1. 現狀綜述

 

  目前大多數國家依靠消耗化石能源進行發展，導致全球每年CO2 排放10000t，造成嚴重的環境污染[1]。能源問題已經日益成為全球關注焦點，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，流經城市的河道80% 以上都受到了嚴重的污染，事實提醒我們，無論中國還是世界都必須轉變城市發展的模式[3]。世界能源理事會預測生物質能全世界年產量為400 億瓦，是僅次于風力、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。

 

  發展生物質能可以降低對化石能源的依賴性，減少對環境的影響，推動可持續發展能源方案的發展[4]。

 

  1.1 發展生物質能的需求

 

  資源相對短缺是我國國情和城市發展的基本“市情”[5]。

 

  城市產業創新的普遍目的是保持和增長城市的活力，促進城市經濟的可持續發展。結合我國實際，應堅持的原則是：創新要有利于環境的保護；創新要有利于資源和能源的節約；創新要有利于就業崗位的創造[6]。

 

  黑龍江省生物質能資源豐富，年產農作物秸稈5600 萬t，薪炭林 900 萬t，畜禽排泄物 3 億t。每年3000 萬t 秸稈與294萬t 薪柴被直接作為初級生活燃料消耗，其利用價值被大大降低，形成了“資源消耗—生態破壞—能源更加短缺”的惡性循環[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能領域運用能源規劃與空間規劃交叉研究取得的成果經驗，在空間規劃層面對能源規劃加以控制與引導，通過可再生能源生產用地規劃來具體落實建設進程，將會大幅度提高生物質能利用效率。

 

  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]。但事實卻相反，空間規劃和能源規劃一直被作為兩個獨立的領域來研究，包括中國在內的大多數國家的空間規劃目前并沒有考慮“能源空間”，為可再生能源生產用地預留空間。到目前為止，能源行業對于未來能源系統和解決方案的籌劃中很少關注地理空間方面的技術。黑龍江省新能源和可再生能源產業發展規劃(2010-2020 年)[9] 只是文本性的指導綱領，并沒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 相關研究基礎

 

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

 

  2. “能源景觀”框架體系

 

  2.1 能源與景觀交叉研究視角

 

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

 

  （1）基于半自然植被類型與傳統農業系統的生物能源生產是可持續運作的“能源景觀”理想模型；（2）刺激復興劣質土地區域；（3）激勵機制與財政支持農業體制，以保持生態與歷史價值；（4）鼓勵有機農業與農林業經營；（5）結合景觀生態學與能源概念的知識與傳統，發展新文化景觀與農業系統；（6）研究傳統可持續農業的能源使用，特別是生物質消費與研究結果的應用。

 

  由于可再生能源具有時空變異性的特征，與化石燃料分布特點形成鮮明對比，生物質是唯一具有易于存儲特點的可再生能源，而風能、太陽能等具有劇烈時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”理論分析模型

 

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

 

  Biberacher 提出基于GIS 技術的生物量模型建模方法[12]，通過使用GIS 區域數據來集成城市空間顯式數據，結合RS 數據可以建立關于能源產品的供求關系、運輸因素、生命周期評估的時空模型。Blaschke 等人利用此框架綜合考慮氣候、經濟、社會、生態因素，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明、評估、生物量利用路徑優化等生物量模型細節分析。

 

  Biberacher 和Gadocha[14] 提出了時間空間生物量模型，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。時間空間生物量模型可以提供一種發展與實施特定區域和空間顯式生物質利用策略的方法，其目標是評估相關作物、作物輪作、草原、森林類型的增長率和收益率以及熱量、電力、食品、生物燃料的能源需求結構。基于生物質價格發展及氣候變化的不同假設，生物質利用優化區域被加以描述。

 

  2.3 “能源景觀”與空間規劃的結合意義

 

  Sp?th 通過“能源景觀”理論層面在奧地利高原地區應用了“能源區域”方法[15] 以指導區域發展戰略規劃，建立了關于系統開發可再生能源的強有力行動網絡，挽救區域經濟衰退。Moser 等人的研究目標是實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”案例之一。

 

  景觀的概念不僅是具有一定功能的土地區域，因此，需解決的核心問題是在法定空間規劃框架下究竟是“區域”還是“景觀”能夠提供足夠的空間戰略概念和產物。Moser 等人認為應用一系列可再生能源使用技術涉及到不同的參與者以及不同的空間視角，最小的空間實體可以是建筑、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，在表現特定地點的感受、價值等人文因素時，“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”理念主要從經濟視角進行研究，在考慮時間因素進行研究時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”與倡導經濟成本的“區域”理念，那么優劣評價、運輸成本、生態和審美影響等因素都需要在二者綜合體“能源景觀”空間規劃里加以考慮。

 

  3. “能源景觀”理念下的生物質能分析方法

 

  以生物質能為研究對象時，“能源景觀”理念下的空間規劃是通過一系列生物量分析模型來完成的，主要包括生產潛能分析、能源供需分析、時空變異預測三方面。

 

  3.1 生產潛能分析

 

  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潛能。奧爾登堡地區面積為1063km2，其中農業用地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行計算，得出奧爾登堡郡農業能源輸出為5.09 千瓦時/ hm2·年，落葉林能源輸出為1.9 千瓦時/ hm2·年，針葉林能源輸出為1.58 千瓦時/ hm2·年，混合林帶能源輸出為1.74 千瓦時/ hm2·年。在扣除農業生物質潛能中用于食品生產的量與森林生物質潛能中用于木材產品的量后，最終得出農業生物質潛能為50.9 兆瓦時/ hm2·年，森林生物質潛能為17.4 兆瓦時/hm2·年。

 

  3.2 能源供需分析

 

  Biberacher 和Gadocha 主持的奧地利空間規劃聯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行評估[17]。此項目運用系統對比方式來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施將在廣大區域范圍產生影響。因此與專家合作能夠在規劃項目中實現區域優先級能源載體，并對太陽能、水力、風能、生物能、地熱等可再生能源載體的潛能進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潛能，處理生物質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能源的空間利用優化模型的基礎，同時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濟效率。

 

  3.3 時空變異預測

 

  Biberacher 和Gadocha 提出的模型除了對作物類型、作物輪作、草原、森林類型的增長率和收益率以及熱量、電力能源需求結構進行評估外，還包括對生物質利用系統目前與未來的空間分布機制。同時，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、生態與社會因素數據構成的主數據庫基礎上，給定一系列基于生物質價格發展及氣候變化的不同假設，對生物質利用區域的時間變異規律進行描述。

 

  基于生物質價格發展及氣候變化的不同假設，生物質利用優化區域的各種場景被逐一加以描述。建模結果可以提供與區域生物質策略相關的決策過程，為生物質資源利用的區域參與過程與實例因果關系提供了有力支持。

 

  4. “能源景觀”理念在黑龍江生物質能領域

 

  的應用嘗試

 

  結合德國與奧利地生物質能利用案例的成功經驗，將“能源景觀”理念應用到黑龍江省生物質能發展領域，將會優化現有的能源消費結構，改變黑龍江省生物質能利用效率低下，資源浪費嚴重的現狀。

 

  4.1 生物質潛能與發展定位

 

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

 

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

 

  4.2 生物質能生產用地布局模式

 

  以農業資源為主導的生物質能發展策略需充分考慮生物質載體運輸有效半徑來確定最為經濟的生物質能生產用地布局方式。根據奧地利21 位專家評估及GIS 分析結果，可再生能源載體運輸距離具有閾值限制，運輸半徑過大會造成運輸成本的增加，進而降低使用可再生能源的經濟性。

 

  奧利地人口與道路密度高于黑龍江，因此表2 中運輸網絡最大距離的500m 數值對于黑龍江來說偏小，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。結合黑龍江實際情況，較為經濟的方式是在居民定居點附近選址進行生物質能的加工轉化，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，獲得更為經濟的綜合效率.

 

  依據生物質能轉化傳輸最大距離閾值10km 確定了居民定居點半徑與生物質能生產用地之間的位置關系。當居民定居點半徑R ≤ 5km 時，至少需在郊區布置一處生物質能生產用地，且當兩個R<5km 的居民定居點距離較近時，可在兩點之間設置生物質能生產用地。當5km<R ≤ 7km 時，至少需在居民定居點兩側郊區布置兩處生物質能生產用地。當7km<R≤10km時，至少需在居民定居點周邊郊區布置三處生物質能生產用地。當R>10km 時，則無法通過郊區設置生物質能生產用地的方法來實現覆蓋城市全部范圍，但帶狀分布寬度小于7km 的居民定居點依然可以通過小半徑定居點設置方法來進行布置。圖2 中生物質能生產用地之間距離如果較近則會產生范圍交集部分，這些交集區域就是生物質能生產用地能夠發揮最大效率的優先設置選擇區域。

 

  由于黑龍江全省范圍過大，無法通過單一圖紙來進行表達，此處選擇縣級市富錦作為分析案例，依據上述生物質能生產用地布置原則來對其進行分析（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，經度為東經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 個建制鎮半徑確定生物質能生產用地適宜建設范圍，由此產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，擁有優先建設選擇權。根據優先建設區域與建制鎮規模能夠確定城鎮級生物質能生產用地的位置與網絡。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能生產用地布置方式，形成村屯級能源網絡。由城鎮級、村屯級能源網絡共同形成的能源網絡呈現三角形網格形態，每兩個生物質能生產用地之間距離區間為10km<D<20km。圖3 為市縣級居民定居點提供了一種生物質能生產用地布局建設指導策略，圖中提供的生物質能生產用地空間規劃是基于最低建設密度閾值來進行分析的，在實際建設過程中為了達到更好的能源供應效率可適當增加生產用地建設密度。

 

  圖3 黑龍江省富錦市生物質能生產用地空間規劃4.3 后續研究工作

 

  在確立“能源空間規劃”的空間分布、生產力分析基礎上，后續的研究工作通過統計、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，建立模型以便進行分析需求量與運輸成本之間的關系，確定最終所需要的生物質生產規模，進而確定生物質加工、存儲、發電場地設施的建設規模。基于黑龍江省的目前現狀，時空變異預測的推理基礎可以通過非城市人口冬季采暖熱值、擬建生物質發電廠規模、現有電力網絡短缺量等幾個方面來預測與推理。目前黑龍江省尚需建立相關的GIS 數據庫以及理論分析模型體系來支持進行深入系統的時空變異預測分析。

 

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

 

  5. 結論

 

  “能源景觀”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，改善黑龍江目前的生物質能消費結構及利用效率，為生物質能未來計劃實施方案提供空間分析功能和方法。

 

  目前黑龍江省農業生物質能豐富，林業生物質能匱乏，發展定位應以提高農業生物質能利用效率為主，并禁止林業生物質能開發。在進一步深化奧地利生物質能利用案例中關于生物質能運輸成本閾值研究的基礎上，建立居民定居點與生物質能生產用地布局關系模型，進而以富錦市為案例制定了區域生物質能生產用地空間規劃，為普及市縣級生物質能生產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業發展規劃(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，則可以從生物質能空間分布、生產能力定量分析、生產適宜性可行性分析、選址標準、聯結風力發電網絡實現調峰作用等方面來全方位改進現有生物質能消費結構。

 

  “能源景觀”視角下的空間規劃改進策略主要有生產潛能分析、能源供需分析、時空變異預測幾項內容，運用GIS、RS技術來確定生物質能適宜性用地類型劃分，并明確能源需求存量與地理分布情況，以便進行分析需求量與運輸成本之間的關系，確定最終所需要的生物質生產規模，進而確定生物質加工、存儲、發電場地設施的建設規模。在現有數據分析基礎上，建立可再生能源時空變異預測模型，進而構建可體現可再生能源時空變異規律的遠期規劃。

 

  綜上所述，擬確定能源景觀視角下的空間規劃改進策略如下：

 

  城市間道路體系應與環境相互協調，有機結合，不但能滿足交通要求，還需要考慮可再生能源生產用地的運輸半徑與聯營協作效益。

 

  可再生能源生產用地選址應充分考慮運輸成本與就地取材特點，形成密度適宜的能源網絡。

 

  兼顧經濟利益與生態效益，在運營盈利的前提下盡可能提高生態效益，以保證建設實施現實可操作性。

 

  通過測算能源需求來確定電力調峰機制，利用風能作為可存儲能源載體生物質能的補充能源形式，形成穩定持續供電網絡。

 

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