山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展SD建模與仿真研究

張海云

(中國(guó)石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東青島266580)

自改革開放以來(lái)，山東省經(jīng)濟(jì)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，2012年，全省GDP突破5萬(wàn)億美元。但是，經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)極大地提高了能源需求，并對(duì)自然環(huán)境帶來(lái)了極其深遠(yuǎn)的影響，GDP“含金量”僅列全國(guó)第26位。謀求能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)山東省經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建和諧社會(huì)的瓶頸。要解決上述問題，首先就需要對(duì)當(dāng)前山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展情況開展系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

一、研究的必要性

區(qū)域能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)是一個(gè)不斷動(dòng)態(tài)演化的開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，該復(fù)合系統(tǒng)的演化有多種宏觀表現(xiàn)特征，從發(fā)展的層面可以分為演進(jìn)與退化兩個(gè)方向，從協(xié)調(diào)的層面可以分為協(xié)調(diào)演化和非協(xié)調(diào)演化兩種方式［1］。協(xié)調(diào)發(fā)展方式是指從無(wú)序走向有序、從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜、從低級(jí)走向高級(jí)的有效演化方式，但是事實(shí)上該復(fù)合系統(tǒng)的演化并不能保證一直延續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的路徑。開展復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)就是要把握該復(fù)合系統(tǒng)的演化現(xiàn)狀，明確當(dāng)前復(fù)合系統(tǒng)的演化是處在一個(gè)什么樣的路徑上。眾多學(xué)者對(duì)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展問題進(jìn)行了深入研究，但是研究成果還存在以下不足:(1)能源系統(tǒng)作為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力和環(huán)境變化的重要因素，在能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展過程中扮演著越來(lái)越重要的角色，但是當(dāng)前對(duì)該復(fù)合系統(tǒng)的研究較少［2-4］;(2)當(dāng)前對(duì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)的研究，更多的學(xué)者關(guān)注對(duì)復(fù)合系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r的評(píng)估，而對(duì)復(fù)合系統(tǒng)未來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)估研究不足［5-7］。

基于此，本文以能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)評(píng)估現(xiàn)狀預(yù)測(cè)未來(lái)的研究思路，構(gòu)建能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)模型，并以山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)問題為例，驗(yàn)證模型的適用性，為山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

二、研究設(shè)計(jì)

能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境(3E)是一個(gè)有機(jī)的整體。能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必需的生產(chǎn)要素，一方面經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)能源有依賴性，另一方面，能源的發(fā)展要以經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)為前提。環(huán)境污染與能源消費(fèi)呈高度正相關(guān)關(guān)系，能源的逐漸耗竭及帶來(lái)的生態(tài)、環(huán)境問題，都將阻礙經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。環(huán)境也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供物質(zhì)條件，既可以直接促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也會(huì)阻礙經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)是環(huán)境的主導(dǎo)，通過經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，使環(huán)境得到保護(hù)，不恰當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，將導(dǎo)致能源耗竭和環(huán)境破壞［8］。能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三大子系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此，探究三大系統(tǒng)之間的關(guān)系，構(gòu)建能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可以準(zhǔn)確地仿真3E復(fù)合系統(tǒng)，評(píng)估3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀，而且能夠?qū)?E系統(tǒng)未來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)［9-11］。

(一)復(fù)合系統(tǒng)因果關(guān)系分析

本文應(yīng)用Vensim-PLE構(gòu)建山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)SD模型，根據(jù)數(shù)據(jù)的可得性，應(yīng)用山東省2000—2010年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。能源子系統(tǒng)主要對(duì)一次能源生產(chǎn)、能源調(diào)出、能源調(diào)入、能源消費(fèi)這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究，探討能源供給與能源消費(fèi)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及能源狀況對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響;環(huán)境子系統(tǒng)主要對(duì)工業(yè)污染進(jìn)行研究，研究工業(yè)污染排放、工業(yè)污染治理、工業(yè)污染治理投資等指標(biāo)，探討經(jīng)濟(jì)與環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系;經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要對(duì)資本形成總額、最終消費(fèi)支出、貨物與服務(wù)凈流出、通貨膨脹等因素進(jìn)行研究，探討經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)環(huán)境、能源系統(tǒng)的影響。

在對(duì)山東省2000—2010年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立如圖1所示的能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)因果關(guān)系模型。由圖1可以看出:(1)隨著區(qū)域GDP的增長(zhǎng)，環(huán)境污染治理投資量不斷增加。污染治理投資量不斷增加可以不斷降低環(huán)境污染程度，環(huán)境污染程度的降低使得區(qū)域GDP損失減少。(2)區(qū)域GDP增長(zhǎng)可以帶動(dòng)能源生產(chǎn)能力增強(qiáng)，進(jìn)而使得能源生產(chǎn)力增加，能源供給增加。能源供給可以保障區(qū)域GDP增長(zhǎng)。(3)隨著區(qū)域GDP的增長(zhǎng)，能源消費(fèi)量不斷增加，能源消費(fèi)增加導(dǎo)致能源短缺狀況惡化，能源短缺導(dǎo)致區(qū)域GDP損失。(4)區(qū)域GDP增加帶動(dòng)最終消費(fèi)支出、資本投資、貨物和服務(wù)進(jìn)出口能力增加，從而帶動(dòng)區(qū)域GDP增長(zhǎng)。(5)科技水平的提高可以降低單位GDP能耗，減少能源消費(fèi)，改善能源短缺狀況，減少因能源短缺帶來(lái)的GDP損失。同時(shí)隨著科技水平的提高，單位投資污染治理能力不斷提高，環(huán)境污染程度不斷降低，因環(huán)境污染帶來(lái)的GDP損失不斷降低。

圖1 山東省能源－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境因果關(guān)系模型

圖2 山東省能源－環(huán)境－經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型

(二)復(fù)合系統(tǒng)流圖分析

因果關(guān)系模型反映各種變量之問的邏輯關(guān)系以及描述系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)，但并不能反映不同性質(zhì)變量之間的區(qū)別。在上述分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型流圖，見圖2。

(三)模型主要反饋回路

根據(jù)前文對(duì)能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)因果關(guān)系及流圖的分析，模型主要反饋回路有:

1．區(qū)域GDP→環(huán)境污染治理投資量→環(huán)境污染程度→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP的增加，政府對(duì)環(huán)境污染治理投資力度會(huì)加大，投資額增加。環(huán)境污染治理力度加大，環(huán)境污染程度會(huì)降低，而環(huán)境的改善能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的更好發(fā)展。因此該反饋回路是正反饋回路。

2．區(qū)域GDP→污染排放量→污染程度→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP的增加使得污染排放量增加，從而污染程度加劇。污染程度的加劇導(dǎo)致環(huán)境破壞嚴(yán)重，從而影響了GDP的更好發(fā)展。因此該反饋回路是負(fù)反饋回路。

3．區(qū)域GDP→能源生產(chǎn)能力→能源生產(chǎn)量→能源供給量→能源充足程度→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP的增加使得能源生產(chǎn)能力得到提升，生產(chǎn)能力提升使得能源生產(chǎn)量增加，進(jìn)而能源供給量增加。能源供給增加使得能源充足程度提高，能源充足從而帶動(dòng)區(qū)域GDP的更好發(fā)展。因此該反饋回路是正反饋回路。

4．區(qū)域GDP→能源消費(fèi)量→能源充足程度→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP的增加導(dǎo)致能源消費(fèi)量增加，能源消費(fèi)增加造成能源充足程度降低，從而影響GDP的增長(zhǎng)。因此該反饋回路是負(fù)反饋回路。

5．區(qū)域GDP→能源消費(fèi)量→污染排放量→污染程度→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP增加導(dǎo)致能源消費(fèi)量增加，能源消費(fèi)增加帶來(lái)污染排放的增加，從而使得污染程度增加，環(huán)境狀況惡化，最終導(dǎo)致GDP發(fā)展受到限制。因此該反饋回路是負(fù)反饋回路。

6．區(qū)域GDP→資本形成總額、最終消費(fèi)支出、貨物和服務(wù)凈流出→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP增加帶動(dòng)區(qū)域GDP各分量的提高，從而直接帶動(dòng)區(qū)域GDP的良性發(fā)展。因此，該反饋回路是正反饋回路。

7．區(qū)域GDP→能源消費(fèi)量→最終消費(fèi)支出→區(qū)域GDP

區(qū)域GDP的增加導(dǎo)致能源消費(fèi)增加，能源消費(fèi)是最終消費(fèi)的一部分，從而最終消費(fèi)支出增加，區(qū)域GDP增加。因此該反饋回路是正反饋回路。

能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)各子系統(tǒng)之間物質(zhì)信息流通循環(huán)都受到區(qū)域GDP的影響，而區(qū)域GDP又受到能源總消耗量、環(huán)境污染程度影響。因此本文研究的主要指標(biāo)圍繞區(qū)域GDP、區(qū)域GDP各分量、能源供給、能源消費(fèi)、工業(yè)污染排放、工業(yè)污染治理投資等指標(biāo)展開。

(四)模型有效性檢驗(yàn)

本文選取三個(gè)核心指標(biāo)(能源消費(fèi)量、年污染排放量、名義GDP)進(jìn)行模型檢驗(yàn)，在仿真時(shí)，通貨膨脹率和實(shí)際GDP增長(zhǎng)率預(yù)期值均采用歷史真實(shí)值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三個(gè)核心指標(biāo)2001—2009年實(shí)際值與仿真值誤差均在5%以內(nèi)，2010年實(shí)際值與仿真值誤差為5．03%。由此可以發(fā)現(xiàn)，本文構(gòu)建的能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)SD模型具有較好的擬合能力，可以用于該系統(tǒng)的仿真預(yù)測(cè)。

三、山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展仿真預(yù)測(cè)

在應(yīng)用上述SD模型對(duì)山東省能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的基本行為模擬時(shí)，選擇的參數(shù)基本與目前的政策保持一致，下面分別對(duì)能源系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的基本仿真模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

(一)能源系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)

根據(jù)上述模型，山東省2011—2020年能源供給、消費(fèi)、調(diào)入、調(diào)出及單位GDP能耗指標(biāo)如表1所示。

表1 山東省2011－2020年能源系統(tǒng)仿真模擬數(shù)據(jù)

由表1可見，2011—2016年，山東省能源供給基本能夠滿足能源消費(fèi)需求，并未出現(xiàn)嚴(yán)重的能源短缺現(xiàn)象;2017—2020年，能源消費(fèi)量呈現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，能源消費(fèi)量逐年增加;2019年能源消費(fèi)量將達(dá)到最大值53168．6萬(wàn)噸標(biāo)煤。能源對(duì)外依賴度(能源調(diào)入/能源消費(fèi))將持續(xù)提高，2011年能源對(duì)外依賴程度為57．6%，2020年將達(dá)到87．68%。因此，當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式在未來(lái)對(duì)能源依賴的壓力將日趨嚴(yán)峻。

(二)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)

在一定通貨膨脹率和GDP增速下，山東省經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展如表2所示。

表2 山東省2011—2020年經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真模擬值 億元

由表2可見，山東省未來(lái)資本形成總額的增長(zhǎng)率較大，平均為14．95%，最終消費(fèi)支出在2011—2016年出現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2016年之后增長(zhǎng)率逐年減小，至2020年，最終消費(fèi)支出的增長(zhǎng)率僅為1．87%，貨物和服務(wù)凈流出增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，山東省經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的態(tài)勢(shì)。資本形成總額占GDP的比重保持在50%以上，且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì);貨物和服務(wù)凈流出所占比重呈現(xiàn)逐年降低態(tài)勢(shì);最終消費(fèi)支出所占比重也呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。由此可見，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，未來(lái)山東省經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)仍舊主要依靠投資形式拉動(dòng)，最終消費(fèi)支出、貨物和服務(wù)凈流出增長(zhǎng)動(dòng)力不足，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)趨向不合理。

(三)環(huán)境系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)

伴隨山東省經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和能源系統(tǒng)的不斷演化，環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展如表3所示。

由表3可見，山東省2011—2020年工業(yè)污染排放量呈逐年增加趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率約為3．71%，工業(yè)污染治理壓力將逐年增大。與此同時(shí)，工業(yè)污染治理投資也將呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，增長(zhǎng)率約為8．64%。在假設(shè)萬(wàn)元投資工業(yè)污染治理量為2001—2010年均值的前提下，由于通貨膨脹因素的影響，萬(wàn)元投資工業(yè)污染治理量在2011—2020年呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。因此，未來(lái)幾年山東省工業(yè)污染治理效率有待進(jìn)一步提高，工業(yè)污染治理領(lǐng)域的科技水平和科技成果轉(zhuǎn)化能力需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

表3 山東省2011—2020年環(huán)境系統(tǒng)主要參數(shù)仿真模擬數(shù)據(jù)

四、結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析山東省能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)因果關(guān)系，構(gòu)建并驗(yàn)證了該復(fù)合系統(tǒng)的SD模型，進(jìn)而對(duì)該復(fù)合系統(tǒng)未來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)展情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，研究發(fā)現(xiàn):

其一，在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式下，在經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的牽引下，未來(lái)山東省能源對(duì)外依存度將非常嚴(yán)峻，通過有效的方式改變“以煤為主”的單調(diào)的能源供給，增加其他種類能源的供給，尤其是應(yīng)當(dāng)大力開發(fā)、使用綠色能源，這是緩解山東省能源困境的重要途徑之一。

其二，以GDP為代表的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)評(píng)價(jià)方式，將引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)失衡問題;當(dāng)前以投資為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力將在一定程度上誘導(dǎo)資源轉(zhuǎn)向政府投資方向，而消費(fèi)增長(zhǎng)將日趨乏力。

其三，經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和能源供給、需求的增長(zhǎng)，將進(jìn)一步惡化當(dāng)前業(yè)已脆弱的生態(tài)環(huán)境，未來(lái)山東省的污染治理壓力將進(jìn)一步加大，先污染后治理的環(huán)境保護(hù)模式將引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)問題。從源頭上監(jiān)控環(huán)境污染、環(huán)境破壞問題已成當(dāng)務(wù)之急。

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