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篇1

關(guān)鍵詞：大型火電；生物質(zhì)氣化；耦合發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM611 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0037-02

引言

生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存于生物質(zhì)內(nèi)部的能量，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)能幾乎不含硫、含氮很少，碳通過光合作用，近排放量幾乎為零，因此是一種清潔可再生能源?；厥丈镔|(zhì)能，不僅能夠提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)減少二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和粉塵的排放，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)就是一種能源高效清潔利用的方法。

1 技術(shù)方案

本文以600MW燃煤鍋爐耦合1×30MW生物質(zhì)氣化發(fā)電為例進(jìn)行分析，該電廠采用最新高效發(fā)電技術(shù)和高效靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、爐內(nèi)低氮燃燒+SCR煙氣脫硝等污染物脫除設(shè)備，并利用生物質(zhì)氣化后的合成氣送入燃煤鍋爐進(jìn)行再燃，還原主燃區(qū)產(chǎn)生的NOx[1]，降低SCR煙氣脫硝負(fù)荷，將污染物的排放控制在的排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

生物質(zhì)氣化采用循環(huán)流化床氣化技術(shù)，氣化介質(zhì)和生物質(zhì)通過熱化學(xué)反應(yīng)生成CO、H2及少量碳?xì)浠衔锟扇細(xì)?。此生物質(zhì)氣化裝置將產(chǎn)生的可燃?xì)庾鳛槿剂纤腿肴济哄仩t與煤粉一起燃燒發(fā)電。

相比傳統(tǒng)的生物質(zhì)直燃電廠[2，3]，工藝流程短，無需再配備汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)輸出以及煙氣凈化等系統(tǒng)，投資少，占地面積小，配置工作人員少，而且生物質(zhì)氣化綜合發(fā)電效率達(dá)30%以上，生物質(zhì)燃料可節(jié)省25～30%；同時(shí)生物質(zhì)直燃存在嚴(yán)重的堿金屬腐蝕及鍋爐結(jié)焦的問題，對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行是極為不利，生物質(zhì)中堿金屬的存在，還會(huì)引起NOX催化劑控制設(shè)備老化或失效；燃燒方式通用性較好，對(duì)原燃煤系統(tǒng)影響較小。

相比常壓、空氣氣化耦合發(fā)電方案，加壓、富氧耦合發(fā)電技術(shù)投資略高，但加壓富氧氣化可以更大規(guī)模、更靈活處理生物質(zhì)，對(duì)原料的適應(yīng)性也更加廣泛，氣化效率、燃?xì)馄焚|(zhì)有較大提高[4]，對(duì)鍋爐的安全性更加有利，同時(shí)占地面積??；另外加壓富氧氣化省去了常壓氣化中的高溫燃?xì)庖L(fēng)機(jī)，同時(shí)燃?xì)夤軓捷^小，消除了生產(chǎn)運(yùn)行中一個(gè)重大的安全隱患。

工藝路線主要為：經(jīng)過處理且滿足粒度要求的生物質(zhì)燃料，送入加壓裝置加壓后的生物質(zhì)，通過螺旋輸送機(jī)送入氣化爐，在一定溫度下，氣化爐內(nèi)生物質(zhì)在氣化介質(zhì)的作用下氣化生成可燃?xì)?，再?jīng)過旋風(fēng)除塵送入余熱鍋爐，可燃?xì)饨禍赜?jì)量后，熱可燃?xì)庵苯铀腿肴济哄仩t上改造增加的生物質(zhì)燃?xì)鈬娍谠偃?，利用原有發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。整個(gè)裝置主要分為生物質(zhì)貯存、進(jìn)料、生物質(zhì)氣化、可燃?xì)獬龎m、熱回收及燃?xì)馊紵９に嚵鞒虉D見圖1。

2 制氣系統(tǒng)

2.1 生物質(zhì)的貯存系統(tǒng)

生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫(kù)收到的生物質(zhì)原料，經(jīng)過稱重和取樣分析水分和熱值后存儲(chǔ)，生產(chǎn)過程中通過裝載機(jī)和抓斗等轉(zhuǎn)運(yùn)裝置將生物質(zhì)送進(jìn)振動(dòng)篩，過濾掉不合格的生物質(zhì)料，再通過螺旋輸送機(jī)和輸送皮帶將合格的生物質(zhì)送到生物質(zhì)加壓進(jìn)料系統(tǒng)的常壓料倉(cāng)。

2.2 加壓進(jìn)料

常壓料倉(cāng)存放的生物質(zhì)料，通過進(jìn)料裝置和閥門進(jìn)入并裝滿鎖斗，然后控制系統(tǒng)用氮?dú)鈱?duì)鎖斗充壓到0.1～0.3MPa時(shí)，生物質(zhì)燃料再通過下料閥和下料裝置進(jìn)入加壓給料倉(cāng)，在加壓給料倉(cāng)的底部裝有螺旋輸送機(jī)，生物質(zhì)料由螺旋輸送機(jī)不斷送入生物質(zhì)氣化爐。生物質(zhì)鎖斗在卸完料后，鎖斗將恢復(fù)到常壓狀態(tài)，重新進(jìn)料和充壓，進(jìn)行下一次循環(huán)物料的輸送。

2.3 生物質(zhì)氣化及氣體凈化

氣化爐是整個(gè)氣化系統(tǒng)的主要設(shè)備[2]，采用流化床作為氣化爐的爐型，加壓給料倉(cāng)輸送過來的生物質(zhì)從氣化爐的中下部進(jìn)入爐膛反應(yīng)區(qū)；在氣化爐的底部，空氣和氧作為氣化劑送入爐膛，在爐膛內(nèi)生物質(zhì)、空氣和氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態(tài)；同時(shí)，在氣化溫度為700～980℃，氣化壓力為0.1～0.3Mpa的條件下，以及在高溫床料有效的傳熱和傳質(zhì)的作用，加速氣化反應(yīng)速度，最終生成成分為CO、H2、CO2、CH4、H2O、N2及少量焦油的高溫可燃?xì)狻?/p>

生物質(zhì)原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會(huì)產(chǎn)生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統(tǒng)；另一部分灰渣則可通過下游旋風(fēng)分離器從可燃?xì)庵蟹蛛x出來，灰渣從旋風(fēng)分離器底部排出，送到貯存系統(tǒng)。可燃?xì)鈩t從旋風(fēng)分離器的頂部出來，進(jìn)入下游的余熱鍋爐。

2.4 熱量回收

進(jìn)入余熱鍋爐可燃?xì)獾臏囟燃s為900℃，因溫度高，燃獾ノ惶寤密度小，為了減小燃?xì)廨斔驮O(shè)備的體積和材質(zhì)等級(jí)，同時(shí)還要保證可燃?xì)庵械慕褂筒焕淠?，高溫可燃?xì)饨?jīng)過余熱鍋爐釋放熱量降溫到400℃左右，同時(shí)也根據(jù)鍋爐運(yùn)行參數(shù)，自行控制溫降，余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓水蒸汽并入電廠管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.5 可燃?xì)獾妮斔秃腿紵?/p>

經(jīng)過除塵和余熱鍋爐的可燃?xì)猓瑲怏w流量約為5×104Nm3/h，溫度約為400℃，壓力約為0.2MPa。可燃?xì)饨?jīng)過在線成分分析，根據(jù)輸入鍋爐的熱量計(jì)算可燃?xì)獾牧髁?，將特定量的可燃?xì)庠偎偷饺济哄仩t前獨(dú)立的燃?xì)馊紵鬟M(jìn)入鍋爐再燃發(fā)電。在事故情況下，可燃?xì)庥歇?dú)立的緊急排放和切斷系統(tǒng)，氣化爐的安全保護(hù)系統(tǒng)將啟動(dòng)緊急停車，將氣化系統(tǒng)與燃煤鍋爐切斷隔離，可燃?xì)鈱⒁涟踩珔^(qū)域處理，同時(shí)啟動(dòng)氮?dú)庵脫Q的保護(hù)程序，煤氣放散裝置設(shè)有點(diǎn)火裝置及氮?dú)鉁缁鹪O(shè)施。

2.6 經(jīng)濟(jì)效益和污染物排放

（1）按大型火電耦合生物質(zhì)氣后，年發(fā)電量不變的情況

下，每年可以節(jié)省約7.5萬噸標(biāo)煤；可分別削減SO2排放約29.48t/a、煙塵排放約14.18t/a及NOx排放約63.77t/a；從溫室氣體減排角度，可削減CO2排放約12.33萬t/a。

（2）按大型火電耦合生物質(zhì)氣后，年發(fā)電量不變的情況

下，生物質(zhì)氣發(fā)電量約為18萬MWh，按照電價(jià)0.75元/KWh，則生物質(zhì)氣發(fā)電每年收入約13500萬元。

（3）一臺(tái)生物質(zhì)氣化爐系統(tǒng)設(shè)備的總投資約為1.9億元，基本收益率按7.0%，年運(yùn)行費(fèi)用考慮廠用電和生物質(zhì)原料費(fèi)用約6000萬元。

（4）年費(fèi)用的計(jì)算如下，計(jì)算公式為[5]：

A-年費(fèi)用；P-初投資；R-年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；I-基準(zhǔn)收益率取7.0%；n-經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)年按20年計(jì)算

R=6000萬，P=19000萬，經(jīng)計(jì)算大約需要5年回收成本?？梢娫跔?zhēng)取到生物質(zhì)標(biāo)桿電價(jià)0.75元/KWh的條件下，采用大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益很好。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，生物質(zhì)能的利用，不僅優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)收入，還可有效降低污染物的排放，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，通過分析大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電，無論在技術(shù)上、處理規(guī)模和投資性價(jià)比都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電是理想的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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[3]宋艷蘋.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

篇2

關(guān)鍵詞：低碳循環(huán) 耦合 結(jié)構(gòu) 途徑 國(guó)有林區(qū)

中圖分類號(hào):F207 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-4914（2012）02-054-02

一、引言

長(zhǎng)期的過量采伐，導(dǎo)致許多國(guó)有林區(qū)森林可采林木資源瀕臨枯竭，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)索取和人口的生存需求所產(chǎn)生的雙重壓力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了森林資源和自然環(huán)境的承載力，導(dǎo)致林區(qū)人口與資源、環(huán)境沖突加劇，森林資源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，國(guó)有林區(qū)深深陷入森林資源危機(jī)、企業(yè)經(jīng)濟(jì)危困的“兩危”困境之中。通過低碳經(jīng)濟(jì)模式與低碳生活方式，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)達(dá)成的共識(shí)。在2010年的兩會(huì)上，國(guó)家林業(yè)局局長(zhǎng)賈治邦表示，林業(yè)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，林業(yè)要走循環(huán)經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路。

二、國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的結(jié)構(gòu)特征

（一）國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的界定

低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是指以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)，以減量化、再利用、資源化的“3R”原則為指導(dǎo)，以高效能、高效率為特征的綠色生態(tài)經(jīng)濟(jì)，是人類社會(huì)繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進(jìn)步。國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)則是一種源頭控制、過程控制、目標(biāo)控制相結(jié)合的立體型低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。所謂林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是指在林區(qū)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)過程中，通過科學(xué)管理和技術(shù)創(chuàng)新，增加森林碳匯，減少林業(yè)碳源，增加廢棄物的回收利用，提高資源的使用效率，從而以較少的溫室氣體排放獲得較大產(chǎn)出的新的林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

（二）國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是以“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”復(fù)雜巨系統(tǒng)為背景，以低碳循環(huán)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的特殊循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，國(guó)有林區(qū)本身就是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，在實(shí)施低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展模式中就形成了國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展系統(tǒng)，此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖如圖1所示。

（三）國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的結(jié)構(gòu)特征分析

1.開放性。開放性體現(xiàn)在以系統(tǒng)與外界環(huán)境的物質(zhì)、能量交換為基礎(chǔ)，以各個(gè)子系統(tǒng)間碳減排為手段，以提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為目標(biāo)的相互作用的過程。低碳模式不斷從外界汲取負(fù)熵流，在系統(tǒng)內(nèi)部，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)互為背景，通過碳減排，循環(huán)經(jīng)濟(jì)手段達(dá)到“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)”低碳循環(huán)動(dòng)態(tài)均衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

2.高維性。國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展系統(tǒng)是由低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳循環(huán)社會(huì)和低碳循環(huán)生態(tài)等子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)，而每一個(gè)子系統(tǒng)又包括其各自的子系統(tǒng)，由于低碳循環(huán)系統(tǒng)組織在作用、結(jié)構(gòu)與功能上表現(xiàn)出等級(jí)秩序性，以上這些系統(tǒng)還可以繼續(xù)劃分系統(tǒng)等級(jí)，如此逐層分解，形成了低碳循環(huán)模式系統(tǒng)的龐大的層次結(jié)構(gòu)。

3.復(fù)雜性。國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)發(fā)展系統(tǒng)是“經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)”三維一體的多目標(biāo)復(fù)合系統(tǒng)和有機(jī)整體，發(fā)展低碳循環(huán)模式就是要從系統(tǒng)整體的角度著眼，綜合協(xié)調(diào)和控制低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)整體和部分的關(guān)系，統(tǒng)籌整體功能和局部利益，實(shí)現(xiàn)以人為中心的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)均衡。

4.涌現(xiàn)性。在低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式內(nèi)部，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)各子系統(tǒng)之間通過吸收、反饋、協(xié)同、耦合等系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)態(tài)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化和創(chuàng)新，從而使系統(tǒng)內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從獨(dú)立到融合、從封閉到開放、從無序到有序的演化，涌現(xiàn)出各子系統(tǒng)所不具備的整體效應(yīng)，即:“經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)”的低碳均衡動(dòng)態(tài)發(fā)展。

（四）國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)

為了保證國(guó)有林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與森林資源利用、林業(yè)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，走森林資源可持續(xù)發(fā)展之路，必須大力推進(jìn)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)，特別是要把資源循環(huán)利用放在突出位置，以“減量化、再利用、再循環(huán)、低能耗、低排放、低污染”為基本途徑，貫穿于森林資源培育、資源利用、資源回收、能源生產(chǎn)利用、污染物排放等的各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)的永續(xù)發(fā)展。

根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)的異同點(diǎn)，立足我國(guó)當(dāng)前國(guó)情，以兩者已取得的發(fā)展成就為基礎(chǔ)，將“3R”原則運(yùn)用到“社會(huì)－生態(tài)”系統(tǒng)，走低碳經(jīng)濟(jì)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展之路，以克服低碳經(jīng)濟(jì)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)單行發(fā)展的困境。國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展模式致力于兩個(gè)重點(diǎn)：

第一，以低碳經(jīng)濟(jì)補(bǔ)充循環(huán)經(jīng)濟(jì)的能源缺口，同時(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)效益則形成推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力。如此一來，單獨(dú)推行循環(huán)經(jīng)濟(jì)無法解決的能源循環(huán)困境就可通過低碳經(jīng)濟(jì)要求的低碳、零碳等新能源開發(fā)利用而得以破解；低碳經(jīng)濟(jì)單行發(fā)展的現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)效益瓶頸也可被循環(huán)經(jīng)濟(jì)突破，從而刺激個(gè)人的低碳消費(fèi)、企業(yè)的低碳生產(chǎn)和林區(qū)的低碳流通，推動(dòng)國(guó)有林區(qū)低碳產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

第二，在具體到制定相關(guān)政策措施時(shí)，整合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)所需的運(yùn)行環(huán)境“軟件”及技術(shù)“硬件”的相似性，積極推行能促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的相應(yīng)措施和相關(guān)對(duì)策，實(shí)現(xiàn)兩者正效應(yīng)的疊加，做到一舉兩得。

三、國(guó)有林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展的實(shí)現(xiàn)途徑

（一）加強(qiáng)森林資源培育、管護(hù)和監(jiān)測(cè)

1.加強(qiáng)森林資源培育。按照碳匯和減排的要求，加強(qiáng)林業(yè)低碳循環(huán)森林培育業(yè)的建設(shè)。一是充分利用現(xiàn)代科技、管理等手段推進(jìn)科學(xué)經(jīng)營(yíng)，加強(qiáng)速生豐產(chǎn)林、珍貴樹種和大徑級(jí)用材林、能源林等商品林的建設(shè)以及防護(hù)林、水源涵養(yǎng)林等生態(tài)公益林的保護(hù)和營(yíng)造，加大森林資源培育力度，提高森林資源總量，增加森林碳匯儲(chǔ)量；二是在森林培育全過程中，科學(xué)整地、施肥和撫育，減少土壤、化肥以及林木腐解等釋放的CO2量，并充分利用生物質(zhì)能、太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔新能源，減少化石能源的使用，從而實(shí)現(xiàn)森林培育的減排。

2.加強(qiáng)森林資源管護(hù)。建立健全森林資源管護(hù)經(jīng)營(yíng)責(zé)任制，將管護(hù)區(qū)落實(shí)到山頭地塊，將管護(hù)責(zé)任落實(shí)到人頭，強(qiáng)化管護(hù)人的監(jiān)督和管理責(zé)任，充分調(diào)動(dòng)職工群眾管護(hù)森林的積極性。要逐步建立管護(hù)經(jīng)營(yíng)責(zé)任人參與分配森林資源培育成果的機(jī)制。

（二）遵循3R原則，實(shí)施清潔生產(chǎn)，促進(jìn)森林資源（下轉(zhuǎn)第56頁(yè)）（上接第54頁(yè)）循環(huán)利用

實(shí)施清潔生產(chǎn)，既需要有國(guó)家宏觀層面的推動(dòng)，又需要有企業(yè)微觀層面的執(zhí)行。在企業(yè)層面上，實(shí)施清潔生產(chǎn)，提高森林資源循環(huán)利用率。林業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)方式是：“木質(zhì)或非木質(zhì)資源―產(chǎn)品―剩余物―產(chǎn)品”，它以閉路循環(huán)的形式在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)森林資源的最充分和最合理利用。實(shí)施清潔生產(chǎn)要求企業(yè)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)觀念，發(fā)展節(jié)能環(huán)保技術(shù)，發(fā)展回收處理技術(shù)，盡可能的減少產(chǎn)品和服務(wù)的森林資源使用量；盡可能減少?gòu)U棄物質(zhì)的排放；盡可能提高森林資源產(chǎn)品的耐用度和抗變性；盡可能提高森林資源產(chǎn)品和服務(wù)的強(qiáng)度；盡可能強(qiáng)化相關(guān)森林資源產(chǎn)品的回收和再利用。

（三）建立區(qū)域產(chǎn)業(yè)代謝，構(gòu)建林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化體

建立林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)化體系，建立綠色森林資源原料產(chǎn)業(yè)基地，發(fā)揮各地區(qū)的比較優(yōu)勢(shì)；發(fā)展綠色林副產(chǎn)品加工、種植和馴養(yǎng)產(chǎn)業(yè)，充分利用現(xiàn)有森林資源；發(fā)展森林的生態(tài)觀光、旅游業(yè)，滿足現(xiàn)代人日益增長(zhǎng)的多重需求；發(fā)展高科技綠色森林產(chǎn)品深加工業(yè)，用高科技來發(fā)掘森林資源的無窮價(jià)值；強(qiáng)化森林環(huán)境保護(hù)和水土保持，維護(hù)森林資源未來發(fā)展?jié)摿??？梢园l(fā)展低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，構(gòu)建低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化體。

（四）實(shí)施綠色低碳消費(fèi)方式，增強(qiáng)低碳消費(fèi)意識(shí)

通過定期舉辦培訓(xùn)班和講座等方式宣傳低碳農(nóng)業(yè)相關(guān)知識(shí)，鼓勵(lì)人們節(jié)約資源、使用節(jié)能產(chǎn)品，推動(dòng)全社會(huì)節(jié)能減排行動(dòng)；加強(qiáng)媒體和公眾在低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展中的監(jiān)督作用，引導(dǎo)企業(yè)逐步在公眾中樹立良好的“低碳經(jīng)濟(jì)”形象，促進(jìn)企業(yè)完成低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和指標(biāo)。

（五）堅(jiān)持不懈地植樹造林，提高森林碳匯功能，繼續(xù)推動(dòng)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展

林木生物質(zhì)能源是直接來自光合作用的木材，以及根、莖、葉等采伐剩余物和刨花、碎木、木屑等加工剩余物,還包括各類可作為能源的木制品廢物等。林木生物質(zhì)能源資源豐富、可再生性強(qiáng),林木生物質(zhì)能源的開發(fā)利用可以有效地緩解能源緊張的局面,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),改善生態(tài)環(huán)境。

在吸收借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合發(fā)展實(shí)際，制定符合自身發(fā)展要求的林木生物質(zhì)能源的發(fā)展規(guī)劃與措施，以促進(jìn)林木生物質(zhì)能源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（六）加強(qiáng)政府對(duì)林區(qū)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策支持

要加強(qiáng)政府對(duì)低碳林業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)，制定農(nóng)村新能源發(fā)展利用綱要和專項(xiàng)規(guī)劃，提出低碳循環(huán)林業(yè)的發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)和措施，研究低碳循環(huán)林業(yè)的統(tǒng)計(jì)方法和考核指標(biāo)，逐步建立和完善能源效果評(píng)價(jià)機(jī)制。

研發(fā)森林資源低碳循環(huán)利用技術(shù)，大力發(fā)展信息技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境無害化技術(shù)、再利用技術(shù)、系統(tǒng)化技術(shù)等，支撐森林資源低碳循環(huán)利用的技術(shù)體系。推廣低碳循環(huán)林業(yè)技術(shù)并建立林業(yè)示范區(qū)。借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，大力推廣沼氣工程、秸稈綜合利用、節(jié)水灌溉、林業(yè)機(jī)械節(jié)能減排等技術(shù)，減少溫室氣體的排放，改善生態(tài)環(huán)境。

借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)市場(chǎng)化的政策工具，探索發(fā)展碳排放配額交易市場(chǎng)，建立廣泛的碳交易機(jī)制，使低碳產(chǎn)品、低碳技術(shù)、低碳服務(wù)市場(chǎng)化。

建立林產(chǎn)品低碳認(rèn)證制度，對(duì)符合條件的低碳林產(chǎn)品實(shí)行低碳認(rèn)證，并給予這些林產(chǎn)品一定價(jià)格補(bǔ)貼，改善林業(yè)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。

[項(xiàng)目來源:黑龍江省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（10C020）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（DL11CC14）]

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篇3

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；技術(shù)創(chuàng)新；產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)；耦合協(xié)調(diào)；湖南省

產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上是產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以獲得更多的利潤(rùn)，外在表現(xiàn)為從弱小到強(qiáng)大、從不成熟到成熟的過程，顯示了產(chǎn)業(yè)在數(shù)量變化上的特征；內(nèi)在的表現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)技術(shù)的提高，是產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)中質(zhì)的改變，是引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展以及決定產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)速度的根本因素（趙玉林、徐娟娟，2009）。作為產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)層級(jí)的一種標(biāo)志，技術(shù)創(chuàng)新不僅使產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)有了內(nèi)在的動(dòng)力，而且其速度決定產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的速度。反過來，產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)使得技術(shù)創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)，并為其提供了技術(shù)擴(kuò)散環(huán)境，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的速度。

一、數(shù)據(jù)來源與研究方法

根據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的耦合效應(yīng)分析，建立產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來源于《2011年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料。

二、耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

構(gòu)建產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)耦合協(xié)調(diào)度模型，其目的是測(cè)度出產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間的耦合協(xié)調(diào)效應(yīng)，設(shè)定如表2的耦合協(xié)調(diào)效應(yīng)等級(jí)（劉耀斌等，2005）。

根據(jù)廖重斌（1999）等推導(dǎo)出離差系數(shù)最小化協(xié)調(diào)度模型，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)兩個(gè)系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)不僅僅要求其本身的綜合值要大，還要求它們之間的離差系數(shù)（Cv）較小，離差系數(shù)越小表示的耦合效應(yīng)越大。計(jì)算公式如下：

Cv=■■①

即

Cv=■■

=41-■②

因?yàn)椋?≤Xi（t）≤1，0≤Yi（t）≤1，故Cv最小的充分條件就是■取最大值。

這里，我們定義耦合協(xié)調(diào)度為：

Ci（t）=2×■■③

Ti（t）=αXi（t）+βYi（t）④

Di（t）=■⑤

其中，Xi（t）和Yi（t）分別表示第i產(chǎn)業(yè)在t時(shí)刻技術(shù)創(chuàng)新子系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)子系統(tǒng)的綜合值。Di（t）為耦合協(xié)調(diào)度，Ci（t）為耦合度，Ti（t）為綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，α和β為系數(shù)，且α+β=l，α和β分別代表技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的貢獻(xiàn)系數(shù)。在此技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)表現(xiàn)同等重要，故α=β=0.5。

三、結(jié)果分析

這里，以2010年湖南省七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為例分析產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)耦合效應(yīng)狀況。

第一，先進(jìn)裝備制造業(yè)。先進(jìn)裝備制造業(yè)是湖南省的支柱產(chǎn)業(yè)，占經(jīng)濟(jì)總量比重較高。本文測(cè)度結(jié)果顯示通用裝備制造業(yè)（0.6271）、專用設(shè)備制造業(yè)（0.8148）、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)（0.6404）、電氣機(jī)械及器材制造業(yè)（0.5327），前三個(gè)產(chǎn)業(yè)的耦合效應(yīng)都處于中度耦合以上，產(chǎn)業(yè)耦合效應(yīng)較高，耦合效應(yīng)提升幅度較大。特別是專用設(shè)備制造業(yè)是所有產(chǎn)業(yè)中最高的，處于優(yōu)質(zhì)耦合階段。這表明產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間處于良好藕合狀態(tài)，二者實(shí)現(xiàn)了協(xié)同發(fā)展，共同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)要素稟賦結(jié)構(gòu)的升級(jí)，提高本產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力水平，這是湖南省先進(jìn)裝備制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力呈逐年提升態(tài)勢(shì)的根本原因。

第二，新材料產(chǎn)業(yè)。湖南省新材料產(chǎn)業(yè)中的化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)（0.5502）、非金屬礦物制品業(yè)（0.5222）、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)（0.5725）、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)（0.5792）、金屬制品業(yè)（0.3595）和化學(xué)纖維制造業(yè)（0.1643）呈現(xiàn)出不同態(tài)勢(shì)。前四個(gè)產(chǎn)業(yè)耦合度相對(duì)較高，藕合效應(yīng)良好，這表明這些產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間處于良好的耦合狀態(tài)，二者實(shí)現(xiàn)了協(xié)同發(fā)展；后兩個(gè)產(chǎn)業(yè)耦合度處于嚴(yán)重失調(diào)階段，究其原因在于產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平偏低，而產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)環(huán)境也不是很好，因此，湖南省新材料產(chǎn)業(yè)之間存在嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)分化，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與擴(kuò)散機(jī)制得不到有效運(yùn)行，是新材料產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力水平提升的主要制約因素。

第三，文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。湖南省的儀器儀表及文化、辦公用機(jī)械制造業(yè)（0.3374），處于由嚴(yán)重失調(diào)過渡到中度失調(diào)階段，從耦合度來看，盡管耦合效應(yīng)比較低，其原因還是由于產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新不足。

第四，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)。該產(chǎn)業(yè)耦合度得分為（0.3565），處于中度失調(diào)階段，二者藕合效應(yīng)未得到充分發(fā)揮，其根本原因在于生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平偏低，突出表現(xiàn)在R&D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出投人力度不高、新產(chǎn)品開發(fā)能力不強(qiáng)、新產(chǎn)品產(chǎn)值偏低等方面，由于產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)不匹配，其對(duì)二者藕合效應(yīng)發(fā)揮起到負(fù)面作用，使得本產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)要素稟賦優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，難以提高本產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力水平。

第五，新能源產(chǎn)業(yè)。新能源產(chǎn)業(yè)中的石油加工煉焦及核燃料加工（0.3757）、電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)（0.3409），二者都處于中度失調(diào)階段。其根本原因在于湖南省產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新不高，突出表現(xiàn)在于新產(chǎn)品開發(fā)不足、企業(yè)科技活動(dòng)人員缺乏和專利申請(qǐng)數(shù)太少。新能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)未能實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

第六，信息產(chǎn)業(yè)。通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他電子設(shè)備制造業(yè)藕合度得分為（0.3497），處于中度失調(diào)階段，耦合效應(yīng)低。其根本原因在于湖南省信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的綜合值都比較低，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新制約了產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)也約束了產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間耦合效應(yīng)無法得到發(fā)揮，從產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)相匹配或協(xié)調(diào)角度看，湖南省的信息產(chǎn)業(yè)還需要很長(zhǎng)的路要走。

第七，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)。湖南省的廢棄資源廢舊材料回收加工耦合度得分為（0.1316），處于嚴(yán)重失調(diào)階段。其原因是湖南省節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的綜合值都比較低，信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間耦合效應(yīng)無法得到發(fā)揮，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力低下。

通過對(duì)測(cè)度結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論：一是湖南七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間不匹配，耦合效應(yīng)未得到發(fā)揮的現(xiàn)象普遍存在，耦合效應(yīng)發(fā)揮較好的產(chǎn)業(yè)偏少，大部分產(chǎn)業(yè)耦合度偏低，處于嚴(yán)重失調(diào)和中度失調(diào)狀態(tài)；二是產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)不協(xié)調(diào)，突出表現(xiàn)在二者之間耦合效應(yīng)強(qiáng)度偏低，技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)之間不均衡；三是除先進(jìn)裝備制造業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)外，湖南省其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新偏低，沒有從產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的耦合過程中獲得協(xié)調(diào)效應(yīng)。

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篇4

科學(xué)總是遵循分析-綜合-分析無限往復(fù)的規(guī)律得到發(fā)展的。隨著世界交通、信息和科學(xué)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)展,不同學(xué)科,不同學(xué)科的不同層次,不同生產(chǎn)部門,不同地域之間,出現(xiàn)了多重交叉。在多種交叉過程中,“耦合”的實(shí)際作用和理論意義日益引起社會(huì)的關(guān)注。系統(tǒng)耦合一詞最初源于物理學(xué),后來才逐漸應(yīng)用于其他學(xué)科,如農(nóng)業(yè)和生物等領(lǐng)域。

1.1系統(tǒng)耦合的科學(xué)概念

2個(gè)或2個(gè)以上性質(zhì)相近的生態(tài)系統(tǒng)具有互相親合的趨勢(shì)。當(dāng)條件成熟時(shí),它們可以結(jié)合為一個(gè)新的、高一級(jí)的結(jié)構(gòu)——功能體,這就是系統(tǒng)耦合。任何系統(tǒng),其非平衡態(tài)是絕對(duì)的,平衡態(tài)是相對(duì)的、偶存的(任繼周,1999)[1]。系統(tǒng)自由能的積累可使系統(tǒng)進(jìn)入非平衡態(tài)。通常所說的“能量是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力”,無疑也適用于系統(tǒng)耦合。當(dāng)條件、參量適當(dāng)時(shí),系統(tǒng)勢(shì)能延伸,可使不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的結(jié)合,產(chǎn)生新的、高一層的系統(tǒng)。它不是原系統(tǒng)量的增大,而是新功能體——具有新質(zhì)的較高層次的系統(tǒng)。它聯(lián)通了2個(gè)或2個(gè)以上的系統(tǒng),發(fā)生系統(tǒng)耦合,由此產(chǎn)生的新系統(tǒng)稱為耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)耦合導(dǎo)致系統(tǒng)的進(jìn)化(任繼周,1999)[1]。系統(tǒng)耦合廣泛存在于農(nóng)業(yè)系統(tǒng),但較少引起人們的注意(任繼周,1999)[1]。性質(zhì)相近一詞,就是具有決定系統(tǒng)本質(zhì)的相同“序參量”的系統(tǒng)。

1.2系統(tǒng)耦合的理論和實(shí)際意義

系統(tǒng)耦合是世界經(jīng)濟(jì)一體化的橋梁,其理論意義在于充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累),導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)化和生產(chǎn)潛力的解放(任繼周,1999)[1]。例如青藏高原的高寒草地牧業(yè)系統(tǒng)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相互耦合,生產(chǎn)潛力得以釋放,就會(huì)產(chǎn)生巨大的生產(chǎn)效應(yīng)和生態(tài)效益(馬玉壽等,1998)[2]。系統(tǒng)耦合的生產(chǎn)潛力源于其催化潛勢(shì)、位差潛勢(shì)、多穩(wěn)定潛勢(shì)和管理潛勢(shì)。催化潛勢(shì):系統(tǒng)耦合過程如同化學(xué)反應(yīng),正、逆向過程并存。如給以催化,就加快了反應(yīng)速度,也增加了其自由能的通量密度。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,不論采取耕作、灌溉、施肥、噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)措施,以生產(chǎn)資料的形式投入能量或元素進(jìn)行的正向催化,還是以及時(shí)收獲農(nóng)產(chǎn)品,迫使農(nóng)業(yè)生物處于非成熟狀態(tài)以保持旺盛生機(jī)進(jìn)行的負(fù)向催化(常用,但未被人們所充分認(rèn)識(shí)的催化手段),都可以促進(jìn)系統(tǒng)的耦合過程,使其生產(chǎn)力提高,從而獲得更多的產(chǎn)品(任繼周,1999)[1]。

系統(tǒng)耦合的位差潛勢(shì):“美國(guó)西部放牧帶與中西部的玉米帶(還有較干旱的高粱帶),通過易地育肥養(yǎng)牛業(yè)加以耦合,使生產(chǎn)水平提高了6倍左右”;“在中國(guó)東南部農(nóng)耕區(qū)與西北部畜牧區(qū)的交會(huì)地帶,從西南到東北劃一條斜線,在這條線的兩側(cè),曾分布著一系列‘茶馬市場(chǎng)’,即牧區(qū)產(chǎn)品與農(nóng)區(qū)產(chǎn)品交換的市場(chǎng)。如云南的大理、四川的西昌、甘肅的臨夏、陜北的榆林、河北的張家口等地,都曾是‘淘金者’的樂園。這是農(nóng)耕系統(tǒng)與畜牧系統(tǒng)2個(gè)生態(tài)系統(tǒng)之間位差勢(shì)能所致。這種位差潛勢(shì),往往表現(xiàn)為市場(chǎng)價(jià)格之差”(任繼周,1999)[1]。王寧在寧夏的研究表明,寧夏平羅縣寶豐清真牛羊肉屠宰批發(fā)市場(chǎng)也是農(nóng)耕區(qū)與草原牧區(qū)會(huì)聚并釋放潛能的場(chǎng)所,在位差潛能的作用下,通過市場(chǎng)這個(gè)“反應(yīng)灶”,生成一個(gè)其功能(主要是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)功能)遠(yuǎn)高于農(nóng)耕區(qū)與畜牧區(qū)自身功能之和的耦合系統(tǒng)(王寧等,2000)[3]。多穩(wěn)定潛勢(shì):復(fù)雜系統(tǒng)要比簡(jiǎn)單系統(tǒng)的總體功能更加穩(wěn)定。這種整體的穩(wěn)定,正是由于多種局部的不穩(wěn)定成分的不斷變化調(diào)節(jié)形成的。耦合系統(tǒng)組分復(fù)雜,子系統(tǒng)位差潛能雖變化不定,但保持了全系統(tǒng)自由能總量較為恒定,故其生產(chǎn)水平較為穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)化階是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)能量和元素轉(zhuǎn)化的階梯。如從可利用的光能到作物產(chǎn)品再到動(dòng)物產(chǎn)品,通過系統(tǒng)耦合,轉(zhuǎn)化階、結(jié)構(gòu)相應(yīng)復(fù)雜,從而使生產(chǎn)震蕩衰減,這無異于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的安全閥,可避免生產(chǎn)水平的大幅漲落(任繼周,1999)[1]。管理潛勢(shì):不同生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過耦合,把所用以構(gòu)建的低層系統(tǒng)綜合為高一級(jí)系統(tǒng),就形成等級(jí)系統(tǒng),并有了等級(jí)系統(tǒng)的調(diào)控特性。高一層的調(diào)控有選擇地忽略下級(jí)系統(tǒng)的無關(guān)細(xì)節(jié),這種管理簡(jiǎn)化而力度增加的事例,在生鋤管理中比比皆是。如區(qū)域化管理、行業(yè)管理、分級(jí)管理等,系統(tǒng)耦合的管理潛勢(shì)就在于此(任繼周,1999)[1]。不同系統(tǒng)經(jīng)過耦合,不僅能使生產(chǎn)水平大增,還可導(dǎo)致系統(tǒng)與外界在物質(zhì)、能量和信息方面的良性循環(huán),同時(shí)使系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定,真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)、高產(chǎn)和穩(wěn)定發(fā)展。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)作為一個(gè)自然-社會(huì)系統(tǒng)的功能體,人為影響有著決定意義。系統(tǒng)耦合可使多個(gè)農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)合理組合,充分發(fā)揮大農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。隨著交通和信息科學(xué)的發(fā)展,系統(tǒng)耦合的作用將日益增長(zhǎng)。我國(guó)過去長(zhǎng)期形成的“以糧為綱”的畸形農(nóng)業(yè)系統(tǒng),只有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合,將傳統(tǒng)的作物系統(tǒng)、林業(yè)系統(tǒng)與草業(yè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,才能有效地組成持續(xù)發(fā)展的、高效的大農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(任繼周,1999)[1]。

2系統(tǒng)耦合文獻(xiàn)分類綜述

2.1耦合理論的發(fā)展歷程

2.1.1物理學(xué)的耦合系統(tǒng)耦合始源于物理學(xué),但在地理、氣象和水體學(xué)中也有應(yīng)用。李鳳全等[4]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和地理信息系統(tǒng)耦合所得的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)吉林西部平原的地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),不僅能夠反映當(dāng)?shù)厮|(zhì)的最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜的狀況,而且能夠體現(xiàn)吉林西部水質(zhì)的空間變化規(guī)律。繆強(qiáng)等[5]利用13個(gè)暴雨個(gè)例,經(jīng)等壓面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了青藏高原天氣系統(tǒng)與背風(fēng)坡淺薄天氣系統(tǒng)耦合相互作用的一些主要特征。其研究結(jié)果表明:大氣內(nèi)部壓能場(chǎng)與流場(chǎng)非平衡強(qiáng)迫既是青藏高原天氣系統(tǒng)和背風(fēng)坡淺薄天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和東移的動(dòng)力機(jī)制,又是這兩類系統(tǒng)耦合相互作用的動(dòng)力條件。劉昌明等[6]曾就中國(guó)水循環(huán)與土壤-植物-大氣水分能量傳輸生態(tài)研究的問題作過綜述,重點(diǎn)闡述了水循環(huán)研究的需求與水量轉(zhuǎn)化的重要機(jī)制、模式及子系統(tǒng)耦合的界面,包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、干旱、半干旱區(qū)等系統(tǒng)耦合的尺度問題。張志南[7]通過概述淺海生態(tài)系的水層系統(tǒng)與底棲系統(tǒng)耦合的基本原理,著重介紹了有機(jī)質(zhì)沉降動(dòng)力學(xué)、底棲生態(tài)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)質(zhì)的響應(yīng)、生物沉降和側(cè)向平流、生物擾動(dòng)和沉積物再懸浮研究的進(jìn)展情況。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)的耦合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自由能的積累,使系統(tǒng)失去平衡并趨同其他生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合,自由能驅(qū)使2個(gè)或2個(gè)以上的生態(tài)系統(tǒng)或亞生態(tài)系統(tǒng),通過會(huì)聚,超循環(huán)和耦合而聯(lián)合,從而形成具有特殊結(jié)構(gòu)功能的更高一級(jí)的新系統(tǒng),即耦合系統(tǒng)(任繼周等,1994)[8]。不同生態(tài)系統(tǒng)的耦合,實(shí)際上是在原有系統(tǒng)之上,把它所用以構(gòu)建的低質(zhì)系統(tǒng)簡(jiǎn)化的產(chǎn)物,不同等級(jí)的系統(tǒng)耦合,產(chǎn)生不同等級(jí)的耦合系統(tǒng),就形成等級(jí)系統(tǒng)。能量的流動(dòng)產(chǎn)生1個(gè)有結(jié)構(gòu)層次的網(wǎng)絡(luò),輸入網(wǎng)絡(luò)的能流相互作用并通過做功過程轉(zhuǎn)化成較高質(zhì)量的能量形式,這一高質(zhì)能具有反饋放大器的作用,幫助生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到最大功率,所以系統(tǒng)耦合必將導(dǎo)致生態(tài)效益的放大。李鎮(zhèn)清等(1995)[9]通過能網(wǎng)自組織原理(奧特姆,1993;韓博平,1993)[10,11],探討了草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)耦合的條件和作用,認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)高質(zhì)能與低質(zhì)能的配置有3種情況:一是系統(tǒng)內(nèi)高質(zhì)能與低質(zhì)能匹配良好;二是高質(zhì)能相對(duì)過剩;三是低質(zhì)能相對(duì)過剩。只有后2種情況有必要進(jìn)行系統(tǒng)耦合,并能使系統(tǒng)的生產(chǎn)效益放大。

2.1.3生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)共同組成的巨系統(tǒng)——生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)。生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的再生產(chǎn)過程是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的再生產(chǎn)和自然生產(chǎn)系統(tǒng)的再生產(chǎn)相耦合的過程(姜學(xué)民等,1993)[12]。曹明宏等[13]認(rèn)為,生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合機(jī)制可分為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的自然耦合(環(huán)境自動(dòng)演替)機(jī)制和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能動(dòng)耦合機(jī)制。并且,這2種耦合機(jī)制同時(shí)貫穿于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量交流之中。自然耦合機(jī)制遵循生態(tài)規(guī)律和其他自然規(guī)律,而能動(dòng)耦合機(jī)制遵循社會(huì)和經(jīng)濟(jì)規(guī)律。自然耦合機(jī)制包括定向耦合機(jī)制,穩(wěn)定耦合機(jī)制,以及分離式耦合機(jī)制。如果沒有人為干預(yù),生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)將按照自然生態(tài)規(guī)律持續(xù)不斷地演替,形成空間時(shí)間上的有序開放性的自組織穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),取得系統(tǒng)本身固有的平衡。能動(dòng)耦合機(jī)制有3種,即適應(yīng)式耦合機(jī)制、塑造式耦合機(jī)制和折中式耦合機(jī)制。

適應(yīng)式耦合機(jī)制是指人類使用的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)手段,不足以對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生大的妨礙,屬于人類較為原始地利用自然環(huán)境資源的情形。塑造式耦合機(jī)制,是指人們?cè)趶?qiáng)大的人口壓力和不斷增長(zhǎng)的社會(huì)需求下,運(yùn)用當(dāng)代科學(xué)技術(shù)手段,改造環(huán)境與生物,提高物質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)量的過程。由于往往沒有考慮到自然生態(tài)系統(tǒng)自身的運(yùn)行規(guī)律與要求,而只是一味地強(qiáng)調(diào)“人定勝天”和向大自然索取,因此帶來許多生態(tài)災(zāi)難和嚴(yán)重危及人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的后果。折中式耦合機(jī)制,是指通過控制生態(tài)環(huán)境突變幾率,如采取各種經(jīng)濟(jì)政策和法律手段,并配合強(qiáng)有力的思想教育,迫使人們?cè)谏鐣?huì)生產(chǎn)實(shí)踐中,促進(jìn)生物之間和生物與環(huán)境之間更趨于適應(yīng),達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境生態(tài)效益的有機(jī)統(tǒng)一,這就是所要追求的生態(tài)經(jīng)濟(jì)良性耦合機(jī)制(曹明宏等,2000)[13]。通過分析生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合機(jī)制的類型,認(rèn)為當(dāng)前湖北農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要深層障礙在于“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)的良性耦合機(jī)制破缺,指出發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)是湖北農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的可行選擇(曹明宏等,2000)[13]。

有人曾把水資源的開發(fā)利用納入生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行體系,并利用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的協(xié)調(diào)發(fā)展理論和可持續(xù)發(fā)展思想,將水資源生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合成水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),以用來作為水資源可持續(xù)利用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系(黃奕龍等,2000)[14]。張殿發(fā)等[15]通過論述土地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)條件,將土地生態(tài)系統(tǒng)與土地經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)加以耦合成為土地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了深入的分析,認(rèn)為土地資源可持續(xù)利用的目標(biāo)是在土地開發(fā)利用過程中實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.1.4農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的耦合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由多個(gè)農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)構(gòu)成,一般包含4個(gè)生產(chǎn)層(任繼周,1995)[16]。即,前植物生產(chǎn)層(pre-plantproductionlevel):它不以植物、動(dòng)物生產(chǎn)為主要目的,而以景觀本身體現(xiàn)其資源意義;植物生產(chǎn)層(plantproductionlevel):以植物的營(yíng)養(yǎng)體、籽實(shí)、纖維、脂肪、分泌物等光合作用產(chǎn)物為產(chǎn)品,生態(tài)學(xué)中稱為初級(jí)生產(chǎn);動(dòng)物生產(chǎn)層(animalproductionlevel):草食動(dòng)物以植物為食物,取得能量并制造機(jī)體組織和產(chǎn)品,生態(tài)學(xué)中稱為次級(jí)生產(chǎn)等;外生物生產(chǎn)層(ultrabiologicalproductionlevel):產(chǎn)品的流通與加工。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)的植物生產(chǎn)層和動(dòng)物生產(chǎn)層之外,經(jīng)人為地前伸和后延,各增加了1個(gè)生產(chǎn)層。這就是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)別。這些生產(chǎn)層,在多數(shù)情況下,可能與子系統(tǒng)相統(tǒng)一。它們以各自的鍵與有關(guān)子系統(tǒng)互相聯(lián)系,發(fā)生系統(tǒng)耦合,生產(chǎn)力就會(huì)成倍乃至幾十倍的增長(zhǎng)(任繼周等,1994)[8]。任繼周[17]曾對(duì)20世紀(jì)80年代初期我國(guó)牧區(qū)生產(chǎn)水平進(jìn)行估算,只要將植物生產(chǎn)層與動(dòng)物生產(chǎn)層這2個(gè)系統(tǒng)初步耦合,就可成10倍甚至成百倍地提高生產(chǎn)水平。

2.1.5生態(tài)地理區(qū)域的耦合農(nóng)區(qū)和牧區(qū)是兩大經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)。在自然生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中,兩大系統(tǒng)之間既存在顯著差別,也相互依存、相互制約、相互促進(jìn)。它們之間的系統(tǒng)耦合,可最大限度地提高和促進(jìn)各自經(jīng)濟(jì)的全面健康發(fā)展,加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。王寧等[18]曾以寧夏平羅縣城關(guān)家畜交易為例,就寧夏農(nóng)牧兩大區(qū)在時(shí)空上實(shí)現(xiàn)牧區(qū)育成、農(nóng)區(qū)育肥的畜牧業(yè)生產(chǎn)機(jī)制的可能性與發(fā)展?jié)摿ψ鲞^論述,認(rèn)為寧夏灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)與四周的牧區(qū)半牧區(qū)在飼草資源上的時(shí)間差明顯。即牧區(qū)冬春飼草短缺時(shí),正值灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)大量農(nóng)副產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲和貯存期,同時(shí)也進(jìn)入農(nóng)閑時(shí),有較長(zhǎng)時(shí)間和大量勞動(dòng)力從事家畜的育肥。而且灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)飼草料資源不僅豐富,且品種齊全。

各種農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量占全區(qū)的73.3%,就秸稈而言,全區(qū)的利用率不足20%。因此,在寧夏實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧兩大區(qū)域之間的系統(tǒng)耦合,發(fā)展前景廣闊。葛文華等[19]在甘肅景泰荒漠綠洲區(qū)寺梁村的研究也表明,將山區(qū)、綠洲區(qū)兩個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)加以耦合,進(jìn)行棧養(yǎng)商品肉羊的易地育肥,充分利用了不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)類型地區(qū)間的自然條件,使羊的資源和飼草料資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ);緩解了山區(qū)、牧區(qū)草地超載過牧的壓力,提高了羊群中適齡母羊比例和繁殖率,并使山區(qū)牧民較早地獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益;綠洲區(qū)豐富的農(nóng)副產(chǎn)品資源和較好的營(yíng)養(yǎng)水平,提高了育肥羊的產(chǎn)肉量,并且改善了市場(chǎng)商品羊肉的胴體品質(zhì);促進(jìn)了活羊的商品流通,有利于形成育肥羊的規(guī)模經(jīng)營(yíng)和專業(yè)化生產(chǎn);全年持續(xù)棧養(yǎng)育肥,有利于全年均衡的經(jīng)濟(jì)收入和均衡的市場(chǎng)新鮮肉食供應(yīng);育肥羊生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料,是綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)商品糧基地保持土壤有效養(yǎng)分循環(huán)和耕地永續(xù)利用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

我國(guó)西北河西走廊的荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng),可以通過系統(tǒng)耦合將這一復(fù)合系統(tǒng)耦合為山地-綠洲-荒漠3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)(任繼周等,1994)[8]。綠洲子系統(tǒng)居于系統(tǒng)的中心,它集中了荒漠系統(tǒng)95%以上的能量,隨著商品流通的增加,綠洲子系統(tǒng)也將通過商品流通,把大部分山地子系統(tǒng)的能量吸引過來,使其成為本系統(tǒng)的能量集中和交換的中心,它不僅表現(xiàn)了本身較高的生產(chǎn)力,還可大幅度提高周圍荒漠子系統(tǒng)和相鄰山地子系統(tǒng)的生產(chǎn)力。在綠洲子系統(tǒng)內(nèi)部,含有5項(xiàng)組分,屬于初級(jí)生產(chǎn)者4項(xiàng),即農(nóng)田、林地、草地、鹽漬草地,屬于次級(jí)生產(chǎn)者1項(xiàng),即畜牧。山地子系統(tǒng)可概括為2項(xiàng)組分,即草地組分和畜牧組分。其草地組分的生產(chǎn)水平為農(nóng)田的20%,但面積大致為農(nóng)田的5倍。荒漠子系統(tǒng)草地生產(chǎn)水平遠(yuǎn)比山地子系統(tǒng)低,只有農(nóng)田系統(tǒng)的1%?？偟膩砜?荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的系統(tǒng)耦合,有2類模式:一是水平耦合,即在空間上把3個(gè)子系統(tǒng)加以耦合;一是垂直耦合,即把前植物生產(chǎn)層,植物生產(chǎn)層,動(dòng)物生產(chǎn)層和外生物生產(chǎn)層加以縱向耦合。水平耦合是指荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在系統(tǒng)耦合以前,各自與市場(chǎng)發(fā)生聯(lián)系。但當(dāng)荒漠—綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的3個(gè)子系統(tǒng),耦合以后再進(jìn)入市場(chǎng),則發(fā)生重大改變,耦合系統(tǒng)能流單位的輸出量,將顯著增加,其生產(chǎn)水平可能提高6～60倍。

2.2草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合的界面理論

2.2.1界面的概念在物質(zhì)世界,界面是事物本身的屬性之一,沒有界面就沒有事物。系統(tǒng)本身就意味著界面的存在。界面是系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與外界的分界和連通的中介。如植物根系與土壤之間的界面,寄生物與寄主之間的界面(Calvin,1995)[20],這都是有形的界面,還有無形的界面,如表述學(xué)科范疇的界面(Goodl,1990;Aylward,etal,1992;Baker,1992)[21～23],表述生態(tài)系統(tǒng)具置的界面(Shapiro,1991)[24],表述不同生態(tài)系統(tǒng)之間過渡地帶的界面(Nachtnebel,etal,1991)[25],又如城鄉(xiāng)之間的結(jié)合部,將其稱為城鄉(xiāng)界面(Drakakis,1992)[26]。傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū)與畜牧區(qū)的結(jié)合部,可將其稱為農(nóng)牧過渡帶,它也是一種界面。

2.2.2草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的界面種類草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)存在3個(gè)主要界面(任繼周等,2000)[27],即草叢—地境界面(A)、草地—?jiǎng)游锝缑?B)和草畜—經(jīng)營(yíng)管理界面(C)。

2.2.3界面的重要特性草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的界面特性主要有以下幾個(gè)方面(任繼周等,2000)[27]:第一,界面的開放性。生態(tài)系統(tǒng)的開放性通過界面實(shí)現(xiàn),它與外界進(jìn)行能量、元素和信息的交換,界面是生態(tài)系統(tǒng)與外界聯(lián)系的通道。因此,界面在分隔生態(tài)系統(tǒng)與外部環(huán)境的同時(shí),也具有與外界聯(lián)系的重要功能;第二,界面是不均質(zhì)的(楊孔章等,1989)[29]。有的部分物質(zhì)和信息流較為密集,有的則較不密集,前者是功能活躍區(qū)。這是系統(tǒng)耦合中與其他系統(tǒng)鍵合的最佳部位,具有重要意義;第三,界面是系統(tǒng)進(jìn)化的階梯,界面的開放功能使生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)耦合(任繼周等,1994)[8],實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外延,新的高一級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)因而形成,這就發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)化,草業(yè)系統(tǒng)正是通過3個(gè)界面而次第完成其系統(tǒng)進(jìn)化的(圖1)。第四,草業(yè)系統(tǒng)中各個(gè)亞系統(tǒng)本來都是互為異質(zhì)的,否則不能成為任何獨(dú)具特色的亞系統(tǒng)。但它們之間必有同質(zhì)的因素才能發(fā)生系統(tǒng)耦合。

2.2.4界面過程與系統(tǒng)耦合草業(yè)系統(tǒng)由以上3個(gè)主要界面鍵合而成。在這里界面是真正將二者連接的反應(yīng)灶,通過界面將它們?nèi)诤掀饋?鍵合為新的系統(tǒng)。牧草—初級(jí)生產(chǎn)的亞系統(tǒng)Ia,地境—土地(含土壤和地形等土地因子)和大氣等非生命環(huán)境亞系統(tǒng)Ib,二者靠界面A的中介加以連接。所謂中介包含在草叢和地境之間發(fā)生的一切過程和結(jié)果,這個(gè)過程可以稱為耦合過程。形成的高一級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)——草地系統(tǒng)IIa,它具有新的界面和新的特性,已經(jīng)不是草叢和地境的簡(jiǎn)單組合。在這一構(gòu)建中,界面A發(fā)生了豐富的系統(tǒng)構(gòu)建過程,產(chǎn)生了具有新內(nèi)涵的高一級(jí)的系統(tǒng)。草地系統(tǒng)IIa與以它為生存條件的草食動(dòng)物(以及以草食動(dòng)物為食物的肉食動(dòng)物)系統(tǒng)IIb通過界面B的中介,構(gòu)成更高一級(jí)的草畜系統(tǒng)IIIa。草畜系統(tǒng)IIIa通過界面C與人類社會(huì)系統(tǒng)IIIb相鍵合,經(jīng)過了人類社會(huì)活動(dòng)的干預(yù),把草畜生態(tài)系統(tǒng)融入社會(huì)大生產(chǎn),這是一個(gè)更為復(fù)雜的過程,具有更為豐富的內(nèi)涵,草業(yè)系統(tǒng)IV從而發(fā)生。這是草業(yè)系統(tǒng)的最高一級(jí),草業(yè)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)于此形成(任繼周等,2000)[27]。

3系統(tǒng)耦合目前達(dá)到的水平

3.1時(shí)間、空間耦合的水平

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)4個(gè)生產(chǎn)層間的系統(tǒng)耦合,具有空間特性,或時(shí)間特性,或同時(shí)具有空間—時(shí)間特性。不同地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)之間生產(chǎn)層的耦合,屬空間型的系統(tǒng)耦合,如我國(guó)的“茶馬市場(chǎng)”。不同時(shí)間階段的生產(chǎn)層耦合,屬時(shí)間型的系統(tǒng)耦合。但多數(shù)的系統(tǒng)耦合屬時(shí)間—空間型耦合。比如某一地區(qū),進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃與生產(chǎn)規(guī)劃。按照區(qū)域部署不同生產(chǎn)層,并使之有機(jī)結(jié)合,這是空間型耦合。但生產(chǎn)規(guī)劃無不具有時(shí)間屬性。某一時(shí)間段完成什么任務(wù),這一時(shí)間段與另一時(shí)間段如何更替,則屬時(shí)間型耦合。通常時(shí)間型與空間型的耦合難以分割。特別在系統(tǒng)耦合這樣的高層調(diào)控系統(tǒng)中,更是如此。實(shí)際生產(chǎn)中往往充滿著二者的交叉。比如在同一地區(qū),既進(jìn)行植物生產(chǎn),也進(jìn)行動(dòng)物生產(chǎn),同時(shí)又作為景觀資源加以利用,而加工,流通的某些環(huán)節(jié)也可能同時(shí)進(jìn)行(任繼周等,1994)[8]。

3.2種間耦合的水平

草地生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體,其耦合系統(tǒng)中包含植物、動(dòng)物的種和種群,即為種間耦合。在此起關(guān)鍵作用的是生態(tài)場(chǎng)和生態(tài)位。對(duì)于草地植物學(xué)組成來說,結(jié)構(gòu)良好的天然群落,或不同品種的合理混播草地,可以創(chuàng)造良好的生態(tài)場(chǎng),以提高牧草產(chǎn)量,改善牧草品質(zhì),抑制病蟲害,保持草地肥力,延長(zhǎng)草地壽命。蔣文蘭(1981-1999)在云貴高原[28],郭孝(1998)在鄭州北郊對(duì)不同組合播種條件下的生物學(xué)性狀、經(jīng)濟(jì)性狀及生產(chǎn)性狀進(jìn)行了研究,并對(duì)不同組合播種的相同點(diǎn)及差異性進(jìn)行了分析,研究表明,牧草混播比單播可獲得較高產(chǎn)量、較好牧草質(zhì)量及較強(qiáng)的防除雜草能力。胡玉昆等[32]在新疆石河子紫泥泉種羊場(chǎng)的研究表明,高冰草與豆科牧草混播,產(chǎn)草量比高冰草單播提高10%～27%,增產(chǎn)效果顯著。

高冰草與春小麥適量混播,對(duì)小麥影響小,又可多收一茬草,故這種生產(chǎn)方式對(duì)緩解四季草場(chǎng)不平衡、減輕草場(chǎng)負(fù)擔(dān)有一定的意義。楊星偉等[33]在寧夏石嘴山市草地,比較了4種優(yōu)良牧草以不同組合比例改良河灘地草地的效果。結(jié)果表明:混播可提高河灘地草地的產(chǎn)量,改善草層品質(zhì),其中以紫花苜蓿(Medicagosativa)、白香草木樨(Melilotusalbus)和假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)組合為最佳。另外,作物間合理的間作套種也是種間耦合的表現(xiàn)。李衛(wèi)民等[34]在河北省廊坊市、河間縣、天津市武清縣等地進(jìn)行了連續(xù)數(shù)年的棉薯間套作栽培實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,棉花和馬鈴薯間套作不僅能提高土地利用率、充分利用光、熱資源,而且套作時(shí)2種作物的病蟲害互相抑制,因此總體上起到了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。紫良植等[35]在甘肅景泰川灌區(qū)的研究示范結(jié)果也表明,當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物間作套種的增產(chǎn)性、經(jīng)濟(jì)效益均比農(nóng)作物單作種植產(chǎn)量高,經(jīng)濟(jì)效益好。其中小麥玉米間套田平均生產(chǎn)糧食9477kg/hm2,秸稈11190kg/hm2,較單作田增3088.5kg/hm2和3189kg/hm2,增產(chǎn)48.29%和49.4%。間套田產(chǎn)值6144元,純收入4653元,分別比單作田增加了2460.8元和2160.3元,分別增長(zhǎng)了66.8%和87.67%。對(duì)于動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)來說,不同的草食動(dòng)物,以其特有的食性和生態(tài)適應(yīng)性,在生態(tài)系統(tǒng)中,各有其特定的生態(tài)位和生態(tài)場(chǎng)的要求。動(dòng)物種群不同,生態(tài)位各異。把有關(guān)動(dòng)物生態(tài)位適當(dāng)組合,利用生態(tài)位的重疊和分異,使各種動(dòng)物互相協(xié)調(diào)、補(bǔ)充,充分利用草地植物,就可以生產(chǎn)更多的動(dòng)物產(chǎn)品(任繼周等,1995)[30]。

4系統(tǒng)耦合今后的發(fā)展趨勢(shì)

篇5

多水塘系統(tǒng)是農(nóng)村地區(qū)特有的一類控制措施，利用一些天然的溝渠、水塘、植被，系統(tǒng)建造成本低廉，能有效截留來自村莊、農(nóng)田的氮、磷污染和降雨徑流，循環(huán)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水資源，不但增加了生物的多樣性同時(shí)也提高水資源利用率[27]。但是多水塘系統(tǒng)一般占地面積大，功能較單一，截流和去污效率也受入水和降雨的時(shí)空影響，且對(duì)系統(tǒng)中植物的種類有一定要求[13]。在實(shí)際應(yīng)用中，往往結(jié)合各種措施（如濕地系統(tǒng)、生態(tài)溝渠系統(tǒng)等）一起，可以達(dá)到更好的去污效果。

2溝渠系統(tǒng)

近年來，溝渠作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)，被廣大研究者所重視，它在非點(diǎn)源污染防治中具有舉足輕重的作用。首先溝渠與河流相似，具有持水、匯水、水流通道的作用，同時(shí)，溝渠也具有人工濕地的特性，擔(dān)負(fù)著凈化水質(zhì)和維持生物多樣性的功能。因此，溝渠同時(shí)具有河流和濕地的雙重特征。所以，溝渠應(yīng)該是指以排水和灌溉為主要目的同時(shí)具有人工濕地凈化環(huán)境的人工水道，是一種人類活動(dòng)影響下的半自然的人工濕地水文生態(tài)系統(tǒng)。溝渠系統(tǒng)不另占土地，其凈化機(jī)制與濕地相似，主要也是利用自身的物理、化學(xué)和生物三方面的協(xié)同作用，溝渠中的植被有攔截污染物、沉降泥沙和顆粒物的作用；溝底的淤泥和溝壁上附著的大量微生物，可以進(jìn)行各種生化反應(yīng)，對(duì)氮磷等元素的去除很有幫助。利用現(xiàn)有的一些農(nóng)田溝渠和自然水渠建成具有生態(tài)攔截功能的生態(tài)溝渠系統(tǒng)，不僅可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和水文效益，同時(shí)還能維護(hù)生物多樣性，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。其中，楊林章等在太湖流域研究生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田排水中非點(diǎn)源污染物的去除效果，研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)溝渠系統(tǒng)對(duì)氮磷的平均去除率為48.36%和40.53%，效果令人滿意[28]。各項(xiàng)研究表明，溝渠內(nèi)布設(shè)適當(dāng)?shù)乃参锬芷鸬綔p緩稻田排水流速、脫氮除磷、提高水體溶解氧、穩(wěn)定水體pH值的作用，不同的植被組合，去污效果會(huì)有明顯的不同。

3不同控制措施效果對(duì)比

不同控制措施對(duì)不同類型的污染物去除效率不同，如植被過濾與緩沖帶對(duì)泥沙的攔截作用比較強(qiáng)，溝渠與水塘多結(jié)合為人工塘渠系統(tǒng)，經(jīng)常作為面源污染治理的第一道關(guān)卡，對(duì)于氮磷濃度較高的污水，人工塘渠可以大大減少水中氮磷的總量，抗高污染負(fù)荷的效果較好[36]。而自然或人工濕地，經(jīng)常作為最后一道攔截屏障，主要通過濕地中的植物、微生物及土壤基質(zhì)對(duì)水中污染物做進(jìn)一步的凈化作用。因此，多種措施的耦合系統(tǒng)將是以后的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合實(shí)際污染情況制定相應(yīng)的結(jié)合方式，如改變耦合的措施種類和順序，將達(dá)高效的去污效果。從表2可以看出，耦合系統(tǒng)對(duì)各種污染物平均去除率要高于每種措施本身的去除率，其中，塘渠-濕地系統(tǒng)去污效果非常好，總氮、總磷和COD的去除率高達(dá)95%以上。水塘和濕地耦合系統(tǒng)對(duì)總氮、總磷平均去除率在70%以上，而人工濕地對(duì)農(nóng)田徑流中的總氮、總磷去除率只在50%以上，因此，多種措施耦合的控制手段是一種高效的控制方式。表2單項(xiàng)措施中，人工濕地去污能力最好，其次是緩沖帶濕地，其中，滯留塘對(duì)總磷的去除效果優(yōu)于對(duì)總氮的去除，表現(xiàn)出對(duì)不同形態(tài)的磷很好的去除效果。因此，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，結(jié)合非點(diǎn)源污染的實(shí)際情況，采用不同措施組合的方式，將會(huì)是一種有效的控制手段。

4展望

我國(guó)非點(diǎn)源污染研究雖取得了顯著的成就，但仍存在許多不足之處，如研究多側(cè)重于對(duì)湖泊、水庫(kù)等地表水的污染研究，而忽略了地下水污染的嚴(yán)重性；研究尺度多集中在小流域、中微型尺度的研究，不適于大尺度、區(qū)域研究；目前模型研究仍然采用國(guó)外現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)、機(jī)理模型，由于地域差距大，造成研究結(jié)果不太理想，而且模型參數(shù)過多，又資料數(shù)據(jù)獲取困難，致使模擬結(jié)果與實(shí)際情況不符等。針對(duì)當(dāng)前存在的各種問題，提出了以后非點(diǎn)源污染研究的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1“3S”等新技術(shù)的應(yīng)用

非點(diǎn)源污染發(fā)生具有隨機(jī)性、廣泛性，并不是所有區(qū)域都需要管理，管理措施的高效運(yùn)行前提是關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別。使用新技術(shù)，如“3S”技術(shù)，利用RS進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，GIS強(qiáng)大的空間分析能力和GPS的高精度定位，快速準(zhǔn)確識(shí)別出關(guān)鍵污染源區(qū)，且遙感可為大尺度和區(qū)域研究提供所需的數(shù)據(jù)和可能。

4.2關(guān)注措施綜合效益

一些BMPs、生態(tài)工程措施非常關(guān)注運(yùn)行效率問題，除此之外還應(yīng)注重投入效益的問題，投入指的是經(jīng)濟(jì)支出，效益指的是對(duì)污染物的去除率。不同的管理措施對(duì)不同的污染物去除率差異很大，比如植被等對(duì)泥沙的攔截作用比較強(qiáng)，但對(duì)其他污染物削減比較少。此外，非點(diǎn)源污染不僅僅是氮磷的問題，COD、農(nóng)藥等問題也應(yīng)在考察范圍。

4.3模型的改善和引進(jìn)

模型模擬一直是非點(diǎn)源污染研究中一個(gè)重要有效的研究方法，我國(guó)所用的模型多來自于國(guó)外，由于地域差距大、模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難獲取和模型參數(shù)過多等原因，使得一些模型模擬結(jié)果并不理想，雖然我國(guó)學(xué)者一直在開發(fā)自己的模型，但是自己開發(fā)的模型一般耗時(shí)久、消耗人力大且機(jī)理性和適用性不強(qiáng)，不能很好的大范圍推廣，很大程度上阻礙了我國(guó)非點(diǎn)源污染研究進(jìn)程。因此，以后應(yīng)更多地關(guān)注引進(jìn)模型的改進(jìn)、使參數(shù)本地化、加強(qiáng)參數(shù)敏感性分析等方面研究。

4.4全過程、多措施綜合治理

目前控制措施一般從“源-流-匯”的角度出發(fā)，在源頭上通過增加植被覆蓋、降低坡度、增修溝渠分支來減少地表徑流；在“匯”端采取人工濕地、緩沖帶等措施對(duì)污染負(fù)荷進(jìn)行削減。而未來將考慮全過程治理，多措施、全類型綜合治理。本文來自于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志。環(huán)境科學(xué)與技術(shù)雜志簡(jiǎn)介詳見

篇6

自20世紀(jì)末以來，系統(tǒng)耦合理論逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。系統(tǒng)耦合理論對(duì)交叉領(lǐng)域的深入研究起到了重要的推動(dòng)作用。在此理論的指導(dǎo)下，人們構(gòu)架了不同地域、不同領(lǐng)域以及不同學(xué)科之間相互關(guān)聯(lián)和影響的橋梁?！榜詈稀币辉~系借用物理學(xué)的概念?！掇o海》關(guān)于耦合的解釋是:兩個(gè)(或兩個(gè)以上的)體系或運(yùn)動(dòng)形式之間，通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象。例如，兩個(gè)單擺中間連一根線或一根彈簧，它們的振動(dòng)就是此起彼伏;原子內(nèi)部電子的總角動(dòng)量就是自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的耦合;兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其中一個(gè)電路中的電流或電壓發(fā)生變化，能影響到其他電路也發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象叫電路的耦合。電路之間的耦合方式包括電感耦合、電阻耦合、互感耦合、電容耦合、電阻電容耦合等。在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域有耦合反應(yīng)，將兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)聯(lián)合后，其中一個(gè)化學(xué)勢(shì)大于零的反應(yīng)，可以帶動(dòng)另一個(gè)化學(xué)勢(shì)小于零，單獨(dú)存在不能進(jìn)行的反應(yīng)能夠進(jìn)行。生物系統(tǒng)中許多反應(yīng)就是靠這一原理實(shí)現(xiàn)了由不可能變成可能。在生物、生態(tài)、農(nóng)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域，都有人們引用耦合的思路來分析和解決問題。兩個(gè)或兩個(gè)以上性質(zhì)相近的生態(tài)系統(tǒng)具有互相親和的趨勢(shì)。當(dāng)條件成熟時(shí)，它們可以結(jié)合為一個(gè)新的、高一級(jí)的結(jié)構(gòu)———功能體，這就是系統(tǒng)耦合，屬于一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)平衡的狀態(tài)，任何系統(tǒng)，其非平衡態(tài)是絕對(duì)的，平衡態(tài)是相對(duì)的、偶存的。系統(tǒng)自由能的積累可使系統(tǒng)進(jìn)入非平衡狀態(tài)。通常人們說“能量是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力”，無疑也適用于系統(tǒng)耦合。當(dāng)條件和參量適當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)勢(shì)能延伸，可以使不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的結(jié)合，產(chǎn)生新的且高一層的系統(tǒng)。它不是原系統(tǒng)量的增大，而是新功能體———具有新質(zhì)的較高層次的系統(tǒng)。它聯(lián)通了兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)，發(fā)生系統(tǒng)耦合，由此產(chǎn)生的新系統(tǒng)稱之為耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)耦合的相關(guān)因子主要包括:耦合的關(guān)聯(lián)性、耦合的整體性、耦合的多樣性以及耦合的協(xié)調(diào)性等等。系統(tǒng)耦合是世界經(jīng)濟(jì)一體化的紐帶，其理論意義在于充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累)，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)化和生產(chǎn)潛力的解放。系統(tǒng)耦合的生產(chǎn)潛力源于其催化潛勢(shì)、位差潛勢(shì)、多穩(wěn)定潛勢(shì)和管理潛勢(shì)。耦合的關(guān)鍵是要打破原有系統(tǒng)的界限，破除原有系統(tǒng)的束縛，以構(gòu)成要素的自然關(guān)聯(lián)和信息的自由流動(dòng)為原則，將關(guān)聯(lián)要素進(jìn)行重新組合，形成具有自組織結(jié)構(gòu)的、系統(tǒng)內(nèi)各要素具有能動(dòng)性的新主體聯(lián)合系統(tǒng)。例如人們關(guān)注的環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合關(guān)系(如圖2所示)，兩者存在催化潛勢(shì)、位差潛勢(shì)、多穩(wěn)定潛勢(shì)和管理潛勢(shì)等等，將經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間關(guān)聯(lián)起來，建立暢通的信息通道，建立新的自組結(jié)構(gòu)體系，使各要素之間充分發(fā)揮能動(dòng)性，相互促進(jìn)、相互協(xié)調(diào)，從而構(gòu)建新的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，找出經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)共同協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳途徑。

二、耦合經(jīng)濟(jì)概念的提出

在工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，衍生出很多經(jīng)濟(jì)問題，例如個(gè)別的如污染物排放總量與環(huán)境容量不相容的矛盾，有望在已經(jīng)立法促進(jìn)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)階段解決。其他的矛盾，通過實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)，可以在一定程度上得到緩解，但不可能得到徹底解決，這是因?yàn)榘凑瘴锢碇袩崃W(xué)第二定律的規(guī)定，能量是單向滑向退質(zhì)劣化以至于徹底失去做功能力的。因此能量的消耗是持續(xù)的。再比如，現(xiàn)行的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的供求定律與生態(tài)系統(tǒng)的供求定律是相悖的，例如市場(chǎng)上海鮮魚類的供給量減少，則價(jià)格上漲，從而刺激捕撈量增加，而海鮮魚類的保有量則會(huì)下降。使這種相悖的規(guī)律通過耦合協(xié)同起來，扭轉(zhuǎn)向耗竭方向惡性發(fā)展的局面，是可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題。實(shí)現(xiàn)馬克思所指出的:“人同自然界完成了的本質(zhì)的統(tǒng)一，是自然界的真正復(fù)活”必須靠機(jī)制創(chuàng)新才能做到。繼循環(huán)經(jīng)濟(jì)之后，人類社會(huì)進(jìn)一步解決可持續(xù)發(fā)展問題的經(jīng)濟(jì)形態(tài)是“耦合經(jīng)濟(jì)”。所謂的耦合經(jīng)濟(jì)，是指在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，在充分發(fā)揮循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，通過當(dāng)今人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然界的生產(chǎn)活動(dòng)相互耦合，人造財(cái)富生產(chǎn)能力、自然資源消耗能力與自然資產(chǎn)生產(chǎn)能力相和諧，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中排放氧化物的規(guī)模與自然生態(tài)系統(tǒng)的還原規(guī)模相和諧;人類社會(huì)所依賴的能源在依靠工程技術(shù)使能量得到梯級(jí)充分利用的基礎(chǔ)上，工程科學(xué)突破了對(duì)物理學(xué)中熱力學(xué)第二定律限制性的理解，以耦合作為創(chuàng)新的主要手段，在地球環(huán)境條件下，發(fā)展能夠把賦存于地球環(huán)境中的能量聚集起來，使之成為新能源的可持續(xù)能源技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)由可持續(xù)能源支撐的人與自然共生共榮和諧發(fā)展的科學(xué)技術(shù)體系，使經(jīng)濟(jì)形態(tài)符合社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)制度安排。簡(jiǎn)而言之，耦合經(jīng)濟(jì)就是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)以及自然生產(chǎn)要素相耦合，經(jīng)濟(jì)(Economic)、環(huán)境(Environment)、可持續(xù)社會(huì)(Ecotopia)三者(3E)協(xié)調(diào)、和諧、共同發(fā)展，構(gòu)筑“三生”(生產(chǎn)、生活、生態(tài))友好復(fù)合型社會(huì)體系.

三、耦合經(jīng)濟(jì)的制度創(chuàng)新設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)學(xué)鼻祖亞當(dāng)•斯密在其代表著作《國(guó)富論》中提出來的“看不見的手”原理，其含義是:社會(huì)中的每個(gè)人都在力圖追求個(gè)人利益的最大化，即消費(fèi)者追求滿足程度(效用)最大化，生產(chǎn)者追求利潤(rùn)最大化，一般說他們并不企圖增加公共福利，也不知道他們所增加的公共福利有多少，但是在這樣做時(shí)，有一只看不見的手正引導(dǎo)他們?nèi)ゴ龠M(jìn)社會(huì)利益，并且其效果要比他們真心想促進(jìn)社會(huì)利益時(shí)所產(chǎn)生的效果好。后來經(jīng)過后世經(jīng)濟(jì)學(xué)家A•馬歇爾等人的不斷完善和演進(jìn)，這只“看不見的手”已經(jīng)成為今天市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論中關(guān)于市場(chǎng)可以有效率地實(shí)現(xiàn)稀缺資源合理配置的機(jī)制?，F(xiàn)在我們嘗試移植這一原理，把它應(yīng)用到自然資產(chǎn)的生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域中來。我們把這一原理中市場(chǎng)參與者的個(gè)人追求定義為明確目的，把在不經(jīng)意中達(dá)到的目的定義為伴生目的。把這只新的看不見的手的原理描述為復(fù)合社會(huì)(包括自然界在內(nèi))的每個(gè)人都在力圖追求個(gè)人滿足。一般來說，他們并不企圖改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展生態(tài)資產(chǎn)，也不知道他們所作的貢獻(xiàn)有多大，但是他們這樣做的時(shí)候，有一只看不見的手引導(dǎo)他們?nèi)ミ_(dá)到伴生目的，并且其效果要比他們真心想的效果好。很顯然，如果在實(shí)踐中做到了這樣，那就是將人類社會(huì)活動(dòng)與自然生態(tài)系統(tǒng)活動(dòng)耦合起來，在人們追求個(gè)人幸福的努力過程中，同時(shí)達(dá)到了生態(tài)友好、環(huán)境友好、氣候友好的伴生目的。這只新的看不見的手，將是有效果的。作者構(gòu)思了一個(gè)關(guān)于“空氣資產(chǎn)”生產(chǎn)消費(fèi)等行為中新的看不見的手起引導(dǎo)作用的模型(如圖4所示)，它初步顯示，經(jīng)過努力這條路是可行的.假如我們每時(shí)每刻呼吸的空氣資產(chǎn)為某個(gè)擁有者所有，消費(fèi)者不按市場(chǎng)價(jià)格付費(fèi)，就無法取得呼吸用的空氣，就像哺育嬰兒需要牛奶，嬰兒沒有付費(fèi)購(gòu)買牛奶的能力，而是由其撫養(yǎng)人代付的。由此我們建立這樣的市場(chǎng)關(guān)系:空氣資源擁有者依靠出賣自己的空氣取得收入而生存發(fā)展，他會(huì)按照市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)決定的價(jià)格向消費(fèi)者收取費(fèi)用。由于排污者對(duì)空氣產(chǎn)生污染，降低了空氣的效用，進(jìn)而降低了擁有者出售空氣的價(jià)格，并因此受到損失。在法律的保護(hù)下，擁有者向排污者收取賠償金而加大了排污者的行為成本。空氣擁有者為了永續(xù)經(jīng)營(yíng)下去，會(huì)將出售空氣得到的資金和向排污者收取的賠償金用于根據(jù)消費(fèi)者需要、維持和擴(kuò)大生產(chǎn)者的生產(chǎn)量的投資，如用于清除污染從而提高銷售價(jià)格的投入。一個(gè)非常淺顯的道理:排污者向大氣環(huán)境排放污染物使空氣受到污染的過程，是一個(gè)自發(fā)的擴(kuò)散過程，而擁有者要治理污染物的時(shí)候，首先是一個(gè)把污染物富集起來、分離出來的不能自發(fā)的過程，其后才是把污染物無毒、無害化轉(zhuǎn)化的過程。較之排污者在排放之前污染物尚處于“濃相”時(shí)治理，至少是多出了把污染物富集起來、分離出來的成本。排污者終究會(huì)發(fā)現(xiàn)，賠償損失比自己治理的花費(fèi)要大，從自身利益考慮，他最終會(huì)選擇自己治理而不是向空氣排放污染物。這個(gè)很簡(jiǎn)單的模型告訴我們，通過導(dǎo)入一只新的看不見的手，使現(xiàn)行市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系參與自然系統(tǒng)的運(yùn)行耦合起來，最終實(shí)現(xiàn)建立在自然系統(tǒng)上的良性發(fā)展，自然資產(chǎn)保值增值基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)繁榮、社會(huì)財(cái)富增長(zhǎng)，是能夠做到的。

四、耦合經(jīng)濟(jì)解決問題的思路

耦合作為解決問題的一種方式，本質(zhì)上是一種創(chuàng)新，因?yàn)樗蟿?chuàng)新的最本質(zhì)特征，即把一切不可能變?yōu)橐磺薪杂锌赡?。從系統(tǒng)科學(xué)的角度來看，耦合是構(gòu)造一個(gè)新系統(tǒng)的手段。由于新系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)，決定了新系統(tǒng)的新功能。新系統(tǒng)能夠涌現(xiàn)出新的特性或功能，包括把過去的不可能或把在其他存在形式下的不可能變成新系統(tǒng)下的可能。

(一)人類活動(dòng)與自然活動(dòng)的耦合如今作為地球村的村民，我們欣喜地看到經(jīng)世界各國(guó)政治家、科學(xué)家以及社會(huì)名流的大聲疾呼和國(guó)際組織的不懈努力，各國(guó)政治家在遏制全球氣候變化問題上取得了越來越廣泛的共識(shí)，并且列入國(guó)家議程。在有關(guān)制度驅(qū)動(dòng)下的主要行動(dòng)包括發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、深入的節(jié)能減排、清潔發(fā)展機(jī)制、低碳經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)能源的開發(fā)和利用、植被恢復(fù)與荒漠化治理等。目前，全球人類活動(dòng)排放的CO2數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于全球自然生態(tài)系統(tǒng)還原的CO2數(shù)量，處于大氣中CO2含量因?yàn)榭偭糠e累而上升的階段，且CO2含量處于對(duì)氣候不友好的、使全球氣候變暖的水平。通過把人類活動(dòng)與自然活動(dòng)耦合起來，先期要達(dá)到遏制住大氣中CO2濃度繼續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。這要靠發(fā)展、繁榮地球自然生態(tài)系統(tǒng)，擴(kuò)大其還原CO2的總規(guī)模與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)依靠發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，使全球CO2排放總規(guī)模下降。兩者相向運(yùn)動(dòng)至規(guī)模相當(dāng)。其后一個(gè)階段，是低碳、非碳可持續(xù)能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)，CO2排放總規(guī)模小于還原總規(guī)模，大氣中CO2總水平因負(fù)積累而下降。最后一個(gè)階段是使CO2排放總規(guī)模與還原總規(guī)模達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡階段，此時(shí)的平衡使大氣中CO2的濃度處于氣候友好、生態(tài)友好的水平。這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史過程。在這里要呼吁的是，我們要把大氣層中的CO2看作全球共享的資源。誰(shuí)把它更多地轉(zhuǎn)化成碳質(zhì)能源，誰(shuí)就多了一份競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、生存發(fā)展優(yōu)勢(shì)。為此，應(yīng)該制定國(guó)家發(fā)展耦合經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略。

(二)人類社會(huì)與自然生態(tài)系統(tǒng)的耦合我們今天遇到的可持續(xù)發(fā)展問題原因是人類社會(huì)在以自我為中心的社會(huì)屬性上走的太遠(yuǎn)，因此，我們要跳出現(xiàn)今的社會(huì)屬性回歸自然屬性，但這絕不是要解體社會(huì)，重新以個(gè)體的形式實(shí)現(xiàn)人的自然屬性，而是要通過創(chuàng)新破除目前這種游離于自然界之外的社會(huì)，建立一個(gè)包括自然界在內(nèi)的復(fù)合社會(huì)。按照擴(kuò)充后的復(fù)合社會(huì)去理解，認(rèn)識(shí)論就要豐富和完善其內(nèi)容。例如，除了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和上層建筑之間的矛盾外，要增加自然資產(chǎn)基礎(chǔ)與上層建筑之間的矛盾。除了生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系之間的矛盾外，要增加自然資產(chǎn)生產(chǎn)力與人造財(cái)富生產(chǎn)力之間的矛盾。正確地解決這些矛盾才能構(gòu)建人與自然和諧發(fā)展的復(fù)合社會(huì)。建立這樣的復(fù)合社會(huì)最重要的制度創(chuàng)新在于明確生態(tài)資產(chǎn)的產(chǎn)權(quán)歸屬，確立并實(shí)現(xiàn)生態(tài)資產(chǎn)的價(jià)值。歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，人類社會(huì)的很多問題，看到和想到遠(yuǎn)遠(yuǎn)不等于做到，而往往是穩(wěn)定的利益結(jié)構(gòu)、心智結(jié)構(gòu)、群體的博弈結(jié)構(gòu)在起決定作用。尤其是要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，要放棄無回報(bào)地索取自然資源的行為，拿出人類勞動(dòng)成果的相當(dāng)一部分回饋于自然，這將面臨整個(gè)價(jià)值體系的改變，是極為不易的。構(gòu)建復(fù)合社會(huì)涉及社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)制度的調(diào)整與完善問題。首先，構(gòu)建復(fù)合社會(huì)要解決的問題是明晰生態(tài)資產(chǎn)的產(chǎn)權(quán)歸屬，使生態(tài)資產(chǎn)受到有效保護(hù)，避免歷史上一再發(fā)生、被經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱為“公地悲劇”的事件;其次，承認(rèn)自然資產(chǎn)的價(jià)值和生態(tài)服務(wù)的價(jià)值并實(shí)現(xiàn)它們的價(jià)值，最終要在復(fù)合社會(huì)的框架結(jié)構(gòu)之下，形成價(jià)格機(jī)制。這將是極為復(fù)雜、深刻的問題，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)解決。為了不至于拖延時(shí)間，快捷而有效的辦法是向自然資產(chǎn)的采掘、耗用和享受生態(tài)服務(wù)征收稅金，提高現(xiàn)行市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)成本和價(jià)格總水平。然后將征收的稅金，以公共財(cái)政投入的方式，一方面用于支持耦合經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā);另一方面用于扶持生態(tài)產(chǎn)業(yè)及生態(tài)資產(chǎn)所有者，矯正因?yàn)閮r(jià)值被忽視的參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的先天畸形。因此，我們才能迎來一個(gè)生態(tài)逐步繁榮，環(huán)境容量相應(yīng)增大，生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出持續(xù)提高，生態(tài)服務(wù)逐步增強(qiáng)，自然資產(chǎn)充分保證的前提下、人造財(cái)富最大化得以實(shí)現(xiàn)，人與環(huán)境系統(tǒng)和諧共榮的未來世界。

(三)自然生產(chǎn)要素之間的耦合由于時(shí)間和空間的限制，即使是在科技水平高度發(fā)達(dá)的今天，人類認(rèn)識(shí)和改造自然界的知識(shí)和能力都是有限的，人類歷史上無論哪個(gè)階段，由于認(rèn)識(shí)能力的局限，所積累的關(guān)于自然的知識(shí)，都是有錯(cuò)誤的，仔細(xì)推敲下來，對(duì)人類社會(huì)曾經(jīng)有過的對(duì)征服自然產(chǎn)生的狂熱情緒的批評(píng)中，有一種聲音是“出于人類的無知”。其實(shí)，人們對(duì)于征服自然產(chǎn)生的狂熱情緒并不是完全沒有知識(shí)的無知，而是基于一些錯(cuò)誤的無知。但是，在汲取因?yàn)榛谄H甚至錯(cuò)誤的知識(shí)而發(fā)生不適當(dāng)?shù)恼鞣匀坏男袨檎兄伦匀粓?bào)復(fù)的教訓(xùn)時(shí)，我們也要切實(shí)防止消極看待人類對(duì)自然進(jìn)行干預(yù)甚至是改造的作用，防止犯以偏概全的錯(cuò)誤。事實(shí)上，就自然的生產(chǎn)力而言，完全自然的狀態(tài)中，往往蘊(yùn)藏著巨大的潛力，但因?yàn)樽匀簧a(chǎn)所需要素耦合不完善，而始終發(fā)揮不出來。其中的“玄機(jī)”一旦被人類看破并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)甚至是改造，往往能夠快速而有效地把這種潛力釋放出來。古往今來，此類成功的實(shí)踐不勝枚舉。尤其是在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展而又面臨可持續(xù)發(fā)展難題的今天，運(yùn)用人類知識(shí)作用下的勞動(dòng)，把自然生產(chǎn)要素耦合起來，形成高的自然生產(chǎn)力，服務(wù)于人類社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的創(chuàng)造，理應(yīng)成為耦合經(jīng)濟(jì)研究中的一個(gè)重要方面，也必將在耦合經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐中得到更加理智地看待和應(yīng)用，并因?yàn)閯?chuàng)造出難以估量的自然生產(chǎn)力而推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。2000多年前建造的都江堰水利工程，至今仍發(fā)揮著巨大作用，成就了四川“天府之國(guó)”的美譽(yù)，是中國(guó)古代先人運(yùn)用自然規(guī)律的正確知識(shí)，用勞動(dòng)改造自然、使自然生產(chǎn)力得到大幅度提升的杰作，它發(fā)揮作用的本質(zhì)可以理解為:通過都江堰水利工程改變有限水資源(自然生產(chǎn)力的一個(gè)要素)的時(shí)空配置格局，使得整個(gè)成都平原都能及時(shí)得到水資源以與其他各項(xiàng)自然生產(chǎn)要素偶合起來，使自然的生產(chǎn)力得到大幅度的提升。在當(dāng)代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是人工材料提供的支持，人們通過干預(yù)和改造自然，形成了能夠大幅度提高自然生產(chǎn)力的人工環(huán)境。例如，改革開放以后，我國(guó)北方農(nóng)民發(fā)明并廣泛應(yīng)用的塑料大棚溫室種植技術(shù)，改變了自然狀態(tài)下整個(gè)漫長(zhǎng)冬季因溫度和熱量水平不足以支持其他要素耦合并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的狀態(tài)，改善了城鄉(xiāng)人民生活水平，富裕了一方農(nóng)民?？偠灾诤芏嘭S富而又具有說服力的成功案例的啟發(fā)下，我們確實(shí)該自覺地、能動(dòng)地、清醒地認(rèn)識(shí)“運(yùn)用人類知識(shí)作用下的勞動(dòng)，把自然生產(chǎn)要素耦合起來，形成高的自然生產(chǎn)力”這一命題了。

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【關(guān)鍵詞】建筑工程；學(xué)科交叉；建筑仿生學(xué)；建筑拓?fù)鋵W(xué)

1.引言

進(jìn)入21世紀(jì)的世界，創(chuàng)新無時(shí)無刻不再發(fā)生，創(chuàng)新已經(jīng)成為推動(dòng)人類前進(jìn)的不竭動(dòng)力源泉。在當(dāng)今學(xué)科大交叉的背景下，交叉學(xué)科創(chuàng)新已成為重要的創(chuàng)新手段之一。建筑業(yè)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)行業(yè)，對(duì)促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著非常重要的作用，建筑工程也一直使人們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。建筑工程的創(chuàng)新對(duì)建筑業(yè)乃至全社會(huì)的產(chǎn)業(yè)都是非常重要的。研究建筑工程的發(fā)展及建筑工程學(xué)科與其他學(xué)科的交叉創(chuàng)新對(duì)促進(jìn)建筑工程方面的創(chuàng)新有非常重要的意義。本文首先對(duì)交叉學(xué)科及建筑工程的發(fā)展進(jìn)行介紹，然后重點(diǎn)論述建筑工程與幾個(gè)重要學(xué)科的交叉創(chuàng)新。希望通過對(duì)建筑工程的發(fā)展及其學(xué)科交叉創(chuàng)新的概述研究給建筑行業(yè)的學(xué)者們以一點(diǎn)啟示，引起他們對(duì)這方面的興趣，從而促進(jìn)建筑工程行業(yè)方面的創(chuàng)新。

2.建筑工程學(xué)與生物學(xué)的交叉：建筑仿生學(xué)

自地球誕生生物以來，生物在千萬年進(jìn)化的過程中，為了適應(yīng)自然界的規(guī)律而不斷完善自身。正因?yàn)槿绱?，生物本身很多特點(diǎn)與自然環(huán)境具有高度的吻合性和科學(xué)性，有些甚至超出了人類現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)的解釋范圍。所以如果人類能夠善于從生物本身的特點(diǎn)受到啟發(fā)，無疑是擁有一筆巨大的財(cái)富。建筑工程學(xué)與生物學(xué)的成功結(jié)合誕生了一門新學(xué)科——建筑仿生學(xué)，同時(shí)也促進(jìn)了建筑工程的許多應(yīng)用創(chuàng)新成果，主要體現(xiàn)如圖所示（見表1）。

表1 建筑仿生學(xué)的應(yīng)用成果

應(yīng)用成果 原理簡(jiǎn)介 成功案例簡(jiǎn)介

城市環(huán)境仿生 城市的改建規(guī)劃在一定程度上模擬某種生理循環(huán)系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到在城市結(jié)構(gòu)功能上的改善。 1853年，巴黎市區(qū)大規(guī)模成功改建

功能仿生 功能仿生就是從自然界生物成功地將各種功能交織組合的范例中受到啟發(fā)，然后有機(jī)地組織各種錯(cuò)綜復(fù)雜的建筑功能成為一種綜合的整體。 芬蘭著名建筑師Alvar Aalto設(shè)計(jì)的德國(guó)不萊梅高層公寓

建筑材料仿生 建筑材料仿生是指科學(xué)家們通過對(duì)某些生物特殊的有機(jī)構(gòu)成結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的廣泛而深入的研究與試驗(yàn)，總結(jié)出某些仿生材料學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律。 英國(guó)仿照英超試制成功的一種蜂窩墻壁

建筑仿生的創(chuàng)新更需要學(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的特點(diǎn)，要做到這一點(diǎn)，從事建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)師必須善于應(yīng)用類推的方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感，同時(shí)學(xué)習(xí)生物科學(xué)的機(jī)理并結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)來為建筑創(chuàng)新服務(wù)，充分利用建筑工程學(xué)與生物學(xué)的學(xué)科交叉所帶來的優(yōu)勢(shì)，使其成為建筑創(chuàng)新的源泉和動(dòng)力。

3.建筑工程學(xué)與拓?fù)鋵W(xué)的交叉：建筑拓?fù)鋵W(xué)

（1）建筑拓?fù)鋵W(xué)。拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)學(xué)科分支，將拓?fù)鋵W(xué)與建筑工程學(xué)融合起來便產(chǎn)生了建筑拓?fù)鋵W(xué)。建筑拓?fù)鋵W(xué)主要研究的是不同形態(tài)之間的拓?fù)渫吲c非同胚關(guān)系，以便找到滿足統(tǒng)一設(shè)計(jì)要求的多種可選擇方案，以供人們從中選出最優(yōu)方案。拓?fù)鋵W(xué)的四種拓?fù)渥兓愋涂梢苑殖伤膫€(gè)層次，這里以住宅設(shè)計(jì)為例簡(jiǎn)單介紹拓?fù)湫巫兝碚搶?duì)建筑設(shè)計(jì)的重要影響。具體而言，建筑拓?fù)鋵W(xué)的四個(gè)層級(jí)演進(jìn)過程如下：①由吹泡圖到建筑圖。②建筑形態(tài)的微分同胚變化③建筑形態(tài)的同胚變化。④建筑形態(tài)的非同胚變化。

（2）建筑拓?fù)鋵W(xué)應(yīng)用價(jià)值。建筑拓?fù)鋵W(xué)是用拓?fù)鋵W(xué)的理論、方法來研究建筑形態(tài)的特征及其演化規(guī)律，探索建筑設(shè)計(jì)各個(gè)階段之間形態(tài)的拓?fù)溲莼绞?、過程。它不討論圖形的長(zhǎng)短、大小、面積、體積等數(shù)量之間的關(guān)系，只考慮圖形在連續(xù)變化中的拓?fù)涞葍r(jià)問題，這使我們可以在功能關(guān)系保持不變的情況下，自由靈活地進(jìn)行建筑的形態(tài)設(shè)計(jì)，追求建筑方案的多樣性選擇。該學(xué)科研究有助于加強(qiáng)建筑形態(tài)變化的邏輯性和豐富性，對(duì)建筑與環(huán)境之間的關(guān)系等也具有理論指導(dǎo)意義。

4.建筑工程學(xué)與其他學(xué)科的交叉

在建筑工程的發(fā)展史上，建筑工程還與除上面所提到以外的許多學(xué)科產(chǎn)生過交叉創(chuàng)新。具體而言（見表2）：

表2 建筑工程與其他學(xué)科交叉創(chuàng)新舉例

建筑工程學(xué)所交叉的學(xué)科 派生學(xué)科 研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

風(fēng)水學(xué) 建筑風(fēng)水學(xué) 風(fēng)水在建筑的地基、居所布局基礎(chǔ)上增加的信息符號(hào)，以滿足人們避兇趨吉的心理要求。

園林學(xué) 園林建筑而學(xué) 建造在園林和城市綠化地段最大程度地滿足人們游憩和觀賞。

聲學(xué) 建筑聲學(xué) 以最佳的方式控制噪音，應(yīng)用聲學(xué)原理使音樂廳等聲效達(dá)到最好等。

5.總結(jié)

交叉學(xué)科，從活動(dòng)的角度看，其本質(zhì)在于異質(zhì)性知識(shí)的耦合，即不同學(xué)科科技知識(shí)、理論方法、組織知識(shí)以及文化知識(shí)的耦合；交叉學(xué)科知識(shí)創(chuàng)新的過程就是包括不同學(xué)科的文化知識(shí)、組織知識(shí)在內(nèi)的異質(zhì)性知識(shí)相互耦合，推動(dòng)整個(gè)知識(shí)空間的不斷拓展和深化的過程。

建筑仿生學(xué)善于利用生物本身與自然環(huán)境具有高度的吻合性和科學(xué)性的特點(diǎn)，從生物本身的特點(diǎn)受到啟發(fā)，獲得了利于建筑方面創(chuàng)新的寶貴資源和廣闊思路；建筑拓?fù)鋵W(xué)從數(shù)學(xué)拓?fù)鋵W(xué)的角度出發(fā)將拓?fù)鋵W(xué)與建筑工程學(xué)融合起來。建筑拓?fù)鋵W(xué)主要研究的是不同形態(tài)之間的拓?fù)渫吲c非同胚關(guān)系，以便找到滿足統(tǒng)一設(shè)計(jì)要求的多種可選擇方案，以供人們從中選出最優(yōu)方案。前面的敘述已表明，建筑工程與多門學(xué)科交叉所產(chǎn)生了很多學(xué)科創(chuàng)新和學(xué)科分支，同時(shí)也促進(jìn)了建筑工程自身的發(fā)展。另一方面它也從側(cè)面某種程度上證明了交叉學(xué)科是作為科技創(chuàng)新的重要形式之一。這方面的研究工作必將成為現(xiàn)在乃至將來科學(xué)的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉興,張振宇.拓?fù)湫再|(zhì)的建筑學(xué)淺析[J].先鋒論壇,2010(09).

篇8

關(guān)鍵詞:電磁兼容(EMC) 電磁干擾(EMI)DSP應(yīng)用系統(tǒng)

Discussion of DSP Application System EMC Design

DU Guang-bo1,FAN Xing-ming2,ZHANG Xin2

(China United Engineering Corporation, Hangzhou ,310022,China;

2.Ggilin University of Electronic Technology ,Guilin ,541004,China)

Abstract: The general transmission approaches for electromagnetic interference (EMI) and the target and methods of electromagnetic compatibility (EMC) design for the electronic systems are discussed in this paper. The TMS320C24x series chips are used as an example to describe the methods and techniques for the design of DSP application system EMC.

Key word: Electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic interference (EMI); DSP application system

1引言

隨著DSP芯片的迅猛發(fā)展,其運(yùn)算速度和處理能力不斷提高,使得DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量及功耗都有很大程度的下降。但與此同時(shí),周圍環(huán)境的電磁干擾源越來越多,使得DSP系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員也面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),即:如何抑制日益嚴(yán)重的電磁干擾(EMI),提高系統(tǒng)性能,使各種電氣及電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容(EMC)的要求。

2電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1電磁兼容

電磁兼容(EMC)是指在有限的時(shí)間、空間和頻譜資源等條件下,各種用電設(shè)備可以共存并不至于引起性能惡化的一門學(xué)科。而電磁兼容性通常是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作,并且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成無法承受的電磁騷擾的能力。

電磁干擾(EMI)是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。形成電磁干擾必須具備三個(gè)要素,即:電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。三者關(guān)系如圖1所示。

任何形式的自然現(xiàn)象或裝置所發(fā)射的電磁能量,使生物受到損傷或使其他設(shè)備、系統(tǒng)發(fā)生電磁危害,從而導(dǎo)致性能下降或故障,這種自然現(xiàn)象或裝置就稱為電磁騷擾源。如光照、天電噪聲、電子噪聲、發(fā)電機(jī)等都屬于電磁騷擾源。耦合途徑是指?jìng)鬏旊姶膨}擾的媒介或途徑。敏感設(shè)備是指當(dāng)受到電磁干擾時(shí),會(huì)受到傷害的生物及會(huì)發(fā)生電磁危害,導(dǎo)致性能下降或發(fā)生故障的器件、設(shè)備或系統(tǒng)。許多器件、設(shè)備或系統(tǒng)既是敏感設(shè)備又是產(chǎn)生干擾的電磁騷擾源。

2.2電磁兼容設(shè)計(jì)的目的

電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的:是使電子設(shè)備或電子系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容。即要求在同一電磁環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)都能正常工作又互不干擾,達(dá)到“兼容”的狀態(tài)。滿足電磁兼容(EMC)有以下兩方面的規(guī)定:

1)能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作,無性能降低或故障;

2)對(duì)該電磁環(huán)境來說不是一個(gè)干擾源。如果一個(gè)DSP系統(tǒng)符合以下條件,則該系統(tǒng)是電磁兼容的:

對(duì)電磁騷擾不敏感。

對(duì)系統(tǒng)自身不產(chǎn)生干擾。

對(duì)其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。

為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容,必須從形成電磁干擾的基本要素出發(fā),從分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備入手,采取有效的技術(shù)措施,抑制騷擾源、減弱或消除騷擾的耦合途徑,并降低敏感設(shè)備對(duì)騷擾的響應(yīng)。

2.3電磁兼容設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

電磁兼容設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)兩方面加以考慮。系統(tǒng)間的電磁兼容設(shè)計(jì)目前已經(jīng)有較多的研究,因此,本文將主要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容設(shè)計(jì)加以討論。

通常系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設(shè)計(jì)可分為五部分:有源器件的選擇和印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)、布線、濾波、接地及屏蔽等。如圖2所示。

2.4電磁干擾的傳輸途徑

電磁騷擾源與敏感設(shè)備的耦合途徑有:傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射或三者的組合。

傳導(dǎo)耦合是電磁騷擾源和敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合的方式很多,可以通過電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體等進(jìn)行耦合。防止傳導(dǎo)耦合的方法是避免導(dǎo)線感應(yīng)噪聲,采取適當(dāng)?shù)钠帘位驅(qū)?dǎo)線分離,或在干擾進(jìn)入敏感電路之前,用濾波的方法將其濾除。

感應(yīng)耦合是電子元件(例如繼電器、變壓器、電感器等)及導(dǎo)線之間的主要耦合方式,可分為電感應(yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合兩類。對(duì)這兩類耦合可以采用加屏蔽、隔離或改變騷擾源和敏感設(shè)備的相對(duì)位置的方法加以抑制。

輻射是騷擾傳輸?shù)牧硪环N方式,包括天線、電纜、機(jī)殼之間產(chǎn)生的干擾。

通常,一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)中存在諸多的耦合途徑,一般采取抑制騷擾源、減小騷擾源和敏感設(shè)備之間的耦合、降低敏感設(shè)備對(duì)騷擾源的靈敏度來設(shè)計(jì)系統(tǒng),達(dá)到電磁兼容的要求。

3系統(tǒng)內(nèi)EMC設(shè)計(jì)中采取的措施

3.1有源器件的選擇和PCB的設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路特別是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,有源器件的正確選擇和印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)對(duì)防止電磁干擾(EMI)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

在器件的選擇過程中,必須注意有源器件的固有電磁敏感度特性和電磁騷擾發(fā)射特性。評(píng)價(jià)敏感器件的重要參數(shù)包括靈敏度和帶寬。靈敏度越高、帶寬越大,抗擾度就越差。電子器件的電磁騷擾發(fā)射也是應(yīng)該注意的,應(yīng)盡量避免或降低對(duì)其他器件或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

在PCB板設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮板的結(jié)構(gòu)、器件的布局、線路安排及濾波等技術(shù)。以下是一些值得參考的技巧:

電路中的電流環(huán)路應(yīng)保持最小

使用較大的地線平面以減小地線阻抗

信號(hào)線和回線應(yīng)盡可能接近

電源線和地線應(yīng)相互接近

在多層板設(shè)計(jì)中,電源面和地平面應(yīng)當(dāng)分開

采用合適的布線寬度以增加高頻阻抗和降低電容耦合

數(shù)字地、模擬地等應(yīng)相互分離

采用多點(diǎn)接地降低高頻地阻抗

增大相鄰激勵(lì)線跡的間距減小串?dāng)_

盡量減小時(shí)鐘信號(hào)環(huán)路面積

高頻線路和時(shí)鐘線要短和直接連接

敏感的線路不要與傳輸高頻大電流開關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)的線路并行

不要有浮空數(shù)字輸入,以防止產(chǎn)生開關(guān)誤動(dòng)作和噪聲

3.2濾波技術(shù)

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常在電路中加入電容器來滿足系統(tǒng)工作時(shí)所要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。根據(jù)電容在電路中的作用可分為:去耦電容、旁路電容和容納電容。去耦電容用來濾除高速器件在電源板上引起的騷擾電流;旁路電容可用來消除高頻輻射噪聲,從而抑制共模干擾;容納電容則配合去耦電容抑制由電流變化引起的噪聲。

主要的濾波技術(shù)包括:

對(duì)電源線和所有進(jìn)入PCB的信號(hào)進(jìn)行濾波

旁路快速開關(guān)器件

旁路模擬電路的所有電源供電和基準(zhǔn)電壓引腳

在器件引線處對(duì)電源/地去耦

用多級(jí)濾波抑制不同頻段的電源噪聲

3.3其它降噪措施

根據(jù)系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求可以采用懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地等不同的接地方式

在適當(dāng)?shù)牡胤郊悠帘?/p>

對(duì)有干擾的引線進(jìn)行屏蔽或絞在一起以消除相互耦合

在感性負(fù)載上用箝位二極管等

4DSP應(yīng)用系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)具有高精度、小功率、快速邏輯等特點(diǎn),容易受到寄生阻抗、介質(zhì)吸收或高頻噪聲的影響。在高速數(shù)字電路中,特別是在快速DSP中,時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的主要和最大產(chǎn)生源,可產(chǎn)生高達(dá)300 MHz或更高頻的諧波干擾,應(yīng)采取措施加以克服。此外,系統(tǒng)復(fù)位線、中斷線和控制線是較容易受到干擾的敏感設(shè)備。

一個(gè)電子系統(tǒng)的電磁兼容性很大程度上取決于元件的布局和導(dǎo)線的連接形式。當(dāng)一段導(dǎo)線和相應(yīng)的回路中有電流流動(dòng)時(shí),便產(chǎn)生了天線效應(yīng),向外輻射電磁能量,此能量的大小與流過電流的幅值、頻率及該電流環(huán)路所包圍的面積有關(guān),從而形成了一個(gè)典型的電磁干擾源。

如圖3所示,環(huán)路A―C―D―B和A―E―F―B中傳輸著系統(tǒng)正常工作所需的能量。然而電路中所消耗的能量不是恒定不變的,這主要取決于系統(tǒng)中各元件的瞬時(shí)工作狀態(tài)。系統(tǒng)中每個(gè)器件動(dòng)作所引起的變化都將反映到這些傳輸線上。為了防止電流的快速變化引起的干擾,可借助電容Cb加以抑制。由信號(hào)線和控制線形成的回路N―F―P―Q和L―M―F―D所包圍的面積相對(duì)較小,但是由它們引起的高頻噪聲也是不容忽視的。由晶振等元件組成的環(huán)路G―H―J―K,通常是系統(tǒng)中信號(hào)頻率最高的區(qū)域,在進(jìn)行電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。

由以上分析可見,在DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮電源線、高頻信號(hào)線和時(shí)鐘振蕩電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于電源線來說,可以采用去耦電容和鐵氧體保持供電電源的穩(wěn)定。信號(hào)線及其回路組成環(huán)路包圍的面積越小越好,以減小輻射干擾(EMI)。在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)通常是頻率最高的信號(hào)。以圖4為例,當(dāng)晶振連接C24x系列內(nèi)部振蕩器時(shí),通過減小高頻電流和電流環(huán)路包圍的面積來抑制電磁干擾。晶振具有很高的阻抗(通常為幾百kΩ),因此其工作時(shí)產(chǎn)生的高頻電流幅值很小。然而CMOS電路的輸出是含有高次諧波分量的方波信號(hào),晶振自身對(duì)這些信號(hào)不具有高阻抗特性,從而將產(chǎn)生較大的諧波電流,可以加一個(gè)串聯(lián)電阻加以抑制。兩個(gè)旁路電容對(duì)振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)呈現(xiàn)出低阻特性,將在Cs―X―Cs之間產(chǎn)生較大的電流。為了減小輻射干擾,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮小這個(gè)區(qū)域的面積。圖中串聯(lián)電阻阻值在1 kΩ范圍內(nèi)。

針對(duì)具體的DSP應(yīng)用系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)所選芯片類型和功能特點(diǎn)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。例如TMS320C24x DSP,它除了配置有高速數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu),還具有單片電機(jī)控制的外設(shè)功能,是專門為數(shù)字電機(jī)控制和其他控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。當(dāng)PCB設(shè)計(jì)完成后,還可以將C24x PWM單元設(shè)置為異步、同步或空間矢量PWM模式,進(jìn)一步降低電磁干擾,增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容性。

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作者簡(jiǎn)介

篇9

[關(guān)鍵詞]濕法煙氣脫硫 高脫硫效率

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）22-0275-02

1 煙氣脫硫技術(shù)概述

SO2控制技術(shù)的研究，據(jù)美國(guó)環(huán)保署（EPA）1984年統(tǒng)計(jì)，世界各國(guó)開發(fā)、研制、控制技術(shù)已達(dá)184種，而目前的數(shù)量已超過200種。使用的SO2減排手段分為三大類：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫及燃燒后脫硫。

1.1 燃燒前脫硫技術(shù)

燃燒前脫硫技術(shù)的主要內(nèi)容是采用物理、化學(xué)或生物方式對(duì)鍋爐使用的原煤進(jìn)行清洗，將煤中的硫部分除掉，使煤得以凈化，其中煤的物理凈化技術(shù)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的燃燒前脫硫技術(shù)，該法可以從原煤中除去泥土，頁(yè)巖和黃鐵礦硫。通過煤的粉碎，使非化學(xué)鍵結(jié)合的不純物質(zhì)與煤脫離，繼而利用構(gòu)成煤的有機(jī)物質(zhì)（煤的基本微觀結(jié)構(gòu)）與密度較大的礦物不純物之間比重的不同，或利用二者表面潤(rùn)濕性，磁性，導(dǎo)電性的不同將它們分離。主要方法有：重力法、浮選法、重液體富集法、磁性分離法、靜電分離法、凝聚法、細(xì)煤粒重介質(zhì)旋風(fēng)分離法等。物理方法工藝簡(jiǎn)單，投資少，操作成本低，但不能脫除煤中有機(jī)硫，對(duì)黃鐵礦硫的脫除率也只有50%左右。

化學(xué)法脫硫多數(shù)針對(duì)煤中有機(jī)硫，主要利用不同的化學(xué)反應(yīng)，包括生物化學(xué)反應(yīng)，將煤中的硫轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螒B(tài)的硫而使之分離。目前主要的化學(xué)凈化方法有：BHC法（堿水液法）、LOL氧化法（O2/空氣氧化法）、KVB（NO2選擇氧化）、氯解法（C12分解）、Meyers（Fe2（SO4）3氧化法）、微波法、超臨界醇抽提法等。

微生物脫硫技術(shù)雖然從本質(zhì)上講也是一種化學(xué)法，但由于其自身的特殊性，可把它單獨(dú)歸為一類。它是把煤粉懸浮在含細(xì)菌的氣泡液中，細(xì)菌產(chǎn)生的酶能促進(jìn)硫氧化成硫酸鹽，從而達(dá)到脫硫目的。

1.2 燃燒中脫硫技術(shù)

燃燒中脫硫技術(shù)主要是指當(dāng)煤在爐內(nèi)燃燒的同時(shí)，向爐內(nèi)噴入脫硫劑（常用的有石灰石，白云石等），脫硫劑一般利用爐內(nèi)較高溫度進(jìn)行自身鍛燒，鍛燒產(chǎn)物（主要有CaO，MgO等）與煤燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、SO3反應(yīng)，生成硫酸鹽和亞硫酸鹽，以灰的形式排出爐外，減少SO2、SO3向大氣的排放，達(dá)到脫硫的目的。燃燒過程中脫硫反應(yīng)溫度較高，一般在800-1250℃的范圍內(nèi)。

煤燃燒中脫硫技術(shù)主要有以下幾種：

1、煤粉爐直接噴鈣脫硫技術(shù)，在煤粉爐中，脫硫劑選擇溫度較低區(qū)域（爐膛上方）噴入進(jìn)行脫硫。單純的爐內(nèi)直接噴鈣脫硫效率只能達(dá)到30-40%左右，再與尾部活化器增濕或在脫硫中添加催化劑等技術(shù)相結(jié)合，其脫硫效率可達(dá)70%以上，這一方法所具有的投資省，裝置簡(jiǎn)單，但脫硫效率較低。

2、流化床燃燒脫硫技術(shù)包括常壓鼓泡流化床燃燒技術(shù)、常壓循環(huán)流化床、增壓鼓泡流化床燃燒技術(shù)與增壓循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。其中前三類已得到工業(yè)應(yīng)用，增壓循環(huán)流化床燃燒技術(shù)尚在工業(yè)示范階段。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的循環(huán)流化床燃燒脫硫效率可達(dá)90%以上。該技術(shù)現(xiàn)已在國(guó)外得到廣泛地應(yīng)用。

存在問題是：循環(huán)流化床受容量限制。增壓循環(huán)流化床燃燒技術(shù)效率在38-42%左右，脫硫效率在90%以上，同時(shí)還具有較強(qiáng)的脫硝能力，因此它也引起了人們的極大興趣。

3、型煤指在煤中摻加脫硫劑，做成一定形狀的煤制品。脫硫劑在燃燒過程中起到控制SO2的作用。型煤燃燒技術(shù)對(duì)于占工業(yè)鍋爐總量70%以上層燃式鍋爐及工業(yè)窯爐的有害物質(zhì)排放能起到一定的治理作用，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐窯高效，清潔燃燒的一個(gè)大有希望的方向，但這一技術(shù)不能用于懸浮燃燒的鍋爐（如電站煤粉爐），而且由于爐溫較高，脫硫率較低。

4、水煤漿技術(shù)是70年代國(guó)際上發(fā)展起來的一種以煤代油的新型燃料。由于水煤漿燃燒時(shí)火焰中心溫度比燒煤和燒油低，故NOX、生成量較小，同時(shí)能夠降低燃燒時(shí)產(chǎn)生的SO2和煙塵。目前我國(guó)在水煤漿制備和燃燒的研究開發(fā)以及工程示范方面取得了很大進(jìn)展，已具備了商業(yè)化應(yīng)用條件。

1.3 燃燒后脫硫（煙氣脫硫）技術(shù)

煙氣脫硫技術(shù)主要是利用吸收劑或吸附劑去除煙氣中的SO2，并使其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的硫化合物或硫。最早的煙氣脫硫技術(shù)在本世紀(jì)初就己經(jīng)出現(xiàn)。近幾十年來，國(guó)外對(duì)煙氣的脫硫、脫硝進(jìn)行了大量的研究。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)脫硫裝置的應(yīng)用發(fā)展很快。我國(guó)近十多年來也開展了煙氣脫硫技術(shù)的研究。至今，煙氣脫硫技術(shù)的種類非常多，按脫硫的方式和產(chǎn)物的處理形式一般可分為干法，半干法和濕法三大類。

1.濕法煙氣脫硫技術(shù)（WFGD技術(shù)）

含有吸收劑的溶液或漿液在濕狀態(tài)下脫硫和處理脫硫產(chǎn)物。該法具有脫硫反應(yīng)速度快、設(shè)備簡(jiǎn)單、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在腐蝕嚴(yán)重、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高及易造成二次污染等問題。

濕法煙氣脫硫可分為石灰石-石膏法，石灰石膏法，海水法，氨法，氧化鎂法等。目前應(yīng)用最廣泛的為石灰石-石膏法。

2.干法煙氣脫硫技術(shù)（DFGD技術(shù)）

脫硫吸收和產(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進(jìn)行。該法具有無污水廢酸排出、設(shè)備腐蝕小，煙氣在凈化過程中無明顯溫降、凈化后煙溫高、利于煙囪排氣擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)，但存在脫硫效率低，反應(yīng)速度較慢、設(shè)備龐大等問題。干法煙氣脫硫技術(shù)由于能較好地回避濕法煙氣脫硫技術(shù)存在的腐蝕和二次污染等問題，近年來得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

3.半干法煙氣脫硫技術(shù)（SDFGD技術(shù)）

半干法兼有干法與濕法的一些特點(diǎn)，是脫硫劑在干燥狀態(tài)下脫硫在濕狀態(tài)下再生（如水洗活性炭再生流程）或者在濕狀態(tài)下脫硫在干狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物（如噴霧干燥法）的煙氣脫硫技術(shù)。特別是在濕狀態(tài)下脫硫在干狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物的半干法，以其既有濕法脫硫反應(yīng)速度快、脫硫效率高的優(yōu)點(diǎn)，又有干法無污水廢酸排出、脫硫后產(chǎn)物易于處理的好處而受到人們廣泛的關(guān)注。

2 高脫硫效率濕法煙氣脫硫

根據(jù)目前電力行業(yè)的出口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，一般地區(qū)新建燃煤機(jī)組SO2出口排放濃度為100mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)新建燃煤機(jī)組SO2出口排放濃度為50mg/Nm3，而在一些污染情況較嚴(yán)重的特大型城市及周邊，地方政府為了滿足國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃的要求，制定了相應(yīng)的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，如天津、河北等省市要求燃煤機(jī)組SO2出口排放濃度為35mg/Nm3，這就要求火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)具備更高的脫硫效率，根據(jù)燃煤含硫量的情況，通常機(jī)組的脫硫效率需達(dá)98%甚至99%以上。目前有實(shí)施業(yè)績(jī)或在技術(shù)研發(fā)階段能達(dá)到高脫硫效率的脫硫技術(shù)有以下幾種：

（1）低液氣比旋匯耦合脫硫技術(shù)

石灰石-石膏濕法旋匯耦合脫硫技術(shù)（下述簡(jiǎn)稱為旋匯耦合技術(shù)）為國(guó)電清新公司脫硫?qū)＠夹g(shù)，該技術(shù)基于多相紊流摻混的強(qiáng)傳質(zhì)機(jī)理，利用氣體動(dòng)力學(xué)原理，通過特制的旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉(zhuǎn)翻覆湍流空間，加強(qiáng)氣液固接觸、完成高效傳質(zhì)過程，從而達(dá)到氣體凈化的目的。該技術(shù)通過進(jìn)行了各種脫硫技術(shù)參數(shù)的試驗(yàn)，對(duì)全面了解和深入研究脫硫技術(shù)的特點(diǎn)，掌握脫硫工藝中各種技術(shù)參數(shù)的相互聯(lián)系，推動(dòng)脫硫工藝技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了積極作用。

旋匯耦合脫硫技術(shù)的關(guān)鍵部件為旋匯耦合器，旋匯耦合器安裝在吸收塔內(nèi)，噴淋層的下方、吸收塔煙氣入口的上方，通過旋匯耦合器安裝位置湍流空間內(nèi)氣液固三相充分接觸，增強(qiáng)氣液膜傳質(zhì)、提高傳質(zhì)速率，進(jìn)而提高脫硫接觸反應(yīng)效率。其工作示意圖如下圖1：

旋匯耦合專利技術(shù)是將進(jìn)塔煙氣由層流變成湍流狀態(tài)，大大增加了氣體的漩流速度，與同類脫硫技術(shù)相比，具有以下幾大技術(shù)特點(diǎn)：

a） 均氣效果好

吸收塔內(nèi)氣體分布不均勻，是造成脫硫效率低和運(yùn)行成本高的重要原因，安裝旋匯耦合器的的脫硫塔，均氣效果比一般空塔提高15%-30%，脫硫裝置能在比較經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。

b） 傳質(zhì)效率高

煙氣脫硫的工作機(jī)理，是SO2從氣相傳遞到液相的相間傳質(zhì)過程，傳質(zhì)速率是決定脫硫效率的關(guān)鍵指標(biāo)。

c） 降溫速度快

煙氣通過旋流和匯流的耦合，旋轉(zhuǎn)、翻覆形成湍流都很大的氣液傳質(zhì)體系，煙氣溫度迅速下降，有利于塔內(nèi)氣液充分反應(yīng)，各種運(yùn)行參數(shù)趨于最佳狀態(tài)。

d） 適應(yīng)范圍寬和系統(tǒng)能耗低

此技術(shù)適用于不同工藝、不同煤種和工況，以及原料不同的石灰石粒徑。由于脫硫效率高，液氣比小，比同類技術(shù)能節(jié)約電能消耗。

（2）單塔雙循環(huán)技術(shù)/雙塔雙循環(huán)技術(shù)

雙循環(huán)技術(shù)是德國(guó)諾爾公司的一種濕法脫硫技術(shù)，基本原理如下圖2所示：

本技術(shù)實(shí)際上是采用兩級(jí)吸收塔串聯(lián)使用，兩級(jí)循環(huán)分別設(shè)有獨(dú)立的循環(huán)漿池，噴淋層，根據(jù)不同的功能，每個(gè)循環(huán)具有不同的運(yùn)行參數(shù)：

煙氣首先經(jīng)過一級(jí)循環(huán)（圖中Quench Zone），此級(jí)循環(huán)的脫硫效率根據(jù)入口煙氣SO2濃度可控制在30～90%，循環(huán)漿液PH控制在4.6～5.0，漿液停留時(shí)間在4～6分鐘，此級(jí)循環(huán)的主要功能是保證優(yōu)異的亞硫酸鈣氧化效果和充足的石膏結(jié)晶時(shí)間，根據(jù)資料顯示，在酸性環(huán)境下PH=4.5時(shí)，氧化效率是最高的，同時(shí)可以大大提高石膏品質(zhì)，提高石膏脫水率，據(jù)國(guó)外資料顯示，采用雙循環(huán)系統(tǒng)后石膏含水率可以從10%降低到6%。

經(jīng)過一級(jí)循環(huán)的煙氣直接進(jìn)入二級(jí)循環(huán)（圖中Absorber Zone），此級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)主要的脫硫洗滌過程，PH可以控制在非常高的水平，達(dá)到5.8～6.4，這樣可以大大降低循環(huán)漿液量。

（3）低液氣比B&W濕法脫硫技術(shù)

該技術(shù)利用氣體動(dòng)力學(xué)原理，通過在吸收塔中設(shè)置專利的合金帶孔托盤裝置使吸收塔內(nèi)氣體流速較好的均布，避免局部煙速高，對(duì)脫硫效率的影響;另外，合金托盤可保持一定高度液膜，增加煙氣在吸收塔內(nèi)停留時(shí)間，加強(qiáng)氣液固接觸、完成高效傳質(zhì)過程，有效降低液氣比，提高吸收劑利用率，從而達(dá)到氣體凈化的目的。增設(shè)托盤裝置需增加吸收塔高度。B&W濕法脫硫技術(shù)示意圖如下：

B&W濕法脫硫技術(shù)具有

a）均氣效果好;

b）系統(tǒng)能耗低;

c）檢修維護(hù)方便等特點(diǎn);

但系統(tǒng)阻力較大，由于漿液通過托盤，如開孔直徑不合適，容易造成堵塞等問題。

（4）中液氣比輔助噴淋脫硫技術(shù)

輔助噴淋脫硫技術(shù)為上海某項(xiàng)目采用的脫硫增效技術(shù)。在原噴淋層間增加專利設(shè)計(jì)的輔助噴淋層，增加輔助噴淋泵，在一定程度上增加液氣比，改善噴淋效果，并增加漿液池容積，改善氧化效果，以達(dá)到提高SO2吸收效率的目的。

此技術(shù)較適用于對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改造，而工期較緊張不宜增加吸收塔高度時(shí)有一定優(yōu)勢(shì)。

（5）高液氣比脫硫技術(shù)

在吸收塔內(nèi)原有噴淋層基礎(chǔ)上，通過增加噴淋層及循環(huán)漿液泵等設(shè)備，增加液氣比，并增加漿液池容積，改善氧化效果，提高脫硫效率。

此技術(shù)需增加塔高度，同時(shí)，由于液氣比較大，吸收塔漿池高度對(duì)比其他技術(shù)較高，故而氧化系統(tǒng)的壓頭較高，系統(tǒng)運(yùn)行電耗較大，初期投資也相應(yīng)較高。

（6）活性焦干法脫硫技術(shù)

活性焦脫硫在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究，日本、德國(guó)以及中國(guó)等國(guó)家已經(jīng)有了成功的商業(yè)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些公司也引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)。

活性焦干法脫硫工藝可分為吸附、解析和硫回收三個(gè)部分。吸附過程主要利用活性焦的微孔和其突出的表面積，將SO2、NOX、O2、H2O及煙氣中的汞等雜質(zhì)吸附在活性焦的表面活性位上，轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)分子后進(jìn)入解析裝置進(jìn)行解析，解析后的SO2可制成硫磺、硫酸等產(chǎn)品。

活性焦干法技術(shù)有較突出的優(yōu)點(diǎn)為：

a）脫硫效率高，由于活性焦的吸附能力強(qiáng)，脫硫效率能達(dá)到99%及以上，脫硝效率能過80%以上，同時(shí)有吸附其他污染物的功能。

b）副產(chǎn)物利用條件較好，變廢氣為應(yīng)用較廣的化工產(chǎn)品，減少其他技術(shù)帶來的二次污染問題。

c）節(jié)約水資源和吸附劑，由于吸收過程中不需要使用水，吸附劑可以通過解析再生，適用于缺水的北方地區(qū)。

但由于初期投資較高，需要蒸汽進(jìn)行解析等原因，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用相對(duì)較少。

（7）有機(jī)胺濕法脫硫技術(shù)

有機(jī)胺濕法煙氣脫硫技術(shù)利用有機(jī)胺吸收煙氣中的SO2，然后通過解析得到高純度的SO2，同時(shí)吸收劑再生循環(huán)利用，可解決石灰石-石膏濕法脫硫的副產(chǎn)物污染問題，同時(shí)脫硫效率能過98-99%，效率較高。

作為一種新興的環(huán)保脫硫技術(shù)，有經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性，主要特點(diǎn)有以下幾方面：

a）對(duì)初始煙氣中SO2含量適應(yīng)性較好，脫硫率高，一般能達(dá)到98%以上;

b）脫硫系統(tǒng)在弱酸性氣液相環(huán)境下運(yùn)行，不存在固體廢棄物的二次污染，不會(huì)發(fā)生結(jié)塘、磨損和堵塞等問題;

c）設(shè)備占地面積為石灰石-石膏法的1/5，投資成本較低，可用于老的火電廠脫硫改造，優(yōu)勢(shì)明顯;

d）副產(chǎn)品SO2商業(yè)價(jià)值高，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益;

由于初期投資較高，吸收劑成本較高，需要蒸汽進(jìn)行解析等原因，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也相對(duì)較少。

篇10

摘要：干旱區(qū)流域水資源短缺與生態(tài)惡化問題日趨嚴(yán)重，水文-生態(tài)過程耦合分析與模擬問題是實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)流域水安全與生態(tài)安全亟待解決的核心科學(xué)問題。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外水文-生態(tài)過程耦合研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討當(dāng)前干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合研究面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，初步提出干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合研究框架，包括水文-生態(tài)過程的作用機(jī)制、耦合關(guān)系和耦合模擬研究，旨在為干旱區(qū)流域水文-生態(tài)耦合研究提供參考。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)流域；水文-生態(tài)過程；作用機(jī)制；耦合關(guān)系；耦合模擬

中圖分類號(hào)：TV11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2012）01-0102-04

Discussion of Research Framework of Coupled Analysis and Simulation of Hydro-ecological Processes in Arid Watersheds

ZUO Qi-ting1,GUO Li-jun2,PING Jian-hua1,LIANG Shi-kui1

(1.Center for Water Science Research,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China；

2.Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,China)

Abstract:The shortage of water resources and the deterioration of ecosystem have become increasingly serious in the arid watersheds.Coupled analysis and simulation of the hydro-ecological processes are believed to be a core science to realize the water and ecological safety in the arid watersheds.This paper summarized the current worldwide research progress of the hydro-ecological processes,discussed the key scientific problems in the hydro-ecological processes at present,and proposed the research framework for the coupled analysis of the hydro-ecological processes in the arid watersheds,including the mechanism,coupled relationship and simulation of the hydro-ecological process.This framework can provide references for the research of coupled hydro-ecological processes in the arid watersheds.

Key words:arid watersheds；hydro-ecological processes；mechanisms；coupled relationship；coupled simulation

水是干旱區(qū)最為稀缺的資源，不僅是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，也是維系生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵因子。干旱區(qū)水資源匱乏，生態(tài)脆弱，由水資源開發(fā)利用引起的綠洲萎縮、沙塵暴肆虐、土壤鹽漬化等生態(tài)問題日益凸顯。干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的快速增長(zhǎng)及其對(duì)生態(tài)用水的嚴(yán)重?cái)D占，使水資源短缺與生態(tài)退化成為實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵障礙。

在干旱區(qū)，水資源系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互影響。僅僅獨(dú)立地研究區(qū)域/流域水文過程或生態(tài)過程，不能系統(tǒng)地揭示水與自然生態(tài)相互作用的客觀規(guī)律，也難以解決淡水資源短缺、水質(zhì)惡化和生物多樣性減少等生態(tài)問題。針對(duì)干旱區(qū)流域水資源短缺與生態(tài)惡化問題，綜合考慮水文要素與生態(tài)要素的關(guān)聯(lián)，研究水文過程和生態(tài)過程相互作用的物理和化學(xué)機(jī)制，尋求對(duì)生態(tài)有利、水資源可持續(xù)利用的管理方式是當(dāng)前亟待開展的核心研究問題［1-2］?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》明確提出要加強(qiáng)尤其是要加強(qiáng)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境問題研究，其中“水文-生態(tài)過程作用機(jī)制的研究和水文生態(tài)綜合集成研究”是綱要的優(yōu)先主題［3］?？梢?，干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合分析與模擬研究正面臨著國(guó)家重大需求的歷史機(jī)遇。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水文過程與生態(tài)過程耦合研究是現(xiàn)代水文科學(xué)最為活躍的領(lǐng)域之一［4-5］。國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃的“水循環(huán)的生物圈方面（BAHC）”和國(guó)際教科文組織（UNESCO）的國(guó)際水文計(jì)劃（IHP）等國(guó)際研究計(jì)劃以認(rèn)識(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域水文過程的耦合機(jī)制為核心內(nèi)容［6］。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50-60年代，Petts等通過研究河渠、河網(wǎng)、集水區(qū)的形成與演化開展了最初的水文-生態(tài)研究［7］。早期的水文-生態(tài)研究大多是在濕地、水陸過渡帶等水生生態(tài)系統(tǒng)開展水文-生態(tài)的耦合特征研究。自20世紀(jì)80年代起，水文-生態(tài)研究的范圍開始轉(zhuǎn)向陸地水域、水陸交錯(cuò)帶、森林和干旱區(qū)等水文過程和生態(tài)過程耦合作用的敏感區(qū)。國(guó)際上許多學(xué)者在這些區(qū)域開展了深入的研究工作。

1.1.1 干旱區(qū)水文-生態(tài)過程作用關(guān)系研究

目前，有關(guān)干旱區(qū)水文-生態(tài)過程作用關(guān)系的研究，多是從單一方面的效應(yīng)研究入手，即水文變化的生態(tài)效應(yīng)或生態(tài)變化對(duì)水文過程的影響效應(yīng)，缺乏系統(tǒng)的、綜合的耦合研究。

在“水文變化的生態(tài)效應(yīng)”方面，Klijin等（1999）指出可以利用水的流量、流速等水文要素對(duì)生境進(jìn)行重塑并控制植被群落［8］；Garcia等（2000）指出水文過程可以調(diào)整配置景觀內(nèi)的“流”（包括營(yíng)養(yǎng)物、污染物、礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)），水質(zhì)的惡化和水位（特別是地下水淺水位）變化、水化學(xué)特征及其變化，影響植物的群落結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)、分布和演替［9］；Dakova等（2000）、Snyder 等（2006）認(rèn)為水文過程可以通過多種水文要素，如水文、水力影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在淡水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的分布與富集；干旱、半干旱區(qū)降水事件引起的土壤水分與養(yǎng)分等資源的脈動(dòng)，深刻影響著植物生活史、種群動(dòng)態(tài)、群落變化、入侵恢復(fù)以及生態(tài)系統(tǒng)流［10-11］。

在“生態(tài)變化對(duì)水文過程的影響效應(yīng)”方面，Glaser等（1990）研究了植被對(duì)水化學(xué)和水文梯度的影響，指出植被對(duì)水化學(xué)梯度很敏感，水化學(xué)梯度（主要是pH值和Ca含量）對(duì)植被群落演替具有重要作用［12］；Bromley等（1997）指出大尺度上，大面積自然植被的破壞，特別是熱帶雨林的破壞可能造成降水量的減少，并改變整個(gè)區(qū)域的水文循環(huán)模式［13］； Armando等（2007）指出影響水文過程的最顯著的土地利用變化之一是植被變化［14］；Amenu等（2008）認(rèn)為植被能夠通過根系的水力重分布機(jī)制傳輸土壤水，從而改變表層土壤水分和深層土壤水分的分布，并影響水文過程［15］。

1.1.2 水文-生態(tài)過程模擬研究

水文生態(tài)模型是在揭示區(qū)域水文過程機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立的模擬預(yù)測(cè)水文生態(tài)耦合作用關(guān)系和演變趨勢(shì)的模型，近年來成為水文-生態(tài)研究的熱點(diǎn)。在水文生態(tài)模型的構(gòu)建上，德國(guó)、澳大利亞、荷蘭等國(guó)走在世界前列，探索開發(fā)了SWM模型、TOPOG模型和DEMNAT模型等諸多水文生態(tài)模型。

目前，國(guó)際上成功開發(fā)并應(yīng)用的水文生態(tài)模型主要有：① 德國(guó)開發(fā)的SWM模型，可用于模擬水文、植被生長(zhǎng)、侵蝕、養(yǎng)分（N和P）等過程，主要適用于中尺度（100~10 000 km2）或同數(shù)量級(jí)尺度地區(qū)的水文-生態(tài)過程［16］；② 澳大利亞開發(fā)的TOPOG模型，是基于地形分析的小流域水文模型，用于模擬流域瞬時(shí)水文及其對(duì)流域植被變化的響應(yīng)、植被生長(zhǎng)及其對(duì)水量平衡的影響等［17］；③ 荷蘭開發(fā)的國(guó)家生態(tài)水文預(yù)測(cè)模型DEMNAT及陸地生態(tài)系統(tǒng)水文影響評(píng)價(jià)模型ITORS。DEMNAT主要用于模擬水文變化的生態(tài)效應(yīng)，在全國(guó)和區(qū)域尺度上表現(xiàn)良好［18］。ITORS可描述植物種群和生境因子（如土壤、地下水和土地管理）之間的相互關(guān)系，可用來評(píng)價(jià)人類活動(dòng)引起環(huán)境變化條件下的植物種群響應(yīng)機(jī)制［19］；④ ICHORS生態(tài)水文模型，可用于預(yù)測(cè)化學(xué)和水文生物因子對(duì)植物種群響應(yīng)的影響；⑤ 包含了部分生態(tài)分析功能的具有代表性的分布式水文模型（MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等）。

當(dāng)前，國(guó)際水文-生態(tài)過程耦合分析與模擬研究總的趨勢(shì)為：不再是獨(dú)立地研究區(qū)域水文過程或生態(tài)過程，而是耦合水文-生態(tài)過程并放到區(qū)域、流域尺度，從水文-生態(tài)過程的作用機(jī)制及耦合關(guān)系進(jìn)行綜合研究。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近10年來，我國(guó)開始重視水文-生態(tài)過程的耦合研究，主要側(cè)重于干旱區(qū)、濕地、森林生態(tài)系統(tǒng)局部尺度上土壤-植被-大氣傳輸中水與植被的相互影響。由于我國(guó)西北干旱區(qū)水資源短缺與生態(tài)退化問題較為突出，在干旱區(qū)水文-生態(tài)過程耦合研究中取得的成果較多。

1.2.1 干旱區(qū)水文-生態(tài)過程作用關(guān)系研究

目前，此方面研究主要側(cè)重于研究植被結(jié)構(gòu)與功能變化對(duì)水文過程變化的響應(yīng)，土地利用/覆被變化對(duì)水文過程變化的響應(yīng)以及植被與地下水的相互作用。國(guó)家“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃《西北地區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究》初步揭示了干旱區(qū)水分-生態(tài)相互作用機(jī)理［20］；陳亞寧等（2003）分析了塔里木河下游斷流河道地下水埋深對(duì)天然植被的組成、分布及長(zhǎng)勢(shì)的影響［21］；張麗等（2004）分析了干旱區(qū)地下水位、土壤鹽分對(duì)植被覆蓋度、頻度的影響［22］；左其亭（2006）分析了博斯騰湖向塔里木河下游實(shí)施生態(tài)應(yīng)急輸水效果以及對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響［23］；周可法等（2006）探討了干旱區(qū)人類過度利用上游河水對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的脅迫機(jī)理［24］；王水獻(xiàn)等（2011）研究了焉耆盆地的地下水埋深與土壤鹽堿化、植被生長(zhǎng)與潛水蒸發(fā)的相互關(guān)系［25］。

1.2.2 水文-生態(tài)過程模擬研究

在水文-生態(tài)過程模擬研究方面，我國(guó)學(xué)者也做了大量的研究工作。比如，穆宏強(qiáng)等（2001）研究了分布式流域水文生態(tài)模型的建模理論［26］；羅毅（2001）等建立了模擬農(nóng)田SPAC系統(tǒng)（土壤-植被-大氣連續(xù)體中）的水、熱、CO2通量和光合作用的模型（CropS模型）［27］；莫興國(guó)等（2001）基于陸地生態(tài)系統(tǒng)能量收支、水文循環(huán)和碳氮循環(huán)開發(fā)了植被界面過程的生態(tài)水文動(dòng)力學(xué)模型（VIP模型）［28］；左其亭等（2002）提出了“多箱模型方法”，建立了陸面水量-水質(zhì)-生態(tài)耦合模型［29］；趙成義等（2003）建立了內(nèi)陸河流域二維地下水運(yùn)動(dòng)模擬模型，研究?jī)?nèi)陸河流域植被變化與地下水運(yùn)動(dòng)［30］；方創(chuàng)琳等（2004）根據(jù)黑河流域生態(tài)、生產(chǎn)和生活三系統(tǒng)相互作用形成的水-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展耦合關(guān)系，建立了黑河流域水-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展耦合模型［31］；劉昌明等（2009）開發(fā)了分布式生態(tài)水文模型EcoHAT，包括水分循環(huán)、營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)和植物生長(zhǎng)三大部分［32］。

總體來看，我國(guó)干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合分析與模擬研究目前還處于理論和方法體系探索階段。水文-生態(tài)過程的作用機(jī)制研究不夠深入，水文-生態(tài)過程耦合模擬研究還比較缺乏，已建立的水文生態(tài)模型多借鑒生態(tài)學(xué)、水文學(xué)以及其它學(xué)科的模型。

2 關(guān)鍵科學(xué)問題

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程的耦合分析與模擬研究越來越受到人們的重視，但水文-生態(tài)過程的耦合研究仍面臨著以下關(guān)鍵科學(xué)問題。

① 干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程的作用機(jī)制是什么？

干旱區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)與水文系統(tǒng)相互影響、相互作用，水文情勢(shì)變化如何改變流域生態(tài)格局，生態(tài)演變?nèi)绾斡绊懰倪^程？植被面積、長(zhǎng)勢(shì)與水文條件（地表水、土壤水、地下水、人工引水）之間的關(guān)系（規(guī)律、機(jī)制、原理）如何？總體來說，水文-生態(tài)過程的作用機(jī)制還不明確，這是水文-生態(tài)過程耦合研究的重要基礎(chǔ)，是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

② 干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程有哪些耦合關(guān)系？如何模擬其相互作用？

當(dāng)前的分布式水文模型（具有代表性的MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等），包含或增加了部分生態(tài)分析功能，主要是描述生態(tài)格局與變化形成的水文機(jī)制和過程，難以反映出生態(tài)過程對(duì)水文過程變化的響應(yīng)作用，即仍缺乏定量模擬基于水文機(jī)制下的生態(tài)格局與響應(yīng)。因此，針對(duì)干旱區(qū)以“耗散”為主要特征的水文-生態(tài)過程，構(gòu)建分布式水文生態(tài)模型，是水文-生態(tài)過程耦合研究的核心問題。

3 水文-生態(tài)過程耦合研究框架

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程的相互作用，總結(jié)得出干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合分析與模擬的研究框架（見圖1），主要內(nèi)容包括以下方面。

3.1 水文-生態(tài)過程演變趨勢(shì)與作用機(jī)制研究

① 水文過程演變趨勢(shì)研究。選取典型研究區(qū)，收集研究區(qū)的水文、生態(tài)等資料，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)流域水資源開發(fā)利用歷史，對(duì)比分析流域水文過程變化趨勢(shì)及影響因素，主要包括：揭示研究區(qū)的水質(zhì)、水量變化特征，分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)系統(tǒng)、水化學(xué)系統(tǒng)的影響作用，建立干旱區(qū)流域水循環(huán)系統(tǒng)演變模式。

② 生態(tài)過程演變趨勢(shì)研究?；赗S技術(shù)，根據(jù)流域植被覆蓋、土地利用結(jié)構(gòu)、生態(tài)格局演變歷史，對(duì)比分析流域生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)，重點(diǎn)分析與水資源開發(fā)利用密切關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)及影響因素。

③ 水文-生態(tài)過程作用機(jī)制研究。基于流域水文、生態(tài)過程演變趨勢(shì)，分析流域水文過程變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，包括水資源開發(fā)利用引起的土地利用/植被覆蓋變化、植被多樣性變化等；分析生態(tài)格局與功能演變對(duì)流域水文過程的影響。

3.2 水文-生態(tài)過程耦合關(guān)系研究

3.2.1 “多水耦合”研究

水循環(huán)把水圈中的所有水體聯(lián)系在一起，包括大氣水、地表水、地下水、土壤水以及構(gòu)成自然界的水。根據(jù)水循環(huán)機(jī)理和水平衡原理，研究“大氣水-地表水-地下水-土壤水-植物水”五水的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過程，分析流域水文-生態(tài)過程的多水耦合作用機(jī)制。

3.2.2 “多場(chǎng)耦合”研究

在干旱區(qū)，地下水是陸生植被生存的重要來源，植被結(jié)構(gòu)和功能與地下水滲流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)及溫度場(chǎng)之間存在互饋關(guān)系。根據(jù)“滲流場(chǎng)-水化學(xué)場(chǎng)-溫度場(chǎng)”三場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系和影響，分析水文-生態(tài)過程的耦合關(guān)系。耦合模擬地下水滲流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，分析“三場(chǎng)”的時(shí)空變化特征及互饋關(guān)系，進(jìn)而分析“三場(chǎng)”與植被之間的相互作用關(guān)系。

3.2.3 “多系統(tǒng)耦合”研究

按植被類型研究其對(duì)地表水、土壤水、地下水的依賴；分析植被依賴地表水、土壤水、地下水(水質(zhì)、水位和水量)的程度；確定不引起植被功能發(fā)生大的改變的水資源變量(地表水資源和地下水資源)的安全變化范圍；計(jì)算維護(hù)植被功能不發(fā)生大的改變的條件下能開發(fā)利用的水資源量(地表水資源和地下水資源)。

3.3 水文-生態(tài)過程耦合模擬研究

3.3.1 水循環(huán)模擬研究

模擬干旱區(qū)流域水循環(huán)過程，包括蒸發(fā)蒸騰、融雪、坡面流、非飽和流、河流和湖泊、地下水流及其之間的相互作用；模擬水流運(yùn)動(dòng)過程和水量轉(zhuǎn)化過程、溶質(zhì)（主要是鹽分）和熱的遷移轉(zhuǎn)化過程。

3.3.2 水文過程與生態(tài)過程作用關(guān)系模擬研究

設(shè)計(jì)不同的變化環(huán)境情景（氣候變化和人類活動(dòng)），模擬植被結(jié)構(gòu)和功能與水文循環(huán)的相互影響，即水文過程和生態(tài)過程的相互作用。

3.3.3 構(gòu)建分布式水文生態(tài)模型

基于GIS平臺(tái)，以“耗散”為主要特點(diǎn)，進(jìn)行水文過程與生態(tài)過程的尺度轉(zhuǎn)換，建立水文過程與生態(tài)過程的概念模型，并遴選參數(shù)。通過模型參數(shù)傳遞將水文模型與生態(tài)模型相耦合，建立分布式水文生態(tài)模型，模擬不同情景下水文-生態(tài)過程的相互作用。

4 結(jié)語(yǔ)

干旱區(qū)流域水文系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)相互作用、相互影響，水文-生態(tài)過程的耦合分析與模擬是干旱區(qū)亟待開展的核心研究。針對(duì)干旱區(qū)以“耗散”為主要特點(diǎn)的綠洲平原區(qū)，本文從“多水耦合”、“多場(chǎng)耦合”、“多系統(tǒng)耦合”分析干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程耦合關(guān)系，探索干旱區(qū)流域水文-生態(tài)過程作用機(jī)制。

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