电力生态系统的基本理论研究

吕连宏，罗宏，柴发合

(中国环境科学研究院，北京 100012)

电力生态系统的基本理论研究

吕连宏，罗宏，柴发合

(中国环境科学研究院，北京 100012)

电力是推动经济发展的重要基础能源，我国日益严峻的大气污染问题已经成为制约电力和经济发展的重要因素之一，只有在发展过程中系统地研究电力、环境、经济之间的关系，才能够实现电力、环境、经济之间的协调发展。在复杂系统理论和复合生态系统理论的基础上提出了电力生态系统的定义、组成、功能、效应、演化等基本理论。研究结果表明，电力生态系统是由电力、环境与经济三个子系统相互影响、相互作用而形成的复合生态系统，能量流动是电力生态系统最为重要的功能，电力生态系统存在着从无序向有序的自组织演化过程，其演化过程符合逻辑斯蒂增长曲线的趋势。

电力生态系统;复合系统;演化

能源是人类社会经济发展的重要物质基础和主要动力源泉，而电能是现代社会生产与生活中必不可缺的重要资源，电力发展已经成为能源建设的中心。我国工业化和城镇化快速发展导致生态破坏和环境污染形势十分严峻，特别是酸雨、灰霾和光化学烟雾等区域性大气污染问题，已成为制约区域经济持续发展的重要因素。电力行业特别是火电行业是我国大气污染物排放的重要来源［1］，如何实现经济与环境的协调发展，是生态学与环境科学研究领域亟待解决的重要问题。只有将电力、环境、经济作为一个系统来审视，才能有效的引导电力行业突破资源环境约束，支撑经济又好又快的发展。

1 主要理论基础

电力生态系统理论的主要理论基础为复杂系统理论和复合生态系统理论。

1.1 复杂系统理论

系统科学的研究起源于“复杂性”研究，Bertalanffy［2］最早发表有关一般系统理论的专著，虽然对“复杂性”概念仍缺乏严谨的定义，但复杂性以及复杂系统研究已经成为热点研究领域，几乎所有发达国家都设立了复杂性研究机构并取得了一定的研究进展，形成了复杂适应系统和开放的复杂巨系统两大关于复杂系统的理论体系。

开放的复杂巨系统是系统科学的核心概念，我国科学家钱学森［3－5］在系统科学领域做出了大量的创新性工作，提出了开放的复杂巨系统理论。开放的复杂巨系统具有以下特征［5］:系统本身与周围环境有物质、能量、信息的交换;系统所包含的子系统很多;子系统的种类繁多;系统具有很多层次，即从我们已经认识得比较清楚的子系统到我们可以宏观观测的整个系统之间的系统结构的层次很多。

复合系统具有自然系统与人造系统的双重特点。复合系统良性运行的条件是其各个组成子系统之间的协调发展。系统的结构和功能随时间的推移而发生的变化称为系统的演化。组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程［6］。

1.2 复合生态系统理论

自然生态系统(ecosystem)就是在一定空间中共同栖居着的所有生物(即生物群落)与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体［7］。近年来，有学者又把自然生态系统进一步扩展为包括经济系统和社会系统的复合生态系统，生态系统的概念和原理已经被许多学科和许多时间领域所接受。当代若干重大社会问题都直接或间接关系到社会体制、经济发展状况以及人类赖以生存的自然环境，虽然社会、经济和自然是三个不同性质的系统，但其各自的生存和发展都受其它系统结构、功能的制约，必须当成一个复合系统来考虑，称其为社会—经济—自然复合生态系统［8］。该系统的结构、状态、特征、行为、功能随着时间的推移而发生的系统演化，其演化过程是自组织与他组织的统一［9－10］，人类活动是复合生态系统演化过程的源动力［11］。当前的我国社会经济发展与环境之间的矛盾问题，源于社会—经济—自然复合生态系统演化过程的缺陷，要解决这些矛盾问题，必须优化复合生态系统演化过程。

2 电力生态系统理论

2.1 基本定义

电力生态系统(electricity ecosystem)是以电力生产和消费链条为核心，以电力相关的社会经济活动为重要内容的人类社会生态系统。在电力生态系统中，与电力密切相关的人类社会与自然生态系统相互作用，电力行业依赖自然生态系统提供的自然资源和服务，向人类社会提供发展所必须的基础能源，电力行业与自然生态之间的关系是否协调已经成为制约人类社会可持续发展的重要问题之一。

2.2.系统组成

2.2.1 生态学组成

按照生态学的基本理论，电力生态系统的组成包括生产者、消费者、分解者和非生物环境四个部分。生产者主要是电力生产企业与输变电设施，电力生产企业将输入该系统的化石能源和非生物环境中的风能、水能、潮汐能、生物质能、地热能等转化为电能，并通过输变电设施输送至电能用户。消费者主要是指用电的工业企业和居民家庭，工业企业利用电能生产并向社会和人民输出产品，居民家庭利用电能获取必要的能量与服务。分解者主要是指各种污染控制与治理措施，包括电力企业和工业企业的环境污染治理设施，也包括独立的污水处理、固废处理等设施，分解和消纳电力生产和消费过程中的副产品，缓解对自然环境的破坏。电力生态系统与自然生态系统的组分对比见表1。

表1 电力生态系统与自然生态系统的组成对比

2.2.2 系统学组成

按照系统学的基本理论，复杂的大系统按照功能和层次可以划分为若干相互关联、相互制约、相互作用的子系统。电力生态系统是人类社会—经济—自然复合生态系统的一个重要组成部分，可以被视为由电力、环境与经济三个子系统相互影响、相互作用而形成的复合生态系统，它既是复杂的也是开放的。整个系统高效运转的目标是通过电力、经济及环境这三个子系统间的相互配合、相互促进从而形成社会全面的可持续发展。电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的复杂的电能生产与消费系统，是现代社会物质生产部门中空间跨度最广、时间协调要求严格、层次分工极复杂的实体系统，对国民经济的影响重大。

环境系统是环境各要素及其相互关系的总和，主要是指自然环境，为人类的生存和发展提供自然空间，为人类的经济活动提供自然资源并容纳和净化废弃物。长期以来，人们从环境系统中提取了大量的资源以发展经济，并向环境系统排放出大量废弃物，造成资源枯竭和日益严重的环境污染问题。

经济系统有三种定义:一是指社会再生产过程中的生产、交换、分配、消费四个环节构成的有机整体:二是指国民经济各部门组成的有机整体;三是社会生产力与生产关系相互构成的有机整体。经济系统的发展是人类发展的核心，是不断提高人类福祉的物质基础。

2.3 系统功能

按照生态学基本理论，自然生态系统的主要功能就是能量流动与物质循环，这两大功能在电力生态系统中也显著体现。在电力生态系统中，电力消费需求关系是实现能量流动和物质循环的主渠道，其中能量流动是电力生态系统最为重要的功能。

电力生态系统的能量流动过程见图1。

图1 电力生态系统能量流动示意

与自然生态系统的能量流动相似，电力生态系统的能量流动以电能为主要表现形式，具有如下的特征:电力生态系统能量流动的源头是输入系统的一次能源，包括煤炭、石油、天然气等化石能源，核燃料，以及水能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源;生产者包括各类发电厂和输变电设施，发电厂将各类一次能源转化为电能，并通过输变电设施输送给用电负荷，在转化与输送的过程中有部分能源会损失掉，部分能量以污染物的形式通过污染治理设施治理后进入自然环境中;电力生态系统中的能量根据电力的需求关系单项流动，在居民家庭和工业企业等消费者使用电能的过程中也会有所损耗，大部分的能量转化为消费者所需要产品和服务，部分能量以污染物的形式通过污染治理设施治理后进入自然环境中;作为分解者的污染治理设施需要生产者和消费者提供必要的能量和产品服务，在运行过程也会损失部分能量。

2.4 生态效应

生态效应是指生物因子或非生物因子在其存在或活动过程中，对其所在生态系统中的结构、功能所产生的影响。在电力—环境—经济复合生态系统中，电力系统的发展对环境系统和经济系统的生态效应非常显著。一方面，电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，电能产品的社会基础性和公用性产品特征日趋强烈，电能的有效供应已成为经济系统正常发展的基本保障［12］。另一方面，电力生产与消费的持续会促进一次能源开发强度和能源消费总量的日益增大，引发严重的生态破坏和环境污染问题。如水电站的过度开发会导致河流生态系统的破坏，火电站的大量建设会增加煤炭、天然气等化石能源消费增加，带来严重的酸雨污染问题，化石能源开采量的增加也会引发更为严重的生态破坏问题。从全国来看，煤炭是电力生产的主要燃料，燃煤火电厂也是全国SO2等污染物和CO2等温室气体的排放大户。

2.5 系统演化

2.5.1 演化阶段

依据耗散结构理论，在一定的时间尺度内，电力生态系统通过不断地与外界环境进行物质、能量和信息交换，将从原有的无序状态转变为一种在时间、空间和功能上的有序状态。电力生态系统从无序向有序的演化过程，实际上就是系统的自组织过程。在电力生态系统的演化初期，系统内部无序程度很高，也就是说系统处于高熵状态，随着负熵流进入，总熵不断减小，从而使得系统由无序状态向有序状态发展，并最终在远离平衡的区域形成动态稳定的有序结构。电力生态系统的演化过程划分为初始期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段。

初始期:即电力生态系统形成的初始阶段，系统处于一个远离平衡的无序状态，各个子系统并未形成有序结构，系统处于高熵状态。在这个阶段，电力系统和经济系统的发展均处于起步时期，电力装机容量很小，区域经济及其不发达。随着系统的缓慢演化，电力生态系统开始与外界产生物质、能量和信息的交换，系统熵增有所减缓，随着进入系统的负熵流逐渐增大，系统总熵开始负增长呈现出减少的趋势，由此开始电力生态系统演化进入成长期。

成长期:各个子系统间的相互作用逐渐增强，系统内部开始出现有序的组织形式。在这个阶段，电力系统和经济系统均得到较快速度的发展，各种类型的发电技术不断涌现，电力装机容量和发电量不断增大，电力消费推动经济系统不断发展，环境系统依靠其自净能力不断吸纳电力系统和经济系统发展过程中代谢的副产品和废物。成长期是电力生态系统演化的关键阶段，如果能协调好电力、环境和经济子系统之间的关系，系统可能在有限的环境资源条件下实现长期的有序发展。

成熟期:电力生态系统进入成熟期，系统总熵的出现演化过程中的最小值甚至为零，系统将维持在一个稳定、有序的成熟状态。此时，基于可再生能源的发电技术得到广泛应用，产出的电能能够满足持续推动社会经济发展的需求，一次能源开发强度和污染物接纳量满足资源环境的容量要求，电力、环境、经济三个子系统相互作用实现有序发展。

衰退期:如果电力生态系统的演化过程中突破资源环境条件的限制，系统将出现由盛转衰，由无限接近有序状态转而进入衰退期，系统总熵将进入不断增加的过程。此时，电力系统和经济系统的过度需求突破了资源环境的极限，没有足够的一次能源能够满足电力消费和经济发展的需求，同时环境系统也无法消纳过度的污染物而出现环境质量持续恶化，社会经济失去资源和电力的支撑而不断衰退，电力生态系统进入不断衰退的无序状态。

2.5.2 演化趋势

按照生态学的基本理论，种群在资源充足，气候适宜且无天敌等理想状态下呈现指数增长的趋势;而在环境资源有限的现实生态系统中，呈现S曲线增长趋势，即逻辑斯蒂增长。逻辑斯蒂方程反映了种群的相对增长率与当时所剩的资源份量呈正比，是较为符合自然界条件下的种群增长类型［13］。

电力生态系统的演化过程由初始期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段，系统的有序状态在有限的边界内也符合逻辑斯蒂增长曲线的趋势，电力生态系统演化趋势见图2。

图2 电力生态系统演化示意

3 结语

电力生态系统是以电力生产和消费链条为核心，以电力相关的社会经济活动为重要内容的人类社会生态系统。电力生态系统的组成包括生产者、消费者、分解者和非生物环境四个部分，是由电力、环境与经济三个子系统相互影响、相互作用而形成的复合生态系统。

在电力生态系统中，电力消费需求关系是实现能量流动和物质循环的主渠道，其中能量流动是电力生态系统最为重要的功能。电力系统的发展对环境系统和经济系统的生态效应显著，电力系统人类社会经济系统正常发展的基本保障，同时也带来严重生态破坏和环境污染问题。电力生态系统存在着从无序向有序的自组织演化过程，可以划分为初始期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段，其演化过程符合逻辑斯蒂增长曲线的趋势。

［1］张建宇，潘荔，杨帆，等.中国燃煤电厂大气污染物控制现状分析［J］.环境工程技术学报，2011，1(3):185－196.

［2］Bertalanffy L V.General System Theory［M］.New York:George Braziller，1968.

［3］钱学森，于景元，戴汝为.一个科学新领域:开放的复杂巨系统及其方法论［J］.自然杂志，1990，13(1):3－10.

［4］钱学森.论系统工程［M］.长沙:湖南科学技术出版社，1988.

［5］钱学森.再谈开放的复杂巨系统［J］.模式识别与人工智能，1991，4(1):1－4.

［6］吴彤.自组织方法论研究［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［7］李博.生态学［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［8］马世骏，王如松.社会—经济—自然复合生态系统［J］.生态学报，1984，4(1):1－9.

［9］秦书生.复合生态系统自组织特征分析［J］.系统科学学报，2008，6(2):45－49.

［10］刘文英，姜冬梅，陈云峰，等.自组织理论与复合生态系统可持续发展［J］.生态环境，2005，14(4):594－600.

［11］李宾，张象枢.复合生态系统演化过程的环境影响分析［J］.环境与可持续发展，2009，(2):27－29.

［12］张德伟.试论广东缺电的社会成本［J］.广东经济，2005，(7):42－45.

［13］吉蕴，李祖平.逻辑斯蒂模型及其应用［J］.潍坊学院学报，2009，9(5):78－80.

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

中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2011GQ－18)

2012-03-29;

2012-06-24

吕连宏(1981-)，男，工程师，博士，研究方向为能源环境政策、环境经济与管理。E－mail:lvlh@craes.org.cn