CN109272236B - 能值转换式的工业生态效率定量法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能值转换式的工业生态效率定量法。该方法为：将工业系统物质消耗量、工业系统废弃物排放量转化为可比较、可加减的能值单位，将物质消耗强度、废物排放强度之和的倒数表达为工业生态效率。以单位工业增加值的物质消耗量为物质消耗强度，以单位工业增加值的废弃物排放量为废物排放强度，通过工业系统单位环境影响和物质消耗的最小化、经济产出的最大化综合表达工业系统的发展质量和生态效率高低。本发明将工业生态效率分解为物质消耗强度、废物排放强度模块，通过能值换算，依据单位工业增加值的物质消耗量、单位工业增加值的废物排放量之和的倒数刻画工业生态效率的大小，提高工业生态效率的可比性、综合性、科学性。
Description
技术领域
本发明涉及产业经济质量转型和产业生态效率技术领域，尤其是能值转换式的工业生态效率定量法。
背景技术
生态效率的内涵。国际组织对生态效率的定义与阐释较为全面、宏观且较为抽象，如WBCSD(1993)把生态效率界定为“在提供具有价格优势的产品和服务，以满足人类基本需求、提升生活质量的同时，至少要把整个生命周期的环境影响和资源消耗强度逐渐降低至与地球承载力估算值相一致的水平”；具体包括降低资源消耗强度、降低能源消耗强度、减少有毒物质排放、加强物质回收、最大限度地使用可再生资源、延长产品使用寿命和提高服务强度7个方面。该定义立足点高、论述全面，故被广泛接受和引用。OECD(1993)从人类发展需求角度指出，“生态资源满足人类需求的效率”即生态效率。加拿大工业部(IC)(2002)从经济利益角度指出，生态效率是一种使成本最小化、价值最大化的方法。欧洲经济区(EEA)(1993)将更为广泛的福利、而不仅仅是经济价值纳入生态效率范畴中，认为生态效率实质上是用最少的自然投入获取更多的福利。联合国贸易与发展会议(UNCTD)(2003)指出，生态效率就是在增加(至少不减少)股东价值的同时减少对环境的破坏。与国际组织不同，国外学者对生态效率的解释侧重在方法或性质层面，如Schaltegger和Sturm(1990)认为生态效率就是经济增加值与环境影响的比值。Lehni(1998)认为生态效率就是要产多耗少，用最少的资源、创造更多的价值。Huppes和Ishikawa(2005)指出工业生态效率是经济活动与环境成本(或者说经济增加值与环境影响)之间的经验关系。McDonough和Braungart(1998)、以及
和Hauschild(2012)则认为生态效率是估测工业发展状况好坏的标度，是决策者发现问题、制定政策的依据。德国学者巴特姆斯(2010)认为生态效率是最有用的控制宏观经济目标的政策工具，它以增加资源生产力和减少环境影响强度为主要内容。国内学者对生态效率的解读基本沿袭了国际组织或国外学者的主要思想，但相对具体。例如，王金南和余德辉(2002)指出生态效率是一个技术和管理概念，它关注最大限度地提高能源和物料生产力，降低单位产品的资源消费和污染物排放。周国梅等(2003)将生态效率定义为生态资源满足人类需要的效率，可用产出和投入的比值来衡量。诸大建和朱远(2005)认为生态效率是经济社会发展的价值量和资源环境消耗的实物量之比，表示经济增长与环境压力间的分离关系。戴铁军和陆钟武(2005)认为生态效率即单位经济产出的原材料消耗量、能源消耗量和污染物排放量。此外，有学者指出eco-efficiency的前缀eco-，既是生态学ecology的词根，也是经济学economy的词根，故生态效率具有“生态效益和经济效益”的双重涵义。简言之，生态效率就是“影响最小化，价值最大化”；其中“影响”既指经济活动因消耗能源、矿物等造成的资源压力，也指经济活动因废物排放而造成的对自然环境的破坏；“价值”主要指有用经济价值，就性质而言，生态效率是一个管理层面的概念，是决策者发现问题、制定政策的依据，是一种经济效益与环境效益兼顾的可持续评价工具，是衡量产业生态化水平的重要标度。
现有生态效率定量方法缺陷。常用的生态效率定量测度方法有比值法、综合指数法、数据包络分析、物质流分析、能值分析、生态足迹法，以及近年兴起的生态成本指数和社会学方法等。①比值法是特定社会经济和生态环境指标的比值，主要有三类生态效率指标：环境生产力(environmental productivity)，即经济产出与环境投入之比，其值越高生态效率越高；环境强度(environmental intensity)，即环境投入与经济产出之比，其值越高生态效率越低；资源或能源效率(resource or energy efficiency)，即资源或能源输出与输入之比，其值越高生态效率越高。其中，“经济产出”是指企业、产业或经济体提供的产品与服务的价值，常用GDP、GNP、工业增加值、销售额等财务指标表示。“环境投入”是指企业、产业或经济体消耗资源或能源所造成的环境压力，以及废物排放所造成的环境破坏。②综合指数法通常以指标集的形式出现，反映生态效率的不同侧面。构建生态效率综合指数的难点在于环境影响指标的综合。由于各种类型的环境影响无法像经济指标那样直接相加，需对不同类型的环境影响赋予权重，但赋权方法尚未达成共识，且环境－经济系统关系复杂，二者内在联系难以获取，常规统计学方法将不同指标强拧在一起的做法并不合理。③数据包络模型(DEA)是由美国著名运筹学家Chames和Copper提出的，它是根据多指标投入和多指标产出对相同类型的决策单位进行相对有效性或效益评价的一种系统分析方法，以“相对效率”概念为基础。DEA方法将经济指标和环境指标分为输入和输出两类，本着输入最小化和输出最大化的原则，使用数学规划模型来求评价对象的相对生态效率。DEA模型的优点在于：摒弃了传统主观的赋权方法，采用统计学方法自动赋权，从而有效地减小环境指标赋权时的主观影响，使生态效率的计算结果更接近真实性。该模型被广泛应用，然而，传统DEA模型没有剔除外部环境和随机误差的影响，无法客观反映生产单元的决策和管理水平。DEA模型在消除量纲、降低赋权主观性方面具有独特优势，但DEA模型存在以下缺陷：需要大量的可靠数据和参考样本，当样本量少时，则不能反映系统的原有信息；若投入与产出变量之间存在较强相关性，则会出现决策单元有效性普遍接近于1的情况，缺乏区分度，从而影响评价结果的准确性；将温室气体排放、有毒物质排放等与其他产物一样视为正面产出，从而导致将不生态的内容识别为生态的。④物质流分析(MFA)是在一定时空范围内特定系统的物质流动和储存的系统性分析或评价，它将物质流动的来源(源)、路径、中间过程及最终去向(汇)联系在一起。MFA可以从区域或国家尺度研究人类活动对全球物质循环的影响，也可以从部门角度研究原料与能量在部门内或部门间的流动，还可以从产品视角分析原料和能量在产品整个生命周期的流动。物质流分析客观地反映了社会、经济系统的代谢规模一一吞吐量，既体现了经济活动创造的物质财富，又体现了经济活动对生态环境造成的压力，但运用MFA进行资源流的宏观分析时，经济系统中一些大的资源流经常主宰着以质量为基础的物质流指标，从而冲淡了其他资源流对指标的贡献，分析最后得到的指标值并不能十分准确、清晰地描述经济系统的资源流动状况；MFA只考虑资源的质量，忽略了资源流可能带来的环境影响，弱化了资源流指标与资源流动带来的环境影响之间的联系；MFA采用质量加和的方法，并不能充分反映经济价值流动。⑤能值方法，上世纪80年代后期，系统生态学之父H.T.Odum提出了能值理论。所谓能值，是指某种流动或贮藏能量中所包含的另一种能量的数量，由于大多数能量始于太阳能，故常用“太阳能值”来衡量。任何资源、产品或劳务形成所需的直接或间接太阳能之量，就是其所具有的太阳能值(Solar Emergy)，单位太阳能焦耳(solar emjoules,缩写sej)。能值方法为自然与人文要素的有效结合、统一度量提供了新思路，为系统生态学与生态经济学之间建起桥梁。正如比值法谈及的那样，用LCC法、CBA法或直接用GDP等财务指标计算“经济产出”都存在局限性。⑥生态足迹法(EFA)是由加拿大教授Reest等于1992年提出的。生态足迹是一种计算工具，是用具有一定生态生产性的生产力土地来估算特定人口或经济体的资源消费与废弃物吸收。在生态足迹计算中，各种资源和能源消费量被折算为耕地、牧草地、林地、建城地、海洋(水域)和化石能源地等六类基本的生态生产性面积，通过生态生产力面积判断一个国家或地区人类消费活动是否处于当地生态系统的承载力范围内，并以此衡量区域经济发展的可持续状况。生态足迹概念模型提供了一种测量和比较人类社会经济对自然生态系统需求和自然生态系统承载力之间差距的生物物理测量方法，它可以从侧面反映区域的经济－环境协程度。但生态足迹法侧重生态因素，经济价值的计算与评估不是生态足迹方法的核心，而且其结果表现形式与生态效率概念差异较大，更无法体现生态效率的内在细节。⑦为克服DEA模型的缺陷，Tone提出了SBM模型。SBM模型将投入和产出的松弛量直接放入目标函数中，从而解决了传统DEA模型中投入和产出松弛性的问题，剔除松弛造成的非效率因素；也解决了非期望产出存在情况下的生产率评价问题。同时SBM模型具有无量纲性和非角度的特点，能够避免量纲不同和角度选择差异带来的偏差和影响，比起其他模型更能体现生产率评价的本质。⑧生态成本/价值指数(EVR)是基于产品或服务的环境影响预防成本提出的，即要使产品在其生命周期中不影响社会实现可持续发展，需要多少成本来预防污染的产生和资源过量消耗，该成本称为生态成本，产品或服务的生态成本与实际市场价格之比即生态成本价值指数，其值越大，该产品的生态效率越低，但该方法采用的是研究期限内的市场价格，并没有考虑市场价格的变动，故在某些情况下无法反映真实价值。总体而言，比值法、综合指数法、数据包络分析、物质流分析、能值分析、生态足迹法、生态成本/价值指数各有优劣。
工业生态效率研究。提高工业生态效率符合区域、国家及全球长期可持续发展战略的需求，正如Hinterberger等(2010)所指的那样，提高区域竞争力的核心是提高区域生态效率，而区域生态效率的重心是工业生态效率。然而区域工业生态效率研究目前尚处于探索阶段。国外工业生态效率研究的典型代表Farla和Blok(2000)对1980-1995荷兰的能源效率、物质减量化和经济结构转变进行评估，结果表明能源效率得到较大的提高，大部分产业部门的物质生产与价值增加发生了脱钩。Bringezu等(2004)研究了欧盟15国物质资源的使用和经济增长之间的关系。Caneghem等(2010)对欧洲佛兰德工业的生态效率分析发现，该地区工业生态效率不断提高，但工业仍然是主要污染源之一；且环境污染与经济发展处于相对脱钩的状态。Camarero等(2013)对OECD国家经济活动的生态效率进行评价，发现生态效率存在收敛的趋势。国内学者Zhang等(2008)，Yang等(2012)对中国不同省份的工业生态效率的空间差异分析发现我国的生态效率不断提高，环境影响与经济增长之间已经出现脱钩状态，且沿海地区的工业生态效率高于内地。我国不同工业部门的能源消耗强度和污染物排放强度差异很大，从而导致不同部门的生态效率相差甚远，因此优化工业结构可大幅度提高整体生态效率。从工业行业类型看，学者们对制造业生态效率最为重视，虽然制造业一直在追求生态效率，但经济增长和消费需求增长带来的负面效应已经超越绿色制造所创造的成果，因此需要政府和国际组织就产品使用等方面制定相关政策。Egilmez等(2013)对美国制造业生态效率的研究表明：接近90％的制造部门效率较低、有待提高，生态效率对能源使用最为敏感，因此需提高工业生态过程中的能源利用效率、增加可再生能源使用比率。此外，钢铁、铝材、水泥、石油化工、造纸、食品与饮料加工、纺织等工业行业是学者们的研究重点。
通过以上文献综述可看出，生态效率定量方法目前应用较多的是DEA模型、综合指数法、物质流计算法(MFA)和比值法。然而，DEA模型计算的是相对效率，综合指数法需要确定不同指标的权重，物质流计算法所需数据难以获取，故急需发展一种克服上述弊端的优良算法。能值理论为生态效率的定量评估提供了新思路，但目前将能值方法应用于工业系统，开展工业生态效率定量评价的研究较少，工业生态效率的定量方法需要创新。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种能值转换式的工业生态效率定量法，包括如下步骤：
(1)工业系统物质消耗量(M)估算
工业系统物质消耗量计算步骤为：确定工业系统的物质消耗种类，从统计资料获得分类物质的消耗量，利用能值转换率将各分类物质消耗量转换为能值单位，然后加和得到工业系统物质消耗总量，具体可通过以下三个步骤实现：
第一步，搜集整理工业系统物质消耗原始数据；依据投入产出表，以采矿业、制造业以及电力、燃气及水生产和供应业为重点核算部门；以能源、矿产、农林畜牧产品为重点核算项目；这些物质消耗项目多以质量或体积单位度量；
第二步，利用能值转换率将各物质原始数据转换为能值单位，计算式为：
Mi＝βiτi (1)
式(1)中，i表示物质消耗种类，Mi表示第i种消耗物质的能值量(sej)，βi表示第i种消耗物质的统计量(g或ml等)，τi表示第i种消耗物质的能值转换率；
第三步，求工业系统物质消耗总量M，计算式为：
(2)工业系统废物排放量(W)估算
工业废气排放量：工业废气进入自然环境后，需要生态系统提供一定水平的生态服务才能抵消工业废气的负面影响，这些生态服务可以转换为相应的能值，据此工业废气中的i物质可转换为相应的能值单位，计算式为：
式(3)中，Wgi表示工业废气中i物质排放所对应的能值(sej)；mi表示要使i物质浓度保持在人类可接受范围内所必需的空气质量(kg)，mi＝d×gi/ci-g0；v表示空气流动速度，取1.40m/s；f表示能量转化为能值的系数(sej/J)，取2450sej/J；d表示空气密度，取1.29kg/m3；gi表示工业废气排放中i物质的质量(kg)；g0表示工业废气的排放总量(kg)；ci为i物质的可接受浓度(参见表1)；
表1各项环境指标转换为能值的原理及参数
根据能值代数法则，工业废气排放量Wg为各分项的最大值，即：
Wg＝max{Wg1,Wg2} (4)
工业废水排放量：工业废水转换为能值单位的计算式为：
Wwj＝mj×f'＝(d'×wj/cj-w0)×f' (5)
式(5)中，Wwj为工业废水中j物质排放所对应的能值(sej)；mj表示要使j物质浓度保持在人类可接受范围内所需水的质量(kg)，mj＝d′×wj/cj-w0；f’为全球河流水循环系统中单位质量水资源所包含的能值，是转化为能值的转化系数(sej/kg)，取4.0×108sej/kg；d’为水的密度，取1000kg/m3；wj是工业废水排放中j物质的质量(kg)；w0是工业废水的排放总量(kg)；cj为j物质的可接受浓度；
工业废水排放对应能值的计算式为：
Ww＝max{Ww1,Ww2,…,Ww9} (6)
固体废物排放量：工业活动排放的固体废物将占用一定面积的土地，从而导致这些土地所包含的有机质无法得到利用，这些有机质所包含的能值被视作固体废物排放导致的能值损失，由此，固体废物排入所对应的能值量为：
Ws＝s/k×d”×3％×ρ×η' (7)
式(7)中，Ws为固体废物排放量所对应的能值(sej)；s为固体废物排放质量(kg)；k为固体废弃物折算成相应面积单位的系数，本发明取2.85×107kg/ha；d″为土地密度，取1600kg/m3；3％为土地中有机质平均含量；ρ为有机质包含的能量，取2.093×107J/kg；η′为有机质的能值转换系数，取74000sej/kg；
工业废物排放总量：由于工业废气排放、工业废水排放、固体废物排放分别作用于生态系统的水圈、大气圈、土壤圈这些不同的地球圈层，因此工业废物排放所对应的能值是工业废气、废水和固体废物三者之和，即：
W＝Wg+Ww+Ws (8)
(3)工业系统物质消耗强度(MI)的计算
以工业系统物质消耗量(M)与工业增加值(V)比值为物质消耗强度，即：
MI＝M/V为单位工业增加值的物质消耗量，即物质消耗强度(sej/元)；
(4)工业系统废物排放强度(WI)的计算
以工业系统废物排放量(M)与工业增加值(V)比值为废物排放强度，即：
WI＝W/V为单位工业增加值的废物排放量，即废物排放强度(sej/元)；
(5)工业生态效率的定量测度
根据工业生态效率定量测度框架，工业生态效率是工业系统单位环境影响的经济产出，即物质消耗强度与废物排放强度之和的倒数，工业生态效率E为：
式(9)中，E表示工业生态效率(万元/sej)；V表示工业增加值(万元)；M是以能值单位度量的工业系统物质消耗量(sej)；W表示工业系统废弃物排放量(sej)；MI＝M/V为单位工业增加值的物质消耗量，即物质消耗强度(sej/元)；WI＝W/V为单位工业增加值的废弃物排放量，即废物排放强度(sej/元)。
本发明的有益效果是：第一，用系统思维看待工业经济活动，强调工业系统的输入、过程、输出端，综合性、系统性、过程化地考虑了工业系统的物质消耗状况和废物排放状况。
第二，基于能值理论计算工业系统废物排放强度，既强调了“工业废弃物对环境影响的本质特性”，又突出了“相同单位不同物质对环境的影响差异”；用能值代表工业系统物质消耗量和废物排放量，涵盖了生态系统服务价值、清洁生产、物质减量等更为广泛的过程与结构效率内容，是对传统生态效率内涵的深度扩展。
第三，本发明利用工业系统物质消耗能值、工业系统废物排放能值，通过单位工业增加值的物质消耗量、单位工业增加值的废物排放量，将刻画工业生态效率的经济产出和环境影响两个核心内涵融为一体，既客观反映了工业生态效率的内在属性，又克服了现有评估方法指标赋权主观性强、衡量指标不全的弊端。
附图说明
图1为工业生态效率定量测度框架；
图2为我国工业生态效率变化趋势。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
工业生态效率定量测度框架：
所有工业经济活动是一个相互联系的系统，资源、能源等物质输入作为工业系统的前端，经加工和处置形成对人类有经济价值的产品，工业系统的末端同时输出废弃物。工业生态效率就是工业经济增加值与环境影响的比值，而环境影响的测度往往较为复杂、较为困难，过去通常选择若干指标、采用加权求和、形成一个综合指数的办法，用以刻画环境影响的高低，但这种将若干指标加权求和的方法并不能客观表达工业系统对环境的总体影响。为避免这一缺陷，本发明依据能值理论，将工业系统的物质消耗量、工业系统的废物排放量转换为可以测度、可以加和、可以比较的能值单位，其中，物质消耗量可折射工业系统的物质减量化水平，废物排放可反映工业系统的清洁生产和物质循环利用水平，利用单位环境影响(物质消耗量能值单位与废物排放量能值单位之和)的经济产出(工业增加值)来诠释工业生态效率(图1)。当工业经济产出越大(增加值越高)、环境影响越小(能值越低)时，工业生态效率越高；反之，工业生态效率越低。
一种能值转换式的工业生态效率定量法，包括如下步骤：
(1)工业系统物质消耗量(M)估算
工业系统物质消耗量计算步骤为：确定工业系统的物质消耗种类，从统计资料获得分类物质的消耗量，利用能值转换率将各分类物质消耗量转换为能值单位，然后加和得到工业系统物质消耗总量，具体可通过以下三个步骤实现：
第一步，搜集整理工业系统物质消耗原始数据；依据投入产出表，以采矿业、制造业以及电力、燃气及水生产和供应业为重点核算部门；以能源、矿产、农林畜牧产品为重点核算项目；这些物质消耗项目多以质量或体积单位度量；
第二步，利用能值转换率将各物质原始数据转换为能值单位，计算式为：
Mi＝βiτi (1)
式(1)中，i表示物质消耗种类，Mi表示第i种消耗物质的能值量(sej)，βi表示第i种消耗物质的统计量(g或ml等)，τi表示第i种消耗物质的能值转换率；
第三步，求工业系统物质消耗总量M，计算式为：
(2)工业系统废物排放量(W)估算
工业废气排放量：工业废气进入自然环境后，需要生态系统提供一定水平的生态服务才能抵消工业废气的负面影响，这些生态服务可以转换为相应的能值，据此工业废气中的i物质可转换为相应的能值单位，计算式为：
式(3)中，Wgi表示工业废气中i物质排放所对应的能值(sej)；mi表示要使i物质浓度保持在人类可接受范围内所必需的空气质量(kg)，mi＝d×gi/ci-g0；v表示空气流动速度，取1.40m/s；f表示能量转化为能值的系数(sej/J)，取2450sej/J；d表示空气密度，取1.29kg/m3；gi表示工业废气排放中i物质的质量(kg)；g0表示工业废气的排放总量(kg)；ci为i物质的可接受浓度(参见表1)；
表1各项环境指标转换为能值的原理及参数
根据能值代数法则，工业废气排放量Wg为各分项的最大值，即：
Wg＝max{Wg1,Wg2} (4)
工业废水排放量：工业废水转换为能值单位的计算式为：
Wwj＝mj×f'＝(d'×wj/cj-w0)×f' (5)
式(5)中，Wwj为工业废水中j物质排放所对应的能值(sej)；mj表示要使j物质浓度保持在人类可接受范围内所需水的质量(kg)，mj＝d′×wj/cj-w0；f’为全球河流水循环系统中单位质量水资源所包含的能值，是转化为能值的转化系数(sej/kg)，取4.0×108sej/kg；d’为水的密度，取1000kg/m3；wj是工业废水排放中j物质的质量(kg)；w0是工业废水的排放总量(kg)；cj为j物质的可接受浓度；
工业废水排放对应能值的计算式为：
Ww＝max{Ww1,Ww2,…,Ww9} (6)
固体废物排放量：工业活动排放的固体废物将占用一定面积的土地，从而导致这些土地所包含的有机质无法得到利用，这些有机质所包含的能值被视作固体废物排放导致的能值损失，由此，固体废物排入所对应的能值量为：
Ws＝s/k×d”×3％×ρ×η' (7)
式(7)中，Ws为固体废物排放量所对应的能值(sej)；s为固体废物排放质量(kg)；k为固体废弃物折算成相应面积单位的系数，本发明取2.85×107kg/ha；d″为土地密度，取1600kg/m3；3％为土地中有机质平均含量；ρ为有机质包含的能量，取2.093×107J/kg；η′为有机质的能值转换系数，取74000sej/kg；
工业废物排放总量：由于工业废气排放、工业废水排放、固体废物排放分别作用于生态系统的水圈、大气圈、土壤圈这些不同的地球圈层，因此工业废物排放所对应的能值是工业废气、废水和固体废物三者之和，即：
W＝Wg+Ww+Ws (8)
(3)工业系统物质消耗强度(MI)的计算
以工业系统物质消耗量(M)与工业增加值(V)比值为物质消耗强度，即：
MI＝M/V为单位工业增加值的物质消耗量，即物质消耗强度(sej/元)；
(4)工业系统废物排放强度(WI)的计算
以工业系统废物排放量(M)与工业增加值(V)比值为废物排放强度，即：
WI＝W/V为单位工业增加值的废物排放量，即废物排放强度(sej/元)；
(5)工业生态效率的定量测度
根据工业生态效率定量测度框架，工业生态效率是工业系统单位环境影响的经济产出，即物质消耗强度与废物排放强度之和的倒数，工业生态效率E为：
式(9)中，E表示工业生态效率(万元/sej)；V表示工业增加值(万元)；M是以能值单位度量的工业系统物质消耗量(sej)；W表示工业系统废弃物排放量(sej)；MI＝M/V为单位工业增加值的物质消耗量，即物质消耗强度(sej/元)；WI＝W/V为单位工业增加值的废弃物排放量，即废物排放强度(sej/元)。
图2为我国工业生态效率变化趋势。总体上，1995-2012年期间我国工业生态效率呈上升态势，物质消耗强度和废物排放强度呈下降态势。图2所示，2012年我国工业生态效率(E)约为1189元/Psej1，较1995年翻了近两翻，年均增长13％；物质消耗强度(MI)约0.81Tsej/元，约为1995年的40％，年均下降3％；废物排放强度(WI)约0.03Tsej/元，约为1995年的35％，年均下降5％。明显地，工业生态效率上升、物质消耗强度和废物排放强度下降均呈现非线性变化过程(图2)，1995-1997年物质消耗强度(MI)下降速度总体快于1998-2012年期间；1995-2001年期间废物排放强度(WI)下降速度总体快于2002-2012年期间。
此外，物质排放强度在1998和2007年前后发生了轻微波动、废物排放强度在1998年发生了轻微波动，这些波动直接导致工业生态效率的非线性增长。图2可见，1998和2007年我国工业生态效率(E)的增长率发生较大波动。除这两个特殊年份以外，1995-2002年期间我国工业生态效率的上升速率总体快于2002-2012年期间。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种能值转换式的工业生态效率定量法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)工业系统物质消耗总量M估算
工业系统物质消耗总量计算步骤为：确定工业系统的物质消耗种类，从统计资料获得分类物质的消耗量，利用能值转换率将各分类物质消耗量转换为能值单位，然后加和得到工业系统物质消耗总量，具体可通过以下三个步骤实现：
第一步，搜集整理工业系统物质消耗原始数据；依据投入产出表，以采矿业、制造业以及电力、燃气及水生产和供应业为重点核算部门；以能源、矿产、农林畜牧产品为重点核算项目；所述物质消耗的项目以质量或体积为单位度量；
第二步，利用能值转换率将各物质消耗原始数据转换为能值单位，计算式为：
Mi＝βiτi (1)
式(1)中，i表示物质消耗种类；Mi表示第i种消耗物质的能值量，单位为sej；βi表示第i种消耗物质的统计量，单位为g或ml；τi表示第i种消耗物质的能值转换率；
第三步，求工业系统物质消耗总量M，计算式为：
(2)工业系统废物排放总量W估算
工业废气排放量：工业废气进入自然环境后，需要生态系统提供一定水平的生态服务才能抵消工业废气的负面影响，所述生态服务可以转换为相应的能值，据此工业废气中的i物质可转换为相应的能值单位，计算式为：
式(3)中，Wgi表示工业废气中i物质排放所对应的能值，单位为sej；mi表示要使i物质浓度保持在人类可接受范围内所必需的空气质量，mi＝d×gi/ci-g0，单位为kg；v风表示空气流动速度，取1.40m/s；f表示能量转化为能值的系数，取2450sej/J；d表示空气密度，取1.29kg/m3；gi表示工业废气排放中i物质的质量，单位为kg；g0表示工业废气的排放总量，单位为kg；ci为i物质的可接受浓度；
根据能值代数法则，工业废气排放量Wg为各分项的最大值，即：
Wg＝max{Wg1，Wg2} (4)
工业废水排放量：工业废水转换为能值单位的计算式为：
Wwj＝mj×f'＝(d′×wj/cj-w0)×f' (5)
式(5)中，Wwj为工业废水中j物质排放所对应的能值，单位为sej；mj表示要使j物质浓度保持在人类可接受范围内所需水的质量，mj＝d′×wj/cj-w0，单位为kg；f’为全球河流水循环系统中单位质量水资源所包含的能值，是转化为能值的转化系数，取4.0×108sej/kg；d’为水的密度，取1000kg/m3；wj是工业废水排放中j物质的质量，单位为kg；w0是工业废水的排放总量，单位为kg；cj为j物质的可接受浓度；
工业废水排放对应能值的计算式为：
Ww＝max{Ww1,Ww2,...,Ww9} (6)
固体废物排放量：工业活动排放的固体废物将占用一定面积的土地，从而导致这些土地所包含的有机质无法得到利用，所述有机质所包含的能值被视作固体废物排放导致的能值损失，由此，固体废物排放所对应的能值量为：
Ws＝s/k×d′×3％×ρ×η′ (7)
式(7)中，Ws为固体废物排放量所对应的能值，单位为sej；s为固体废物排放质量，单位为kg；k为固体废弃物折算成相应面积单位的系数，取2.85×107kg/ha；d″为土地密度，取1600kg/m3；3％为土地中有机质平均含量；ρ为有机质包含的能量，取2.093×107J/kg；η′为有机质的能值转换系数，取74000sej/kg；
工业系统废物排放总量：由于工业废气排放、工业废水排放、固体废物排放分别作用于生态系统的水圈、大气圈、土壤圈这些不同的地球圈层，因此工业废物排放总量所对应的能值是工业废气、工业废水和固体废物三者排放量之和，即：
W＝Wg+Ww+Ws (8)
(3)工业系统的物质消耗强度MI的计算
工业系统的物质消耗强度是指单位工业增加值的物质消耗量，等于工业系统物质消耗总量M与工业增加值V的比值，单位为sej/元；
(4)工业系统废物排放强度WI的计算
工业系统的废物排放强度是指单位工业增加值的废物排放量，等于工业系统废物排放总量W与工业增加值V的比值，单位为sej/元；
(5)工业生态效率的定量测度
根据工业生态效率定量测度框架，工业生态效率是工业系统单位环境影响的经济产出，等于物质消耗强度与废物排放强度之和的倒数，公式如下：
式(9)中，E表示工业生态效率，单位为万元/sej；V表示工业增加值，单位为万元；M表示工业系统物质消耗总量，单位为sej；W表示工业系统废物排放总量，单位为sej；MI＝M/V为物质消耗强度，单位为sej/元；WI＝W/V为废物排放强度，单位为sej/元。
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