太原市碳排放研究
——基于系統(tǒng)動力學(xué)模型

張海亮

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

一、引言

“碳達(dá)峰”“碳中和”是當(dāng)前人類社會應(yīng)對全球變暖采取的新發(fā)展戰(zhàn)略。國際可再生能源機構(gòu)（International Renewable Energy Agency，IRENA）等發(fā)布權(quán)威報告指出，要實現(xiàn)全球變暖幅度控制在1.5℃，需要在21 世紀(jì)中葉達(dá)到全球溫室氣體的凈零排放，即實現(xiàn)碳中和。中國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需要在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能耗強度、能源消費等方面協(xié)同發(fā)力，推動經(jīng)濟發(fā)展與降碳減排齊頭并進(jìn)，兌現(xiàn)中國于2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的承諾。

太原市作為山西省的省會，不僅是我國唯一的資源型省會城市、中國能源、重工業(yè)基地之一，也是國務(wù)院批復(fù)確定的中國中部地區(qū)重要的中心城市，在我國提出可持續(xù)發(fā)展議程后，太原市被設(shè)定為創(chuàng)新示范區(qū)來發(fā)揮煤炭資源型城市的帶頭作用。近年來，太原市在經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)模擴大、水平高速提升的目標(biāo)，但其經(jīng)濟增長方式依然滯后在粗放型發(fā)展模式中，導(dǎo)致了資源使用、環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟發(fā)展相互制約等問題的出現(xiàn)。由此可見，太原市依據(jù)政策指導(dǎo)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)合理轉(zhuǎn)型已取得良好成效，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)低碳減排措施，盡早實現(xiàn)碳排放峰值。

降碳減排的理念促進(jìn)了碳排放在經(jīng)濟、人口、資源、能源等領(lǐng)域相關(guān)研究的發(fā)展。國際層面，Ugur Soytasj 等（2007）[1]借助VAR 模型研究國家整體地區(qū)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）、能耗和CO2排放量三者的關(guān)系，并以美國和土耳其為例說明其研究結(jié)論，模型運行結(jié)果顯示，碳排放量的快速增加是由能源的消耗導(dǎo)致的，而不是由經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致。國內(nèi)，劉再起和陳春（2010）[2]雖然選擇了7 個不同國家（中國作為其中一個）進(jìn)行案例分析，但都得出了相似的結(jié)論，即產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化的水平與CO2排放量的多少，兩者之間存在耦合關(guān)系。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化的水平低，CO2排放量多；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化的水平高，CO2排放量少。在三大產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的CO2排放中，Liu 等（2021）[3]認(rèn)為在資源環(huán)境約束日益嚴(yán)重的情況下，減少工業(yè)污染排放、促進(jìn)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展是經(jīng)濟發(fā)展的主流趨勢；張晶等（2021）[4]基于系統(tǒng)動力學(xué)方法進(jìn)行模型構(gòu)建，模擬京津冀城市群綠色、低碳實現(xiàn)路徑，得出綜合情景更能促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟、資源、碳排放的協(xié)調(diào)發(fā)展?？偨Y(jié)以上研究，國內(nèi)外學(xué)者從一個或多個維度對降低碳排放路徑進(jìn)行了深入探索并取得了良好的降碳效果，但面向煤炭資源型城市的碳達(dá)峰路徑研究較少，不足以支持目前的“雙碳”行動。

二、方法和數(shù)據(jù)

（一）系統(tǒng)動力學(xué)

系統(tǒng)動力學(xué)是研究復(fù)雜系統(tǒng)中各要素之間因果關(guān)系和動態(tài)變化的一種方法[5]。建模過程始于定義對象，澄清系統(tǒng)邊界，并構(gòu)建系統(tǒng)中因素的因果鏈[6]。把開放的因果反饋環(huán)首尾連接便構(gòu)成因果關(guān)系反饋環(huán)。正反饋環(huán)是一個不斷自我加強的過程，用英文字母S（Same，相同）來表示；負(fù)反饋與正反饋相反，用英文字母O（Object，相反）表示。

圖1 列舉了兩種不同反饋環(huán)的行為模式，a 表示正反饋指數(shù)成長和正反饋負(fù)指數(shù)成長；b 表示負(fù)反饋的3 種主要模式，第一為有界的飽和成長，第二為有界的衰退，第三為圍繞平均值的振蕩。這些典型模式常稱為參考模型。正反饋、負(fù)反饋的系統(tǒng)行為并非涇渭分明，常常有交叉和重疊，因為系統(tǒng)的軌跡最終取決于初始條件和參數(shù)。

圖1 兩類基本參考模型

本文研究的對象是資源型城市-太原市碳排放，故在本文中將社會、經(jīng)濟、能源、水資源和碳排放等多個層面的指標(biāo)放入一個耦合系統(tǒng)，通過水資源與能源的相關(guān)關(guān)系，我們構(gòu)建了一個經(jīng)濟-能源-水資源-碳排放模型。然后，將定性分析與定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，根據(jù)中國2005—2019 年的歷史數(shù)據(jù)量化模型的參數(shù)，并擬合相關(guān)變量，以進(jìn)一步預(yù)測未來的碳排放。

（二）水—能耦合計算

根據(jù)楊月（2019）[7]對混合水與混合能源的計算方式，將其應(yīng)用到本文對水與能源消耗量的計算中，分為總水耗與總能耗?？偹谋硎緸樯钣盟⑸a(chǎn)用水、生態(tài)用水計算加和，其中生產(chǎn)用水包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水（除能源相關(guān)用水量之外的其他工業(yè)用水）、第三產(chǎn)業(yè)用水和能源相關(guān)用水量（煤炭、石油、天然氣、電力從開采到終端使用整個過程的耗水量）?？偰芎陌ㄖ苯幽茉聪暮烷g接能源消耗，直接能源消耗包括煤炭、石油、天然氣、電力的消耗量，間接能源消耗表示為社會水循環(huán)（輸水、用水、排水、污水回用和再生水處理）過程的能耗量[8-9]。計算公式為：

αn（n=1，2，3，4）為第n 種能源類型e1n的單位能源用水強度，e1n表示生產(chǎn)過程中耗水能源類型（煤炭、石油、天然氣、電力），W1表示能源生產(chǎn)相關(guān)水耗。

βk（k=1，2，…，5）為第k 個水循環(huán)過程w2k的單位用水能耗強度，w2k表示社會水循環(huán)中的五個過程（輸水、用水、排水、污水回用和再生水處理），E2表示間接能源消耗。

總能源消耗：

E 表示總能源消耗。

（三）碳排放計算

根據(jù)《2019 清單指南》提取的各類化石能源與非化石能源碳排放系數(shù)，建立碳排放數(shù)據(jù)集，基于單位一致性原則，將其轉(zhuǎn)化為與模型中的變量單位一致的碳排放因子。依據(jù)建立的太原市水資源、能源消費量數(shù)據(jù)集，與碳排放系數(shù)相匹配，通過各個行業(yè)對太原市碳排放進(jìn)行分析?；贗PCC 對碳排放的核算方法，對太原市能耗產(chǎn)生的碳排放量和水消耗產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行計算，計算公式如下：

其中，n—產(chǎn)生碳排放的用水類型總計；

m—產(chǎn)生碳排放的能源類型總計；

xi—產(chǎn)生碳排放的用水類型，單位是億立方米；

yj—產(chǎn)生碳排放的能源類型，單位是萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；

pi—某用水類型的碳排放系數(shù)，單位是噸二氧化碳/億立方米；

qj—某能源類型的碳排放系數(shù)，單位是噸二氧化碳/萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；

C—碳排放總量，單位是噸二氧化碳。

（四）數(shù)據(jù)來源

依據(jù)《太原市統(tǒng)計年鑒》《太原市水資源公報》與《太原市環(huán)境狀況公報》建立了太原市水資源消費量數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集包含了從2005—2019 年近60份歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)集中4 個子系統(tǒng)900個確切統(tǒng)計數(shù)據(jù)來進(jìn)行耦合系統(tǒng)分析，以保證數(shù)據(jù)預(yù)測及路徑模擬的可靠性。水耗總量由社會水循環(huán)的五個環(huán)節(jié)組成，用水、輸水、排水、污水回用、再生水與能源相關(guān)水耗，通過各個行業(yè)對太原市水耗進(jìn)行量化分析；在《太原市統(tǒng)計年鑒》《山西省統(tǒng)計年鑒》與《中國能源統(tǒng)計年鑒》的基礎(chǔ)上，建立了太原市能耗數(shù)據(jù)集，能耗總量由煤炭、石油、天然氣、電力和水相關(guān)能耗五個部分組成，按照行業(yè)分類對太原市能耗進(jìn)行分析；根據(jù)《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南2019 修訂版》建立的碳排放數(shù)據(jù)集，通過整理相關(guān)變量碳排放的系數(shù)，基于單位一致性原則，將其轉(zhuǎn)化為與模型中的變量單位一致的碳排放因子。

三、模型檢驗

（一）模型檢驗

直觀檢驗，通過對收集資料的進(jìn)一步分析，本文進(jìn)行了單位一致性、結(jié)構(gòu)合理性檢驗，在構(gòu)建模型的過程中，參閱了大量文獻(xiàn)資料，力求模型結(jié)構(gòu)與實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相一致。耦合系統(tǒng)圍繞能源、水資源子系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，其中重要水平變量包含人口總量、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。根據(jù)這四個水平變量，擴充系統(tǒng)邊界，以水平變量為中心，相應(yīng)設(shè)置速率變量及輔助變量，來完成系統(tǒng)邊界設(shè)置。

（二）歷史性檢驗

以2005 年為基準(zhǔn)年，利用2005—2018 年的數(shù)據(jù)擬合各變量方程，在人口子系統(tǒng)選取總?cè)丝?、城?zhèn)人口與農(nóng)村人口，經(jīng)濟子系統(tǒng)選取第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值，水資源子系統(tǒng)選取生活用水、生產(chǎn)用水與用水總量，能源子系統(tǒng)選取能源消費總量。通過計算對比歷史數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果可計算獲得2005—2019 年9 個變量模擬值的相對誤差，如表1所示。在9 個變量中，除生產(chǎn)用水在2018 年的相對誤差較大為3.32%，總用水量在2013 年、2018 年的相對誤差較大為1.66%、1.9%，其他年份相對誤差均在0.7%左右，模擬效果良好。由表1 可知，預(yù)測數(shù)據(jù)的相對誤差均在2%左右，模型具有高度準(zhǔn)確性。

表1 系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬結(jié)果的有效性分析

四、政策建議

根據(jù)我國《碳排放發(fā)展趨勢》（2017）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，太原市2016 年碳排放量以每年3.5%的速度增長，已超過中國2030 年減排目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。太原市的碳排放主要來源于化石燃料、工業(yè)生產(chǎn)、家庭消費以及交通出行。此外，太原市也受到從外部引入的碳排放的影響，該排放占總排放量的20%左右，特別是從大型工廠和電力企業(yè)引入的碳排放占比更大。

為了有效降低太原市的碳排放，可以實施以下政策：第一，實施低碳發(fā)展戰(zhàn)略，加快可再生能源的推廣應(yīng)用，采用更有效的能源利用方式。以電代煤、代氣、代油，大力提升工業(yè)、建筑業(yè)電氣化水平，加快提升工業(yè)、建筑業(yè)和交通運輸業(yè)中可再生能力的消費比例，提高交通運輸部門能源使用標(biāo)準(zhǔn)，減少對高碳產(chǎn)業(yè)和化石能源的依賴，轉(zhuǎn)變以化石能源消費為基礎(chǔ)的經(jīng)濟增長模式，促進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展。第二，推行節(jié)能減排政策，加大對能源節(jié)約和資源循環(huán)利用的投入力度；加快可再生能源開發(fā)與利用領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)和創(chuàng)新，積極推動數(shù)字技術(shù)與能源技術(shù)融合發(fā)展；加快碳捕捉及存儲技術(shù)研發(fā)與設(shè)備升級，加強被捕捉后的碳的再利用。加強能源應(yīng)用管控技術(shù)研發(fā)，發(fā)展智慧用能模式，針對不同行業(yè)用能實際與排放特征，制定多能源供應(yīng)方案；加強綜合能源系統(tǒng)建設(shè)，面向工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)等重點領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用綜合能源服務(wù)和源網(wǎng)荷儲一體化模式，滿足不同行業(yè)的多元用能需求，促進(jìn)多能源互補應(yīng)用。第三，加強碳排放管理，實施監(jiān)督考核和罰款制度，遏制碳排放的違法行為；對用能單位接入能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，方便定期匯報能耗量數(shù)據(jù)。與此同時，各企業(yè)要逐步淘汰落后工藝、技術(shù)和設(shè)備，關(guān)閉國家明令淘汰的落后機電設(shè)備。另外，節(jié)能新技術(shù)、新工藝、新材料也要不斷推廣和應(yīng)用。第四，發(fā)展新能源汽車和公共交通，減少碳排放。持續(xù)推動城市客運、城市物流配送車輛及營運客車新能源化、清潔化，提高城市公交、出租、物流、環(huán)衛(wèi)清掃等車輛使用新能源汽車的比例。大力發(fā)展綠色交通，加快構(gòu)建完善的公共出行服務(wù)體系，軌道交通、城市公交、出租車、網(wǎng)約車、共享自行車多種交通公交高效銜接，快速交通與慢行交通體系建設(shè)并進(jìn)，以發(fā)達(dá)的城市公共交通降低公眾出行能耗。

此外，太原市還可以采取一些其他措施來降低碳排放，如加強立法保護(hù)，推進(jìn)環(huán)境管理綜合性改革，改善環(huán)境污染治理政策，促進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)改良，提高企業(yè)環(huán)保意識，實施綠色消費政策等。

五、結(jié)論

本文以探索太原市碳達(dá)峰路徑為目標(biāo)，梳理了城市發(fā)展各要素間的邏輯關(guān)系與資源消耗現(xiàn)狀，以能源、水資源子系統(tǒng)進(jìn)行水-能計算，并構(gòu)建了基于系統(tǒng)動力學(xué)的資源型城市碳達(dá)峰仿真系統(tǒng)，并通過歷史數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)仿真結(jié)果與實際結(jié)果的匹配程度。模擬結(jié)果表明運行結(jié)果與真實數(shù)值的相對誤差較小，模型的構(gòu)建與檢驗?zāi)軌驗槎嗲榫霸O(shè)置與模擬奠定理論基礎(chǔ)，可用于碳排放效益分析與措施研究。