"三位一体"沼气生态模式区域适宜性评价指标体系

174

第25卷第3期2009年3月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.25No.3Mar.2009

“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系

陈豫1,3，杨改河2,3※，冯永忠2,3，任广鑫2,3

（1．西北农林科技大学林学院，杨凌712100；

2．西北农林科技大学农学院，杨凌712100；

3．陕西省循环农业工程技术研究中心，杨凌712100）

摘要：从气候条件、能源状况和社会经济3个方面选择了9个指标，应用层次分析法构建了“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系，应用MATLAB6.5计算软件编程，确定了“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价各指标的权重，运用综合评价法对陕西省安塞县、陇县、西乡县发展“三位一体”沼气生态模式区域适宜性进行评价，并就模型分析结果，确定了“三位一体”沼气生态模式区域适宜性分级标准。结果表明：3个地区发展“三位一体”沼气生态模式区域适宜性为西乡县优于陇县，陇县优于安塞县，西乡县和陇县是发展“三位一体”沼气生态模式的适宜区，且西乡县发展“三位一体”沼气生态模式的适宜度较陇县高，安塞县是次适宜区。评价结果与实际情况吻合，表明了本评价指标体系和模型的适用性。

关键词：沼气生态模式，MATLAB，气候变化，能源利用，“三位一体”，区域适宜性评价，指标体系中图分类号：S216.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-3-0174-05陈豫，杨改河，冯永忠，等.“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系[J].农业工程学报，2009，25(3)：174－178.

ChenYu,YangGaihe,FengYongzhong,etal.Indexsystemforregionalsuitabilityevaluationoftrinitybiogasecosystem[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(3)：174－178.(inChinesewithEnglishabstract)

0引言

“三位一体”沼气生态模式以农户庭院为依托，以高效沼气池为核心，由太阳能畜禽圈、高效沼气池和厕所构成的“三结合”农户生态庭院工程系统，具有投入少，见效快的特点。随着中国对沼气事业宣传力度的加大，以及“生态家园富民计划”、“小型公益设施项目”和“国债资金项目”等一批国家示范项目的实施，沼气生态模式的应用在国内越来越受到重视，并且取得了较好的经济、生态和社会效益。许多学者对“三位一体”沼气生态模式的结构、功能和效益等方面进行了较为广泛、系统的研究[2-5]。但沼气的产气效率、种植业和养殖业的发展与区域自然社会经济特征息息相关，中国不同地区的自然资源和社会经济环境存在巨大的差异，因此，“三位一体”沼气生态模式的发展具有明显的区域适宜特性，关于“三位一体”沼气生态模式区域适宜性方面的研究目前尚不多见，要研究“三位一体”沼气生态模式区域适宜性，就必须对其进行区域适宜性评价，而建立一套科学、实用、合理的指标体系是评价的前提和关键。本文就“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系的建立做了初步研究与尝试。

[1]

1

1.1

研究方法

评价指标体系构建评价指标的选取

“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价不可能

1.1.1

将影响模式适宜性的所有区域因素都加以分析综合，而是找出影响的主要因素，从其中再筛选出主要指标。在正确认识“三位一体”生态农业模式的原理、结构和特点的基础上，系统分析影响“三位一体”沼气生态模式发展的区域因素，选择合理的评价指标，保证评价工作的顺利进行。沼气发酵所需的温度、原料、技术条件是影响“三位一体”沼气生态模式区域发展的关键。

1）温度

沼气发酵除要求一定的酸碱度、密闭嫌气条件外，池内发酵液温度，对产生沼气的速度和产气效率影响很大。沼气的发酵温度为8～60℃，在此范围内，沼气产量随着温度的升高而增加。农村家用沼气池多采用低温发酵（也叫常温发酵或自然发酵），温度一般为8～25℃。沼气发酵温度为10℃时，每kg干物质产气量0.45m3，20℃产气量0.61m3，到30℃时，产气量达0.76m3，可见不同温度下原料的产气效率变化很大。同样，沼气发酵温度的高低，对产气速度影响也很大。池温在29～31℃时，产气速度为0.55m3/（m3d），16～20℃时产气速度下降为0.10m/（m

3

3

[7]

[6]

收稿日期：2008-08-25（30700482）作者简介：陈杨凌

修订日期：2008-12-21

基金项目：农业科技成果转换项目（05EFN217100423）；国家自然科学基金

豫（1983－），女，博士研究生，主要研究方向为农业生态。

d），12～15℃时产气速度已很小，

[8]

8℃以下时已基本不产气。

在中国农村，沼气池内温度受到地温和气温两者的影响。沼气池内温度与气温相差较大，如杭州1月平均气温为3.8℃，沼气池内温度11～13℃，气温比池温低7～9℃；7月平均气温为28.6℃，池温21～23℃，气温比池

西北农林科技大学林学院，712100。Email:[email protected]

西北农林科技大学农学院，712100。

※通讯作者：杨改河（1957—），男，陕西耀县人，教授，博士生导师，主要从事资源与环境生态研究。杨凌Email:[email protected]

第3期陈豫等：“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系175

温高5～8℃[8]。沼气池内温度与地温接近，池深不同略有差异，2m左右深度的沼气池，池内温度与1.6m地温接近[9]

。鉴于中国沼气池大多建于地下，产气量和沼气池的利用时间受地温影响最大，而池温10℃是产气的下限温度，20℃以上产气较快，本研究利用各地1.6m平均地温大于10℃、1.6m平均地温大于20℃的月数来作为温度指标。

2）太阳辐射

在中国西北大部分地区，冬季在自然条件下不具有发酵沼气的温度条件，若采取一些增温保温措施，提高沼气池内的温度，仍可发展沼气生产。随着沼气产业的发展，依据生态学原理，以太阳能为动力，可采取一些增温保温措施。中国有关专家把畜禽暖圈和沼气发酵系统有机地结合起来，发展了“三位一体”沼气生态模式。在地温不足的地区，采用太阳能暖圈，利用太阳能提高沼气池的发酵温度，因此，各地的太阳能资源也成为影响沼气池产气量和沼气池利用时间的主要因子。温室的采光设计，采暖设计，都要考虑当地太阳辐射的状况，衡量不同地区太阳能资源状况，包括太阳辐射能量大小和日照时间长短等[10]。为此，本研究选取全年日照时数，年太阳辐射总量作为衡量不同地区太阳能的指标。

3）生物质资源

沼气发酵除与适宜的温度有关外，还与发酵原料的种类和数量有关。沼气发酵需要和农业主导产业相配套，构建和形成能源－经济－生态良性循环系统，才能增强系统自身的可持续发展能力[11]

。不以种植或猪、牛养殖

业为主的农村地区，缺少沼气的发酵原料，不宜作为沼

气发展区域。

农村产沼气的生物质资源主要包括农作物秸秆和人、畜禽粪便，其中农作物秸秆进沼气池后容易飘浮形成发酵死区的浮壳层，发酵前需要预处理，且厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长

[12]。因此，农村产沼气的

生物质资源以畜禽粪便为主，本研究把畜禽粪便的生物量作为衡量生物质资源的指标。

在进行“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价时，粪便资源的富集程度对沼气发展有决定性的影响。一般的经验是：一个农户至少应有3头猪或拥有同等数量的粪便才具备发展沼气的资源条件[13]。“三位一体”生态农业模式主要以户为单元，因此各地粪便资源的总量不能很好地反映资源和资源消费的关系。本研究采用人均畜禽粪便资源占有量评价资源的富集程度。它是农村各种畜禽粪便的生物量之和与该地区农村总人口之比值。一般该比值越大，资源越丰富；比值越小，资源越贫乏。这种指标概念清晰，计算容易，不同地区可以进行比较。

4）能源消费结构

中国农村能源消费结构中，生物质能约占生活用能的70%，占整个用能的50%[14]。但随着农村经济的发展和农民收入的增加，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。本研究认为，农民收入的增加与商

品能源获得的难易程度都将成为他们转向商品能源的契机和动力。随着农民生活水平的提高，直接燃烧秸秆的方式逐渐被商品能源取代，商品能源成为农民提高生活质量的首选目标。江苏、浙江等省的农民生活用能的商品化率已超过90%[15]。在较为接近商品能源产区的山西、河南等农村地区，农民很容易获得廉价的商品能源，商品能源已成为当地农民炊事和生活用能的主要来源。因此，在农民收入较高或容易获得廉价商品能源的地区，不宜把沼气作为重点发展。为此，本研究把生活用能中商品能源比率作为能源消费结构指标。

5）经济

沼气系统及其生态模式的建设，一次性投资多次收益。一种完整模式的建成少则3000～5000元，多则10000～20000元。仅建成一口6～12m3

的沼气池一次性投资也需1000～2000元[16]。农村各家各户的经济状况差异较大，一些农户虽对沼气生态农业的经济效益颇感兴趣，但因经济收入有限，而无法实施。目前，国家和部分地方政府采取了资金扶持的优惠政策，来推动此项工程，构筑起沼气庭院生态经济模式的雏形，但真正健康运作，获得可观的经济效益，仍需要资金的继续投入。因此，本研究选择了户年均收入和户国家投资额两个指标作为经济指标。其中户年均收入评价不同区域的经济发展水平，从而反映农民是否具有购买商品能源的经济能力；户年均收入和户国家投资额来评价农民是否负担得起建模及其运作的经费。

6）劳动力劳动力资源

[17]

，是指一个国家或地区中拥有劳动

能力，可以从事社会劳动的人口的总和。它具有数量和质量两个方面的规定性。所以，判断某个区域劳动力资源量的大小，不应只考虑它的数量，还应考虑劳动力资源量的平均素质。中国农村沼气的发展与农村劳动力质量有着紧密的关系，主要体现在以下两个方面：（1）民众文化水平偏低，对有一定科技含量的沼气利用及其管理技术接受能力有限，导致沼气池及其配件短期运行后即闲置，从而影响了沼气系统的持续使用；（2）沼气池的后期管理不仅仅是简单的维修，也要掌握沼气池综合利用技术等管理知识。本研究把初中及以上文化程度人口率即具有初中及以上文化程度人口占6岁及以上人口的比值作为劳动力指标。受资料的限制，本研究用农村6岁及以上人口的受教育程度来反映不同地区劳动力的文化水平欠准确，此指标在今后的研究中需继续探讨。1.1.2

建立指标体系的层次结构

本研究遵循科学性、综合性、代表性、可度量性以及可操作性的原则

[18]

，筛选了“三位一体”沼气生态模

式区域适宜性评价指标体系中的关键因子。以“三位一体”沼气生态模式区域适宜性为总目标，以气候条件、能源状况与社会经济为系统层，以“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系中的重要指标为指标层，建立“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系层次结构，见图1。

176农业工程学报

2009

年

图1

“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系

Fig.1Indexsystemforregionalsuitabilityevaluation

oftrinitybiogasecosystem1.2

指标权重的确定

指标权重的确定，本研究中采取专家调查问卷的形式，请10位专家在构造判断矩阵前对参于结构中各个指标进行重要性的单排序，以便减小误差，一次性通过一致性检验。依据层次分析法（AHP）的步骤，采用MATLAB6.5软件编程计算指标数据权重，如表1所示。经检验，总的一致性排序结果CR（层次分析法的一致性比率）=0.056235＜0.1，满足一致性。其具体步骤见文献[19]。

表1“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标权重Table1Indexweightforregionalsuitabilityevaluation

oftrinitybiogasecosystem

C1

C2

C3

系统层

各指标相对于0.6479

0.2229

0.1222

目标层的权重

D10.76010.4925D20.13070.0847D30.08240.0534D4

0.0268

0.0174指标层

D50.75000.1670D60.2500

0.0560D70.25830.0316D80.10470.0128D9

0.6370

0.0778

1.3评价指标值无量纲化处理

“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体

系的定量指标有量纲，无法直接进行比较和运算，必须对数据进行标准化处理，采用相对化处理方法在比较时要将“正指标”和“逆指标”区别对待，正指标是指实际值越大，在评价中起的作用也越大的指标，要用公式（1）来进行处理。

di

xix（1）

max

“逆指标”是指实际值越大，在评价中起的作用却越小的指标，要用公式（2）来进行处理。

di

xminx（2）

i

式中di——指标层D中各指标评价值；xi——各指标的

实际值；xmax——各指标的最大值；xmin——各指标的最

小值。1.4

评价模型

在确定评价指标权重的基础上，构建“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价模型：

n

T

Widi

（3）

i1

式中T——综合量化值；di——指标层D中各指标评价

值；Wi——指标层D中各指标相对于目标层的权重；n

——总指标数。1.5

区域适应性分级标准

根据上述分析结果，参照各种综合指数分组方法，设计了一个“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价的三分级标准。综合量化值大于0.8的区域，为适宜区；综合量化值在0.8－0.4之间的区域，为次适宜区；综合量化值小于0.4的区域，为不适宜区（表2）。

表2“三位一体”沼气生态模式区域适宜性分级标准

Table2Classificationstandardforregionalsuitability

oftrinitybiogasecosystem

适宜性分区适宜区（Ⅰ）

次适宜区（Ⅱ）

不适宜区（Ⅲ）

分级标准

＞0.8

0.8—0.4

＜0.4

2实例研究

本研究选取陕西省安塞县、陇县和西乡县3个地区

为研究对象，应用建立的评价模型对这3个地区发展“三位一体”沼气生态模式区域适宜性进行评价，以此来验证本研究建立的评价指标和评价方法的合理性。2.1

数据获取

3个地区30年（1971至2000年）的气象数据（D1，D2，D3，D4）的平均值数据来源于陕西省气象局；3个地区3年（2002至2004年）的能源及社会经济数据（D5，D6，D7，D8，D9）的平均值数据来源于中国资源环境经济人口数据库。2.2

结果与分析

3个地区9个指标评价的标准值，如表3。

表3陕西省安塞县、陇县、西乡县15个评价指标标准值Table3Standardvaluesof15indexesinAnsai,Long,Xixiang

inShaanxiProvince

地区

D1

D2D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

T

安塞县0.5460

1.0000.9690.7500.40001.0001.0000.9120.6022

陇县

0.8180.4000.8161.0001.0000.5710.7580.6271.0000.8065

西乡县1.0001.0000.6300.7380.8331.0000.5520.5760.8890.9128

运用上述评价指标体系和评价方法进行评价，3个地区发展“三位一体”沼气生态模式区域适宜性的综合量化值，T1＝0.6022；T2＝0.8065；T3＝0.9128。从综合量

第3期陈豫等：“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系177

化值可以看出，T3＞T2＞T1，表明3个地区发展“三位一体”沼气生态模式区域适宜性为西乡县（T3）优于陇县（T2），陇县优于安塞县（T1），西乡县和陇县是发展“三位一体”沼气生态模式的适宜区，且西乡县发展“三位一体”沼气生态模式的适宜度较陇县高，安塞县是次适宜区。这与我们考察的实际情况基本吻合，实践证明该评价指标体系及其评价方法是可行的。

3结论与讨论

3.1

结论

应用定量AHP法评价“三位一体”沼气生态模式区域适宜性是切实可行的。研究结果表明“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价指标体系选用的指标合理，分级科学，方法简便，所得结果与实际情况一致，具有较强的实用性和可操作性。作为该领域的一次尝试，可为“三位一体”沼气生态模式的合理布局提供科学的理论依据。3.2

讨论

1）“三位一体”沼气生态模式的发展受气候条件、能源状况与社会经济等众多影响因素的制约，指标的选取不可能将影响模式适宜性的所有区域因素都加以分析综合，而是找出影响的主要因素，从其中再筛选出主要指标，因此存在一定的人为因素，有必要对指标的选取和量化进行更深一层的研究。

2）中国对“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价的工作开展的还较少，完整的评价体系和方法还未建立起来。本研究在“三位一体”沼气生态模式区域适宜性评价方面做了一些尝试性的工作，还有许多问题有待于进一步探索研究。

[参

考

文

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LiSong,QiuWei,ZhaoQingliang.Applyinganalytical

Indexsystemforregionalsuitabilityevaluationoftrinitybiogasecosystem

ChenYu1,3,YangGaihe2,3※,FengYongzhong2,3,RenGuangxin2,3

(1.CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China;

2.CollegeofAgronomy,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China;

3.ResearchCenterforRecyclingAgriculturalEngineeringTechnologyofShannxiProvince,Yangling712100,China)

Abstract:Theanalyticalhierarchyprocess(AHP)wasadoptedtostudytheindexsystemforregionalsuitability

evaluationoftrinitybiogasecosystem.Theindexsystemwasbuiltfromclimate,energysituationandsocialandeconomicfactors.MATLAB6.5wasusedtoconfirmtheweightsofindices.TheregionalsuitabilityoftrinitybiogasecosysteminAnsaicounty,LongcountyandinXixiangcountywasevaluatedbycomprehensiveevaluationmethod.Accordingtotheanalysisresults,theregionalsuitabilityclassifiedstandardwasdetermined.Theresultsindicatethattheadaptabilitiesofthesethreecountiestodevelopthetrinitybiogasecosystemare:Long＞Xixiang＞Ansai.XixiangcountyandLongcountyaresuitableareas,Ansaicountyissub-suitableregion,andtheassessmentresultareconsistentwiththeactualsituation.

Keywords:biogasecosystems,MATLAB,climatechange,energyutilization,trinity,regionalsuitabilityevaluation,indexsystem