成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)仿真模擬

蒲子龍 李廷

【作者簡介】蒲子龍（1998-），男，四川南充人，碩士研究生在讀，研究方向：石油工程管理。

【摘? 要】油氣消費、經(jīng)濟和碳排放制約區(qū)域綠色協(xié)調(diào)發(fā)展水平。油氣、經(jīng)濟和碳排放3個系統(tǒng)通過不同的流程相互連接，探究“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)是區(qū)域探索綠色協(xié)調(diào)發(fā)展路徑的重要基礎(chǔ)。論文以成渝城市群為研究對象，采用系統(tǒng)動力學(xué)研究方法，從社會、科技、環(huán)境3個維度探索油氣、經(jīng)濟、碳三者的關(guān)聯(lián)模式，根據(jù)2006-2021年油氣、經(jīng)濟、碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建“油氣-經(jīng)濟-碳”模型，搭建多種情景，并對不同情景下成渝城市群2022-2030年油氣消費、經(jīng)濟總量、碳排放的發(fā)展變化進行仿真模擬。結(jié)果表明：①成渝城市群的油氣消費總量、經(jīng)濟總量、碳排放量在研究期間均呈現(xiàn)增長趨勢；②優(yōu)化油氣消費總量比例和產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)均能有效降低油氣消費總量和碳排放量，其中優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)更利于促進經(jīng)濟發(fā)展；③對碳排放的影響程度由大到小的3個調(diào)控變量依次是經(jīng)濟發(fā)展＞油氣消費總量比例＞產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)；系統(tǒng)動力學(xué)；情景分析；成渝城市群

【中圖分類號】F124.5；F127? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2024）03-0053-05

1 引言

能源是現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，石油與天然氣（以下簡稱“油氣”）是能源中的重要組成部分，在促進經(jīng)濟發(fā)展、保障能源安全等方面具有極其重要的地位。人類社會在快速發(fā)展的同時使用大量化石燃料，特別是工業(yè)革命時代，大規(guī)模的二氧化碳排放到大氣中加劇了全球變暖。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次氣候變化評估報告顯示，2011-2020年全球表面溫度比1850-1900年上升1.09 ℃。碳排放造成全球變暖的影響在未來數(shù)百年是不可逆的，這為國際社會帶來了全新的挑戰(zhàn)，各個國家為此作出響應(yīng)。2020年，習(xí)近平總書記指出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。中國目前正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段，城市群迅速崛起，城市群經(jīng)濟逐漸成為我國區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的重要方面[1]。在城市群經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，油氣消費巨大且供給持續(xù)緊張?；谶^去的粗放型經(jīng)濟，油氣利用效率低下，這導(dǎo)致氣候變暖，生態(tài)環(huán)境持續(xù)退化；反過來，生態(tài)環(huán)境的惡化又嚴重影響經(jīng)濟發(fā)展和油氣消費，長期加劇著油氣、經(jīng)濟與環(huán)境三者之間的矛盾[2]。

“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)是一個多要素、多層次和多重反饋的特殊復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部因素繁多，油氣子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、碳子系統(tǒng)等為基本要素[3]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者雖然對油氣、經(jīng)濟和碳分別進行了大量的研究，灰色模型[4]、環(huán)境庫茲涅茲曲線[5，6]、多目標規(guī)劃模型[7，8]、向量自回歸模型[9]、STIRPAT模型[10]等模型被廣泛使用。但以往研究通常基于全國及省域范圍內(nèi)，還未對多場景預(yù)測有過深入研究，更很少將城市群作為研究對象進行系統(tǒng)性分析。只基于歷史數(shù)據(jù)，難以較真實地預(yù)測出未來社會發(fā)展動向，反之，在合理、長期的發(fā)展情境下，設(shè)定開展預(yù)測研究會更加逼近未來油氣消耗、經(jīng)濟發(fā)展、碳排放的場景。系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics，SD）是一種量化系統(tǒng)反饋機理的方法，對于研究復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系量化和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢，對此，可以采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對未來發(fā)展動向進行預(yù)測，提升研究的科學(xué)性。

成渝城市群是西部大開發(fā)的重要平臺，是長江經(jīng)濟帶的戰(zhàn)略支撐，也是國家推進新型城鎮(zhèn)化的重要示范區(qū)。成渝城市群處于全國“兩橫三縱”城市化戰(zhàn)略格局中沿長江通道橫軸和包昆通道縱軸的交匯地帶，是全國重要的城鎮(zhèn)化區(qū)域，具有承東啟西、連接南北的區(qū)位優(yōu)勢。然而伴隨著工業(yè)化和城市化的不斷推進，成渝城市群同樣面臨氣候變暖、油氣資源消耗過大等諸多問題。在碳達峰背景下，成渝城市群必須充分考慮油氣、經(jīng)濟和碳之間的聯(lián)系，探究未來低碳經(jīng)濟發(fā)展的合理路徑。因此，本文以成渝城市群為研究對象，運用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”模型，對2022-2030年成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)發(fā)展路徑進行仿真，并對不同發(fā)展情景下該地區(qū)的油氣消費、經(jīng)濟發(fā)展、碳排放情況進行預(yù)測，為成渝城市群實現(xiàn)碳達峰的低碳經(jīng)濟政策制定提供參考。

2 研究方法、模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

系統(tǒng)動力學(xué)（SD）是Forrester提出的研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門科學(xué)，緊密結(jié)合了系統(tǒng)科學(xué)理論與計算機仿真，常被應(yīng)用于城市規(guī)劃、企業(yè)研究、生態(tài)環(huán)保、科技管理等研究領(lǐng)域[11]。系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建主要有5個步驟：①明確系統(tǒng)邊界與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；②確定系統(tǒng)變量；③繪制因果關(guān)系圖；④繪制系統(tǒng)存量流量圖；⑤確定變量之間的函數(shù)關(guān)系。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 系統(tǒng)邊界與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》，成渝城市群空間范圍的最小組成單元為縣級市，鑒于數(shù)據(jù)可獲得性，本研究將系統(tǒng)的空間邊界限定為包括成都、重慶在內(nèi)的17個地級市。本研究將時間邊界限定為2006-2030年，其中，2006-2021年為歷史時段，2022-2030年為仿真預(yù)測時段。油氣、經(jīng)濟、碳的關(guān)系受到環(huán)境、科技與社會等多方面因素影響，內(nèi)部關(guān)系比較復(fù)雜。本文從碳達峰目標出發(fā)，充分考慮了三大產(chǎn)業(yè)、油氣消費、社會、環(huán)境、科技等角度計算碳排放，探究油氣-經(jīng)濟-碳的協(xié)調(diào)發(fā)展。模型包括油氣、經(jīng)濟、碳3個內(nèi)部子系統(tǒng)及環(huán)境、科技與社會3個外部子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1? 成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 因果關(guān)系圖

在系統(tǒng)邊界確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特點，建立“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)因果關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2? 成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)因果關(guān)系圖

由圖2可以看出以下主要反饋回路：

①GDP→科技投入→科技投入強度→單位GDP油氣消費總量→油氣消費總量→碳排放量→單位GDP碳排放量→GDP

②GDP→工業(yè)污染治理投入→工業(yè)污染物治理量→工業(yè)污染物排放總量→GDP增加值→GDP

③GDP→科技投入→科技投入強度→單位GDP油氣消費總量→油氣消費總量→工業(yè)油氣消費量→工業(yè)污染物排放總量→GDP增加值→GDP

④GDP→固定資產(chǎn)投資→三次產(chǎn)業(yè)增加值→油氣消費總量→碳排放量→單位GDP二氧化碳排放量→GDP

⑤GDP→固定資產(chǎn)投資→三次產(chǎn)業(yè)增加值→油氣消費總量→工業(yè)油氣消費量→工業(yè)污染物排放總量→GDP增加值→GDP

2.2.3 系統(tǒng)變量

“油氣-經(jīng)濟-碳”子系統(tǒng)的相關(guān)變量借鑒了張澤義[12]、逯進等[13]、王朵[14]、劉東郎[15]等學(xué)者的研究，結(jié)合了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和因果關(guān)系圖的分析結(jié)果，綜合考慮數(shù)據(jù)可獲得性，經(jīng)過多輪篩選確定了各子系統(tǒng)的主要變量，如表1所示。

表1? 成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)的主要變量

2.2.4 系統(tǒng)存量流量圖

根據(jù)成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)的因果關(guān)系圖與相關(guān)變量的綜合分析，本文構(gòu)建了成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)SD模型的系統(tǒng)存量流量圖，如圖3所示。

2.2.5 變量之間的函數(shù)關(guān)系

對于初始變量與常數(shù)值的數(shù)值確定是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)直接輸入，如人口總數(shù)等。部分函數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系通過建立回歸方程確定，如GDP與三次產(chǎn)業(yè)增加值之間的數(shù)量關(guān)系等。同時，在數(shù)值操作中，運用系統(tǒng)動力學(xué)方法中的表函數(shù)的功能，如碳排放系數(shù)等，通過設(shè)置表函數(shù)對各個變量未來的發(fā)展變化進行模擬。部分關(guān)鍵變量的函數(shù)關(guān)系如表2所示。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文選取2006-2021年的相關(guān)數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)。油氣相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《能源統(tǒng)計年鑒》《四川統(tǒng)計年鑒》《重慶統(tǒng)計年鑒》及各地級市的統(tǒng)計年鑒；經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《四川統(tǒng)計年鑒》《重慶統(tǒng)計年鑒》及各地級市的統(tǒng)計年鑒；碳相關(guān)數(shù)據(jù)來源于CEAD數(shù)據(jù)庫。部分數(shù)據(jù)缺失通過插值法進行補充。

3 實證檢驗

3.1 模型檢驗

在對系統(tǒng)動力學(xué)模型進行歷史檢驗時，一般認為系統(tǒng)模擬數(shù)值與實際數(shù)值之間的誤差若在10%以內(nèi)，則模型的歷史檢驗通過，認為該模型的行為數(shù)據(jù)較為準確地反映了系統(tǒng)的現(xiàn)實運行情況。本文利用2006-2021年的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇第三產(chǎn)業(yè)增加值、油氣消費總量、碳排放量等3個變量進行歷史擬合檢驗。部分數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，碳排放量的模擬精度高，誤差值小于5%，第三產(chǎn)業(yè)增加值與油氣消費總量的誤差值均小于10%，可以認為所構(gòu)建的模型通過了歷史檢驗，能夠滿足本文對成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)仿真研究的需要。

3.2 情景設(shè)定

通過四川省與重慶市的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中相關(guān)的政策規(guī)劃，本文選取GDP增長率、產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)、油氣消費結(jié)構(gòu)作為調(diào)控變量，并參考相關(guān)文獻，設(shè)置變量在合理的范圍浮動，并不代表實際值，情景設(shè)置如下：

情景一：自然增長：各決策變量保持現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。

情景二：經(jīng)濟調(diào)控：GDP增長率提高到10%。

情景三：油氣調(diào)控：石油消費占油氣消費總量的比例下降到49%，天然氣消費占油氣消費總量的比例提高到51%。

情景四：產(chǎn)業(yè)調(diào)控：第一產(chǎn)業(yè)保持不變，產(chǎn)業(yè)投資占比由第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)流動，第二產(chǎn)業(yè)投資占比下降5%，第三產(chǎn)業(yè)投資占比增加5%。

情景五：綜合調(diào)整：GDP增長率提高到10%；石油消費占油氣消費總量的比例下降到49%，天然氣消費占油氣消費總量的比例提高到51%；第二產(chǎn)業(yè)投資占比下降5%，第三產(chǎn)業(yè)投資占比增加5%。

4 仿真模擬分析

4.1 油氣消費總量變化趨勢

如圖4所示，從仿真的5個情景的結(jié)果來看，成渝城市群2022-2030年油氣消費總量均呈現(xiàn)上升趨勢，按照自然增長情景即情景一仿真模擬，2030年會增長到19 535.7萬噸標準煤。其他4種情景對比情景一可發(fā)現(xiàn)，2030年情景二的油氣消費總量達到23 252.7萬噸標準煤，單一地提高GDP增長率會加劇油氣消費，使得情景二的油氣消費總量高于情景一的油氣消費總量。從情景三可以看出，油氣結(jié)構(gòu)調(diào)整可以有效減少油氣消費，相比于情景一，2030年油氣消費總量降低了2 537.4萬噸標準煤。在情景四中，產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)調(diào)整對油氣消費的影響最大，相比于情景一有效降低了4 341.9萬噸標準煤，減少了22.2%，主要是由于產(chǎn)業(yè)投資會影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要消費大量的油氣，第二產(chǎn)業(yè)投資占比減少，減緩了第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而減少了油氣消費，因此，應(yīng)加速優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，從而有效降低油氣消費。在情景五中，到2030年油氣消費總量達到20 368.3萬噸標準煤，相比于2022年增長了11 301.6萬噸標準煤，增長了124.6%，比情景一增加了832.6萬噸標準煤。綜上分析，加速優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)可有效降低油氣消費總量，縮小油氣消費缺口。

圖4? 2022-2030年成渝城市群油氣消費變化圖

4.2 經(jīng)濟總量變化趨勢

GDP是反映一個地區(qū)經(jīng)濟總量的重要指標，因此，本文主要研究GDP的變化趨勢。如圖5所示，從仿真的5個情景的結(jié)果來看，成渝城市群2022-2030年GDP均呈現(xiàn)上升趨勢。按情景一仿真模擬，到2030年GDP增長至158 978億元。在情景二中，GDP增長率提高到10%，相比于情景一，2030年情景二下GDP提高了20 113億元，這說明直接提高GDP增長率，能有效增加GDP。對比情景一，2030年情景三下GDP降低了4 715億元，這說明優(yōu)化油氣消費總量比例會減緩經(jīng)濟發(fā)展，因此，需要適度調(diào)控油氣消費總量比例，從而降低對經(jīng)濟發(fā)展的影響。相比于情景一，情景四下GDP增加了4 873億元，主要是由于產(chǎn)業(yè)投資會影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而提高第三產(chǎn)業(yè)投資能快速拉動第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而加快經(jīng)濟發(fā)展，因此，應(yīng)加速優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。在情景五中，到2030年成渝城市群GDP達到168 779億元，相比2022年增長了102%，比情景一增長了9 801億元。綜上分析，經(jīng)濟發(fā)展需適度調(diào)控油氣消費總量比例，加快優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)，增加第三產(chǎn)業(yè)投資。

圖5? 2022-2030年成渝城市群GDP變化圖

4.3 碳排放量變化趨勢

如圖6所示，2022-2030年成渝城市群碳排放量呈現(xiàn)上升趨勢。從仿真的5個情景的結(jié)果來看，碳排放量由高到低為情景二＞情景五＞情景一＞情景三＞情景四。按情景一仿真模擬，到2030年碳排放量達到68 375萬噸。按情景二仿真模擬，可以看出經(jīng)濟發(fā)展使碳排放快速增加，2030年碳排放量達到81 384.3萬噸，相比于情景一，碳排放量增加了13 009.3萬噸。因此可以說明，單一的經(jīng)濟發(fā)展會使碳排放量迅速升高。對比情景一，2030年情景三下碳排放量降低了14 709萬噸，說明合理調(diào)控油氣消費總量比例能快速減少碳排放量。在情景四模擬預(yù)測下，碳排放量增長趨勢緩和，對比情景一，2030年碳排放量降低了15 196.8萬噸，說明優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)能有效降低碳排放量。在情景五模擬預(yù)測下，與2022年相比，2030年碳排放量增長219.0%，比情景一的碳排放量增加了9 756.3萬噸。綜上分析，對碳排放的影響程度由大到小依次是經(jīng)濟發(fā)展＞油氣消費總量比例＞產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)。其中，單一的經(jīng)濟發(fā)展會提高碳排放量，而合理調(diào)控油氣消費總量比例、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)會有效降低碳排放量。因此，保持合理的經(jīng)濟發(fā)展速度，優(yōu)化油氣消費結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)是成渝城市群未來碳減排工作的重要方向。

圖6? 2022-2030年成渝城市群碳排放變化圖

5 結(jié)論

本文通過構(gòu)建的成渝城市群“油氣-經(jīng)濟-碳”系統(tǒng)SD模型，并檢驗?zāi)Ｐ陀行院?，將模型與情景分析相結(jié)合，預(yù)測成渝城市群在2022-2030年不同情景中油氣消費總量、經(jīng)濟總量、碳排放量的動態(tài)變化情況。通過情景結(jié)果的分析對比得出以下結(jié)論：①成渝城市群的油氣消費總量、經(jīng)濟總量、碳排放量在研究期間均呈現(xiàn)增長趨勢。按自然增長情景即情景一仿真模擬，到2030年油氣消費總量達到19 535.7萬噸標準煤，經(jīng)濟總量（GDP）達到158 978億元，碳排放量達到68 375萬噸。②情景二的結(jié)果顯示，單一發(fā)展經(jīng)濟雖然能有效增長GDP，但是會增加油氣消費總量和碳排放量。情景三油氣調(diào)控的結(jié)果顯示，合理調(diào)整油氣消費總量比例可有效降低碳排放量。情景四產(chǎn)業(yè)調(diào)控的結(jié)果顯示，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)能有效降低油氣消費總量和碳排放量，提高經(jīng)濟總量。情景五綜合了多種決策變量，與其他情景相比更加立足于成渝城市群的實際發(fā)展情況，權(quán)衡油氣消費和經(jīng)濟發(fā)展以減少碳排放量，因此，情景五更加具有參考性。③對碳排放的影響程度由大到小的3個調(diào)控變量依次是經(jīng)濟發(fā)展＞油氣消費總量比例＞產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)。其中，單一的經(jīng)濟發(fā)展會提高碳排放量，而合理調(diào)控油氣消費總量比例、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)會有效降低碳排放量。因此，保持合理的經(jīng)濟發(fā)展速度，優(yōu)化油氣消費結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)是成渝城市群未來碳減排工作的重要方向。

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