基于能值的天津濱海新區(qū)可持續(xù)發(fā)展動力學(xué)分析

李 春 發(fā)， 曹 瑩 瑩， 楊 建 超， 韓 芳 旭

（天津理工大學(xué) 管理學(xué)院，天津300384）

一、引 言

天津濱海新區(qū)作為帶動我國環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展的新的增長極和全國綜合配套改革試驗區(qū)，GDP總量由2000年的562.4億元增加到2013年的8020.4億元，形成了先進制造、新能源、生物制藥、石油化工、電子信息、汽車制造和高新紡織八大產(chǎn)業(yè)體系，建立了先進制造業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)、濱海高新區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)和保稅區(qū)等九大功能經(jīng)濟區(qū)。但新區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展造成了資源消費的急速增加和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的明顯下降，嚴重影響了新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。如何準確把握和定量描述新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展演化趨勢，科學(xué)優(yōu)化資源利用結(jié)構(gòu)和合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)空間布局成為當前新區(qū)發(fā)展亟待解決的問題［1］。

眾所周知，區(qū)域經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展是相互促進和耦合協(xié)同發(fā)展的，具有隨機性、復(fù)雜性和自適應(yīng)性。經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的同時，環(huán)境系統(tǒng)將進行自我調(diào)節(jié)并對經(jīng)濟系統(tǒng)作出反饋?？茖W(xué)模擬和準確把握區(qū)域經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)的動態(tài)演進過程是區(qū)域經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)和諧可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，對于實現(xiàn)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。系統(tǒng)動力學(xué)作為一種以反饋控制理論為基礎(chǔ)和計算機模擬技術(shù)為手段，研究復(fù)雜經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等的理論方法，能定量描述區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的影響［2］（P20），為區(qū)域經(jīng)濟和環(huán)境管理的規(guī)劃提供決策支持。該方法廣泛應(yīng)用于地區(qū)、城市和自然系統(tǒng)演化規(guī)律的研究［3］［4］［5］。近年來通過與生態(tài)足跡理論、地理信息系統(tǒng)等相結(jié)合［6］［7］，在區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性研究中也得到了應(yīng)用［8］［9］，但現(xiàn)有研究存在系統(tǒng)中不同性質(zhì)能量無法比較，各種能物流、信息流無法統(tǒng)一度量的問題。由H.T.Odum提出的能值理論解決了這一問題。能值理論以一種統(tǒng)一的度量單位描述系統(tǒng)中各種物質(zhì)與能量流動情況［10］（P3），在國家、城市、工業(yè)生產(chǎn)等系統(tǒng)發(fā)展演進評價研究中受到重視［11］［12］［13］。為此，本文在對天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán) 境系統(tǒng)分析和系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵因子確定基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)動力學(xué)和能值理論，選取適宜的評價指標，通過構(gòu)建天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)的能值評價系統(tǒng)動力學(xué)模型，預(yù)測與評價其未來20年的投入產(chǎn)出、能源消耗、環(huán)境質(zhì)量以及經(jīng)濟環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性，為天津濱海新區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)科學(xué)調(diào)整、資源合理配置、經(jīng)濟社會和諧發(fā)展提供決策依據(jù)。

二、基于能值的系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

能值理論是20世紀80年代由H.T.Odum創(chuàng)立的，他將能值定義為“一種流動或存儲的能量所包含另一類別能量的量”，指出任何形式能量均來源于太陽能，通過能值轉(zhuǎn)換率能將各種產(chǎn)品、資源和勞務(wù)形成過程中所需太陽能的量進行轉(zhuǎn)換，得到其具有的太陽能值［10］，單位為太陽能焦耳（solar emjoules，簡稱sej）。因此，在利用能值理論進行系統(tǒng)可持續(xù)性評價時，可將系統(tǒng)中各種輸入、輸出、轉(zhuǎn)化和存儲等形式能量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一能值，同時考慮無償可更新資源對系統(tǒng)的貢獻［10］，避免市場、匯率和政策等因素對系統(tǒng)的影響，從而有利于更客觀的仿真模擬和評價系統(tǒng)的可持續(xù)性［12］。系統(tǒng)動力學(xué)理論是20世紀50年代由福瑞斯特創(chuàng)立的，該理論通過構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，利用系統(tǒng)仿真技術(shù)模擬、分析與預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)行為［2］（P120）。

本文以系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim為仿真工具，根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)原理和能值分析方法，結(jié)合天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，以其當前資源配置，經(jīng)濟水平和環(huán)境質(zhì)量為基準，以未來20年新區(qū)資源可持續(xù)利用和環(huán)境－經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展為目標，輔以能值評價指標體系，建立新區(qū)可持續(xù)發(fā)展仿真評價模型，并根據(jù)相關(guān)指標，提出當前發(fā)展模式、經(jīng)濟優(yōu)先型、環(huán)境優(yōu)先型和可持續(xù)發(fā)展型四種發(fā)展情景，通過比較分析各項指標，對四種情景的可持續(xù)性進行評價分析［7］，具體的評價模型構(gòu)建步驟如下：

（1）系統(tǒng)邊界確定。模型邊界確定注重有效性、時間性和問題的針對性。以天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)為研究對象，包括濱海新區(qū)中心商務(wù)區(qū)、臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)、濱海高新區(qū)、先進制造業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)、中新生態(tài)城、濱海旅游區(qū)、海港物流區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、南港工業(yè)區(qū)九大功能區(qū)。模型仿真起點為2012年，終點為2032年，時間間隔DT＝2年。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。劃分子系統(tǒng)，確定總系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)的反饋機制。根據(jù)研究需要，弱化社會子系統(tǒng)，把重要因子并入經(jīng)濟子系統(tǒng)，將濱海新區(qū)經(jīng)濟子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)融入濱海新區(qū)能值評價系統(tǒng)（見表1）［14］，選取各子系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子，如經(jīng)濟系統(tǒng)選取人口、三種產(chǎn)業(yè)勞動力比例、GDP、工業(yè)總產(chǎn)值、三種產(chǎn)業(yè)分產(chǎn)值、科技投資等；環(huán)境系統(tǒng)選取四種污染類型的存量與變化量、固體廢物循環(huán)利用率、環(huán)保投資等；能值評價系統(tǒng)選取能值貨幣比、能值密度、能值自給率、能值產(chǎn)出率、能值交換率、環(huán)境負載率、能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等指標。根據(jù)系統(tǒng)各變量間的關(guān)系，可繪制出系統(tǒng)因果關(guān)系圖與系統(tǒng)流圖（見圖1和圖2）。

（3）從《天津統(tǒng)計年鑒》、《天津濱海新區(qū)統(tǒng)計年鑒》、《中國能源年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和相關(guān)部門收集濱海新區(qū)1999～2011年經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過能值轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的能值數(shù)據(jù)，利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進行統(tǒng)計分析、回歸分析和表函數(shù)等確定系統(tǒng)各因子間的定量關(guān)系。

表1 天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)能值評價指標體系

圖1 天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)模型因果關(guān)系圖

（4）系統(tǒng)模型構(gòu)建。利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim，整理系統(tǒng)流程圖、編寫模型方程并進行調(diào)試、檢驗，直到模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)基本一致。模型檢驗通過對模型的調(diào)試與驗證進行。本文采用真實性驗證方法，選擇2007～2011年的數(shù)據(jù)進行驗證（見表2）。模型真實性檢驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)模擬結(jié)果與新區(qū)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展情況基本一致，其相對誤差在－8.01%～7.18%之間，模型模擬能力較好，基本反映了研究區(qū)域發(fā)展趨勢，可作為天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)模擬依據(jù)。

表2 模型真實性檢驗

圖2 天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)模型流圖

（5）系統(tǒng)仿真分析。根據(jù)天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)耦合關(guān)系和新區(qū)經(jīng)濟環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展要求，以新區(qū)2011年發(fā)展狀況為參照，設(shè)計了當前發(fā)展模式、經(jīng)濟優(yōu)先型、環(huán)境優(yōu)先型和可持續(xù)發(fā)展型四種不同發(fā)展情景，對未來20年新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行模擬與分析。

三、研究結(jié)果分析

根據(jù)天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展狀況、系統(tǒng)動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)特點和新區(qū)“十二五”發(fā)展規(guī)劃與生態(tài)文明建設(shè)要求，選取勞動力影響因子、科技投入影響因子、勞動力比例、環(huán)保投資率、可更新資源投入、不可更新資源投入、系統(tǒng)外能值輸入和能值輸出8項指標作為控制變量。下面對新區(qū)當前發(fā)展模式、經(jīng)濟優(yōu)先型、環(huán)境優(yōu)先型和可持續(xù)發(fā)展型的未來20年發(fā)展趨勢模擬情況進行分析。

1.GDP與能值密度

如圖3所示，天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)GDP在四種情景下，均呈現(xiàn)出增長的趨勢，到2032年，經(jīng)濟優(yōu)先型情景下GDP達2.09萬億元，可持續(xù)發(fā)展型為1.91萬億元，當前發(fā)展模式為1.45萬億元，環(huán)境優(yōu)先型為1.03萬億元，各情景GDP年均增長率分別為5.18%、5.51%、4.92%、4.71%。在模擬期內(nèi)，經(jīng)濟優(yōu)先型情景GDP始終高于其他三種情景，但可持續(xù)發(fā)展型表現(xiàn)出更快速增長，說明以追求環(huán)境、經(jīng)濟和社會協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)更具活力。模擬期內(nèi)能值密度均增長較快，明顯高于國內(nèi)其他同類地區(qū)，表明新區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展良好，系統(tǒng)能值積累多，屬于發(fā)達地區(qū)行列。

2.能值貨幣比

能值貨幣比是一個地區(qū)全年總能值使用量與當年國內(nèi)生產(chǎn)總值之比，用于分析環(huán)境產(chǎn)出、經(jīng)濟產(chǎn)出和勞動的貢獻大小，其值越高，表示經(jīng)濟活動所需能值中免費的可更新資源能值越多，單位貨幣可購買的能值越多［10］。如圖4所示，模擬期內(nèi)四種情景均為先增后降，環(huán)境優(yōu)先型為6.9×1012，顯著高于可持續(xù)發(fā)展型的4.65×1012、當前發(fā)展模式的5.24×1012和經(jīng)濟優(yōu)先型的4.15×1012，說明系統(tǒng)對外界依賴環(huán)境優(yōu)先型最小，經(jīng)濟優(yōu)先型最大，對外開放程度反之。

圖3 天津濱海新區(qū)GDP模擬結(jié)果

3.能值產(chǎn)出率與能值交換率

能值產(chǎn)出率是系統(tǒng)產(chǎn)出能值與經(jīng)濟反饋能值之比，可評價系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟的貢獻程度，其值越高，系統(tǒng)的經(jīng)濟效益越好［10］。如圖5所示，四種情景未來15年變化趨勢基本一致，而2027年以后，經(jīng)濟優(yōu)先型和可持續(xù)發(fā)展型以相對較快的速度增長，到2032年可持續(xù)發(fā)展型明顯高于其他三種情景，達到11.657，說明隨著時間延續(xù)，可持續(xù)發(fā)展型模式將實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，經(jīng)濟在經(jīng)歷初期緩慢增長后，表現(xiàn)出較強增加動力，與GDP模擬中出現(xiàn)的結(jié)果相一致。

能值交換率是商品能值與購買者支付貨幣相當?shù)哪苤当嚷?，用于衡量能值在系統(tǒng)內(nèi)外的流動過程中能值交換的比例［10］，其值越大，則系統(tǒng)在貿(mào)易中越有利。如圖6所示，四種情景中能值交換率均大于1，說明新區(qū)均處于生態(tài)盈利階段，均呈現(xiàn)一種波浪形變化趨勢，仿真期內(nèi)變化不大。可持續(xù)發(fā)展情景高于其他三種情景，說明在此種情景下系統(tǒng)效益最好，系統(tǒng)由勞動密集型向知識密集型轉(zhuǎn)型成果顯著。

圖5 天津濱海新區(qū)能值產(chǎn)出率模擬結(jié)果

圖6 天津濱海新區(qū)能值交換率模擬結(jié)果

4.污染物能值與污染物能值比

污染物能值比用于描繪傳統(tǒng)粗放型經(jīng)濟模式對環(huán)境造成的沖擊，其值越大，說明系統(tǒng)資源利用效率越低，廢棄物回收利用價值越大。如圖7和圖8所示，四種情景污染物能值比均出現(xiàn)快速下降趨勢，可持續(xù)發(fā)展型最低，到2032年為0.00045，說明新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)資源利用效率與循環(huán)再生能力相對較高。但當前發(fā)展模式和經(jīng)濟優(yōu)先型污染物能值持續(xù)快速增長，到2032年達6.5×1021sej，經(jīng)濟增長仍以大量資源消耗為代價，且循環(huán)利用率較低?？沙掷m(xù)發(fā)展型與環(huán)境優(yōu)先型呈現(xiàn)先升后降趨勢，至2032年分別為3.991021sej和3.31021sej，說明加大環(huán)境保護投資力度，提高資源回收利用率對于新區(qū)環(huán)境質(zhì)量改善具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

圖7 天津濱海新區(qū)污染物能值比模擬結(jié)果

圖8 天津濱海新區(qū)污染物能值模擬結(jié)果

5.環(huán)境負載率（ELR）

環(huán)境負載率為系統(tǒng)不可更新資源投入能值量與可更新資源投入能值量之比，可評價經(jīng)濟活動對環(huán)境的影響，其值越大，系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境承受壓力越大，說明系統(tǒng)能值利用強度大。如圖9所示，四種情景ELR均較高，說明系統(tǒng)環(huán)境負荷壓力大?？沙掷m(xù)發(fā)展型和環(huán)境優(yōu)先型環(huán)境負載率相對較低，但呈現(xiàn)出不斷增大趨勢，說明未來一段時間內(nèi)新區(qū)經(jīng)濟增長仍以大量不可更新資源消耗為主，環(huán)境脅迫嚴重。

6.能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（EISD）

能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是在ESI的基礎(chǔ)上綜合考慮能值交換率的復(fù)合型系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指標，其值越高說明單位環(huán)境壓力下的社會經(jīng)濟效益越好，系統(tǒng)的可持續(xù)性越好［10］。如圖10所示，四種情景均呈快速下降的趨勢，到2032年可持續(xù)發(fā)展型的指數(shù)為0.0142，經(jīng) 濟 優(yōu) 先 型 為0.00407，環(huán) 境 優(yōu) 先 型 為0.00453，當前發(fā)展模式0.00473，說明系統(tǒng)可持續(xù)性較差，這與新區(qū)資源配置和發(fā)展階段有關(guān)，在大量不可更新資源消耗的背景下，嚴重地削弱了系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性。因此，不斷擴大可更新資源的利用比例、增加能值進口、減少低附加值產(chǎn)品出口是新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的方向。

圖9 天津濱海新區(qū)環(huán)境負載率模擬結(jié)果

圖10 天津濱海新區(qū)能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)模擬結(jié)果

四、結(jié) 論

本文利用系統(tǒng)動力學(xué)和能值理論，構(gòu)建天津濱海新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展的四種情景，通過系統(tǒng)模擬仿真分析得出可持續(xù)發(fā)展型情景為最佳。該情景能保證新區(qū)經(jīng)濟持續(xù)快速增長，實現(xiàn)環(huán)境與社會和諧發(fā)展，且各種決策變量均在可實現(xiàn)范圍內(nèi)。為確?？沙掷m(xù)發(fā)展型情景的實現(xiàn)，未來濱海新區(qū)發(fā)展需采取以下措施：

第一，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，調(diào)整資源利用結(jié)構(gòu)。新區(qū)應(yīng)在逐步擴大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)和航空航天業(yè)等規(guī)?；A(chǔ)上，加大發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，著力發(fā)展于家堡金融區(qū)、響螺灣商務(wù)區(qū)、泰達MSD、海港物流區(qū)以及濱海旅游區(qū)等功能區(qū)，提高第三產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資、增加第三產(chǎn)業(yè)勞動力和招商引資；提高科技投入比例，通過技術(shù)創(chuàng)新提高可更新資源在資源消耗中比例，重點開發(fā)太陽能資源、風能資源和潮汐能資源，降低不可更新資源依賴、調(diào)整不可更新資源利用結(jié)構(gòu)。在一次能源消費中，煤炭利用比例降至53.4%以下，石油利用比例約為27.5%，天然氣和非化石能源利用比例分別升高至15.9%和3.2%［15］。通過高新產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)，促進高能質(zhì)原料進口，提高能值利用效率，增加系統(tǒng)能值積蓄，改善新區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力。

第二，提高環(huán)保意識，加大環(huán)保投資力度。天津濱海新區(qū)已進入工業(yè)化中期階段，環(huán)境問題累積是不容忽視的問題。新區(qū)應(yīng)根據(jù)國家節(jié)能減排要求，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展情景的相關(guān)參數(shù)，提高環(huán)保投資比例、資源利用率和廢物回收利用率，完善循環(huán)經(jīng)濟體系，改善環(huán)境質(zhì)量。

仿真模擬分析說明，要實現(xiàn)新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展，需根據(jù)新區(qū)經(jīng)濟與環(huán)境各要素間的耦合關(guān)系，優(yōu)化新區(qū)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的資源利用結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)空間布局、加大高附加能值產(chǎn)業(yè)的引進與扶植力度、增加產(chǎn)業(yè)科技開發(fā)的投資、貫徹實施系統(tǒng)的優(yōu)化改革方案，從國家戰(zhàn)略角度規(guī)劃區(qū)域的可持續(xù)演進，最大程度發(fā)揮新區(qū)發(fā)展?jié)摿?，從而實現(xiàn)新區(qū)經(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)健康、高效、和諧發(fā)展。

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