肇慶生態(tài)城市建設(shè)路徑系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究

紀(jì)廣月

（廣東工商職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 肇慶 526020）

0 引言

近幾年來，隨著我國城市化的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題已成為越來越突出的社會問題.生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為制約中國城市化發(fā)展的主要因素之一.作為珠三角主要城市的肇慶隨著城市化的發(fā)展，環(huán)境問題日趨突出，已影響到了肇慶的可持續(xù)發(fā)展.面對生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢，生態(tài)城市建設(shè)顯得尤為重要，需對肇慶生態(tài)城市建設(shè)作進一步的探討，尋求一條建設(shè)生態(tài)城市有效道路.肇慶生態(tài)城市建設(shè)路徑研究能夠為肇慶生態(tài)城市建設(shè)提供決策依據(jù)，對把肇慶建成宜居生態(tài)城和肇慶的可持續(xù)發(fā)展具有很強的理論和現(xiàn)實意義.

生態(tài)城市系統(tǒng)[1]是由人口、社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等五個相互區(qū)別又相互聯(lián)系的子系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成的體系，在研究方法上，主要有灰色預(yù)測和神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合的預(yù)測方法[2]、主成分分析法[3]、層次分析法[4]等.目前，已有學(xué)者對云南玉溪市、湖南衡陽、天津市、青島市、杭州市等地[5-10]的城市生態(tài)建設(shè)路徑進行了研究，但鮮有利用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對城市生態(tài)建設(shè)路徑進行研究.系統(tǒng)動力學(xué)方法主要依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部諸因素之間形成的各種反饋環(huán)進行建模，同時搜集與系統(tǒng)行為有關(guān)的數(shù)據(jù)進行仿真.

本文根據(jù)肇慶生態(tài)城市發(fā)展現(xiàn)狀，采用系統(tǒng)動力學(xué)方法[11]，構(gòu)建肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)動力學(xué)模型，并利用此模型對肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對不同路徑進行分析，最后選取肇慶生態(tài)城市建設(shè)最優(yōu)路徑.為肇慶市及其他城市的生態(tài)城市建設(shè)提供理論依據(jù).

1 肇慶生態(tài)城市發(fā)展現(xiàn)狀分析

截至2016年，肇慶市經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境等方面存在的問題如下：經(jīng)濟方面，從數(shù)據(jù)上看，肇慶市經(jīng)濟發(fā)展從較高速的增長期，逐漸轉(zhuǎn)入中高速增長周期，GDP增速存在明顯放緩的跡象，并且區(qū)域發(fā)展不平衡；社會方面，由于肇慶市公共服務(wù)供給總量不足，并且均等化水平較低，因此造成民生建設(shè)存在不少短板；資源方面，2016年總用水量19.19億立方米，同比下降6%.全年單位GDP能耗下降5.35%.規(guī)模以上工業(yè)綜合能源消費量為601.48萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤（當(dāng)量值），累計下降5.00%.全社會用電量159.31億千瓦時，增長4.6%.環(huán)境方面，可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮三項指標(biāo)均達到國家大氣環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)；全市主要江河湖庫水環(huán)境質(zhì)量保持優(yōu)良，全市平均灰霾天氣日數(shù)49天，比上年減少11天.2016年城鎮(zhèn)污水處理率達88.4%；全市森林覆蓋率達到70.56%.全市共有國家級自然保護區(qū)1個，面積1155公頃.人均公園綠地面積26.74平方米[12].環(huán)境治理雖然取得了一定成績，但是還存在著部分環(huán)境難點問題亟待解決，相比省內(nèi)其他城市，肇慶市空氣質(zhì)量在全省排名仍然靠后.

2 肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)構(gòu)成及各子系統(tǒng)的構(gòu)成要素

生態(tài)城市系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)，根據(jù)生態(tài)學(xué)理論[13]，可以把肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)劃分為五個子系統(tǒng)，分別為：人口子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng).圖1為肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)的組成內(nèi)容和形式.

圖1 肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)組成及相應(yīng)構(gòu)成要素，分別選擇各子系統(tǒng)的變量.變量指標(biāo)體系是由各子系統(tǒng)的狀態(tài)變量、速率變量和其他變量構(gòu)成，構(gòu)成見表1.

表1 各子系統(tǒng)變量指標(biāo)體系

續(xù)表

3 流程圖的繪制及系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建和檢驗

3.1 繪制系統(tǒng)流程圖見圖2.

圖2 肇慶生態(tài)城市建設(shè)流程

3.2 根據(jù)所選取的各子系統(tǒng)相關(guān)變量，構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型

根據(jù)對肇慶生態(tài)城市建設(shè)系統(tǒng)的研究，按照各子系統(tǒng)中的變量得出的主要方程如下：

1）GDP＝INTEG（GDP 增長量，2084）

2）GDP增長量＝GDP*GDP增長率

3）二氧化硫排放減少量＝工業(yè)煙（粉）塵去除率＋污染治理資金/1500

4）二氧化硫排放增加量＝工業(yè)二氧化硫*0.08

5）二氧化硫排放總量＝INTEG（二氧化硫排放增加量-二氧化硫排放減少量，

6）人均GDP＝GDP/總?cè)丝?/p>

7）人均公共綠地面積＝林地面積/總?cè)丝?/p>

8）人均水資源蘊藏量＝水力資源蘊藏量/總?cè)丝?/p>

9）人均耕地面積＝耕地面積/總?cè)丝?/p>

10）億元GDP固體廢物排放量＝工業(yè)固體產(chǎn)生總量/GDP

11）千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)＝總?cè)丝?1000＋1

12）單位GDP能耗＝能源消耗總量/GDP

13）工業(yè)COD＝廢水中COD排放總量*1.7

14）工業(yè)固體產(chǎn)生總量＝INTEG（工業(yè)固體廢物增加量-工業(yè)固體廢物減少量，200）

15）工業(yè)固體廢物減少量＝工業(yè)固體廢物處置率＋工業(yè)固體廢物綜合利用率＋污染治理資金/300

16）工業(yè)固體廢物增加量＝工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量*0.1

17）工業(yè)廢氣排放減少量＝污染治理資金/200

18）工業(yè)廢氣排放增加量＝（工業(yè)煙（粉）塵排放量+工業(yè)氮氧化物+氮氧化物排放總量）*1.2

19）工業(yè)廢氣排放總量＝INTEG（工業(yè)廢氣排放增加量-工業(yè)廢氣排放減少量，350）

20）廢水中COD排放減少量＝污染治理資金/100

21）廢水中COD排放增加量＝廢水中氨氮排放總量*1.3

22）廢水中COD排放總量＝INTEG（廢水中COD排放增加量-廢水中COD排放減少量，360）

23）廢水排放總量＝INTEG（廢水排放總量增加量-廢水排放總量減少量，120）

24）廢水排放總量減少量＝污染治理資金/50

25）廢水排放總量增加量＝工業(yè)廢水＋工業(yè)氨氮*1.6

26）總?cè)丝冢絀NTEG（自然增長量，402）

27）林地面積＝INTEG（林地面積增加量，1500）

28）林地面積增加量＝林地面積增加速率*林地面積

29）水力資源蘊藏增加量＝水資源蘊藏量增加速率*水力資源蘊藏量-第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值*0.04

30）水力資源蘊藏量＝INTEG（水力資源蘊藏增加量，1000）

31）污染治理資金＝GDP*環(huán)保投入占GDP比例

32）環(huán)保投入占GDP比例＝（億元GDP固體廢物排放量＋單位GDP能耗）/4

33）第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值＝GDP*第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例

34）第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值＝GDP*第二產(chǎn)業(yè)占GDP比例

35）耕地面積＝INTEG（耕地面積增加量，2000）

36）耕地面積增加量＝耕地面積*耕地面積增加速率

37）能源消耗增長量＝能源消耗總量*能源消耗增長率

38）能源消耗總量＝INTEG（能源消耗增長量，2500）

39）自然增長率＝（人口遷入率＋出生率-人口遷出率-死亡率）

40）自然增長量＝總?cè)丝?自然增長率

41）高校在校學(xué)生人數(shù)＝總?cè)丝?4‰＋8000

3.3 構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型的檢驗

在進行分析之前，需要分析所建模型的精確度及有效性，因此對模型進行檢驗.本文從系統(tǒng)中選取GDP、高校在校人數(shù)、總?cè)丝?、耕地面積、二氧化硫排放總量作為檢驗變量對象，對其相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（2005-2010年）進行模擬分析，比較統(tǒng)計數(shù)據(jù)與模擬值的偏差，并同時計算相對誤差，具體數(shù)值見表2.

表2 各檢驗變量的統(tǒng)計值、模擬值及誤差統(tǒng)計

用Vensim軟件對GDP、高校在校人數(shù)、總?cè)丝?、耕地面積、二氧化硫排放總量等5個主要變量進行情景模擬，并同時對比真實的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到的誤差率均在10%以內(nèi)，系統(tǒng)動力學(xué)模型允許誤差范圍為15%，誤差較小，因此本模型通過了系統(tǒng)模型有效性檢驗.該模型與肇慶市生態(tài)城市系統(tǒng)有很好的擬合度，可以作為預(yù)測肇慶市未來生態(tài)城市系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r的仿真模型.本文所建的系統(tǒng)模型易于理解和操縱，而且魯棒性強，受到建模數(shù)據(jù)噪音和系統(tǒng)運行狀態(tài)的干擾較小，得到的結(jié)論具有真實可信的特點.

4 肇慶生態(tài)城市建設(shè)路徑系統(tǒng)動力學(xué)仿真調(diào)控

由肇慶于生態(tài)城市規(guī)劃期限為2005～2020年，為了能夠同步、更加真實的對肇慶生態(tài)城進行系統(tǒng)動力學(xué)仿真，本文設(shè)定系統(tǒng)運行時間邊界為2005～2020年，并以2005年為模擬的基期，時間步長為1年.

根據(jù)肇慶生態(tài)城市建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合肇慶實際情況設(shè)定路徑，通過對肇慶生態(tài)城市系統(tǒng)進行仿真，得到不同路徑下主要變量及子系統(tǒng)的仿真結(jié)果，并根據(jù)仿真結(jié)果對不同路徑進行分析，最后選取最優(yōu)路徑.

本文根據(jù)肇慶市統(tǒng)計年鑒、環(huán)境公報、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、相關(guān)政府性文件，以及肇慶市生態(tài)城市建設(shè)實際情況的數(shù)據(jù)資料，選擇工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量、環(huán)保投入占GDP系數(shù)、第二產(chǎn)業(yè)占GDP比例、工業(yè)固體廢物處置率、能源消耗增長率、氮氧化物排放總量影響因子等指標(biāo)作為調(diào)控參量進行模擬調(diào)控，提出4種不同的建設(shè)路徑，分別為經(jīng)濟高效型路徑（路徑1）、環(huán)保型路徑（路徑2）、傳統(tǒng)型路徑（路徑3）、及經(jīng)濟-環(huán)保和諧型路徑（路徑4）.通過模擬預(yù)測，得到不同建設(shè)路徑下生態(tài)城市未來發(fā)展情況.結(jié)合肇慶生態(tài)城市建設(shè)現(xiàn)狀，設(shè)置4種建設(shè)路徑對應(yīng)的調(diào)控參數(shù)見表3.

表3 四種情景下的調(diào)控參數(shù)

在確定4種不同的研究情景條件下，本文選擇總?cè)丝?、人均GDP、千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)、人均水資源蘊藏量、億元GDP固體廢物排放量等5個具有生態(tài)城市研究代表性的變量對肇慶生態(tài)城市建設(shè)路徑進行仿真，圖3～圖7為仿真結(jié)果.

圖3 總?cè)丝跀?shù)在4種路徑下的仿真結(jié)果

圖4 人均GDP在4種路徑下的仿真結(jié)果

圖5 千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)在4種路徑下的仿真結(jié)果

圖6 人均水資源蘊藏量在4種路徑下的仿真結(jié)果

圖7 億元GDP固體廢物排放量在4種路徑下的仿真結(jié)果

5 結(jié)果分析

由圖3可知，方案1、方案2、方案4中總?cè)丝跀?shù)隨時間的推移呈上升趨勢，方案4總?cè)丝跀?shù)增幅最大，更有利于總?cè)丝跀?shù)的增長，方案3中總?cè)丝跀?shù)基本保持不變.這是因為方案1、2、4能夠顯著提升生態(tài)城市的人口包含量，從而使得城市人口逐漸上升.圖4表明，從人均GDP來看，方案1、方案2和方案4均隨時間的推移呈上升趨勢，方案4和方案1由于生產(chǎn)科技水平較高，上升速度明顯快于方案2和方案3.因此，方案1和方案4更有利于提高肇慶市的人均GDP值.其中方案1、4在情景設(shè)定中明顯對于城市經(jīng)濟發(fā)展有促進作用，因此能夠超越方案2、3的GDP值.通過圖5的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案3中千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)隨時間推移基本保持不變，方案1和方案4由于教育投入較大，千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)隨時間的推移呈上升趨勢.因此，方案1和方案4更有利于肇慶市教育水平的提高.這是由于方案1、4在經(jīng)濟上能夠更好促進城市的發(fā)展，而城市教育水平與城市的經(jīng)濟水平通常呈正相關(guān)，因此使得方案1、4對于教育水平的貢獻更加明顯.

由圖6可知，調(diào)控表3中6個因子對人均水資源量的影響較大，其中方案1、方案2和方案4人均水資源蘊藏量有明顯的上升趨勢，方案4在2012年后人均水資源蘊藏量迅速增加，而方案3隨時間的推移增幅最小.因此，方案3更有利于肇慶市水資源的可持續(xù)發(fā)展.這是因為方案3在城市生態(tài)環(huán)境保護方面更加明顯，因此使得人均水資源蘊藏量有著較高水平的保持.由圖7可知，4種方案中，億元GDP固體廢物排放量均隨時間的推移呈下降趨勢，方案4和方案2由于水處理技術(shù)因子較高，下降速度明顯高于方案1和方案3，因此方案4和方案2更有利于肇慶市水污染的預(yù)防和治理.肇慶工業(yè)廢氣排放量的變化主要受經(jīng)濟增長的影響，廢氣排放量為肇慶經(jīng)濟增長變化的主要影響因素.經(jīng)濟增長將導(dǎo)致環(huán)境污染物增加，但肇慶市生態(tài)環(huán)境較為優(yōu)越，故肇慶市要以服務(wù)型行業(yè)譬如生態(tài)旅游等行業(yè)為依托，同時經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護并重，切忌走“先污染后治理”的老路.

綜上所述，方案4中總?cè)丝跀?shù)、人均GDP、千人擁有衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)、人均水資源蘊藏量隨時間推移呈上升趨勢，億元GDP固體廢物排放量呈下降趨勢，方案4下降幅度最大，綜合考慮各方面因素，結(jié)合肇慶市實際發(fā)展情況，方案4更有利于肇慶市建設(shè)生態(tài)城市，即經(jīng)濟-環(huán)保和諧型路徑能夠更加有成效的保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展.

6 政策建議

根據(jù)生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)[14]，肇慶市應(yīng)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，構(gòu)建綠色發(fā)展秩序，踐行綠色發(fā)展理念.第一，全面節(jié)約資源有效推進，全力打好污染防治攻堅戰(zhàn)；第二，不斷優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，力爭使肇慶市城區(qū)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)在全省排名靠前，提高森林覆蓋率、水環(huán)境；第三，新舊動能持續(xù)轉(zhuǎn)換，綠色發(fā)展，提升碳匯能力、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu).生態(tài)文明強調(diào)經(jīng)濟發(fā)展，又強調(diào)生態(tài)環(huán)境的保護，努力協(xié)調(diào)兩者間的關(guān)系，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展；第四，提高全市森林覆蓋率；第五，垃圾處理分類工作，提高垃圾處理無害化比率.

生態(tài)城市系統(tǒng)是一個復(fù)雜抽象的大系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的影響因素眾多，為了有重點的研究肇慶市生態(tài)城市的發(fā)展，本文重點考慮了經(jīng)濟、社會、人口、資源、環(huán)境這五大因素，從而通過研究找到對生態(tài)城市建設(shè)最重要的影響因素.同時，由于氣候、科技、政策等其它影響因素也在一定程度上影響著生態(tài)城市的建設(shè)，因此在以后的研究中需要加以考慮.