呂連宏，羅宏，柴發(fā)合

(中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

電力生態(tài)系統(tǒng)的基本理論研究

呂連宏，羅宏，柴發(fā)合

(中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

電力是推動經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)能源，我國日益嚴(yán)峻的大氣污染問題已經(jīng)成為制約電力和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一，只有在發(fā)展過程中系統(tǒng)地研究電力、環(huán)境、經(jīng)濟之間的關(guān)系，才能夠?qū)崿F(xiàn)電力、環(huán)境、經(jīng)濟之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。在復(fù)雜系統(tǒng)理論和復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上提出了電力生態(tài)系統(tǒng)的定義、組成、功能、效應(yīng)、演化等基本理論。研究結(jié)果表明，電力生態(tài)系統(tǒng)是由電力、環(huán)境與經(jīng)濟三個子系統(tǒng)相互影響、相互作用而形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，能量流動是電力生態(tài)系統(tǒng)最為重要的功能，電力生態(tài)系統(tǒng)存在著從無序向有序的自組織演化過程，其演化過程符合邏輯斯蒂增長曲線的趨勢。

電力生態(tài)系統(tǒng);復(fù)合系統(tǒng);演化

能源是人類社會經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和主要動力源泉，而電能是現(xiàn)代社會生產(chǎn)與生活中必不可缺的重要資源，電力發(fā)展已經(jīng)成為能源建設(shè)的中心。我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)破壞和環(huán)境污染形勢十分嚴(yán)峻，特別是酸雨、灰霾和光化學(xué)煙霧等區(qū)域性大氣污染問題，已成為制約區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要因素。電力行業(yè)特別是火電行業(yè)是我國大氣污染物排放的重要來源［1］，如何實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是生態(tài)學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題。只有將電力、環(huán)境、經(jīng)濟作為一個系統(tǒng)來審視，才能有效的引導(dǎo)電力行業(yè)突破資源環(huán)境約束，支撐經(jīng)濟又好又快的發(fā)展。

1 主要理論基礎(chǔ)

電力生態(tài)系統(tǒng)理論的主要理論基礎(chǔ)為復(fù)雜系統(tǒng)理論和復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論。

1.1 復(fù)雜系統(tǒng)理論

系統(tǒng)科學(xué)的研究起源于“復(fù)雜性”研究，Bertalanffy［2］最早發(fā)表有關(guān)一般系統(tǒng)理論的專著，雖然對“復(fù)雜性”概念仍缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，但復(fù)雜性以及復(fù)雜系統(tǒng)研究已經(jīng)成為熱點研究領(lǐng)域，幾乎所有發(fā)達國家都設(shè)立了復(fù)雜性研究機構(gòu)并取得了一定的研究進展，形成了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)和開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)兩大關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的理論體系。

開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)是系統(tǒng)科學(xué)的核心概念，我國科學(xué)家錢學(xué)森［3－5］在系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域做出了大量的創(chuàng)新性工作，提出了開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)理論。開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)具有以下特征［5］:系統(tǒng)本身與周圍環(huán)境有物質(zhì)、能量、信息的交換;系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)很多;子系統(tǒng)的種類繁多;系統(tǒng)具有很多層次，即從我們已經(jīng)認(rèn)識得比較清楚的子系統(tǒng)到我們可以宏觀觀測的整個系統(tǒng)之間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次很多。

復(fù)合系統(tǒng)具有自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)的雙重特點。復(fù)合系統(tǒng)良性運行的條件是其各個組成子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能隨時間的推移而發(fā)生的變化稱為系統(tǒng)的演化。組織是指系統(tǒng)內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)或這種有序結(jié)構(gòu)的形成過程［6］。

1.2 復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論

自然生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)就是在一定空間中共同棲居著的所有生物(即生物群落)與其環(huán)境之間由于不斷地進行物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程而形成的統(tǒng)一整體［7］。近年來，有學(xué)者又把自然生態(tài)系統(tǒng)進一步擴展為包括經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)的概念和原理已經(jīng)被許多學(xué)科和許多時間領(lǐng)域所接受。當(dāng)代若干重大社會問題都直接或間接關(guān)系到社會體制、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r以及人類賴以生存的自然環(huán)境，雖然社會、經(jīng)濟和自然是三個不同性質(zhì)的系統(tǒng)，但其各自的生存和發(fā)展都受其它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的制約，必須當(dāng)成一個復(fù)合系統(tǒng)來考慮，稱其為社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)［8］。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特征、行為、功能隨著時間的推移而發(fā)生的系統(tǒng)演化，其演化過程是自組織與他組織的統(tǒng)一［9－10］，人類活動是復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程的源動力［11］。當(dāng)前的我國社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾問題，源于社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程的缺陷，要解決這些矛盾問題，必須優(yōu)化復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程。

2 電力生態(tài)系統(tǒng)理論

2.1 基本定義

電力生態(tài)系統(tǒng)(electricity ecosystem)是以電力生產(chǎn)和消費鏈條為核心，以電力相關(guān)的社會經(jīng)濟活動為重要內(nèi)容的人類社會生態(tài)系統(tǒng)。在電力生態(tài)系統(tǒng)中，與電力密切相關(guān)的人類社會與自然生態(tài)系統(tǒng)相互作用，電力行業(yè)依賴自然生態(tài)系統(tǒng)提供的自然資源和服務(wù)，向人類社會提供發(fā)展所必須的基礎(chǔ)能源，電力行業(yè)與自然生態(tài)之間的關(guān)系是否協(xié)調(diào)已經(jīng)成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一。

2.2.系統(tǒng)組成

2.2.1 生態(tài)學(xué)組成

按照生態(tài)學(xué)的基本理論，電力生態(tài)系統(tǒng)的組成包括生產(chǎn)者、消費者、分解者和非生物環(huán)境四個部分。生產(chǎn)者主要是電力生產(chǎn)企業(yè)與輸變電設(shè)施，電力生產(chǎn)企業(yè)將輸入該系統(tǒng)的化石能源和非生物環(huán)境中的風(fēng)能、水能、潮汐能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿绒D(zhuǎn)化為電能，并通過輸變電設(shè)施輸送至電能用戶。消費者主要是指用電的工業(yè)企業(yè)和居民家庭，工業(yè)企業(yè)利用電能生產(chǎn)并向社會和人民輸出產(chǎn)品，居民家庭利用電能獲取必要的能量與服務(wù)。分解者主要是指各種污染控制與治理措施，包括電力企業(yè)和工業(yè)企業(yè)的環(huán)境污染治理設(shè)施，也包括獨立的污水處理、固廢處理等設(shè)施，分解和消納電力生產(chǎn)和消費過程中的副產(chǎn)品，緩解對自然環(huán)境的破壞。電力生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的組分對比見表1。

表1 電力生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的組成對比

2.2.2 系統(tǒng)學(xué)組成

按照系統(tǒng)學(xué)的基本理論，復(fù)雜的大系統(tǒng)按照功能和層次可以劃分為若干相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互作用的子系統(tǒng)。電力生態(tài)系統(tǒng)是人類社會—經(jīng)濟—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，可以被視為由電力、環(huán)境與經(jīng)濟三個子系統(tǒng)相互影響、相互作用而形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，它既是復(fù)雜的也是開放的。整個系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)的目標(biāo)是通過電力、經(jīng)濟及環(huán)境這三個子系統(tǒng)間的相互配合、相互促進從而形成社會全面的可持續(xù)發(fā)展。電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的復(fù)雜的電能生產(chǎn)與消費系統(tǒng)，是現(xiàn)代社會物質(zhì)生產(chǎn)部門中空間跨度最廣、時間協(xié)調(diào)要求嚴(yán)格、層次分工極復(fù)雜的實體系統(tǒng)，對國民經(jīng)濟的影響重大。

環(huán)境系統(tǒng)是環(huán)境各要素及其相互關(guān)系的總和，主要是指自然環(huán)境，為人類的生存和發(fā)展提供自然空間，為人類的經(jīng)濟活動提供自然資源并容納和凈化廢棄物。長期以來，人們從環(huán)境系統(tǒng)中提取了大量的資源以發(fā)展經(jīng)濟，并向環(huán)境系統(tǒng)排放出大量廢棄物，造成資源枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

經(jīng)濟系統(tǒng)有三種定義:一是指社會再生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)、交換、分配、消費四個環(huán)節(jié)構(gòu)成的有機整體:二是指國民經(jīng)濟各部門組成的有機整體;三是社會生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系相互構(gòu)成的有機整體。經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展是人類發(fā)展的核心，是不斷提高人類福祉的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)功能

按照生態(tài)學(xué)基本理論，自然生態(tài)系統(tǒng)的主要功能就是能量流動與物質(zhì)循環(huán)，這兩大功能在電力生態(tài)系統(tǒng)中也顯著體現(xiàn)。在電力生態(tài)系統(tǒng)中，電力消費需求關(guān)系是實現(xiàn)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的主渠道，其中能量流動是電力生態(tài)系統(tǒng)最為重要的功能。

電力生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程見圖1。

圖1 電力生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意

與自然生態(tài)系統(tǒng)的能量流動相似，電力生態(tài)系統(tǒng)的能量流動以電能為主要表現(xiàn)形式，具有如下的特征:電力生態(tài)系統(tǒng)能量流動的源頭是輸入系統(tǒng)的一次能源，包括煤炭、石油、天然氣等化石能源，核燃料，以及水能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等可再生能?生產(chǎn)者包括各類發(fā)電廠和輸變電設(shè)施，發(fā)電廠將各類一次能源轉(zhuǎn)化為電能，并通過輸變電設(shè)施輸送給用電負(fù)荷，在轉(zhuǎn)化與輸送的過程中有部分能源會損失掉，部分能量以污染物的形式通過污染治理設(shè)施治理后進入自然環(huán)境中;電力生態(tài)系統(tǒng)中的能量根據(jù)電力的需求關(guān)系單項流動，在居民家庭和工業(yè)企業(yè)等消費者使用電能的過程中也會有所損耗，大部分的能量轉(zhuǎn)化為消費者所需要產(chǎn)品和服務(wù)，部分能量以污染物的形式通過污染治理設(shè)施治理后進入自然環(huán)境中;作為分解者的污染治理設(shè)施需要生產(chǎn)者和消費者提供必要的能量和產(chǎn)品服務(wù)，在運行過程也會損失部分能量。

2.4 生態(tài)效應(yīng)

生態(tài)效應(yīng)是指生物因子或非生物因子在其存在或活動過程中，對其所在生態(tài)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、功能所產(chǎn)生的影響。在電力—環(huán)境—經(jīng)濟復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的發(fā)展對環(huán)境系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)非常顯著。一方面，電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，電能產(chǎn)品的社會基礎(chǔ)性和公用性產(chǎn)品特征日趨強烈，電能的有效供應(yīng)已成為經(jīng)濟系統(tǒng)正常發(fā)展的基本保障［12］。另一方面，電力生產(chǎn)與消費的持續(xù)會促進一次能源開發(fā)強度和能源消費總量的日益增大，引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題。如水電站的過度開發(fā)會導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的破壞，火電站的大量建設(shè)會增加煤炭、天然氣等化石能源消費增加，帶來嚴(yán)重的酸雨污染問題，化石能源開采量的增加也會引發(fā)更為嚴(yán)重的生態(tài)破壞問題。從全國來看，煤炭是電力生產(chǎn)的主要燃料，燃煤火電廠也是全國SO2等污染物和CO2等溫室氣體的排放大戶。

2.5 系統(tǒng)演化

2.5.1 演化階段

依據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，在一定的時間尺度內(nèi)，電力生態(tài)系統(tǒng)通過不斷地與外界環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息交換，將從原有的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間和功能上的有序狀態(tài)。電力生態(tài)系統(tǒng)從無序向有序的演化過程，實際上就是系統(tǒng)的自組織過程。在電力生態(tài)系統(tǒng)的演化初期，系統(tǒng)內(nèi)部無序程度很高，也就是說系統(tǒng)處于高熵狀態(tài)，隨著負(fù)熵流進入，總熵不斷減小，從而使得系統(tǒng)由無序狀態(tài)向有序狀態(tài)發(fā)展，并最終在遠離平衡的區(qū)域形成動態(tài)穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。電力生態(tài)系統(tǒng)的演化過程劃分為初始期、成長期、成熟期和衰退期四個階段。

初始期:即電力生態(tài)系統(tǒng)形成的初始階段，系統(tǒng)處于一個遠離平衡的無序狀態(tài)，各個子系統(tǒng)并未形成有序結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)處于高熵狀態(tài)。在這個階段，電力系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的發(fā)展均處于起步時期，電力裝機容量很小，區(qū)域經(jīng)濟及其不發(fā)達。隨著系統(tǒng)的緩慢演化，電力生態(tài)系統(tǒng)開始與外界產(chǎn)生物質(zhì)、能量和信息的交換，系統(tǒng)熵增有所減緩，隨著進入系統(tǒng)的負(fù)熵流逐漸增大，系統(tǒng)總熵開始負(fù)增長呈現(xiàn)出減少的趨勢，由此開始電力生態(tài)系統(tǒng)演化進入成長期。

成長期:各個子系統(tǒng)間的相互作用逐漸增強，系統(tǒng)內(nèi)部開始出現(xiàn)有序的組織形式。在這個階段，電力系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)均得到較快速度的發(fā)展，各種類型的發(fā)電技術(shù)不斷涌現(xiàn)，電力裝機容量和發(fā)電量不斷增大，電力消費推動經(jīng)濟系統(tǒng)不斷發(fā)展，環(huán)境系統(tǒng)依靠其自凈能力不斷吸納電力系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展過程中代謝的副產(chǎn)品和廢物。成長期是電力生態(tài)系統(tǒng)演化的關(guān)鍵階段，如果能協(xié)調(diào)好電力、環(huán)境和經(jīng)濟子系統(tǒng)之間的關(guān)系，系統(tǒng)可能在有限的環(huán)境資源條件下實現(xiàn)長期的有序發(fā)展。

成熟期:電力生態(tài)系統(tǒng)進入成熟期，系統(tǒng)總熵的出現(xiàn)演化過程中的最小值甚至為零，系統(tǒng)將維持在一個穩(wěn)定、有序的成熟狀態(tài)。此時，基于可再生能源的發(fā)電技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)出的電能能夠滿足持續(xù)推動社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，一次能源開發(fā)強度和污染物接納量滿足資源環(huán)境的容量要求，電力、環(huán)境、經(jīng)濟三個子系統(tǒng)相互作用實現(xiàn)有序發(fā)展。

衰退期:如果電力生態(tài)系統(tǒng)的演化過程中突破資源環(huán)境條件的限制，系統(tǒng)將出現(xiàn)由盛轉(zhuǎn)衰，由無限接近有序狀態(tài)轉(zhuǎn)而進入衰退期，系統(tǒng)總熵將進入不斷增加的過程。此時，電力系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的過度需求突破了資源環(huán)境的極限，沒有足夠的一次能源能夠滿足電力消費和經(jīng)濟發(fā)展的需求，同時環(huán)境系統(tǒng)也無法消納過度的污染物而出現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化，社會經(jīng)濟失去資源和電力的支撐而不斷衰退，電力生態(tài)系統(tǒng)進入不斷衰退的無序狀態(tài)。

2.5.2 演化趨勢

按照生態(tài)學(xué)的基本理論，種群在資源充足，氣候適宜且無天敵等理想狀態(tài)下呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢;而在環(huán)境資源有限的現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)中，呈現(xiàn)S曲線增長趨勢，即邏輯斯蒂增長。邏輯斯蒂方程反映了種群的相對增長率與當(dāng)時所剩的資源份量呈正比，是較為符合自然界條件下的種群增長類型［13］。

電力生態(tài)系統(tǒng)的演化過程由初始期、成長期、成熟期和衰退期四個階段，系統(tǒng)的有序狀態(tài)在有限的邊界內(nèi)也符合邏輯斯蒂增長曲線的趨勢，電力生態(tài)系統(tǒng)演化趨勢見圖2。

圖2 電力生態(tài)系統(tǒng)演化示意

3 結(jié)語

電力生態(tài)系統(tǒng)是以電力生產(chǎn)和消費鏈條為核心，以電力相關(guān)的社會經(jīng)濟活動為重要內(nèi)容的人類社會生態(tài)系統(tǒng)。電力生態(tài)系統(tǒng)的組成包括生產(chǎn)者、消費者、分解者和非生物環(huán)境四個部分，是由電力、環(huán)境與經(jīng)濟三個子系統(tǒng)相互影響、相互作用而形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

在電力生態(tài)系統(tǒng)中，電力消費需求關(guān)系是實現(xiàn)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的主渠道，其中能量流動是電力生態(tài)系統(tǒng)最為重要的功能。電力系統(tǒng)的發(fā)展對環(huán)境系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)顯著，電力系統(tǒng)人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)正常發(fā)展的基本保障，同時也帶來嚴(yán)重生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題。電力生態(tài)系統(tǒng)存在著從無序向有序的自組織演化過程，可以劃分為初始期、成長期、成熟期和衰退期四個階段，其演化過程符合邏輯斯蒂增長曲線的趨勢。

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Research on basic theory of Electricity Ecosystem

Electricity is an important basic energy to promote economic development.Increasingly serious air pollution problems have already become a key factor holding back the sustainable development of power industry and economy in China.The goal of electricity，environment and economy coordinated development may be achieved only if the relationships among electricity，environment and economy be analyzed systematically in development process.The basic theory of electricity ecosystem was put forward，including definition，constitution，function，effection and evolution.The main conclusions are as follows:Electricity ecosystem is a complex system that formed in the interactions among electricity，environment and economy.The most important function of the electricity ecosystem is energy flow.Self－organization evolution process of electricity ecosystem from the disordered states to the ordered states is existing，which accords with the trend of logistic growth curve.

electricity ecosystem;compound system;evolution

X171

B

1674－8069(2012)04－052－04

中國環(huán)境科學(xué)研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(2011GQ－18)

2012-03-29;

2012-06-24

呂連宏(1981-)，男，工程師，博士，研究方向為能源環(huán)境政策、環(huán)境經(jīng)濟與管理。E－mail:lvlh@craes.org.cn