工业园区是工业企业的集聚区,是近30余年来我国最有活力、最有潜力的经济增长区域,为国民经济发展做出了突出贡献。但由于工业企业的高度集聚,导致工业园区还具有资源能源消耗强度大、污染排放集中等特征。为了缓解工业园区经济产出与资源节约、环境污染之间的矛盾,以产业生态学理论为基础的生态工业园区建设得到快速开展。生态工业园区是我国推行循环经济战略的实施主体之一,至2016年底,共有48家园区被正式批准为国家生态工业示范园区,另有45家园区被批准开展国家生态工业示范园区建设。在十余年的建设实践中,生态工业园区在经济发展、物质减量与循环以及污染控制等方面取得了明显的成效,但同时也暴露出园区工业代谢机理不清及产业共生网络特征模糊等问题,严重制约了生态工业园区的进一步发展。园区的工业代谢效率及产业共生结构是影响生态工业园建设效果的主要因素,对工业代谢过程的全面理解是建立产业共生关系并提高园区生态效率的前提。本文在全面综述了国内外生态工业园区工业代谢研究以及产业共生网络结构研究进展的基础上,结合对我国典型生态工业园区进行现场调研,发现了针对产业链及园区层面工业代谢研究比较缺乏、对园区产业共生网络特征研究不够深入等问题。也正是如此导致我国生态工业园区的管理与调控缺乏精细化数据支撑,难以从工业过程层面诊断园区存在的问题并提出有针对性的解决方案。因此,本文尝试进行园区工业代谢以及产业共生网络特征研究,并探究生态工业园区产业共生网络结构的演变与工业代谢效率之间的联系,从而摸清园区运行状态,从过程控制的角度指导园区产业共生发展。具体的研究内容和结论如下:(1)建立了产业链及园区层面的元素流分析模型及评价指标体系,补充和丰富了工业代谢理论方法在产业链及园区尺度的研究与应用。通过对关键元素的工业代谢水平进行动态分析与评价,识别了限制园区工业代谢效率提高的主要环节与影响因素,为进一步提高生态工业园区工业代谢效率具有重要的指导意义。信发氯碱产业链案例研究表明,从元素代谢角度来看,自2008年产业链形成以来,由于技术进步及各项废物回用措施的实施,系统生产效率及资源效率均逐年提高,到2011年,系统生产效率达到64.15%,系统资源效率达到98.50%。氯元素主要以废水中氯离子的形式排放,包括卤水运输、废盐酸、废碱液、汽提废水、离心母液等环节,系统损失率为0.54%;从资源产出角度来看,氯碱产业的发展趋势正逐渐由提高物质利用效率和减少污染物排放向产品深加工上转变,以此来获取更高的产业链系统的资源产出率。祥光生态工业园案例研究表明,园区铜精矿使用效率逐年提高,2012年铜元素资源利用率达到99.11%,其伴生的硫元素资源利用率也达到98.84%。园区工业代谢水平提高的主要原因在于选矿单元的稳定运行使得含铜废料均可以被回收再用。祥光生态工业园区铜元素主要以冶炼渣的形式流失,而硫元素的主要损失途径为废气的排放。因此提出园区应通过继续进行技术创新,降低冶炼渣铜含量,并改进制酸技术,提高二氧化硫捕集率等进一步提高工业代谢水平。(2)构建了产业共生网络拓扑结构模型,创新性的提出了“共生圈”的概念,揭示了生态工业园区产业共生网络的演化机理。基于社会网络分析方法,以信发生态工业园区为案例,建立了以具体的物料、能源载体或关键工序为节点的园区产业共生网络拓扑结构模型,从节点及网络整体的角度分析了园区产业共生网络的结构特征。从节点特征来看,电解铝、氧化铝粉、热电联产3个节点中心度均位于前列,是信发产业共生网络中最核心的三个节点,具有较强的影响力与统治力。2015年氧化铝粉的节点重要度比2006年得到了进一步提升,并且氯碱产业链上的相关节点也跻身信发产业共生网络的核心层。这一方面是由于“卤水—液碱”和“兰炭—电石—电石渣”两个产业链与铝产业链在氧化铝节点进行了耦合,使得氧化铝节点度变大;另一方面归结于氧化铝生产过程中产生的大量的赤泥得到了综合利用。从网络整体特征来看,随着节点的增加,信发产业共生网络的集聚性及网络中心势均得到降低,其中度数中心势降低明显。这表明新节点的加入不再仅以网络核心节点为中心,信发产业共生网络结构得到延展。2015年,共生网络所包含的凝聚子群从分别以氧化铝粉及电解铝为核心的两个共生圈发展为分别以氧化铝粉、电解铝以及液碱为核心的三个共生圈。液碱节点所在的氯碱产业的发展,促使信发生态工业园区由以铝加工为主的产业共生网络进化为铝加工及氯碱化工并重的多核心产业共生网络。(3)创新性的提出了产业共生网络中“生态节点”与“生态边”的概念,并梳理了产业共生对园区物质、能量及水代谢的影响机制。生态节点是提高园区物质及能量代谢水平的关键节点,节点的生态化演变是产业共生网络进化的主要标志。通过案例分析,对生态工业园案例2006年至2015年产业共生网络结构变化及园区运行效果进行对比评价,进一步探究了生态工业园区产业共生网络结构与物质代谢效率之间的关联。2015年信发产业共生网络中生态节点数量达到了 10个,比2006年增加了 7个;生态边的数量为16条,比2006年增加了 13条。节点的生态化转变使园区工业固体废物得到消纳,工业废水得到循环利用,能量得以梯级利用。通过对信发生态工业园2006年至2015年固废产生与处理、综合能耗、新鲜水耗等指标进行动态分析,结果发现,信发产业共生网络结构的变化与园区各项指标的变化情况互相吻合。具体表现为,新增的8个静脉产品节点使原有的3个废物节点(赤泥、粉煤灰、锅炉废气)及新增的1个废物节点(电石泥)转变为生态节点,将园区工业固废综合利用率由2.86%提升至87.82%;烟道气余热回收、蒸汽余热回收以及物料携能利用等产业共生措施提高了能源利用效率,使得园区能耗强度由14.37 tce/万元降低至3.18 tce/万元;湿地的建成使用以及城市中水回用项目等措施将工业用水重复利用率由87.00%提高至96.15%,园区新鲜水耗强度也降低到12.75 m3/万元。可见,产业共生网络的变化,特别是节点的生态化演变是园区工业代谢水平提高的关键。(4)针对生态工业园区工业代谢机理不清及产业共生网络特征模糊等问题,提出了基于过程控制的生态工业园区管控策略。过程控制在生态工业园区层面上的应用应更突出“生态”的内涵:即从资源能源利用方面,通过提高过程效率,减少过程污染排放及能量损失;从生态产业链网构建方面,通过分析共生链网构建情况,对园区项目准入进行把控。其中,基于园区工业代谢视角的管控策略是通过强化园区信息统计系统建设,搭建园区工业代谢分析软件系统平台,通过工业代谢分析结果,全面掌握园区生产运行状态,及时识别过程异常并采取相应措施维护园区功能的稳定;基于产业共生网络视角的管控策略是通过构建产业共生网络模型,对园区产业共生网络特征进行分析,识别共生网络存在的问题,并对产业共生网络变化进行模拟,分析新节点的引入或原有节点的退出对共生网络结构及其他功能的影响,从而为园区管理决策提供科学支撑。