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中国房屋建筑中钢铁存量的时空变化

发布时间:2019-09-06所属分类:建筑师职称论文浏览:1

摘 要:建筑业是中国最大的钢铁消费领域,动态分析建筑中的钢铁存量的变化特征,有助于把握其二次资源回收潜力,为铁资源的循环利用及相关管理提供科学支撑。本研究以动态物质流分析结合生命周期分布函数,测算了19492016年中国房屋建筑中的钢铁存量。结果显

  摘 要:建筑业是中国最大的钢铁消费领域,动态分析建筑中的钢铁存量的变化特征,有助于把握其二次资源回收潜力,为铁资源的循环利用及相关管理提供科学支撑。本研究以动态物质流分析结合生命周期分布函数,测算了1949—2016年中国房屋建筑中的钢铁存量。结果显示:经过缓慢增长期、稳定增长期和快速增长期三个阶段后,中国房屋建筑中钢铁存量从 1949年的 10.0万 t增长到 2016年的 28.1亿 t,房屋建筑中人均钢铁存量也从 0.2kg/ 人增加到 2029kg/人;受工业化和城镇化进程影响,中国四大经济区域房屋建筑中人均钢铁存量差别明显,2016年东部地区房屋建筑中人均钢铁存量最大为2526kg/人,其次是东北地区2128kg/人、中部地区1732kg/人和西部地区 1605kg/人;受城镇和农村的生活环境、经济水平差异影响,中国城乡房屋建筑中人均钢铁存量差异显著,2016年中国房屋建筑中城镇人均钢铁存量达3145kg/人,农村为530kg/人。

中国房屋建筑中钢铁存量的时空变化

  关键词:物质流分析;房屋建筑;钢铁存量;时空变化;中国

  1、引言

  钢铁作为经济发展中用量最大的金属原材料[1] ,在工业化和城镇化进程中不可或缺。21世纪以来,随着中国经济社会快速发展,钢铁需求快速增长。 2001—2016 年,中国粗钢消费量从 1.7 亿 t 增长到 7.1亿t,增长了3.2倍,从占世界粗钢消费量的19.9% 增长到43.5%。粗钢消费的快速增长造成了中国铁矿石消耗量的增加,使得中国面临严峻的铁矿石资源供应形势。2001—2016 年期间,中国铁矿石(标矿)进口量从 0.9亿 t增长到 10.2亿 t,铁矿石(标矿)消费量从1.9亿t增长到11.7亿t,铁矿石对外依存度从 47.5%增长到 87.3%[2] 。大量、快速的钢铁资源消耗,使中国铁矿石对外依存度居高不下[3] 。过去 10 多年,建筑及基础设施部分所消费的钢铁量占中国钢铁总消费量的比例50%以上,而建筑部门中的钢铁消费量占建筑及基础设施钢铁总消费量的 65% 以上[4] 。随着工业化和城镇化进程的持续,房屋建筑也在不断代谢。作为房屋建筑中的重要载能资源—废旧钢铁,提高其回收利用水平是解决由近年来钢铁资源大量消耗而产生的资源、环境问题的重要举措[5,6] 。因此,研究房屋建筑系统内的钢铁存量意义重大。

  物质流分析是通过对系统内物质流动轨迹进行跟踪调查,获取物质在各环节的流通量和废弃物排放量等数据,进而分析不同流动环节的物质使用效率、环境效应和最终物资社会存量等的方法,经过近30年的发展,其已成为可持续发展的重要理论之一,是国内外学者研究金属循环和回收的首选方法[2,7-10] 。目前,国内外已有许多学者利用物质流分析方法对中国钢铁资源的物质流动进行了研究。如 Pauliuk 等[11,12] 以人均存量为评价指标,采用自上而下的计算方法,预测了 2100 年中国钢铁产量、废旧钢铁回收量以及铁矿石的消耗量;同时也在国家尺度上,对全球 200 多个国家的钢铁存量进行了预测。Wang等[13] 采用自下而上的方法,对中国的钢铁存量进行估算,并选取 2000 年和 2010 年中国城市和乡村的钢铁存量进行对比,结果显示城乡间钢铁使用强度的差异明显。楼俞等[14] 采用自下而上方法对2005年邯郸市的钢铁存量进行了研究,得出邯郸市钢铁的总存量及其分布情况,并与北京和美国 NewHaven 市的钢铁存量进行了对比分析,结果表明同期邯郸市的人均钢铁存量约为北京市的1/2,美国NewHaven市的1/7,且最大存量来自于建筑。康柳明[15] 依据城市金属存量分析方法框架,结合哈尔滨市区域工业化进程,采用自下而上的方法研究了哈尔滨市 2009—2013 年钢铁存量总量以及分布结构的变化规律,结果表明,2013 年底哈尔滨市钢铁存量分布主要集中在建筑类中,占比高达 70.8%。王琳等[16] 根据动态物质流分析方法,对中国国家层面的1949—2014年钢铁存量规律进行研究,得出中国钢铁存量的变化情况与国家所处工业化进程阶段高度相关。

  通过对比发现,国内外对钢铁存量的研究尺度界面主要集中在国家或者城市的钢铁消费全行业研究,对钢铁消费量最大领域的房屋建筑系统内钢铁存量的研究较少。因此,本研究以动态物质流分析为基础,从全国、不同区域及城乡三个维度定量分析房屋建筑中的钢铁存量及人均存量。

  2 研究方法和数据来源

  2.1 系统边界

  本研究采用“自下而上”法,统计1949—2016年期间每年新竣工的房屋建筑面积,估算单位建筑面积钢铁使用强度,测算出不同时期各类房屋建筑的钢铁存量,再将各类的钢铁存量进行加和,从而得出中国社会现役房屋建筑中的钢铁存量。

  本研究结合中国实际情况及建筑特点,将中国建筑系统在不同时期,按照使用类别不同,划分为4 个种类,分别是农村住宅房屋建筑、农村其他房屋建筑(农村除住宅用途外的房屋建筑)、城镇住宅房屋建筑、城镇其他房屋建筑(城镇除住宅用途外的房屋建筑)。

  2.2 钢铁存量测算模型

  2.2.1 建筑生命周期函数确定

  根据产品生命周期理论,不同类别的金属产品(即不同类型含钢建筑物),有不同的使用寿命年限[17,18] 。金属产品在达到其最大寿命年限后将退出社会使用,转化为二次金属进入冶炼环节[9] 。目前,主要有4种产品寿命分布函数被用来测算和模拟金属产品的现役社会存量和废旧金属资源产生量,不同的函数表征方式对金属现役社会存量和废旧金属资源产生量的预测存在一定的差异[19-21] 。4 种生命周期分布函数分别为:指数分布、高斯分布、对数分布和韦伯分布。

  与机械设备、交通运输设备和电子设备等含铁产品相比,建筑物的报废具有更多的不确定性[19] ,对其进行废弃则需要更长的时间周期。因此,本研究选取双参数韦伯分布函数作为房屋建筑生命周期分布函数。对不同时期不同用途的房屋建筑,分别采用不同参数的韦伯分布函数对建筑的拆迁量进行估算。

  2.2.2 建筑系统钢铁存量测算模型

  房屋建筑经过一定年限使用后拆迁,拆迁房屋中的废旧钢铁一部分被回收后,进入电炉冶炼,重新进入使用阶段,另一部分则流失。由于房屋建筑生命周期符合韦伯分布函数。因此,拆迁房屋建筑中的废旧钢铁应为前一年竣工房屋建筑中的钢铁存量乘以当年的报废率。本研究,结合动态物质流分析方法计算出每个目标年中现役房屋建筑中的钢铁存量。

  3 结果及分析

  3.1 全国房屋建筑中钢铁存量变化及人均钢铁存量变化

  1949—2016 年全国房屋建筑中钢铁存量呈现持续增长态势,根据累计钢铁存量的增长速率变化情况,将建国以来房屋建筑中钢铁存量分为 3 个阶段(图1)。

  第一阶段:缓慢增长期(1949—1978 年),钢铁存量年均增长速率为162.6万t/年。1949年,中国房屋建筑中的钢铁存量为10.0万t,人均钢铁存量不足 1.0kg/人。1957年,房屋建筑中的钢铁存量 343.0万 t,人均钢铁存量达到 5.3kg/人。随着中国经济的发展,1978 年,中国房屋建筑中的钢铁存量增加到 4724.0万t,人均钢铁存量增加到49.0kg/人。

  第二阶段:稳定增长期(1979—2000 年),钢铁存量年均增长速率为3150.5万t/年。1979—1990年,房屋建筑中的钢铁存量增加了2.6亿t,达到3.2亿t,人均钢铁存量也从55.0kg/人增加到279.0kg/人。从 1991—2000 年,中国工业化和城镇化进程稳步推进,中国房屋建筑中的钢铁存量达到7.1亿t,人均钢铁存量达到546.0kg/人。

  第三阶段:快速增长期(2001—2016 年),钢铁存量年均增长速率为1.4亿t/年。期间中国经济飞速发展,2010年中国房屋建筑中的钢铁存量为17.3亿t, 10 年内增加了 9.5 亿 t,人均钢铁存量从 564.0kg/人增加到1292.0kg/人。2016年,中国房屋建筑中的钢铁存量继续增加,存量达 28.1亿 t,人均钢铁存量达到2029.0kg/人。

  3.2 中国区域房屋建筑中钢铁及人均钢铁存量变化

  本研究根据中国经济社会发展的程度,将中国 31个省份分为四大经济区域,并选取 6次全国人口普查时间点和2016年为研究节点,分析区域内房屋建筑中人均钢铁存量的变化情况。

  中国四大经济区域如下:

  (1)东北地区,包括黑龙江、吉林、辽宁;

  (2)中部地区,包括山西、河南、湖北、湖南、江西、安徽;

  (3)东部地区,包括北京、天津、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、海南;

  (4)西部地区,包括四川、广西、贵州、云南、重庆、陕西、甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海、西藏。

  四大经济区域房屋建筑中钢铁存量变化情况如图2a所示。

  东北地区房屋建筑中钢铁存量从 1953 年的 50.0 万 t 增加到 2016 年的 2.3 亿 t,人均钢铁存量从 7.2kg/人增加到 2128.0kg/人;中部地区房屋建筑中钢铁存量从 1953 年的 17.0 万 t 增加到 6.4 亿 t,人均钢铁存量从 1.0kg/人增加到 1732.0kg/人;东部地区房屋建筑中钢铁存量从 1953 年的 30.0 万 t 增加到 2016年的13.4亿t,人均钢铁存量从2.4kg/人增加到 2526.0kg/人;西部地区房屋建筑中钢铁存量从 1953 年的 19.0 万 t 增加到 2016 年的 6.0 亿 t,人均钢铁存量从1.2kg/人增加到2016年的1605.0kg/人(图2b)。

  1953年,中国区域房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量差异明显。1964年,各区域房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量较1953年明显增加。其中,东北地区房屋建筑中钢铁存量增加到30.1万t,人均钢铁存量达 49.0kg/人,中部、西部和东部地区房屋建筑中钢铁存量分别增加到 16.9 万 t、19.1 万 t、50.7 万 t,人 均 钢 铁 存 量 增 加 到 9.0kg/人 、12.0kg/人 、 180.0kg/人。东北地区房屋建筑中的人均钢铁存量明显大于其他地区,这主要是建国初期,东北地区作为中国重要的工业基地,经济社会发展水平相对较高,使东北地区的房屋建筑中人均钢铁存量较大。1982年,各区域房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量变化较大,四大经济区房屋建筑中钢铁存量分别为东北地区1252.0万t,东部地区4911.0万t、中部地区 1916.0 万 t、西部地区 2070.0 万 t。在人均方面,东北地区和东部地区人均钢铁存量均超过 100.0kg/人,且二者之间的差距缩小,各区域房屋建筑中人均钢铁存量分别为:东北地区138.0kg/人、东部地区 136.0kg/人、中部地区 67.0kg/人和西部地区 79.0kg/人。从 1964年“二五”期间开始到 1982年改革开放前期,国家政策、产业布局以及投资始终倾向东北、东部地区,使得房屋建筑中人均钢铁存量显著高于其他两个地区。1982—1990年,中国各区域房屋建筑中钢铁存量持续增大。1990年,东部地区房屋建筑中钢铁存量达1.6亿t,中部、东北和西部地区房屋建筑中钢铁存量分别为0.5亿t、0.3亿t、0.6 亿t。中国各区域房屋建筑中人均钢铁存量分别为:东北地区 285.0kg/人、东部地区 404.0kg/人、中部地区 237.0kg/人和西部地区 180.0kg/人。从 1982 年改革开放初期到1990年,国家投资布局重点逐步向东部沿海地区转移,东部地区社会生产力获得了快速发展,使其房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量方面明显大于其他地区。2000年,东部地区房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量和东北地区差值继续拉大,东部地区房屋建筑中钢铁存量为3.5亿t,人均钢铁存量达到 767.0kg/人,东北房屋建筑中钢铁存量为 0.5亿 t,人均钢铁为 507.0kg/人。此时,中部地区房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量为 1.7亿 t、 481.0kg/人,西部地区为 1.4 亿 t、395.0kg/人。在此期间,中国继续实行改革开放,倾斜性的投资直接使经济特区、沿海开放城市的工业、港口、航空机场与城市建设得到了快速的发展,东部地区房屋建筑中人均钢铁存量也在快速增加。到2010年,中国四大经济区房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量均较2000年时期均翻一番,各区域房屋建筑中钢铁存量 及 人 均 钢 铁 存 量 分 别 为 :东 北 地 区 1.4 亿 t、 1295.0kg/人,东部地区 8.4 亿 t、1658.0kg/人,中部地区3.9亿t、1095.0kg/人和西部地区3.6亿t、1000.0kg/ 人。各区域房屋建筑中钢铁存量及人均钢铁存量快速增加益于2000年以后,国家推进一系列区域整体发展战略,先后实施了振兴东北等老工业基地、促进中部崛起、东部率先发展等重大战略举措。 2010—2016年期间,中国各区域房屋建筑中的人均钢铁存量继续增加。2016年,东部地区房屋建筑中人均钢铁存量仍居四大区域首位,这与东部地区在改革开放中的区位优势及国家给予一系列资源配置和经济发展的优惠政策密不可分。

  《中国房屋建筑中钢铁存量的时空变化》来源:《资源科学》2018年12期,作者:韩中奎;文博杰;代涛;李强峰;王欢;冯旭光。

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