成渝城市群“油气-经济-碳”系统仿真模拟

1引言能源是现代工业和经济发展的基础性资源，石油与天然气（以下简称“油气”）是能源中的重要组成部分，在促进经济发展、保障能源安全等方面具有极其重要的地位。人类社会在快速发展的同时使用大量化石燃料，特别是工业革命时代，大规模的二氧化碳排放到大气中加剧了全球变暖。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次气候变化评估报告显示，2011-2020年全球表面温度比1850-1900年上升1.09℃。碳排放造成全球变暖的影响在未来数百年是不可逆的，这为国际社会带来了全新的挑战，各个国家为此作出响应。2020年，习近平总书记指出：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。中国目前正处于工业化和城镇化的快速发展阶段，城市群迅速崛起，城市群经济逐渐成为我国区域经济协调发展的重要方面[1]。在城市群经济快速发展的时期，油气消费巨大且供给持续紧张。基于过去的粗放型经济，油气利用效率低下，这导致气候变暖，生态环境持续退化；反过来，生态环境的恶化又严重影响经济发展和油气消费，长期加剧着油气、经济与环境三者之间的矛盾[2]。“油气-经济-碳”系统是一个多要素、多层次和多重反馈的特殊复杂系统，其内部因素繁多，油气子系统、经济子系统、碳子系统等为基本要素[3]。现阶段，国内外学者虽然对油气、经济和碳分别进行了大量的研究，灰色模型[4]、环境库兹涅兹曲线[5,6]、多目标规划模型[7,8]、向量自回归模型[9]、STIRPAT模型[10]等模型被广泛使用。但以往研究通常基于全国及省域范围内，还未对多场景预测有过深入研究，更很少将城市群作为研究对象进行系统性分析。只基于历史数据，难以较真实地预测出未来社会发展动向，反之，在合理、长期的发展情境下，设定开展预测研究会更加逼近未来油气消耗、经济发展、碳排放的场景。系统动力学（SystemDynamics，SD）是一种量化系统反馈机理的方法，对于研究复杂系统的关联关系量化和系统的结构具有独特的优势，对此，可以采用系统动力学的方法对未来发展动向进行预测，提升研究的科学性。成渝城市群是西部大开发的重要平台，是长江经济带的战略支撑，也是国家推进新型城镇化的重要示范区。成渝城市群处于全国“两横三纵”城市化战略格局中沿长江通道横轴和包昆通道纵轴的交汇地带，是全国重要的城镇化区域，具有承东启西、连接南北的区位优势。然而伴随着工业化和城市化的不断推进，成渝城市群同样面临气候变暖、油气资源消耗过大等诸多问题。在碳达峰背景下，成渝城市群必须充分考虑油气、经济和碳之间的联系，探究未来低碳经济发展的合理路径。因此，本文以成渝城市群为研究对象，运用系统动力学方法建立成渝城市群“油气-经济-碳”模型，对2022-2030年成渝城市群“油气-经济-碳”系统发展路径进行仿真，并对不同发展情景下该地区的油气消费、经济发展、碳排放情况进行预测，为成渝城市群实现碳达峰的低碳经济政策制定提供参考。2研究方法、模型构建与数据来源2.1研究方法系统动力学（SD）是Forrester提出的研究系统反馈结构与行为的一门科学，紧密结合了系统科学理论与计算机仿真，常被应用于城市规划、企业研究、生态环保、科技管理等研究领域[11]。系统动力学模型的构建主要有5个步骤：①明确系统边界与系统结构；②确定系统变量；③绘制因果关系图；④绘制系统存量流量图；⑤确定变量之间的函数关系。2.2模型构建2.2.1系统边界与系统结构根据《成渝城市群发展规划》，成渝城市群空间范围的最小组成单元为县级市，鉴于数据可获得性，本研究将系统的空间边界限定为包括成都、重庆在内的17个地级市。本研究将时间边界限定为2006-2030年，其中，2006-2021年为历史时段，2022-2030年为仿真预测时段。油气、经济、碳的关系受到环境、科技与社会等多方面因素影响，内部关系比较复杂。本文从碳达峰目标出发，充分考虑了三大产业、油气消费、社会、环境、科技等角度计算碳排放，探究油气-经济-碳的协调发展。模型包括油气、经济、碳3个内部子系统及环境、科技与社会3个外部子系统，如图1所示。图1成渝城市群“油气-经济-碳”系统结构图2.2.2因果关系图在系统边界确定的基础上，结合“油气-经济-碳”系统自身的结构特点，建立“油气-经济-碳”系统因果关系图，如图2所示。图2成渝城市群“油气-经济-碳”系统因果关系图由图2可以看出以下主要反馈回路：①GDP→科技投入→科技投入强度→单位GDP油气消费总量→油气消费总量→碳排放量→单位GDP碳排放量→GDP②GDP→工业污染治理投入→工业污染物治理量→工业污染物排放总量→GDP增加值→GDP③GDP→科技投入→科技投入强度→单位GDP油气消费总量→油气消费总量→工业油气消费量→工业污染物排放总量→GDP增加值→GDP④GDP→固定资产投资→三次产业增加值→油气消费总量→碳排放量→单位GDP二氧化碳排放量→GDP⑤GDP→固定资产投资→三次产业增加值→油气消费总量→工业油气消费量→工业污染物排放总量→GDP增加值→GDP2.2.3系统变量“油气-经济-碳”子系统的相关变量借鉴了张泽义[12]、逯进等[13]、王朵[14]、刘东郎[15]等学者的研究，结合了系统结构和因果关系图的分析结果，综合考虑数据可获得性，经过多轮筛选确定了各子系统的主要变量，如表1所示。表1成渝城市群“油气-经济-碳”系统的主要变量2.2.4系统存量流量图根据成渝城市群“油气-经济-碳”系统的因果关系图与相关变量的综合分析，本文构建了成渝城市群“油气-经济-碳”系统SD模型的系统存量流量图，如图3所示。图3成渝城市群“油气-经济-碳”系统流图2.2.5变量之间的函数关系对于初始变量与常数值的数值确定是根据历史数据直接输入，如人口总数等。部分函数之间的数学关系通过建立回归方程确定，如GDP与三次产业增加值之间的数量关系等。同时，在数值操作中，运用系统动力学方法中的表函数的功能，如碳排放系数等，通过设置表函数对各个变量未来的发展变化进行模拟。部分关键变量的函数关系如表2所示。表2成渝城市群“油气-经济-碳”系统变量函数关系2.3数据来源本文选取2006-2021年的相关数据作为历史数据。油气相关数据来源于《能源统计年鉴》《四川统计年鉴》《重庆统计年鉴》及各地级市的统计年鉴；经济相关数据来源于《四川统计年鉴》《重庆统计年鉴》及各地级市的统计年鉴；碳相关数据来源于CEAD数据库。部分数据缺失通过插值法进行补充。3实证检验3.1模型检验在对系统动力学模型进行历史检验时，一般认为系统模拟数值与实际数值之间的误差若在10%以内，则模型的历史检验通过，认为该模型的行为数据较为准确地反映了系统的现实运行情况。本文利用2006-2021年的相关数据，选择第三产业增加值、油气消费总量、碳排放量等3个变量进行历史拟合检验。部分数据结果如表3所示，经过验证发现，碳排放量的模拟精度高，误差值小于5%，第三产业增加值与油气消费总量的误差值均小于10%，可以认为所构建的模型通过了历史检验，能够满足本文对成渝城市群“油气-经济-碳”系统仿真研究的需要。表3模型检验3.2情景设定通过四川省与重庆市的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中相关的政策规划，本文选取GDP增长率、产业投资结构、油气消费结构作为调控变量，并参考相关文献，设置变量在合理的范围浮动，并不代表实际值，情景设置如下：情景一：自然增长：各决策变量保持现在的发展趋势。情景二：经济调控：GDP增长率提高到10%。情景三：油气调控：石油消费占油气消费总量的比例下降到49%，天然气消费占油气消费总量的比例提高到51%。情景四：产业调控：第一产业保持不变，产业投资占比由第二产业向第三产业流动，第二产业投资占比下降5%，第三产业投资占比增加5%。情景五：综合调整：GDP增长率提高到10%；石油消费占油气消费总量的比例下降到49%，天然气消费占油气消费总量的比例提高到51%；第二产业投资占比下降5%，第三产业投资占比增加5%。4仿真模拟分析4.1油气消费总量变化趋势如图4所示，从仿真的5个情景的结果来看，成渝城市群2022-2030年油气消费总量均呈现上升趋势，按照自然增长情景即情景一仿真模拟，2030年会增长到19535.7万吨标准煤。其他4种情景对比情景一可发现，2030年情景二的油气消费总量达到23252.7万吨标准煤，单一地提高GDP增长率会加剧油气消费，使得情景二的油气消费总量高于情景一的油气消费总量。从情景三可以看出，油气结构调整可以有效减少油气消费，相比于情景一，2030年油气消费总量降低了2537.4万吨标准煤。在情景四中，产业投资结构调整对油气消费的影响最大，相比于情景一有效降低了4341.9万吨标准煤，减少了22.2%，主要是由于产业投资会影响产业发展，而第二产业发展需要消费大量的油气，第二产业投资占比减少，减缓了第二产业发展，从而减少了油气消费，因此，应加速优化产业投资结构，加快产业结构转型，从而有效降低油气消费。在情景五中，到2030年油气消费总量达到20368.3万吨标准煤，相比于2022年增长了11301.6万吨标准煤，增长了124.6%，比情景一增加了832.6万吨标准煤。综上分析，加速优化产业投资结构可有效降低油气消费总量，缩小油气消费缺口。图42022-2030年成渝城市群油气消费变化图4.2经济总量变化趋势GDP是反映一个地区经济总量的重要指标，因此，本文主要研究GDP的变化趋势。如图5所示，从仿真的5个情景的结果来看，成渝城市群2022-2030年GDP均呈现上升趋势。按情景一仿真模拟，到2030年GDP增长至158978亿元。在情景二中，GDP增长率提高到10%，相比于情景一，2030年情景二下GDP提高了20113亿元，这说明直接提高GDP增长率，能有效增加GDP。对比情景一，2030年情景三下GDP降低了4715亿元，这说明优化油气消费总量比例会减缓经济发展，因此，需要适度调控油气消费总量比例，从而降低对经济发展的影响。相比于情景一，情景四下GDP增加了4873亿元，主要是由于产业投资会影响产业发展，而提高第三产业投资能快速拉动第二产业发展，从而加快经济发展，因此，应加速优化产业投资结构，加快产业结构转型。在情景五中，到2030年成渝城市群GDP达到168779亿元，相比2022年增长了102%，比情景一增长了9801亿元。综上分析，经济发展需适度调控油气消费总量比例，加快优化产业投资结构，增加第三产业投资。图52022-2030年成渝城市群GDP变化图4.3碳排放量变化趋势如图6所示，2022-2030年成渝城市群碳排放量呈现上升趋势。从仿真的5个情景的结果来看，碳排放量由高到低为情景二＞情景五＞情景一＞情景三＞情景四。按情景一仿真模拟，到2030年碳排放量达到68375万吨。按情景二仿真模拟，可以看出经济发展使碳排放快速增加，2030年碳排放量达到81384.3万吨，相比于情景一，碳排放量增加了13009.3万吨。因此可以说明，单一的经济发展会使碳排放量迅速升高。对比情景一，2030年情景三下碳排放量降低了14709万吨，说明合理调控油气消费总量比例能快速减少碳排放量。在情景四模拟预测下，碳排放量增长趋势缓和，对比情景一，2030年碳排放量降低了15196.8万吨，说明优化产业投资结构能有效降低碳排放量。在情景五模拟预测下，与2022年相比，2030年碳排放量增长219.0%，比情景一的碳排放量增加了9756.3万吨。综上分析，对碳排放的影响程度由大到小依次是经济发展＞油气消费总量比例＞产业投资结构。其中，单一的经济发展会提高碳排放量，而合理调控油气消费总量比例、优化产业投资结构会有效降低碳排放量。因此，保持合理的经济发展速度，优化油气消费结构和产业投资结构是成渝城市群未来碳减排工作的重要方向。图62022-2030年成渝城市群碳排放变化图5结论本文通过构建的成渝城市群“油气-经济-碳”系统SD模型，并检验模型有效性后，将模型与情景分析相结合，预测成渝城市群在2022-2030年不同情景中油气消费总量、经济总量、碳排放量的动态变化情况。通过情景结果的分析对比得出以下结论：①成渝城市群的油气消费总量、经济总量、碳排放量在研究期间均呈现增长趋势。按自然增长情景即情景一仿真模拟，到2030年油气消费总量达到19535.7万吨标准煤，经济总量（GDP）达到158978亿元，碳排放量达到68375万吨。②情景二的结果显示，单一发展经济虽然能有效增长GDP，但是会增加油气消费总量和碳排放量。情景三油气调控的结果显示