能源景观视角下的空间规划改进探讨-以黑龙江生物质能发展策略为核心

  1. 现状综述

 

  目前大多数国家依靠消耗化石能源进行发展，导致全球每年CO2 排放10000t，造成严重的环境污染。能源问题已经日益成为全球关注焦点，而能源消耗的主体是城市[2]。城市消耗了85% 的能源和资源，排放了相同比例的废气和废物，流经城市的河道80% 以上都受到了严重的污染，事实提醒我们，无论中国还是世界都必须转变城市发展的模式。世界能源理事会预测生物质能全世界年产量为400 亿瓦，是仅次于风力、水力的第三大可再生能源，其空间分布范围极大，拥有其他可再生能源载体所不具备的可存储性，因此具有不可替代的重要作用。

 

  发展生物质能可以降低对化石能源的依赖性，减少对环境的影响，推动可持续发展能源方案的发展。

 

  1.1 发展生物质能的需求

 

  资源相对短缺是我国国情和城市发展的基本“市情”。

 

  城市产业创新的普遍目的是保持和增长城市的活力，促进城市经济的可持续发展。结合我国实际，应坚持的原则是：创新要有利于环境的保护；创新要有利于资源和能源的节约；创新要有利于就业岗位的创造。

 

  黑龙江省生物质能资源丰富，年产农作物秸秆5600 万t，薪炭林 900 万t，畜禽排泄物 3 亿t。每年3000 万t 秸秆与294万t 薪柴被直接作为初级生活燃料消耗，其利用价值被大大降低，形成了“资源消耗—生态破坏—能源更加短缺”的恶性循环[7]。针对黑龙江目前情况，如果能够借鉴德国与奥地利在生物质能领域运用能源规划与空间规划交叉研究取得的成果经验，在空间规划层面对能源规划加以控制与引导，通过可再生能源生产用地规划来具体落实建设进程，将会大幅度提高生物质能利用效率。

 

  1.2 空间规划与能源规划的脱节

 

  Blaschke 等人认为可再生能源载体空间分布对于能源系统利用效率具有极其重要的作用[8]。但事实却相反，空间规划和能源规划一直被作为两个独立的领域来研究，包括中国在内的大多数国家的空间规划目前并没有考虑“能源空间”，为可再生能源生产用地预留空间。到目前为止，能源行业对于未来能源系统和解决方案的筹划中很少关注地理空间方面的技术。黑龙江省新能源和可再生能源产业发展规划(2010-2020 年)[9] 只是文本性的指导纲领，并没有资源空间分布分析与建设空间规划，对地方投资建设可再生能源设施的指导作用不足。

 

  1.3 相关研究基础

 

  根据中国知网文献数据库以“能源规划”为关键词进行查询结果为1548 篇，以“能源景观”为关键词进行查询结果为8 篇。根据Academic Search Premier 文献数据库以“energylandscape”进行查询结果为2841 篇。进行查询分析后，可见将能源规划与空间规划结合是研究热点，寻求新型可再生能源发展策略是趋势。其中，“Energy landscapes: Meeting energydemands and human aspirations”等16 篇文献与本人研究相关性较为紧密。

 

  2. “能源景观”框架体系

 

  2.1 能源与景观交叉研究视角

 

  “能源景观”是将景观概念应用到能源领域的交叉研究视角，Thomas B 等人认为“能源景观”致力于形成一种可持续景观，主旨在于量化可再生能源载体的时间、空间分布规律，通过能源建模、空间数据分析等手段来对可再生能源生产用地的空间分布进行优化，并通过调控政策、激励机制、财政支持等手段来对可再生能源时间分布进行优化[10]。由Austad 提出的以下策略[11] 是“能源景观”研究领域的公认原则：

 

  （1）基于半自然植被类型与传统农业系统的生物能源生产是可持续运作的“能源景观”理想模型；（2）刺激复兴劣质土地区域；（3）激励机制与财政支持农业体制，以保持生态与历史价值；（4）鼓励有机农业与农林业经营；（5）结合景观生态学与能源概念的知识与传统，发展新文化景观与农业系统；（6）研究传统可持续农业的能源使用，特别是生物质消费与研究结果的应用。

 

  由于可再生能源具有时空变异性的特征，与化石燃料分布特点形成鲜明对比，生物质是唯一具有易于存储特点的可再生能源，而风能、太阳能等具有剧烈时间变化性的可再生能源可以作为一定程度上的补充能源。

 

  2.2 “能源景观”理论分析模型

 

  目前较成熟的“能源景观”分析模型有基于GIS 技术的生物量模型与时间空间生物量模型。

 

  Biberacher 提出基于GIS 技术的生物量模型建模方法[12]，通过使用GIS 区域数据来集成城市空间显式数据，结合RS 数据可以建立关于能源产品的供求关系、运输因素、生命周期评估的时空模型。Blaschke 等人利用此框架综合考虑气候、经济、社会、生态因素，论证了地理显式模型框架可以应用于各种战略空间规划[13]。在生物质种植区域可行性研究以及食物或能量适合性选择等方面，现在可以将此方法应用于说明、评估、生物量利用路径优化等生物量模型细节分析。

 

  Biberacher 和Gadocha[14] 提出了时间空间生物量模型，不仅能够处理可再生能源潜能的地理分项数据，还可以处理热能需求的地理分项数据。时间空间生物量模型可以提供一种发展与实施特定区域和空间显式生物质利用策略的方法，其目标是评估相关作物、作物轮作、草原、森林类型的增长率和收益率以及热量、电力、食品、生物燃料的能源需求结构。基于生物质价格发展及气候变化的不同假设，生物质利用优化区域被加以描述。

 

  2.3 “能源景观”与空间规划的结合意义

 

  Sp?th 通过“能源景观”理论层面在奥地利高原地区应用了“能源区域”方法[15] 以指导区域发展战略规划，建立了关于系统开发可再生能源的强有力行动网络，挽救区域经济衰退。Moser 等人的研究目标是实现德国境内可再生能源区域达到100%[16]，也是少数令人信服的“能源景观”案例之一。

 

  景观的概念不仅是具有一定功能的土地区域，因此，需解决的核心问题是在法定空间规划框架下究竟是“区域”还是“景观”能够提供足够的空间战略概念和产物。Moser 等人认为应用一系列可再生能源使用技术涉及到不同的参与者以及不同的空间视角，最小的空间实体可以是建筑、街区、村庄或区域。

 

  以往的供应系统分析通常仅建立在区域层面上，在表现特定地点的感受、价值等人文因素时，“区域”概念则显得不足以胜任。

 

  综上所述，以往空间规划倡导的“区域”理念主要从经济视角进行研究，在考虑时间因素进行研究时则很少涉及空间组织模式，如果能够综合考虑倡导人文因素的“景观”与倡导经济成本的“区域”理念，那么优劣评价、运输成本、生态和审美影响等因素都需要在二者综合体“能源景观”空间规划里加以考虑。

 

  3. “能源景观”理念下的生物质能分析方法

 

  以生物质能为研究对象时，“能源景观”理念下的空间规划是通过一系列生物量分析模型来完成的，主要包括生产潜能分析、能源供需分析、时空变异预测三方面。

 

  以生物质能为研究对象的“能源景观”方法构成3.1 生产潜能分析基于地形、气候、土地利用等因素，Biberacher 等人在德国奥尔登堡案例中使用GIS 数据评估与计算生物质潜能。奥尔登堡地区面积为1063km2，其中农业用地69hm2（约70%可耕种土地，30% 草地），森林用地20 hm2（48% 针叶林，24% 落叶林，其余为混合林带）。根据Biberacher 的方法对用地潜能进行计算，得出奥尔登堡郡农业能源输出为5.09 千瓦时/ hm2·年，落叶林能源输出为1.9 千瓦时/ hm2·年，针叶林能源输出为1.58 千瓦时/ hm2·年，混合林带能源输出为1.74 千瓦时/ hm2·年。在扣除农业生物质潜能中用于食品生产的量与森林生物质潜能中用于木材产品的量后，最终得出农业生物质潜能为50.9 兆瓦时/ hm2·年，森林生物质潜能为17.4 兆瓦时/hm2·年。

 

  3.2 能源供需分析

 

  Biberacher 和Gadocha 主持的奥地利空间规划联盟资助的国家项目致力于对目前奥地利可再生能源载体进行评估[17]。此项目运用系统对比方式来对奥地利全境各种可再生能源载体的空间分化潜能做出可视化图纸表达。项目假设前提是定义目标的实施将在广大区域范围产生影响。因此与专家合作能够在规划项目中实现区域优先级能源载体，并对太阳能、水力、风能、生物能、地热等可再生能源载体的潜能进行系统建模和空间分化。上述建模方法能够计算能源载体的理论潜能与技术潜能，处理生物质潜能以及热能需求的地理分项数据。这种空间平衡形成了给定生物质能源的空间利用优化模型的基础，同时供热需求的目标函数被定义为在规定区域内限制温室气体排放的情况下获得最高经济效率。

 

  3.3 时空变异预测

 

  Biberacher 和Gadocha 提出的模型除了对作物类型、作物轮作、草原、森林类型的增长率和收益率以及热量、电力能源需求结构进行评估外，还包括对生物质利用系统目前与未来的空间分布机制。同时，基于区域统计数据、土地利用数据、气候影响与变化数据、成本结构数据、生态与社会因素数据构成的主数据库基础上，给定一系列基于生物质价格发展及气候变化的不同假设，对生物质利用区域的时间变异规律进行描述。

 

  基于生物质价格发展及气候变化的不同假设，生物质利用优化区域的各种场景被逐一加以描述。建模结果可以提供与区域生物质策略相关的决策过程，为生物质资源利用的区域参与过程与实例因果关系提供了有力支持。

 

  4. “能源景观”理念在黑龙江生物质能领域的应用尝试

 

  结合德国与奥利地生物质能利用案例的成功经验，将“能源景观”理念应用到黑龙江省生物质能发展领域，将会优化现有的能源消费结构，改变黑龙江省生物质能利用效率低下，资源浪费严重的现状。

 

  4.1 生物质潜能与发展定位

 

  根据黑龙江省2012 年统计年鉴的农林业生产情况数据，按照Biberacher 等人计算奥尔登堡郡农林业能源的方法，可以分别得出相应的生物质潜能数值。

 

  黑龙江省农业资源丰富，生物质能发展潜力较大；林业资源以用材林、防护林居多，薪炭林仅为300 hm2，不具备发展生物质能的潜力。因此，黑龙江省生物质能发展的主要目标是提高农作物剩余物的利用效率，将农业生物质能的运输、加工、发电作为近期内的主要发展目标；同时应严格禁止对林业资源进行生物质能开发，尽力改善资源短缺的林业资源现状。

 

  4.2 生物质能生产用地布局模式

 

  以农业资源为主导的生物质能发展策略需充分考虑生物质载体运输有效半径来确定最为经济的生物质能生产用地布局方式。根据奥地利21 位专家评估及GIS 分析结果，可再生能源载体运输距离具有阈值限制（表2），运输半径过大会造成运输成本的增加，进而降低使用可再生能源的经济性。

 

  奥利地人口与道路密度高于黑龙江，因此表2 中运输网络最大距离的500m 数值对于黑龙江来说偏小，但根据热能损失得出的10km 的最大能源传输半径仍然对黑龙江省有效。结合黑龙江实际情况，较为经济的方式是在居民定居点附近选址进行生物质能的加工转化，这样能够在运输成本与道路建设投资之间取得较好的平衡点，获得更为经济的综合效率。

 

  图2 依据生物质能转化传输最大距离阈值10km 确定了居民定居点半径与生物质能生产用地之间的位置关系。当居民定居点半径R ≤ 5km 时，至少需在郊区布置一处生物质能生产用地，且当两个R<5km 的居民定居点距离较近时，可在两点之间设置生物质能生产用地。当5km<R ≤ 7km 时，至少需在居民定居点两侧郊区布置两处生物质能生产用地。当7km<R≤10km时，至少需在居民定居点周边郊区布置三处生物质能生产用地。当R>10km 时，则无法通过郊区设置生物质能生产用地的方法来实现覆盖城市全部范围，但带状分布宽度小于7km 的居民定居点依然可以通过小半径定居点设置方法来进行布置。图2 中生物质能生产用地之间距离如果较近则会产生范围交集部分，这些交集区域就是生物质能生产用地能够发挥最大效率的优先设置选择区域。

 

  由于黑龙江全省范围过大，无法通过单一图纸来进行表达，此处选择县级市富锦作为分析案例，依据上述生物质能生产用地布置原则来对其进行分析。

 

  富锦市位于黑龙江省东北部、松花江下游南岸三江平原上，经度为东经130°25′至133°26′，纬度为北纬47°37′至46°45′，全境东西180km，南北92km，总面积8224km2。

 

  根据富锦市域内的10 个建制镇半径确定生物质能生产用地适宜建设范围，由此产生一系列圆形覆盖区域，其中具有重叠的区域是适宜性较强的区域，拥有优先建设选择权。根据优先建设区域与建制镇规模能够确定城镇级生物质能生产用地的位置与网络。在此基础上，根据各村屯半径与分布密度选择相适应的生物质能生产用地布置方式，形成村屯级能源网络。由城镇级、村屯级能源网络共同形成的能源网络呈现三角形网格形态，每两个生物质能生产用地之间距离区间为10km<D<20km。图3 为市县级居民定居点提供了一种生物质能生产用地布局建设指导策略，图中提供的生物质能生产用地空间规划是基于最低建设密度阈值来进行分析的，在实际建设过程中为了达到更好的能源供应效率可适当增加生产用地建设密度。

 

  图3 黑龙江省富锦市生物质能生产用地空间规划4.3 后续研究工作在确立“能源空间规划”的空间分布、生产力分析基础上，后续的研究工作通过统计、RS 数据明确能源需求存量与地理分布情况，将其输入GIS 数据库，建立模型以便进行分析需求量与运输成本之间的关系，确定最终所需要的生物质生产规模，进而确定生物质加工、存储、发电场地设施的建设规模。基于黑龙江省的目前现状，时空变异预测的推理基础可以通过非城市人口冬季采暖热值、拟建生物质发电厂规模、现有电力网络短缺量等几个方面来预测与推理。目前黑龙江省尚需建立相关的GIS 数据库以及理论分析模型体系来支持进行深入系统的时空变异预测分析。

 

  此外，鉴于黑龙江省近年大力发展风力发电的现状，并且生物质能具有可存储延时转化的特点，应当从政策上引导生物质能与风力建立统筹的电力调峰机制，在风力发电充足时段可以减少生物质能转化量，而在风力发电不足时段可以加大转化量，使生物质能成为电力网络的调节媒介，以保证电力网络的稳定供应量。

 

  5. 结论

 

  “能源景观”是综合考虑能源规划与空间规划的研究视角，能够弥补目前多数能源规划缺少空间规划支持的状态，改善黑龙江目前的生物质能消费结构及利用效率，为生物质能未来计划实施方案提供空间分析功能和方法。

 

  目前黑龙江省农业生物质能丰富，林业生物质能匮乏，发展定位应以提高农业生物质能利用效率为主，并禁止林业生物质能开发。在进一步深化奥地利生物质能利用案例中关于生物质能运输成本阈值研究的基础上，建立居民定居点与生物质能生产用地布局关系模型，进而以富锦市为案例制定了区域生物质能生产用地空间规划，为普及市县级生物质能生产用地空间规划提供策略性指导。

 

  鉴于黑龙江省新能源和可再生能源产业发展规划(2010-2020 年) 缺乏详细空间规划的情况，如果能够从全省层面建立具备详细空间规划方案的能源规划，则可以从生物质能空间分布、生产能力定量分析、生产适宜性可行性分析、选址标准、联结风力发电网络实现调峰作用等方面来全方位改进现有生物质能消费结构。

 

  “能源景观”视角下的空间规划改进策略主要有生产潜能分析、能源供需分析、时空变异预测几项内容，运用GIS、RS技术来确定生物质能适宜性用地类型划分，并明确能源需求存量与地理分布情况，以便进行分析需求量与运输成本之间的关系，确定最终所需要的生物质生产规模，进而确定生物质加工、存储、发电场地设施的建设规模。在现有数据分析基础上，建立可再生能源时空变异预测模型，进而构建可体现可再生能源时空变异规律的远期规划。

 

  综上所述，拟确定能源景观视角下的空间规划改进策略如下：

 

  城市间道路体系应与环境相互协调，有机结合，不但能满足交通要求，还需要考虑可再生能源生产用地的运输半径与联营协作效益。

 

  可再生能源生产用地选址应充分考虑运输成本与就地取材特点，形成密度适宜的能源网络。

 

  兼顾经济利益与生态效益，在运营盈利的前提下尽可能提高生态效益，以保证建设实施现实可操作性。

 

  通过测算能源需求来确定电力调峰机制，利用风能作为可存储能源载体生物质能的补充能源形式，形成稳定持续供电网络。