基于EEF模型的港口生态评价方法研究

郭子坚，崔维康，彭 云，张 祺

（大连理工大学建设工程学部，大连 116024）

基于EEF模型的港口生态评价方法研究

郭子坚，崔维康，彭 云，张 祺

（大连理工大学建设工程学部，大连 116024）

基于能值理论（emergy theory），在分析港口资源消费和污染等生态足迹的基础上，考虑船舶在港作业期间对生态环境的影响，提出基于EEF模型（emergy⁃ecological footprint）的港口生态评价方法，将港口生态承载力分析计算扩展为自然资源生态承载力和社会经济虚拟承载力两类账户。以北方某港区为例计算了2009～2014年的生态足迹与生态承载力，结果表明港区历年生态承载力指数均大于1，处于生态不可持续状态，能源足迹与污染足迹是港口生态足迹的主要来源。港口经济虚拟生态承载力账户对港区生态承载力的贡献高于自然资源生态承载力账户，可有效控制生态赤字规模。

EEF模型；能值理论；港口生态足迹；港口生态承载力

随着资源消费和污染排放增加，港口对生态环境的影响不断扩大。因此如何合理地衡量港口生态承载力，保证港口生态系统能够支撑港口实现良性发展，已成为当今社会亟待解决的重要问题［1］。

加拿大生态经济学家Rees和Wackernage［2］提出了生态足迹模型（EF），其基本思想是将人类消耗的自然资源和排放的废弃物转化为相应的生物生产性土地面积与现存的土地面积比较来衡量人类社会的可持续发展状况。生态足迹模型在城市和区域的生态性评价方面得到了较广泛的应用。Erdas等［3］引入传统生态足迹模型用于评估港口生态承载力，但研究偏重于强调港口对资源的需求，其承载力计算基于自然资源的多寡，仅考虑耕地、林地、草地、水域、化石能源地、建筑用地等6种土地的生产能力，土地类型功能性划分单一，忽略了经济、社会、技术等方面带来的影响，温室气体考虑不全面，对港口污染物的影响考虑不足。

本文将能值-生态足迹模型（EEF）［4］引入港口生态评价研究，通过能值分析理论和传统生态足迹模型相结合，将各种能量流换算成生物生产性土地面积，建立了港口EEF模型，分析港口生态演变趋势。

1 研究方法

1.1 港口EEF模型

港口属于人工-生态复合生态系统，能源与资源消费量大，生产经营活动中产生较多的各类污染物。为了更加科学合理地评价港口生态系统，本文提出港口EEF模型，通过能值转换率与能值密度，将港口区域的不同类型、不同种类的消费项目和污染物换算为相应的生物生产性土地面积，计算港口生态足迹、生态承载力与生态承载力指数，对港口进行生态评价。与传统港口生态足迹模型相比，港口EEF模型在生物资源足迹、能源消费足迹的基础上，增加了水资源消费足迹与污染足迹指标，同时充分考虑了港口生态系统的开放性与港口经济发展对生态系统的贡献，引入港口经济虚拟生态承载力，使计算结果能更客观、真实地反映港口生态系统的状况。港口EEF模型如图1所示。

1.2 港口生态足迹

1.2.1 港口资源消费足迹

港口消费资源可分为生物资源、能源、水资源。生物资源包括港口从业人员消费的植物品（粮食、食用油、糖、水果、蔬菜等）和动物品（肉类、蛋类、奶类、水产品）；能源包括电力、煤炭、柴油、汽油、燃料油等，分为港口陆域生产作业消费的能源与船舶在港作业期间消耗的能源；港口水资源消费主要包括船舶上水、生产用水、生活用水、消防用水、绿化用水等。资源消费生态足迹计算如下

图1 港口EEF模型Fig.1 The EEF model of sea port

式中：EFco为资源消费生态足迹，hm2；mi为第i种资源消费总量，J；Ti为第i种资源的太阳能值转换率，Sej/J；P1为区域能值密度，Sej/hm2；TE为区域可更新资源总能值，Sej；S为区域总面积，hm2。

1.2.2 港口污染足迹

港口污染的生态足迹主要计算港口生产生活以及船舶在港期间排放的固体废弃物、废水和废气等的生态足迹。污染足迹计算如下

式中：EFpo为污染足迹，hm2；mk为第k种污染物总量，g；Tk为第k种废弃物的太阳能值转换率，Sej/g。

固体废弃物包括港口装卸作业产生的固体废弃物，港口陆域生活垃圾以及港口接收的船舶固体废弃物。废水包括冲洗、洗箱等作业产生的生产废水，港口陆域生活废水以及港口接收的船舶废水。

废气包括港口作业机械排放的大气污染物与船舶靠泊期间排放的大气污染物。港口作业机械大气污染物排放计算如下［5］

式中：I为排放量，g/a；CF为修正因子；EF为排放因子，g/L；C为燃油消耗量，L/a；l=1，2，···，代表第l种大气污染物。

船舶靠泊期间大气污染物排放计算方法为［6-7］

式中：E为排放量，g/a；MCR为发动机额定功率；LF为特定工况负载因子平均负荷与最大负荷的比值；Act为在港作业时间，h；F为排放因子；FCF为燃料修正因子；CF为排放控制因子（使用了减排措施后的变化）。

1.2.3 港口总生态足迹

港口总生态足迹由资源消费足迹与污染足迹构成。计算公式为

式中：EF为港口总生态足迹，hm2。

1.3 港口生态承载力

1.3.1 自然资源生态承载力账户

自然资源的生态承载力账户是自然界的可更新资源能值的叠加计算。其包含的可更新能源有太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能、潮汐能以及地球旋转能等。为避免重复计算，根据能值理论，同一性质的能量投入只取其中的最大值［8］。计算公式为

式中：ECn为自然资源生态承载力账户，hm2；E为可更新资源的能值，Sej；P2为全球平均能值密度，Sej/hm2；ej为第j种同类可更新资源的最大值，Sej。

1.3.2 港口经济虚拟生态承载力账户

综合考虑港口经济系统对生态承载力的影响，在计算中引入港口经济虚拟承载力账户对生态承载力进行修正。本文选取现代物流技术应用水平，从业人员劳动力资源因子两项作为港口经济因子。

式中：ECe为社会经济虚拟承载力账户，hm2；te为能值-资本转换率，用区域可更新自然资源的能值总量与区域国内生产总值的比值来表示［9］，sej/万元；Vt为港口现代物流技术应用水平，采用港口现代物流业收入，代表技术水平发展的变化情况；Vs为从业人员劳动力资源因子，采用从业人员劳动收入，代表劳动力资源的变化；Vg为区域的国内生产总值；E为区域的可更新资源的能值。

1.3.3 港口总生态承载力

修正后的港口生态承载力即由自然资源生态承载力账户与社会经济虚拟承载力账户共同构成。计算公式为

式中：EC为总生态承载力，hm2。

1.4 港口生态盈亏

将港口总生态足迹与港口总生态承载力进行比较，用于衡量港口的可持续发展情况，本文基于港口生态承载力水平［1］，将港口生态承载力指数作为分析港口生态安全的指标。计算式如下

式中：I为港口生态承载力指数，EF、EC意义同上。I大于、小于、等于1时，表示该港口生态分别处于赤字、盈余和平衡状态。

图2 区域能值密度P1（1015sej/hm2）Fig.2 The region emergy density P1

表1 港口生态足迹与港口生态承载力计算Tab.1 Calculations for ecological footprint and carrying capacity of sea porthm2

2 案例研究

利用基于EEF模型的港口生态评价方法对北方某集装箱港区可持续发展状况进行研究。港区共有14个集装泊位，总面积320 hm2。

区域能值密度P1取港口所在城市区域能值密度。对港区所在城市2009～2014年间的区域生态环境可持续发展状况进行动态分析，其中太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能和海浪能属于同一形式的能量，应选取最大值，经计算选取最大值雨水化学能、潮汐能和地球旋转能为区域总能值，区域能值密度P1计算结果如图2所示。全球年均总能值为1.583×1025sej，全球平均能值密度P2为3.104×1014sej/hm2。

该港区2009～2014年生态足迹和生态承载力的主要计算结果如表1所示，并得到该港区总生态足迹与总生态承载力变化趋势（图3），港口生态承载力指数计算结果见表2。

研究表明港区生态足迹呈持续上升趋势，其中能源足迹与污染足迹是港口生态足迹的主要来源。港口经济虚拟生态承载力账户对港区生态承载力的贡献高于自然资源生态承载力账户，并呈上升趋势，其贡献度从2009年的72.8%上升至2014年的86.6%。港区历年生态承载力指数均大于1，出现生态赤字，处于生态不可持续状态。现代物流业务的迅速发展，有效提升港区对自然资源的挖掘和开发水平，提高了总生态承载力，控制了生态赤字的规模，港口生态承载力指数变化趋于稳定。

图3 港区2009～2014年生态足迹与生态承载力状况（hm2）Fig.3 The ecological footprint and carrying capacity of sea port from 2009 to 2014

表2 港口生态承载力指数Tab.2 The port ecological capacity index

3 结论

本文构建了基于EEF模型的港口生态评价方法。在港口生态足迹的计算中，考虑了在港船舶生产作业活动产生的生态足迹，并增加港口水资源消费足迹与污染足迹，完善了计算账户。在生态承载力的测算中增加港口经济指标，使生态承载力账户同时覆盖自然与社会两个层面。本文以北方某港区为例进行计算分析，研究结果表明，该模型计算账户覆盖面更广，可以更好地反映出港口资源环境利用的真实状况，较准确地评价港口生态演变状况。研究表明能源足迹与污染足迹是港口生态足迹的主要来源。港口现代物流业的发展能够有效的提高港口对区域可更新资源的利用水平，提升港口生态承载力。

［1］郭子坚，望灿，王文渊，等.基于生态足迹的港口生态承载力模型［J］.港工技术，2015（2）：48-51. GUO Z J，WANG C，WANG W Y，et al.Port Ecological Capacity Model Based on Ecological Footprint［J］.Port Engineering Tech⁃nology，2015（2）：48-51.

［2］Wackemagel M，Rees W E.Perceptual and structural barriers to investing in natural capital：Economics from an ecological footprint perspective［J］.Ecological Economics，1997，20：3-24.

［3］Erdas C，Fokaides P A，Charalambous C.Ecological footprint analysis based awareness creation for energy efficiency and climate change mitigation measures enhancing the environmental management system of Limassol port［J］.Journal of Cleaner Production，2015，108：716-724.

［4］Zhao S，Li Z，Li W.A modified method of ecological footprint calculation and its application［J］.Ecological Modelling，2005，185（1）：65-75.

［5］贾旭，封学军，蒋柳鹏.港口作业机械大气污染物排放研究［J］.华东交通大学学报，2014（3）：12-17. JIA X，FENG X J，JIANG L P.Research of Air Pollutants from Cargo Handling Equipments［J］.Journal of East China Jiaotong Uni⁃versity，2014（3）：12-17.

［6］伏晴艳，沈寅，张健.上海港船舶大气污染物排放清单研究［J］.安全与环境学报，2012（5）：57-64. FU Q Y，SHEN Y，ZHANG J.On the ship pollutant emission inventory in Shanghai port［J］.Journal of Safety and Environment，2012（5）：57-64.

［7］Starcrest Consulting Group.Port of Los Angeles Inventory of Air Emissions 2014［R］.Los Angeles：Starcrest Consulting Group，2014.

［8］张雪花，李建，张宏伟.基于能值-生态足迹整合模型的城市生态性评价方法研究——以天津市为例［J］.北京大学学报：自然科学版，2011（02）：344-352. ZHANG X H，LI J，ZHANG H W.Emergy⁃Ecological Footprint Integrated Model for Eco⁃cityEvaluation：A Case of Tianjin City［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2011（2）：344-352.

［9］蓝盛芳，钦佩，陆宏芳.生态经济系统能值分析［M］.北京：化学工业出版社，2002.

Study on ecological evaluation of sea port based on EEF model

GUO Zi⁃jian,CUI Wei⁃kang,PENG Yun,ZHANG Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

By analyzing ecological footprint of resource consumed by port and waste,and considering the effect on environment of vessels,the EEF model(emergy⁃ecological footprint)for ecological evaluation of sea port has been built up based on emergy theory.Port ecological capacity was made up of the accounts of natural resources and the virtual accounts of port economic development.The ecological footprint and carrying capacity of a Northern Chi⁃na port from 2009 to 2014 was calculated.The ecological capacity index remained above 1 each year,which led to unsustainable port ecology.The energy ecological footprint and the pollution ecological footprint was main source of ecological footprint.The virtual accounts of port economic development contribute more for port ecological capacity, which avoided the growth of ecological deficit effectively.

EEF model;emergy theory;port ecological footprint;port ecological capacity

U 651

A

1005-8443（2017）02-0198-04

2016-10-11；

2016-12-16

国家自然科学基金资助项目（51279026）

郭子坚（1965-），男，辽宁省人，教授，主要从事港口规划及港口物流研究。

Biography：GUO Zi⁃jian（1965-），male，professor.