资源环境约束下山东省高质量发展模式情景模拟

张 馨 朱晓伟 秦晓敏 张宝雷

( 1)山东师范大学地理与环境学院, 250358，济南; 2)山东省土地储备中心,250014，济南; 3)山东省土地调查规划院,250014，济南 )

1 引 言

资源环境约束下区域经济社会发展是一个古老而崭新的课题.我国经过40年的高速增长，国家现代化发展面临着来自资源环境保障方面越来越大的压力[1].山东省是我国的缩影，山东省作为中国经济大省、工业大省、人口大省，拥有优越的资源环境基础，然而，山东省资源环境总损失占GDP的比重为9.28%，属于资源环境成本高投入省份[2].为了缓解资源环境的压力，山东省面临着发展速度的选择.习近平总书记在山东考察时，提出了“扎实推动高质量发展”的要求.对此，山东省经济社会高质量发展需要在资源环境的约束下，寻找最适宜的经济增长速度和转型发展模式.

关于发展与资源环境的研究一直是地理学界关注的热点之一[3]，从早期基于因果关系定量评价[4]、到计量地理学藕合协同发展论[5]，再到经济增长与资源环境要素相互作用关系模拟[6]，都取得了大量成果.当前，较为流行的方法有物质流分析方法和生态足迹法[7]、神经网络模型[8]、信息熵[9]、 层次分析法[10]等.然而，这些方法将区域经济社会发展与资源环境要素割裂，忽略了要素之间的相互影响和反馈.系统动力学以控制论为基础，并通过计算机模拟分析要素间相互作用下的系统状态变化趋势，适合于定量研究复杂系统随时间变化的问题[11,12]，近年来被广泛应用到区域发展研究中.蒯鹏等人[13]以山西省临汾市为例，构建了包括经济、能源、污染物排放三个子系统的城市可持续发展系统动力学模型，模拟了节能减排对可持续发展的影响；孙玉环等人[14]以大连市为例，从经济、社会、自然三方面出发，同时引入科技和教育系统，分析人类主体在可持续发展中的影响；牛方曲等人[15]从人口、资源、环境、经济、水资源、土地利用等模块，研究影响乃至决定中国经济增长的资源环境支撑系统以及建立在这之上的发展模式，对中国资源环境状态和发展状态做出预警.纵观应用系统动力学模型进行的城市发展的研究，以城市可持续发展研究的内容较多，资源环境对经济社会约束没有进行量化估计，不同时期合理的经济增长速度关注较少.鉴于此，利用Vensim DSS软件构建山东省资源环境约束下的系统动力学发展模型，仿真模拟2019-2030年期间不同发展速度下的人口、社会经济、环境、土地利用、资源的发展变化趋势，并试图找出适宜山东省经济高质量发展的经济增长速度和发展模式.

2 研究方法

2.1 模型及数据 系统动力学模型(System Dynamics, SD)适合于模拟真实世界非线性变化过程[11,12]，资源环境与经济发展正是一个相互影响相互作用的非线性变化系统.因此，本文构建山东省资源环境约束下的系统动力学发展模型，模拟山东省社会经济与资源环境要素的相互作用过程，探索适宜的发展速度和发展模式.模型以2019年为基年，逐年预测直至2030年的情况，其中2013-2018年为模型运行和实际情况的检验年限，以此可确定相关参数；2019-2030年为系统仿真的预测年限，模型仿真步长为1年；软件平台采用Vensim DSS.本研究的数据主要来源于《中国统计年鉴》《山东省统计年鉴》和《山东省国民经济和社会发展统计公报》.

2.2山东省资源环境约束下的系统动力学发展模型构建社会经济系统范畴很广，包括资源承载力系统、可持续发展系统、区域产业系统等耦合系统[16].程叶青等人[17]将该模型的边界进一步具体化，将系统设定为人口、资源、环境、经济子系统的组合.由于水资源和土地资源是资源的基础，因此本研究在已有研究的基础上，借鉴牛方曲和孙东琪设定的系统动力学(System Dynamics，SD)模型[15]，考虑数据的可获得性、可操作性及代表性等原则，本文确立了人口、经济、土地资源、水资源及环境这五个子系统，其中人口和经济为输入子系统，而土地资源、水资源、环境则作为输出子系统，用于考察目标的表现形式(图1所示).

图1 高质量发展系统的理论模型

1) 人口子系统用来模拟合理的人口数量与结构.人口对其他四个子系统都能产生一定影响，这种关系主要体现在：人口子系统可以通过改变产业结构来影响经济子系统；人口子系统可以通过改变人口数量和结构来影响生活需水量，进而影响水资源子系统；城镇人口的增加导致建设用地的增加，从而影响土地资源子系统；人口子系统通过影响生活用水量，进一步影响生活化学需氧量排放量，从而影响环境子系统.本文采用2013-2018年山东省统计年鉴的数据对2019-2030年人口进行预测，同时根据山东省规划用WITH LOOKUP函数将2025年城镇化率设为65%,2030年城镇化率设为75%,剩余年份用WITH LOOKUP函数插值求得，如公式(1)所示.

Urbanizationrate=WITHLOOKUP(Time([(0,0)-(4 000,6 000)],
((2013,0.537 522),(2015,0.57 011),(2020,0.65),(2030,0.75))

(1)

式中urbanizationrate是城镇化率.

2) 经济子系统主要模拟在资源环境的约束下GDP的增长和产业结构的变迁.经济子系统的主要变量有GDP增加率、GDP增加量、GDP、第三产业增加值、工业总产值等，其中工业总产值是联系经济子系统和环境子系统的重要变量，工业总产值的增加会导致工业化学需氧量排放量增加，从而影响环境系统；工业总产值和第三产业增加值是联系经济子系统和土地资源子系统的重要变量，工业总产值和第三产业增加值的增加使产业用地增加，影响土地资源子系统；第一产业增加量和工业总产值通过影响生产用水量来影响水资源子系统.根据2013年GDP增长量55 911.86 亿元和GDP增长率可计算出GDP，如公式(2)所示.

GDP=INTEG(ΔGDP，55 911.86)，

(2)

式中ΔGDP是GDP增长量.

3) 土地资源子系统用于模拟建设用地变化增长过程.2018年城市建设用地面积为2 919 396 hm2，包括居住用地、工业用地、第三产业用地，GDP的增长速度和人口的增加可以增大建设用地面积，从而影响土地资源系统.结合产业GDP和人口可计算得出各类建设用地强度：工业用地强度为0.00 037 hm2/万元、第三产业用地强度为 0.00 012 hm2/万元、居住用地强度20.87 hm2/万人，据此可计算出产业发展和人口增长所需的用地增量，如公式(5)所示.

ΔLandc=ΔGPSs×0.000 37+ΔGDPt×0.000 12+ΔUrbanpop×20.87.

(3)

式中ΔLandc为新增产业和居住用地总量；ΔGPSs、ΔGDPt分别为工业总产值、第三产业增加值增量；ΔUrbanpop为城市人口增量.居住和产业用地的不断增长，但总量不能超过剩余规划建设用地总量.

4) 水资源子系统用于模拟山东省用水总量的变化，包括生产用水、生活用水和生态用水，总人口数量和结构的变化影响生活用水量，而第一产业增加值和工业总产值影响生产用水量.万元工业产值耗水量稳定，取2013-2018年平均值0.001 106 万m3作为其定值.生态用水取2013-2018年均值81 683 万m3，城镇人均生活用水0.004 万m3，农村人均生活用水0.002 8万m3.据此可计算出山东省用水总量，如公式(4)所示.为保证水资源不枯竭，用水总量不得超过水资源总量的30%[18].

w=popurban*0.004+poprural*0.002 8+GDPpri*wpri+GDPindustry* 0.001 106+81 683.

(4)

式中w是用水总量；popurban是城镇人口；poprural是农村人口；GDPpri是第一产业增加值；wpri是万元第一产业增加值耗水量；GDPindustry是工业总产值.

5) 生态环境子系统.生态环境子系统用于模拟水环境质量的变化过程.水环境质量受很多因素影响，本文采用化学需氧量排放量描述水环境质量随经济发展的变化过程.化学需氧量排放量由生活化学需氧量排放量、工业化学需氧量排放量和其他化学需氧量排放量组成，其中总人口通过影响生活用水量进而影响生活化学需氧量排放量，经济子系统通过工业总产值进而对工业化学需氧量排放量产生影响，根据经济、生活用水量和化学需氧量排放数据可以得出生活化学需氧量排放强度：万立方米生活用水化学需氧量排放量1.1 938×104t，从而可以求出化学需氧量排放总量，如公式(5)所示.根据地表水环境质量标准(Ⅰ类、Ⅱ类水COD容量≤ 15 mg/L)可计算得出山东省水资源化学需氧量总容量,为保持水环境质量，化学需氧量排放总量不能超过水环境总容量的上限.

COD=wlife*1.193 8+GDPindustry*CODindustry+CODother.

(5)

式中COD是化学需氧量排放总量；wlife是生活用水总量；CODindustry是万元工业产值化学需氧量排放量；CODother是其他化学需氧量排放量.

6) 子系统的集成.将上述各个模块集成，建立系统动力学模型，如图2所示.该模型输入参数，包括人口、GDP、产业结构、化学需氧量排放总量，GDP增长率，城镇化率及其他的调控参数，输出是未来各个年份的剩余建设用地，剩余水资源量，剩余环境容量，在剩余建设用地，剩余水资源量，剩余环境容量的约束下，根据发展目标调整调控参数，求解出最佳的发展速度和发展模式.

模型以2019为基年，逐年预测未来情况直至2030年，其中2013-2018年为模型运行和实际情况的检验年限，以此可确定相关参数；2019-2030年为系统仿真的预测年限，模型仿真步长为1年.开发平台采用 Vensim DSS.数据主要来源于《中国统计年鉴》《山东省统计年鉴》和《山东省国民经济和社会发展统计公报》.模型将2013年的价格视为基期，将各年的GDP数据进行换算以剔除价格因素变动的影响.

图2 高质量发展系统动力学模型

3 情景设置与结果分析

3.1山东省经济高质量发展情景设置本文设定城市高质量发展标准：资源环境支撑系统良好、高收入、现代化.根据山东省规划，本文设定的现代化发展标准为75%以上的城市化率和60%以上三产占比.

情景一，本情景用于求解在现有的技术水平下，且资源环境不超载，可采取的最大GDP增长率.即在保持万元工业产值化学需氧量排放量，万元第一产业增加值耗水量不变的前提下，且资源环境不超载，这里的资源环境不超载指的是剩余建设用地面积大于零，剩余环境容量大于零，剩余水资源总量超过水资源总量的30%，为实现山东省高质量发展，可采取的最大发展速度.

情景二，本情景用于求解在科技高速发展的情况下，且资源环境不超载，可采取的最大GDP增长率.科技的发展可以提高资源的利用，改善污染的排放，这里选择两个受科技影响变化大的变量，即改变万元工业产值化学需氧量排放量和万元第一产业增加值耗水量，其他变量由科技的发展引起的变化并不明显，故不考虑.参照山东省历年来的万元第一产业增加值耗水量变化值，选取最乐观的下降速度，即年均下降8.2%，在2030年下降为86 m3，同理可得万元工业产值化学需氧量排放量最乐观的下降速度为17.4%，在2030年下降为0.195 t.

情景三，本情景用于求解在合理的科技发展情况下，且资源环境不超载，可采取的最大GDP增长率.即适当改变万元工业产值化学需氧量排放量和万元第一产业增加值耗水量，参照山东省历年来的万元工业产值化学需氧量排放量和万元第一产业增加值耗水量，选取平均下降速度，分别年均下降14%和7.8%，在2030年万元第一产业增加值耗水量下降为91 m3，万元工业产值化学需氧量排放量下降为0.33 t.

3.2 结果分析

表1 2013-2017年山东省高质量发展模型真实性检验结果

3.2.1 模型有效性检验 本文对模型先后进行了直观检验、稳定性检验、灵敏度检验和历史性检验.由于篇幅有限，因而本文主要介绍模型的历史性检验.本文通过对化学需氧量排放量、总需水量、建设用地量进行检验，检验初始时间为2013年，终止时间为2017年，各变量的检验结果见表1所列，历史值与仿真值也存在相同的变化趋势，且误差不超过5%，表明模型拟合度较高，模型能较准确地反映实际研究的系统状况，因而可以进行下一阶段的仿真.

3.2.2 山东省高质量发展情景分析 情景一，在现有的技术水平下，建设用地需求呈线性增加，到2025年和2030年分别达到3 153 340 hm2和3 322 510 hm2；为三种情景中建设用地需求最小；水资源总需求量呈现下降的趋势，到2025年和2030年总需水量为252和286亿m3，为三种情景中最大；化学需氧量排放量呈上升趋势，到2025年和2030年分别达到 55.8和58.6亿t，为三种情景中最大.可见，在现有技术水平下水资源的供给和污染物排放量成为制约山东省高质量发展的决定性因素.在该情境下，为保持在2030年资源环境不超载，山东省可采取的最大GDP增长率是3.2%，在该增长速度条件下，2030年山东省的GDP将达到115 142 亿元，并未达到山东省规划的2030年地区生产总值150 000 亿元的目标.

图3 山东省高质量发展系统动力学仿真结果

情景二，山东省在科技高速发展的水平下，建设用地需求呈线性增加，到2025年和2030年分别达到3 206 750 hm2和3 448 800 hm2，在三种情景中建设用地需求最大；水资源总需求量呈现下降的趋势，到2025年和2030年总需水量为206和185亿m3；化学需氧量排放量呈下降趋势，到2025年和2030年分别达到52.2和51.7亿t，为三种情景中最小.在该情景下，为保持资源环境不超载，可采取的最大GDP增长率是5.4%，在此增长速度的条件下，2030年山东省的GDP将达到145213亿元，接近达到150 000 亿元的目标.

情景三，山东省在合理的科技发展水平下，建设用地需求呈线性增加，到2025年和2030年分别达到3 194 120 hm2和3 417 720 hm2；水资源总需求量呈现下降的趋势，到2025年和2030年总需水量为204亿m3和183亿m3；化学需氧量排放量呈下降趋势，到2025年和2030年分别达到52.4亿t和52.2亿t.在该情景下，为保持资源环境不超载，可采取的最大GDP增长速度是4.9%，在此增长速度的条件下，2030年山东省的GDP将达到137 812 亿元.

综合以上，三种情景下的仿真结果如图3所示，建设用地需求都呈增加趋势，技术的进步对建设用地的约束不明显,本文主要目的是在资源环境约束下，为实现城市高质量发展，求解其经济最佳发展速度，要控制单一变量，所以选取了对资源环境影响最大的科技进步作为单一变量,科技进步使得需水量和化学需氧量排放减少；在现有发展情况、合理科技发展水平和科技高速发展水平下，山东省可采取的GDP增速分别为3.20%、4.90%和5.40%，科技高速发展情景下，2030年的GDP可接近目标值150 000 亿元.因此，山东省适宜发展速度为3.20%～5.40%.其中，3.20%～4.90%是较为保守的发展速度，而4.90%～5.40%的发展速度则面临更大的挑战，要求足够的技术水平的提升.如果对技术进步足够乐观，可以考虑提升速度，否则需放缓发展速度，以降低对资源环境冲击.

4 结 论

本文通过构建山东省高质量发展模型，运用系统动力学的方法对山东省人口、经济、水资源、土地资源、环境五大系统进行分析，构建山东省高质量发展模型，通过改变模型中部分变量的参数，设置了三种情景，预测了三种不同的发展模式，求解出在资源环境的约束下，适宜山东省高质量发展的经济增长速度和发展模式.结果显示，在考虑技术进步的前提下，可以采取3.20%～5.40%的经济发展速度.在此区间内，3.20%～4.90%是比较保守的发展速度，而4.90%～5.40%则需要面临更大的挑战，若技术发展乐观，可以考虑较快的发展速度.通过山东省高质量发展模型，可以对比分析不同发展情景，选择更优发展模式.本模型也有待深化和完善，可以进一步考虑社会经济系统对外部资源依赖的变化趋势，并将政府的决策纳入模型的变化，以期达到对土地利用的约束.也可以进一步在细分产业的基础上开展更为微观的模拟分析.