（环境工程专业论文）基于物质流分析法的水泥企业环境压力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工业文明带给人类更多的产品和服务，但同时也对自然环境造成越来越 大的影响。如何在发展经济的同时又保护好环境，协调经济发展与环境保护 之间的关系，以达到可持续发展的目的，已经成为人类生存和发展的头等大 事。 物质流分析法从经济系统表象的物质输入、输出数据出发，对整个系统 物质流动的状况进行分析，建立物质投入和产出的帐户，基于物质流指标建 立的环境压力指标可作为可持续发展程度的量化指标。 本论文采用国际上流行的物质流分析法，基于“欧盟导则”确定的物质流 分析框架，对调研水泥企业建立直接物质投入、总物质需求等帐户，并根据 这些帐户衍生的基础指标作为环境载荷指标，对调研水泥企业造成的环境压 力进行比较分析。同时，针对物质流分析法只能从宏观上度量环境压力的大 小，不能表征具体的环境损害的缺点，本文对物质流分析法进行了一定的改 进，将各物质流同其造成的环境影响相结合，通过将环境影响分类化，特征 化和归一化后，最终得到单一的环境压力指标环境压强。该指标可解决 环境压力与自然系统承载力之间的量化问题，环境压强更科学地反映水泥企 业造成的环境压力，同时可方便在不同企业之间开展横向比较。最后，本论 文提供的方法，对水泥企业可持续发展的定量化研究有一定借鉴意义。 关键词：物质流分析；水泥；环境压力；环境负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m a n u f a c t u r ec i v i l i z a t i o np m v i d e dp e o p l ew i mm o r ep r o d u c t sa n db c n e rl i f e ， 锄de x e r c i s e dm o r ea i l dm o i 弓i n n u e n c eo ne n v i r o n m e n ta tt h es a m et i m ea sw e l l a s h o wt op r o t e c tt l l ee n v i r o n m e n tw h i l ee c o n o m y 、v a sd e v e l 叩e d ，h o wt o h 黝o i l i z ee c o n o m i cd e v e l o p m e mw i t l le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns ot 1 1 a t 恤e s 打a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc a nb ei m p l 锄e m e d ，、h i c hh a v ea l r c a d y b e c o m et 1 1 em o s ti m p o r t a l l tm i n g sf o rs u b s i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n to f p e o p l e b a s e do nt h ei r l p u ta n do u t p u td a t ao fe c o n o m i cs y s t e m ，m a t e r i a lf l o w a n a l y s i s ( m f a ) a n a l y s i st l l es t a t u so fm a t e r i a lf l o wp r o c e s so fm ew h o l es y s t 锄 a n de s t a b l i s ha c c o 吼t so fma _ 蜘a l i n p u t a i l do u t p u t e n v i r o 砌e n t a lp r e s s u r c i n d e x e sb a s e do nm f ai d i c a t o rs y s t e mw a sb yw a yo fm e a s u r a b l ei n d e xo f s u s t a j n a b l ed e v e l o p m e n td e g r e e t h j sp 印c ra d o p t c dc u r r e n tp o p u l a rm a t e r i a lf l o wa n a l y s i si n t e m a t i o n a l l y ， b a s e do nt l l em e t l l o do fe u r o s t a tg u i d e l i n e s ，s o m em f aa c c o u m sf o ri n v e s t i g 砷耐 c e i n e n tf k t o r i e s 、e r ee s t a b l i s h e d ，s u c ha sd i r e c tm a t e r i a li n p u ta c c o u m ，t o t a l m a t e l j a lr e q u i r c m c n ta c c o l h l te t c f u n h e 册o r e ，w ec o m p a r e da n da 1 1 a l y s i st h e e n v i r o m e n t a l p r e s s u r ei n d e x e so f 锄o n g l ei n v e s t i g a t e dc e m e mf 如州e s a c c o r d i n gt o t h ee n v i r 0 1 1 1 1 1 e n t a l l o a d i n gi n d e xd e r i v e d 丘o mm f aa c c o u n t m e a i l d l i l e ，b e c a u s em em f ac o u l 血ts h o wt h ec o n c r e t ee n v i r 0 】姗e m a ld 锄a g e s ， i tc o u l do n l ym e a s l l r et h ee n v i r o m e n t a lp r e s s u r c 盘o mai n a c r o s c o p i cv i e w _ h 1 廿l i sp a p e r w em a d es o m ei m p r o v e m e n tf o r 血em e t h o do fm f a ，c o m b i n e d m a t e r i a ln o w 、啊t he n v i r o n m e n t a li m p a c t ，t l l m u g hc l a s s i f - y i n g ， s p e c i f 弭n ga n d i n t e g r a t i n g e n v i r o n m e n t a li m p a c t ， f i n a l l y o b t a i n e das i r 塔1 ee n v i r o n m e n t a l p r c s s u r ei 1 1 d e x - e n v i r o n m e n t a ls t r e s s t h i si n d e xc a nb eu s e dt oi n e a s u r et h e r e l a t i o no f e n v i r o m e n t a lp r e s s u r ea n dc 印a c i t yo f n a t u r cs y s t e m e n v i r o n m e n t a l s t i _ e s si n d e xr e n e c t se n v i m n m e n t a lp r e s s l l r ec a u s e db y 也ec e m e mf h c t o r y s c i e n t i ：f i c a l l y nc o u l dc o m p a r e 锄o n gd i b r e n tf 酏t o r i e si nl a n d s c 印eo r i e n t a t i o n b ye n v i r o n m e n t a js t r e s sm d e xc o n v e n i e m l ya sw c l la s m o r c o v e r ，t l l em e t h o d p r o p o s e di nm i sp a p e rc a l lb ear e f e r e n c ef o r 也eq u a n t i n c a t i o ns t u d yo ft 1 1 e s u s t a i n a b l ed e 、，e l o p m a l to f t l l ec e m e mf h c t o r y k e yw o r d s ：m a t e f l o wa n a l y s i s ：c e m e m ：e n “r o l l i i i e n 协ip r e s s u r c ；e n v i m 蛳e n t a l i m p 踮t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究的背景 第1 章绪论 从人类进入工业文明社会到2 0 世纪中后叶，人力资本迅速积聚，生产 资本的功能极大拓展，人类的物质生活水平空前提高，人类对自然资源的利 用强度和利用能力极大增强。工业文明给人类带来了充裕的物质和精神财 富，与此同时，由于工业文明建立在对自然资源的粗放性、功能性、掠夺性 和征服性关系的基础上，人们过分强调资本的发展，没有认识到人类与环境 之间存在着协同发展的客观规律，导致人口过渡增长，进而给土地资源、森 林资源、能源、生存环境、工业生产和气候造成了日趋严重的压力，这不仅 严重地制约了社会经济的进一步发展，而且还对人类的自身生存和延续构成 了严重威胁。 2 0 世纪6 0 年代，有识之士开始反思人类的发展模式。1 9 6 2 年发表的寂 静的春天，通过对增长有无极限的争论，在世界范围内引发了人类对自身 行为和观念的深入反思。1 9 7 2 年，以dl 米都斯为首的美国、德国、挪威等 一批西方科学家组成的罗马俱乐部提出了关于世界趋势的研究报告增长的 极限，认为：如果目前的人口和资本的增长模式继续下去，世界就会面临 一场“灾难性的崩溃”【l 】。1 9 8 7 年，世界环境与发展委员会( w e c d ) 在我们 共同的未来中正式提出了可持续发展的理论模型口】。1 9 9 2 年6 月，在巴西 里约热内卢召开的联合国环境与发展大会唧n e c d ) 通过了里约环境与发展 宣言和2 l 世纪议程，为人类走可持续发展之路作了总动员，迈出了人 类实现可持续发展的关键性一步【3 】。 发展是否具有“可持续性”取决于人类活动造成的“环境压力”与自然系统 之“承载力”的对比【4 】，包括两方面：( 1 ) 发展对自然资源的消耗是否超越了自 然系统的持续供给能力；( 2 ) 人类活动对生态环境系统所产生的负面效应是否 超越了其吸纳能力。 环境压力是一个作用因素繁多、内涵十分复杂的概念。人类关注环境问 题的出发点是对自我利益的保护，环境恶化实质上是指环境状态的改变降低 了其为人类服务的功能，对人类的生存、生活条件和健康带来不利影响。因 此，环境压力应该定义为人类活动引起的能够造成环境服务功能退化的对环 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 境状态之扰动力嘲。人类对自然的认识具有很强的不对称性：对如何利用自 然物质和自然条件的认识贯穿了整个人类社会发展历史，拥有相对丰富的知 识积累；对自身活动能够带来的环境损害的认识可以说才刚刚开始，知识相 对贫乏。人类活动对环境的种种扰动数不胜数，扰动程度以及每种扰动对环 境造成的损害和损害程度等，都是很难表述和度量的，大多数甚至是未知的。 过去三十多年，特别是地球峰会后十多年的研究，已提出了一些度量环 境压力与承载力的概念、指标和核算方法，如能值分析n c r g ya n a l y s i s ， e m a ) 、净基本产量( n c tp r i m a r yp r o d u c t i v i t y ，n p p ) 、生态足迹( e c o l o g i c a l f o o t p r i n t ，e f ) “。这些指标和方法具有各自的视角、应用范畴和价值。然而， 对可持续性的宏观度量至今还没有像对发展的度量那样，形成通用的指标体 系和方法，目前还没有条件基于各种扰动对环境的具体损害程度建立度量环 境压力总量的宏观指标，寻求这样一个指标体系和研究方法仍然是学术界研 究的重点。 环境问题的根源是物质代谢的规模，代谢规模越大，对环境的扰动范围 和程度就越大，造成的环境损害总量也就越大。社会代谢规模一般以社会经 济系统的物质吞吐量为度量指标。所以在宏观层面上，环境压力指标可以基 于物质流指标进行构建。物质流指标虽然不能表征具体的环境损害，但确实 可以从宏观上度量环境所遭受的扰动的大小；基于这样的指标，即可以研究 和监测环境压力随时间的变化，也可以对不同环境一一经济系统的环境压力 作比较分析，同时，这样的指标符合“从源头治理”的新环境思维，为解决生 态环境问题指明了最根本的途径。 水泥工业是高资源、高能源消耗，大量排放污染物的工业。长期以来， 企业的发展一直按照传统经济增长模式，即“资源一产品一废弃物”的单向式 直线过程，这意味着发展的越快，创造的财富越多，消耗的资源就越多，产 生的废弃物也就越多，对资源环境的负面影响就越大。对于水泥行业的可持 续发展定量研究，亦即环境压力与承载力的度量，是实现可持续发展战略的 一个重要前提；没有可持续性的度量，就无法评价经济发展的可持续状况并 监测其变化方向，也就无法设定具体、实用的可持续发展目标和制定有效的 政簧。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 物质流分析的起源与发展 1 2 1 物质流分析的起源 物质流分析( m a t e r i a lf l o w a n a l y s i s ，m f a ) 起源于欧洲，它是在发达 国家发现末端处理会给政府和企业带来极为沉重的经济负担的情况下应运 而生的。早期的物质流分析又称为工业代谢研究【7 ，有关物质流分析方 法的文献可追溯到1 9 6 8 年美国的罗伯特艾瑞斯( r o b e n u a y r e s ) 的文章 【b 】。 2 0 世纪8 0 年代起，关于物质流动与储存的研究逐渐地开辟了领地。于 是，美国的罗伯特艾瑞斯和瑞士的彼得巴切尼( p e t e r b a c c “) 各自独立地 提出了工业代谢理论的隐喻【9 】。工业代谢的概念第一次出现是在1 9 8 8 年9 月东京举行的由联合国大学( u n u ) 和联合国教科文组织共同组织的一 个学术会议的筹备阶段f l o 】。随后在罗伯特艾瑞斯等人的推动下，不断地发 展和完善。 2 0 世纪9 0 年代初，奥地利l 】、日本眦1 和德国i ”1 首先应用物质流分析方 法对各自国家经济系统的自然资源和物质的流动状况进行了分析，从而揭开 了经济系统物质流分析方法在世界范围广泛应用的序幕。 物质流分析有两种模型4 】，一是物质总量分析模型，另一个是物质使用 强度模型。物质总量分析模型关注一定的经济规模所需要的总物质投入、总 物质消耗和总循环量；物质使用强度模型则主要关注一定生产或消费规模 下，物质的使用强度、物质的消耗强度和物质的循环强度，这种强度可以是 以单位g d p 来衡量，也可以单位产品产量来衡量。 1 2 2 物质流分析的发展动态 物质流分析的研究通常分为三个层次一宏观、中观及微观。宏观 层次指国家级的物质流分析( n a t i o n a lm a t e r i a lf 1 0 w a n a l v s i s ，n m f a ) ： 中观层次指区域的物质流分析( l o c a lm a t e r i a lf l o w a n a l v s i s ，l m f a ) ， 微观层次的物质流分析针对具体企业( m i c r om a t e r i a lf l o wa n a l v s i s ， m m f a ) 。目前的研究大多集中在宏观的物质流分析【1 5 】。 国际上开展物质流分析的机构很多，包括研究机构和政府机构。欧 盟是世界上研究物质流分析的最大机构，1 9 9 6 年，欧盟委员会( e l l r o p e a i l 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 c o m 窳s s i o n ) 组建了“c o n a c c o u m ”平台，该平台的成立可认为是物质流分析 研究国际合作的里程碑【“】。2 0 0 1 年，欧盟统计局( e u r o s t a t ) 出版了第一部 经济系统物质流分析研究方法手册【1 7 j ，该手册的出版对经济系统物质流分析 的深入研究起到了很大的作用。欧洲环境署f e u r o p e a ne n v i r o n m e n t a g e n c y ，e e a ) 于2 0 0 1 年运用物质流分析方法对欧盟1 5 国的物质流输 入进行了统计分析。目前，欧盟正在研究更新的物质流分析方法【1 ”。 世界资源研究所( w o r l dr e s o u r c ei n s t i t u t e ，w i u ) 是世界上研究物质流分 析的第二大机构，从1 9 9 7 年开始，着手对5 个国家( 美国、日本、奥地利、 德国、荷兰) 经济系统的物质流动状况进行了全面的分析。该研究所的第一 份研究报告9 1 得到了各个国家经济系统的物质输入总量，并且给出了衡量物 质输入状况的相关指标。在第二份研究报告【2 0 1 中，该研究所得到了各个国家 经济系统的物质输出总量，并且给出了衡量物质输出状况的相关指标。 此外，在欧盟委员会的资助和欧洲一些科研机构的帮助下，巴西、 委内瑞拉、玻利维亚和哥伦比亚等南美洲国家的物质流分析结果已经面 世，泰国、老挝、越南和菲律宾等东南亚国家的物质流分析正在进行中 。 近年来，我国也开展了一些物质流分析研究。北京大学环境学院资 源与环境地理系的陈效逑博士等人已经初步估算出1 9 8 9 1 9 9 6 年中国物质 需求总量，还计算了中国1 9 8 5 1 9 9 7 年的物质输入总量和物质输出总量并 且与我国国土面积大致相当的、最大的发达国家美国同时期的数据进行了对 比，得出我国物质需求总量已显著超过美国，我国经济系统的物质资源投入 超量，生态环境压力很大口2 2 3 】；清华大学环境科学与工程系徐明等以物质 流分析方法为基础，对中国1 9 9 0 到2 0 0 0 年期间的化石燃料进行了分 析，得出支持中国国民经济发展的化石燃料总量远高于发达国家，但资 源消耗强度却处于较低的水平，这是严重制约中国经济发展的瓶颈【2 4 】： 徐一剑等以“欧盟导则”确立的框架为基础，考察了贵阳市2 0 0 0 年物质 流全景，以及贵阳市1 9 7 8 2 0 0 2 年资源投入、1 9 9 6 2 0 0 2 年污染排 放的总量、结构、强度与人均规模的变化口”。东北大学丁一等对铁矿石 生态包袱进行了计算分析【2 6 】。清华大学能源环境经济研究院刘滨等人以 物流分析为基础，建立了我国循环经济指标体系【2 7 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 3 国内外水泥行业物质流分析概况 目前，国内外对水泥行业进行物质流分析的工作非常少，文献只找 到两篇。一个是日本京都大学k o j ia m a n o 和立命馆大学m a s a k im u r a t a 对日本的水泥和混凝土行业进行的物质流分析研究【2 8 】，另一个是北京大 学陈效逑等采用物质流分析方法对北京地区水泥行业进行了研究【2 ”。前 者分别计算了1 9 9 0 1 9 9 4 日本水泥和混凝土行业的直接物质投入、隐流 和总物质需求，以及石灰石的物质平衡。后者的研究结果表明：在过去 的5 4 年间( 1 9 4 9 2 0 0 2 ) ，水泥的产量和水泥生产的环境负荷大致经历 了三个发展阶段。从1 9 9 1 年来，产量呈迅速增长的趋势，由此导致严 重的生态环境破坏和大量的资源消耗，水泥生产过程对生态环境影响的 主要表现包括：占用和破坏土地资源，消耗大量的矿物资源；排放 二氧化碳：造成环境污染。从源头治理的角度来看，改善水泥环境性 能的关键在于减少碳酸质原料的用量、改进工业燃烧技术和提高能效。 此外，在水泥的最终产品一一混凝土的生产过程中，以沙石开采产生的 环境影响最大，2 0 0 1 年用于混凝土生产的沙石消耗量及其隐流之和是 水泥生产过程中资源和能源消耗量及其隐流之和的4 3 倍。 1 3 目前研究中存在的不足之处 由于环境经济系统是一个复杂的非线性系统，其行为很难预测，因此很 难对其建立模型进行分析以求其变化的结果和机理。物质流分析法从经济系 统表象的物质输入、输出数据出发，对整个系统物质流动的状况进行分析， 得到简洁的环境压力和可持续发展程度的示踪指标，开阔了可持续发展研究 方法的视野唧】。此外，物质流指标采用物理量作为单位，弥补了使用货币单 位不易进行不同时期可持续性程度比较的缺陷，使可持续性度量建立在自然 科学分析的基础上p “。 当然，目前国内水泥工业物质流分析研究还存在两点不足。一是没有将 水泥生产过程中的物质流同其造成的环境影响相结合。由于物质流分析法刚 刚引入我国，在方法论研究方面还很少，传统的物质流分析法只考虑物质的 质量，弱化了物质流指标与物质流动带来的环境影响之间的联系。因此，在 进行水泥工业的物质流分析时忽略了不同物质流可能带来的不同的环境影 响，实际上，物质流的大小与其带来的环境影响之间的关系并不是成正比的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 一些小的物质流，可能会带来很大的负面环境影响，一些大的物质流往往会 冲淡其它物质流对指标的贡献，致使分析得到的物质流指标并不能十分准 确；二是缺少对单个水泥企业的物质流分析。由于物质流分析所需要的数据 在国家尺度上几乎都能找到，所以，现阶段我国水泥工业的物质流分析研究 只集中在行业层次，企业层次的物质流分析寥寥无几。但是宏观领域的数据 内容少，质量差，而且由于实际生产受各种各样因素影响，官方统计很难准 确掌握各种资源的实际消耗量，如实际用于水泥生产的灰岩可能就被计入建 筑用灰岩，因此，宏观领域物质代谢基础统计资料往往同实际相差较远，往 往使得物质流分析结果会有一定的偏差。 1 4 本论文的研究意义、研究内容和技术路线 意义 水泥是国民经济建设和发展的基础原材料之一，2 1 世纪里它将在全球范 围内继续发挥不可替代的重大作用。我国是水泥生产大国，水泥行业又是高 资源消耗和环境污染严重的重点行业，为了水泥工业自身的生存和发展， 并继续对经济发展和社会进步做出贡献，水泥工业应走出一条适合自身的可 持续发展之路。 物质流分析通过对进出工业体系的整个物质流量和存量的分析，来确定 一个最佳的资源使用方针，它的基础是对物质的投入和产出进行量化分析， 建立物质投入和产出的帐户，以便进行以物质流为基础的优化管理【3 2 1 。本文 是国内首次对水泥工业进行的微观层次的物质流分析，其意义有以下四点： ( 1 ) 开展对水泥企业的物质流分析研究，从微观层次对我国水泥工 业生产过程中造成环境压力进行初步研究，找出如何减少水泥生产过程 的资源投入量以及污染排放量的方法，从源头上减少水泥生产过程的资 源消耗与环境污染。 ( 2 ) 开展企业层次的物质流分析深入研究，可弥补整个行业因宏观数据 内容少，质量差导致的物质流分析结果的偏差，对于降低水泥行业带来的 环境压力具有重要意义。 ( 3 ) 本论文是首次对水泥工业开展企业层次的物质流分析，是将物质流 分析法应用到微观层次，并将各物质流与其造成的环境影响相结合，对 物质流分析法进行了一定的改进，可为物质流分析法方法论研究及其在 微观层次的应用提供一种新的参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 4 1 通过本论文的研究可对我国水泥工业及相关工业可持续发展的定 量化研究提供借鉴。 研究内容 鉴于欧盟在物质流分析领域取得的巨大理论成果和在现实领域的 广泛应用，本文选择的物质流分析方法确定以“欧盟导则”为基础，以其 确定的各帐户产生的基础指标为环境压力指标，并结合我国国情和水泥 工业的特点，展开对水泥企业的物质流分析。同时将水泥企业的各物质 流同其造成的环境影响相结合，对物质流分析法进行了一定的改进。 本论文的研究内容涉及以下四个方面： 1 根据“欧盟导则”，提出一套水泥企业物质流分析帐户，从而确定 环境压力指标。 2 进行调研水泥企业的物质流分析帐户的核算，进行直接物质投入、 生态包袱、总物质需求、总污染物排放以及总环境载荷等环境载荷指标 的计算，进行水泥企业的物资流分析。 3 通过对调研水泥企业环境压强的研究，对所调研水泥企业的可持 续发展性开展比较。 4 根据以上的计算、分析，探讨我国水泥企业可持续发展的潜力和 途径。 要实现本文的研究内容，有几个关键地方：一是从欧盟给出的框架 中筛选出适合企业的物质流帐户，并根据各帐户得出环境载荷指标：二 是基于改进物质流分析法，将对环境载荷的研究转化成环境压强的研 究，将调研水泥企业造成的环境压力归一化，使对不同水泥企业可持续 发展性的比较更科学，更具可比性。 技术路线 本文通过对我国水泥企业的物质流分析研究，找出我国水泥企业造 成环境压力的原因，通过对调研水泥企业各环境压力指标的比较，找出 减小这种环境压力的方法，为我国水泥工业的可持续发展服务。研究工 作的流程和框架如图1 。1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 1 论文的技术框架图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章研究方法 环境和自然资源是经济发展的物质基础，经济发展的可持续性要求 环境经济系统保持相对的稳定，尽量减少经济系统动用自然物质的数 量。为了更好地实现可持续发展的目标，建立一套标准化的衡量与评估 人类资源使用效率的方法与指标体系是非常必要的。日前，国际j ：一些 国家采用物资流分析方法来表述资源投入、废弃物产生和废弃物再生利 用的概况，并在物资流分析方法框架的基础上，得出环境压力的指标， 衡量和评价口，持续发展的进程和程序。 2 1 物质流分析法 物质流分析指的是对经济活动中物质流动的分析，它的基础是对物 质的投入和产出进行量化分析，建立物质投入和产出的账户，以便进行 以物质流为基础的优化管理。物质流分析主要衡量的是经济社会活动的 物质投入、产出和物质利用效率。通过物质流分析，可以发现对于备种 资源和不同行业的物质、能量流动的方式和效率，并在此基础上，制定 可持续发展的方针、政策。 2 1 1 基本观点 人类活动所产生的环境影响在很大程度上取决于进入经济系统的自然 资源和物质的数量与质量，以及从经济系统排入环境的废弃物质的数量与质 量。前者产生对环境的扰动，引起环境的退化：后者则引起环境的污染口”。 物质流分析以质量守恒定律为基本依据，从实物的质量出发，将通过经济系 统的物质分为输入、贮存、输出三大部分，通过研究三者的关系，揭示物质 在特定区域内的流动特征和转化效率，并将其作为可持续性指标，为可持续 性发展目标的设定提供依据。 2 1 2 分析框架 选定某个社会经济系统，运用物质流分析方法对该经济系统物质流动状 况进行研究的框架，见图1 ，左端为物质输入端，右端为物质输抖 端。 况进行研究的框架，见图1 ，左端为物质输入端，右端为物质输h 端。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 物质 需求 总量 图2 ，1 物质流分析框架图 物质流帐户对输入与输出的界限做了明确的界定，主要从两方面，一方 面是自然界所开挖的基本物质( 原生的未被加工的物质和材料) ，另一方面是 排泄到大自然的物质( 污物、污水、污气) 。 2 1 3 系统边界 在物质流分析研究中，只对通过系统边界输入待研究的系统或输出待研 究的系统的物质流予以考虑，系统内部的物质流并不在研究之列。由于物质 流分析所关心的焦点在于社会经济系统在自然环境系统中的物质代谢，因 此，进行物质流分析研究时需要对系统边界做如下的定义： ( 1 ) 社会经济系统与自然环境系统之间的边界：直接从自然环境中开 采的原料通过此边界进入社会经济系统进行进一步的加工转换； ( 2 ) 本系统与其他系统的边界：成品、半成品以及原料经该边界，由 本系统流入其他系统或由其他系统进到本系统。 2 1 4 引入平衡项 在进行物质流分析计算时，有些计算项目虽然并未视为环境指标，可是 却对物质投入与排出总平衡具有重要作用，这些项目可成为平衡项】，例如 在燃烧过程中，燃料和空气混合发生氧化反应，产生排放到空气中的二氧化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 碳、水蒸气以及其它残留物如烟灰等。对于这个过程，由于二氧化碳排放量 中仅仅有2 7 是碳，而有7 3 是氧，因此其输入端的燃料重量与输出端的排 放量相差会很大。为使污染与燃料之间的计算平衡，必须在投入端考虑平衡 项“氧”。 基于以上考虑，在进行物质流分析时需要对统计数据进行物质平衡修 订，以较完整的表现整个系统的物质流平衡。 具体来说，在输入端主要有四部分物质需要在平衡修订时考虑：燃料燃 烧所需氧，生物呼吸作用所需氧，燃料燃烧所需氮，以及其他工业过程所需 空气。 在输出端有三部分物质需要在平衡修订时考虑：燃料燃烧所产生的水蒸 气，产品中水分的蒸发，以及生物呼吸作用产生的水蒸气。 2 1 5 物质流分析帐户 本论文采用“欧盟导则”建立的物质流分析帐户，包括直接物质投入 帐户、国内生产排出帐户、国内非使用开采量平衡帐户、物质需求总量 帐户和物质流平衡帐户五个帐户以及由这些帐户衍生的基础指标。大部 分帐户分左、右两栏，左栏为资源，右栏为使用。数据一般按年统计计 算，采用1 0 3 妊为重量单位。 直接物质投入帐户 在直接物质投入中包含了两大类国内开采和进口。国内开采包 括各种化石能源的开采，各种矿物和原料的开采。化石能源主要包括原 油、原煤和天然气：国内矿物和原料包括各种国内开采的黑色金属、有 色金属、稀有金属和各种非金属矿物，直接物质投入帐户见表2 1 。 表2 1 直接物质投入帐户 资源使用 国内开采量 化石能源( 煤、石油、天然气) 矿物原料 生物资源( 木、谷物等) 进口 国内生产排出帐户 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 国内生产排出包括开采和使用国内资源所产生的固体污染物，液体 和气体排放物以及各种耗散性损失等。但是由于耗散性损失数据难于统 计，所以目前计算上存在一定难度。国内生产排出帐户见表2 2 。 表2 2 国内生产排出帐户 资源使用 废弃物及污染排放 空气中的污染物 表土上的废弃物 水中的污染物 耗散性损失与使用 国内非使用开采量平衡帐户 该帐户虽然只是计算国内非使用的开采量，即国内开采的生态包 袱，但是该帐户却有很大的作用。它同国内生产排出帐户结合可以构建 总的国内物质排出指标。国内隐藏流的产量与排出是同一过程，因此左 右两侧完全相同，国内非使用开采量平衡帐户见表2 - 3 。 表2 3 国内非使用开采量平衡帐户 资源使用 国内非直接使用开挖量 矿山、采石场方面 生物质收获方面 表土工程方面 国内非直接使用开挖量的转置 矿山、采石场方面 生物质收获方面 表土工程方面 物质需求总量帐户 物质总需求帐户测定经济系统从环境中获取的物质总量，包括直接投入 物质以及这些物质引发的生态包袱，也包括再循环再利用的物质量，物质需 求总量帐户见表2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 4 物质需求总量帐户 资源使用 国内开采量 化石能源( 煤、石油、天然气) 矿物原料( 矿石、砂、石) 生物质( 木材、谷物) 进口 未被使用的国内开采量 再循环再利用的量 新鲜水 物质流平衡帐户 由以上各帐户可得出一个物质输入输出的平衡帐户物质流平 衡帐户，物质流平衡帐户见表2 5 。 表2 5 物质流平衡帐户 资源= ( d m i + 平衡项)使用2 ( d m o + n a s + 平衡项) 国内开采量 化石能源( 煤、石油、天然气) 矿物原料( 矿石、砂、石) 生物质( 木材、谷物) 新鲜水 再循环再利用量 进口 废弃物及污染排放 空气污染 固体废物 水中污染 耗散与流失 出口 存量净增 平衡项平衡项 2 1 6 生态包袱 2 0 世纪9 0 年代初，德国w u p p e n a l 研究所的e m s t v o nw e i z s a e c k e r 提 出了生态包袱( e c o l o g i c a l r l l c k s a c k s ) 的概念。它是指人类为获得有用物质 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 和生产产品而动用的没有直接进入交易和生产过程的物料，例如为了生 产钢铁，直接投入铁矿石，为了开采铁矿石又必须开挖许多巷道及剥离 大量岩石，后者并未直接进入产品的生产过程和产品本身，因此，在物 质流分析中又被称为隐藏流( h i d d e nf l o w ，h f ) 3 “。生态包袱形象地表达 出人类为获得有用物质而造成的附加生态压力每一件消费品实质 上都背着一个消费者直接感觉不到的沉重包袱。由于其在物质流分析中 的重要地位以及其深刻的生态内涵，生态包袱不仅在许多国家的物质流 分析中被作为重要指标加以计算和分析，也被越来越多的用于研究单一 产品的资源动用和生态冲击分析m j ，如电脑、手机、t 恤衫、黄金、矿 物、建材等。 生态包袱可以从输入端全面地揭示产品对自然资源的消耗和对生态环 境的冲击。一件产品的生态包袱等于其物质投入总重量与产品自身重量之 差；其生态包袱系数则是其物质投入总重量与其自身重量的比值。 产品直接使用的物质一般都不是单一的，计算其生态包袱时需要考虑涉 及到的所有物质，包括直接使用和间接动用的物质，所有物质的量都以重量 计量。一件产品含有的和生产中消耗的各种物质的重量w i 乘以各自的生态 包袱系数v i 再求和就是该产品的物质投入总重量，再减去产品自身的重量w 就是该产品的生态包袱r ，即 月= 九形一矿 ( 2 1 ) l = 1 其生态包袱系数为 1 上 y = 言n 彬 ( 2 2 ) ， l = 1 生态包袱计算的关键是找出所有投入，需强调两点：能量消耗 ( 如电力) 也作为“物质”投入【3 8 】；需追踪“投入的投入”及其生态包袱， 如电力投入引起的煤炭投入和煤炭的生态包袱、钢铁投入引起的铁矿石 投入和铁矿石的生态包袱等。 2 2 环境载荷 每个物质流帐户均可衍生一个或几个基础指标，总的来说包括物质 输入、物质输出和库存增量三类指标】。各物质流指标本身就是从不同 的侧面对环境压力大小的一种量度。这些指标的度量单位是重量，其对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 环境的作用相当于力学实验中施加于试件上的载荷力，因此称此类指标 为“环境载荷”。 d m i ：直接物质投入量，d i r e c tm a t e r i a li n p u t 。d m i 可表征一个经 济系统的直接物质( 主要是不可再生资源和能源) 消耗对自然环境造成的 压力，d m l = 国内原料+ 进口。 t m r ：物质总需求，t o t a lm a t e r i a lr e q u i r e m e n t 。t m r 表征直接物 质消耗和间接扰动造成的环境压力，t m r = d m i + h f + r u 。 d p 0 ：国内生产排出量，d o m e s t i cp r o c e s s e d o u t p u t 。国内生产、使 用、消费过程中所排放和耗散到空气、水和土地中的物质量，循环使用 的物质并不计入。用于表征生产过程直接排放产生的环境压力，d p o = 气体污染物+ 固体废物+ 液体废物。 t d o ：国内总排出量，t o t a ld o m e s t i co u t p u t 。d p o 与未被使用开 采量的总和便是国内总排放量。此项指标表示因经济活动而排放到环境 中的物质总量，用于表征生产过程总排放产生的环境压力。t d o = d p o + 国内隐藏流。 t e l ：t o t a le n v i r o n m e n t a ll o a d i n g 。经济活动造成的环境总载荷可以 定义为投入面和排出面所有直接和间接的物质流量的总和，即 t e l = t m r 十t d o = d m i + d p o + 2 h f ( 2 - 3 ) 隐藏流h f 在上式中出现了2 次，即隐藏流对环境的扰动是双重性的， 一方面，隐藏流的开采对其所在地理区域的景观、植被、土壤、栖息地等造 成损害：另一方面，其搬运与堆置对另一地理区域造成类似的环境损害。 2 3 环境压强 环境载荷作为环境压力的绝对量，可用于度量和监测一个企业的环境压 力的变化，一个企业的经济发展需要物质投入，投入的物质越大，对自然资 源的消耗越多，排放的废弃物也越多，造成的环境压力也就越大，但并不能 综合反映该企业的可持续发展性，单纯的环境载荷指标在同类企业间比较无 法得到单的结果。要度量一个企业造成的环境压力的程度，反映其环境问 题的严重性并使之在企业问具有可比性，必须同时考虑该企业的环境载荷和 它所制造的产品造成的环境影响。 以上的物质流分析法建立的环境载荷指标只考虑物质的质量，对不同物 质流可能带来的不同的环境影响并未考虑，弱化了物质流指标与物质流动带 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 来的环境影响之间的联系，而实际中有些小的物质流也许会对环境的影响更 大，本论文在对环境压力研究的基础上，对上述的物质流分析法进行了一定 的改进，将物质流与其造成的环境影响结合的，并将各类环境负荷特征化、 归一化，最终得出一个衡量水泥企业可持续发展的综合指标。类似环境载荷 的定义，本论文借助力学中的概念，将该综合指标称为环境压强。 水泥企业造成的环境压力主要由生产制造水泥过程中各物质流引起，可 认为环境压力的承受者为水泥产品，环境压力作用在全部产品的重量上。因 此，环境压强可定义为单位产品( 或服务) 的环境压力造成的环境影响。环境 压强指标可用来测量产品制造或提供服务的物质流对环境造成的冲击，解决 环境压力和“承载力”之间的量化难题。 2 3 1 环境影响的分类 人类活动对环境损害总体上分为资源消耗、人体健康损害和生态系统影 响，通常又可以确定为以下十种具体的环境负荷，即不可再生资源消耗 ( a d p ) 、不可再生能源消耗( e d p ) 、环境酸化( a p ) 、富营养化作用( n p ) 、光化 学烟雾( p 0 c p ) 、土壤污染( e c t ) 、水污染( e c a ) 、人体健康损害( h t ) 和土地 破坏与占用( l e ) 。 在分类中当输入或输出物质只与一种环境负荷有关时，就直接将其归类。 但是，并不是所有的物质只造成一种环境影响，因此对生态系统和人体造成 的环境影响也常常难以归为某一物质的单独作用，这时就需要考虑并联和串 联的问题【4 ”。 2 3 2 服务单位 当比较一个解决方法的不同变量时，建立一个度量标准是必要的。在 m f a 概念中，这个度量标准被称做一个服务单位，通过使用服务单位这个 概念来比较一种物质的服务是可能的。 2 3 3 特征化 根据确定的系统边界及物质流帐户提供的数据，对水泥企业从原材料到 制成散装水泥整个过程的资源、能源投入以及所带来的环境问题进行分类， 将水泥企业的造成的环境负荷分为不可再生能源消耗、不可再生资源消耗、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 温室效应、环境酸化、富营养化和人体健康损害六类。 利用环境负荷指标方法将有相同环境负荷的物质进行汇总，以得到综合 环境负荷。环境负荷作为一个量化数值，表示一组资源投入和排放物质对特 定的环境类别( 如气候变暖) 起到某种影响作用的潜在程度。 在投入面，对于不可再生能源的消耗，利用发热量来衡量；对于不可再 生资源的环境载荷和环境负荷当量因子可以使用r e h l o u t 和h e du i l g s 等人提 出的如下公式进行计算： 彳d p = 一嬲。 ( 2 4 ) ， 4 艘：婴。盟( 2 5 ) ( r ，) 2 珊。r 、。 式中：a dp i 代表第i 项不可再生资源的环境负荷值；a d f ，代表第i 项资 源的环境载荷因子；m 。代表功能单位产品生产中第i 项资源的消耗量( t ) ；d r i 代表第i 项资源的年产量或开采量( t ) ；r i 代表第i 项资源的矿产储量( t ) ；d r 耐 代表参考项资源的年产量或开采量( t ) ；r r c f 代表参考项资源的矿产储量( t ) 。 在不可再生资源消耗环境载荷值的计算中，通常需要选取一种参考项资 源来完成计算。但在本文的具体计算中，并没有选取某种特定资源来达到目 的，而是根据莱顿大学研究结果h 2 1 中原油消耗项环境负荷的计算得到。事实 上，在应用该方法时，原油消耗的环境负荷值既可以由不可再生资源消耗计 算得到，又可以根据能源消耗计算得到，但两个计算结果之间存在一定的差 异。为了消除这种差异，同时将资源消耗和能源消耗联系起来，本研究中采 用两种原油消耗环境负荷计算结果之间的比值作为修正因子g ，以取代公式 ( 4 ) 中参考项资源的作用，即令! ：g 在数值上等于g ，利用北京大学郭玉泉 ( 2 0 0 3 ) 的部分计算结果完成不可再生资源消耗的计算。 在排出面，对每一类环境负荷，可以从下式计算得到： e b = ( w a p f a ) + ( 、砜p f b ) + ( w c p f c ) + ( 2 6 ) 式中：a 、b 、c 为排放物中所含的各种化学物质，w 为各种物质的 重量，p f 为各种物质对某类环境所造成影响的当量因子。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2