太原市碳排放研究——基于系统动力学模型

张海亮

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

一、引言

“碳达峰”“碳中和”是当前人类社会应对全球变暖采取的新发展战略。国际可再生能源机构（International Renewable Energy Agency，IRENA）等发布权威报告指出，要实现全球变暖幅度控制在1.5℃，需要在21 世纪中叶达到全球温室气体的净零排放，即实现碳中和。中国实现“双碳”目标需要在产业结构、能耗强度、能源消费等方面协同发力，推动经济发展与降碳减排齐头并进，兑现中国于2030 年碳达峰、2060 年碳中和的承诺。

太原市作为山西省的省会，不仅是我国唯一的资源型省会城市、中国能源、重工业基地之一，也是国务院批复确定的中国中部地区重要的中心城市，在我国提出可持续发展议程后，太原市被设定为创新示范区来发挥煤炭资源型城市的带头作用。近年来，太原市在经济发展领域实现了规模扩大、水平高速提升的目标，但其经济增长方式依然滞后在粗放型发展模式中，导致了资源使用、环境保护与经济发展相互制约等问题的出现。由此可见，太原市依据政策指导，促进产业合理转型已取得良好成效，应进一步推进低碳减排措施，尽早实现碳排放峰值。

降碳减排的理念促进了碳排放在经济、人口、资源、能源等领域相关研究的发展。国际层面，Ugur Soytasj 等（2007）[1]借助VAR 模型研究国家整体地区生产总值（Gross Domestic Product，GDP）、能耗和CO2排放量三者的关系，并以美国和土耳其为例说明其研究结论，模型运行结果显示，碳排放量的快速增加是由能源的消耗导致的，而不是由经济发展导致。国内，刘再起和陈春（2010）[2]虽然选择了7 个不同国家（中国作为其中一个）进行案例分析，但都得出了相似的结论，即产业结构调整优化的水平与CO2排放量的多少，两者之间存在耦合关系。产业结构调整优化的水平低，CO2排放量多；产业结构调整优化的水平高，CO2排放量少。在三大产业产生的CO2排放中，Liu 等（2021）[3]认为在资源环境约束日益严重的情况下，减少工业污染排放、促进绿色产业发展是经济发展的主流趋势；张晶等（2021）[4]基于系统动力学方法进行模型构建，模拟京津冀城市群绿色、低碳实现路径，得出综合情景更能促进区域经济、资源、碳排放的协调发展。总结以上研究，国内外学者从一个或多个维度对降低碳排放路径进行了深入探索并取得了良好的降碳效果，但面向煤炭资源型城市的碳达峰路径研究较少，不足以支持目前的“双碳”行动。

二、方法和数据

（一）系统动力学

系统动力学是研究复杂系统中各要素之间因果关系和动态变化的一种方法[5]。建模过程始于定义对象，澄清系统边界，并构建系统中因素的因果链[6]。把开放的因果反馈环首尾连接便构成因果关系反馈环。正反馈环是一个不断自我加强的过程，用英文字母S（Same，相同）来表示；负反馈与正反馈相反，用英文字母O（Object，相反）表示。

图1 列举了两种不同反馈环的行为模式，a 表示正反馈指数成长和正反馈负指数成长；b 表示负反馈的3 种主要模式，第一为有界的饱和成长，第二为有界的衰退，第三为围绕平均值的振荡。这些典型模式常称为参考模型。正反馈、负反馈的系统行为并非泾渭分明，常常有交叉和重叠，因为系统的轨迹最终取决于初始条件和参数。

图1 两类基本参考模型

本文研究的对象是资源型城市-太原市碳排放，故在本文中将社会、经济、能源、水资源和碳排放等多个层面的指标放入一个耦合系统，通过水资源与能源的相关关系，我们构建了一个经济-能源-水资源-碳排放模型。然后，将定性分析与定量数据相结合，根据中国2005—2019 年的历史数据量化模型的参数，并拟合相关变量，以进一步预测未来的碳排放。

（二）水—能耦合计算

根据杨月（2019）[7]对混合水与混合能源的计算方式，将其应用到本文对水与能源消耗量的计算中，分为总水耗与总能耗。总水耗表示为生活用水、生产用水、生态用水计算加和，其中生产用水包括农业用水、工业用水（除能源相关用水量之外的其他工业用水）、第三产业用水和能源相关用水量（煤炭、石油、天然气、电力从开采到终端使用整个过程的耗水量）。总能耗包括直接能源消耗和间接能源消耗，直接能源消耗包括煤炭、石油、天然气、电力的消耗量，间接能源消耗表示为社会水循环（输水、用水、排水、污水回用和再生水处理）过程的能耗量[8-9]。计算公式为：

αn（n=1，2，3，4）为第n 种能源类型e1n的单位能源用水强度，e1n表示生产过程中耗水能源类型（煤炭、石油、天然气、电力），W1表示能源生产相关水耗。

βk（k=1，2，…，5）为第k 个水循环过程w2k的单位用水能耗强度，w2k表示社会水循环中的五个过程（输水、用水、排水、污水回用和再生水处理），E2表示间接能源消耗。

总能源消耗：

E 表示总能源消耗。

（三）碳排放计算

根据《2019 清单指南》提取的各类化石能源与非化石能源碳排放系数，建立碳排放数据集，基于单位一致性原则，将其转化为与模型中的变量单位一致的碳排放因子。依据建立的太原市水资源、能源消费量数据集，与碳排放系数相匹配，通过各个行业对太原市碳排放进行分析。基于IPCC 对碳排放的核算方法，对太原市能耗产生的碳排放量和水消耗产生的碳排放量进行计算，计算公式如下：

其中，n—产生碳排放的用水类型总计；

m—产生碳排放的能源类型总计；

xi—产生碳排放的用水类型，单位是亿立方米；

yj—产生碳排放的能源类型，单位是万吨标准煤；

pi—某用水类型的碳排放系数，单位是吨二氧化碳/亿立方米；

qj—某能源类型的碳排放系数，单位是吨二氧化碳/万吨标准煤；

C—碳排放总量，单位是吨二氧化碳。

（四）数据来源

依据《太原市统计年鉴》《太原市水资源公报》与《太原市环境状况公报》建立了太原市水资源消费量数据集，数据集包含了从2005—2019 年近60份历史统计数据，并使用数据集中4 个子系统900个确切统计数据来进行耦合系统分析，以保证数据预测及路径模拟的可靠性。水耗总量由社会水循环的五个环节组成，用水、输水、排水、污水回用、再生水与能源相关水耗，通过各个行业对太原市水耗进行量化分析；在《太原市统计年鉴》《山西省统计年鉴》与《中国能源统计年鉴》的基础上，建立了太原市能耗数据集，能耗总量由煤炭、石油、天然气、电力和水相关能耗五个部分组成，按照行业分类对太原市能耗进行分析；根据《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019 修订版》建立的碳排放数据集，通过整理相关变量碳排放的系数，基于单位一致性原则，将其转化为与模型中的变量单位一致的碳排放因子。

三、模型检验

（一）模型检验

直观检验，通过对收集资料的进一步分析，本文进行了单位一致性、结构合理性检验，在构建模型的过程中，参阅了大量文献资料，力求模型结构与实际系统的结构相一致。耦合系统围绕能源、水资源子系统进行构建，其中重要水平变量包含人口总量、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值。根据这四个水平变量，扩充系统边界，以水平变量为中心，相应设置速率变量及辅助变量，来完成系统边界设置。

（二）历史性检验

以2005 年为基准年，利用2005—2018 年的数据拟合各变量方程，在人口子系统选取总人口、城镇人口与农村人口，经济子系统选取第一产业总产值、第二产业总产值，水资源子系统选取生活用水、生产用水与用水总量，能源子系统选取能源消费总量。通过计算对比历史数据与模拟结果可计算获得2005—2019 年9 个变量模拟值的相对误差，如表1所示。在9 个变量中，除生产用水在2018 年的相对误差较大为3.32%，总用水量在2013 年、2018 年的相对误差较大为1.66%、1.9%，其他年份相对误差均在0.7%左右，模拟效果良好。由表1 可知，预测数据的相对误差均在2%左右，模型具有高度准确性。

表1 系统动力学模型模拟结果的有效性分析

四、政策建议

根据我国《碳排放发展趋势》（2017）的统计数据，太原市2016 年碳排放量以每年3.5%的速度增长，已超过中国2030 年减排目标的标准。太原市的碳排放主要来源于化石燃料、工业生产、家庭消费以及交通出行。此外，太原市也受到从外部引入的碳排放的影响，该排放占总排放量的20%左右，特别是从大型工厂和电力企业引入的碳排放占比更大。

为了有效降低太原市的碳排放，可以实施以下政策：第一，实施低碳发展战略，加快可再生能源的推广应用，采用更有效的能源利用方式。以电代煤、代气、代油，大力提升工业、建筑业电气化水平，加快提升工业、建筑业和交通运输业中可再生能力的消费比例，提高交通运输部门能源使用标准，减少对高碳产业和化石能源的依赖，转变以化石能源消费为基础的经济增长模式，促进低碳产业发展。第二，推行节能减排政策，加大对能源节约和资源循环利用的投入力度；加快可再生能源开发与利用领域关键技术与设备研发和创新，积极推动数字技术与能源技术融合发展；加快碳捕捉及存储技术研发与设备升级，加强被捕捉后的碳的再利用。加强能源应用管控技术研发，发展智慧用能模式，针对不同行业用能实际与排放特征，制定多能源供应方案；加强综合能源系统建设，面向工业园区、商业园区等重点领域研发应用综合能源服务和源网荷储一体化模式，满足不同行业的多元用能需求，促进多能源互补应用。第三，加强碳排放管理，实施监督考核和罚款制度，遏制碳排放的违法行为；对用能单位接入能耗在线监测系统，方便定期汇报能耗量数据。与此同时，各企业要逐步淘汰落后工艺、技术和设备，关闭国家明令淘汰的落后机电设备。另外，节能新技术、新工艺、新材料也要不断推广和应用。第四，发展新能源汽车和公共交通，减少碳排放。持续推动城市客运、城市物流配送车辆及营运客车新能源化、清洁化，提高城市公交、出租、物流、环卫清扫等车辆使用新能源汽车的比例。大力发展绿色交通，加快构建完善的公共出行服务体系，轨道交通、城市公交、出租车、网约车、共享自行车多种交通公交高效衔接，快速交通与慢行交通体系建设并进，以发达的城市公共交通降低公众出行能耗。

此外，太原市还可以采取一些其他措施来降低碳排放，如加强立法保护，推进环境管理综合性改革，改善环境污染治理政策，促进农业技术改良，提高企业环保意识，实施绿色消费政策等。

五、结论

本文以探索太原市碳达峰路径为目标，梳理了城市发展各要素间的逻辑关系与资源消耗现状，以能源、水资源子系统进行水-能计算，并构建了基于系统动力学的资源型城市碳达峰仿真系统，并通过历史数据验证了系统仿真结果与实际结果的匹配程度。模拟结果表明运行结果与真实数值的相对误差较小，模型的构建与检验能够为多情景设置与模拟奠定理论基础，可用于碳排放效益分析与措施研究。