工业园区物质流管理：内涵、方法与建议

高 洋，王 帅，程 蕾，严 坤，田金平,3，陈吕军,3*

1. 清华大学环境学院，北京 100084

2. 生态环境部科技与财务司，北京 100006

3. 清华大学生态文明研究中心，北京 100084

《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》明确提出“加强园区物质流管理，推进产业园区循环化发展，以循环经济助力降碳行动”[1]. 工业园区既是我国工业发展和地区经济增长的重要引擎[2]，又是实现精准减排的关键落脚点，应成为做好碳达峰、碳中和工作的“领头羊”[3]. 园区落实“双碳”目标的着力点是提高资源能源效率，促进发展方式转变[1]，其重点是优化调控园区产业活动及相关的资源以及能源的源、流和汇[4]，这也是上述行动方案中园区物质流管理的核心要义.

优化调控园区物质流动的基础是理清园区所用物质的数量、种类、结构及其在园区内的加工转化过程和流向，常采用物质流分析方法. 物质流分析基于物质守恒定律对特定系统在指定时空范围内物质的流量与存量变化开展系统性分析[4]，为评价社会经济系统资源利用效率、追溯资源环境问题的主要来源提供了科学、透明、可靠的数据支撑[5]，因而被广泛应用于可持续发展领域. 全球[6]、国家[7]、区域[8]、城市[9]、行业[10]、园区[11]和企业[12]等不同尺度均有大量研究案例. 目前，物质流分析已形成了系统的标准和方法体系[13-15]；然而，物质流分析仍未被社会各部门广泛接受[4]，如何应用物质流分析的结果，使其被纳入政策制定者的决策中仍面临不少挑战[16-17].

物质流管理是在物质流分析基础上提出的理念和模式[18]，由各利益相关方为达到经济、社会、生态等领域的综合目标，有的放矢地优化生产、流通、消费、服务等不同环节所涉及的物质流动[19]，是以物质流分析为重要基础和手段，面向应用场景的进一步延伸. 物质流管理方法层面，有研究提出将社会、经济评估方法(如社会科学建模[20]和结构主体分析[21])与物质流分析相结合. 应用层面，物质流管理被成功用于苏黎世的废物管理[22]，这成为企业开展物质流成本分析和清洁生产的重要举措[23-24]. 物质流管理的目标可能涉及多个利益相关方[21]，管理过程受科学技术、经济结构和社会体系等因素的综合影响[18]；然而，目前无论是论文数量还是研究进展，物质流管理与物质流分析差距较大，其内涵、方法体系尚不明确.

工业园区在相对较小的地理空间内集聚了大量企业和生产活动，物质流、能量流、信息流交汇[25]，资源环境影响大，利益相关方多. 本研究针对《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》提及的“加强园区物质流管理”，开展工业园区物质流管理内涵及技术路线研究，以期为工业园区开展物质流管理提供技术路线和政策建议.

1 工业园区物质流管理内涵及技术路线

本研究梳理了2012 年以来国家政府部门发布的含“物质流分析”或“物质流管理”相关政策文件共计25 个(见图1). 在Web of Science 和中国知网上以“工业园区”和“物质流”(包括“元素流”)为主题分别检索并筛选出以工业园区为物质流研究对象的英文论文17 篇，中文期刊论文30 篇，硕士学位论文31篇，博士学位论文6 篇. 以上述政策文件、研究论文和《工业园区物质流分析技术导则》(GB/T 38903—2020)[26]为基础，辨析了工业园区物质流管理的概念内涵.

1.1 工业园区物质流管理概念的政策背景

工业园区是开展物质流分析与管理的重要空间载体，25 个政策文件中有17 个均涉及工业园区. 尽管2013 年的《国务院关于印发循环经济发展战略及近期行动计划的通知》[27]中首次提出了“加强物质流分析和管理”，但“十四五”之前的政策文件更多地是将物质流分析方法作为支撑循环经济发展的工具而提及.

“十四五”以来，随着工业领域管理能力提升需求不断增长以及新一代信息技术与传统产业的不断融合，《工业和信息化部等六部门关于印发工业能效提升行动计划的通知》和《工业和信息化部关于印发＜“十四五”工业绿色发展规划＞的通知》均提出要实现“物质流、能量流的信息采集监控、分析与精细管理”[28-29]. 物质流管理成为提升精细化管理能力和多目标决策优化的重要组成[28]. 政策文件中的表述变化强调了管理决策者的主体职能，体现出国家关注视角的转变；同时，通过细化物质流能量流的管理流程将物质流分析方法进一步延伸落实至管理实践中.

1.2 工业园区物质流管理概念及内涵

现有研究中，工业园区物质流分析的对象既有大宗物料[30]又有特定元素[31]，且因为物质和能量在现代社会经济系统中相互交织、密切关联[5]，研究中常将物质和能量共同作为分析对象[32]. 《工业园区物质流分析技术导则》中也将生物质、化石能源等载能物质纳入分析对象[26]. 此外，虽然《工业园区物质流分析技术导则》所定义的对象不包含水流，但水资源对工业生产活动至关重要[33]；园区循环化改造中也提出了水资源产出率、工业用水重复利用率等指标. 因此，水资源流是对园区产生重要影响的关键流之一[34]，新鲜水、废水、中水等应成为园区物质流分析和管理的对象. 结合学术研究和国家政策需求，本研究中“物质流管理”所涉及的物质包含资源类物质、能源、水、产品、废弃物、污染物及特定元素等.

工业园区物质流管理是以物质流分析方法为主要手段，在系统揭示资源、能源、产品、废弃物等多要素代谢特征的基础上，根据管理目标，综合运用全生命周期评估、排放清单分析、价值流分析等方法定量揭示园区生产活动与资源、能源、环境系统间的相互作用，再由园区各利益相关方为达到经济、社会、生态等领域的综合目标，统筹技术成熟度与技术经济分析，开展持续优化调控的过程(见图2).

图2 工业园区物质流管理内涵框架Fig.2 Connotation of material flow management in industrial parks

1.3 工业园区物质流管理技术路线

基于工业园区物质流管理内涵，提出包括“问题定义、系统界定、数据收集、综合评估、优化调控”的技术路线(见图3).

图3 工业园区物质流管理技术路线Fig.3 Roadmap of material flow management in industrial parks

问题定义：研究问题的确定是园区物质流管理后续所有工作开展的基础，决定着系统边界划定、数据质量要求、结果解释方向、优化调整思路等. 研究问题的确定需同时考虑园区数据统计基础、管理能力及各利益相关方的需求.

系统界定：根据研究问题，明确适宜的空间边界和时间尺度，并确定所涵盖的物质种类. 园区物质流管理的空间边界可分为企业、产业集群和园区物理边界. 时间尺度上可以是一个自然年，也可根据产品的生产、消费、流通和废弃环节开展动态分析. 根据数据质量、分析结果可能要不断调整研究系统，并优化数据收集方式，循环迭代往复直至所得结果能准确反映实际的物质、能量流动过程.

数据收集：重点收集两类数据，一类反映物质、能量流动信息，包括重点工业生产企业内部、形成共生关系的企业之间以及能源基础设施、污水处理设施等物质、能源输入输出、污染物产生排放的信息.园区内物质、能量流动复杂，节点众多，可重点关注资源流、水流、废弃物流等产生较大环境影响的关键流[11,34]. 另一类是园区及企业的背景信息，包括主导产业、经济总量、工业增加值以及系统内不同节点的空间分布、生产工艺信息等. 可用于评价园区资源利用效率和污染物排放强度[35]，识别潜在的产业共生与循环经济体系[36].

采用自上而下和自下而上结合的方法构建园区物质流管理基础数据库，以备持续管理. 自上而下的数据主要来自园区统计和日常管理以及《中国开发区年鉴》、园区所在行政区的统计年鉴、园区官方网站、园区发展规划文件等. 自下而上的数据主要通过企业监测、调研访谈获取，企业环评报告、排污许可、清洁生产审核报告[11]也是提供企业物质、能量流动信息的重要来源. 同时可结合学术研究、行业报告与专业数据库等，对缺失数据进行补充.

综合评估：计算物质、能量的输入项和输出项，并基于物质守恒和能量守恒定律构建园区物质、能量流动平衡网络. 同时开展碳排放核算、排放清单和价值流分析，得到园区物质流、能量流、碳流、价值流和信息流，综合评估园区产业活动与资源能源和环境系统的相互作用.

优化调控：工业园区物质流管理最终目的是基于综合评估结果，结合情景分析、技术经济分析、综合建模、多目标优化算法寻求满足园区发展目标的物质能量流优化管理路径，从而推动园区资源能源利用率提高以及降低污染物和温室气体排放强度和全生命周期的环境影响，最终实现园区整体竞争力增强、发展质量提升. 值得指出的是，优化措施的选择可能涉及新的研究问题的提出；同时，优化调控环节并不是园区物质流管理的终点，在优化措施实施后可进一步分析实施绩效，并根据园区发展目标和外部环境变化持续实施动态物质流管理.

2 工业园区物质流管理实践应用

选取杭州湾上虞经济技术开发区(简称“上虞经开区”) 为典型案例说明物质流管理技术路线的应用，其中，物质流分析的详细过程和结果(包括系统信息、物质流图、清单等)可参见笔者前期已发表成果[31,37-40].

2.1 问题定义

上虞经开区主导产业为染料生产和制药，2 个行业工业总产值占园区总量的2/3. 2006 年，该园区面临污染物排放标准持续趋严、高浓度有机废水治理达标难度大、恶臭气体扰民、染料行业的硫酸钙渣危险废物大量产生等一系列问题. 从上述问题出发，园区管理部门和主要生产企业考虑到碳元素是有机废水、CO2、VOCs 的关键元素，同时又是有机化学品的骨架，因此提出对园区碳元素进行管理，旨在识别并优化园区碳效率关键影响因素，降低单位产出的环境负荷，实现染料、制药行业可持续发展.

2.2 系统界定

因为需要发掘碳元素排放的关键环节，所以将园区内所有涉及碳元素流动的环节均纳入评价系统，具体包括园区企业生产、用能、企业污水处理站，区内集中污水处理厂、固废处理设施和能源基础设施等环节，不考虑进口原料对应的隐流. 时间尺度为1 年.

2.3 数据收集

自上而下从园区管委会相关部门收集经济、能耗及污染物排放基础数据；配合自下而上从企业收集得到产品生产相关的基础信息，除产品结构、组成、流向等信息外，重点收集了产品价格等经济信息，详细的数据收集过程参见笔者前期发表成果[38-39].

2.4 综合评估

对各企业含碳元素的产品逐一加以分析，再按能源类、原辅材料类及产品、废弃物的分类标准汇总碳元素的输入和输出分布，绘制1 年内碳元素在园区内的流向和流动路径(见图4)，从而分析出碳元素的主要利用和流失环节.

图4 上虞经开区2007 年和2013 年碳元素流总览Fig.4 Overview of the carbon flow in Hangzhou Bay Shangyu Economic and Technological Development Area in 2007 and 2013

此外，重点分析园区分行业碳效率(产品中碳的质量与生产目标产品所消耗原材料中碳的比值)、E 因子(废物与对应产品的质量比)和单位产品碳价值(产值与产品碳元素含量之比)[39](见表1).

表1 上虞经开区分行业综合评估[38-39]Table 1 Comprehensive evaluationof different industries in Hangzhou Bay Shangyu Economic and Technological Development Area [38-39]

通过综合评估识别出2 个减少碳排放的重点环节：①与能源转换相关的直接碳投入占园区总直接碳投入的68%〔见图4(a)〕，是减少园区碳消耗的重点；②产品碳效率差异较大，有较大提升潜力. 基于统计分析软件(Statistical Product and Service Solutions)对所有产品分析发现，位于碳效率“后25%”的35 种产品的碳效率范围为8%～44%，加权平均值为23%. 如果将“后25%”产品的碳效率提至平均水平(69%)，可对应减少1×104t 以上的碳排放.

2.5 优化调控

基于综合评估，减少园区碳排放的重要举措之一是优化园区能源基础设施，改善能源结构. 为进一步明晰调控措施，深入分析了园区能源流动情况[40]，识别出主要耗能环节，并提出生物质发电、污泥焚烧发电等园区能源基础设施多样化、优化策略及11 项重点耗能设备节能措施[40].

产品碳效率提升方面，尽管制药行业碳效率最低且E 因子较高，但其产品单位碳价值最高，且药品及其中间体的纯度有严格标准. 因此，综合价值分析和技术可行性分析，选择染料行业为主要优化对象，开展合成工艺优化. 遵循绿色化学、绿色化工原则，从单个产品层面对磺化、硝化、硝基还原、碱熔、酰化等工艺环节进行了积极的改进[38]，如间苯二胺及间苯二酚的“一步”合成工艺以及重氮耦合反应连续化等.

2.6 持续管理

持续管理的首要工作是开展优化措施绩效评估，结果表明，园区碳效率由2007 年的69%[37]提至2013年的71.7%，碳输出中进入废弃物的比例由74%减至55.6%，企业间共生关系得以加强，碳交换由3.4%增至16.8%[38](见图4).

在染料行业工艺优化中考虑到硫磺和硫酸贯穿染料生产始末，是重要的原料、介质及能量源，又进一步分析了硫元素的利用情况并据此补充了新的优化措施[31]. 2013 年染料生产的E 因子中位数比2007年减少了52%(见表1)，染料生产过程的稀硫酸实现了资源化利用，硫酸钙渣大量产生的问题得以解决.园区相关指标均有不同程度的优化(见表2).

2.7 案例小结

上虞经开区按照五步法的技术路线开展了为期数年的持续性物质流管理. 有研究人员发现，开展园区物质流分析时往往很难收集企业层面物质流基础数据[32]，而本研究成功收集了包含239 种产品和513种原辅材料的化学结构、数量、单价在内的大量基础数据[38]. 数据收集工作得以顺利开展的原因是通过开展物质流管理把各利益相关方均作为管理主体进行统筹协调，突破了以往以研究人员为主要视角的限制.

3 工业园区物质流管理面临的主要挑战

3.1 工业园区循环经济发展理念仍待强化

工业园区是国家推进循环经济发展的重要组成[41]，国家发展和改革委员会等部门也多次发文支持园区循环化改造. 然而，一方面部分工业园区发展方式仍较为粗放，在解决环境问题时往往“头痛医头”，过度依赖末端治理，没有意识到物质流和能量流的失衡是环境问题产生的关键原因[42]；另一方面，园区通常是地方政府的派出机构，在国家统计体系中并没有针对园区的统计单元，对园区的资源、能源消耗并无硬性统计要求. 而园区在长时间经济高速发展过程中也习惯性关注经济指标而忽略资源、能源消耗量指标，忽视了经济发展过程对环境的负面影响.

3.2 工业园区物质流管理主体有待统筹协调

工业园区物质流涉及区内企业内部、不同企业间以及跨园区物理边界的物质流动，按利益相关者理论，园区物质流管理主体分为园区管理者(以管委会为代表的政府机构)和区内企业. 如果仅考虑政府这一主体，则只能把园区当成“黑箱”[11]；如果仅考虑单个企业主体，虽然已有相关成功经验[23]，但两种情况均忽视了企业间、企业与园区能源、污水集中处理等基础设施间的物质流，难以支撑园区物质流综合优化方案的制定. 必须加强园区物质流管理的多主体统筹协调，才能厘清园区产品-企业-基础设施多层次物质、能量流动特征，从而实现系统优化.

3.3 精细化基础数据的支撑能力亟待提升

物质流管理所需数据量大且种类丰富，自上而下从园区统计部门获取数据，既难反映企业间物质流动特征，又存在不同部门统计范围、口径差异问题. 自下而上的企业数据则需要面对形形色色的生产工艺和成百上千的物质种类，以及必要的数据安全管理与保密规定等，数据挖掘难度大、核证校验成本高. 目前部分工业园区已经开始探索将物质流管理与园区智慧化管理结合，但受限于数据采集时间颗粒度、覆盖面以及数据分析评价模块的完善度等因素，现有系统多为静态展示，其可操作性有待提升.

4 工业园区物质流管理策略

4.1 加强系统认知，推进物质流管理体系建立

工业园区是复杂系统，包括不同组织层级，且涉及经济、能源、土地、环境等多个子系统，具有层次性、复杂性等特征[43]. 园区发展要从系统工程角度分析各子系统的特征及相互作用[44]，达到整体功能最佳[43]. 物质流贯穿园区不同组织层级、不同子系统，是构建相互连接的重要渠道. 以系统观看待园区发展问题，自上而下与自下而上相结合推进物质流管理体系建立，在园区发展评估、各专项规划等工作中细化物质流管理的具体举措，进一步深化园区循环经济发展.

4.2 完善协调机制，实现物质流管理多主体参与

加强工业园区物质流管理各主体之间的协调，让各利益相关方均能切实了解物质流管理的理念、方法、需求和目标，避免企业和园区间利益冲突. 搭建沟通平台，完善沟通机制，逐步解决园区管理部门和区内企业间的问题. 同时，由于物质流管理过程涉及多种专业方法，可协请高校、科研院所及专业咨询机构的参与，发挥多方共同效力.

4.3 共建共享数据资源，做好物质流管理支撑

促进区内企业以及基础设施运营机构在不涉密的情况下加强数据资源共享，特别是可形成流动关系的产品、副产品、废弃物的相关信息. 改变传统物质流分析中依赖研究人员收集、检验、整合各类数据资源的方式，将物质流管理与智慧化管理结合，加强物联网硬件接口、图形交互接口等信息化手段的运用，并完善数据分析评价模块，为园区物质流管理提供快速响应、科学准确、全面系统的数据支撑.

5 结论与展望

a)工业园区物质流管理是以物质流分析为主要手段，在综合评估的基础上对园区资源能源流开展持续性综合优化的理念和模式.

b)加强园区物质流管理要强化发展的系统认知，协调各利益相关方共同参与，协同推进物质流管理与智慧化管理相结合，提升精细化管理能力，共同推进园区提质增效.

c)本研究选择的案例是为了说明物质流管理技术路线的应用，并结合应用识别目前管理层面存在的主要限制，因此省略了前期已有基础的物质流分析工作，且综合评估部分根据园区实际需求简要选择了经济-环境综合分析. 后续研究可在本研究提出的“五步法”技术路线的基础上进一步细化，结合不同发展阶段园区的实际需求探索物质流分析方法与其他方法的结合，在综合评估的基础上开发面向绿色低碳发展的园区物质流管理优化模型，进而充分推动物质管理在园区落实“双碳”目标及高质量发展中的应用.