資源環(huán)境約束下山東省高質(zhì)量發(fā)展模式情景模擬

張 馨 朱曉偉 秦曉敏 張寶雷

( 1)山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院, 250358，濟南; 2)山東省土地儲備中心,250014，濟南; 3)山東省土地調(diào)查規(guī)劃院,250014，濟南 )

1 引 言

資源環(huán)境約束下區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展是一個古老而嶄新的課題.我國經(jīng)過40年的高速增長，國家現(xiàn)代化發(fā)展面臨著來自資源環(huán)境保障方面越來越大的壓力[1].山東省是我國的縮影，山東省作為中國經(jīng)濟大省、工業(yè)大省、人口大省，擁有優(yōu)越的資源環(huán)境基礎(chǔ)，然而，山東省資源環(huán)境總損失占GDP的比重為9.28%，屬于資源環(huán)境成本高投入省份[2].為了緩解資源環(huán)境的壓力，山東省面臨著發(fā)展速度的選擇.習(xí)近平總書記在山東考察時，提出了“扎實推動高質(zhì)量發(fā)展”的要求.對此，山東省經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展需要在資源環(huán)境的約束下，尋找最適宜的經(jīng)濟增長速度和轉(zhuǎn)型發(fā)展模式.

關(guān)于發(fā)展與資源環(huán)境的研究一直是地理學(xué)界關(guān)注的熱點之一[3]，從早期基于因果關(guān)系定量評價[4]、到計量地理學(xué)藕合協(xié)同發(fā)展論[5]，再到經(jīng)濟增長與資源環(huán)境要素相互作用關(guān)系模擬[6]，都取得了大量成果.當(dāng)前，較為流行的方法有物質(zhì)流分析方法和生態(tài)足跡法[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[8]、信息熵[9]、 層次分析法[10]等.然而，這些方法將區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境要素割裂，忽略了要素之間的相互影響和反饋.系統(tǒng)動力學(xué)以控制論為基礎(chǔ)，并通過計算機模擬分析要素間相互作用下的系統(tǒng)狀態(tài)變化趨勢，適合于定量研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時間變化的問題[11,12]，近年來被廣泛應(yīng)用到區(qū)域發(fā)展研究中.蒯鵬等人[13]以山西省臨汾市為例，構(gòu)建了包括經(jīng)濟、能源、污染物排放三個子系統(tǒng)的城市可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型，模擬了節(jié)能減排對可持續(xù)發(fā)展的影響；孫玉環(huán)等人[14]以大連市為例，從經(jīng)濟、社會、自然三方面出發(fā)，同時引入科技和教育系統(tǒng)，分析人類主體在可持續(xù)發(fā)展中的影響；牛方曲等人[15]從人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟、水資源、土地利用等模塊，研究影響乃至決定中國經(jīng)濟增長的資源環(huán)境支撐系統(tǒng)以及建立在這之上的發(fā)展模式，對中國資源環(huán)境狀態(tài)和發(fā)展?fàn)顟B(tài)做出預(yù)警.縱觀應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行的城市發(fā)展的研究，以城市可持續(xù)發(fā)展研究的內(nèi)容較多，資源環(huán)境對經(jīng)濟社會約束沒有進(jìn)行量化估計，不同時期合理的經(jīng)濟增長速度關(guān)注較少.鑒于此，利用Vensim DSS軟件構(gòu)建山東省資源環(huán)境約束下的系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展模型，仿真模擬2019-2030年期間不同發(fā)展速度下的人口、社會經(jīng)濟、環(huán)境、土地利用、資源的發(fā)展變化趨勢，并試圖找出適宜山東省經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的經(jīng)濟增長速度和發(fā)展模式.

2 研究方法

2.1 模型及數(shù)據(jù) 系統(tǒng)動力學(xué)模型(System Dynamics, SD)適合于模擬真實世界非線性變化過程[11,12]，資源環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展正是一個相互影響相互作用的非線性變化系統(tǒng).因此，本文構(gòu)建山東省資源環(huán)境約束下的系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展模型，模擬山東省社會經(jīng)濟與資源環(huán)境要素的相互作用過程，探索適宜的發(fā)展速度和發(fā)展模式.模型以2019年為基年，逐年預(yù)測直至2030年的情況，其中2013-2018年為模型運行和實際情況的檢驗?zāi)晗蓿源丝纱_定相關(guān)參數(shù)；2019-2030年為系統(tǒng)仿真的預(yù)測年限，模型仿真步長為1年；軟件平臺采用Vensim DSS.本研究的數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《山東省統(tǒng)計年鑒》和《山東省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》.

2.2山東省資源環(huán)境約束下的系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展模型構(gòu)建社會經(jīng)濟系統(tǒng)范疇很廣，包括資源承載力系統(tǒng)、可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)、區(qū)域產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)等耦合系統(tǒng)[16].程葉青等人[17]將該模型的邊界進(jìn)一步具體化，將系統(tǒng)設(shè)定為人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟子系統(tǒng)的組合.由于水資源和土地資源是資源的基礎(chǔ)，因此本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，借鑒牛方曲和孫東琪設(shè)定的系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，SD)模型[15]，考慮數(shù)據(jù)的可獲得性、可操作性及代表性等原則，本文確立了人口、經(jīng)濟、土地資源、水資源及環(huán)境這五個子系統(tǒng)，其中人口和經(jīng)濟為輸入子系統(tǒng)，而土地資源、水資源、環(huán)境則作為輸出子系統(tǒng)，用于考察目標(biāo)的表現(xiàn)形式(圖1所示).

圖1 高質(zhì)量發(fā)展系統(tǒng)的理論模型

1) 人口子系統(tǒng)用來模擬合理的人口數(shù)量與結(jié)構(gòu).人口對其他四個子系統(tǒng)都能產(chǎn)生一定影響，這種關(guān)系主要體現(xiàn)在：人口子系統(tǒng)可以通過改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來影響經(jīng)濟子系統(tǒng)；人口子系統(tǒng)可以通過改變?nèi)丝跀?shù)量和結(jié)構(gòu)來影響生活需水量，進(jìn)而影響水資源子系統(tǒng)；城鎮(zhèn)人口的增加導(dǎo)致建設(shè)用地的增加，從而影響土地資源子系統(tǒng)；人口子系統(tǒng)通過影響生活用水量，進(jìn)一步影響生活化學(xué)需氧量排放量，從而影響環(huán)境子系統(tǒng).本文采用2013-2018年山東省統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)對2019-2030年人口進(jìn)行預(yù)測，同時根據(jù)山東省規(guī)劃用WITH LOOKUP函數(shù)將2025年城鎮(zhèn)化率設(shè)為65%,2030年城鎮(zhèn)化率設(shè)為75%,剩余年份用WITH LOOKUP函數(shù)插值求得，如公式(1)所示.

Urbanizationrate=WITHLOOKUP(Time([(0,0)-(4 000,6 000)],
((2013,0.537 522),(2015,0.57 011),(2020,0.65),(2030,0.75))

(1)

式中urbanizationrate是城鎮(zhèn)化率.

2) 經(jīng)濟子系統(tǒng)主要模擬在資源環(huán)境的約束下GDP的增長和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變遷.經(jīng)濟子系統(tǒng)的主要變量有GDP增加率、GDP增加量、GDP、第三產(chǎn)業(yè)增加值、工業(yè)總產(chǎn)值等，其中工業(yè)總產(chǎn)值是聯(lián)系經(jīng)濟子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)的重要變量，工業(yè)總產(chǎn)值的增加會導(dǎo)致工業(yè)化學(xué)需氧量排放量增加，從而影響環(huán)境系統(tǒng)；工業(yè)總產(chǎn)值和第三產(chǎn)業(yè)增加值是聯(lián)系經(jīng)濟子系統(tǒng)和土地資源子系統(tǒng)的重要變量，工業(yè)總產(chǎn)值和第三產(chǎn)業(yè)增加值的增加使產(chǎn)業(yè)用地增加，影響土地資源子系統(tǒng)；第一產(chǎn)業(yè)增加量和工業(yè)總產(chǎn)值通過影響生產(chǎn)用水量來影響水資源子系統(tǒng).根據(jù)2013年GDP增長量55 911.86 億元和GDP增長率可計算出GDP，如公式(2)所示.

GDP=INTEG(ΔGDP，55 911.86)，

(2)

式中ΔGDP是GDP增長量.

3) 土地資源子系統(tǒng)用于模擬建設(shè)用地變化增長過程.2018年城市建設(shè)用地面積為2 919 396 hm2，包括居住用地、工業(yè)用地、第三產(chǎn)業(yè)用地，GDP的增長速度和人口的增加可以增大建設(shè)用地面積，從而影響土地資源系統(tǒng).結(jié)合產(chǎn)業(yè)GDP和人口可計算得出各類建設(shè)用地強度：工業(yè)用地強度為0.00 037 hm2/萬元、第三產(chǎn)業(yè)用地強度為 0.00 012 hm2/萬元、居住用地強度20.87 hm2/萬人，據(jù)此可計算出產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人口增長所需的用地增量，如公式(5)所示.

ΔLandc=ΔGPSs×0.000 37+ΔGDPt×0.000 12+ΔUrbanpop×20.87.

(3)

式中ΔLandc為新增產(chǎn)業(yè)和居住用地總量；ΔGPSs、ΔGDPt分別為工業(yè)總產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)增加值增量；ΔUrbanpop為城市人口增量.居住和產(chǎn)業(yè)用地的不斷增長，但總量不能超過剩余規(guī)劃建設(shè)用地總量.

4) 水資源子系統(tǒng)用于模擬山東省用水總量的變化，包括生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水，總?cè)丝跀?shù)量和結(jié)構(gòu)的變化影響生活用水量，而第一產(chǎn)業(yè)增加值和工業(yè)總產(chǎn)值影響生產(chǎn)用水量.萬元工業(yè)產(chǎn)值耗水量穩(wěn)定，取2013-2018年平均值0.001 106 萬m3作為其定值.生態(tài)用水取2013-2018年均值81 683 萬m3，城鎮(zhèn)人均生活用水0.004 萬m3，農(nóng)村人均生活用水0.002 8萬m3.據(jù)此可計算出山東省用水總量，如公式(4)所示.為保證水資源不枯竭，用水總量不得超過水資源總量的30%[18].

w=popurban*0.004+poprural*0.002 8+GDPpri*wpri+GDPindustry* 0.001 106+81 683.

(4)

式中w是用水總量；popurban是城鎮(zhèn)人口；poprural是農(nóng)村人口；GDPpri是第一產(chǎn)業(yè)增加值；wpri是萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量；GDPindustry是工業(yè)總產(chǎn)值.

5) 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng).生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)用于模擬水環(huán)境質(zhì)量的變化過程.水環(huán)境質(zhì)量受很多因素影響，本文采用化學(xué)需氧量排放量描述水環(huán)境質(zhì)量隨經(jīng)濟發(fā)展的變化過程.化學(xué)需氧量排放量由生活化學(xué)需氧量排放量、工業(yè)化學(xué)需氧量排放量和其他化學(xué)需氧量排放量組成，其中總?cè)丝谕ㄟ^影響生活用水量進(jìn)而影響生活化學(xué)需氧量排放量，經(jīng)濟子系統(tǒng)通過工業(yè)總產(chǎn)值進(jìn)而對工業(yè)化學(xué)需氧量排放量產(chǎn)生影響，根據(jù)經(jīng)濟、生活用水量和化學(xué)需氧量排放數(shù)據(jù)可以得出生活化學(xué)需氧量排放強度：萬立方米生活用水化學(xué)需氧量排放量1.1 938×104t，從而可以求出化學(xué)需氧量排放總量，如公式(5)所示.根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(Ⅰ類、Ⅱ類水COD容量≤ 15 mg/L)可計算得出山東省水資源化學(xué)需氧量總?cè)萘?為保持水環(huán)境質(zhì)量，化學(xué)需氧量排放總量不能超過水環(huán)境總?cè)萘康纳舷?

COD=wlife*1.193 8+GDPindustry*CODindustry+CODother.

(5)

式中COD是化學(xué)需氧量排放總量；wlife是生活用水總量；CODindustry是萬元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量；CODother是其他化學(xué)需氧量排放量.

6) 子系統(tǒng)的集成.將上述各個模塊集成，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖2所示.該模型輸入?yún)?shù)，包括人口、GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、化學(xué)需氧量排放總量，GDP增長率，城鎮(zhèn)化率及其他的調(diào)控參數(shù)，輸出是未來各個年份的剩余建設(shè)用地，剩余水資源量，剩余環(huán)境容量，在剩余建設(shè)用地，剩余水資源量，剩余環(huán)境容量的約束下，根據(jù)發(fā)展目標(biāo)調(diào)整調(diào)控參數(shù)，求解出最佳的發(fā)展速度和發(fā)展模式.

模型以2019為基年，逐年預(yù)測未來情況直至2030年，其中2013-2018年為模型運行和實際情況的檢驗?zāi)晗蓿源丝纱_定相關(guān)參數(shù)；2019-2030年為系統(tǒng)仿真的預(yù)測年限，模型仿真步長為1年.開發(fā)平臺采用 Vensim DSS.數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《山東省統(tǒng)計年鑒》和《山東省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》.模型將2013年的價格視為基期，將各年的GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行換算以剔除價格因素變動的影響.

圖2 高質(zhì)量發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型

3 情景設(shè)置與結(jié)果分析

3.1山東省經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展情景設(shè)置本文設(shè)定城市高質(zhì)量發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)：資源環(huán)境支撐系統(tǒng)良好、高收入、現(xiàn)代化.根據(jù)山東省規(guī)劃，本文設(shè)定的現(xiàn)代化發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)為75%以上的城市化率和60%以上三產(chǎn)占比.

情景一，本情景用于求解在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，且資源環(huán)境不超載，可采取的最大GDP增長率.即在保持萬元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量，萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量不變的前提下，且資源環(huán)境不超載，這里的資源環(huán)境不超載指的是剩余建設(shè)用地面積大于零，剩余環(huán)境容量大于零，剩余水資源總量超過水資源總量的30%，為實現(xiàn)山東省高質(zhì)量發(fā)展，可采取的最大發(fā)展速度.

情景二，本情景用于求解在科技高速發(fā)展的情況下，且資源環(huán)境不超載，可采取的最大GDP增長率.科技的發(fā)展可以提高資源的利用，改善污染的排放，這里選擇兩個受科技影響變化大的變量，即改變?nèi)f元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量和萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量，其他變量由科技的發(fā)展引起的變化并不明顯，故不考慮.參照山東省歷年來的萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量變化值，選取最樂觀的下降速度，即年均下降8.2%，在2030年下降為86 m3，同理可得萬元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量最樂觀的下降速度為17.4%，在2030年下降為0.195 t.

情景三，本情景用于求解在合理的科技發(fā)展情況下，且資源環(huán)境不超載，可采取的最大GDP增長率.即適當(dāng)改變?nèi)f元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量和萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量，參照山東省歷年來的萬元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量和萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量，選取平均下降速度，分別年均下降14%和7.8%，在2030年萬元第一產(chǎn)業(yè)增加值耗水量下降為91 m3，萬元工業(yè)產(chǎn)值化學(xué)需氧量排放量下降為0.33 t.

3.2 結(jié)果分析

表1 2013-2017年山東省高質(zhì)量發(fā)展模型真實性檢驗結(jié)果

3.2.1 模型有效性檢驗 本文對模型先后進(jìn)行了直觀檢驗、穩(wěn)定性檢驗、靈敏度檢驗和歷史性檢驗.由于篇幅有限，因而本文主要介紹模型的歷史性檢驗.本文通過對化學(xué)需氧量排放量、總需水量、建設(shè)用地量進(jìn)行檢驗，檢驗初始時間為2013年，終止時間為2017年，各變量的檢驗結(jié)果見表1所列，歷史值與仿真值也存在相同的變化趨勢，且誤差不超過5%，表明模型擬合度較高，模型能較準(zhǔn)確地反映實際研究的系統(tǒng)狀況，因而可以進(jìn)行下一階段的仿真.

3.2.2 山東省高質(zhì)量發(fā)展情景分析 情景一，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，建設(shè)用地需求呈線性增加，到2025年和2030年分別達(dá)到3 153 340 hm2和3 322 510 hm2；為三種情景中建設(shè)用地需求最小；水資源總需求量呈現(xiàn)下降的趨勢，到2025年和2030年總需水量為252和286億m3，為三種情景中最大；化學(xué)需氧量排放量呈上升趨勢，到2025年和2030年分別達(dá)到 55.8和58.6億t，為三種情景中最大.可見，在現(xiàn)有技術(shù)水平下水資源的供給和污染物排放量成為制約山東省高質(zhì)量發(fā)展的決定性因素.在該情境下，為保持在2030年資源環(huán)境不超載，山東省可采取的最大GDP增長率是3.2%，在該增長速度條件下，2030年山東省的GDP將達(dá)到115 142 億元，并未達(dá)到山東省規(guī)劃的2030年地區(qū)生產(chǎn)總值150 000 億元的目標(biāo).

圖3 山東省高質(zhì)量發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果

情景二，山東省在科技高速發(fā)展的水平下，建設(shè)用地需求呈線性增加，到2025年和2030年分別達(dá)到3 206 750 hm2和3 448 800 hm2，在三種情景中建設(shè)用地需求最大；水資源總需求量呈現(xiàn)下降的趨勢，到2025年和2030年總需水量為206和185億m3；化學(xué)需氧量排放量呈下降趨勢，到2025年和2030年分別達(dá)到52.2和51.7億t，為三種情景中最小.在該情景下，為保持資源環(huán)境不超載，可采取的最大GDP增長率是5.4%，在此增長速度的條件下，2030年山東省的GDP將達(dá)到145213億元，接近達(dá)到150 000 億元的目標(biāo).

情景三，山東省在合理的科技發(fā)展水平下，建設(shè)用地需求呈線性增加，到2025年和2030年分別達(dá)到3 194 120 hm2和3 417 720 hm2；水資源總需求量呈現(xiàn)下降的趨勢，到2025年和2030年總需水量為204億m3和183億m3；化學(xué)需氧量排放量呈下降趨勢，到2025年和2030年分別達(dá)到52.4億t和52.2億t.在該情景下，為保持資源環(huán)境不超載，可采取的最大GDP增長速度是4.9%，在此增長速度的條件下，2030年山東省的GDP將達(dá)到137 812 億元.

綜合以上，三種情景下的仿真結(jié)果如圖3所示，建設(shè)用地需求都呈增加趨勢，技術(shù)的進(jìn)步對建設(shè)用地的約束不明顯,本文主要目的是在資源環(huán)境約束下，為實現(xiàn)城市高質(zhì)量發(fā)展，求解其經(jīng)濟最佳發(fā)展速度，要控制單一變量，所以選取了對資源環(huán)境影響最大的科技進(jìn)步作為單一變量,科技進(jìn)步使得需水量和化學(xué)需氧量排放減少；在現(xiàn)有發(fā)展情況、合理科技發(fā)展水平和科技高速發(fā)展水平下，山東省可采取的GDP增速分別為3.20%、4.90%和5.40%，科技高速發(fā)展情景下，2030年的GDP可接近目標(biāo)值150 000 億元.因此，山東省適宜發(fā)展速度為3.20%～5.40%.其中，3.20%～4.90%是較為保守的發(fā)展速度，而4.90%～5.40%的發(fā)展速度則面臨更大的挑戰(zhàn)，要求足夠的技術(shù)水平的提升.如果對技術(shù)進(jìn)步足夠樂觀，可以考慮提升速度，否則需放緩發(fā)展速度，以降低對資源環(huán)境沖擊.

4 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建山東省高質(zhì)量發(fā)展模型，運用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對山東省人口、經(jīng)濟、水資源、土地資源、環(huán)境五大系統(tǒng)進(jìn)行分析，構(gòu)建山東省高質(zhì)量發(fā)展模型，通過改變模型中部分變量的參數(shù)，設(shè)置了三種情景，預(yù)測了三種不同的發(fā)展模式，求解出在資源環(huán)境的約束下，適宜山東省高質(zhì)量發(fā)展的經(jīng)濟增長速度和發(fā)展模式.結(jié)果顯示，在考慮技術(shù)進(jìn)步的前提下，可以采取3.20%～5.40%的經(jīng)濟發(fā)展速度.在此區(qū)間內(nèi)，3.20%～4.90%是比較保守的發(fā)展速度，而4.90%～5.40%則需要面臨更大的挑戰(zhàn)，若技術(shù)發(fā)展樂觀，可以考慮較快的發(fā)展速度.通過山東省高質(zhì)量發(fā)展模型，可以對比分析不同發(fā)展情景，選擇更優(yōu)發(fā)展模式.本模型也有待深化和完善，可以進(jìn)一步考慮社會經(jīng)濟系統(tǒng)對外部資源依賴的變化趨勢，并將政府的決策納入模型的變化，以期達(dá)到對土地利用的約束.也可以進(jìn)一步在細(xì)分產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上開展更為微觀的模擬分析.