基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的3E－T結(jié)構(gòu)碳排放分析

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的3E－T結(jié)構(gòu)碳排放分析

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

目前，我國(guó)CO2排放量已居世界第二位，其中75%為能源消費(fèi)產(chǎn)生。因此低碳化發(fā)展已經(jīng)成為亟不可待的問(wèn)題，而分析研究影響CO2排放的影響因素必然成為首要解決問(wèn)題。本文主要就能源－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境－技術(shù)（Energy－Economy－Environment－Technology，3E－T）等幾大因素對(duì)碳排放量進(jìn)行分析?；谙到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，尋找3E－S系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的重要影響指標(biāo)并探究其因果反饋關(guān)系，構(gòu)建3E－T系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。并利用LMDI模型對(duì)碳排放的主要影響因素進(jìn)行分解分析，可以算出每個(gè)因素對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率及碳排放的變化，為政府相關(guān)部門(mén)的決策者制定可再生能源發(fā)展規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

目前，CO2作為導(dǎo)致全球氣候變暖的最主要的因素，因此減少CO2的排放也就成為緩解氣候變暖的最主要措施。能源－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境－技術(shù)（Energy－Economy－Environment－Technology，3E－T）等系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展是影響CO2排放量的主要因素。然而3E－T系統(tǒng)是一個(gè)多指標(biāo)間相互影響、多種不確定性信息相互交織、動(dòng)態(tài)反饋發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)。其影響的合力并非是各因素的簡(jiǎn)單線(xiàn)性疊加，而是復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics）則正是處理這類(lèi)大型復(fù)雜多變系統(tǒng)分析、仿真、預(yù)測(cè)問(wèn)題的有力工具。

本文主要基于北京3E－T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體情況，研究3E－T結(jié)構(gòu)各子系統(tǒng)間的反饋關(guān)系，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)影響碳排放的因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)出最主要的幾種影響因素，最后通過(guò)LMDI模型計(jì)算出主要影響因素對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率。對(duì)政府相關(guān)部門(mén)的決策者提出合理的改革措施和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有重要的意義。

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的北京3E－T結(jié)構(gòu)分析

能源子系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究和現(xiàn)狀分析，按照系統(tǒng)論的觀(guān)點(diǎn)：復(fù)雜問(wèn)題從整體出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧各方影響因子。本文能源系統(tǒng)特指能源消費(fèi)系統(tǒng)，研究能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整問(wèn)題就不可僅限于系統(tǒng)本身而是綜合考慮經(jīng)濟(jì)、人口、科技、環(huán)境等諸多因素共同作用下能源系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制。如圖1所示，選取能源系統(tǒng)主要狀態(tài)變量：化石能源消費(fèi)總量、可再生能源利用率、能源強(qiáng)度、能源效率、能源結(jié)構(gòu)。

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多層次的系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)的變化主要通過(guò)國(guó)民生產(chǎn)總值來(lái)進(jìn)行衡量，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的影響性比較大，故本文將重點(diǎn)通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的GDP產(chǎn)值來(lái)分析北京的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，從而為北京市未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策及規(guī)劃的制定提供科學(xué)合理的建議。

在這里我們將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的組成分為：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)總量、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人均收入等，如圖2所示。

環(huán)境子系統(tǒng)

能源作為整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，在保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善人們生活質(zhì)量方面在當(dāng)下和過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期都起著決定性作用。然而伴隨經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人口的迅速膨脹，化石能源利用過(guò)程所產(chǎn)生的大量污染物也正在成為空氣污染、水污染以及環(huán)境惡化等問(wèn)題的元兇。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口密集程度高，對(duì)其環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行研究更具有典型意義。

圖1 能源子系統(tǒng)因果反饋圖

圖2 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)因果反饋圖

圖3 環(huán)境子系統(tǒng)因果反饋圖

圖4 技術(shù)子系統(tǒng)因果反饋圖

在這里我們將環(huán)境系統(tǒng)的組成分為：環(huán)境質(zhì)量、環(huán)境政策、二氧化碳排放量、減排成本城市人口密度、人口規(guī)模等。

科學(xué)技術(shù)子系統(tǒng)

當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)日新月異、迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主導(dǎo)力量，以前所未有的姿態(tài)改變著人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)和生活方式?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)能源結(jié)構(gòu)及能源消費(fèi)有一定的影響，現(xiàn)代新能源技術(shù)是柴、煤、油等傳統(tǒng)能源之后用高技術(shù)形成的高效、清潔、可再生的現(xiàn)代能源。對(duì)能源和環(huán)境的影響有著非常重要的作用。

本文我們將技術(shù)子系統(tǒng)的組成分為：生產(chǎn)技術(shù)改造、科技創(chuàng)新投入、技術(shù)水平、R&D經(jīng)費(fèi)投入等。

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的碳排放強(qiáng)度分析

碳排放強(qiáng)度的因果關(guān)系分析

通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)3E－T結(jié)構(gòu)進(jìn)行了因果反饋分析，各系統(tǒng)內(nèi)部存在的因果關(guān)系一目了然，然而系統(tǒng)之間也存在一定的關(guān)系。下面就各子系統(tǒng)中的因子來(lái)做整體的因果反饋圖。

由反饋回路可以看出，眾多因素影響碳強(qiáng)度的目標(biāo)值，所以降低碳強(qiáng)度是所有因素共同作用的結(jié)果；通過(guò)對(duì)碳排放因果關(guān)系圖的分析，可以得出幾條主要的因果關(guān)系反饋鏈。

可得出碳排放影響因素因果關(guān)系反饋鏈有：

二氧化碳排放量→+能源強(qiáng)度→+能源結(jié)構(gòu)→+可再生能源利用→—二氧化碳排放量

二氧化碳排放量→+環(huán)境質(zhì)量→+環(huán)境政策→+科技創(chuàng)新投入→+技術(shù)水平→+能源效率→—二氧化碳排放量

經(jīng)濟(jì)總量→+科技創(chuàng)新投入→+技術(shù)水平→+R&D→+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)→+經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平→+經(jīng)濟(jì)總量

圖5 碳排放影響因素因果圖

圖6 碳排放影響因素流程圖

碳排放強(qiáng)度的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

根據(jù)圖1的碳排放影響因素因果圖可得出碳排放強(qiáng)度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖，如圖6。由碳排放影響因素流程圖可以看出，其中影響碳排放強(qiáng)度的因素是二氧化碳排放總量和GDP總量（經(jīng)濟(jì)總量），二者直接決定了碳排放強(qiáng)度的高低，而技術(shù)水平、環(huán)境政策、能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素也將影響碳排放強(qiáng)度的高低。同樣，通過(guò)控制碳排放強(qiáng)度影響因子反作用于能源消費(fèi)需求，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳排放總量的控制。碳排放影響因素流程圖通過(guò)一系列方程建立了各個(gè)因素之間的有機(jī)聯(lián)系，做到真正將研究對(duì)象置于系統(tǒng)之中，能使碳排放強(qiáng)度的研究結(jié)果更加精確。

碳排放因素分解－基于LMDI分解技術(shù)

模型構(gòu)建與分解技術(shù)

有關(guān)二氧化碳排放的恒等式很多，鑒于我們已通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)二氧化碳排放影響因素進(jìn)行了分析，并總結(jié)出了主要影響因素，因此我們的關(guān)注重點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)總量、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、能源利用效率和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對(duì)碳排放的影響，本文采用下述恒等式對(duì)我國(guó)二氧化碳排放軌跡進(jìn)行分析

其中，i表示第i產(chǎn)業(yè)；C表示二氧化碳排放總量，Ci表示第i產(chǎn)業(yè)的二氧化碳排放量；E和Ei分別表示能源消耗總量和第i產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)量；Q表示國(guó)民生產(chǎn)總值，Qi表示第i產(chǎn)業(yè)增加值所占比重；Ti表示第i產(chǎn)業(yè)科技投入。分別定義能源強(qiáng)度結(jié)構(gòu)因素EI=Ei/Qi；能源結(jié)構(gòu)因素ES= Ei/E；經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)因素QI= Qi/Q。

表1 2002－2012年中國(guó)產(chǎn)業(yè)碳排放因素分解

在基期和報(bào)告期的碳排放量差異可以表示為如下加法模式：

上述分項(xiàng)中分別代表能源強(qiáng)度、能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口數(shù)量、技術(shù)投入的變動(dòng)對(duì)總的排放水平的影響。

則有公式：

中國(guó)碳排放的分解

使用LMDI分解法，計(jì)算到各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)值。能源結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度、技術(shù)進(jìn)步三項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)碳排放的影響呈現(xiàn)負(fù)向驅(qū)動(dòng)。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口數(shù)量是拉動(dòng)碳排放量的主要因素（如表1所示）。

從表中可以看出能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)和能源強(qiáng)度效應(yīng)對(duì)減排也有一定的貢獻(xiàn)但是貢獻(xiàn)率不大，數(shù)據(jù)顯示從2002年到2012年分別使二氧化碳排放量減少161.26萬(wàn)t和760萬(wàn)t。能源強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也不容忽視，一直保持較高的貢獻(xiàn)份額。表1顯示，人口規(guī)模的變化和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)增加了碳排放量。人口數(shù)量的變化使碳排放量從2002年到2012年增加了1888.98萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)使碳排放增加了5839.94萬(wàn)t，成為拉動(dòng)碳排放最大的增長(zhǎng)因子；科技進(jìn)步對(duì)碳排放的增長(zhǎng)起了很大的抑制作用，雖然有波動(dòng)，但是整體呈現(xiàn)負(fù)驅(qū)動(dòng)。最后，還可以看出碳排放量在這十年間雖然也有減少，但是大部分年份都在增加，因此減排措施刻不容緩。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)影響碳排放的四大系統(tǒng)（即3E－T結(jié)構(gòu)）分別做了結(jié)構(gòu)分析。首先將每個(gè)子系統(tǒng)分解為多個(gè)因素，做出它們之間的因果反饋圖，然后找出各子系統(tǒng)的主要因子，再通過(guò)主要因子做出整體的碳排放因果反饋圖。通過(guò)總的因果反饋圖我們可以得出影響碳排放的因素經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源強(qiáng)度、能源結(jié)構(gòu)、人口總數(shù)、技術(shù)進(jìn)步等。這些都對(duì)碳排放起著代表性的作用。然后通過(guò)LMDI因素分解模型得出各因子在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)值。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)是影響能源消費(fèi)增長(zhǎng)的主要原因，無(wú)論是從國(guó)家層面還是地區(qū)層面來(lái)看，都能得出這個(gè)結(jié)論，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)要解決與能源消費(fèi)之間的平衡的問(wèn)題。北京要因地制宜，根據(jù)碳排放的特點(diǎn)制定政策，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)高效、高附加值、節(jié)能、低污染的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源消費(fèi)之間的平衡問(wèn)題。文中的數(shù)據(jù)也證實(shí)了對(duì)科技的進(jìn)步對(duì)碳排放的影響是巨大的，北京市應(yīng)加大對(duì)科技的投入，可以有效的實(shí)施節(jié)能減排。

朱莉萍 喬 鑫 楊瀚欽 周登文

1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院；2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院；4.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.003