能源景觀(guān)視角下的空間規劃改進(jìn)探討—以黑龍江生物質(zhì)能發(fā)展策略為

  1. 現狀綜述

 

  目前大多數國家依靠消耗化石能源進(jìn)行發(fā)展，導致全球每年CO2 排放10000t，造成嚴重的環(huán)境污染[1]。能源問(wèn)題已經(jīng)日益成為全球關(guān)注焦點(diǎn)，而能源消耗的主體是城市[2]。城市消耗了85% 的能源和資源，排放了相同比例的廢氣和廢物，流經(jīng)城市的河道80% 以上都受到了嚴重的污染，事實(shí)提醒我們，無(wú)論中國還是世界都必須轉變城市發(fā)展的模式[3]。世界能源理事會(huì )預測生物質(zhì)能全世界年產(chǎn)量為400 億瓦，是僅次于風(fēng)力、水力的第三大可再生能源，其空間分布范圍極大，擁有其他可再生能源載體所不具備的可存儲性，因此具有不可替代的重要作用。

 

  發(fā)展生物質(zhì)能可以降低對化石能源的依賴(lài)性，減少對環(huán)境的影響，推動(dòng)可持續發(fā)展能源方案的發(fā)展[4]。

 

  1.1 發(fā)展生物質(zhì)能的需求

 

  資源相對短缺是我國國情和城市發(fā)展的基本“市情”[5]。

 

  城市產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新的普遍目的是保持和增長(cháng)城市的活力，促進(jìn)城市經(jīng)濟的可持續發(fā)展。結合我國實(shí)際，應堅持的原則是：創(chuàng )新要有利于環(huán)境的保護；創(chuàng )新要有利于資源和能源的節約；創(chuàng )新要有利于就業(yè)崗位的創(chuàng )造[6]。

 

  黑龍江省生物質(zhì)能資源豐富，年產(chǎn)農作物秸稈5600 萬(wàn)t，薪炭林 900 萬(wàn)t，畜禽排泄物 3 億t。每年3000 萬(wàn)t 秸稈與294萬(wàn)t 薪柴被直接作為初級生活燃料消耗，其利用價(jià)值被大大降低，形成了“資源消耗—生態(tài)破壞—能源更加短缺”的惡性循環(huán)[7]。針對黑龍江目前情況，如果能夠借鑒德國與奧地利在生物質(zhì)能領(lǐng)域運用能源規劃與空間規劃交叉研究取得的成果經(jīng)驗，在空間規劃層面對能源規劃加以控制與引導，通過(guò)可再生能源生產(chǎn)用地規劃來(lái)具體落實(shí)建設進(jìn)程，將會(huì )大幅度提高生物質(zhì)能利用效率。

 

  1.2 空間規劃與能源規劃的脫節

 

  Blaschke 等人認為可再生能源載體空間分布對于能源系統利用效率具有極其重要的作用[8]。但事實(shí)卻相反，空間規劃和能源規劃一直被作為兩個(gè)獨立的領(lǐng)域來(lái)研究，包括中國在內的大多數國家的空間規劃目前并沒(méi)有考慮“能源空間”，為可再生能源生產(chǎn)用地預留空間。到目前為止，能源行業(yè)對于未來(lái)能源系統和解決方案的籌劃中很少關(guān)注地理空間方面的技術(shù)。黑龍江省新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(2010-2020 年)[9] 只是文本性的指導綱領(lǐng)，并沒(méi)有資源空間分布分析與建設空間規劃，對地方投資建設可再生能源設施的指導作用不足。

 

  1.3 相關(guān)研究基礎

 

  根據中國知網(wǎng)文獻數據庫以“能源規劃”為關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢(xún)結果為1548 篇，以“能源景觀(guān)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢(xún)結果為8 篇。根據Academic Search Premier 文獻數據庫以“energylandscape”進(jìn)行查詢(xún)結果為2841 篇。進(jìn)行查詢(xún)分析后，可見(jiàn)將能源規劃與空間規劃結合是研究熱點(diǎn)，尋求新型可再生能源發(fā)展策略是趨勢。其中，“Energy landscapes: Meeting energydemands and human aspirations”等16 篇文獻與本人研究相關(guān)性較為緊密。

 

  2. “能源景觀(guān)”框架體系

 

  2.1 能源與景觀(guān)交叉研究視角

 

  “能源景觀(guān)”是將景觀(guān)概念應用到能源領(lǐng)域的交叉研究視角，Thomas B 等人認為“能源景觀(guān)”致力于形成一種可持續景觀(guān)，主旨在于量化可再生能源載體的時(shí)間、空間分布規律，通過(guò)能源建模、空間數據分析等手段來(lái)對可再生能源生產(chǎn)用地的空間分布進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)調控政策、激勵機制、財政支持等手段來(lái)對可再生能源時(shí)間分布進(jìn)行優(yōu)化[10]。由Austad 提出的以下策略[11] 是“能源景觀(guān)”研究領(lǐng)域的公認原則：

 

  （1）基于半自然植被類(lèi)型與傳統農業(yè)系統的生物能源生產(chǎn)是可持續運作的“能源景觀(guān)”理想模型；（2）刺激復興劣質(zhì)土地區域；（3）激勵機制與財政支持農業(yè)體制，以保持生態(tài)與歷史價(jià)值；（4）鼓勵有機農業(yè)與農林業(yè)經(jīng)營(yíng)；（5）結合景觀(guān)生態(tài)學(xué)與能源概念的知識與傳統，發(fā)展新文化景觀(guān)與農業(yè)系統；（6）研究傳統可持續農業(yè)的能源使用，特別是生物質(zhì)消費與研究結果的應用。

 

  由于可再生能源具有時(shí)空變異性的特征，與化石燃料分布特點(diǎn)形成鮮明對比，生物質(zhì)是唯一具有易于存儲特點(diǎn)的可再生能源，而風(fēng)能、太陽(yáng)能等具有劇烈時(shí)間變化性的可再生能源可以作為一定程度上的補充能源。

 

  2.2 “能源景觀(guān)”理論分析模型

 

  目前較成熟的“能源景觀(guān)”分析模型有基于GIS 技術(shù)的生物量模型與時(shí)間空間生物量模型。

 

  Biberacher 提出基于GIS 技術(shù)的生物量模型建模方法[12]，通過(guò)使用GIS 區域數據來(lái)集成城市空間顯式數據，結合RS 數據可以建立關(guān)于能源產(chǎn)品的供求關(guān)系、運輸因素、生命周期評估的時(shí)空模型。Blaschke 等人利用此框架綜合考慮氣候、經(jīng)濟、社會(huì )、生態(tài)因素，論證了地理顯式模型框架可以應用于各種戰略空間規劃[13]。在生物質(zhì)種植區域可行性研究以及食物或能量適合性選擇等方面，現在可以將此方法應用于說(shuō)明、評估、生物量利用路徑優(yōu)化等生物量模型細節分析。

 

  Biberacher 和Gadocha[14] 提出了時(shí)間空間生物量模型，不僅能夠處理可再生能源潛能的地理分項數據，還可以處理熱能需求的地理分項數據。時(shí)間空間生物量模型可以提供一種發(fā)展與實(shí)施特定區域和空間顯式生物質(zhì)利用策略的方法，其目標是評估相關(guān)作物、作物輪作、草原、森林類(lèi)型的增長(cháng)率和收益率以及熱量、電力、食品、生物燃料的能源需求結構?；谏镔|(zhì)價(jià)格發(fā)展及氣候變化的不同假設，生物質(zhì)利用優(yōu)化區域被加以描述。

 

  2.3 “能源景觀(guān)”與空間規劃的結合意義

 

  Sp?th 通過(guò)“能源景觀(guān)”理論層面在奧地利高原地區應用了“能源區域”方法[15] 以指導區域發(fā)展戰略規劃，建立了關(guān)于系統開(kāi)發(fā)可再生能源的強有力行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，挽救區域經(jīng)濟衰退。Moser 等人的研究目標是實(shí)現德國境內可再生能源區域達到100%[16]，也是少數令人信服的“能源景觀(guān)”案例之一。

 

  景觀(guān)的概念不僅是具有一定功能的土地區域，因此，需解決的核心問(wèn)題是在法定空間規劃框架下究竟是“區域”還是“景觀(guān)”能夠提供足夠的空間戰略概念和產(chǎn)物。Moser 等人認為應用一系列可再生能源使用技術(shù)涉及到不同的參與者以及不同的空間視角，最小的空間實(shí)體可以是建筑、街區、村莊或區域。

 

  以往的供應系統分析通常僅建立在區域層面上，在表現特定地點(diǎn)的感受、價(jià)值等人文因素時(shí)，“區域”概念則顯得不足以勝任。

 

  綜上所述，以往空間規劃倡導的“區域”理念主要從經(jīng)濟視角進(jìn)行研究，在考慮時(shí)間因素進(jìn)行研究時(shí)則很少涉及空間組織模式，如果能夠綜合考慮倡導人文因素的“景觀(guān)”與倡導經(jīng)濟成本的“區域”理念，那么優(yōu)劣評價(jià)、運輸成本、生態(tài)和審美影響等因素都需要在二者綜合體“能源景觀(guān)”空間規劃里加以考慮。

 

  3. “能源景觀(guān)”理念下的生物質(zhì)能分析方法

 

  以生物質(zhì)能為研究對象時(shí)，“能源景觀(guān)”理念下的空間規劃是通過(guò)一系列生物量分析模型來(lái)完成的，主要包括生產(chǎn)潛能分析、能源供需分析、時(shí)空變異預測三方面。

 

  3.1 生產(chǎn)潛能分析

 

  基于地形、氣候、土地利用等因素，Biberacher 等人在德國奧爾登堡案例中使用GIS 數據評估與計算生物質(zhì)潛能。奧爾登堡地區面積為1063km2，其中農業(yè)用地69hm2（約70%可耕種土地，30% 草地），森林用地20 hm2（48% 針葉林，24% 落葉林，其余為混合林帶）。根據Biberacher 的方法對用地潛能進(jìn)行計算，得出奧爾登堡郡農業(yè)能源輸出為5.09 千瓦時(shí)/ hm2·年，落葉林能源輸出為1.9 千瓦時(shí)/ hm2·年，針葉林能源輸出為1.58 千瓦時(shí)/ hm2·年，混合林帶能源輸出為1.74 千瓦時(shí)/ hm2·年。在扣除農業(yè)生物質(zhì)潛能中用于食品生產(chǎn)的量與森林生物質(zhì)潛能中用于木材產(chǎn)品的量后，最終得出農業(yè)生物質(zhì)潛能為50.9 兆瓦時(shí)/ hm2·年，森林生物質(zhì)潛能為17.4 兆瓦時(shí)/hm2·年。

 

  3.2 能源供需分析

 

  Biberacher 和Gadocha 主持的奧地利空間規劃聯(lián)盟資助的國家項目致力于對目前奧地利可再生能源載體進(jìn)行評估[17]。此項目運用系統對比方式來(lái)對奧地利全境各種可再生能源載體的空間分化潛能做出可視化圖紙表達。項目假設前提是定義目標的實(shí)施將在廣大區域范圍產(chǎn)生影響。因此與專(zhuān)家合作能夠在規劃項目中實(shí)現區域優(yōu)先級能源載體，并對太陽(yáng)能、水力、風(fēng)能、生物能、地熱等可再生能源載體的潛能進(jìn)行系統建模和空間分化。上述建模方法能夠計算能源載體的理論潛能與技術(shù)潛能，處理生物質(zhì)潛能以及熱能需求的地理分項數據。這種空間平衡形成了給定生物質(zhì)能源的空間利用優(yōu)化模型的基礎，同時(shí)供熱需求的目標函數被定義為在規定區域內限制溫室氣體排放的情況下獲得最高經(jīng)濟效率。

 

  3.3 時(shí)空變異預測

 

  Biberacher 和Gadocha 提出的模型除了對作物類(lèi)型、作物輪作、草原、森林類(lèi)型的增長(cháng)率和收益率以及熱量、電力能源需求結構進(jìn)行評估外，還包括對生物質(zhì)利用系統目前與未來(lái)的空間分布機制。同時(shí)，基于區域統計數據、土地利用數據、氣候影響與變化數據、成本結構數據、生態(tài)與社會(huì )因素數據構成的主數據庫基礎上，給定一系列基于生物質(zhì)價(jià)格發(fā)展及氣候變化的不同假設，對生物質(zhì)利用區域的時(shí)間變異規律進(jìn)行描述。

 

  基于生物質(zhì)價(jià)格發(fā)展及氣候變化的不同假設，生物質(zhì)利用優(yōu)化區域的各種場(chǎng)景被逐一加以描述。建模結果可以提供與區域生物質(zhì)策略相關(guān)的決策過(guò)程，為生物質(zhì)資源利用的區域參與過(guò)程與實(shí)例因果關(guān)系提供了有力支持。

 

  4. “能源景觀(guān)”理念在黑龍江生物質(zhì)能領(lǐng)域

 

  的應用嘗試

 

  結合德國與奧利地生物質(zhì)能利用案例的成功經(jīng)驗，將“能源景觀(guān)”理念應用到黑龍江省生物質(zhì)能發(fā)展領(lǐng)域，將會(huì )優(yōu)化現有的能源消費結構，改變黑龍江省生物質(zhì)能利用效率低下，資源浪費嚴重的現狀。

 

  4.1 生物質(zhì)潛能與發(fā)展定位

 

  根據黑龍江省2012 年統計年鑒的農林業(yè)生產(chǎn)情況數據，按照Biberacher 等人計算奧爾登堡郡農林業(yè)能源的方法，可以分別得出相應的生物質(zhì)潛能數值。

 

  黑龍江省農業(yè)資源豐富，生物質(zhì)能發(fā)展潛力較大；林業(yè)資源以用材林、防護林居多，薪炭林僅為300 hm2，不具備發(fā)展生物質(zhì)能的潛力。因此，黑龍江省生物質(zhì)能發(fā)展的主要目標是提高農作物剩余物的利用效率，將農業(yè)生物質(zhì)能的運輸、加工、發(fā)電作為近期內的主要發(fā)展目標；同時(shí)應嚴格禁止對林業(yè)資源進(jìn)行生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)，盡力改善資源短缺的林業(yè)資源現狀。

 

  4.2 生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布局模式

 

  以農業(yè)資源為主導的生物質(zhì)能發(fā)展策略需充分考慮生物質(zhì)載體運輸有效半徑來(lái)確定最為經(jīng)濟的生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布局方式。根據奧地利21 位專(zhuān)家評估及GIS 分析結果，可再生能源載體運輸距離具有閾值限制，運輸半徑過(guò)大會(huì )造成運輸成本的增加，進(jìn)而降低使用可再生能源的經(jīng)濟性。

 

  奧利地人口與道路密度高于黑龍江，因此表2 中運輸網(wǎng)絡(luò )最大距離的500m 數值對于黑龍江來(lái)說(shuō)偏小，但根據熱能損失得出的10km 的最大能源傳輸半徑仍然對黑龍江省有效。結合黑龍江實(shí)際情況，較為經(jīng)濟的方式是在居民定居點(diǎn)附近選址進(jìn)行生物質(zhì)能的加工轉化，這樣能夠在運輸成本與道路建設投資之間取得較好的平衡點(diǎn)，獲得更為經(jīng)濟的綜合效率.

 

  依據生物質(zhì)能轉化傳輸最大距離閾值10km 確定了居民定居點(diǎn)半徑與生物質(zhì)能生產(chǎn)用地之間的位置關(guān)系。當居民定居點(diǎn)半徑R ≤ 5km 時(shí)，至少需在郊區布置一處生物質(zhì)能生產(chǎn)用地，且當兩個(gè)R<5km 的居民定居點(diǎn)距離較近時(shí)，可在兩點(diǎn)之間設置生物質(zhì)能生產(chǎn)用地。當5km<R ≤ 7km 時(shí)，至少需在居民定居點(diǎn)兩側郊區布置兩處生物質(zhì)能生產(chǎn)用地。當7km<R≤10km時(shí)，至少需在居民定居點(diǎn)周邊郊區布置三處生物質(zhì)能生產(chǎn)用地。當R>10km 時(shí)，則無(wú)法通過(guò)郊區設置生物質(zhì)能生產(chǎn)用地的方法來(lái)實(shí)現覆蓋城市全部范圍，但帶狀分布寬度小于7km 的居民定居點(diǎn)依然可以通過(guò)小半徑定居點(diǎn)設置方法來(lái)進(jìn)行布置。圖2 中生物質(zhì)能生產(chǎn)用地之間距離如果較近則會(huì )產(chǎn)生范圍交集部分，這些交集區域就是生物質(zhì)能生產(chǎn)用地能夠發(fā)揮最大效率的優(yōu)先設置選擇區域。

 

  由于黑龍江全省范圍過(guò)大，無(wú)法通過(guò)單一圖紙來(lái)進(jìn)行表達，此處選擇縣級市富錦作為分析案例，依據上述生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布置原則來(lái)對其進(jìn)行分析（圖3）。

 

  富錦市位于黑龍江省東北部、松花江下游南岸三江平原上，經(jīng)度為東經(jīng)130°25′至133°26′，緯度為北緯47°37′至46°45′，全境東西180km，南北92km，總面積8224km2。

 

  根據富錦市域內的10 個(gè)建制鎮半徑確定生物質(zhì)能生產(chǎn)用地適宜建設范圍，由此產(chǎn)生一系列圓形覆蓋區域，其中具有重疊的區域是適宜性較強的區域，擁有優(yōu)先建設選擇權。根據優(yōu)先建設區域與建制鎮規模能夠確定城鎮級生物質(zhì)能生產(chǎn)用地的位置與網(wǎng)絡(luò )。在此基礎上，根據各村屯半徑與分布密度選擇相適應的生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布置方式，形成村屯級能源網(wǎng)絡(luò )。由城鎮級、村屯級能源網(wǎng)絡(luò )共同形成的能源網(wǎng)絡(luò )呈現三角形網(wǎng)格形態(tài)，每?jì)蓚€(gè)生物質(zhì)能生產(chǎn)用地之間距離區間為10km<D<20km。圖3 為市縣級居民定居點(diǎn)提供了一種生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布局建設指導策略，圖中提供的生物質(zhì)能生產(chǎn)用地空間規劃是基于最低建設密度閾值來(lái)進(jìn)行分析的，在實(shí)際建設過(guò)程中為了達到更好的能源供應效率可適當增加生產(chǎn)用地建設密度。

 

  圖3 黑龍江省富錦市生物質(zhì)能生產(chǎn)用地空間規劃4.3 后續研究工作

 

  在確立“能源空間規劃”的空間分布、生產(chǎn)力分析基礎上，后續的研究工作通過(guò)統計、RS 數據明確能源需求存量與地理分布情況，將其輸入GIS 數據庫，建立模型以便進(jìn)行分析需求量與運輸成本之間的關(guān)系，確定最終所需要的生物質(zhì)生產(chǎn)規模，進(jìn)而確定生物質(zhì)加工、存儲、發(fā)電場(chǎng)地設施的建設規模?；诤邶埥〉哪壳艾F狀，時(shí)空變異預測的推理基礎可以通過(guò)非城市人口冬季采暖熱值、擬建生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)規模、現有電力網(wǎng)絡(luò )短缺量等幾個(gè)方面來(lái)預測與推理。目前黑龍江省尚需建立相關(guān)的GIS 數據庫以及理論分析模型體系來(lái)支持進(jìn)行深入系統的時(shí)空變異預測分析。

 

  此外，鑒于黑龍江省近年大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的現狀，并且生物質(zhì)能具有可存儲延時(shí)轉化的特點(diǎn)，應當從政策上引導生物質(zhì)能與風(fēng)力建立統籌的電力調峰機制，在風(fēng)力發(fā)電充足時(shí)段可以減少生物質(zhì)能轉化量，而在風(fēng)力發(fā)電不足時(shí)段可以加大轉化量，使生物質(zhì)能成為電力網(wǎng)絡(luò )的調節媒介，以保證電力網(wǎng)絡(luò )的穩定供應量。

 

  5. 結論

 

  “能源景觀(guān)”是綜合考慮能源規劃與空間規劃的研究視角，能夠彌補目前多數能源規劃缺少空間規劃支持的狀態(tài)，改善黑龍江目前的生物質(zhì)能消費結構及利用效率，為生物質(zhì)能未來(lái)計劃實(shí)施方案提供空間分析功能和方法。

 

  目前黑龍江省農業(yè)生物質(zhì)能豐富，林業(yè)生物質(zhì)能匱乏，發(fā)展定位應以提高農業(yè)生物質(zhì)能利用效率為主，并禁止林業(yè)生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)。在進(jìn)一步深化奧地利生物質(zhì)能利用案例中關(guān)于生物質(zhì)能運輸成本閾值研究的基礎上，建立居民定居點(diǎn)與生物質(zhì)能生產(chǎn)用地布局關(guān)系模型，進(jìn)而以富錦市為案例制定了區域生物質(zhì)能生產(chǎn)用地空間規劃，為普及市縣級生物質(zhì)能生產(chǎn)用地空間規劃提供策略性指導。

 

  鑒于黑龍江省新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(2010-2020 年) 缺乏詳細空間規劃的情況，如果能夠從全省層面建立具備詳細空間規劃方案的能源規劃，則可以從生物質(zhì)能空間分布、生產(chǎn)能力定量分析、生產(chǎn)適宜性可行性分析、選址標準、聯(lián)結風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò )實(shí)現調峰作用等方面來(lái)全方位改進(jìn)現有生物質(zhì)能消費結構。

 

  “能源景觀(guān)”視角下的空間規劃改進(jìn)策略主要有生產(chǎn)潛能分析、能源供需分析、時(shí)空變異預測幾項內容，運用GIS、RS技術(shù)來(lái)確定生物質(zhì)能適宜性用地類(lèi)型劃分，并明確能源需求存量與地理分布情況，以便進(jìn)行分析需求量與運輸成本之間的關(guān)系，確定最終所需要的生物質(zhì)生產(chǎn)規模，進(jìn)而確定生物質(zhì)加工、存儲、發(fā)電場(chǎng)地設施的建設規模。在現有數據分析基礎上，建立可再生能源時(shí)空變異預測模型，進(jìn)而構建可體現可再生能源時(shí)空變異規律的遠期規劃。

 

  綜上所述，擬確定能源景觀(guān)視角下的空間規劃改進(jìn)策略如下：

 

  城市間道路體系應與環(huán)境相互協(xié)調，有機結合，不但能滿(mǎn)足交通要求，還需要考慮可再生能源生產(chǎn)用地的運輸半徑與聯(lián)營(yíng)協(xié)作效益。

 

  可再生能源生產(chǎn)用地選址應充分考慮運輸成本與就地取材特點(diǎn)，形成密度適宜的能源網(wǎng)絡(luò )。

 

  兼顧經(jīng)濟利益與生態(tài)效益，在運營(yíng)盈利的前提下盡可能提高生態(tài)效益，以保證建設實(shí)施現實(shí)可操作性。

 

  通過(guò)測算能源需求來(lái)確定電力調峰機制，利用風(fēng)能作為可存儲能源載體生物質(zhì)能的補充能源形式，形成穩定持續供電網(wǎng)絡(luò )。

 

  重視控制性詳細規劃與能源規劃的結合應用，以GIS、RS技術(shù)作為輔助手段來(lái)量化得出圖文分析數據，替代以往的單一文本規劃形式，通過(guò)指導圖則與控制指標的形式指導能源規劃。