(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430063)
隨著社會(huì)的進(jìn)步,城市作為一定區(qū)域內(nèi)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通中心的作用日益顯著。城市化的迅速推進(jìn)帶來(lái)交通需求的增長(zhǎng),城市機(jī)動(dòng)車(chē)出行大幅增加并逐漸占據(jù)主體地位,隨之產(chǎn)生的則是一系列交通問(wèn)題。交通擁堵、交通事故、交通污染排放等問(wèn)題給人們的生活和工作帶來(lái)了嚴(yán)重影響,這一點(diǎn)在大城市中尤為突出[1]。 近年來(lái),霧霾等城市污染問(wèn)題對(duì)人體健康產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅,人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng),城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)者以及政府決策者迫切需要制定適合本地區(qū)實(shí)際情況的科學(xué)化、生態(tài)化交通發(fā)展策略,生態(tài)文明的思想逐漸進(jìn)入人們視野[2]。
20世紀(jì)中后期,工業(yè)文明遺留的諸多問(wèn)題使人們開(kāi)始對(duì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)行反思,生態(tài)文明思想應(yīng)運(yùn)而生?!翱沙掷m(xù)發(fā)展”基本綱領(lǐng)自1987年2月首次提出以來(lái)廣泛傳播,對(duì)世界各國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[3]。在可持續(xù)發(fā)展理念的指導(dǎo)下對(duì)交通發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行全面思考,一些新的理念例如綠色交通、生態(tài)交通等逐漸引起人們關(guān)注。城市生態(tài)交通系統(tǒng)的復(fù)雜性與動(dòng)態(tài)性使得城市生態(tài)交通相關(guān)研究主要集中在理論研究與評(píng)價(jià)方面,已有研究運(yùn)用層次分析法對(duì)生態(tài)交通系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]以及將層次分析法與變異系數(shù)法相結(jié)合從主觀、客觀兩個(gè)方面對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)評(píng)價(jià)[5]。生態(tài)交通系統(tǒng)的相關(guān)理論與實(shí)現(xiàn)途徑不斷被討論研究[6]。
近年來(lái),為了使城市交通發(fā)展更加生態(tài)化,新技術(shù)不斷被應(yīng)用到城市交通系統(tǒng)中,新政策不斷出臺(tái),但城市交通的污染問(wèn)題、擁堵問(wèn)題依然存在。從系統(tǒng)的角度出發(fā)對(duì)城市生態(tài)交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,通過(guò)分析城市生態(tài)交通系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),構(gòu)建合理的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行有效地模擬,能夠?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)交通發(fā)展政策的制定提供一定依據(jù)。
19世紀(jì)中期,生態(tài)學(xué)的概念首次被提出:生態(tài)學(xué)是研究生物體與其周?chē)h(huán)境(包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境)相互關(guān)系的科學(xué)。研究的相關(guān)成果被用來(lái)指導(dǎo)人與生態(tài)圈的協(xié)調(diào)發(fā)展[7],為后來(lái)一系列生態(tài)相關(guān)的研究奠定了寶貴的理論基礎(chǔ)。生態(tài)學(xué)自創(chuàng)立之初始終被認(rèn)為是一門(mén)描述性科學(xué),定量方法只能運(yùn)用于個(gè)體,不能運(yùn)用于群體。但隨著科學(xué)新技術(shù)的引入以及數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的不斷發(fā)展,群體生態(tài)學(xué)的研究逐漸進(jìn)入了定量化階段,系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、定量生態(tài)學(xué)等生態(tài)學(xué)新領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。
城市化的加速發(fā)展導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量急劇增長(zhǎng),因此導(dǎo)致的資源開(kāi)采過(guò)度、城市環(huán)境污染加重等問(wèn)題迅速改變著人類(lèi)自身的生存環(huán)境,將生態(tài)理念作為指導(dǎo)理念引入城市交通的規(guī)劃與發(fā)展,由此提出生態(tài)交通的發(fā)展理念,將有助于城市交通污染問(wèn)題的控制和解決[8]。
1971年,聯(lián)合國(guó)教科文組織提出了生態(tài)城市的規(guī)劃理念并對(duì)此進(jìn)行了具體闡述:“生態(tài)城市規(guī)劃就是從自然生態(tài)和社會(huì)心理兩方面創(chuàng)造的充分融合技術(shù)和自然的最佳人類(lèi)活動(dòng)環(huán)境,誘導(dǎo)人的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力,提供高水平的物質(zhì)和生活方式”。此后,生態(tài)城市理論及實(shí)踐研究逐漸成為城市規(guī)劃領(lǐng)域的熱點(diǎn)。交通常被比作城市的經(jīng)濟(jì)動(dòng)脈,對(duì)一個(gè)城市的發(fā)展至關(guān)重要。生態(tài)城市的概念提出后,交通領(lǐng)域的許多學(xué)者開(kāi)始研究如何在生態(tài)城市理念下更好地規(guī)劃交通建設(shè),而后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘猩鷳B(tài)交通系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)城市交通規(guī)劃理論是以自我為中心,研究物質(zhì)層面交通系統(tǒng)的發(fā)展,城市生態(tài)交通規(guī)劃理論則是從生態(tài)整體進(jìn)行規(guī)劃,強(qiáng)調(diào)與自然協(xié)調(diào)共生;傳統(tǒng)城市交通規(guī)劃理論側(cè)重于形體與經(jīng)濟(jì),以效益最大化為原則,而城市生態(tài)交通規(guī)劃側(cè)重于人與自然,注重環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。
在整合相關(guān)理論成果的基礎(chǔ)上提出城市生態(tài)交通系統(tǒng)的概念:借鑒自然生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行方式,著眼于交通系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益,按照生態(tài)原理進(jìn)行規(guī)劃和管理的資源利用率高、污染廢棄物少,與城市生態(tài)環(huán)境有長(zhǎng)期適應(yīng)性的可持續(xù)型高效交通體系。城市生態(tài)交通系統(tǒng)通過(guò)分析與研究城市交通系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中與生態(tài)有關(guān)的環(huán)節(jié),使交通發(fā)展不僅能支撐和引導(dǎo)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而且能與周?chē)鷳B(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,甚至改善周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境[9]。城市生態(tài)交通致力于實(shí)現(xiàn)包括生態(tài)效率在內(nèi)的綜合效率最大化,倡導(dǎo)低碳、綠色、生態(tài)的理念,使交通發(fā)展被約束在生態(tài)環(huán)境的承載能力之內(nèi)。
以往城市交通系統(tǒng)框架研究主要從經(jīng)濟(jì)、交通工具、交通設(shè)施、居民出行等方面入手,以人為主體,側(cè)重于滿足交通需求,未考慮交通發(fā)展可能給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響。而生態(tài)交通更多的是以自然為主體,強(qiáng)調(diào)交通與自然的和諧發(fā)展,突出生態(tài)環(huán)境的制約作用,與傳統(tǒng)交通相比,生態(tài)交通更注重資源的合理利用與環(huán)境保護(hù)。因而在進(jìn)行城市生態(tài)交通系統(tǒng)框架研究時(shí),需將生態(tài)要素考慮其中,從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā),將其分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、車(chē)-路子系統(tǒng)、生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng),如圖1所示。
交通行業(yè)在一定程度上與其他產(chǎn)業(yè)類(lèi)似,同樣具有局限性與短視性。傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車(chē)在發(fā)明之初滿足了出行需求,但后期發(fā)展沒(méi)有一定的規(guī)劃,導(dǎo)致交通污染已對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。自然界生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上億年的演化,系統(tǒng)內(nèi)的廢棄物是循環(huán)利用的。受自然生態(tài)系統(tǒng)的啟發(fā),城市交通系統(tǒng)如果也能在提高資源利用率的同時(shí)減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生,則更加有利于其自身的可持續(xù)發(fā)展。城市生態(tài)交通系統(tǒng)的具體特點(diǎn)如下:
(1)生態(tài)化。傳統(tǒng)交通的發(fā)展側(cè)重于滿足居民出行需求,生態(tài)交通則更加關(guān)注交通發(fā)展過(guò)程中與環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)性以及生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。生態(tài)交通發(fā)展模式考慮交通發(fā)展過(guò)程中可能存在的潛在影響,重視再循環(huán)技術(shù)的研究與使用,力求交通發(fā)展在滿足居民出行需求的同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響。
(2)全過(guò)程化。傳統(tǒng)交通治理污染的方式主要從末端治理,設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),注重污染治理效果。而城市生態(tài)交通追求的是交通的可持續(xù)發(fā)展,關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和交通發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。目前許多國(guó)家采用達(dá)標(biāo)計(jì)劃治理交通污染并取得了一定效果,但其不具有系統(tǒng)性,因而在復(fù)雜系統(tǒng)中達(dá)標(biāo)計(jì)劃無(wú)法產(chǎn)生顯著效果。與傳統(tǒng)交通規(guī)劃不同,在進(jìn)行城市生態(tài)交通的規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)生命周期的影響,不再只考慮某一階段或者局部的影響。
(3)系統(tǒng)化。由運(yùn)輸對(duì)象、運(yùn)輸工具、交通設(shè)施組成的城市交通系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng),具體可劃分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、車(chē)-路子系統(tǒng)、生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng)。城市生態(tài)交通系統(tǒng)在傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增了生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng),并且注重各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展。
圖1 城市生態(tài)交通系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)
“十二五”期間是武漢市交通發(fā)展速度最快、交通投資規(guī)模最大的五年。武漢市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量在2016年已超過(guò)230萬(wàn)輛。隨著武漢市機(jī)動(dòng)化的不斷提高、交通大建設(shè)時(shí)期的占道等影響,交通擁堵、交通污染等問(wèn)題日益加劇。武漢市PM2.5本地排放源中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣貢獻(xiàn)率已達(dá)到27%,僅次于工業(yè)排放。為此武漢市近幾年不斷加大城市交通綠化投入,將全市1 732條城市道路列入綠化養(yǎng)護(hù)管理,建成區(qū)綠化覆蓋率達(dá)到39%,森林覆蓋率達(dá)到22%。
依據(jù)文中所構(gòu)建城市生態(tài)交通系統(tǒng)框架,結(jié)合武漢城市生態(tài)交通發(fā)展現(xiàn)狀,分別從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、車(chē)-路、生態(tài)目標(biāo)三個(gè)方面進(jìn)行影響因素分析。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面看,城市交通發(fā)展與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平息息相關(guān),因此將城市GDP作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)關(guān)鍵要素進(jìn)行研究,而人作為交通工具的服務(wù)主體也應(yīng)作為主要影響因素納入系統(tǒng)進(jìn)行考慮。由于武漢市流動(dòng)人口占總?cè)丝诒戎剌^大,應(yīng)當(dāng)分別考慮常住人口與流動(dòng)人口對(duì)交通出行的影響;在車(chē)-路子系統(tǒng)中,機(jī)動(dòng)車(chē)由于其保有量多,對(duì)城市環(huán)境影響大的特點(diǎn),將其作為主要因素進(jìn)行考慮。與私家車(chē)相比,公共交通具有污染少、資源利用率高的特點(diǎn),符合生態(tài)交通的內(nèi)涵,因而公共交通是城市生態(tài)交通系統(tǒng)的重要內(nèi)容。近幾年武漢市軌道交通高速發(fā)展,軌道交通客運(yùn)總量從2012年的8 000萬(wàn)人次發(fā)展至2016年的7億人次,軌道交通已經(jīng)成為目前武漢市居民出行的重要選擇。因此將軌道交通相關(guān)的發(fā)展要素納入車(chē)-路子系統(tǒng)進(jìn)行具體考慮。在生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng)中,污染排放減少、環(huán)境質(zhì)量改善是城市生態(tài)交通發(fā)展的落腳點(diǎn)之一,因而將機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放與綠化水平作為主要考慮因素。針對(duì)各子系統(tǒng)中關(guān)鍵影響因素進(jìn)行深入分析,為武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)SD模型變量選取提供依據(jù)。
模型地理邊界為武漢市,時(shí)間邊界為2001-2030年。模型外生變量為時(shí)間、交通發(fā)展政策以及部分由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)決定的交通變量。在對(duì)武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)影響分析的基礎(chǔ)上,篩選出子系統(tǒng)內(nèi)主要變量,見(jiàn)表1。
表1 子系統(tǒng)劃分及其主要變量
城市生態(tài)交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的交通需求增加刺激了機(jī)動(dòng)車(chē)的發(fā)展,由此產(chǎn)生的環(huán)境污染又抑制了人口的增長(zhǎng)。而新能源汽車(chē)、軌道交通的發(fā)展在滿足交通需求的同時(shí)減少了交通發(fā)展對(duì)環(huán)境的污染,具體因果關(guān)系如圖2所示。
圖2 武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)主要變量因果關(guān)系
由圖2可以看出,主要的反饋環(huán)如下:
人口→交通需求→交通投資→交通供給→居民滿意度→交通投資,這是一個(gè)負(fù)反饋。
人口→交通需求→交通投資→傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量→環(huán)境污染→人口,這是一個(gè)負(fù)反饋。
人口→交通需求→交通投資→新能源汽車(chē)車(chē)保有量→環(huán)境污染→人口,這是一個(gè)正反饋。
人口→交通需求→交通投資→軌道交通線路通車(chē)?yán)锍獭h(huán)境污染→人口,這是一個(gè)正反饋。
環(huán)境污染→居民滿意度→環(huán)保投入→環(huán)境污染,這是一個(gè)負(fù)反饋。
在確定變量性質(zhì)的基礎(chǔ)上,根據(jù)因果關(guān)系圖,利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim建立武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)存量流量圖,如圖3所示。
針對(duì)表1所提供的主要變量,根據(jù)其類(lèi)型建立對(duì)應(yīng)方程,主要包括狀態(tài)變量方程、速率方程、輔助變量方程三類(lèi)。將各主要變量方程按其所屬子系統(tǒng)進(jìn)行整理如下:
(1)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)
其中,GDP.K為城市GDP在K時(shí)刻的累積量,GDP.J為GDP在J時(shí)刻的初始量,DT為J時(shí)刻到K時(shí)刻所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
式(4)中M為公共交通統(tǒng)計(jì)人口中戶籍人口所占比重,N為公共交通統(tǒng)計(jì)人口中流動(dòng)人口所占比重。
(2)車(chē)-路子系統(tǒng)
(3)生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng)
式(11)中X為環(huán)保投入轉(zhuǎn)化系數(shù)。
參數(shù)設(shè)置是應(yīng)用存量流量圖進(jìn)行模擬分析之前的必要步驟,對(duì)于無(wú)法通過(guò)文獻(xiàn)獲取的參數(shù),本文采用時(shí)間序列、回歸分析等方法結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行估計(jì),在此基礎(chǔ)上得出各子系統(tǒng)主要變量相關(guān)參數(shù),見(jiàn)表2。
圖3 武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)存量流量圖
表2 主要變量相關(guān)參數(shù)設(shè)置
以武漢市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)作為對(duì)比參照,對(duì)可獲得歷史數(shù)據(jù)的主要變量進(jìn)行誤差分析,所得結(jié)果見(jiàn)表3。
從數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果中可以看出,除機(jī)動(dòng)車(chē)氮氧化物排放量模擬誤差接近10%外,其余主要變量模擬誤差均在5%以下,模型準(zhǔn)確度符合實(shí)際模擬需要。
表3 主要變量有效性檢驗(yàn)
由于篇幅限制,SD模型中主要變量、參量及狀態(tài)方程確定的方法,以及仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)后續(xù)論文。本文僅給出通過(guò)政策模擬結(jié)果分析得出的基本結(jié)論:
(1)機(jī)動(dòng)車(chē)限購(gòu)政策可以從根源上減少機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染,但居民的出行需求屬于硬性需求,必須有相應(yīng)的替代方案來(lái)解決居民的出行問(wèn)題。與此同時(shí)需要提高環(huán)保監(jiān)管能力,綜合運(yùn)用行政、法律、經(jīng)濟(jì)等多種手段對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放進(jìn)行治理。
(2)從目前武漢市的新能源汽車(chē)的保有量及投入力度來(lái)看,到2030年可以達(dá)到的污染防治效果并不理想,需進(jìn)一步加大對(duì)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的投入。與此同時(shí)加大新能源汽車(chē)的推廣力度,使更多企業(yè)參與其中。
(3)武漢市軌道交通投入的提高可以達(dá)到預(yù)期的分擔(dān)率并起到一定的污染防治效果。但目前武漢市軌道交通部分線路存在客流量居高不下的情況,大大降低了軌道交通的舒適度。
(4)生態(tài)交通是城市交通未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),高污染、低資源利用率的交通工具將被環(huán)保、高效的新型交通工具所取代。以新能源汽車(chē)及軌道交通為代表的新型交通出行方式,將逐步取代傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車(chē)在人們?nèi)粘3鲂羞x擇中的地位。
傳統(tǒng)交通發(fā)展的環(huán)境保護(hù)措施側(cè)重于污染的治理效果,隨著生態(tài)交通理論的逐漸發(fā)展,交通環(huán)境保護(hù)應(yīng)圍繞交通規(guī)劃整個(gè)生命周期,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的環(huán)境管理。與以往城市交通發(fā)展SD模型相比,本文所構(gòu)建的武漢城市生態(tài)交通系統(tǒng)SD模型在生態(tài)層面考慮更為全面:將新能源汽車(chē)、軌道交通等環(huán)保出行方式納入車(chē)-路系統(tǒng)中進(jìn)行綜合考慮,從數(shù)量、結(jié)構(gòu)、時(shí)空搭配等方面模擬新舊出行方式所占比例變化可能帶來(lái)的影響,為相關(guān)政策的制定提供依據(jù)。不足之處在于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)要素考慮較為簡(jiǎn)略,另外在生態(tài)目標(biāo)子系統(tǒng)中,由于現(xiàn)有研究資料的缺乏,要素設(shè)置主要從武漢市現(xiàn)有數(shù)據(jù)入手,具有一定的主觀性,在今后研究中需要尋找更加科學(xué)、合理的依據(jù)作為支撐。
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