6.4-外部效应2-如何估算及应用在线视频

了解了物质使用蓄积的概念和形成以后

现在再来研讨 如何来估算

物质的人为流动所可能产生的外部效应

这些估算方法如何应用于科研实践

我们仍以社会效应为例

主要分享估算方法和应用案例两部分内容

前面在介绍物质使用蓄积库发现过程中提到

它发生在产品的使用阶段

因此 可借助单独分析这一阶段的物质流动状况

来估算其大小

研究中

仍遵循第五章中所提到过的由简而繁的原则

也就是先从单一产品系统研究

然后考虑多个产品系统

而针对所选的系统

又按照科研基本步骤

先做出假设 然后构建框架

再后定量的分析 最后获得基本关系

在这里 我们假定

产品的使用寿命是 △τ 年

产品的循环再生和环境废物排放

只发生在产品使用寿命终了的当年

并将产品的使用阶段

从整个人为流动框架中隔离出来

单独地着重分析这一阶段的物质流动状况

从这张图中可以看出

第τ年流入使用的物质量是Uτ

而在前面的假定条件下

该年离开使用阶段的物质量将是

△τ年以前所投入使用的物质量

它一部分可以演变为报废的产品

经过回收处理可能进行循环再生

而未能回收的那部分

将以环境废物的形式被释放进入环境

其中流入和流出使用阶段的差额

将形成该年度的物质净蓄积 表达为式6-1

在某一特定的时期内也就是τ年内

净流入使用阶段的总量

就应该是该期间各年度净蓄积量的和

如果年净蓄积量是连续函数

那么该蓄积总量就是

这一连续函数在指定时期的积分

如果是不连续的函数

就可以采用逐年累积的办法进行计算

表达为式6-2

事实上

往往一种物质可用于生产多种不同的产品

因此将涉及多个产品系统

对于多产品系统 不难设想

某年蓄积库的净流入量是

每个产品子系统净流入蓄积库的物质数量的和

表达为式 6-3

而在某一特定的历史时期内

也就是说t年以内整个使用蓄积库的净蓄积总量

就相应地表达为该期间各年度各个产品系统的

物质净蓄积量的总和 表达为式 6-4

我们再来看 第二种计算物质蓄积量的方法

既然物质的在用量是指

正在向人类提供各类服务的所有物质的总和

那么

如果我们一一地数算服役当中的每一个产品

以及每个产品中的物质数量

就可以计算出所有服役的物质总量

按照这一思路

物质的在用量就可以表达为这个公式

对于单一产品 也就是说

物质只用于生产某一种产品的时候

物质的在用量可按照式6-5计算

其中i是产品的编号

m是产品的总物质质量

C是产品i中的特定物质的含量

比如 为了获得建筑物中的钢铁含量

依次地对研究区域内的每一座建筑进行编号

然后获得每个楼的总质量

拿我们教室来说

教5的总物质量为10万吨

教2的总物质量是7万吨

再后获得每座楼里面单位质量的特定物质的含量

比如对于教5楼 每吨含铁0.1吨

最后 按照式6-5就可以计算出

所有建筑物中物质铁的总量

对于一种物质用于生产多种类型的产品的情况

需要首先针对某一类产品

按照式6-5计算出特定物质的总量

然后将各类产品的物质在用量汇总起来

就得到该物质的在用总量

从中可以看出物质的使用蓄积库中的物质数量

反映物质使用蓄积库的大小

从上面的分析可见

这两种方法计算起来截然不同

前者需要借助物质流动分析

对比使用阶段流入与流出量间的差异

然后汇总各年的净增加量

而后一种方法则是依次地数算每一个产品

将其中的物质进行累加

根据两种方法开展计算时的特点

我们称第一种方法为自上而下法

而第二种方法称为自下而上法

采用从上而下法方法估算物质的在用量

将涉及到物质的消费结构

或者是制品结构 各类制品的使用寿命

制品的年产量的增减 考察的历史时段等因素

不难设想

物质使用储存库是在

物质投入使用量长期诸年增长下形成的

如果某一历史时期

物质投入使用的数量低于离开使用的物质数量

则物质的在用量将减少

物质使用蓄积库也将降低

这种情况主要发生在物质不再使用的一些状态

采用自下而上法估算物质的在用量

是借助数算研究区域中在用物质的数量

来计算物质在用总量的办法

因此 应用自下而上法通常首先需要

按照物质的使用类型分成不同的制品类型

然后数算研究区域内各类制品的数量

并分析每类制品中的物质含量

从而 可计算研究区域内目标物质的在用量

下面我们以铅元素为例 应用自上而下法

来估算铅元素的使用蓄积量

如前所述 自上而下方法

是需要分析各年投入使用的物质数量

以及各物质产品的使用寿命

而现实中 物质常用于生产多种制品

各年投入使用的物质数量隐含在了

相应年份投入使用的多种不同产品中

而获得各年不同的制品的数量

通常十分的复杂 困难

再加上不同制品使用寿命又各不相同

使得这一方法应用起来不够方便

为此 我们希望能够借助更简便的方法进行估算

在前面我们所构建的

不同阶段物质流动关系的框架当中我们可以看出

物质的消耗量P与投入使用阶段的物质量U之间

具有某些定量的关系

而这种关系主要发生在产品的制造阶段

因此 我们可以锁定产品制造阶段 来解析

物质消耗量与投入最终使用量之间的定量关系

在铅的使用阶段 我们前面分析过

铅可以用做生产多种铅制品

比如铅酸电池 铅材等

而不同的铅制品在其加工过程当中

物质的利用率是各不相同

为此 这里引入并定义

物质的消费结构系数和物质的加工效率两个参数

其中物质的消费结构系数是指

用于生产某特定制品的物质量

占物质消费总量的分数 用fi表示

而物质的加工效率是指

投入制品生产的物质中

转化为制品组分的物质所占的分数 用fmi表示

这种情况下

投入使用的物质量U与铅的消费量P之间

可以表达为式 6-7 中的关系

因此要确定某年投入使用的物质量

将需要投入国内生产的物质消费量

消费结构 各制品的加工效率

以及制成品的国际贸易量

而这些数据是通常可以借助海关

生产等部门的调研获得的

这里我们示例估算全球铅元素使用蓄积过程

显然 针对全球估算是特定区域中最简单的

因为不需要考虑贸易问题

因此 铅的消费量可用铅的生产量替代

计算所需要的参数演变为全球铅的生产量

铅的消费结构和各种铅制品的加工效率

根据美国USGS统计数据

我们获得了20世纪各年度的全球铅生产量

如图所示 它是不断增长的曲线

从这一曲线可以得知计算公式中各年代P的数值

我们还购买了

International Lead & Study Group的铅消费数据

估算了1966年以后铅的消费结构变化过程

如图所示 从中可知道

计算公式中各年代fi的数值

然后再进一步针对不同的制品

结合制品加工技术 获得各制品加工中的效率fmi

除此之外 根据前面的理论分析

我们还估算了每一类铅制品的使用寿命

经过大量的调查

获得了研究当中所需要的各参数的数值

汇总到表格当中

最后按照我们理论分析的方法

逐年地计算 累加

得到上一世纪全球铅的使用蓄积过程

表达为这张图

从中可以看出 铅元素的使用蓄积量逐年增加

到20世纪末

蓄积总量已经达到25Tg 相当于2500万吨

几乎接近地表中铅元素的总量的一半

成为地壳中最大的铅的储存场所

但从物质的蓄积构成上看

却从前半世纪主要的储存于铅材转变为

后半世纪主要的储存于电池产品中

反映出人类需求的变化和技术方面的变迁

从产品的结构看

到20世纪末 约有68%的铅蓄积在铅酸电池中

其次约20%的铅蓄积在铅材中

我们按照类似的思路

如果我们关注各年的资源消耗量

并逐年地累加

就可以得到人为流动对资源的影响后果

如果我们关注各年的环境废物的排放

并逐年地累加

则可以看出人为流动对环境当中的影响后果

也是进一步引起环境中污染物超标的原因

特别是 有些地区 目前已经关停了生产

已经不再排放任何废物

但是环境的质量仍然很差

这就是因为污染物已经长期地积累在那里了

研究废物的环境排放还可以进一步地分析

环境废物来自哪个生产环节

这些环境污染物排向了哪里

以怎样的形态出现在环境当中

甚至环境污染物的历史演变过程

最后 给出这部分内容的主要参考资料

供学有余力的学员参考