海洋陆源性污染联防联控机制的SD仿真分析——基于浙江省的经验证据

王方,胡求光

(宁波大学商学院 宁波 315211)

0 引言

改革开放以来,已连续保持40余年高速增长的中国经济,不仅面临陆域资源日渐枯竭的问题,环境污染问题也日趋严峻。向海要资源实现经济向海化,控制污染实现经济绿色化,已经成为中国经济转型发展的重点。在国家海洋战略引导下,海洋经济取得了显著的成绩,2018年中国海洋经济总量达83 415亿元,海洋生产总值占国内生产总值的比例达9.3%①数据引自国家发展和改革委员会、自然资源部发布的《中国海洋经济发展报告2019》.。但粗放型发展也造成了海洋生态环境的损害,加上海洋环境污染具有产权边界不清晰、空间外溢性和复合型特征,对传统的陆海分治模式提出了巨大的挑战。作为中国海洋经济高速增长的典型样本,浙江省首当其冲面临发展经济和保护环境之间的矛盾。为解决这一问题,浙江省出台了一系列关于海洋生态环境防治保护的法规条例,其中最具代表性的是2013年出台的《浙江省近海海域污染防治规划》(以下简称《规划》),《规划》明确提出,针对浙江省海洋生态环境污染问题,实施区域联防联控联治,严格控制陆源污染物的排放总量,加强陆源污染源头控制和净化处理。至此,区域联防联控已成为浙江省防治海洋陆源性污染的重要举措,但该举措在现实层面能否达到控制陆源污染排放,实现海洋生态环境保护的长期目标,其实施成效有待研究检验。

随着生态环境污染治理联防联控机制在实践层面的逐步实施,近年来有不少文献展开对联防联控机制效应的研究,但是目前的研究大多聚焦于该政策对空气污染的效应评估。Wang Hongbo等[1]和Zhang Nannan等[2]通过对PM2.5浓度数据的测算,发现大气污染联防联控计划(JPCAP)能有效地提升地区空气质量。胡宗义等[3]引入“联防联控”政策作为虚拟变量,测算出联防联控政策对空气污染和工业企业发展有正面影响。何伟等[4]通过分析2014—2018年京津冀地区PM2.5和PM10的变化趋势,发现联防联控机制基本实现了改善京津冀空气质量的目标。尽管上述研究已经从某些侧面就联防联控机制对大气污染的治理效应进行了研究,但尚缺乏针对某个区域的异质性研究。

鉴于海洋陆源性污染联防联控机制受多重因素的影响,是一个典型的复杂系统,而系统动力学是以反馈控制理论为基础,能够从系统整体出发分析内外反馈信息、非线性特性和时间延迟影响[5],因此,部分学者利用系统动力学研究开展海洋可持续性发展和海洋生态承载力等问题的研究。盖美等[6]利用系统动力学模型对大连市海洋环境治理方案进行模拟调控,提出海洋治理的合理方案。陈卫东等[7]构建了中国海洋可持续发展的系统动力学模型,将海洋可持续发展系统分为社会子系统、经济子系统、资源和环境子系统,仿真模拟海洋可持续发展的对策。靳超等[8]利用SD模型预测惠州市的海洋生态承载力状况并提出改善措施。上述研究为本研究引入具有高阶次、非线性、多重反馈性的系统动力学模型,构建浙江省海洋陆源性污染联防联控机制系统仿真模型提供了经验借鉴和文献支撑。但上述研究主要集中在单一层面的探讨,未能将海洋环境污染联防联控治理置于整个大气污染治理环境中进行系统性的考察。鉴于此,本研究以上述研究为基础,以2013年浙江省出台的《浙江省近海海域污染防治规划》为基期,将陆源污染与海洋污染纳入同一系统,建立浙江省海洋陆源性污染联防联控机制的系统仿真模型,对该机制产生的长期效应进行仿真模拟分析,揭示该政策对浙江省近海海域治理的运行成效,并对浙江省近海海域生态环境治理提出长期有效的对策建议。

1 研究设计与模型构建

1.1 确定模型边界

浙江省海洋陆源性污染动态仿真模型以浙江省的行政边界为研究系统空间。由于沿海城市海水污染浓度数据统计始于2006年,故设置模型的起始时间为2006年,考虑到政策的实施有一定的滞后效应,本研究确定模型的终止时间为2030年。其中,2017年为现状水平年,2006—2017年为历史统计数据年,2018—2020年(A1)为近期规划水平年,2021—2025年(A2)为中期规划水平年,2025—2030年(A3)为远期规划水平年[9]。为减少步长时间带来的误差,确定模型仿真时间间隔为1年。

1.2 系统构成及因果关系

根据海洋陆源性污染的动态过程以及各要素之间的相关关系,本研究将浙江省海洋陆源性污染系统分为“排放子系统”“控制子系统”和“污染损失子系统”,每个子系统各有特点又彼此联系。

1.2.1 排放子系统

海洋陆源性污染是内生因素和外部控制因素共同作用的结果,而陆域社会经济发展产生的环境负外部性是海洋陆源性污染出现的根本原因[10]。社会经济生产价值主要是通过国民收入实现初次分配,但随着国家经济发展进入“经济增速的换挡期、结构调整的阵痛期、前期反危机成本的消化期”,国民收入再分配开始利用财政、税收等手段对社会各个行业进行投资,带动陆域经济和海洋经济的发展。通过政策的调节,各行各业实现了快速发展,在催生大批工业企业的同时,也产生了更多的工业废水,尤其是沿海地区工业企业废水的排放,更是加剧海洋生态环境的恶化[11]。同时,沿海地区经济高速发展引发的大批人口迁移导致人口聚集,使得居民生活污水排放总量急剧增加。排放子系统相关变量的因果关系见图1。

图1 海洋陆源性污染排放子系统因果关系

1.2.2 控制子系统

海洋环境污染主要来源于陆源污染的排放[12],因此,海洋环境治理联防联控机制应将控制陆源污染排放作为着力点。联防联控机制的系统构成主要包括动力系统、保障系统、激励系统和控制均衡系统等多个子系统,各个子系统共同作用于海洋陆源性污染治理。为了更深入研究联防联控机制的作用机理,本研究选择简单系统①系统学根据组成系统的元素和元素种类的多少以及他们之间关联的复杂程度,将系统分为简单系统和巨系统两大类。简单系统是指组成系统的元素比较少,关系单纯,如某些非生命系统。来自百度百科。,即考虑把海洋陆源性污染联防联控保障系统、引导系统和均衡系统纳入海洋陆源性污染联防联控控制子系统。控制子系统相关机制的变量关系见图2。

图2 海洋陆源性污染控制子系统因果关系

海洋陆源性污染联防联控引导机制是通过排污标准对污染源的排放加以限制、监测和监控[13],规范工业企业污染物的排放行为,引导居民树立环境保护意识,实现标准化排污。联防联控保障机制主要是从联防联控立法健全程度、联合防治监管能力等方面进行考量[14-15],通过构建完善的联防联控立法体系,明确跨区域跨部门的管理权限,规范区域管理部门的联合执法检查工作,提升联防联控的监督监测效率。联防联控均衡机制则是将政府的技术投入和环境治理投资作为主要的资金来源,均衡企业生产投入和政府环境治理投入的关系。尤其是技术投入,对海洋陆源性污染的治理起主导作用,甚至能够弥补产业结构不合理带来的环境负效应[16]。

1.2.3 污染损失子系统

经济发展水平与生态环境之间存在长期的动态关系,无论是“脱钩理论”还是环境库兹涅茨曲线都描绘了不同经济增长阶段和环境污染之间的关系。浙江省作为粗放型经济发展的典型样本,在保持GDP高速增长的同时,工业排污、内陆城市生产生活污染物通过河流转移入海,以及和沿海地区废弃物直排入海等污染问题也随之而来,对海洋生态环境产生极其不良的影响。海洋环境作为典型的“准公共物品”,在使用上缺乏竞争性且不具备排他性,“公地悲剧”[17]和“搭便车”不可避免地出现在海洋生态资源的使用过程中,加剧了海洋环境污染。加之海洋陆源性污染源头区域的划分和污染主体的界定具有复杂性,传统的陆海分治模式面临极大的挑战,由此产生的负面后果最终是由全社会或是沿海区域居民“买单”,承担日益增加的海洋环境治理成本和海洋污染经济损失,最终对GDP产生负面影响。

图3 海洋陆源性污染损失子系统因果关系

综合上述的分析,利用SD仿真软件Vensim绘制出浙江省海洋陆源性污染联防联控机制因果关系图。

1.3 系统流程图分析和方程建立

根据浙江省海洋陆源性污染产生的主要内生因素和外部控制因素,以及对陆源污染系统结构的分析,采用系统动力学软件构建系统流程图。流程图中关键的状态方程、速率方程如表1所示。

表1 海洋陆源性污染系统的状态方程

续表

2 模拟检验

2.1 模型有效性检验

为了验证所建立的模型能否准确地反映实际系统的特征,在仿真模拟之前要进行系统有效性检验。本研究选定2006年为基准年,对比2006—2017年浙江省总人口、GDP和陆源污水排放总量等主要指标的模拟结果和历史统计数据,验证模型的有效性和准确性。本研究采用主要指标参数的相对误差进行分析。

式(1):σ为相对误差;A为历史统计数据;B为模型计算结果。

若σ＜10%,则说明模型是合理的,模型与实际系统的拟合效果比较理想,可以准确地体现系统的未来状态[18]。仿真模型主要参量的模拟值与实际值比较见表2。

表2 SD模型模拟值与历史数据的对比检验

根据检验结果可知,2006—2017年,浙江省总人口、GDP和陆源污水排放总量的仿真值与实际值的误差均在10%以下,仿真值整体变化趋势与历史统计数据基本吻合,说明拟合度良好,指标预测的准确性较高,有效性检验基本通过,可用来进一步预测联防联控机制对浙江省海洋陆源性污染治理的长期效应。

2.2 模型的灵敏度分析

灵敏度分析是分析模型中某些参数在合理范围内调整后,模型输出结果是否有显著的波动,模型行为是否有显著的差异。如有显著差异,那么模型行为对参数在合理范围内变动的反应过于灵敏,该参数无助于对不同政策优劣的评价,在这种情况下,需要准确估计参数,或者重新调整模型结构[19]。

为了测试该模型的灵敏度,本研究主要通过改变浙江省海洋陆源性污染排放子系统中的相关参数来模拟现实情况的发展趋势,假设将人均生活污水排放标准和万元GDP工业废水排放标准分别降低5%,入海陆源废水排放总量曲线将分别由Current变为Current1和Current2(图4)。参数调整之后,尽管入海陆源废水排放总量曲线在振幅上有些许差异,但是曲线的变化趋势基本一致,未出现因条件变化而导致的模拟结果崩溃,说明该模型行为对参数变动的敏感性较低,该模型适用于参数精度不高、参数较多且参数关系复杂的系统预测[20]。

图4 模型参数灵敏度检验

3 仿真情景设定

3.1 情景设定

为探究不同的联防联控机制情景对浙江省海洋陆源性污染和经济发展的影响,设定基准情景(BAU)为2017年浙江省联防联控机制情景,A1-C3为仿真情景。在基准情景中,浙江省联合防治监管能力指标参考中国监督执法考核评议指标体系方案进行取值,联防联控立法健全程度量化值是以浙江省出台的协同治理海洋环境污染法律法规文件数量占浙江省环境保护法律法规文件的比重为准,浙江省海洋生态环境保护的技术投入是根据浙江省历史财政投入数据得出,环境规制程度考量的是浙江省环境治理投资总额占其GDP的比重[21],人均生活污水和万元GDP工业废水排放量是依据浙江省历史数据计算所得。

考虑到浙江省联防联控机制出台的最终目标,排放标准、法律约束日渐严格将成为必然趋势,技术投入和环境治理投资总额也会随之增加,以达到陆源污染减排的目标。因此,在仿真情景设定方面,对方案A,在固定其他参数的情况下,将A1-A3情景下的排放标准分别提高5%,10%和15%。对方案B,将B1-B3情景下的技术投入比例和环境规制程度分别提升5%,10%和15%。对方案C,主要考虑到浙江省立法体系和监督体系逐步完善的现实规律,将C1-C3情景下的联防联控立法健全程度和联合防治监管能力分别提升5%,10%和15%。具体情景设定如表3所示。

表3 浙江省联防联控机制仿真情景设定

3.2 BAU情景——发展趋势预测

发展趋势预测是在原有模型的基础上,保持系统参数不变,得到发展趋势的预测结果[8]。动态仿真结果表明,BAU情景下,浙江省联防联控机制会使入海陆源废水排放总量和入海陆源废水污染经济损失均出现下降,GDP则呈现小幅度上升。2020年、2025年和2030年入海陆源废水排放总量分别下降1.61%、6.22%和14.28%,入海陆源废水经济损失则分别下降0.23%,2.87%和5.43%,GDP上升6.32%,6.38%和6.43%。同时,随着联防联控机制的持续推进,入海陆源废水排放总量和入海陆源废水污染经济损失的下降幅度逐渐增大,表明随着浙江省海洋陆源性污染联防联控系统的运行,联防联控机制对海洋环境和经济的影响日益增大。在此值得注意的是,GDP的变化明显小于入海陆源废水排放总量和入海陆源废水经济损失,而且其增长趋势趋于平稳,可能是浙江省海洋产业产值占浙江省GDP比重相对较低,以及本研究只考虑入海陆源废水污染对浙江省海洋经济的影响,使得联防联控机制引致的经济损失降低对GDP的影响不够显著,但这也说明相较于对陆源废水的减排效果,联防联控机制对浙江省GDP的直接影响较为微弱。

4 联防联控机制仿真情景的比较和分析

4.1 情景A——排放标准

随着A1～A3生活污水和工业废水排放标准的逐步提高,对入海陆源废水减排、GDP的促进作用和对入海陆源废水污染经济损失的抑制作用都会逐渐增大。当生活污水和工业废水排放标准提高5%、10%和15%时,入海陆源废水排放总量在A1、A2、A3这3个阶段分别平均下降2.24%、5.38%、11.44%,入海陆源废水污染经济损失则分别平均下降1.04%、2.45%、4.45%。表明污水排放标准越严格,居民和工业企业分别获得的生活污水排放权和工业废水排放权就越少。从企业生产的层面而言,为了满足生产需求,企业需要承担更多的废水排放成本,而废水排放成本作为生产成本的重要组成部分,根据成本最小化原则,企业在一定程度上会引进先进的污水处理技术和设备,减少废水排放,冲销由于企业废水过度排放引起的外部成本。从居民生活的层面而言,考虑到用水成本提升,居民会提高水资源的重复利用率,实现生活污水的有效减排。两大主要污染源头排污总量的减少,能够有效降低入海陆源废水总量和污染经济损失,进而对GDP的增长起到促进作用。

4.2 情景B——废水净化率

技术投入和环境规制程度在3种不同的提升比例下,都会使入海陆源废水排放总量及污染经济损失保持持续下降的趋势,GDP保持较为平稳的上升趋势。其中入海陆源废水排放总量对技术投入和环境规制程度的变化最为敏感。当技术投入比例分别增加5%、10%和15%时,入海陆源废水排放总量在B1、B2和B3这3个阶段分别平均下降0.73%、5.33%和14.78%,入海陆源废水污染经济损失进入B2和B3阶段后分别平均下降2.51%和6.13%,而且随着技术投入比例和环境规制程度的逐渐提升,对入海陆源废水排放总量以及污染经济损失的积极作用明显增强。这表明政府科技投入的增加,既可以带动浙江省产业结构提档升级,改变传统的高耗能高污染发展模式,从源头上降低陆源污染的排放,又可助推企业进行技术创新成果的研发,从而应用于污染物的净化,提高陆源污染处理效率。相应地,政府环境治理投资总额的增加也为海洋环境污染治理提供了充足的资金保障,并且直接作用于海洋陆源性污染治理。同时,需要注意的是,政府技术投入和环境治理投入总额的增加,一方面可以减少入海陆源废水排放总量,从而降低入海陆源废水治理成本;另一方面也会加重政府在环境治理方面的财政负担,使得入海陆源废水污染经济损失增加,最终造成入海陆源废水污染经济损失的下降幅度远不及入海陆源废水减排幅度。

4.3 情景C——法律约束

法律约束能力的强弱是联防联控立法健全程度和联合防治监管能力的体现。入海陆源废水排放总量以及入海陆源废水污染经济损失在不同程度的法律约束下,下降幅度有明显的差异。当联防联控立法健全程度和联防联治监管能力分别提升5%、10%和15%时,入海陆源废水排放总量在C1、C2和C3阶段分别平均下降0.64%、5.25%和13.3%,入海陆源废水污染经济损失在B2、B3阶段平均下降2.42%和5.42%。并且随着联防联控立法健全程度和联合防治监管能力的逐渐加强,入海陆源废水排放总量和污染经济损失的下降幅度逐渐增大。这说明,联防联控立法体系的日益健全,能够为浙江省海洋陆源性污染治理提供制度保障。通过法律可明确区域管理部门的责任和跨区域联合执法的权力,解决陆源污染防治区域权责不清,海陆污染治理分离的壁垒问题,同时,通过联合防治监管能力机制的建立,可实现浙江省各区域的联合监管和综合性治理,进而从法律层面强化“陆海统筹、协同治理”的治理思路。

通过对比BAU情景和情景A、B、C发现,提高人均生活污水和万元GDP工业废水排放标准、增加技术投入比例和环境规制程度以及加强联防联控立法健全程度和联合防治监管能力相较于保持联防联控措施的实施现状(BAU情景),更有助于促进入海陆源废水的减排,且技术投入和环境规制的调整(情景B1～B3)最能改善浙江省海洋陆源性污染现状。

5 结语

5.1 结论

通过梳理浙江省海洋陆源性污染排放子系统、控制子系统以及污染损失子系统之间的关联机制,本研究构建了浙江省海洋陆源性污染联防联控机制的动态仿真模型,以降低浙江省入海陆源污染的排放、改善浙江省沿海地区生态为主要目标,设计了3种仿真情景。根据模型的仿真模拟结果,本研究得出以下结论。

(1)从有效性检验和敏感性检验来看,该系统模型的实际拟合效果较好,模型有效且具有良好的稳定性,能够有效模拟浙江省海洋陆源性污染联防联控机制的现实情景。

(2)从BAU情景发展趋势的预测结果来看,联防联控机制将有效减少浙江省入海陆源废水的排放,但是对浙江省GDP的影响较为微弱。

(3)从仿真情景的对比分析来看,相较于保持2017年参数不变情况下的发展趋势预测结果,提高排污标准、技术投入、环境治理投资总额、联防联控立法健全程度和联合防治监管能力等联防联控三大机制的实施强度能更有效地降低浙江省入海陆源废水排放和入海陆源废水经济损失。其中,技术投入和环境治理投资等均衡机制对海洋陆源性污染治理的效果最为明显。

5.2 建议

基于联防联控机制仿真情景的动态模拟结果,综合考虑标准引导、政府投入均衡和法律保障等方面,提出促进浙江省海洋陆源性污染治理的政策建议。

(1)制定更加严格的排污标准,控制陆源污染源头。从陆源污染联防联控综合治理的角度出发,要重点整治城市生活污水、工业废水以及农村乡镇污水的排放,提升污染源头治理的效率。对城市生活污水的治理,应该着重改善沿海城市的环境质量,制定更为严格的生活污水排放标准和城市居民居住环境综合治理考核制度,引导居民树立利益共同体意识和水资源循环利用的环境意识,尤其是要重点对待沿海主要海域功能区的污水排放达标问题,保证其达到合格的环境排污标准。对工业废水的治理,则是通过严格的排污标准限制企业的废水排放以及迫使企业引进先进的污水处理技术,降低入海废水中的污染要素含量。针对农村、乡镇污水的排放和处理,需要加强该地区污水处理厂的建设以及相应排污标准的出台。

(2)拓宽环境治理投资和技术投入的支持渠道,提高陆源污染物净化效率。一是可以发展新的融资平台,对地区工业企业实行污染治理“奖罚”制度,鼓励企业增加污染治理的资金投入,也可对居民收取相应的生活污水排污费用,改变政府作为陆源污染治理资金投入的单一来源的现状,拓宽海洋环境治理的融资渠道。二是政府作为陆源性污染治理的主导者,要继续增加技术投资占比,尤其对环保科研相关产业的投资,弥补外部性给科技创新企业带来的外溢损失,鼓励企业加强末端污染处理和净化技术的研发。

(3)完善联防联控立法,加强联合防治监管能力,强化法律的约束力。一是通过联防联控立法规定跨区域管理部门的管理权和执法权力、区域排放标准和监测标准以及相应的区域联防联控治理措施,为海洋陆源性污染联防联控防治提供制度保障;二是协同地方政府,开展跨区域的陆源性污染协同监测、统一评估和联合执法监管工作,改变立法部门和区域环境监管部门“分散化”“碎片化”的“末端监管”模式,建立陆源污染从源头控制到末端监管的跨区域联合防治体系。

本研究是基于现实数据构建浙江省海洋陆源性污染联防联控机制的系统仿真模型,相关结论和建议对海洋陆源性污染有一定的参考价值。当然,海洋陆源性污染的影响因素和污染源头远比本研究已揭示的复杂得多,尤其是本研究基于构建污染总量模型的便利性和数据的可获得性,尚未考虑到农村生活污水、畜禽养殖污染等陆源污染源,这也是未来研究需要考虑的因素。