区域用水效率与节水潜力的能值分析

Water Science Research Vol. 2 No.1

区域用水效率与节水潜力的能值分析

吕翠美 吴泽宁

郑州大学环境与水利学院，郑州，450002

，单位面积灌溉用水量（m3/摘要 传统用水效率分析一般采用万元产值用水量（m3/万元）亩）和人均日生活用水量（L/人.日）等指标，指标量纲不统一，无法进行部门间的综合比较。能值（emergy）理论以能值为基准，将生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成统一标准的能值来衡量和分析。本文应用能值这一新的概念和度量标准将传统的三大用水效率分析指标转化成量纲统一的能值指标，便于揭示水资源的真实利用情况，综合分析水资源在各部门行业中的利用效率，为节水和供用水分析提供新思路。

关键词 用水效率，能值分析，节水， 水资源

用水效率综合反映一个国家或地区的经济发展阶段、产业结构、水资源条件、用水设施与装备情况、水资源管理水平和科技进步状况[1]。我国是世界上l3个贫水国之一，同时也是水资源浪费大国[2]，用水效率极其低下。水利部副部长胡四一在“世界水日”暨“中国水周”座谈会上指出“十一五”期间我国水利工作的重点是[2]：进一步转变用水观念，创新发展模式，大幅度提高用水效率和效益，加快建设资源节约型、环境友好型社会。

，农业采用单 传统的用水效率分析，工业一般采用万元产值用水量指标（m3/万元）

，生活采用人均日生活用水量指标（L/人.日）。三个指位面积灌溉用水量指标（m3/亩）

标量纲不统一，不具有可比性，因此传统的用水效率指标无法进行部门间用水效率的综合比较分析。而且金钱等指标只能衡量经济活动中人的作用和贡献，并不能衡量自然的作用和贡献，不包含资源本身的财富。能值（emergy）分析理论和方法是美国著名生态能值分析以能值为基准，学家、系统能量分析先驱H.T.Odum于20世纪80年代创立的[3]。把生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成统一标准的能值来衡量和分析[4]。在实际应用中常用太阳能作为能值基准，由于任何形式的能量均来源于太阳能，所以能值理论可以衡量和比较生态系统中不同等级能量的真实价值与贡献。 本文以郑州市为例，应用能值这一新的概念和度量标准分析区域用水效率，将传统的万元产值用水量、人均用水量等用水指标转化为量纲统一的能值指标，便于揭示水资源的

作者简介： 吕翠美（1982—），女，山东莱芜人，郑州大学博士研究生，主要从事水资源方面的研究。 Email: lvcuimei305@163.com

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真实利用情况，综合比较分析水资源在各部门行业中的利用效率，为提高用水效率和效益，加快建设资源节约型、环境友好型社会提供新的思路。

1能值理论及水资源能值分析

1.1能值理论及研究现状

20世纪80年代，国际生态学界提出能值(emergy)理论和分析方法，为生态系统和生

态经济系统的定量分析研究开拓了新途径[4]。从能量、体现能发展到能值，从生态系统理论发展到能量系统理论，从能量分析发展到能值分析，在理论和方法上都是一个重大飞跃。能值理论与分析方法为环境、资源、人类劳务、信息和发展决策的分析评价提供了新尺度，为综合分析评价系统的能物流、货币流、人口流、信息流提供了统一的度量标准。

近10多年来，能值分析方法和应用研究十分活跃。在国际上，20世纪80年代美国科学基金率先开展能值研究[5]，意大利、瑞典、澳大利亚等国[6-7]于90年代也相继开展。我国于20世纪90年代由留美学者蓝盛芳引入能值理论，开展了国家与地区[8-9]、农业

[10-11]

、湿地[12]和城市方面[13]的能值分析和理论方法研究。目前，在广州、南京、上海、

北京等地的大学和科研单位均进行了有关研究，已有3个能值分析研究项目得到国家自然基金资助[14]。

能值(emergy)是指一种流动或贮存的能量中所包含的另一种能量的数量。各种能量均直接或间接源于太阳能，故常以太阳能来衡量各种能量的能值：任何资源、产品或劳务形成所需的直接或间接太阳能之量，就是其所具有的太阳能值(Solar emergy)，单位为太阳能焦耳(sej) [3]。以能值为基准，可以衡量和比较生态系统中不同等级能量的真实价值与贡献。

在能值理论中用能值转换率（transformity）表示能量等级系统中不同类别能量的能质（energy quality），定义为[5]：形成每单位某种能量或物质所需的另一种能量的量，常用的是太阳能值转换率，即形成每单位能量或物质所含有的太阳能值。应用能值转换率可将生态系统或生态系统内流动和储存的各种不同类别的能量转换为同一标准的能值，进行定量分析研究。通过能值转换率，能量或物质与能值之间的转换关系可表示为[6]：

M=τ×B

式中，M表示能值（sej），τ表示能值转换率(sej/J或sej/g) ，B代表能量或物质的质量（J或g）。

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1.2水资源能值分析

在地球生物圈系统中，水循环将太阳能转化为地球能，水循环是地球上最主要的物质循环和能量流动的转化方式之一。大气降水是区域水资源的补给来源，从雨水到水资源这一转化过程，属于地球生物圈的基本作用之一，其能量流动、转化过程遵循热力学第一、第二定律。采用H. T. Odum创立的能路符号与图示语言，绘制这一过程的简化能。由图1可知，太阳能、雨水、风等可更新资源是环境生产的主要根量系统图[15]（图1）

本来源，在太阳能、风能作用下部分水的能量通过蒸散发耗散。水资源与生态环境之间相互作用，可简化成水资源能量转换的主要过程：将水资源作为贮存库独立出来，雨水是这一过程的基本来源，径流水的能量作为此能量转化系统的输出。这一系统过程存在能量等级关系，具有低能质的能量（雨水），经系统过程传递与转换而成为较高能质的能量（水资源），而能值和能值转换率可反映不同能量的能质差异。

风雨水蒸散发水资源阳光生态环境 图1 水资源转换过程能量图

2 用水效率能值分析方法

应用能值分析的概念和度量标准，将传统的用水效率分析指标：万元产值用水量（m3/、人均用水量（L/人.日）转化为量纲统一的能值万元）、单位面积灌溉用水量（m3/亩）指标(sej/万元)，以综合比较分析水资源在各部门行业中的利用效率。 2.1用水效率能值分析的概念

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（1）水资源能值转换率。即单方水资源所具有的太阳能值。降水经过地面及地表层贮存后变成水资源。根据蓝盛芳等人在生态经济系统能值分析一书中提出的太阳能值转换率计算方法：亚系统能量流动和转化法及其他相关能值转换率换算法[3]，水资源能值转换率可通过雨水太阳能值转换率计算得到：

水资源太阳能值转换率（sej/J）=雨水太阳能值（sej）/水资源化学能（J）； 。 水资源太阳能值转换率（sej/m3）= 雨水太阳能值（sej）/水资源量（m3）相关计算公式参考文献[6]、[15]。

（2）工业用水能值/货币比率（sej/万元）。即用水部门单位货币（元或万元）相当，乘以工业万元产值的水资源能值量，计算时用上面得出的水资源能值转换率（sej/m3），即得到工业用水能值指标（sej/万元）。 用水量（m3/万元）

（3）农业用水能值/货币比率（sej/万元）。原理同（2），水资源能值转换率（sej/m3），即得到农业用水能值指标（sej/万元）。 乘以农业万元产值用水量（m3/万元）

（4）生活用水能值/货币比率（sej/万元）。由于生活用水指标与居民生活水平成正比，所以根据国家统计局小康研究课题组提供的城镇和农村生活水平基本标准[16]，分别选取城镇居民人均可支配收入和农村人均纯收入两个指标（万元/人），通过换算得出城镇居民人均每万元可支配收入用水能值/货币比率（sej/万元）和农村人均每万元纯收入用水能值/货币比率（sej/万元），作为生活用水的能值指标。 2.2用水效率能值分析的方法步骤

根据能值价值理论和水循环基本规律分析区域水资源的利用效率，假定：（1）研究范围内的雨水化学能是各类水体的基本能量来源；（2）对区域内存在的过境水追溯至上一级的流域水文单元进行分析。具体步骤为：（1）计算水资源的能量来源—雨水能值。首先由控制范围内的年降雨与雨水能值转换率等求出年降雨能值；然后，用年降雨能值乘以各自的更新周期求出总能值；（2）总雨水太阳能值除以区域水资源量或其化学能，；（3）根据上可求出相应的单位水资源太阳能值（水资源太阳能值转换率sej/J或sej/m3）

面提及的用水能值/货币比率概念，将原始的用水效率评价指标转换成相应的能值指标（sej/万元），就可进行部门内部或部门间用水效率的综合比较分析。

3 郑州市用水效率与节水潜力能值分析

研究区郑州市水资源极度缺乏，近年来随着郑州市郑东新区及高新技术开发区的建设，供水形势日趋紧张，水资源已经成为约束郑州经济社会发展的重要因子，提高用水效率，建设节水型社会迫在眉睫。将研究区内的降雨作为其水资源的能量来源，根据水

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资源能量转换过程的概念和分析方法，计算研究区雨水化学能与太阳能值，以及水资源化学能、太阳能值转换率、单方水资源太阳能值，结果见表1（由于没有上一级流域水文单元的数据资料，过境水资源能值转换率采用当地数值）。

郑州市多年平均水资源太阳能值转换率为7.13×104sej/J；陈丹等人[15]对我国南方某沿海县域的研究结果显示当地水资源太阳能值转换率为4.09×104sej/J；谢忠岩[17]对图们江流域的研究结果显示图们江流域四市水资源太阳能值转换率为4.11×104sej/J。能值转换率是度量能质的尺度，能值转换率越高，表明能量之能质越高。对比可知，郑州市水资源太阳能值转换率大于两地，说明郑州市雨水的资源化率高于两地，雨水的利用率较高。面对郑州市严重缺水的现状，增大雨水资源化率的方法已不明显，唯有提高用水效率才是解决水资源问题的有效途径。

表1 郑州市水资源能值计算结果

年份

雨水化学能雨水太阳能水资源化学能水资源太阳能值转换率单方水资源能值

(×1020sej) (×1011sej/m3) (×1016J) (×104sej/J) （×1015J）

2.73 4.98 1.66 3.02 2.35 4.28 3.74 6.80 2.64 4.80 2.53 4.60 2.61 4.75 6.25 4.48 4.87 1.04 8.23 6.64 5.25 7.96 6.74 8.78 6.54 5.83 6.92 7.13 3.93 3.33 4.34 3.23 2.88 3.42 3.52 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 多年平均 注：文中所用数据来自郑州市水资源公报、全国水资源公报及统计局公布数据。 根据上述用水效率能值分析的方法步骤计算郑州市工业、农业、生活三大用水部门的用水效率能值指标，结果见表2。 表2 郑州市用水能值指标 年份 工业能值/货币农业能值/货币城镇生活能值/货币农村生活能值/货币比率 比率 比率 比率 12131313(10sej/万元)(10sej/万元)（10sej/万元） (10sej/万元） 12.89 43.91

10.26 34.93 12.01 45.85 6.03 29.78 5.93 20.33 6.91 19.33 9.01 32.36

50

2000年

2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 多年平均

3.18 3.19 3.54 3.10 2.76 2.44 3.04 2.03 1.33 2.04 1.19 1.51 2.28 1.73

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由表2可知，工业用水能值/货币比率和农业用水能值/货币比率均呈递减趋势，即每万元产值消耗的水资源太阳能值越来越少，说明近年来工农业水效率提高显著。特别是农业，2000年到2005年用水能值/货币比率年均减少速率达15.13%，证明郑州市农业节水措施效果显著。生活用水分城镇生活用水和农村生活用水两部分，从表2郑州市生活用水能值指标数值看，城镇生活用水能值指标大于农村，约是2倍的关系，这与城镇生活水平高于农村的实际相符。

504540353025201510502000年2001年2002年2003年2004年2005年工业(10sej/万元)系列1农业(10sej/万元)系列2城镇生活系列3(10sej/万元）农村生活系列4(10sej/万元）13131313 图2 郑州市工业、农业、生活用水能值指标趋势图 为更清晰地对比工业、农业、生活部门间的用水效率，将三大部门的用水能值指标以趋势图的形式表示，见图2。图2清楚地显示郑州市农业生产用水的能值/货币比率远高于工业和生活。农业用水能值/货币比率约是工业的36倍，是农村生活用水的16倍，城镇活用水的11倍，所以就三大部门来讲，农业用水效率最低，生活次之，工业用水效率最高。农业生产方式万元产值消耗的水量是工业万元产值耗水的36倍之多，农业生产消耗的水资源太阳能值远远大于工业，而农业用水比重却长期占到总用水的50%以上，所以降低农业生产用水能值/货币比率，加大农业节水力度是郑州市节水的重点。 3.1 工业用水效率能值分析及节水措施 为进一步分析郑州市工业部门各行业的用水效率情况，分别选取郑州市2000年产值较大的三个行业及用水量较大的三个行业进行详细分析，见表3。 2000年设备制造业、非金属矿物制造业、食品、烟草加工及制造业是郑州市产值比重最大的三个行业，其产值约占郑州市工业总产值的50%，而由其用水能值/货币比率可知，三个行业每万元产值消耗的水资源太阳能值均小于2000年工业耗水能值的平均值，特别是设备制造业，产值比重位于工业产值之首，但万元产值消耗的水资源能值仅为 51水科学研究 2008年第1期

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表3 2000年郑州市主要行业用水能值指标分析 行业

行业产值比重

（%）

能值/货币比率 （1012sej/万元）

设备制造业 非金属矿物制品业 食品、烟草加工及制造 采掘业 造纸及纸制造业 电力、煤气及水的生产和供应业18.79 5.05 17.32 8.00 11.54 7.88 6.93 125.00 2.43 93.5 7.66 56.3 5.05×1012sej，不到平均值的一半，说明郑州市主要行业水资源利用效率较高。而万元产值耗水能值较大的三大行业采掘业，造纸及纸制造业，电力、煤气及水的生产和供应业用水能值约为工业平均用水能值的10~5倍，特别是采掘业，用水能值指标高达125×1012sej/万元，用水效率非常低，是郑州市工业节水的重点行业。所以郑州市未来工业节水应重点考虑以下两点： （1）加强对用水效率低的采掘业，造纸及纸制造业，电力、煤气及水的生产和供应业的监督，重点引导，查找节水差距，总结经验，全面推广。 （2）在电力工业用水中逐步使用中水作为冷却用水，推行一水多用、串用、回用技术和水、气、热交换的密闭循环水系统，实现废水资源化。 3.2 农业用水效率能值分析及节水措施 对农业主要用水项目的水田（水稻）、水浇地（小麦、玉米）、菜田（蔬菜瓜）灌溉用水进行分析，结果见表4。 表4 2000年农业用水能值指标分析 项目 能值/货币比率 (1014sej/万元) 粮食产量比重(%) 产值比重 (%) 水田 水浇地 菜田 27.90 4.75 32.96

39.30 83.73

8.82 - 33.90

由表4可知，粮食作物用水效率明显低于经济作物。2000年郑州市水田能值/货币比（27.9×1014sej/万元）与图们江流域[16]（15.17×1014sej/万元）相比明显偏高，用水效率偏低。水浇地由于大多采用漫灌方式用水，能值比率更高，但小麦、玉米产量却占郑州市粮食产量的80%以上，是郑州市主要产量作物，所以提高水浇地用水效率是郑州市农业节水重点。就种植业结构而言，2000年郑州市蔬菜类经济作物产值比重已高于粮食作

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物，而经济作物用水能值指标远小于粮食作物，说明郑州市种植业结构调整已初显成效，今后的重点应侧重于提高粮食作物特别是小麦、玉米的用水效率。农业主要节水途径有：

（1）充分利用降水、灌溉回归水、劣质处理水，扩大农田灌溉水的水源范围。 （2）采取喷灌、微灌、渠道防渗、管道输水、膜上灌水等工程技术措施，大幅度提高灌溉水利用率，更好地与机械化作业程度很高的现代农业相配合，向现代化灌溉方向发展。

3.3 生活用水效率能值分析及节水措施

郑州市生活能值指标与国内部分地区进行对比分析，见表5。

表5 2000年国内部分地区生活用水能值指标 （1013sej/万元） 地区 城镇生活 农村生活

全国

北京

上海

天津

山东

河南

郑州

5.00 4.91 4.51 3.68 3.16 4.94 3.18 5.67 5.58 2.36 3.33 2.97 4.77 2.03

由表5可知，不管是城镇还是农村，郑州市生活用水能值指标远低于全国或河南的平均水平，且比北京、上海、天津等发达城市还略低，即郑州市人均每万元收入消耗的水资源太阳能值相对于国内其他地区来讲已经较低，表明郑州市生活用水效率较高，这与郑州市极度缺水的现状有关。针对郑州市生活用水效率已较高而水资源仍极度缺乏的状况，郑州市未来生活节水措施应注重以下几点：

（1）目前郑州市管网漏失率约为20%，即供水系统供水量的1/5跑冒滴漏掉了。通过管网改造，减少管网渗水、漏水现象，同时加强管网巡查力度，对供水管线进行定期巡检和维护，降低供水管网漏失率，提高用水效率。

（2）加大节水型器具和设备的家庭普及率。根据郑州市人民政府关于推进节水型社会建设的实施意见[18]，逐步淘汰现有的上导直落式便器水箱、铁螺旋升降式水龙头和水阀、冲水量大于9升的便器水箱等，大力推广6升以下分档冲洗式节水便器、每分钟出水量小于9升的淋浴器、感应式节水器具。

（3）挖掘分质用水的潜力，扩大中水利用规模。随着郑州五龙口污水处理厂直通金水河上游的首条中水输送管道的铺设完毕[19]，根据“优质优用，低质低用”的原则，逐步加大中水在厕所冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉等领域的使用程度。

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4 结语

能值理论方法的提出为能量流、物质流及货币流的评价提供了一个共同的尺度，并成功地解决了能量等级系统中各等级能量的统一评价问题，有助于调整生态环境与经济发展之间的关系，对自然资源的科学评价与合理利用、经济发展方针的制定、实施可持续发展战略，均具有重要意义。本文应用能值理论计算了郑州市三大产业结构的用水能值指标，并针对各产业部门用水效率现状提出了节水措施。将传统的量纲不统一的用水效率指标转换成统一的能值指标，便于不同部门间的相互比较，同时也为水资源供需分析、优化配置等研究提供了新思路。

本文在计算水资源能值转换率时只考虑了雨水本身的化学能，未考虑水资源开发利用过程中投入劳务所增加的能值及污水排放所减少的能值。另外由于资料限制，没有计算过境水资源的能值转换率，能值指标也只计算了能值/货币比率，而未计算能值-货币价值、净能值产出率等能值指标。能值理论在水资源方面的应用还有待进一步研究。

参考文献

[1]王浩,马滇珍,张象明等. 我国的用水效率与节水潜力[J]. 水利规划，1998增刊：37-46 [2]赵永平. 用水效率约束性指标确定[N]. 人民日报，2006.3.23

[3]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 [4] Odum. H.T. 蓝盛芳译. 能量、环境与经济[M]. 北京：东方出版社. 1992 [5]Ahern.J.E. The Emergy Method of Energy Systems Analysis. New York: Wiley. 1980

[6]Odum H.T Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making[M]，New York: John Wiley. 1996

[7]Ulgiati S, Odum H.T, Bastianoni S. Emergy analysis of the Italian agricultural system the role of energy quality and environmental inputs [A].Trends in Ecological Physical Chemistry[C].1992:187-215 [8]李成双,傅小锋,郑度. 中国经济发展水平的能值分析[J].自然资源学报，2001，16(4) : 297-304 [9]李海涛,严茂超,沈文清等. 新疆生态经济系统的能值分析与可持续发展研究[J].干旱区地理，2001，24（4）：289-295

[10] 张耀辉. 农业生态系统能值分析方法[J]，中国生态农业学报，2004，12 （3）：181-183 ：159-162 [11]陆宏芳,蓝盛芳,陈飞鹏等. 农业生态系统能量分析[J]. 应用生态学报，2004，15（1）[12]崔丽娟,赵欣胜. 鄱阳湖湿地生态能值分析研究[J]. 生态学报，2004，24（7）：1480-1485 [13]张耀军,成升魁,闪庆文等. 资源型城市生态经济系统的能值分析[J]. 长江流域资源与环境，2004，13（3）：218-222

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[14]陆宏芳,蓝盛芳,彭少麟. 系统可持续发展的能值评价指标的新拓展[J]. 环境科学，2003，24（3）：150-154

[15]陈丹,陈菁,罗朝晖. 天然水资源价值评估的能值方法及应用[J]. 水利学报，2006，37（10）：1188-1192 [16]中国网. 全国人民生活小康水平的基本指标[EB]. http://www.china.com.cn/chinese/zhuanti/254472[17]谢忠岩. 图们江流域水环境价值的能值分析[J]. 吉林农业大学学报，2002，24（3）：68-72 [18]郑政（2006）24号. 郑州市人民政府关于推进节水型社会建设的实施意见[EB].

http://www.lawyee.net/Act/Act_Display.asp?RID=475394[19]张健美.中水利用项目启动[N]. 中国环境报， 2005.7.14

备注：原文发表于《第五届中国水论坛论文集》，中国水利水电出版社，2007.11

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