城市交通低碳发展策略的系统动力学分析——基于土地利用视角

钟　伟　丁永波　金凤花

1(吉林财经大学，长春　130117)　2(吉林大学，长春　130025)3(上海电机学院，上海　201306)



城市交通低碳发展策略的系统动力学分析
——基于土地利用视角

钟伟1，2丁永波1金凤花3

1(吉林财经大学，长春130117)2(吉林大学，长春130025)3(上海电机学院，上海201306)

〔摘要〕随着城市环境的恶化，城市低碳交通建设迫在眉睫。本文从土地利用角度构建城市交通碳排放与土地利用的系统动力学模型，得出城市交通低碳发展的两种策略，并以长春市为例，对两种策略方案进行了仿真分析。结果表明，提高土地利用强度和增大土地混合利用程度均能使交通碳排放减少，而且增加土地多样性程度的实施效果要优于土地利用强度的提高。

〔关键词〕低碳交通土地利用土地利用强度土地多样性程度系统动力学

城市交通是城市经济发展的基础，它在给人和物流动提供载体、推动城市进步的同时，也引发了大气污染、交通拥堵等负面影响。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告，全球温室气体排放中，城市交通占14%，是仅次于能源供应、工业生产和土地利用的排放部门[1]。因此，减少城市交通能源排放，探索城市低碳交通策略，是低碳城市实现的必然选择。

低碳交通是一种新的交通发展理念，许多学者对其作了概念的界定，其中尤以宿凤鸣[2]的定义更全面，他认为低碳交通是以运输效率的提升、运输结构的优化、运输组织的创新、交通需求的调控等为目标，实现资源节约、碳排放的减少以及交通领域的全周期全产业链的低碳发展。从国内外发展来看，低碳城市交通的实现可以通过合理规划城市交通与土地利用，从源头上控制交通需求；可以通过使用新能源、新技术，减少交通碳排放；可以通过消费引导，使旅客和货物由高碳排放交通方式向低碳排放交通方式转移；也可以通过政策和制度的制定，规范碳排放标准，使减碳“由软变硬”[3]。其中，土地利用结构是影响城市低碳交通发展的重要因素[4]，所以论文以此为切入点，研究低碳交通结构性减碳的具体实施措施。

从土地利用角度探讨减少交通碳排放的研究国内外都很少。Poudenx(2008)研究通过控制土地使用的发展减少碳排放[5]；Taniguchi(2010)则主张从交通规划、城市设计和地理环境一体化角度进行低碳社会的构建[6]；Nakamura和Hayashi(2013)则把控制土地使用，构建紧凑城市作为减少碳排放的一个措施[7]；Golob(2009)的研究表明居民居住密度和车辆能源消耗成反方向变化[8]；Glaeser和Kahn(2010)则证明了人口密度比较大的城市碳排放越少[9]。国外的研究更多是把土地使用作为碳排放减少的一个手段，而且是从定性角度提出的，对土地利用和碳排放的关系虽然有定量的研究，却没有专门针对交通碳排放的探讨。而国内学者大多是将城市土地的合理规划和利用作为实现低碳交通的一个途径，定性的提出相关对策建议，专门针对土地利用与交通碳排放的研究很少。因此，论文从量着手，运用系统动力学方法探讨土地利用对交通碳排放的影响，并以长春市为例，从土地利用角度分析交通碳排放减少的发展策略。

1系统动力学模型构建

系统动力学是融控制理论、系统理论、信息理论和计算机仿真技术于一体的交叉新学科[10]。1956年，美国麻省理工学院的福雷斯特(Jay W.Forrester)教授推出系统动力学之后，随着其研究范围的不断扩大，系统动力学在很多领域得到了应用，尤其在分析解决社会、经济和生态等一类非线性复杂大系统的问题时突显出更大的优越性。

系统动力学是从系统内部的微观结构出发，在把握系统内部结构、参数及总体功能的前提下，分析系统的特征与行为[11]。它是用回路描述系统结构框架，用因果关系图和流图描述系统要素之间的逻辑关系，用方程描述系统要素之间的数量关系，用专门的仿真软件进行模拟分析[12，13]。

1.1系统因果关系分析

城市交通碳排放与土地利用之间有着复杂的因果反馈关系，如图1所示。在城市交通碳排放与土地利用的因果关系图中，城市人口数的增长，带来居民出行总量的增加，继而产生大量交通碳排放，导致环境污染加重，倡导低碳出行、减少碳排放的要求迫切。因此，一方面通过提高土地利用的多样性，减小出行距离，以减少小汽车出行量，降低碳排放，构成一个负因果回路；另一方面，加大土地利用强度，提高公共交通出行比例，增加公交出行量，减少小汽车出行，从而降低碳排放，构成一个负因果回路。

1.2系统关系流图

根据城市交通碳排放与土地利用的因果关系图，用vensim软件得到系统各变量之间的流图，如图2所示。在系统关系流图中，城市总人口、常规公交客运总量、轨道交通客运总量和小汽车客运总量为状态变量。城市总人口受到迁入速率、迁出速率和自然增长率的影响；而迁入速率受到城市人均收入的影响，迁出速率受到交通碳排放的影响。常规公交客运总量和轨道交通客运总量均受到土地利用强度的影响，小汽车拥有量受到居民出行总量和人均收入的影响；而居民出行总量受到城市总人口和人均出行次数的影响。土地多样性程度影响小汽车出行距离，从而影响小汽车碳排放。为了减少城市交通碳排放，各个国家和地区都采取了一些措施，如前所述，结构性减碳就是其中对策之一。通过提高土地利用强度和土地混合布局来增加公共交通出行量，减少小汽车出行量，从而减少交通碳排放。

图1　城市交通碳排放与土地利用的因果关系图

1.3系统动力学方程及参数的确定

为了验证构建模型的有效性并进行仿真，需要对模型中的状态变量方程、参数、表函数等进行初始值赋值。根据因果关系图、系统关系流图，通过趋势外推法、回归分析法等确定模型的一些方程和参数如下：

城市总人口=INTEG(迁入速率+自然增长速率-迁出速率，人口初始量)，万人

迁入速率=-1.448×人均收入+8.861

迁出速率=0.079×交通碳排放-8.062

自然增长速率用表函数表示：

[(2009，-1)-(2020，5)]，(2009，1.9383)，(2010，2.975)，(2011，1.5395)，(2012，-0.7768)，(2013，1.8554)，(2015，2.2536)，(2020，3.6642)

居民出行总量=城市总人口×人均出行次数，万人次

常规公交客运总量=INTEG(常规公交客运量增加速率，常规公交客运量初始量)，万人次

图2　城市交通碳排放与土地利用的系统关系流图

常规公交客运量增加速率用表函数表示：

[(0.2，-15000)-(1，15000)]，(0.97863，-5274)，(0.92149，9103)，(0.89601，-6358)，(0.88124，9117)，(0.85701，2286)，(0.79348，3277.89)，(0.65174，90.8851)

轨道交通客运量增加速率用表函数表示：

[(0.2，-100)-(1，1500)]，(0.97863，279)，(0.92149，682)，(0.89601，942)，(0.88124，1058.4)，(0.85701，1031)，(0.79348，920.184)，(0.65174，113.559)

小汽车增加速率=0.254×居民出行总量-530.427×人均收入-76221.6

常规公交碳排放量=常规公交客运总量×常规公交碳排放折算系数×常规公交平均出行距离，万吨

轨道交通碳排放量=轨道交通客运总量×轨道交通碳排放折算系数×轨道交通平均出行距离，万吨

小汽车碳排放量=小汽车客运总量×小汽车碳排放折算系数×小汽车平均出行距离，万吨

交通碳排放量=常规公交碳排放量+轨道交通碳排放量+小汽车碳排放量

土地利用强度用土地利用人口密度表示，它与城市总人口和建设用地面积有关，依据文献[14]，根据历年数据确定土地利用强度的值。

土地多样性程度用土地多样性指数表示，土地多样性指数与各种性质土地用地面积有关，依据文献[14]，根据历年的情况确定土地多样性指数的值。

人均收入、土地利用强度和土地多样性指数用趋势外推法获得；人均出行次数、各种方式的平均出行距离根据长春市居民出行调查获得；各种方式的碳排放折算系数依据文献[1]和实际情况获得。

2模型仿真和实证分析——以长春市为例

近几年，随着城市化和机动化进程的加快，长春市机动车保有量迅速增长，尤其是私人小汽车拥有量更是以年均24.2%的速度增加，这使得城市道路拥堵严重，城市环境不断恶化。为此，长春市采取了新建交通设施、道路限行、开通公交专用车道等措施以缓解问题恶化，但效果不明显。从合理规划土地用地，使交通与土地利用相协调，以减少小汽车出行量、增加公共交通出行量、减小居民出行距离才是解决问题的根本措施。

2.1数据来源和模型检验

数据主要来源于《长春统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《吉林统计年鉴》、长春市居民出行实地调查等。

选取2009～2013年数据进行历史检验，以城市总人口、常规公交客运量和小汽车客运量作为检验变量，比较模型运行得到的仿真值和实际数据，如表1所示。从表1看出，除2010年常规公交客运量的误差较大以外，其它各仿真值的相对误差均在10%范围内，说明模型的拟合程度较高，能较真实反映土地利用和城市交通碳排放之间的关系，可以用于模拟和预测。

表1　部分状态变量的仿真值和实际值对比

2.2模型仿真运行：策略分析

结合图1可以看出从土地利用角度减少交通碳排放的策略主要有两个：一个是提高土地利用强度，一个是增大土地混合利用程度。为此，论文拟设计两种降低交通碳排放的策略。以2009年的数据作为状态变量初始值，模型的仿真时间为2009～2020年，时间间隔DT=1。

2.2.1策略一：提高土地利用强度

土地利用强度用单位面积上的人口数反映，土地利用强度大，说明人口比较集中，有利于公共交通的发展。公共交通发展得快，对人们出行吸引力就更强，小汽车出行量就会减少，交通碳排放也相应会减少。因此，降低交通碳排放的策略之一就是尽可能增大区域人口密度，提高土地利用强度。假设土地利用强度提高5%，土地多样性程度不变，交通碳排放的变化情况如图3和表2所示。图4表示土地利用强度与常规公交碳排放和轨道交通碳排放的关系。

图3　土地利用强度提高前后总交通碳排放对比

万吨

图4　土地利用强度与常规公交碳排放、轨道交通碳排放的关系

从模型运行结果图3和表2来看，土地利用强度的增加使交通碳排放有一定程度的减少，虽然降低幅度并不大，大约在-0.25%左右，但是可以看出土地利用强度对交通碳排放会产生一定影响。同时，图4显示，长春市土地利用强度呈现减小的趋势，这会对公共交通的发展产生一定的阻碍。因此，常规公交和轨道交通的碳排放量虽然在增长，但增长速度很缓慢，明显缓于土地利用强度减少的趋势。综合分析，可以适当提高城市土地利用强度，以增加公共交通的运输量，降低交通碳排放。

目前，长春市已经将政府、大部分办公部门迁移到三环以外，但随之而来的就是大规模、长距离的小汽车出行，而且郊区化居住区的形成更加重了碳排放。因此，根据模型分析，应适当增加新建中心区的人口密度，构建功能高度集中的城市中心，以减少对小汽车的依赖，转向公共交通，减少交通碳排放。

2.2.2策略二：增大土地混合利用程度

土地多样性程度用土地多样性指数表示，土地多样性指数大，说明各种类型土地混合利用程度高，有利于减少人们出行距离，特别是小汽车的长距离出行，同时也减少了对小汽车的依赖，相应地，交通碳排放也得到了降低。因此，降低交通碳排放的策略之二就是尽可能集约利用土地，减小出行距离。假设土地多样性指数增加5%，土地利用强度不变，交通碳排放的变化情况如图5和表3所示。图6表示土地多样性程度和小汽车碳排放的关系。

图5　土地多样性程度提高前后总交通碳排放对比

万吨

图6　土地多样性程度与小汽车碳排放的关系

从模型运行结果图5来看，土地多样性程度增加，交通碳排放减少，而且减少幅度很大，如表3，说明土地混合利用程度对交通碳排放影响较大，通过增加土地多样性降低碳排放要比增加土地利用强度降低碳排放更有效。而且，图6显示，长春市土地混合利用程度先高后低，使得人们出行距离先减小后增加，从而带来小汽车碳排放量的先减少再增多。因此，综合分析，可以加大城市土地混合利用程度，构建集约式社区，在居住用地周围配套建设工作、购物、娱乐、医疗、学校等设施，使居民出行距离控制在自行车或步行可达范围内，即使选择小汽车出行，距离也相对较短[15]，以此减小出行距离，减少小汽车碳排放量，从而控制交通碳排放。

3结论

城市交通低碳发展可以从多方面、多角度实现，从土地利用角度减少交通碳排放是有效措施之一。论文通过构建土地利用与交通碳排放的系统动力学模型，对降低交通碳排放的两个策略进行了仿真分析。从运行结果可以看出，增大土地混合利用程度的效果要优于提高土地利用强度，主要是因为过多增加土地利用强度会使人口过分密集，带来城市拥堵，加大交通碳排放，所以应偏重提高土地多样性程度，适当增加土地利用强度。土地利用包含诸多因素，从更多土地利用因素探讨减少交通碳排放的策略是今后要进一步研究的内容。

参考文献

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[2]宿凤鸣.低碳交通的概念和实现途径[J].综合运输，2010，(5)：13～17

[3]李振宇，江玉林，陈徐梅.低碳城市交通发展模式的实现途径和政策建议[C].经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第一卷)，2010

[4]牛雄，麦贤敏.借鉴国际经验发展我国城市低碳交通(上)[N].中国经济时报，2013-01-01，(5)

[5]Poudenx P.The Effect of Transportation Policies on Energy Consumption and Greenhouse Gas Emission from Urban Passenger Transportation[J].Transportation Research Part A：Policy and Practice，2008，42(6)：901～909

[6]Taniguchi M，Kodama K，Fujii T.Urban Planning Guidelines for a Low Carbon Society：Focus on Urban Transport[C].Urban Transport XVI:Urban Transport and the Environment in the 21stCentury，2010，111：149～155

[7]Nakamura K，Hayashi Y.Strategies and Instruments for Low-carbon Urban Transport：An International Review on Trends and Effects[J].Transport Policy，2013，29：264～274

[8]Brownstone D，Golob T F.The Impact of Residential Density on Vehicle Usage and Energy Consumption[J].Journal of Urban Economics，2009，65(1)：91～98

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[10]王其藩.系统动力学的方法论及其发展展望[J].未来与发展，1984，(8)：55～58

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[12]段世霞，谢芳．基于系统动力学的城市轨道交通PPP项目价格影响因素研究[J]．工业技术经济，2014，(7)：117～122

[13]李旭.社会系统动力学：政策研究的原理、方法和应用[M].上海：复旦大学出版社，2006

[14]彭沙沙.基于GIS的城市交通与土地利用协调研究[D].长沙：中南大学，2011

[15]陆键.当代世界城市低碳本位的交通战略[J].城市管理，2011，(1)：47～51

(责任编辑：王平)

Analysis on Low-Carbon Development Strategies of Urban Transport with System Dynamics——Based on Land Use

Zhong Wei1，2Ding Yongbo1Jin Fenghua3

(1．Jilin University of Finance and Economics，Changchun 130117，China； 2．Jilin University，Changchun 130025，China；3．Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China)

〔Abstract〕With the deterioration of urban environment,construction of urban low-carbon transportation is imminent.From the perspective of land use,a system dynamics model of carbon emissions and land use is proposed,and two development strategies of urban low-carbon transportation are obtained.Taking Changchun as an example,simulation is made on the two strategies.Results indicate that increase of land-use diversity and increase of land-use intensity are advantageous to the reduction of carbon emission.Furthermore,the effect of the former is superior to the latter.

〔Key words〕low-carbon transport;land-use;intensity of land-use;diversity of land-use;system dynamics

收稿日期：2015—12—19

基金项目：吉林省教育厅社科规划项目“低碳型城市交通与土地利用的耦合发展模式研究——以长春市为例”(项目编号：2014154)。

作者简介：钟伟，吉林财经大学亚泰工商管理学院讲师，吉林大学交通学院在读博士研究生。研究方向：运输规划与管理、物流系统规划与设计。丁永波，吉林财经大学亚泰工商管理学院教授，硕士生导师。研究方向：区域创新管理。金凤花，上海电机学院商学院副教授，博士。研究方向：区域发展管理、物流与供应链管理。

DOI：10．3969/j．issn．1004-910X．2016．06．016

〔中图分类号〕F294.3

〔文献标识码〕A