基于系統(tǒng)動力學(xué)的交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排技術(shù)路徑模擬研究

唐麗敏，王玲麗，秦思思，蔡昭堃

(1.大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧大連 116026; 2.中國科技大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

基于系統(tǒng)動力學(xué)的交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排技術(shù)路徑模擬研究

唐麗敏1，王玲麗1，秦思思1，蔡昭堃2

(1.大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧大連 116026; 2.中國科技大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，合肥 230026)

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)建包含多條反饋回路、多個變量以及變量之間關(guān)系的交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)并展開分析。交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)是以交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗以及碳排放為研究對象，考慮能源消耗結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸方式結(jié)構(gòu)、環(huán)保投入等主要影響因素，包括多種運(yùn)輸方式的交通運(yùn)輸子系統(tǒng)，同時也是包括多種能源和節(jié)能技術(shù)的能源子系統(tǒng)、包括多個減排技術(shù)的環(huán)境子系統(tǒng)、代表經(jīng)濟(jì)增長及城市化進(jìn)程的經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建，對節(jié)能減排技術(shù)方法進(jìn)行模擬仿真，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析評價。

系統(tǒng)動力學(xué)；交通運(yùn)輸業(yè)；節(jié)能減排；技術(shù)路徑

伴隨著節(jié)能減排活動在全球范圍內(nèi)的興起，全新的交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排時代已經(jīng)到來，“低能耗、低排放、低污染”成為全球新的目標(biāo)。在哥本哈根會議上，我國政府承諾2020年全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量較2005年下降40%～45%，國家“十二五”規(guī)劃明確提出建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會，并且在“十一五”節(jié)能減排的基礎(chǔ)上提出了“十二五”規(guī)劃的節(jié)能減排新目標(biāo)。[1]

國內(nèi)多位學(xué)者對交通運(yùn)輸業(yè)在節(jié)能減排方面作出了研究。石友蓉、趙威[2]分析了各種措施產(chǎn)生的節(jié)能減排效果，提出公路水路交通運(yùn)輸節(jié)能減排的綜合管理體系。呂正昱[3]、石靜雅[4]、習(xí)江鵬[5]等多位學(xué)者對節(jié)能減排的評價進(jìn)行了研究。陶冶[6]、宋維明[7]、曾德麗[8]、楊靖[9]通過對我國道路節(jié)能減排現(xiàn)狀分析，從多角度出發(fā)對未來交通運(yùn)輸業(yè)提出了宏觀政策和微觀措施。

一、交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)分析

1.系統(tǒng)邊界確立

交通運(yùn)輸業(yè)與經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境之間構(gòu)成了一個相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖1所示：

圖1 交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)起源于國民經(jīng)濟(jì)，其與交通運(yùn)輸業(yè)之間是相互促進(jìn)的正向關(guān)系；交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，帶來了污染物的大量排放，加重了環(huán)境污染；環(huán)境污染制約經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，從而制約了交通運(yùn)輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；國民經(jīng)濟(jì)增長帶來環(huán)保投資能力增加，改善自然環(huán)境。國家從“犧牲環(huán)境帶來經(jīng)濟(jì)發(fā)展”向“經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展”進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，節(jié)能減排的意識逐漸增強(qiáng)。

2.模型假設(shè)

交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)是一個相互作用、相互制約、關(guān)系錯綜復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，影響因素眾多，不能一一考慮，因此，對交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排模型有以下主要假設(shè)。

假設(shè)1：該模型只考慮交通運(yùn)輸和國民經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系，而不直接考慮國民經(jīng)濟(jì)和其他產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系。

假設(shè)2：經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長，貨物周轉(zhuǎn)量也持續(xù)穩(wěn)定增長。

假設(shè)3：該模型從交通運(yùn)輸業(yè)的二氧化碳排放入手，來研究交通運(yùn)輸業(yè)的污染物排放情況。

3.因果關(guān)系圖

結(jié)合交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)的邊界以及系統(tǒng)假設(shè)，對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的因果關(guān)系分析，得到各因素之間的因果關(guān)系(如圖2所示)。

圖2 交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)因果關(guān)系圖

該因果關(guān)系圖主要包括三條回路。

回路1：GDP→+貨物周轉(zhuǎn)量→+能源消耗量→+能源成本→+運(yùn)輸成本→+交通運(yùn)輸業(yè)物流增加值→+GDP。

回路2：GDP→+貨物周轉(zhuǎn)量→+能源消耗量→+二氧化碳排放量→+二氧化碳污染量→+二氧化碳污染損失→-GDP。

回路3：GDP→+環(huán)保投入→+交通運(yùn)輸二氧化碳治理費用→+二氧化碳減少量→-二氧化碳污染量→+二氧化碳污染損失→-GDP。

二、交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排模型構(gòu)建

1.交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排流圖確定

經(jīng)過對交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)的影響因素分析，結(jié)合系統(tǒng)各變量之間的因果關(guān)系，運(yùn)用Vensim軟件，建立交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)流圖(如圖3所示)。

2.模型參數(shù)界定

該模型參數(shù)表達(dá)式主要采用時間序列回歸及數(shù)學(xué)推導(dǎo)方式得到，回歸預(yù)測用于宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測，而數(shù)學(xué)推導(dǎo)主要用在交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗與二氧化碳排放的計算方面。

圖3 交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)動力學(xué)模型流圖

(1)主要參數(shù)的確定。

①貨物周轉(zhuǎn)量與GDP關(guān)系。 如表1所示。

表1 貨物周轉(zhuǎn)量與GDP數(shù)據(jù)表

表1數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局網(wǎng)站，利用SPSS軟件對表中貨物周轉(zhuǎn)量和GDP進(jìn)行回歸分析，進(jìn)行參數(shù)估計，得到回歸方程為

式中：y表示貨物周轉(zhuǎn)量，x表示GDP。R2=0.9921，線性擬合度高。

②經(jīng)濟(jì)增長系數(shù)。

實際增長率=報告期國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)值/上一年國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)值×100%-100%

模型經(jīng)濟(jì)增長率=(報告期國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)值-交通運(yùn)輸業(yè)物流增加值)/上一年國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)值×100%-100%

利用2001—2011年的模型經(jīng)濟(jì)增長系數(shù)(通過調(diào)試，降低實際系數(shù)數(shù)值得到)，經(jīng)過預(yù)測，得出2012—2020年的增長系數(shù)(2012，0.0785)(2013，0.0852)(2014，0.1036)(2015，0.1165)(2016，0.1288)(2017，0.1435)(2018，0.1546)(2019，0.1678)(2020，0.1712)。

③不同運(yùn)輸方式貨物周轉(zhuǎn)量比重。

貨物周轉(zhuǎn)包括五種運(yùn)輸方式，即鐵路、公路、水運(yùn)、民航和管道(本文不考慮管道運(yùn)輸)。2001—2012年水運(yùn)和民航貨運(yùn)比重變化不大，且影響能耗與排放變化的運(yùn)輸方式主要是鐵路，因此水運(yùn)與民航比重取2001—2012年的平均值，分別為0.5373和0.001。公路比重為時間的表函數(shù)，鐵路貨物周轉(zhuǎn)量為貨物周轉(zhuǎn)量剔除水運(yùn)、公路以及航空貨物周轉(zhuǎn)量的部分，具體數(shù)值見表2。

表2 2001—2012年不同運(yùn)輸方式貨物周轉(zhuǎn)量比重

④單位能耗。

根據(jù)統(tǒng)計資料，蒸汽機(jī)車單位能耗為0.2722萬t標(biāo)煤/億tkm。歷年內(nèi)燃機(jī)車與電力機(jī)車的單位能耗見表3。

表3 2001—2012年內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車能源單耗

⑤能源消耗。

能源消耗單位是萬t標(biāo)煤，將不同運(yùn)輸工具的能耗通過各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)折算成標(biāo)準(zhǔn)煤來進(jìn)行計算，如表4所示。

表4 各種能源折算標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)

(2)其他參數(shù)。

其他主要參數(shù)如表5所示。

表5 其他參數(shù)及表達(dá)式

3.模型檢驗

(1)模型行為能否重現(xiàn)參考模式。

本文研究的是交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)，可以分別用“GDP”、“貨物周轉(zhuǎn)量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放量”代表經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸業(yè)、能源、環(huán)境四個子系統(tǒng)，對檢驗?zāi)Ｐ托袨榫哂锌杀刃耘c準(zhǔn)確性。通過模擬得到“GDP”、“貨物周轉(zhuǎn)量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放”的行為模式如圖4所示，符合最初的參考模式。

圖4 模型參考模式檢驗

(2)模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)是否一致。

同樣選擇“GDP”、“貨物周轉(zhuǎn)量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放量”四個變量，將模型運(yùn)行結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相對比，得到表6和表7。通過對相對誤差的分析可知，模型的模擬值與實際值的誤差絕對值不超過10%，說明運(yùn)行結(jié)果與實際數(shù)據(jù)高度擬合。

三、模型仿真

1.交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排技術(shù)路徑分析

交通運(yùn)輸業(yè)占據(jù)著國民經(jīng)濟(jì)的重要地位，同時交通運(yùn)輸業(yè)對全社會總能耗與二氧化碳排放都有著極大的貢獻(xiàn)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題越來越受到社會的關(guān)注。為應(yīng)對此種現(xiàn)狀，國家提出經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境資源保護(hù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的發(fā)展模式，這就要求改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，探索節(jié)能減排新方法，改變靠犧牲資源環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式，同時采取措施改善環(huán)境現(xiàn)狀。

通過對交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境等子系統(tǒng)進(jìn)行深度分析，發(fā)現(xiàn)交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排工作需要多方面的措施，本文從增加治理投資、降低單位能耗、降低排放因子、改變運(yùn)輸方式比重四個方面入手，制定相應(yīng)的節(jié)能減排方案，改善自然環(huán)境與能源利用。

表6 GDP與貨物周轉(zhuǎn)量模擬效果對比

表7 交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗量與二氧化碳排放量模擬效果對比

注：表7數(shù)據(jù)根據(jù)《中國交通年鑒》和世界銀行統(tǒng)計的中國運(yùn)輸部門二氧化碳排放量，能耗量實際值計算時將旅客周轉(zhuǎn)量換算成貨物周轉(zhuǎn)量計算得出。

2.交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排技術(shù)路徑模擬

在哥本哈根會議上，我國政府作出了到2020年全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量較2005年下降40%～45%的鄭重承諾。在2012—2020年期間我國又提出新的目標(biāo)，到2020年全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量下降21%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗20%，對于交通運(yùn)輸業(yè)來說，到2020年單位貨物周轉(zhuǎn)量能耗和二氧化碳排放量分別下降11%和12%。

(1)增加治理投資。

增加治理投資有兩種方式：增加環(huán)保投入；提高環(huán)保投入中CO2治理投資系數(shù)。

國家環(huán)保投入最高達(dá)到2%左右，將環(huán)保投入提高1%，以2020年為基準(zhǔn)，CO2污染量降低4.88%(見圖5)，從表8得知單位貨物周轉(zhuǎn)量二氧化碳污染量相對于2012年降低6.89%；將交通運(yùn)輸業(yè)二氧化碳治理投資系數(shù)分別增加15%、20%、25%、27%、28%，得到2020年二氧化碳污染量降低12.56%、18.81%、23.28%、25.04%、25.91%(見圖6)，從表8得知單位貨物周轉(zhuǎn)量二氧化碳污染量比2012年分別降低1.49%、5.69%、9.89%、11.57%、12.41%，只有將交通運(yùn)輸業(yè)二氧化碳治理投資系數(shù)增加將近27%，才能完成單位貨物周轉(zhuǎn)量二氧化碳減排目標(biāo)。

圖5 環(huán)保投入增加二氧化碳污染量模擬

圖6 治理投資增加二氧化碳污染量模擬

表8 單位貨物周轉(zhuǎn)量二氧化碳污染量模擬效果表

(2)降低運(yùn)輸工具單位能耗。

分別對公鐵水航四種運(yùn)輸方式的貨運(yùn)單耗進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果可以看出，公路和水運(yùn)單位能耗降低對于節(jié)能減排的效果明顯，所以當(dāng)公路和水路能耗以相同比例下降時，節(jié)能減排模擬結(jié)果如圖7和圖8所示。從表9可以看出當(dāng)公路與水運(yùn)單耗降低比例為22%時，可以達(dá)到單位貨物周轉(zhuǎn)量節(jié)能減排目標(biāo)，而且降低比例接近21%時，已經(jīng)完成單位貨物周轉(zhuǎn)量減排目標(biāo)。

圖7 能源消耗量模擬圖

圖8 二氧化碳污染量模擬圖

表9 公路與水運(yùn)單耗降低模擬效果表

(3)降低排放系數(shù)。

交通運(yùn)輸業(yè)化石燃料主要有柴油、汽油、燃料油和煤油，分別將這四種燃料排放系數(shù)降低10%、20%、30%進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果可以觀察到柴油與燃料油的排放系數(shù)對交通運(yùn)輸業(yè)的減排影響較大，因此同時將柴油與燃料油的排放系數(shù)降低相同的比例，具體做法就是將柴油車、內(nèi)燃機(jī)車和燃油船排放系數(shù)同時降低15%、20%、21%、22%，結(jié)果如圖9與表10所示。從表10可以看出當(dāng)柴油與燃料油排放系數(shù)同時降低22%，可以完成單位貨物周轉(zhuǎn)量減排目標(biāo)。

圖9 柴油與燃料油排放系數(shù)降低二氧化碳污染量模擬圖

表10 柴油與燃料油排放系數(shù)降低二氧化碳污染量模擬表

(4)改變運(yùn)輸方式結(jié)構(gòu)。

公路運(yùn)輸占貨物周轉(zhuǎn)量比重較大，單位能耗高，在能源消費中占有很大比例，同時目前鐵路運(yùn)輸還有很大的潛力，因此本文考慮將公路運(yùn)輸減少的貨物周轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)移到鐵路運(yùn)輸上，加大鐵路貨運(yùn)比重，從而減少能源消耗。通過將公路貨物周轉(zhuǎn)量比重分別下降15%、20%、24%、25%進(jìn)行模擬仿真得到圖10和圖11。從表11可以看出當(dāng)公路貨物周轉(zhuǎn)量降低25%時，可以完成單位貨物周轉(zhuǎn)量節(jié)能減排目標(biāo)。將公路比重降低25%的目標(biāo)可以通過大力發(fā)展鐵路運(yùn)輸實現(xiàn)。

3.交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排模擬效果分析

本文對四個途徑進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)改變運(yùn)輸方式結(jié)構(gòu)節(jié)能減排效果最好，降低公路貨運(yùn)比重比較容易實現(xiàn)，加大鐵路發(fā)展，提高鐵路貨運(yùn)比重是未來發(fā)展的大方向；其次是降低運(yùn)輸工具單位能耗，但此技術(shù)需要投入巨大財力和時間以及其他節(jié)能減排技術(shù)方法才能實現(xiàn)；然后是降低排放系數(shù)，但此方法對降低能耗沒有貢獻(xiàn)；最后是增加治理投資，此方法可以在短期內(nèi)降低CO2污染量，但并不是長久之計，其可以作為改善環(huán)境的輔助措施。

圖10 改變運(yùn)輸方式比重能耗模擬圖

圖11 改變運(yùn)輸方式比重二氧化碳污染量模擬圖

表11 改變運(yùn)輸方式比重模擬結(jié)果表

四、總 結(jié)

本文通過對交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境子系統(tǒng)之間關(guān)系的深入分析，利用系統(tǒng)動力學(xué)找出影響系統(tǒng)的關(guān)鍵因素和反饋回路，建立交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排模型。根據(jù)2020年我國單位GDP節(jié)能減排目標(biāo)，對節(jié)能減排技術(shù)方案進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改變四種運(yùn)輸方式比重效果最好，減少公路貨運(yùn)比重，提高鐵路貨運(yùn)比重，降低總能耗量和CO2排放量；降低運(yùn)輸工具單位能耗主要作用于公路運(yùn)輸中柴油車和汽油車以及水運(yùn)中的燃油船，其中公路運(yùn)輸減排效果明顯，但是僅靠降低單位能耗不能達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，還需要其他技術(shù)方法的支持；降低排放系數(shù)和增加治理投資對于降低能耗效果不明顯，同時需要大量投資。長久來看，發(fā)展鐵路運(yùn)輸對于改善交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀具有戰(zhàn)略性意義，應(yīng)改善基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備投入，提高運(yùn)輸效率以及燃油利用率，從而降低能耗和CO2排放。

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2014-12-20

遼寧經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展基金項目(2014slktzigjwt-03)

唐麗敏(1963-)，女，教授；E-mail:tlmin@dlmu.edu.cn

1671-7031(2015)01-0027-08

F512.5

A