系统动力学模型在城市发展规划环评中的应用
——以山西省临汾市为例

2014-12-23 06:04任贵平北京师范大学环境学院北京00875山西省环境规划院山西太原
中国环境科学 2014年5期
关键词:临汾市子系统规划

蒯 鹏,李 巍*,成 钢,任贵平 (.北京师范大学环境学院,北京 00875;.山西省环境规划院,山西 太原

030024;3.山西省临汾市环境保护局,山西 临汾 041000)

系统动力学模型在城市发展规划环评中的应用
——以山西省临汾市为例

蒯 鹏1,李 巍1*,成 钢2,任贵平3(1.北京师范大学环境学院,北京 100875;2.山西省环境规划院,山西 太原

030024;3.山西省临汾市环境保护局,山西 临汾 041000)

鉴于作为评价对象的城市社会经济环境复合系统具有多目标、多要素、动态关联等突出的系统动力学特征,选择和应用系统动力学方法开展城市发展规划环评在理论上具有可行性和技术优势.作为典型资源型城市的山西省临汾市正面临转变发展方式和加快环境治理的紧迫要求,本文依托该市转型发展规划环评工作,在全面识别和剖析城市发展要素、现状问题及其成因基础上,以经济发展、产业结构、节能减排和环境改善为重点研究了规划要素间的动态反馈关系,以此构建城市转型发展规划环评SD模型,并对4个规划替代方案进行模拟和评价.结果显示,在环境目标刚性约束下所有替代方案均不能实现人均GDP翻番的较高经济增长目标,其中以较强环境约束为特征的“方案III”具有最好的环境与经济综合效果.据此评价建议临汾市应在确保实现环境改善目标的前提下主动放缓工业增长速度,同时加快以“煤焦铁电”为代表的主导产业结构调整并继续加大节能减排力度,全面提高城市可持续发展能力.

城市可持续发展;规划环评;替代方案;系统动力学模型;环境约束

由于城市规划不合理、经济发展方式粗放、环境保护投入不足等原因,全国许多城市面临着水土资源和能源消耗过高、产业结构偏重且污染物排放量大、大气和水环境污染突出、人居环境恶化等诸多严重影响和制约城市可持续发展的问题[1-2].规划环评是对规划实施可能造成的环境影响进行分析、预测和评价,并提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的过程[3].开展城市规划环评对于合理规划城市社会经济发展以及协调与生态环境保护的关系具有重要作用.

城市是社会、经济、环境子系统及其各种要素相互作用的复合生态系统[4].城市规划是对多目标、多方案进行识别和筛选的决策过程,因而在开展环评时需要充分考虑各规划要素之间的动态联系及其系统综合效应.国内外的环评研究表明,筛选和评价替代方案是成功实施规划环评的关键[5-6],但是在实践中还存在较大的不足.刘兰岚等[7]通过回顾上海市 2003~2005年间的 24个规划环评典型案例发现,只有不到 21%的案例开展了替代方案分析,且大多只针对某个单一的环境要素.究其原因,我国当前的规划环评在程序上对替代方案不够重视,导致在方法学上仅重视对已有方案(规划方案或零方案)进行预测和评价,忽视对替代方案进行筛选和模拟[8].本文选择系统动力学方法(SD)应对规划的复杂性,并用于替代方案筛选.SD具有应对非线性、高阶次、多重反馈复杂事变系统的能力[9-10].作为一种政策模拟工具,该方法广泛应用于区域发展规划[11-14]、水资源和后随环境管理[15-18]、土地开发[10,19]、区域生态承载力研究[20]等领域的系统分析和决策过程,被认为是解决人口、资源、环境及可持续发展问题的首选方法之一[21].但是在规划环评中的研究和应用相对较少,并主要集中在交通运输[22-24]和矿区开发[25]等领域.

山西省临汾市的环境污染和生态破坏较为严重,对城市居民健康和生态环境安全造成较大威胁.本文结合临汾市转型发展规划,通过系统分析城市经济发展、产业结构、节能减排、环境质量改善等规划要素间的动态反馈关系,构建临汾转型发展规划环评SD模型并对拟议的规划替代方案进行模拟和评价,以此为规划方案的优化调整提供依据.

1 临汾市发展概况与规划替代方案

1.1 城市发展概况

临汾市位于山西省西南部,下辖1区2市14县,常住人口约415万,是我国黄河中游、汾河下游地区的典型资源型城市.临汾市地貌大体呈“凹”字型,两翼山脉,中间是开发利用条件较好的平川,但面积仅占全市总面积 20275km2的19.4%.全市已探明的矿种多达41种,尤以煤、铁资源储量最为丰富,含煤地块占全市总面积的76%,总储量747亿t;铁矿探明储量2.17亿t,占全省的7.1%,尤其是富铁矿,占全省的73%.

依托丰富的煤炭和其它矿产资源,临汾市从传统的农业经济快速转变为资源开采和加工型经济.“十五”末期,临汾地区生产总值及其增速分别达到523.2亿元和15.1%,成为省内仅次于太原的第二经济大市;工业经济迅猛发展,三次产业结构转变为6:64:30,并且形成了“煤、焦、铁、电”四大主导产业,产能分别约为 4500,4536,35815万t和200万kW.4大主导产业对全部工业增加值的贡献比重高达 72%,呈现出“一煤独大”的产业结构特征.

畸重的产业结构造成全市能耗强度和污染物排放量持续居高不下.其中,单位GDP能耗高达4.30tce/万元,约为全国和山西省同期平均水平的3.5和1.5倍;SO2和烟(粉)尘排放分别超过总量控制目标39%和80%.加之生产技术落后、产业布局不合理、环保投入不足等不利因素,使得临汾市污染日益严重[26]. 根据《临汾市环境质量报告书(2001-2005)》,2000年临汾市主城区环境空气质量二级以上天数仅有14d,且自2003年连续3年在全国 113个环境保护重点城市中排名最后;此外,境内主要河流断面均属V类和劣V类,多处水源地水质不达标,工业污水特别是焦化废水不能达标排放,煤矸石和矿渣堆置占用大片耕地并严重污染土壤,环境污染导致的居民健康风险持续加大.可以说,21世纪初的临汾市正处于环境危机边缘.加快发展方式转变、调整产业结构、加强生态环境修复和治理是临汾市摆脱环境危机、实现城市可持续发展的当务之急和必然选择.

1.2 规划目标和替代方案

由于环境污染越来越成为社会经济发展的关键制约,城市经济发展必须与环境保护相协调.本着这种新的认识和发展理念,临汾市转型发展规划的目标被确定为“转变发展方式、加快环境改善、促进发展与保护相协调”,整个城市也被重新定位为“晋西南区域中心城市、国家级旅游城市、文化和宜居城市”.

在新的发展目标和定位下,如何优化调整和合理规划城市的经济发展、产业结构、节能减排、环境治理等关键任务并实现各要素之间的均衡协调,成为了规划编制和环评工作的重点.对此,规划和环评工作组经过多次讨论达成了共识,即“以环境改善目标作为主要约束条件,通过调控工业经济增速换取更大的环境改善空间”,并在此基础上以环境目标对工业增长的约束强度作为主要特征变量初步形成了 4个供进一步论证和评价的规划替代方案(表1).

表1 临汾市转型发展规划环评替代方案Table 1 Alternatives development schemes of city transformation and development of Linfen

2 评价方法和数据来源

2.1 临汾市转型发展规划环评SD模型

图1 经济增长-能源消耗-污染排放子系统因果关系示意Fig.1 Cause-effect relationships among the three subsystems of economic growth, energy consumption and pollution emission

SD基于输入、输出分析和因果分析从系统的微观结构入手建模,通过构建反馈回路对系统行为和功能进行模拟.基本步骤包括:①明确问题,确定系统边界;②开展系统分析;③构建系统流图、编写方程并为参数赋值;④测试模型;⑤政策设计和评估[27-28].

从临汾市发展目标及定位来看,GDP增长速度、经济结构、主导产业比重、环保投入及节能减排等是主要的控制因素,根据其属性可以划分为 3个子系统:经济发展子系统、能源消耗子系统和污染物排放子系统.其中,经济子系统主要变量包括:GDP增长速度及其增长方式如三次产业结构、主导产业比重及其调整方式等;能源消耗子系统和污染物子系统主要变量包括:主导产业规模、能耗/污染物排放强度、节能/减排目标完成情况等.3个子系统中,经济发展起到驱动作用,其增长速度及增长方式是能源消耗和污染物排放强度的主要影响因素,具有规模效应和结构效应[29],即:若经济规模越大,经济结构越偏重,则能源消耗和污染物排放越大;反过来,环境质量改变对经济发展具有明显的反馈作用,例如针对环境污染提出的总量控制政策、环境准入政策、结构调整政策等,都在很大程度上制约了经济的无序扩张;同时,对能源子系统和污染物排放子系统,提高节能减排技术标准既具有技术效应,也能对经济增长起到积极促进作用[29].临汾市3个子系统之间的反馈关系(因果关系)见图1.基于这种因果联系及反馈关系,建立临汾市转型规划环评SD 模型,见图 2.模型时间跨度为 2001~2010年,时间步长为1年;主要方程及参数赋值见表2.

图2 临汾市转型发展规划环评SD模型示意Fig.2 Flow chart of the Linfen PEIA SD model

SD模型流图建立之后,需要进行测试以评价其可用性.SD模型测试主要包括结构测试和行为测试[23],前者以定性为主,分析模型结构是否符合人们对相关系统的认知;系统方程是否遵守基本的物理规律等[30].结构测试一般先由建模者根据个人经验判断,再提交给对真实系统具有直接经验的专家或利益相关方检测[31].本文中,经多次“模拟-纠错-模拟”过程及专家咨询,临汾转型规划环评SD模型结构被认为符合系统逻辑及临汾实际.行为测试以定量为主,分析模拟值与历史观测值的一致性[11,19,32];模型行为对结构和参数变化的灵敏性等[33-34].其中:历史一致性测试可用判定系数 R2和平均相对误差绝对值 MARE表示;敏感性测试主要针对不确定性高的参数,分析其变化对模型状态及输出的影响,用“综合敏感度”表示[33].一般而言,SD模型应具有不敏感性[34].

2.2 主要系统动力学方程及数据来源

根据图1,临汾市转型发展规划环评SD模型包括3个子系统和118个变量及方程,主要方程、参数赋值见表2.水平变量初始值主要来自《临汾市统计年鉴 2002》或《临汾市国民经济和社会发展统计公报(2001)》;表函数数据中2001-2005年数值主要来自《临汾市统计年鉴(2000-2006)》、《临汾市环境质量报告书2001-2005》、《山西省统计年鉴(2000-2006)》、中国国家统计局网站等;2006-2010年数据根据《临汾市国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》趋势外推获得;人口及其它领域能耗/污染物排放参考《临汾统计年鉴》和《临汾市环境质量报告书2001-2005》获取.

表2 临汾市转型发展规划环评SD模型主要方程、参数赋值Table 2 Main functions, parameter assignments and data sources of Linfen PEIA SD model

3 结果与讨论

3.1 模型测试结果

主要分析模型行为的合理性,包括“历史一致性测试”和“敏感性测试”.

历史一致性测试选择 GDP、能源消耗量、SO2排放量、烟(粉)尘排放量4个指标,以模拟值与实际统计值(2001~2005年)相比较.结果显示:R2值 0.801~0.988(见图 3);MARE 值:GDP 为3.9%、能源消耗为9.4%、SO2排放量为2.8%、烟(粉)尘排放量为 6.0%.R2值较大且 MARE<10%[32],模型历史一致性较好.

图3 历史一致性测试结果Fig.3 Results of historical fit test

敏感性测试选取状态变量4个(GDP、EC、SO2、S&D)、待调参数14个,参数调整及模拟结果见图 4.结果显示:各参数变化的敏感度都小于1,表明模型行为对参数变化不敏感,模型输出对参数变化不具有“弹性”[34].

综上,从历史一致性测试和敏感性测试来看,临汾转型发展规划环评 SD模型都能满足要求,因而可用于进一步的模拟分析.

图4 敏感性分析结果Fig.4 Results of sensitivity analysis

3.2 评价结果与讨论

利用临汾转型发展规划SD模型对4个规划替代方案进行模拟.根据规划目标,本次模拟主要讨论 4个指标:人均 GDP(GDPpc)、节能效率指标(cEE)、SO2总量控制目标完成率(cSO2P)和烟粉尘总量控制目标完成率(cS&DP).其中,人均GDP反映经济增长,规划中以翻番为目标;其它3个指标反映环境改善潜力,模拟结果见表3.

表3 替代方案模拟结果(2010年值)Table 3 Simulating results for the alternatives (in 2010)

对比上述模拟结果发现:在经济增长方面,与2005年的人均GDP(12698元/人)相比,4个替代方案分别增长0.95倍、0.75倍、0.62倍和0.48倍,均不能实现人均 GDP翻番目标.由于人口增长比较稳定,要完成目标只能依靠 GDP的增加,即进一步提高GDP增长率,此举必然使能源消耗和污染物排放进一步超标.

在能源消耗和污染物排放方面,无论是能源消耗还是 2种污染物排放,“方案Ⅰ”都超标最多,能耗、SO2排放和烟(粉)尘排放(以下简称“3个指标”)分别超标0.48倍、0.98倍和1.71倍.由于“方案Ⅰ”代表“零规划方案”,表明若继续按2005年的增长模式发展经济,能源消耗和污染物排放都将大大突破控制目标,必然使生态环境进一步恶化.“方案Ⅱ”代表“临汾转型规划”.与“方案Ⅰ”相比,节能减排效果均有大幅提升,但依然有所超标,3个指标分别超标0.09倍、0.23倍和0.18倍,表明还需要对“临汾转型规划”进一步优化;“方案Ⅲ”在节能减排方面都能达标,不足的是人均GDP增幅略低;“方案Ⅳ”节能减排效果最优,但人均GDP也最低.

综合分析认为,4个替代方案中,“方案Ⅲ”更具有优势.该方案能够完全实现既定的节能减排要求,在一定程度上提高了资源环境对社会经济发展的相对承载能力,且并未过分削弱经济增长的水平.据此提出规划优化调整建议,主要包括适当放缓全市GDP尤其是工业产值的增速,GDP增速控制在10%以下;加快淘汰落后产能,近期落后产能淘汰率应达到 85%以上;优化调整产业结构,煤、焦、铁、电四大传统主导产业对工业增加值贡献率降低到50%以下;加大节能减排力度,能源消耗强度降低 30%,SO2和烟(粉)尘排放强度降低 40%;加大环保投入并加快环保基础设施建设,环保投资占GDP的比重达到2.5%以上.

值得注意的是,规划方案在制定和实施的过程中,往往有许多不确定性;而SD方法最主要的功能是对不同子系统之间的动态反馈关系进行分析和模拟[27],因而将SD方法引入城市发展规划环评还需要与不确定性分析相结合.本文主要考虑未来的政策选择路径,通过定义不同环境约束梯度和经济增长梯度来设置规划指标(表 1),在一定程度上反映了规划的不确定性.但要充分的考虑不确定性,还需要更多的理论和方法支持,这是当前规划环评工作的难点之一[35],需要进一步的深入研究.

4 结语

作为典型资源型城市,山西省临汾市正面临转变发展方式和加快环境治理的紧迫要求.依托该转型发展目标,本研究系统分析了经济增长、产业结构、节能减排、环境治理之间的因果联系及反馈关系,在此基础上建立临汾转型发展规划环评SD模型;同时,以环境目标对工业增长的约束强度作为主要特征变量建立从“弱约束”到“强约束”4个替代方案.SD模型模拟显示:在环境目标刚性约束下所有替代方案均不能实现人均 GDP翻番的较高经济增长目标;综合评比下以较强环境约束为特征的“方案III”具有最好的环境与经济综合效果.据此本评价建议从GDP增长速度、落后产能淘汰率、“煤、焦、铁、电”四大传统主导产业占工业比重、能源消耗强度、SO2和烟(粉)尘排放强度及环保投资占 GDP的比重等多个角度对临汾转型发展规划出优化调整,以此全面提高临汾市可持续发展能力.

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An application of system dynamics model into strategic environmental assessment of urban planning: a case study of Linfen city

KUAI Peng1, LI Wei1*, CHENG Gang2, REN Gui-ping3
(1.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2.Shanxi Academy of Environmental Planning, Taiyuan 030024, China;3.Linfen Environmental Protection Bureau, Linfen 041000, China). China Environmental Science, 2014,34(5):1347~1354

Regarding the obvious features of multi-objectives, multi-elements and dynamic interlinks presented by urban complex system of society, economy and environment, the system dynamics (SD) method might be of great potential when applied into planning environmental impact assessment (PEIA) of urban plans due to the good theoretic feasibility and technical advantages. As a typical resource-based city in Shanxi province, Linfen was soliciting an imperative development transition and environmental treatment. Here, based on a comprehensive analysis of key development elements, current problems and driving factors of the city, the dynamic feedback relationships were first screened out among economic development, industrial restructure, energy saving and emission reduction, and environmental improvement. And then, a SD model was built up to simulate and assess the four proposed planning alternatives of urban transformation and development of Linfen. The results showed that if the maximum environmental restrains were employed, all the four alternatives would not be able to fulfill the planned growth targets featured by doubled per capita GDP. If the harder environmental restrains were adopted, the alternative III among the four would produce the best integrative effects on environment and economy of the city. Accordingly, the PEIA recommended the city to ensure the planned environmental improvements by slowing down the economic growth, restructuring the main industries represented by coal, coke and iron productions and power generations, strengthening energy saving and emission reduction, and lifting urban capacity of sustainable development.

urban sustainable development;plan environmental impact assessment;alternatives;system dynamics model;environmental constraints

2013-07-08

中国清洁发展机制基金赠款项目(1213075)

* 责任作者, 教授, weili@bnu.edu.cn

X32

A

1000-6923(2014)05-1347-08

蒯 鹏(1982-),男,湖北随州人,北京师范大学环境学院士研究生,主要从事战略环境评价和生态系统健康评价研究.

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