基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的欽州港生態(tài)承載力仿真預(yù)測

馮琪 蔣惠園 謝云云 閆松銀

【摘 要】 為改善欽州港生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，分析欽州港生態(tài)承載狀況及未來發(fā)展態(tài)勢，運用系統(tǒng)動力學(xué)對欽州港生態(tài)承載力進(jìn)行仿真研究，測度其相關(guān)指標(biāo)的承載力指數(shù)，在此基礎(chǔ)上引入多情景模擬，對比欽州港在不同發(fā)展模式下的生態(tài)承載狀況。仿真結(jié)果表明：協(xié)調(diào)發(fā)展模式下的能源、水資源承載力指數(shù)略高于資源環(huán)境保護(hù)模式下的數(shù)值，但氨氮、化學(xué)需氧量、二氧化硫和氮氧化物承載力指數(shù)達(dá)到最優(yōu)，綠色GDP增速最快，未來發(fā)展態(tài)勢相對最好。對欽州港的可持續(xù)發(fā)展提出加強(qiáng)環(huán)境污染防治、提高資源利用效率等建議。

【關(guān)鍵詞】 交通運輸經(jīng)濟(jì);生態(tài)承載力;系統(tǒng)動力學(xué);欽州港;多情景分析

0 引 言

欽州港作為中西部地區(qū)的出?？?，其經(jīng)濟(jì)地位越來越顯著，不僅是欽州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龍頭，也是實現(xiàn)該區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵。但隨著欽州港貨物吞吐量不斷增加、港區(qū)規(guī)模逐漸擴(kuò)張，欽州港生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大威脅，不利于港口的可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，借助系統(tǒng)動力學(xué)模型和多情景分析方法對欽州港生態(tài)承載力進(jìn)行仿真研究，通過模擬生態(tài)環(huán)境變化趨勢，精確預(yù)測港口未來發(fā)展態(tài)勢。本研究不僅拓展了生態(tài)承載力理論的研究范疇，豐富了生態(tài)承載力理論體系，還可為欽州港可持續(xù)發(fā)展提供政策建議，具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

目前港口生態(tài)承載力的研究尚處于起步階段，如：張鳳嬌[1]從環(huán)境納污能力、資源供給能力、人類支持能力等3個方面建立港口生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系，將系統(tǒng)動力學(xué)與狀態(tài)空間法相結(jié)合構(gòu)建復(fù)合評價模型，研究某港區(qū)生態(tài)承載力發(fā)展趨勢;郭子堅等[2]選取社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和港口資源等多層面評價指標(biāo)，從港口生態(tài)供需關(guān)系的角度引入生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型對港口生態(tài)承載狀況進(jìn)行評價。綜合來看，目前對港口生態(tài)承載力的定義和影響因素尚未達(dá)成定論，亦未形成完整的理論體系和成熟的研究方法，且較多使用指標(biāo)體系法等靜態(tài)評價模型。本文采用系統(tǒng)動力學(xué)模型測度欽州港生態(tài)承載狀況，揭示海港生態(tài)系統(tǒng)過程機(jī)制及發(fā)展機(jī)理，體現(xiàn)港口生態(tài)系統(tǒng)在時間和空間尺度上的變化特點，具有一定的創(chuàng)新性。

1 欽州港生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)分析

1.1 確定指標(biāo)

結(jié)合區(qū)域生態(tài)承載力概念與欽州港發(fā)展實際，界定欽州港生態(tài)承載力內(nèi)涵，即欽州港在滿足一定條件下維護(hù)自身良好發(fā)展的能力、其生態(tài)系統(tǒng)對港口作業(yè)所產(chǎn)生污染物的容納能力和支撐欽州市人類社會經(jīng)濟(jì)活動的能力。

港口生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)（ECCI）是港口生態(tài)需求量與生態(tài)容量之間的比值，反映港口生態(tài)需求與供給的關(guān)系，計算公式為

Ek=dk / ck（1）

式中： Ek為第k個因素的生態(tài)承載力供需平衡指數(shù); dk為第k個因素的需求量; ck為第k個因素的容量或供給量， k=1，2，…，n。

由式（1）確定欽州港氨氮（NH3-N）承載力指數(shù)、能源承載力指數(shù)等相關(guān)因素的承載力指數(shù)?；贓CCI的欽州港生態(tài)承載力分級評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

從社會經(jīng)濟(jì)、港口資源和生態(tài)環(huán)境等3個層面確定測度欽州港生態(tài)承載力的指標(biāo)，其中：社會經(jīng)濟(jì)層面的測度指標(biāo)為綠色GDP，用來衡量對人類的支持能力;港口資源層面的測度指標(biāo)為能源承載力指數(shù)和水資源承載力指數(shù)，用來衡量港口維持自身發(fā)展的能力;生態(tài)環(huán)境層面的測度指標(biāo)為NH3-N承載力指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）承載力指數(shù)、二氧化硫（SO2）承載力指數(shù)和氮氧化物（NOx）承載力指數(shù)，用來衡量港口生態(tài)系統(tǒng)的納污能力。

1.2 構(gòu)建SD模型

（1）系統(tǒng)流圖。根據(jù)系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理，欽州港生態(tài)系統(tǒng)可解構(gòu)為3個子系統(tǒng)，其中：社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為欽州港發(fā)展提供資金支持和社會保障，是系統(tǒng)的發(fā)展動力;港口資源子系統(tǒng)為欽州港的生產(chǎn)活動提供資源和基礎(chǔ)設(shè)施等，是系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ);生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)為人類活動和港口生產(chǎn)提供空間，是系統(tǒng)的空間支持。為了定量描述欽州港生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展機(jī)制，設(shè)定一系列狀態(tài)變量、輔助變量、表函數(shù)等來構(gòu)建SD模型（圖1）。

（2）主要變量及方程式。欽州港生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型的主要變量說明和主要方程式見表2和表3。

通過資料收集、軟件計算、專家咨詢等方式確定相關(guān)參數(shù)。資源消耗量和單位貨物吞吐量污染物產(chǎn)生量由廣西北部灣國際港務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司和欽州海事局提供資料整理得到;欽州港SO2和NOx環(huán)境容量由《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》提出的總量控制區(qū)排放總量限值計算公式（即A值法）計算得到，分別為 t/年和 t/年;參考相關(guān)文獻(xiàn)，以欽州港水污染物的最大允許排放量作為其理想環(huán)境容量，綜合確定欽州港范圍內(nèi)NH3-N和COD理想環(huán)境容量分別為110 t/年和 t/年;通過當(dāng)?shù)刈咴L調(diào)查確定NH3-N、COD、SO2、NOx和固廢處理成本分別約為元/t、元/t、元/t、元/t、188元/t，標(biāo)準(zhǔn)煤價格為635.80元/t，水資源單位成本定為1.91元/t。

（3）模型有效性檢驗。對模型邏輯結(jié)構(gòu)的正確性及與現(xiàn)實系統(tǒng)的擬合程度進(jìn)行有效性檢驗，歷史檢驗結(jié)果為：GDP的實際值與模擬值的誤差率為Ha0.77%～4.75%，誤差率絕對值的平均值為1.07%;稅收收入實際值與模擬值的誤差率為Ha4.21%～4.25%，誤差率絕對值的平均值為1.92%;港口貨物吞吐量的誤差率為 Ha4.59%～4.37%，誤差率絕對值的平均值為2.14%。

綜上所述，經(jīng)過運行檢驗、歷史檢驗，欽州港生態(tài)承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型滿足模型仿真要求。

2 不同發(fā)展模式下的欽州港生態(tài)承載力仿真

運用SD模型對協(xié)調(diào)發(fā)展、資源環(huán)境保護(hù)、自然發(fā)展、經(jīng)濟(jì)快速增長等4種發(fā)展模式進(jìn)行多情景模擬，得出不同發(fā)展模式下綠色GDP、能源承載力指數(shù)、水資源承載力指數(shù)、NH3-N承載力指數(shù)、COD承載力指數(shù)、SO2承載力指數(shù)和NOx承載力指數(shù)的仿真值，對比分析不同發(fā)展模式，尋求最優(yōu)發(fā)展模式。

2.1 社會經(jīng)濟(jì)仿真模擬

由綠色GDP變化趨勢（圖2）可以看出：綠色GDP在協(xié)調(diào)發(fā)展、資源環(huán)境保護(hù)、自然發(fā)展、經(jīng)濟(jì)快速增長等4種發(fā)展模式下均呈增長態(tài)勢，初期在經(jīng)濟(jì)快速增長模式下增長最快，在協(xié)調(diào)發(fā)展模式下次之，最后是在自然發(fā)展模式和資源環(huán)境保護(hù)模式下;綠色GDP的增長速度在協(xié)調(diào)發(fā)展模式下加快，在經(jīng)濟(jì)快速增長模式下增速逐漸放緩;后期綠色GDP值由大到小分別為協(xié)調(diào)發(fā)展模式、自然發(fā)展模式、經(jīng)濟(jì)快速增長模式和資源環(huán)境保護(hù)模式。

2.2 資源消耗仿真模擬

（1）能源承載力。由能源承載力指數(shù)變化趨勢（圖3）可以看出：能源承載力指數(shù)在4種發(fā)展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，2010年、2011年增速明顯;在協(xié)調(diào)發(fā)展模式和資源環(huán)境保護(hù)模式下于2023年到達(dá)中壓承載，在2025年趨于穩(wěn)定，在自然發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)快速增長模式下分別于2019年、2016年達(dá)到中壓承載。

（2）水資源承載力。由水資源承載力指數(shù)變化趨勢（見圖4）可以看出：水資源承載力指數(shù)在4種發(fā)展模式下的變化趨勢與能源承載力指數(shù)變化趨勢相似;在協(xié)調(diào)發(fā)展模式和資源環(huán)境保護(hù)模式下基本穩(wěn)定在低壓承載狀態(tài)，在自然發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)快速增長模式下分別于2015年和2014年到達(dá)中壓承載。

2.3 環(huán)境污染仿真模擬

（1）NH3-N承載力。由NH3-N承載力指數(shù)變化趨勢（圖5）可以看出：NH3-N承載力指數(shù)在4種發(fā)展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，且均于2012年達(dá)到中壓承載;后期在自然增長模式和經(jīng)濟(jì)快速增長模式下逐漸達(dá)到滿載狀態(tài)，在協(xié)調(diào)發(fā)展模式和資源環(huán)境保護(hù)模式下進(jìn)入高壓承載。

（2）COD承載力。由COD承載力指數(shù)變化趨勢（圖6）可以看出：COD承載力指數(shù)在4種發(fā)展模式下的變化趨勢與NH3-N承載力指數(shù)變化趨勢相似，2011年增勢明顯;在協(xié)調(diào)發(fā)展模式、資源環(huán)境保護(hù)模式下于2015年進(jìn)入中壓承載階段后趨于穩(wěn)定;在自然發(fā)展模式下于2013年達(dá)到中壓承載，2022年達(dá)到高壓承載;在經(jīng)濟(jì)快速增長模式下于2011年達(dá)到中壓承載，2018年達(dá)到高壓承載。

（3）SO2承載力。由SO2承載力指數(shù)變化趨勢（圖7）可以看出：SO2承載力指數(shù)在4種發(fā)展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，并在2025年趨于穩(wěn)定;在協(xié)調(diào)發(fā)展模式、資源環(huán)境保護(hù)模式和自然發(fā)展模式下2016年均為低壓承載狀態(tài)，在經(jīng)濟(jì)快速增長模式下為中壓承載狀態(tài);到2025年在4種發(fā)展模式下均為中壓承載狀態(tài)。

（4）NOx承載力。由NOx承載力指數(shù)變化趨勢（圖8）可以看出：NOx承載力指數(shù)在經(jīng)濟(jì)快速增長模式和自然發(fā)展模式下呈逐年穩(wěn)定增長趨勢;在資源環(huán)境保護(hù)模式和協(xié)調(diào)發(fā)展模式下呈現(xiàn)前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢;在協(xié)調(diào)發(fā)展模式和資源環(huán)境保護(hù)模式下2016年為中壓承載狀態(tài)，到2025年仍保持在中壓承載狀態(tài);在自然發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)快速增長模式下2016年為中壓承載狀態(tài)，到2025年達(dá)到高壓承載狀態(tài)。

3 結(jié) 語

綜合分析仿真結(jié)果，可以得出：

（1）欽州市綠色GDP穩(wěn)步增長，綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢向好;能源承載力和水資源承載力目前均已達(dá)到中壓承載狀態(tài)，仍有較大承載空間，短時間內(nèi)可保證欽州港正常運轉(zhuǎn);水污染形勢較大氣污染形勢嚴(yán)峻，污染物產(chǎn)生量及存量均呈增加趨勢，2007―2025年主要測度指標(biāo)將分別由低壓承載狀態(tài)向中、高壓承載狀態(tài)轉(zhuǎn)變，環(huán)境承載空間逐漸縮小。

（2）協(xié)調(diào)發(fā)展模式下的欽州港能源承載力指數(shù)、水資源承載力指數(shù)略高于在資源環(huán)境保護(hù)模式下的數(shù)值，但NH3-N承載力、COD承載力、SO2承載力和NOx承載力等4種指數(shù)在4種發(fā)展模式中達(dá)到最優(yōu)，增幅最小，綠色GDP的增速最快，未來發(fā)展態(tài)勢最好。

（3）目前欽州港生態(tài)環(huán)境總體正常，但未來需要定期開展生態(tài)承載力動態(tài)評估分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張嬌鳳.港口生態(tài)承載力復(fù)合評價模型研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[2] 郭子堅，張嬌鳳，宋向群，等.多模式發(fā)展的港口生態(tài)承載力演變[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2017（1）：364-370.

收稿日期：2019-10-14

作者簡介：馮琪（1993―），女，助理工程師、碩士，研究方向為交通戰(zhàn)略規(guī)劃;蔣惠園（1965―），女，教授、博士，研究方向為交通運輸經(jīng)濟(jì);

謝云云（1992―），女，碩士研究生，研究方向為交通運輸經(jīng)濟(jì);閆松銀（1976―），男，高級工程師、博士，從事水運安全管理工作