（环境科学专业论文）基于能值分析的校园生态评价系统研究及应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dr a p i d p o p u l a t i o ng r o w t h ，h u m a n b e i n gh a sa f f e c t e do u re a r t hh u g e l y t h e r ea r eas e r i e so f s h a r pc o n f l i c t sb e t w e e np o p u l a t i o n ，r e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ta n dt h er e l a t i o n s h i po f e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h u s ，t h es u s t a i n a b l e c o n c e p tw a sp r o p o s e da n dt h e e c o - c a m p u sc o n s t r u c t i o nh a sb e c o m ea l li d e a lb o t ho ft h ei n t e m a la n do v e r s e a s u n i v e r s i t i e s s i n c et h e19 8 0 s ，t h ec o n c e p to f e c o - c a m p u sh a sb e e nw i d e l ys p r e a da n d p r a c t i c e di nm a n yc o u n t r i e sa n dd i s t r i c t s b u tt h e r ea r em a n yd e f i c i e n c i e si nt h e s e c a m p u s e s m a i n l y , t h e r ei sn ol o g i c a lo rp u r p o s e f u lm e t h o dt oe v a l u a t et h el e v e lo ft h e e c o l o g yo fac a m p u s t oc o p p e rw i t ht h ep r o b l e m ，d e p e n d i n go nt h ep r e s e n ta n a l y s i s o ft h e e c o c a m p u s e se v a l u a t i o na n dt h et h e o r i e so fs y s t e m d y n a m i c s a n d e c o e n e r g e t i c s ，t h ee m e r g ya n a l y s i s ( e m a ) i sd e d u c e dt oe v a l u a t et h el e v e lo ft h e e c o l o g yo fac a m p u s t oa v o i di n t e r f e r e n c ef o r mc o m p li c a t e di n d e x e sa n ds u b j e c t i v ef a c t o r s ，e m e r g y a n a l y s i ss y s t e mw a se s t a b l i s h e df o re c o c a m p u s ，a n dd i f f e r e n tt y p e so fe n e r g yc a nb e u n i f i e di n t oac o m p a r a b l ev a l u e ；t h r o u g ha n a l y s i s ，t h er a n g er e f l e c t st h ee c o n o m i c e n v i r o n m e n ta n de n e r g yi n d i c a t o r s i tc o m b i n es o c i e t ys y s t e m ，e c o n o m i cs y s t e mw i t h n a t u r a l s y s t e m t of o r m c o m p a r a b l ee n t i t y d e p e n d i n g o nt h ed a t ao ft i a n ji n p o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yo l dc a m p u s ，n e wc a m p u sa n dt i a n ji nu n i v e r s i t y , e m e r g y a n a l y s i st a b l e sa r ee s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，o nt h eb a s i so ft h ed a t a 。e m ai n d e x s y s t e ma n di n 。o u tr e l a t i o nw h i c he m b o d i e st h ee c o l o g i c a lv a l u eo fu n i v e r s i t yi s d e s i g n e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so fe m ai n d e xs y s t e m ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt i a n i i n p o l y t e c h n i cu n i v e r s i t ya n dt i a n ji nu n i v e r s i t ya b o u te n e r g ys o u r c e su s ea n dg r o w i n g s t r u c t u r ea r ea n a l y z e d s o m ea d v i c e t ot h ep r o j e c t e dn e wc a m p u so ft i a n ji n p o l y t e c h n i cu n i v e r s i t ya n dr e s e a r c hh e a d w a yw a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：e m e r g ya n a l y s i s ，e c o - c a m p u s ，e v a l u a t i o n s y s t e m ，s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磋楚钓 签字日期： 娜占年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：程袭韵 导师签名： 否堤茇传 签字日期：御占年石月争日 签字日期：2 即富年 月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 以自然资源和生态环境为代价，人类实现了空前繁荣的现代文明。生态环境 是人类赖以生存和发展的基础，自然资源是人类福利的保证，为了让人与自然更 加协调地共存与发展，可持续发展的概念应运而生。可持续发展的核心是发展， 但必须是在严格控制人口数量、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的前提 下进行的经济与社会的发展。在这股思潮的带动下，环境规划领域相继涌现了“生 态城市、“生态社区 、“生态校园”等规划设计及评价思想，其目的都是要营造 一个与自然生态系统共生共荣的生活环境。 高校是培养高素质人才的基地，而校园环境则是无声而又时时显效的特殊课 堂，是一种影响人、塑造人的综合教育力量。正如马克思所说：人创造环境，环 境也创造人。学校的社会功能决定了它必然要承担传播可持续发展思想的责任。 学校对于学生现有社会的继承者和延续者的潜移默化影响是显而易见的，通 过在校园内开展环境建设与生态教育有利于可持续思想得到发扬和传承。 在生态校园的规划建设中，对其规划效果生态性与可持续性的评价成为生态 校园建设中不可缺少的一部分。为了对生态校园规划与建设的可持续性进行界 定，选择一定的方法对其效果进行评价显得尤为重要。因此，本课题选择了建立 在系统生态学基础之上的能值分析对这一方向进行研究。能值理论与分析方法是 一种新的环境经济价值论和系统分析方法，涉及的学科面广，不仅涉及系统生 态学、生态系统生态学、能量学、资源学、环境学、系统学、地球科学等自然科 学，同时涉及到经济学、社会学、未来学等人文学科。能值被认为是联结生态学 和经济学的桥梁，具有重大科学意义和实践意义。理论上，能值分析为生态经济 系统开辟了定量分析研究的新方法，提供了衡量和比较研究方法【l 】。 1 2 能值理论综述 1 2 1 能值基本概念和基本理论 美国著名生态学家h t o d u m 是能值分析理论和方法的创始人。众所周知， o d u m 家族在现代生态学和系统生态学诸领域所作的工作发挥了巨大的作用， 第一章绪论 h t o d u m 被称之为“系统生态学之父。 能值理论概念和分析方法是h t o d u m 为首经过2 0 多年的研究发展出来的， 是他独到的系统生态学、生态能量学和生态经济学学术思想的延续和发展。综观 其毕生工作和学术论著，有一条明显的发展路线，包括从能量到体现能到能值； 从系统能量分析到能值分析；从自然生态研究到复合生态经济系统研究；从生态 系统能物流分析到复合生态经济系统各种生态流( 能物流、信息流、生物流、货 币流) 的能值综合分析；从系统分析到系统设计( 生态工程) 。所以，能值理论 和分析方法不是短期冒出来的，而是经过多学科长期研究发展出来的系统分析理 论和方法。 ( 1 ) 能值理论基本概念 能值( e m e r g y ) 口j 是一个新的科学概念和度量标准，由美国著名生态学家 h t o d u m t ! l j 立。他将能值定义为：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。他又进一步解释能值为：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量( a v a i l a b l ee n e r g y ) ，就是其所具有的能 值1 3 】。能值实质就是包含能量( e m b o d i e de n e r g y ) 。根据o d u m 的能值理论，“宇宙 中的能量流是按照能量转换的等级来组织的 ，能量物质在“能量等级中的位置 由转换率来衡量”，因此说，太阳能值转换率是衡量能量质量的尺度，它体现了 包括了人类劳动在内的一切含能物质的能量等级【4 】。 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，单位为太阳能焦耳( s e j ) 。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。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、 货币流、人1 2 1 流和信息流) 。得出一系列能值综合指标( e m e r g yi n d i c e s ) ，定量分 析系统的结构功能特征与生态经济效益。 能值概念的基本组织原则是a l f r e kl o t k a 所提出的“最大功率原则”，根据这 一原则，在竞争中占优势的系统，通过系统的组织化强化生产过程，克服限制因 素，从输入的能值源中获得更多的有用功【5 】。太阳能值转换率是能值理论中的一 个重要的概念，是能值理论基本原理的集中体现，也是能值计算分析中的一个关 键参数。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。太阳能值与太阳能值转换率之间的关系如公式l - l ： m = - b 2 第一章绪论 式中，m 为太阳能值，r 为太阳能值转换率，b 为可用能1 6 1 。能值理论的基本 概念如表1 1 所示。 表卜1 能值分析理论的基本慨念【刀 术语定义 有效能 能值 太阳能值 太阳能值转换率 能值功率 能值货币比率 能值一货币价值 具有做功能力的潜能，其数量在做功过程中 减少 产品形成所需投入的直接和间接应用的有 效能总量 产品形成所需直接和间接应用的太阳能总 量 单位能量( 物质) 形成所需的太阳能值的量 单位时间内的能值流量 单位货币相当的能值量 能值相当的市场货币价值，即以能值来衡量 财富的价值或称宏观经济价值 ( 2 ) 能值的基本理论 a 生态系统的能量流和物质涮8 】 生态系统虽然没有明显的边界、没有像有机体一样的多种呼吸、消化、运输 等特有的功能系统，但它内部组成经过长期的协同演化和进化过程，特别在食物 网和食物链的作用下，相互之间具有了必然的内在联系，形成了一定的结构，具 有了一定的功能，是一个完整的超有机体系。生态系统是光能驱动的一类超有机 体，它的生存、维持和演化依赖外界不断的物质和能量的供给，以及在有限物质 条件下，其自身的物质循环再生。生态系统物质流和能量流是生态系统生存、发 展的基础，也是生态工程能量系统模型的基础。 b 能量定律 ( i ) 能量守恒定律 能量既不能创生也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，这意味着 输入的所有能量必然是输出、储存和消耗的能量之和。 第一章绪论 ( i i ) 能量转化定律 任何能量在做功或存储过程中均会有消散流失的现象，即有部分能量将转化 为热能而消散，从而失去潜在的做功能力。如草地生态系统内，生物在维待自身 的生命活动中，消耗能量并散发热能到大气中，从而使这部分能量丧失了做功的 能力。 c 营养级和容纳量 食物链的不同层次称为生态系统营养级。由于在能量转化过程中，始终有部 分能量以热能的形式耗散而不能做功，因此。在能量沿食物链流动过程中，其做 功能力是逐步减弱的，也就是说，转化为各营养层次生物量的潜力是逐渐减少的。 著名美国生态学家l i n d e r m a n 曾提出：在生态系统能量流动过程中。从一个营养 层到下个营养层，约有1 0 的能量传递，9 0 的能量被以热能的形式耗散，即著 名的十分之一定律。地球生命的能量来源是太阳光，植物的光合作用是固定能量 的主要途径，其固定能量的效率大约为0 0 1 2 ，对于某个特定的地区，它 所接受的太阳能是一定的，加之能量在流动过程的耗散。因此，每个地区均有一 个容纳量问题，当然生物容纳量的大小取决于它所在的营养层次。如在一个生态 系统中，1 0 0 0 0 0 0 j 的光能，生产出1 0 0 j 的植物生物量，能维持1 0 j 的牛的生物 量和l j 的人的生物量。由于食物链越长，能量耗散越多，也即能量浪费越严重， 因此，有专家建议，将人类的食物链缩短，只吃植物性食物，减少或少吃肉类， 以节省大量的能量，提高地球的人口容纳量或为许多挨饿的人群提供食物。 d 能质和能值 由于1 0 0 j 的植物转化为1 0 j 的牛肉，并进一步转化为l j 的人类组织。因此， 不同营养级层次上的能量质量( 简称能质) 不同，营养层次越高，能质越高。人类 的能质比牛肉高，牛肉的能质高于植物。为了对生态系统中各种形式的能量进行 研究，h t o d u m 提出了能值( e m e r g y ) 的概念，并将生态系统中最低质量的太阳 能作为基本单位。即太阳能焦( 缩写为s e j ) 。能值即生产或形成某个产品( 物) 所需 的大阳能的数量。如l g 雨水的能值为7 5 0 0 0s e j 焦。同时，也必须将其他形式的 能转换成大阳能焦，这就必须首先确定各种形式能和各种物质的太阳能能值转换 率。简单地说，生产或形成l j 某物质所需的太阳能量就是该物质的太阳能值转 换率、如生产1 0 j 的牛肉需要1 0 0 0 0 0 0 j 的太阳能，则牛肉的太阳能值转换率为 1 0 0 0 0 0 。其单位为太阳能焦焦，或s e j j 。 e 最大功率原理 生态系统通过自身的设计和调整，以消耗最少的能量，产生最大功率的进化 趋势是最大功率原理。在生态系统发展进化过程中，它必须很快地从外界获取能 量，同时，反馈部分能量( 辅助能) 以促使系统获取更多的能量。具有最大功率的 4 第一章绪论 生态系统，是最具活力、具有最佳设计、各亚组分间匹配最合理的生态系统。在 森林生态系统中，光合作用固定的能量被部分地用于扩大树木的叶面积( 反馈过 程) ，以便摄取更多的太阳能，从而驱使生态系统的发展，发挥出最大功率。能 量供给充裕时，生态系统发展最快、生物量累积迅速、可取得最大功率( 或效率) 。 f 能值转换率 能值分析中常用能值转换率( t r a n s f o r m i t y ) ，即单位能量( j ) 或物质( g ) 所具有的 能值。实际应用的是太阳能值转换率，即单位能量或物质相当于多少太阳能焦耳 的能值转化而来。 1 2 2 能值理论与其他相关理论的关系研究 ( 1 ) 能量理论的演进以及能值理论的诞生 能值理论是在多种理论长期发展的过程中而产生的，它以能量学、生态能量 学、系统生态学、生态经济学、生态工程学等的发展为依托而发展演进。相关理 论的发展及能值理论的出现的过程如下表1 2 所示。 表1 - 2 能量理论的发展 第一章绪论 经过3 0 多年的发展，能值理论已形成了完整的理论体系，提供了一系列用 于生态系统可持续性分析与评价的指标体系【1 0 】。 ( 2 ) 传统价值理论流派与能值理论的比较 从能值理论作为价值评价方法一种的角度看，它与其他的传统价值流派有很 大的区别和优势。 生态经济学作为一门学科2 0 世纪6 0 年代末期提出以来，为了深入生态经济 的研究，进行科学环境资源核算，对生态资源的经济价值问题也进行了一系列的 探索，价值学也可谓众说纷纭。传统的价值理论主要观点包括：有限资源价值论、 收益决定价值论、使用价值决定论、劳动价值泛化论、主观价值论即边际效应论、 均衡价值论、自然资源价值论等。 传统的经济学价值论作为生态经济学价值论有很大的局限性，主要是未能反 应环境资源与经济的本质关系。人们已经习惯用市场经济价值来衡量环境资源、 商品、劳务，用人为的货币代表财富。为了探索适用于生态经济系统研究的价值 理论，出现了能量价值学说和能值价值理论。o d u m 等人在对能量价值学说进行 批判吸收的基础上提出了科学的能值价值理论，这一理论于2 0 世纪8 0 年代后期 。 日趋成熟，对生态经济系统进行了科学研究的时代可能会因为这一学说的提出而 到来l j 。能值理论是联结生态学与经济学的桥梁，是全面衡量系统各要素价值的 一个方法。 ( 3 ) 能值理论与能量理论的比较 生态系统的基本功能过程体现在能量的不断流动、转化和物质的不断循环。 6 第一章绪论 生态系统的能量分析即是研究系统的能量流，并对其加以分析。生态系统的能值 分析则是以同一标准的能值为量纲，综合分析系统的能物流及其他生态流，从能 量发展到能值，从能量分析发展到能值分析，在理论和方法上都是一个重大的飞 跃。 a 以往能量分析把各种性质和来源根本不同的能量均以能量单位表示后进 行比较和研究。例如：煤炭燃烧产生的1 j 能与1 j 电能有很大差异，不能简单相 加和比较。而能值理论则克服了这一缺点，将自然系统内部统一起来，并且也将 自然系统与社会经济系统统一了起来。 b 能量分析主要计算系统能量的投产比，无非是为了显示投入能对产出能形 成的效率，但却不计量太阳能、雨水能等自然资源能量投入，分析结果不能反映 自然的巨大作用和贡献，不能表示生态效益。能值分析既反映生态效益，又体现 经济效益。 c 能量不能衡量人与自然、环境与经济的本质关系，难以对生态经济系统进 行分析。能值理论则能够定量分析系统的结构功能特征与动态变化。 d 人类与自然界创造的所有财富均具有能值，都有价值，能值是财富实质性 的一种反映。能量则不可能用于衡量自然和经济的价值。 ( 4 ) 能值理论与y o n g 分析的比较 y o n g 和能值是描述生态系统发展的组织原则的两个重要的目标函数，在量化 研究生态系统功能，描述和模拟生态系统行为、预测生态系统发展演化的趋势、 评价和分析生态系统的可持续性的研究与应用上发挥了重要的作用。二者的主要 区别如表1 3 所示。 表卜3 能值与y o n g 的比较 7 第一章绪论 8 第一章绪论 9 第一章绪论 通过上述分析，我们不难看出y o n g 分析与能值分析之间的差异，y o n g 分析 方法注重的是能量的做功能力，它与环境介质紧密相联，无法对以非物质形态存 在的能量投入( 如人类服务) 以及有关产品性能的价值进行量化计算。在分析各种 能量在生态系统中的等级、地位及其价值时，我们要视要求而定，不同的分析方 法将会得到不同的分析结果。 1 2 3 国内外能值理论研究进展 ( 1 ) 国际能值研究情况 h t o d u m 经过长期研究，综合系统生态概念和度量标准一能值，创立了能 值理论和分析方法。1 9 8 7 年，他接受瑞典皇家科学院克莱福奖( c r a f o o dp r i z e ) 时 发表的演讲著和在s c i e n c e s 刊物的论文中，首次阐述了能值概念理论，论述了能 值和能质、能量等级、信息、资源财富等的关系。经进一步研究和总结国际能值 分析研究的成果，于1 9 9 6 年出版了世界第一部能值专著e n v i r o n m e n t a l a c c o u n t i n g ：e m e r g ya n de n v i r o n m e n t a ld e c i s i o nm a k i n g ) ) 。现在，国外对能值理论 及其分析方法的研究已经涉及到自然、社会等广大的范围内，运用于评价地区流 1 0 第一章绪论 域系统的环境资源、经济投入和发展模式、环境政策、以生态系统为基础的环境 管理、发展计划与政策等方面。g u i l l e nt r u j i l l o ( 1 9 9 9 ) 运用能值理论分析可持续 发展的替代模式一生态旅游，发现生态旅游并不是最有效的维护森林的活动。 t i l l e y ( 2 0 0 0 ) 分析了森林生态系统的自然财富。h t o d u n 和b r o w m ( 19 7 5 ) 运用能 值分析法对密西西比河进行连续评价。w o i t h e ( 1 9 9 6 ) 运用能值分析理论，评价美 国及其内战总体影响，该研究中假设多种能量给历史带来影响。b u r a n a k a r m ( 1 9 9 9 ) 利用能值理论对建筑材料的循环利用进行研究，主要是确定判断再循环利润的最 佳措施或指标。 ( 2 ) 能值研究在中国的情况 中国开展能值分析研究始于1 9 8 9 年留美学者在美国弗罗里达大学直接与 h t o d u m 的合作研究，参与了美国n s f 有关项目和能值专著工作。后来我国己有 许多研究人员与研究机构对能值分析方法进行了研究，研究人员主要有蓝盛芳先 生、严茂超先生等等，研究机构主要有华南农业大学、中国科学院地理科学与资 源科学研究所、北京大学、清华大学、东北师范大学等。在我国，利用能值理论 已经进行了生态系统研究【2 眦1 1 、可持续发展研究2 2 2 4 1 和环境资源评估研列2 5 1 。 例如： a 中国蚕桑生态系统能值分析f 2 6 】( 陈敏刚金佩华等，2 0 0 6 ) 该文首先建立了中国蚕桑生态系统能值投人产出分析表和中国蚕桑生态 系统能值流表，在这一基础上建立了中国蚕桑生态系统能值评价指标，并与农业 生态系统能值指标进行比较，得出结论蚕桑产业对自然资源破坏少，环境压力小， 确实是我国优良的生态农业；但同时，我国的蚕桑生态系统属于开发程度低的农 业系统，科技水平需要进一步提升。 b 宁波市生态经济系统的能值分析研刭2 7 】( 李加林等，2 0 0 3 ) 在该篇文章中，首先介绍了宁波市自然资源与经济发展水平状况，然后根据 收集到到的自然、经济、人口、劳务、货币流动、废物排放等相关资料，建立了 能值分析表，在这一基础上，对宁波市1 9 9 0 2 0 0 0 生态经济系统主要生态流历年 能值进行了分析，同时将其主要能值分析指标与部分国家和地区的比较，得出结 论自1 9 9 0 年以来，宁波市经济的高速发展是建立在对环境资源过度利用基础上， 在短期内促进了经济的发展，但从长远利益看，却孕育了人类生命支撑系统崩溃 的潜在危机，因而系统的发展是不持续的，最后针对存在的问题提出了相应得对 策。 c 基于能值理论和方法的农用地估价探讨1 2 8 1 ( 白榆，陆宏芳等，2 0 0 5 ) 该文利用能值理论中对应得能值货币价值公式： 能值货币价值= 输人经济系统的任何物质( 或能量) 的能值总量( 能值货币 第一章绪论 比率) 对农用地进行估价，从本质上揭示了农用地资源的真正价值，其价值的大 小由凝结在其本身的太阳能值所决定，并可实现各评价因子的统一定量评价。 d 黄河三角洲地区资源环境经济系统可持续性的能值分析1 2 9 l ( 段晓峰等， 2 0 0 6 ) 建立了2 0 0 3 年黄河三角洲主要资源类别的能值流动汇总表，并且将其系统 能值指标与一些国家和地区进行比较，同时分析了黄河三角洲2 0 年来环境经济 系统能值指数e s i ( e m e r g ys u s t a i n a b l ei n d i c e s ) 变化趋势，对该地区的可持续性 进行了详细的分析。 1 3 本文研究的主要方法和内容 目前，在国内对校园生态性评价方法的研究，就对已有文献的调查来看，主 要集中在定性的论述或制定评价指标体系对单个指标进行的数值解释，从总体上 对规划建设效果定量化的评价还没有。因此，本文应用基于系统生态学的能值分 析理论，对校园复合生态系统的各要素进行了能值的计算，通过建立校园复合系 统的输入输出关系，建立反映系统水平及效率的评价指标体系，来综合评价不同 模式下的校园建设的生态性和可持续性。本文的目的是以校园生态系统持续健康 发展为目标，为校园的生态评价提供理论支持；用能值分析评价指标综合评价校 园的生态性和持续性。 论文的研究框架见图1 1 ： 1 2 第一章绪论 生态校园建设的相 关理论 灵敏度理论及能值 分析方法的理论研 究 研究步骤 收集研究区 内的自然地 理、学生教 师情况、日 常水电油消 耗及设备的 运行情况等 基础数据 运用灵敏度 分析原理确 定校园主要 影响因素， 为校园系统 输入输出要 素的确定做 准备 据灵敏度分 析结果确定 输入输出要 素，绘制校 园能流图并 建立校园能 值分析表计 算生态流 根据分析结果，总结校园的生态 性特征，指明发展的方向 以天津工业大学新校区为主要 研究对象的实例研究 图i - i 论文的研究框架 1 3 确定能值分 析评价指标 体系，综合 评估校园的 生态性和可 持续性 第二章校园的生态系统特征 第二章校园的生态系统特征 2 1 校园生态系统特征分析 2 1 1 校园生态系统的定位 生态系统可大可小，通常是根据研究的目的和具体的对象而定。最大并且最 接近自我满足的生物系统通常称为生态圈，它包括地球上一切和自然环境相互作 用的有生命的生物而成为一个整体，它是在太阳的高能量输入与空间的散热器之 间的能流当中保持一个稳定状态的系统。小的生态系统包括一个池塘、一片草地， 甚至一个宇宙飞船。 校园也可以看作一个生态系统，按照生态系统的生物成分，校园属于人类生 态系统；按照生态系统结构和外界物质与能量的交换状况，校园属于开放系统， 能量和物质都可进入或输出；按照人类活动及其影响程度，校园属于半人工、甚 至人工生态系统；按照能量来源，校园属于部分或全部燃料供能的生态系统。 2 1 2 校园生态系统的特点分析 从校园生态系统的定位可以看出，校园是一个以人类为主要生物种群，物理 环境受人类活动影响极大的系统，因此它具有许多不同于一般意义上的自然生态 系统的特点。 图2 1 是奥德姆( o d u m ) 在1 9 8 9 年提出的一个较为全面、内涵丰富的生态 系统模型，它将有助于我们理解一个生态系统的基本成分、结构和过程。类似的 也可以画出校园生态系统的图解2 2 以协助理解。图中r 表示能源和物质的来源； a 、b 、c 、a n 等分别表示校园中需要消耗物质和能量的分系统及其子系统，其 中既包括绿地、湖泊等生态子系统，也包括水系统、建筑物等物理系统；p 表示 校园中的主体：人类；s 表示储存的能量；实线箭头表示能源和物质在系统中的 消耗转移过程；点划线箭头表示能源和物质的循环利用。 1 4 第二章校园的生态系统特征 生态系统界限 图2 - 1 生态系统图解 出 物) + 曛 s l u 7 图2 2 校园生态系统图解 通过上图对全球生态系统和校园生态系统的比较发现，校园生态系统与全球 生态系统极为相似，但是作为一个独立的环境单元具有以下特点： ( 1 ) 系统以人为主体 生态校园中人的密度极大，远远超过其它生物，物理环境主要受人的影响， 第二章校园的生态系统特征 通常情况下不会因为其它生物影响而改变，物理环境对人的影响相对较小。各个 物理分系统之间的联系不如自然生态系统中种群的联系紧密。 ( 2 ) 输出的是特殊产品 与其它生态系统相同之处在于：输入校园生态系统的是能源和物质。但是输 出该系统的主要产品一知识和人类智慧，是以能源和物质以外的形式体现的。因 此，校园的生产力不能用产品量和生物量的比率体现。知识作为特殊产品也显示 出了人类在校园这一生态系统中的重要作用，物质、能源必须以人类为桥梁才能 与知识相联系、相转化。 ( 3 ) 自控功能很强 生态系统的自调控机能由生物种群密度、生物种群之间的关系、生物和环境 的互适应三个方面实现。在校园生态系统中，具有突出作用的调控机制在于人类 对人口密度的控制和人类对环境的控制( 正是因为人类对物理环境和其它种群的 作用很大，人类自身也应该受到负反馈的作用) 。 ( 4 ) 校园的污染物负荷能力有限 校园中人口稠密，为了直接和间接满足人在学习、工作生活、休闲、审美等 各方面的需要，校园在运转中会产生大量的垃圾。传统学校力图在保证校内卫生 和景观不受损害的前提下，将污染物的处理和控制成本降到最低，废弃物通常被 简单地转移到校园以外，校园系统自身不承担废弃物的降解和减量工作。但是事 实证明，对废弃物的减量、降解、资源化，有时反而能够降低校园的运行成本， 并增强校园生态系统的自足、自维持能力。 ( 5 ) 校园生态系统高度人工化 校园生态系统的生命系统主体是人，而不是各种植物、动物和微生物。在校 园生态系统中消费者比生产者更多，作为生产者的绿色植物生存量远远小于以人 类为主的消费者的生存量。所以，校园类似于城市形成了植物生存量 动物生存 量 1 0 是经济不发达的象征，表明对资源的开发利用不 够；e s i 1 0 是经 济不发达的象征，表明对资源的开发利用不够；e s i i 时，为消费型经济系统， 此时，系统的进口资源及劳务能值在总能值使用量中所占比重较大，对本地不可 更新资源的利用也较大，环境负荷率较高。通过表4 - 4 可以看出，天津工业大学 新校区规划数据的e s i 值为3 3 7 ，在1 和1 0 之间，是具有很大发展潜力的校区， 而相比之下，老校区以及天津大学的系统活力低一些。 4 2 4 生态校园建设发展建议 ( 1 ) 天津工业大学可持续发展状况总结 天津工业大学( 老校区) 在可更新资源能值率、能值投资率、废弃物与总能 值的比率等多方面相对还不够理想，距离生态校园的要求差距较大，还有很多需 要改进的地方。 新校区规划数据中显示的本地可更新资源较老校区来说利用程度较大也比 较充分，但人均可更新资源能值用量天津大学比较占优势。新校区能值密度与 2 0 0 4 年国家的值相比略低，生态性状况还有很大提升的空间。从生态性可持续 发展的角度还需要更多的关注和努力。 工大新校区的规划方案相对于工大老校区来说具有一定的生态性，同时其自 身的建设需要扬长避短，吸取老校区现有的经验教训，使新校区的建设更具针对 性。 ( 2 ) 建设发展建议 ( i ) 提高可更新资源能值率和人均可更新资源能值量 如要实现该指标的增长，反映在新校区实际的规划与建设中，可以着重注意 如下几各方面： 。 a 必须保证必要的绿化面积，校园的绿化设计以植物造景为主，最大限度 地提高绿量，改善绿化功能，发挥绿化对创造优美的休息及观赏环境、提高自然 生态质量、净化空气的作用；尽量保持原有的生态系统，以乡土物种为主；进行 总体规划和长远考虑，对整个校园的乔、灌、草的立体布局通盘考虑，避免随意 性和单一性，不仅从审美角度考虑，更多的应该从生态学的角度考虑。这可以使 4 9 第四章能值理论案例应用及结果分析 可更新资源中的太阳能、雨水能等的整体利用率提高，使得整体的可更新资源能 值率提高。 b 根据校园所在地区条件，尽量保证一定的水域面积，同时注意水体水质 的保持，更多依靠水体的自净能力，保持水中生物的多样性，建设亲水形式的休 憩场所，这样做一方面可以增加可利用的可更新资源的用量，同时减少了一些污 染物质对可更新资源的占用和消耗。 ( i i ) 保持适宜的能值密度 应根据校园的功能分区，保持适宜的建筑容积率。建筑分区呈组群关系，建 筑组群之间应有大片的绿地、树林和景观设施。实现人、自然和建筑物的整体融 入，使校园的能值密度维持一个比较适宜的范围，对土地的利用充分而有效。 ( i i i ) 降低废弃物与可更新资源比率和废弃物与总能值比率 要实现这一目标就要多采用绿色建筑技术，如自然通风、自然采光、太阳能 利用、地热利用、再生水利用、绿色建材和智能控制等高新技术，达到可更新资 源耗费少，废弃物排放少的双重目的，实现资源的减量化、再使用和再循环。 a 水、气、固废、危废相关的生态技术。 提高用水效率，按高质高用、低质低用的原则，生活用水、景观用水和绿化 用水等按用水水质要求分别提供；采用节水系统、节水器具和设备，例如低水量 冲便器、感应出水龙头或缓闭冲洗阀等；采用节水的景观和绿化浇灌设计，尽量 利用河湖水、收集的雨水或再生水。 雨污水综合利用，采用雨水、污水分流系统，有利于污水处理和雨水的回收 再利用，合理采用雨水和再生水回用系统，合理规划地表与屋顶雨水径流途径， 最大程度降低地表经历，采用多种渗透措施增加雨水的渗透量。 及时清除、处理校园区垃圾。设置分类垃圾箱，将垃圾分为有机、无机类进 行回收处理，最大限度地降低垃圾对环境的污染，化废为宝、循环利用。 正确处理和处置实验室有毒废液、废气、危险品。 这些措施都促进了资源的有效利用，间接减少了废弃物的排放，可以达到废 弃物与可更新资源比率降低的目的。 b 节能与能源综合利用技术 照明的节能技术。设计采光性能最佳的建筑朝向，采用合适大小的窗户面积， 室内照明尽量利用自然光，如不具备自然采光条件，可利用光导纤维引导照明， 以充分利用阳光，减少白天对人工照明的依赖；校园内主要教学建筑内部可以安 置被动式红外线移动探测器和日照传感器，并由智能照明中央系统统一控制，当 教室有人使用时自动判断是否使用人工照明，代替人工开关，如果室内有足够的 自然光线，人工照明就会自动关闭，从而节约能源；采用高效、节能的光源、灯 第四章能值理论案例应用及结果分析 具和电器附件，例如荧光类高效节能灯、新型l e d 光源等。 室内温度调节的节能技术。优化建筑外围结构的热工性能，尤其对北方院校 尤为重要，可以采用复合墙体等新型墙体材料，提高隔热水平，采用单框双玻璃 密封窗，窗的材质选用具有良好强度和保温隔热性能的材料以达到节能的目的， 选用特殊保温性能好的玻璃，例如采用中空玻璃、真空玻璃、双层玻璃幕墙灯技 术，夏天能阻隔室外的热量，冬天又能阻止房间内的热量散出，可以减小室内外 的热量传递。 能源综合利用技术。充分利用校园所在地区的自然资源条件，开发利用可再 生能源，如太阳能、风能以及通过热泵等先进技术取得自然环境( 如地下水、土 壤等) 的能量。可再生能源的使用不应造成对环境和原生态系统的破坏以及对自 然资源的污染。可再生能源的应用可参考下表： 表4 - 5 可再生能源的利用 可再生能源 主要利用方式 太阳能 地热 风能 生物质能 其他 发电 供热 发电 供暖 发电 发电 转换热利用 地源热泵技术 浅层地下水热泵技术( 1 0 0 回灌) 浅层地下水直接供冷技术( 1 0 0 回灌) 能源的综合利用以及各种节能措施的综合利用使得各种不可更新资源的使 用量减少，节约了资源，为校园整体生态性发展奠定了技术基础。 天津工业大学已经在天津西南方向的西青区外环线西侧第三高教区内，征地 2 8 0 0 亩地，东西长约1 2 公里，南北长约1 6 公里，建设新校区。新校区的建设 为解决老校区现有的问题，提供了资金和空间的支持，特别是为生态校园硬件方 面的建设提供支持，新校园的规划和建设过程中应充分考虑以上这些建议，多注 第四章能值理论案例应用及结果分析 重绿地、水域景观的设计和节能、节水等绿色建筑技术，这样建设将会使天津工 业大学生态校园的建设上一个新台阶。 第五章结束语 5 1 本研究的主要成果 第五章结束语 ( 1 ) 灵敏度分析方法的应用及输入输出要素的确定。运用灵敏度分析原理 确定对生态校园建设影响比较大的关键要素，结合校园实际情况，分析确定了校 园的输入输出要素，为校园的能值分析评价做好了准备。 ( 2 ) 科技及知识人才能值的引入。根据前人已经得到的有关科技及人才能 值研究的成果，本文中加入了该类能值参与整体计算，并且这一部分的值占到了 校园生态系统的很大一部分。 ( 3 ) 校园能流图的绘制及特点。校园能流图具有与其它大区域类型的能值 分析不同的地方，校园的输入主要以外界的经济反馈为主，而利用本地资源的量 极少，所以反映在能流图上的从左到右的能值要素具有其自身的特点。 ( 4 ) 评价指标的确定。本论文结合已有的能值指标，结合校园的特点，总 结出了反映校园系统特点的一系列指标，这些指标具有自身的特点，对校园的运 行及建设作了很好的评价。 ( 5 ) 根据规划的结果，对新校区建设提出了相应的建议。天津工业大学( 新 校区) 的规划数据相对具有很好的生态建设潜力，主要到的问题进行修正，同时 分析老校区存在的不足，以此为鉴，充分利用好新校区新建的机遇，将可持续发 展的思想贯彻建设过程及今后发展的始终。 5 2 论文的不足和研究展望 本论文在地域上只是针对天津的三个校园进行了能值角度的可持续发展评 价。中国幅员辽阔，地区差异明显，各个地区的自然资源环境和人文社会经济环 境具有差异性，各区域内校园生态经济系统的具体运行情况必有差异，本研究只 能为其它地区校园可持续发展评估提供方法上的借鉴和参考。由于本人学识尚 浅，在构建研究区生态经济系统的能值分析思路和框架及指标解释中，还有很多 不足之处，如人均电力能值、能值功率密度它们的取值应该在一个什么样的范围 为最佳还没有定论，本文只是从对环境的压力角度认为这两个值越小越好；再比 如可持续发展的综合指标，许多新的更好的指标因为数据获取的原因以及研究透 第五章结束语 彻程度的影响而未能在本论文中应用。经过许多研究者的不断的研究，可持续发 展综合指标中许多新的更加合理的指标不断提出和完善，如： ( 1 ) 经济反馈能值依赖率( d f c ) ： 经济反馈能值依赖率( d f c ) = 经济反馈能值投入量能值投入总量 = ( e m f + e m r l ) e m u = ( e m f + e m r l ) ( e m r + e m n + e m r i + e m f ) 这一指标与原来的综合指标相比着重反映了外部资源的拉动力影响，如外资 的投资流入、科技成果的产生、人才的输出等。 ( 2 ) 系统可持续发展性能综合指标( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti n d e x ，s d i ) s d i 6 3 = e b e i e b = 经济产出经济投入 e l ：e l r + 夕f 塑l 智l4 e l r _ 旦坐 r + r l 式中，e l r ：环境负载率；f ：购人的不可更新资源投入；n ：免费的不可更 新资源投入；r - 免费的可更新资源投入；r ：购人的可更新资源投入。五表示 第i 种污染物对环境的污染等级，为系统运行前其周围环境中i 物质污染等级， 4 为该污染物污染等级总数。 该指标克服了原有指标不能够很好的反映污染物危害的缺点，对其作了修 正。 ( 3 ) 生态效率指数( u r b a ne c o e f f i c i e n c yi n d e x ，简称u e i ) u e i “】指数克服了e s i 和e i s d 指数的不足，可同时兼顾系统社会经济效益与 生态环境压力，全面反映城市生态系统的健康、活力及可持续发展。生态效率指 数为能值产出率、不可更新资源能值比和废弃物能值比的函数。生态效率指数越 高，意味着系统单位环境压力下的社会经能值比和废弃物能值比分别从资源利用 和废物