城市生态工业系统模拟、优化调控方法研究

赵妍，田强，尚金城

1. 长春理工大学化学与环境工程学院，吉林 长春 130022；2. 东北师范大学城市与环境科学学院，吉林 长春 130024

生态工业是指仿照自然界生态过程物质循环的方式来规划和发展现行工业系统，以实现经济和环境协调发展。生态工业的相关理论和实践自20世纪90年代以来发展迅速，国际上对应用生态工业原理设计、规划生态工业系统的研究较为广泛[1-4]，并对美国、加拿大、荷兰等国家EIP创建经验进行了总结[5-6]，探讨了在更大尺度区域建设生态工业系统及其可持续发展等问题[7-10]。目前，全世界现有超过12000个生态工业园，其中丹麦卡伦堡作为工业生态学的经典案例已被学术界和工业界所熟知。截止到2009年1月，国家环保部批准建设33个国家生态工业示范园区，另有苏州工业园区等3家通过验收授牌。工业生态学的一个重要特征是要求对所研究的问题进行量化分析，因而对生态工业系统进行量化评价是一个重要问题[11-12]。依据工业生态学原理对长春经济技术开发区现行工业体系“生态结构重组”基础上，完成系统多种替代方案的多级评价，促进以工业代谢过程为核心的资源高效利用和环境影响最小化。

1 生态工业系统规划

1.1 研究区域工业群落分析

长春经济技术开发区是1993年4月批准的国家级经济技术开发区，经过长春市政府2000年和2003年两次区划调整，现在区域面积已经达到112 km2。辖两街一镇，常住人口约17万。10余年来开发区经济总量不断扩大，在优化所有制结构、提升工业化水平、促进新老城区一体化等方面对长春市均有着明显的影响。随着开发区主导产业的快速发展，区内呈现出由资源、环境单要素约束性引起的生态环境问题，以及由于整体效应而产生的系统性问题。目前，长春市经济技术开发区已有26个国家和地区的53家大跨国集团投资兴业，全区累计批准设立企业3216户。通过调查开发区内背景状况，可以确立玉米深加工产业、汽车零部件产业关键种。关键种企业使用和传输的物质最多、能量流动的规模最庞大，带动和牵制着其他企业、行业的发展，居于中心地位，也是生态产业“链核”[13]。

玉米深加工产业链规划主要是玉米化工醇、聚酯等玉米深加工和相应配套的工业及基础设施、公用设施等功能；规划建成“粮食生产→初加工（附产品）→深加工（玉米化工）→精深加工的化工轻纺产业园区”的循环模式，参见图1。汽车产业链坚持以产品生命周期环境管理为指导，从原辅材料和能源、技术工艺、设备、过程控制、产品、管理、员工和废物等方面，全面开展清洁生产。并结合一汽的项目开展战略招商，提升汽车零部件制造企业的技术创新能力，加强企业间沟通与协作，构建开发区汽车制造产业群落，扩大产业聚集效应。依据上述两大关键种产业构建整个开发区生态工业共生模式，主要技术方式包括①作为资源重新使用废料；②封闭物质循环系统和尽量减少消耗性排放；③产品与经济活动的非物质化；④能源脱碳。在此基础上提出完善产品代谢链、废物代谢链及污染物减量、能源利用提高的方案。

2 生态工业系统模拟、调控与预测

系统动力学SD（System Dynamics）集系统论、控制论和计算机仿真技术为一体，能定性与定量地分析研究系统，以结构—功能模拟为其突出特点，它能够处理高阶次、非线性、多重反馈复杂时变系统的问题[14]。通过构造复杂系统的基本结构，建立数学的规范模型，采用VENSIM软件仿真，以反映生态工业系统动态行为并对其不同发展战略进行调控、预测和优化。

图1 长春经济技术开发区玉米深加工产业链Fig.1 Corn Deep Processing Chain of Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1 系统模拟

将长春经济技术开发区划分为社会经济、资源和环境三个相互反馈的子系统。系统共设立指标124个，分别为状态变量8个、速率变量14个、辅助变量和常量102个，表函数13个，其中状态变量是系统的核心, 表示系统在变化过程中某个具体时刻的状态。

2.1.1 社会、经济子系统

主要包括园区总产值和总人口系统变量，参见图 2。人口子系统通过人口数量和素质影响着园区的发展和资源利用，同时又受制于经济水平和环境质量。人口资源属性通过劳动力与各产业部门连接，直接参与到区域经济变化过程中。经济开发区近年人口增长主要为机械增长，受经济拉动吸引和房地产开发的影响。生态环境因子通过调节人口死亡率和房地产开发率作用于总人口。经济子系统包括园区内五大支柱产业总产值的变化情况，同时又引入了生态工业共生网络聚合度概念，它反映生态工业系统中各企业间、生产过程间的相互作用的程度，受产业链纵向、横向和动态稳定性的影响。经济子系统所要考虑的核心问题是如何在保护资源、环境的前提下发展和扩大工业生产，创造巨大经济效益。

2.1.2 资源子系统

资源子系统包括区内水资源和矿产资源子系统，以提高资源利用效率、降低资源消耗速度为调控目标。水资源系统以水资源余量作为状态变量，通过供水量、耗水量等速率变量和辅助变量与其他子系统相连接，参见图 3。构建的水资源共生系统依靠水资源“闭路再循环”网络集成实现梯级利用，并设置雨水收集系统进行调节。开发区内工业生产、采暖等活动大量消耗了矿产资源，模型系统通过调控协调资源量与需求的矛盾促使其合理利用。

图2 长春经济技术开发区社会、经济子系统模型仿真图Fig.2 Simulation model of society and economy subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

图3 长春经济技术开发区资源子系统模型仿真图Fig.3 Simulation model of resource subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1.3 环境子系统

开发区内居民生活、工业生产等经济活动产生大量的废水、废气和固体废物等污染物将对生态环境的改善产生制约作用。环境子系统模型中设置环境保护与科技影响因子等变量使其与社会经济等系统形成反馈关系，参见图4。并通过投入资金、加强科技创新研发和技术改造，清洁生产等手段来降低生产生活对环境的破坏，确保环境、区域和经济的可持续发展。

图4 长春经济技术开发区环境子系统模型仿真图Fig.4 Simulation model of environment subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.2 模型系统调控与仿真分析

2.2.1 系统调控与检验

模型系统中状态变量用差分方程表示，速度变量和辅助变量之间的定量关系比较复杂，需依据各变量间因果反馈关系建立方程。模型系统时间边界为2005—2020年，时间步长1 a。系统参数平均变化率类利用历史统计资料取均值计算，增长速率类采用回归法确定，部分数据依公式按比例推算。模型选用投资比例、环科影响因子、网络聚合度、水梯级循环利用率、燃煤循环利用率、废水处理率、废气处理率作为调控参量，并设置4种发展方案：方案1为无为方案，方案2重点发展经济，方案3着重环境保护措施的实施、方案4调控经济指标的同时强调科技进步、环境保护与其相互作用关系，在此基础上模拟系统行为，参见表1。

3 生态工业系统生态效率评价与发展方案优化

建立稳定高效、环境和谐的生态工业复合体系关键在于准确识别系统的多层次互动关系，在此基础上建立多级评价指标体系，有针对性地反映各个层次的功能、效率和影响[15]。根据长春经济技术开发区生态工业系统本身的规模和对指标设定的影响因素，指标选取兼顾研究对象的微观和宏观特性，包括社会经济、资源、生态环境三大类17项。I、II、III分别代表效率级别一般、良好、高效三个灰类。各指标权重采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process）确定。具体指标体系及其权重ηj如下，参见表2。

表1 长春经济技术开发区生态工业系统不同发展战略仿真结果Table 1 Eco-industrial simulation results under different scenarios in Changchun Economic and Technological Development Zone

表2 生态工业系统生态效率评价指标体系Table 2 The indicator system for eco-efficiency evaluation on industrial system

由于评价聚类指标的意义、量纲不同，且在数量上悬殊较大，采用灰色变权聚类可能导致某些指标参与聚类的作用十分微弱，因此选择灰色定权聚类计算4种不同发展方案下系统动力学模拟仿真结果的灰色聚类系数。

设有n个聚类对象，m个聚类指标，s个不同灰类，根据第i个对象关于j指标的观测值xij，将第i个对象归入第k个灰类，称为灰色聚类（其中i=1,2, …, n；j=1,2, …, m；k∈{1,2, …, s}）。将n个对象关于指标j的取值相应地分为s个灰类，称为j指标子类。j指标k子类的白化权函数记为设为j指标k子类的典型白化权函数的转折点[16]。典型白化权函数记为

满足

下限测度白化权函数记为

适中测度白化权函数记为

满足

上限测度白化权函数记为

满足

表明，第1和第2发展方案都属于第III灰类，方案3属于第II灰类，方案4属于第I灰类。即在采用无为方案和注重经济发展方案条件下，系统生态效率一般，且注重经济发展方案 III灰类聚类系数较高。方案3强调环境保护方案条件下系统生态效率可以达到良好。当采用发展方案4时，园区工业系统可以达到生态效率高效运转。

4 结论

研究结果表明模拟初期由于经济发展劳动力需求增加开发区内人口增长迅速，总产值也逐期增加。水资源是区内经济发展的制约因子，如不采取有效措施将出现供给缺口。不同发展战略中方案 4呈现相对最优的状态，社会经济、资源和生态环境协调发展程度较高，即系统生态效率高效。长春经济技术开发区生态环境现状较好，但随着经济发展和人口聚集，环境压力将加大。

因此，长春经济技术开发区在大力发展经济的同时，必须以废物减量化、再循环利用和废物资源化为指导原则，通过在园区企业内和企业间对物质、能量和公用工程进行系统集成，实现物质循环、能量集成利用和信息交换共享，合理布局，构成工业生态链，并推行清洁生产、推进清洁能源结构、发展资源集约型基础设施和环境友好的产业，从而实现社会、经济和环境的可持续发展。

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