基于政策调控的城市水-能源-食物系统协同研究

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lizhuang1022
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水、能源和食物是人们生存发展所必需的基础资源。随着社会发展、人口增长和城镇化进程加速,全球对三类资源的需求总量快速增加,同时由于全球气候变化、资源危机等因素严重威胁了三类资源的可持续发展,满足日益增长的资源需求成为世界各地区面临的重大挑战。由于三类资源的重要性,一直以来都受到了人们的广泛关注,目前,相关研究多以解决单一资源引发的突出问题为目的,分别开展水、能源和食物的代谢分析。然而由于水、能源、食物在生产消费等过程中存在着广泛的关联,特别是在城市地区,人口以及资源在城市空间高度聚集,各资源在城市系统中的代谢途径重叠交错,使得关联效应尤为明显。单一资源的研究难以反映城市资源代谢的整体面貌,因此开展城市层面三类资源的综合研究,考虑这些“关联”会在资源管理过程中对各系统产生的影响,对理清三类资源的代谢特征和实现资源的可持续发展有重要意义。本研究首先基于物质流/能量流分析方法,分析识别水、能源和食物的代谢途径,建立城市水、能源和食物的代谢网络,量化分析2013-2017年期间广州市社会经济系统中水、能源和食物(以氮、磷两种元素表示)的代谢特征,并识别出三个代谢网络中具有关联的节点和路径。基于识别出的关联节点和路径构建广州市水-能源-食物综合网络,分析水、能源和食物间的关系,再分别从资源消耗水平、强度效率、自给率、环境影响以及系统关联性角度选取指标建立评价指标体系对广州市水-能源-食物综合代谢网络发展状况作出评价。最后,结合构建的水-能源-食物综合网络和系统动力学理论建立系统动力学仿真模型,考察2013-2030年期间在不同政策情景方案下广州市资源代谢的演变趋势。研究结果表明,广州市资源需求量高,2013年-2017年期间,水资源输入总量由68.4×10m3减少到65.3×108m3,降低约4.5%;能源输入总量由5380.0万吨标煤增加到6234.0万吨标煤,增长约15.9%;N输入量73081.0吨增加到105520.3吨,增长约44.4%;P输入量由10943.5吨增长到15152.3吨,增长约38.5%。通过分析广州市水、能源和食物代谢网络,发现三个网络中产生直接关联的节点有火力发电、石油加工炼化、水的生产供应、废水处理、农业种植、畜牧养殖和食物加工等七个节点,基于这些节点建立水-能源-食物综合网络综合,通过对已建立的综合网络的分析可知,以2017年为例,广州市食物生产相关的用水总量为12.19×108m3,能源相关的用水量为22.91×108m3,食物生产有关的能源消耗为11.36万吨标煤,和水有关的能源消耗为21.27万吨标煤,水能源食物网络间存在水流、物流和能流的流通,三者具有关联性。根据对已建立的广州市水-能源-食物关联网络综合评价可知:广州市资源消耗水平逐渐增加,资源指数迅速恶化资源自给率水平逐渐降低,对环境影响也呈加强趋势,各子系统间的依存度和关联逐渐加强。应加大本地可在生能源利用,降低资源消耗强度,同时从水、能源和食物关联角度制定资源管理政策。通过系统动力学仿真结果可知:通过提高再生水的利用比例可改善广州市水资源利用效率,可显著改善水资需求总量,提高废弃物资源化回收利用比例可减少对环境产生的影响,但是会一定程度上增加能源消耗,通过合理制定电力调控政策可减少能源需求,也会对水资源需求改善。综上可知,从资源的协同关联视角出发,综合考虑资源管理政策对各系统产生的影响,才能更好的实现各资源可持续发展。
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