基于能值理论的洱海流域可持续性评估

钟绍卓

摘要：随着人口增多和经济发展，洱海流域生态环境问题日渐凸显。运用能值理论评估洱海流域的可持续发展水平，可以从整体上了解洱海流域自然生态系统和社会经济系统的状态和关系，识别影响流域可持续发展的关键因素。研究发现，由于水泥行业和农用化肥等对环境带来的巨大压力，洱海流域的发展模式并不利于长期的可持续发展。优化产业结构、发展循环经济、促进绿色农业、提升用水效率和可更新能源利用率等措施可帮助改善洱海流域现状。

关键词：洱海流域 可持续发展 能值理论 水资源 政策建议

一  背景

洱海是中国第七大淡水湖泊，也是云南省第二大高原湖泊。它为流域内居民的生产生活提供着多种多样的支撑，如供水、发电、旅游和气候调节等等，被当地人亲切的称作“母亲湖”。然而，随着人口的增多和经济的发展，洱海流域环境污染和生态破坏问题日益凸显，成为制约社会经济发展的关键因素。虽然当地政府已着手开展了一系列控制措施（例如洱海博湖治理“六大工程”、洱海II类水质目标三年行动计划“2333”工程等），加大了洱海保护治理的力度和决心，但洱海流域生态环境质量的改善和保护仍然任重道远。尤其是在生态文明建设的背景下，正确认知洱海流域可持续发展的现状，识别影响可持续发展的关键因素，协调经济发展与生态环境保护的关系显得尤为重要。

当下对洱海流域的研究多集中在环境污染治理方面，如农业面源控制、湖泊底泥污染研究和环境风险评估等。只有少部分研究从整体上探索了洱海流域内人类与环境的相互关系，例如李新等运用动态模型和层次分析法核算了洱海流域环境承载力。但几乎没有研究关注洱海流域的生态效率和自然资源价值对经济社会的贡献。就区域可持续发展的相关研究而言，绝大多数立足于单一视角，如平衡经济与环境的土地利用模式、政策影响或河流健康，对社会经济的整体性和水资源这一流域内关键自然资源的研究尚不足够。这可能导致研究结果的片面性。因此，急需借助一种系统性的方法认知流域发展的全貌。

能值理论作为一种生态学方法，能有效衡量自然资源对经济社会的贡献，搭建自然生态系统和人类社会经济系统之间的桥梁。目前，能值理论已被广泛应用于评估以人类为主体的复合生态系统的可持续性水平，例如森林、草原和农牧交错地带等。有部分研究已将能值理论运用于流域分析，例如流域的可持续性评估、土地变化对生态系统服务的影响、水资源能值转换率计算和水体服务恢复成本计算等。其中，Dang和Liu运用能值理论分析了中国Yangou流域1998-2005年间的可持续水平和承载力。但是Yangou流域以农业为主，相同的研究框架无法很好的贴合洱海流域这样一个兼顾农业、工业和服务业的复合大系统。与此同时，对于水资源这一流域生态系统的重要自然资源，鲜少有能值研究将水资源的贡献纳入系统可持续研究的考虑。

在此背景下，本文为了更全面的了解洱海流域的发展状况，选用能值理论分析洱海流域整体的可持续水平，进而识别影响其可持续发展的关键因素，为流域的可持续管理提供政策建议。

二  方法

（一）案例区介绍

洱海流域位于中国云南省大理白族自治州，属澜沧江-湄公河水系。流域面积为2565平方千米，平均海拔1796 米，涵盖了大理市的10个乡镇（下关镇、大理镇、银桥镇、湾桥镇、喜洲镇、上关镇、双廊镇、挖色镇、海东镇、凤仪镇）和洱源县的6个乡镇（茈碧湖镇、邓川镇、右所镇、三营镇、凤羽镇、牛街乡）。洱海湖面面积为250平方千米，平均水深和最大水深分别为10.8 米和21.3 米。当洱海运行水位1965 米时，湖容量27.1亿平方米。洱海大小河溪共117条，其中以北部永安江、弥苴河、罗时江，西部苍山十八溪，南部波罗江为主，占入湖水量的80%左右。洱海天然唯一的出湖河流为西洱河，位于洱海南部偏西。

苍山洱海是国家自然保护区和国家级风景名胜区。洱海是大理市主要饮用水源地，具有景观旅游、农业灌溉、城市用水和气候调节等多种功能，是大理市乃至整个流域社会经济可持续发展的基础，享有“高原明珠”的美誉。

洱海流域属低纬度高原季风气候，寒暑适中，气候温和，气温年较差小，日较差大；日照充足；雨热同季，干湿季分明。流域多年平均气温15.1℃，日照时数2227.4小时，降雨量1054.9 毫米。大理市属多风区，风能资源丰富，下关镇素有“风城”之称。洱源县地处滇西高温热水区，地热资源得天独厚，是闻名遐迩的“温泉之乡”。

洱海全湖在2015年的平均水质为Ⅲ类，富营养化综合指数为40.6，处于中营养水平。水质监测断面数据显示洱海主要入湖河流断面水质多为Ⅳ类或Ⅴ类，永安江江尾东桥断面水质甚至为劣Ⅴ类。洱海水生植物种类数与生物量也急剧减少，近年仅维持在8%左右的水生植被覆盖度。目前，洱海流域植被覆盖度降为50.36%，森林覆盖度为37.0%，且林分结构简单，中幼林多、成林少，森林生态系统功能大大减弱。流域污染日渐严重，主要来源于工业、城镇生活、农村生活、养殖业、农业面源、服务业、水土流失、干湿沉降等。

（二）方法介绍

能值理论是由美国著名生态学家Odum, H.T.于20世纪80年代提出的用以衡量自然资源对经济社会真实贡献的一种理论体系。能值定义为“一种产品和服务在生产过程中直接和间接耗用的所有的某种有效能的数量”。它认为任何能量均始于太阳能，通过能值转化率可将不同的环境资源、商品、服务和信息等转换为统一度量的能值，并以太阳能焦耳（sej）作为单位，极大方便了不同类别能量间的比较分析，也便于判断各能量对同一系统的贡献程度。公式（2.1）给出了能值的计算方法：

                        （2.1）

其中， 是物质i包含的能值量（sej）； 是物质i的数量值（g或J）； 是物质i的能值转换率（sej/g或sej/J）。

其中，能值转换率（UEV，Unit Emergy Value）是能值方法中的关键参数。它指单位能量或物质所含能值，单位为sej/J或sej/g。UEV表征着系统中各能流的能量等级，UEV越高，该能流的能质越高，需求的能量越多，在系统中其等级阶层相对较高，数量相对较少，功能作用性相对更为重要。

另一重要参数是能值基准（GEB，Geobiosphere Emergy Baseline）。能值理论认为地球生物圈归根结底受3种可用能驱动，即太阳能、地热能和潮汐能，3者之和便是GEB。Odum于1996年给出了GEB的值为9.44E+24 seJ/yr。随后，Odum及其学生对GEB进行了多次的更新和优化。截至目前，Odum教授的学生Brown教授及其团队于2016年更新的GEB（12.0E+24 seJ/yr）是目前最新的认可度较高的版本。GEB是能值计算的基础，基于不同GEB计算的能值结果，只有通过系数转换方能进行比较。例如，若研究A采用的GEB为9.44E+24 seJ/yr，研究B采用的GEB为12.0E+24 seJ/yr，则研究A的能值结果需乘以1.27（=12.0/9.44）方能和研究B的能值结果进行比较分析。

系统的能值分析可包含如下步骤：

①资料收集：通过统计年鉴、官方文件、现场调研、文献析出等方式收集整理研究对象所需的自然地理和经济社会的数据资料。

②能量系统图绘制：确定研究对象边界、输入和输出条目后，根据“能量系统语言”绘制能量系统图。边界外，从左下顺时针到右下各能流的能质等级逐渐升高；边界内为系统各主体的运作交互过程。

③能值分析表制作：列出研究对象的输入和输出条目，包括可更新资源、不可更新资源、劳动、服务等；确定各条目的原始量和对应的UEV；计算各条目的能值，从而分析整个系统的运作情况；也可进一步计算各条目的能值-货币价值，加入经济社会的分析视角。

④能值综合指标体系构建：基于前述的计算和分析，建立能值综合指标体系，以分析系统的现状，评估自然系统与社会经济的相互作用关系。

本研究根据洱海流域经济结构和湖体功能将洱海流域大系统分为5个子系统，包括洱海子系统、渔业子系统、农业子系统、工业子系统和居民子系统（见图1）。各子系统互为供需关系，关联密切，共同维持着整个流域系统的运作和发展。例如，洱海子系统为其他子系统提供着水资源；农业子系统为当地生产生活提供着基础物资，同时农业子系统产生的污染物经由自然生态系统或人工建的污水处理厂/垃圾填埋场等进行处理处置；工业子系统生产所需的原材料来自自然生态系统和农业生态系统，也有部分来自系统边界外部，生产的产品除供给本地消费外，大部分流通到边界外的市场。

研究所需数据主要来自流域所在地州、市、县的官方年鉴和公报，包括《大理统计年鉴》（州）、《大理市统计年鉴》、《洱源县国民经济和社会发展统计年鉴》和《大理州水资源公报》。此外，洱海水资源开发利用及保护管理的相关资料来自实地走访，调研的主要单位有大理州洱海流域局、大理市洱海管理局、洱源县洱海管理局等。因数据可获取的难度，本研究在对洱海流域进行能值分析时，简化了系统的输入流和输出流，只考虑了数量大或关键性的输入输出。

本研究选用的能值基准为12.0E+24 seJ/yr。本研究运用到的主要能值指标如表1所示。

图1  洱海流域能量系统图

表1  能值指标体系

三  结果

（一）洱海流域能值分析

洱海流域2014年能值分析表如表2所示。根据能值理论，为避免重复计算，取可更新资源流中的最大值为可更新资源R的值。本研究可更新资源流有4种：太阳能、雨水、风能和地热能。比较大小后取雨水能值，即雨水化学能和雨水势能之和为最终的R值（2.2E+22 sej）。流域不可更新资源N（2.99E+21 sej）包括表层土壤侵蚀和石灰岩两种。前者源于流域种植业活动造成的耕地表层土壤流失，在N中占比极小；后者服务于流域的水泥行业，是N的主要贡献者。流域购入资源IMP（1.05E+22 sej）包括当地生产生活所需能源、渔业所需原料设备、种植业的化肥农药和机械、工业加工所需原料以及这些购入资源伴随的服务。其中，服务占到了IMP的59.19%，是主要的贡献者，随后依次为燃料、电力和钢铁。这说明当地的发展模式多依靠于从系统外部购入高价格和高能值的制造资源。

综上，洱海流域2014年总的能值U为1.37E+22 sej。

表2  2014年洱海流域能值核算

（二）能值指标分析

一个系统的可更新资源占比（%REN）是系统可持续发展程度的表征。可以发现，所有区域的%REN均较小，而外部购入资源（%IMP）的占比却较高。洱海流域表现的尤为明显。它的%REN仅为1.61%，不到云南省的1/5，而它的%IMP却达到了76.48%，是云南省的近5倍。这说明洱海流域目前的发展高度依赖于外部资源的购入，而云南省有相对较多的内部资源可供调配使用。与其它流域相比（Yangou流域%REN为20.51%，%IMP为79.39%），洱海流域的%REN仍然较低，这更多的归因于流域的工业结构。

洱海流域能值产出率（EYR）为1.31，低于云南省的6.25。与此同时，洱海流域的能值投资率（EIR）为3.25，高于云南省整体水平的0.19；并且流域的环境负载率（ELR）为60.98，远高于云南省的8.92。这说明，对洱海流域这一小范围区域而言，人类的活动已极大干扰了流域本身自然生态系统的正常运转，造成了显著的环境压力。此外，洱海流域的能值可持续指标（ESI）仅为0.002，远低于1，表明流域非常不乐观的可持续发展状态。

以上分析说明洱海流域在研究期间内的经济发展模式是不利于流域长期可持续发展的，很大部分原因在于流域可更新资源（R）、不可更新资源（N）和购入资源（IMP）比例的失衡。为了发展经济，洱海流域大量耗用当地不可更新资源和外部资源，超出了流域自然生态系统的承受能力，需要引起当地政府、企业和居民的重视。

（三）子系统分析

由上述分析可知，洱海流域发展不可持续的原因主要在于对当地和外部不可更新资源TNR（=N+IMP）的大量使用和过度依赖，而TNR主要来自工业子系统和农业子系统。在工业子系统中，石灰岩是占比最大的不可更新资源，其次为燃料、钢铁和电力。其中，石灰石和钢铁是水泥行业和车辆装配行业的主要原料，他们在生产过程中伴随大量的能源消耗，由此更增加了环境负担。就农业子系统而言，环境压力主要来自于化肥的过渡施用，其次为农民的劳动投入、电力和水资源消耗。虽然它们的绝对值低于工业子系统的主要贡献者，但其造成的环境影响仍不容忽略。当地农业活动对化肥的依赖，是农业面源污染的重要来源，为后续的污染治理造成了极大负担。劳动占比情况说明当地农业仍属于劳动密集型农业，规模化和工业化程度低。此外，农作活动中对电力和水资源的消耗也增加了环境负荷。

（四）水资源利用

洱海流域的水资源利用方式主要有3种，即农业用水、工业用水和生活用水。表3给出了各类水资源利用方式的具体情况。可以发现，农业是主要的用水大户，其水资源消耗总量分别是工业用水和生活用水的1.4和4.8倍。然而它们对应的水资源能值情况却不尽相同。由于不同水体的能值转换率不同，工业用水和生活用水消耗的工程水体的能值转换率是农业用水的7.0倍，所以工业用水的能值最高，分别是农业用水和生活用水的3.6和3.1倍。这说明工业用水伴随着更多的自然资源和人类劳动消耗。

在关注水耗总量的同时，本研究也关注了水资源的利用效率，即支持单位子系统能值需要的水资源，分别以水量和能值量的方式表征。该值越高表明水资源利用效率越低。可以发现，农业用水的效率最低，且远低于工业用水效率。

综上，为实现节水和水资源的高效利用，既需要考虑用水量，也需要关注消耗水体的水资源价值，关注消耗水体整个过程中的资源投入，这样将更有利于水资源的可持续利用和区域的可持续管理。

表3  洱海流域2014年水资源利用情况

四  政策建议

近年来，洱海流域地区生产总值快速增加，其产业结构也从以农业为主逐渐转变为依靠工业和服务业。2014年，洱海流域三产比重为9:47:44。然而，根据前述的分析，尤其是ESI指标的表征结果发现，流域当前的发展模式严重超过了其本身的生态承载力。这将极大的阻碍流域的可持续发展，导致自然资源的衰竭和环境问题的滋生。对此，本研究给出了如下建议，希望帮助流域促进可持续发展。

（一）发展循环经济，升级产业结构

工业是洱海流域的主要产业，也是洱海流域可持续发展的关键影响因素。水泥行业对当地不可更新资源的大量消耗和缺失/不足的生态修复措施导致了严重的生态破坏；机械制造行业因从流域外大量购入原材料和普遍的粗加工组装流程给流域带来了极大的环境负担。此外，流域发展过程中产业布局的不合理以及对现有产业园监管把控的不到位，让环境污染和破坏逐渐累积至爆发。目前，当地政府本着生态保护的目的已着手调整产业结构，有意识的关停或迁移污染型产业，规范工业园的环境友好行为。例如，2018年底祥云县政府出台了《祥云县承接洱海流域保护治理产业转移行动计划》，其中就包括了对水泥产能和装备制造业的承接项目；洱源县2018年政府工作报告中总结了对邓川工业园区的优化改进工作，推行清洁生产和生态工业园创建。但以环境为导向的产业结构调整是一项长期且艰巨的任务，需要政府的统筹规划、严格监管，更需要企业的高度配合、自觉自愿。

产业结构调整不仅是对现有企业的整改，也需要融入循环经济和产业共生等创新理念。一方面，依托现有的绿色、特色、高端、优势产业，将产品向精深加工方向发展，延长产业链，借助“新平台”努力打造“生产-加工-销售-出口”一体的全产业链发展；另一方面，通过物质、能量，乃至“废弃物”的循环利用，提高资源效率，减少污染排放和环境破坏，从而真正实现产业的绿色转型。

（二）促进绿色农业

农业是洱海流域的重要产业，它为工业和当地居民生活提供者基本的原材料。当地大多数为农业人口，但农作方式较为原始，农民的技术水平不高。当下，洱海流域大部分的传统作物（如大蒜）消耗大量的化肥和农药，环境影响远大于相应的经济效益。洱海流域农业子系统中化肥的大量施用和水资源的大量低效使用是影响洱海流域可持续发展的重要原因之一。因此，调整流域的种植结构迫在眉睫。当地政府应引导农户种植经济附加值较高、环境污染较低的作物（如茶），减少农户对农业和化肥的过度依赖。对此，大理州在近几年出台了多项规章制度予以应对。例如，《“十三五”洱海流域高效生态农业建设与面源污染防治规划（2016-2020年）》、《大理白族自治州洱海流域农药经营使用管理办法》、《关于开展洱海流域农业面源污染综合防治 打造“洱海绿色食品牌”三年行动计划（2018-2020年）》，以及近期推出的“三禁四推”工作。

在此过程中，少不了当地农户的支持和参与，但要转变他们根深蒂固的农业生产理念和方式并非易事，宣传教育和技术教授是非常必要且有效的手段，当地政府在科学规划农业绿色生态转型的过程中要注重对农户的合理引导。此外，鉴于当地农户较低的经济收入，建议政府考虑给予财政补贴和经济奖励，帮助农户改善耕种设备，提升能源利用效率，加快农业的绿色转型。同时，建议在推进农业绿色发展的过程中，积极探索农业升级转型之路，发展休闲农业、观光农业，打造“种养+加工+销售”全产业链，以科技促产量创收入，提升农户收入水平，让其主动参与到农业绿色转型当中，以短期阵痛换取长远利益。

（三）提升水资源利用率，发展节水社会

近年来，由于气候变化和人类活动强度的增加，洱海的天然来水逐渐减少，流域的水资源消耗总量却在不断增加。这降低了洱海本身的生态功能，例如自净能力和气候调节能力。对此，应通过加装节水设备、促进水资源的重复利用和提升节水技术（如喷灌和滴灌）等方式提高用水效率。这些措施需要的经济投入必然不小。考虑到当地的实际情况，适当的经济手段必不可少，例如增加收费、设置水资源税和排污费、设定用水配额等。此外，有效的监管措施也有助于减少漏水和浪费水的可能性。

这也与我国当下“坚持节水优先，强化水资源管理”的理念十分吻合。积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，清醒认识我国治水的主要矛盾转变为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足的矛盾，把坚持节水优先、强化水资源管理贯穿于治水的全过程，融入经济社会发展和生态文明建设的各方面。把节约用水作为水资源开发利用的前提，处理好水与经济社会发展和生态系统保护的关系，实现水资源的可持续利用。

（四）提升能源效率

国际能源署（IEA）在其“2017年能源效率”全球报告中指出，能源效率是推进全球能源系统转型，改善能源消费引起的环境问题的关键之一。洱海流域密集的人类活动消耗了大量的化石燃料和电力资源，而且这些资源大多来自系统外部，增加了当地环境的负担。因此，通过鼓励当地可更新能源和清洁能源利用（如太阳能和风能）优化当地能源结构，通过技术和设备的升级换代提升能源利用效率显得十分重要。此外，还应加强技术培训，从而让不同的利益主体了解节能技术，促进低碳行为。

（五）强化社会建设

洱海流域的生态建设离不开社会各界的参与。政府的领导、企业和农户的配合、居民的参与，缺一不可。这需要政府对生态环境重要性的大力宣传、对环境保护行为的引导、对配套基础设施和规则制度的完善。对此，当地政府已开始了系列举措。例如，随处可见的保护洱海、爱护生态的提示语，通过亲切俏皮的表达强化人们的环保意识；大理州“讲个洱海故事给您听”的巡回演讲，通过讲述周边朴实感人的洱海故事，增强民众洱海保护意识。单者易折，众则难摧。保护环境，人人有责。建议当地政府进一步完善全民参与的长效机制，充分发挥社会各级的主体作用，开展多形式、多层次、多方位立体化宣传教育，不断充实科普教育基地，开展环保志愿者活动，引导公众积极参与环保社会实践，提升公众生态文化意识。

五  结论

面对洱海流域资源和环境的压力，本研究运用能值理论分析了洱海流域的可持续发展现状，并识别了流域可持续发展的限制因素。结果显示，洱海流域2014年可更新资源占比（%REN）、能值产出率（EYR）、环境负载率（ELR）和能值可持续指标（ESI）分别为1.61%、1.31、60.98和0.002，表明流域较大的环境负荷和长期不可持续的发展状态。这主要源于流域对不可更新资源的过渡依赖，尤其是外部不可更新资源的大量购入。购入的资源主要用于支持流域的工业活动，尤其是水泥行业和车辆装配行业，这导致材料和能源的大量消耗。其次，农业生产过程中化肥的大量消耗和水资源的低效利用也是导致流域不可持续发展的主要因素之一。为了改善流域的不可持续现状，本文提出了调整产业结构、开展循环经济、发展绿色农业、提升水资源和能源利用效率等政策建议，以期帮助洱海流域降低环境负荷，提升可持续水平。

此外，本研究也存在着一些不足。例如，因为数据可获得性的原因，在运用能值理论评估洱海流域系统可持续水平时只选取了对系统贡献较大的资源流；文中选用的部分能值转换率存在着地域性和不确定性问题。然而，这些并不影响本文最终的研究结果，可在后续的研究中进一步完善和优化。本研究提出的分析框架可为相似领域的研究者提供一定的理论参考。

Emergy-based sustainability assessment of Erhai Lake Basin

Zhong Shaozhuo

Abstract: With the increase of population and economic development, the environmental quality of Erhai Lake Basin is gradually declining. In order to assess the present sustainability of Erhai Lake Basin, an emergy-based framework was used. It can help to understand the relationship between natural ecosystem and socioeconomic system, so that the key factors which influence the sustainable development of Erhai Lake Basin can be found. Results show that the whole basin is far away from sustainable development in 2014. The main contributors are cement industry and chemical fertilizers. Policy insights for improving the overall sustainability of Erhai Lake Basin are proposed, including adjusting industrial structure and promoting circular economy, facilitating green agriculture, improving water efficiency and increasing renewable energy use.

Keywords: Erhai Lake Basin; Sustainable Development; Emergy Theory; Water Resource; Policy Implication