一种基于用水系统能值分析的用水效率评价方法与流程

本发明属于水资源管理领域，涉及一种解决不同部门及区域综合用水系统用水效率统一评价的能值分析方法，具体涉及一种基于用水系统能值分析的用水效率评价方法。技术背景在水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题日益突出的背景下，2011年2月，中国水资源管理部门出台并实行最严格水资源管理制度，确立水资源开发利用控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条江线”。用水效率综合反映一个国家或地区的经济发展状况、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。因此，科学、客观、准确地进行用水效率评价，有助于发现水资源开发利用中存在的不合理、低效率等问题，根据用水效率低下的源头，从根本上改善水资源利用状况，促进用水效率的提高，为最严格水资源管理制度的实施提供有益借鉴。传统的用水效率分析，工业一般采用万元国内生产总值或万元工业增加值用水量指标(m3/万元)，农业采用农田灌溉水有效利用系数(无量纲)或的单位面积灌溉用水量指标(m3/亩)，生活采用人均日生活用水量指标(L/人·日)，不同部门间用水效率指标量纲不统一，不具有可比性。因此，传统的用水效率评价指标不便于进行部门间用水效率的综合比较分析，使得用水效率分析和研究局限在部门内部，不便于科学实施多部门之间水资源的综合管理。而且，目前还缺少区域综合用水效率的评价指标，不便于进行不同地区综合用水效率的区域差异性分析。因此，在用水效率研究中，采用何种评价方法和评价指标，实现不同区域、部门乃至行业用水效率的统一评价，是亟待解决的问题。本发明采用生态经济学中的能值理论和分析方法，以能量分析为手段，以太阳能值转换为媒介，以单方水能值净产出(sej/m3)作为用水效率的能值评价指标进行用水效率的能值评价，实现了统一不同区域、不同部门、不同行业用水效率的统一量化。技术实现要素：为了达到上述目的，本发明提供了一种基于用水系统能值分析的用水效率评价方法。该方法实现了不同区域、不同部门之间用水效率的统一度量，将自然水循环系统和经济社会用水系统视为一个完整的系统，在充分考虑各类能量、物质投入产出的基础上，辨识并量化区域、部门、行业的能值总投入与能值总产出，核算不同区域、部门、行业的“单方水能值净产出(sej/m3)”，实现不同区域、部门、行业用水效率的统一度量及对比分析。本
发明内容是通过以下技术方案实现的一种基于用水系统能值分析的用水效率评价方法，包括以下步骤：(1)构建用水系统能量系统图所述用水系统能量系统图的构建包括以下步骤：A.确定用水系统中的能量及物质来源、能量产出以及系统内部各组分间的作用过程；B.绘制矩形，列出用水系统的能量及物质来源和能量产出，分别用符号表示绘制在所述的矩形边框以内或矩形边框以外；C.确定步骤A所述系统内部各组分间的作用过程，并以各种能量符号图例绘制；D.列出步骤C所述系统内部各组分间的作用过程中的水循环过程，及其伴随的能物流、货币流以及生态经济流的能量流动和物质转化关系；E.绘制出用水系统能量系统图全图；先绘制出步骤B所述的矩形，然后绘制矩形边框外部的各部分图例，沿矩形边框周边排列；再绘制矩形边框以内各组分的图例，矩形边界内外各图例从投入到产出由左向右排列，得到所述的用水系统能量系统图；所述的用水系统能量系统图包括：工业用水系统能量系统图，农业用水系统能量系统图以及生活用水系统能量系统图；所述的工业用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源包括可更新资源和不可更新资源；所述的可更新资源包括太阳能、风能、地球旋转能(地球作用)、雨水势能、雨水化学能、水资源(地表水、地下水、外来水)、海浪潮汐；所述的不可更新资源包括能源、燃料、原材料和社会经济系统的反馈输入，其中所述的能源主要为电能、燃油和机械能，所述的社会经济系统的反馈输入主要为劳务、科技、信息和资金；所述的工业用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为工业产品；所述的负效益产出主要为工业污水排放造成的环境污染损失、工业污水处理给经济社会带来的经济损失、工业大量用水造成的水生生物减少、地下水超采造成的地面沉降；其能量系统图如图1所示；所述的农业用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源包括可更新资源和不可更新资源；所述的可更新资源主要为太阳能、风能、地表水、地下水、雨水、外来水、种子、人力蓄力、有机肥；所述的不可更新资源主要为土壤、传统化肥、农药、电力、机械；所述的机械包括柴油和农用机械，所述的有机肥和传统化肥均为化肥；所述的农业用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为种植业产品、林产品、畜产品和水产品，除了小部分农产品满足农民生活需要和留作种子外，大部分均进入市场进行销售，所述的负效益产出主要是农业灌溉超采地下水引起的地面沉降和农业退水造成的面源污染，其能量系统图如图2所示；所述的生活用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源包括可更新资源和不可更新资源，所述的可更新资源包括太阳能、风能、雨水、外来水、地表水、地下水及生活用水，所述的生活用水包括自来水、矿泉水和纯净水；所述的不可更新资源包括粮食、蔬菜类基本生活物资及饮食服务；所述的生活用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为劳动力回复和维持(以居民可支配收入表示)，所述的负效益产出主要为生活污水的排放和污水治理的投入；其能量系统图如图3所示；(2)编制用水系统能值分析表所述用水系统能值分析表的编制包括以下步骤：a.根据步骤(1)构建的用水系统能量系统图，列出在该能量图中的能量及物质来源和能量产出项目，并按照能量及物质来源、能量产出项目的类别进行分类排列；b.收集步骤a所述系统内所有物质、能源相应的物质量、能量以及能值转换率的原始数据；c.将步骤b得到的各类物质量、能量转换为共同的能值单位，分类汇总列表即可得到用水系统能值分析表；所述的用水系统能值分析表包括工业用水系统能值分析表、农业用水系统能值分析表、生活用水系统能值分析表；步骤(2)c所述的各类物质量、能量与能值之间的转化公式如下：EM＝τ×B式中，EM表示能值(sej)，τ表示能值转换率(sej/J或sej/g)，B代表能量或物质的量(J或g)；(3)用水系统能值总投入的分析由步骤(1)及步骤(2)可得，用水系统能值总投入包括：可更新资源的投入和不可更新资源的投入，计算公式如下：EMI＝EMIR+EMIN式中，EMI为用水系统能值总投入；EMIR可更新资源能值总投入；EMIN为不可更新资源能值总投入；所述的EMIR及EMIN根据用水系统能值表中收集记录的原始数据以及公式为EM＝τ×B即可得出(式中，EM表示能值、B代表用水系统投入的可更新资源或不可更新资源的量、τ表示相应量的能值转换率)；(4)用水系统能值总产出的分析用水系统能值产出包括用水系统正效益的产出，也包括由于污水排放造成的环境污染损失、污水处理给经济社会带来的经济损失、地表水过渡开发利用造成的水生生物减少损失以及地下水超采造成的地面沉降损失造成的负效益产出，其计算公式如下：EMY＝EMYP-EMYD式中，EMY表示用水系统能值总产出；EMYP表示用水系统产出正效益总能值；EMYD表示用水系统产出负效益总能值；其中，所述的用水系统正效益产出总能值EMYP根据用水系统能值表中收集记录的正效益产出原始数据以及公式为EM＝τ×B即可得出(式中，EM表示能值、B代表用水系统正效益产出量、τ表示相应量的能值转换率)；所述的用水系统造成的负效益产出总能值EMYD分析公式如下：EMYD＝EMYDP+EMYDS+EMYDB+EMYDF式中，EMYDP表示污水排放造成的环境污染损失能值；EMYDS表示污水处理给经济社会带来的经济损失能值；EMYDB表示地表水过度开发利用造成的水生生物减少能值；EMYDF为地下水超采造成的地面沉降能值；其中，所述的污水排放造成的环境污染损失能值EMYDP的分析公式如下：EMYDP＝(τWA-τWB)×WD式中，τWA表示污染前水体能值转换率(sej/m3)；τWB表示污染后水体能值转换率(sej/m3)；WD表示未经处理的污水直接排放量(m3)；所述的污水处理给经济社会带来的经济损失能值EMYDS的计算公式如下：EMYDS＝(τWP-τWT)×WDT式中，τWP表示处理前污水能值转换率(sej/m3)；τWT表示污水处理后的能值转换率(sej/m3)；WDT表示污水处理量(m3)；所述的地表水过渡开发利用造成的水生生物减少能值EMYDB的计算公式如下：EMYDB＝NDB×RDB×τDB式中，NDB表示因地表水过度开发而减少的区域水生生物物种(S)；RDB为水生生物物种活动面积占全球面积的比例；τDB为水生生物物种的能值转换率(sej/S)；所述的地下水超采造成的地面沉降能值EMYDF的计算公式如下：EMYDF＝HDF×ADF×ρDF×GDF×τDF式中，HDF表示地下水超采造成的地面沉降高度(m)；ADF表示地下水超采造成的地面沉降面积(m2)；ρDF表示沉降地面土壤密度(g/m3)；GDF表示土壤相对于其周围环境的吉布斯自由能(J/g)；τDF表示土壤能值转换率(sej/J)；(5)用水系统能值净产出的分析能值净产出为能值总产出与能值总投入之差，根据步骤(4)和步骤(5)所述的用水系统能值总投入和能值总产出即可得出，用水系统的能值净产出如下：EMN＝EMI-EMY式中，EMN表示用水系统能值净产出；(6)用水系统单方水能值净产出的分析根据用水系统的单方能值净产出REM(sej/m3)来表征用水系统的用水效率，公式如下：REM=EMNW]]>式中，REM表示用水系统的单方能值净产出，W表示用水系统的用水总量(m3)；与现有技术相比，本发明具有以下积极有益效果根据本发明的分析方法和计算体系，只需要获取区域或部门、行业不同类型的基本物质投入、产出量，即可求得不同区域、部门、行业统一量纲的用水效率，实现了多部门之间用水效率的统一对比分析，通过不同区域、不同部门、不同行业用水效率的横向对比分析，能够对整个用水系统的用水情况建立客观的评价标准，有助于找出用水效率低下的行业，分析用水效率低下的原因，以更高效、简便的提高用水效率，实现多部门、多区域水资源的综合管理和调度，以更好的提高用水效率。本发明分析方法还有助于实现有限水资源在不同行业间的优化配置，科学实施多部门水资源的综合管理，为用水效率红线及最严格水资源管理制度的实施提供最优技术支撑。附图说明图1为工业用水系统能量系统图；图2为农业用水系统能量系统图；图3为生活用水系统能量系统图。具体实施例下面通过更加详细的内容对本发明进行更加详细的说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。实施例1该实施例通过对郑州市不同部门间的相关数据收集，用能值统一分析了郑州市不同部门间用水效率，包括以下步骤：(1)构建用水系统能量系统图所述的用水系统能量系统图的构建包括以下步骤：A.确定用水系统中的能量及物质来源、能量产出以及系统内部各组分间的作用过程；B.绘制矩形，列出用水系统的能量及物质来源和能量产出，分别用符号表示绘制在所述的矩形边框以内或矩形边框以外；C.确定步骤A所述系统内部各组分间的作用过程，并以各种能量符号图例绘制；D.列出步骤C所述系统内部各组分间的作用过程中的水循环过程，及其伴随的能物流、货币流以及生态经济流的能量流动和物质转化关系；E.绘制出用水系统能量系统图全图，先绘制出步骤B所述的矩形，然后绘制矩形边框外部的各部分图例，沿矩形边框周边排列；再绘制矩形边框以内各组分的图例，矩形边界内外各图例从投入到产出由左向右排列，得到所述的用水系统能量系统图；所述的用水系统能量系统图包括：工业用水系统能量系统图，农业用水系统能量系统图，生活用水系统能量系统图；所述的工业用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源主要为可更新资源和不可更新资源；所述的可更新资源包括太阳能、风能、地球旋转能(地球作用)、雨水势能、雨水化学能、水资源(地表水、地下水、外来水)、海浪潮汐；所述的不可更新资源包括能源、燃料、原材料和社会经济系统的反馈输入，其中所述的能源主要为电能、燃油和机械能，所述的社会经济系统的反馈输入主要为劳务、科技、信息和资金；所述的工业用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为工业产品；所述的负效益产出主要为工业污水排放造成的环境污染损失、工业污水处理给经济社会带来的经济损失、工业大量用水造成的水生生物减少、地下水超采造成的地面下降；其能量系统图如图1所示；所述的农业用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源包括可更新资源和不可更新资源；所述的可更新资源主要为太阳能、风能、当地地表水、当地地下水、雨水、外来水(包括引黄水和南水北调水)、种子、人力蓄力、有机肥；所述的不可更新资源主要为土壤、传统化肥、农药、电力、机械；所述的机械包括柴油和农用机械，所述的有机肥和传统化肥均为化肥；所述的农业用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为种植业产品、林产品、畜产品和水产品，除了小部分农产品满足农民生活需要和留作种子外，大部分均进入市场进行销售，所述的负效益产出主要为农业灌溉超采地下水引起的地面沉降和农业退水造成的面源污染，其能量系统图如图2所示；所述的生活用水系统能量系统图，其中的能量及物质来源包括可更新资源和不可更新资源，所述的可更新资源包括太阳能、风能、雨水、外来水、地表水、地下水及生活用水，所述的生活用水包括自来水、矿泉水和纯净水；所述的不可更新资源包括粮食、蔬菜类基本生活物资及饮食服务；所述的生活用水系统能量产出包括正效益产出和负效益产出，所述的正效益产出主要为劳动力回复和维持(以居民可支配收入表示)，所述的负效益产出主要为生活污水的排放和污水治理的投入；其能量系统图如图3所示；(2)编制用水系统能值分析表所述的工业用水系统能值分析表包括以下步骤：a.根据步骤(1)构建的用水系统能量系统图，列出郑州市不同用水系统能量系统图中的能量及物质来源和能量产出项目，并按照能量及物质来源、能量产出项目的类别分别进行分类排列；b.根据《郑州市统计年鉴》、《郑州市水资源公报》以及《生态经济系统能值分析》收集步骤a所述系统内各类物质、能源相应的物质量、能量及相应的能值转换率的原始数据；c.将步骤b得到的各类物质、能源相应的物质量、能量转换为共同的能值单位，转化公式为EM＝τ×B(式中，EM表示能值、τ表示能值转换率、B代表能量或物质的量)，分类汇总列表即可得到用水系统能值分析表；如表1所示。通过收集到的原始数据，分别编制工业用水系统能值分析表1、农业用水系统能值分析表2、生活用水系统能值分析表3；表1工业用水系统能值分析表表2农业用水系统能值分析表表3生活用水系统能值分析表由以上原始数据的记录可得，郑州市区域综合用水系统的能值分析表，如表4所示：表4区域综合用水系统能值分析表(3)用水系统能值总投入、产出的分析用水系统能值总产出既包括系统正效益的产出，也包括由于污水排放造成的环境污染损失、污水处理给经济社会带来的经济损失、地表水过渡开发利用造成的水生生物减少损失、地下水超采造成的地面沉降损失所造成的负效益产出，其分析计算公式如下：EMY＝EMYP-EMYD式中，EMY为用水系统能值总产出；EMYP为系统正效益产出能值；EMYD为用水给生态环境系统造成的负效益能值。根据表格中原始数据以及相应能值转换率的记录，由公式EM＝τ×B可得出每种能量或物质对应的能值，如表中数据记录所示；由表1数据可得，工业用水系统中可更新资源的投入能值为37.07×1020sej，不可更新资源投入能值为1160.14×1020sej，即工业用水系统能值总投入为1197.21×1020sej；总产出能值为1987.55×1020sej；所以工业用水系统能值净产出为790.34×1020sej。如表5所示。由表2数据可得，农业用水系统可更新资源能值总投入为29.60×1020sej，不可更新资源的能值为141.25×1020sej，即农业用水系统的总投入能值为170.85×1020sej；农业用水系统总产出能值为409.98×1020sej；所以农业用水系统能值净产出为239.13×1020sej。如表5所示。由表3数据可得，生活用水系统的可更新资源能值投入为115.44×1020sej，不可更新资源能值投入为459.35×1020sej，生活用水系统能值总投入为574.79×1020sej，能值总产出为779.12×1020sej；所以生活用水系统能值净产出为204.33×1020sej。如表5所示。由表4可得，区域综合用水系统可更新资源的投入能值为182.11×1020sej，不可更新资源的投入能值为1760.74×1020sej，即区域综合用水系统能值总投入为1942.85×1020sej；总产出能值为3176.65×1020sej；所以区域综合用水系统的能值净产出为1233.80×1020sej。表5所示。表5用水系统能值净产出分析结果用水系统能值总投入(1020sej)能值总产出(1020sej)能值净产出(1020sej)工业1197.211987.55790.34农业170.85409.98239.13生活574.79779.12204.33区域综合1942.853176.651233.80(4)用水系统单方水能值净产出根据用水系统的能值净产出和用水量的数据记录，由公式得到单方水能值净产出，由单方水能值净产出表征用水系统的用水效率，分析结果如表6所示，表6郑州市用水系统用水效率分析结果由上面的计算结果可知，使用本发明的分析方法实现了不同部门之间的用水效益的统一分析，郑州市工业用水效率为164.31×1012sej/m3，农业用水效率为34.70×1012sej/m3，生活用水效率65.70×1012sej/m3，通过对不同部门之间的用水效率的比较，能够更好的发现造成用水效率低的根源，采取措施治理造成用水效率低的关键因素。不实现不同部门之间的对比，只是在同一部门之间进行对比时，只能在同一个部门中发现用水效率低的原因，不能从整体上把握用水的效率，无法从根本上改变用水效率低的现象。通过统一比较可得，在郑州市的整个区域用水过程中，工业用水的效率较高、而农业用水效率明显偏低，而造成农业用水系统用水效率低的原因一方面是部分农产品的能值转换率较低，另一方面是由于农业用水量大，是工业用水的1.5倍，生活用水的2.3倍，此外农业用水系统负效益产出也相对较大，因此种植经济效益较高的农作物、大力实施节水灌溉，通过雨水回灌防止地面沉降并控制面源污染是提高农业用水系统用水效率的主要方法；生活用水系统中用水效率的提高主要依靠节水器具的普及和大众节水意识的提高；工业用水系统的用水效率相对较高，其中造成工业用水效率产出负效益的主要原因为工业生产过程中的污水排放，因此减少污水排放是提高生活用水效率及工业用水效益的有效措施。由以上数据分析结果可得，最终得出郑州市区域综合用水效率为82.12×1012sej/m3。用同样的分析方法可得到天津市、大连市、锦州市以及河南省四个区域的区域综合用水系统的用水效率，如表7所示：表7不同地区用水系统用水效率对比分析通过表7数据对比分析，可知郑州市综合用水效率低于天津市而高于大连市、锦州市及河南省平均水平。通过对比分析总结用水效率较高地区的用水规律以及用水效率较低地区的用水规律，以采取较好的措施提高各个地区的用水效率，达到更大范围节约用水的目的。在不同区域的用水效率无法统一对比时，则不能实现不同地区的用水效率的高低对比，难以实现全范围内的用水效率的提高。即本发明所述的用水统一评价方法能够统一评估全国不同地区、不同城市、不同部门的用水效率，更清晰的分析区域用水过程中水资源利用率低下的关键影响因素，有利于发现水资源开发利用中存在的不合理因素，然后从根本上改善水资源利用状况，促进用水效率的提高。传统的用水效率评价中，各个部门的评价指标不同，只能在部门之内对用水效率进行一定的评价，无法在不同领域之间进行评价，因此无法从整体上找出用水效率低的关键因素，不能从根本上改变用水效率的状况。我国水资源矛盾突出，建设节水型社会、提高水资源利用效率和效益，是解决我国干旱缺水问题的关键。最严格水资源管理制度也将用水效率作为水资源开发利用控制管理的“三条红线”之一。因此，科学、客观、准确地进行水资源利用效率评价，有助于发现水资源开发利用中存在的不合理、低效率等问题，从而抓住用水效率低下的源头，从根本上改善水资源利用状况，促进水资源利用效率的提高。不同地区、不同城市、不同部门间用水效率的统一评价，有助于实现不同部门、行业间用水效率的横向比较分析，找出用水效率较低的行业，分析原因，提高其用水效率；有助于实现有限水资源在不同行业间的优化配置，科学实施多部门水资源的综合管理，为用水效率红线及最严格水资源管理制度的实施提供技术支撑。当前第1页1 2 3