[区域发展]基于SD模型的城市能源承载力影响因素研究

 0  引言

 能源是国家重要的战略资源，是推动经济社会发展必不可少的动力。随着我国经济的快速发展、人口增长、工业化和城镇化进程的加快，能源需求也不断增加。张丽峰(2011)指出，目前我国以矿物燃料为主的能源消费结构在相当长一段时间仍占主导地位。鉴于这些能源的不可再生性的特点以及我国能源分布不均的格局，能源承载力问题理应成为区域经济发展的重要研究内容之一。本文综合考虑经济、人口、科技和环境等因素，运用系统动力学的方法，系统分析了能源消费需求与经济发展、人口增长、环境保护、科技进步之间的关系。从支持力-压力-状态三个方面建立能源承载力的评价指标体系，构建SD模型全面评价城市能源承载力水平并探究影响承载力大小的主要因素。通过情景模拟来预测今后一段时间内能源承载力走势，为区域经济和能源发展战略以及相关政策的制定提供参考依据。

 1  系统分析与指标体系

 1.1  能源承载系统构架

 能源系统与社会、经济发展和生态环境是密切相关的，对能源经济系统进行分析，能够揭示经济发展、能源消费的趋势。把能源消费需求看作是一个复杂的大系统，将其分为能源系统、社会系统、经济系统和生态环境系统四个子系统，其间相互制约、相互影响。通过分析每个系统内部的影响因素和变量以及各个子系统之间的相互关系，动态地研究每个系统对能源承载力的影响。图1可以简要地表明四个子系统彼此之间的联系。

图1  各子系统总体结构

 1.2  能源承载力指标体系设计

 根据能源承载力评价所要达到的目的，一方面必须要反映区域承载能力的大小，其中，人口和经济是反映能源承载力大小的最直接指标；另一方面，还要体现社会经济系统结构的状态，衡量区域的能源开发利用是否合理、是否足以支持社会经济的可持续发展。文中把对能源承载力的评价分为支持力指标、压力指标和状态指标三类。

 综合指标体系及各个系统的分指标见图2所示。

图2  能源承载力综合评价指标体系

 1.3  SD模型及参数设置

 1.3.1  因果关系分析

 在分析了能源消费系统各子系统相互作用、相互影响的关系的基础上，得出了各系统之间的因果关系图，见图3所示。

图3  子系统各要素因果关系

 从图3中可以看出，能源消费子系统与社会、经济和环境子系统是相互联系的，彼此之间相互制约。能源消费受人口数量的影响，对经济发展有着密切的推动作用，它能为经济社会的发展提供动力。同时，随着工业、生活对能源消费量的增加，污染物的排放也不断增加，它对生态环境的破坏也越来越严重，最终导致我国的生态环境也面临着严峻的挑战。经济子系统与能源子系统互为因果关系，经济增长会促进能源消费的增加，而能源消费的增加也会为经济发展提供强有力的保障，推动经济增长。人口的增加会增加劳动力的数量，为经济发展提供人力资源；反过来，经济发展也会提高人民生活水平。能源消费和环境子系统之间，日益增长的能源消费会导致环境问题逐渐恶化，而随着经济的发展、科技投资的不断加大，在环保方面的投入也在逐渐加大，污染物排放量减少。

 1.3.2  能源承载系统SD模型及参数设置

 结合系统各要素的因果关系图，可得出系统结构的因果反馈回路，因果回路能够表达出系统发生变化的原因，却不能准确的描述模型中的变量的变化情况。为了进一步明确表示系统各元素之间的数量关系，文中融合了节能技术、资源供给和环保政策(税收)等影响因素来综合考虑，在系统分析各个子系统之间内在联系的基础上，运用vensim软件，建立相应的动力学模型。

 系统动力学引入状态变量、速率变量、信息流等要素，具体地描述系统构成、系统行为和系统元素相互作用的变化过程，在分析能源系统中各子系统相互作用、相互影响的基础上，得出了各子系统之间的因果关系流图，见图4所示。

图4  能源承载力系统因果关系流图

 2  实证研究

 2.1  数据来源及其说明

 统计数据主要来自《中国城市统计年鉴2002—2012》、《辽宁省统计年鉴2002—2012》、《鞍山市统计年鉴》等。系统动力学模型中参数方程确定以后，通常需要对其中的常数、表函数以及仿真初始值进行确定与估计。仿真的初始值指模型中某些变量的初始值。常数、表函数的值分别根据历史统计年鉴、环境状况公报数据、规划数值，以及考虑鞍山市技术发展因素的现状和必要的判断并通过反复调试运行而最终确定的。

 2.2  评价过程与分析

 2.2.1  模型有效性检验

 为了运用系统动力学模型对城市能源承载力的变化规律进行分析，文中在统计鞍山市数据的基础上，以2005年的数据为初始值，对2006—2010年的数据进行有效性检验。主要选取了人口总量、GDP总量、能源消费总量和工业废气排放量四个变量来检验模型的有效性。

表1  鞍山市能源资源承载力SD模型主要变量有效性检验

 基础数据来源：《中国城市统计年鉴》、《鞍山市统计年鉴》

 从表1中的模拟结果来看，模拟结果中相对误差都在5.1%以内，说明该模型模拟的结果能较好的反映鞍山市的能源对经济社会的支撑情况，所以模型的有效性较好。下面将用该模型来预测鞍山市2011—2020年的能源承载力中几个主要变量的变化情况，主要包括工业废气排放量、人口总量、GDP、能源消费总量和能源承载力因子，考察这几个变量在未来一段时间内的变化趋势，从而为当地社会经济发展提供科学合理的依据。

 根据鞍山市的经济发展情况和环境政策，结合系统动力学的结构特点，先拟定四种可供选择的方案，模拟不同方案下的结果，然后从中选出符合实际情况的最佳方案。以下提出了四种不同的发展模式：

 方案一：在现有的条件下，模型中的各个参数保持不变。

 方案二：合理调整能源消费结构，加大环境保护力度，SO2处理率提高到90%，GDP增长率控制在8%左右，注重生态环境的保护与治理。

 方案三：追求经济发展速度，GDP增长率仍然保持在12%左右，能源消费弹性系数为0.85左右。

 方案四：能源、经济、环境协调发展，提高节能技术因子到0.65，注重环境保护的投资。预计到2020年，GDP增长率保持在8%左右，SO2处理率提高到95%左右。

 根据以上四种方案的具体要求以及系统模拟的结果，结合当地的实际情况，从图5可以看出在四种不同的方案下各种变量的发展趋势，并对这几个变量进行比较。

 图5中：从2006—2020年，随着经济社会的发展，工业废气排放量、能源消费总量和GDP总量不断上升，能源缺口逐渐出现并将日益加大。但由于每个方案中采取的措施力度不同，导致变量的曲线在上升的过程中会出现不同程度的变化。很显然，方案三过度追求经济增长而忽视生态环境的保护，导致其在大气污染、能源消费等方面压力增大，能源承载力因子逐渐减小。总体而言，尽管鞍山市的人口、环境和能源压力仍在持续增加，综合比较以上四种方案，可以得出能源、经济和环境的协调发展符合社会经济发展的规律和当地的实际情况，有利于鞍山市的可持续发展，是今后鞍山市必须努力的方向。

图5不同方案下鞍山市能源资源承载力SD模型主要变量的模拟结果

 2.2.2  影响因素分析

 通过模拟的结果可知，在不同的方案下，模型中考虑的主要变量也会有较大差异。下面针对不同的资源条件、技术进步以及各地采取不同的环保政策等因素下，这些参数是如何影响能源承载力变化的。

 (1)资源禀赋

 由于天然气和电力属于清洁能源，将鞍山市的天然气生产量和发电量提高20%，来模拟其他变量的变化情况。见图6所示。

图6  资源条件变量调整的模拟分析

 提高鞍山市天然气和发电量的生产，从而增加清洁能源供应量。从图6中的模拟结果可知，在提高清洁能源的供应量时，能源承载力因子会相应地提高，而此时工业废气排放量也有所下降，GDP总量并没有很明显的变化。这主要是由于尽管能源供应量增加了，但是经济的快速对能源的需求也是越来越大，随着人们环保意识的增强，对废弃物的排放提出更高的要求，促使经济发展更加趋于平稳。

 (2)技术进步因素

 技术进步是促进社会发展的一个关键因素，它可以提高能源的使用效率，提高污染物的处理率，从而有效的保护生态环境。将技术进步因素考虑到承载力评价之中，可以较为全面的分析各种因素对能源承载力的影响。到2020年，将节能技术因子提高到0.65，来模拟几个主要变量的变化情况。

图7  技术进步条件下的变量模拟分析

 图7中的模拟结果显示，加大科技投入，推广节能技术，能够提高能源的使用效率，可以减少污染物的排放。调整前后，鞍山市工业废气排放量从148.3万吨降低到128.5万吨，能源承载力因子也有所提高。由于技术进步带来的GDP也有小幅度的提升，这表明技术进步因素对能源承载力中几个主要变量的影响较大。

 (3)环保政策

 由于本系统中涉及到政策因素的变量较少，只设定了废气排放税这一变量。在模型中将废气排放税设为10%，即每向大气中排放100单位的废气，就征收10单位的税款。通过这一举措，来刺激各市场主体提高环保意识和加大投资，以控制对大气中废弃物的排放量。

图8  环保政策下调整变量的模拟分析

 采取强有力地环保措施，控制污染物的排放率，对模型中的主要变量产生显著性的影响，见图8。其中影响最大的是工业废气排放量，由调整之前的148.3万吨下降到120.4万吨，同时大气污染系数显著降低，能源承载力因子也有所提高，这说明有效的环保政策措施，可以起到积极的作用，环境保护取得明显效果。

 3  结论

 运用系统动力学模型对鞍山地区的能源承载力进行模拟，总结分析结果，我们可以得出以下结论：

 (1)由于区域之间本身存在的差异性，包括经济发展水平、资源禀赋、政府采取的环境保护政策等，在不同的参数作用下，鞍山城市能源承载力存在较大差异。通过情景模拟来设定参数，采取强有力地政策措施，可以对某些变量产生较大影响。经济发展水平较高，就可以加大科技和节能环保投资，提高能源利用效率，降低污染物的排放，改善生态环境。

 (2)在能源承载力的主要影响因素中，技术进步因素影响最显著。可见发展节能减排技术，促进技术进步，提高有限的资源对经济、社会、人口的支撑能力是今后我国必须坚持的方向。

 (3)引入税收这一杠杆因素，能有效地调节废弃物的排放和生态环境之间的矛盾。因地制宜的采取有效的环保措施，加大对清洁能源产业的扶持力度，采取严格的排放政策，能起到明显的效果。

 基金项目：国家社会科学基金一般项目(11BKS045)；中国地质调查局地质调查工作项目(1212011220302)