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user: 2. 方法与指标 2.1. 模型建立 生态网络中的路径是指连接两个节点(分室)的有向线，也称为流动路径，是分室间物质、能量传递的通道。任意两个网络节点i和节点j之间的流动结构可以用图1表示。其中，f ji 为节点i到j的流，z i 、y i 分别为节点i与外部区域间的输入流和输出流。根据全生命周期的能源代谢过程，能源代谢结构可分为能源生产、能源转换、能源消费和能源回收四部分。 用生态网络构建能源代谢网络结构，网络节点为19个，网络关系(即边)为能源流动。网络模型中各节点分别为：1. (一次)能源生产；2. 火力发电；3. 供热；4. 洗选煤；5. 炼焦；6. 炼油；7. 制气；8. 煤制品加工；9. 农林牧渔业；10. 工业；11. 建筑业；12. 交通运输、仓储及邮电通迅业；13. 批发和零售贸易业、餐饮业；14. 生活消费；15. 其他(消费)；16. 回收能；17. 能源库存；18. 外省(区、市)调入调出系统；19. 进出口系统。 需要特别指出的是，本文所建立之网络模型与相关既有研究存在两处不同： 1) 网络构建上，本文在传统17节点的基础上新增了外省(区、市)调入调出系统和进出口系统两个节点，便于考量外部环境对系统内部代谢的影响，用以综合分析和评估能源代谢网络的整体性质； 2) 研究尺度上，本文将能源代谢的系统边界外延至了省这一尺度，对于厘清全省能源代谢的结构性质和功能关系具有重要意义，也便于给政策制定者提供依据。 能源平衡表将各种原供应、加工转换、传输损失以及终端消费的数据集中，能够直观的反映各种能源每年的流向与平衡关系。本文所用研究之数据皆来源于《山东省统计年鉴》及山东省2000~2014各年的能源平衡表，分行业分品种能源消费量及规模以上工业企业能源购入、生产及消费表，将实物量按各种能源品种不同的折算标准计量单位系数进行计算，从而确定能源代谢网络中各节点的通量及节点与节点间的流量数值。 运用生态网络分析方法，类比自然生态系统中的生产者、初级消费者和次级消费者，在能源代谢全生命周期和经济社会系统分析基础上，概化生态网络如下： 1) 生产者：能源开采，能源回收，能源库存部门，外省(区、市)调入调出和进出口系统 2) 初级消费者：能源转换部门，包括火力发电，供热，洗选煤，炼焦，炼油，制气和煤制品加工等环节； 图1. 能源代谢系统生态网络模型 [ 12 ] 3) 次级消费者：工业和家庭生活消费部门，包括农林牧渔业，工业，建筑业，交通运输、仓储及邮电通迅业，批发和零售贸易业、餐饮业，生活消费和其他能源终端消费环节； 根据公布的数据资料表1，能源平衡表中20种不同种类能源的吨标煤系数为表2。 2.2. 生态网络分析指标 [ 12 ] [ 17 ] 2.2.1. 基本指标 式中，f ij ——节点j到i的流量； f ji ——节点i到j的流量； z i ——节点输入量； y i ——节点输出量。 当系统为稳态时， ，基于城市能源代谢系统的稳定性，实际可获取数据的难易程度以及便于计算考虑，本研究选用网络节点的总输入量 作为节点的通量 。系统总流动量 构建直接流量矩阵 2.2.2. 效用分析 本研究采用生态网络中的效用分析来定量解析系统组分之间的生态关系。该分析方法计算得到的效用矩阵能够系统地分析系统之中每个节点之间利用和被利用的效用关系，进而明确每个节点在系统之中所扮演的角色和作用，现已广泛运用于不同尺度和类型的经济、社会、产业和生态系统。从而在此基础上可以判断每个节点之间内在的共生、竞争、掠夺和控制等生态关系。 为了表征节点之间的有效直接效用量，在此定义直接效用矩阵 ，有 式中，f ij ——节点j到i的流量； f ji ——节点i到j的流量； T i ——节点i总输入量。 基于上述定义的直接效用矩阵，在此定义和计算无量纲总效用矩阵 其中，I是单位矩阵。网络中节点1和节点2之间的效用符号用su 12 和su 21 来表示。su 12 表示从节点2到节点1的效用流，而su 21 表示从节点1到节点2的效用流。sgn(U)表示网络中两节点之间的整体关系。通常情况下，两节点之间的关系存在以下的9种情况，具体如表3所示： 如果(su 21 ， su 12 ) = (+， –)，表示节点2掠夺节点1，这种关系类似于自然界的捕食关系；相反，如果(su 21 ， su 12 ) = (–， +)，表示节点2被节点1所控制，抑或是被掠夺；如果(su 21 ， su 12 ) = (–， –)，表示节点1和节点2 Table 1 Pathway and interpretion of ecological network flow matri 路径 路径 能源种类 路径 路径 能源种类 f21 能源开采→火力发电 X1，X8 f10，6 炼油→工业 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f24 洗选煤→火力发电 X2，X3 f10，7 制气→工业 X7 f25 炼焦→火力发电 X6 f10，16 能源回收→工业 X20 f26 炼油→火力发电 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f10，17 能源库存→工业 X1，X8 f27 制气→火力发电 X7 f11，2 火力发电→交通 X19 f28 煤制品加工→火力发电 X4 f11，3 供热→交通 X18 f2，16 能源回收→火力发电 X20 f11，6 炼油→交通 X11，X12 f31 能源开采→供热 X1 f11，16 能源回收→交通 X20 f34 洗选煤→供热 X2 f12，2 火力发电→交通运输、仓储及邮电通迅业 X19 f35 炼焦→供热 X6，X17 f12，3 供热→交通运输、仓储及邮电通迅业 X18 f36 炼油→供热 X11，X12，X14，X16 f12，6 炼油→交通运输、仓储及邮电通迅业 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f37 制气→供热 X7 f12，16 能源回收→交通运输、仓储及邮电通迅业 X20 f38 煤制品加工→供热 X5 f12，17 能源库→交通运输、仓储及邮电通迅业 X1，X8 f3，16 能源回收→供热 X20 f13，2 火力发电→批发和零售贸易业、餐饮业 X19 f41 能源开采→洗选煤 X1 f13，3 供热→批发和零售贸易业、餐饮业 X18 f51 能源开采→炼焦 X1 f13，6 炼油→批发和零售贸易业、餐饮业 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f54 洗选煤→炼焦 X2 f13，16 能源回收→批发和零售贸易业、餐饮业 X20 f58 煤制品加工→炼焦 X4 f14，2 火力发电→生活消费 X19 f5，17 能源库存→炼焦 X12 f14，3 供热→生活消费 X18 f61 能源开采→炼油 X8 f14，5 炼焦→生活消费 X6 f71 能源开采→制气 X1，X8 f14，6 炼油→生活消费 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f75 炼焦→制气 X6 f14，16 能源回收→生活消费 X20 f76 炼油→制气 X11，X12 f15，2 火力发电→其他消费 X19 f91 能源开采→农林牧渔业 X1，X8 f15，3 供热→其他消费 X18 f92 火力发电→农林牧渔业 X19 f15，6 炼油→其他消费 X9，X10，X11，X12，X14，X16 f94 洗选煤→农林牧渔业 X2 f15，16 能源回收→其他消费 X20 f96 炼油→农林牧渔业 X11，X12 f16，1 能源开采→能源回收 X1 f10，1 能源开采→工业 X1，X8 f16，10 工业→能源回收 X1 f10，2 火力发电→工业 X19 f17，1 能源开采→能源库 X1 f10，3 供热→工业 X18 f17，4 洗选煤→能源库 X2 f10，4 洗选煤→工业 X2 f17，5 炼焦→能源库 X6 F10，5 炼焦→工业 X6 f17，6 炼油→能源库 X11，X12 表1. 生态网络流量矩阵路径及含义 Table 2 Coefficient of tce of different kinds of energ 序号 能源种类 吨标煤系数(Co) 单位 X1 原煤 0.7143 kgce/kg X2 洗精煤 0.9 kgce/kg X3 其他洗煤 0.2857 kgce/kg X4 型煤 0.7 kgce/kg X5 焦炭 0.9714 kgce/kg X6 焦炉煤气 5.714 kgce/m 3 X7 其他煤气 3.5701 kgce/m 3 X8 原油 1.4286 kgce/kg X9 汽油 1.4714 kgce/kg X10 煤油 1.4714 kgce/kg X11 柴油 1.4571 kgce/kg X12 燃料油 1.4286 kgce/kg X13 液化石油气 1.7143 kgce/kg X14 炼厂干气 1.5714 kgce/kg X15 天然气 1.33 kgce/m 3 X16 其他石油制品 1.4 kgce/kg X17 其他焦化产品 1.5 kgce/kg X18 热力 0.03412 kgce/10 6 J X19 电力 3.27 kgce/kwh X20 其他能源 1 kgce/kg 表2. 不同种类能源吨标煤系数 Table 3 Utility relationship between components of ecological networ sgn(U) 对应关系 sgn(U) 对应关系 sgn(U) 对应关系 (+， +) 互利共生 (−， −) 竞争 (0， 0) 中立 (+， −) 掠夺 (−， +) 控制 (0， +) 无利共生 (+， 0) 偏利共生 (−， 0) 偏害寄生 (0， −) 无害共生 表3. 生态网络效用分析节点关系 之间存在竞争关系，导致对双方都有负面效应；如果(su 21 ， su 12 ) = (+， +)，那么这两个节点之是共生关系，两个节点都从共生关系中获得正面效应；而如果(su 21 ， su 12 ) = (0， 0)，则表示这两个节点间是中性关系，相互不产生影响。 一般情况下，效用矩阵U中的正对角线的符号都为正，这正对应着生态网络中的每个节点都是自我共生的。在上述可能的9种关系中，由于su ij = 0的情况通常不会出现在城市能源代谢系统的生态网络之中，因此中性关系、偏利共生、无利共生、无害寄生和偏害寄生等5种关系可以不被考虑，则节点关系可以简化为掠夺(+， –)、竞争(–， –)、控制(–， +)、共生(+， +) 4种。此外，由于任意两个节点间的关系是相互的，实际对效用矩阵的分析只需要针对其中一半。 基于综合效用矩阵U，在此定义指标共生指数(或称效用函数) 式中， ——效用矩阵U中正效用的数量 ——效用矩阵U中负效用的数量 共生指数M (效用函数)可作为网络共生能源系统的一个目标函数。并且当 时，即矩阵的正向符号数量大于负向符号，则代表系统的整体积极共生性要大于其消极竞争性，说明该系统内组分间的正效用大于负效用，为共生系统，M越大则系统的共生度越高。利用系统共生指数，可以确定系统整体共生状况，以便从整体上进行系统关系水平的对比。