、過程控制、產(chǎn)品、管理、員工和廢物等方面，全面開展清潔生產(chǎn)。并結合一汽的項目開展戰(zhàn)略招商，提升汽車零部件制造企業(yè)的技術創(chuàng)新能力，加強企業(yè)間溝通與協(xié)作，構建開發(fā)區(qū)汽車制造產(chǎn)業(yè)群落，擴大產(chǎn)業(yè)聚集效應。依據(jù)上述兩大關鍵種產(chǎn)業(yè)構建整個開發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)共生模式，主要技術方式包括①作為資源重新使用廢料；②封閉物質循環(huán)系統(tǒng)和盡量減少消耗性排放；③產(chǎn)品與經(jīng)濟活動的非物質化；④能源脫碳。在此基礎上提出完善產(chǎn)品代謝鏈、廢物代謝鏈及污染物減量、能源利用提高的方案。

2 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)模擬、調控與預測

系統(tǒng)動力學SD（System Dynamics）集系統(tǒng)論、控制論和計算機仿真技術為一體，能定性與定量地分析研究系統(tǒng)，以結構—功能模擬為其突出特點，它能夠處理高階次、非線性、多重反饋復雜時變系統(tǒng)的問題[14]。通過構造復雜系統(tǒng)的基本結構，建立數(shù)學的規(guī)范模型，采用VENSIM軟件仿真，以反映生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)動態(tài)行為并對其不同發(fā)展戰(zhàn)略進行調控、預測和優(yōu)化。

圖1 長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)玉米深加工產(chǎn)業(yè)鏈Fig.1 Corn Deep Processing Chain of Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1 系統(tǒng)模擬

將長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)劃分為社會經(jīng)濟、資源和環(huán)境三個相互反饋的子系統(tǒng)。系統(tǒng)共設立指標124個，分別為狀態(tài)變量8個、速率變量14個、輔助變量和常量102個，表函數(shù)13個，其中狀態(tài)變量是系統(tǒng)的核心, 表示系統(tǒng)在變化過程中某個具體時刻的狀態(tài)。

2.1.1 社會、經(jīng)濟子系統(tǒng)

主要包括園區(qū)總產(chǎn)值和總人口系統(tǒng)變量，參見圖 2。人口子系統(tǒng)通過人口數(shù)量和素質影響著園區(qū)的發(fā)展和資源利用，同時又受制于經(jīng)濟水平和環(huán)境質量。人口資源屬性通過勞動力與各產(chǎn)業(yè)部門連接，直接參與到區(qū)域經(jīng)濟變化過程中。經(jīng)濟開發(fā)區(qū)近年人口增長主要為機械增長，受經(jīng)濟拉動吸引和房地產(chǎn)開發(fā)的影響。生態(tài)環(huán)境因子通過調節(jié)人口死亡率和房地產(chǎn)開發(fā)率作用于總人口。經(jīng)濟子系統(tǒng)包括園區(qū)內(nèi)五大支柱產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的變化情況，同時又引入了生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡聚合度概念，它反映生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)中各企業(yè)間、生產(chǎn)過程間的相互作用的程度，受產(chǎn)業(yè)鏈縱向、橫向和動態(tài)穩(wěn)定性的影響。經(jīng)濟子系統(tǒng)所要考慮的核心問題是如何在保護資源、環(huán)境的前提下發(fā)展和擴大工業(yè)生產(chǎn)，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益。

2.1.2 資源子系統(tǒng)

資源子系統(tǒng)包括區(qū)內(nèi)水資源和礦產(chǎn)資源子系統(tǒng)，以提高資源利用效率、降低資源消耗速度為調控目標。水資源系統(tǒng)以水資源余量作為狀態(tài)變量，通過供水量、耗水量等速率變量和輔助變量與其他子系統(tǒng)相連接，參見圖 3。構建的水資源共生系統(tǒng)依靠水資源“閉路再循環(huán)”網(wǎng)絡集成實現(xiàn)梯級利用，并設置雨水收集系統(tǒng)進行調節(jié)。開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、采暖等活動大量消耗了礦產(chǎn)資源，模型系統(tǒng)通過調控協(xié)調資源量與需求的矛盾促使其合理利用。

圖2 長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)社會、經(jīng)濟子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.2 Simulation model of society and economy subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

圖3 長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)資源子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.3 Simulation model of resource subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1.3 環(huán)境子系統(tǒng)

開發(fā)區(qū)內(nèi)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等經(jīng)濟活動產(chǎn)生大量的廢水、廢氣和固體廢物等污染物將對生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生制約作用。環(huán)境子系統(tǒng)模型中設置環(huán)境保護與科技影響因子等變量使其與社會經(jīng)濟等系統(tǒng)形成反饋關系，參見圖4。并通過投入資金、加強科技創(chuàng)新研發(fā)和技術改造，清潔生產(chǎn)等手段來降低生產(chǎn)生活對環(huán)境的破壞，確保環(huán)境、區(qū)域和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)環(huán)境子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.4 Simulation model of environment subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.2 模型系統(tǒng)調控與仿真分析

2.2.1 系統(tǒng)調控與檢驗

模型系統(tǒng)中狀態(tài)變量用差分方程表示，速度變量和輔助變量之間的定量關系比較復雜，需依據(jù)各變量間因果反饋關系建立方程。模型系統(tǒng)時間邊界為2005—2020年，時間步長1 a。系統(tǒng)參數(shù)平均變化率類利用歷史統(tǒng)計資料取均值計算，增長速率類采用回歸法確定，部分數(shù)據(jù)依公式按比例推算。模型選用投資比例、環(huán)科影響因子、網(wǎng)絡聚合度、水梯級循環(huán)利用率、燃煤循環(huán)利用率、廢水處理率、廢氣處理率作為調控參量，并設置4種發(fā)展方案：方案1為無為方案，方案2重點發(fā)展經(jīng)濟，方案3著重環(huán)境保護措施的實施、方案4調控經(jīng)濟指標的同時強調科技進步、環(huán)境保護與其相互作用關系，在此基礎上模擬系統(tǒng)行為，參見表1。

3 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)生態(tài)效率評價與發(fā)展方案優(yōu)化

建立穩(wěn)定高效、環(huán)境和諧的生態(tài)工業(yè)復合體系關鍵在于準確識別系統(tǒng)的多層次互動關系，在此基礎上建立多級評價指標體系，有針對性地反映各個層次的功能、效率和影響[15]。根據(jù)長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)本身的規(guī)模和對指標設定的影響因素，指標選取兼顧研究對象的微觀和宏觀特性，包括社會經(jīng)濟、資源、生態(tài)環(huán)境三大類17項。I、II、III分別代表效率級別一般、良好、高效三個灰類。各指標權重采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process）確定。具體指標體系及其權重ηj如下，參見表2。

表1 長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)不同發(fā)展戰(zhàn)略仿真結果Table 1 Eco-industrial simulation results under different scenarios in Changchun Economic and Technological Development Zone

表2 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)生態(tài)效率評價指標體系Table 2 The indicator system for eco-efficiency evaluation on industrial system

由于評價聚類指標的意義、量綱不同，且在數(shù)量上懸殊較大，采用灰色變權聚類可能導致某些指標參與聚類的作用十分微弱，因此選擇灰色定權聚類計算4種不同發(fā)展方案下系統(tǒng)動力學模擬仿真結果的灰色聚類系數(shù)。

設有n個聚類對象，m個聚類指標，s個不同灰類，根據(jù)第i個對象關于j指標的觀測值xij，將第i個對象歸入第k個灰類，稱為灰色聚類（其中i=1,2, …, n；j=1,2, …, m；k∈{1,2, …, s}）。將n個對象關于指標j的取值相應地分為s個灰類，稱為j指標子類。j指標k子類的白化權函數(shù)記為設為j指標k子類的典型白化權函數(shù)的轉折點[16]。典型白化權函數(shù)記為

滿足

下限測度白化權函數(shù)記為

適中測度白化權函數(shù)記為

滿足

上限測度白化權函數(shù)記為

滿足

表明，第1和第2發(fā)展方案都屬于第III灰類，方案3屬于第II灰類，方案4屬于第I灰類。即在采用無為方案和注重經(jīng)濟發(fā)展方案條件下，系統(tǒng)生態(tài)效率一般，且注重經(jīng)濟發(fā)展方案 III灰類聚類系數(shù)較高。方案3強調環(huán)境保護方案條件下系統(tǒng)生態(tài)效率可以達到良好。當采用發(fā)展方案4時，園區(qū)工業(yè)系統(tǒng)可以達到生態(tài)效率高效運轉。

4 結論

研究結果表明模擬初期由于經(jīng)濟發(fā)展勞動力需求增加開發(fā)區(qū)內(nèi)人口增長迅速，總產(chǎn)值也逐期增加。水資源是區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的制約因子，如不采取有效措施將出現(xiàn)供給缺口。不同發(fā)展戰(zhàn)略中方案 4呈現(xiàn)相對最優(yōu)的狀態(tài)，社會經(jīng)濟、資源和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展程度較高，即系統(tǒng)生態(tài)效率高效。長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀較好，但隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口聚集，環(huán)境壓力將加大。

因此，長春經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)在大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，必須以廢物減量化、再循環(huán)利用和廢物資源化為指導原則，通過在園區(qū)企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間對物質、能量和公用工程進行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)物質循環(huán)、能量集成利用和信息交換共享，合理布局，構成工業(yè)生態(tài)鏈，并推行清潔生產(chǎn)、推進清潔能源結構、發(fā)展資源集約型基礎設施和環(huán)境友好的產(chǎn)業(yè)，從而實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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