系統動力學在空港區域規劃環境影響評價中的應用

劉 慧,郭懷成,盛 虎,都小尚,3,李 娜,楊永輝 (.北京大學環境科學與工程學院,北京 0087；2.香港中文大學地理與資源管理系,香港；3.鄭州市環境保護局,河南 鄭州 450007)

隨著我國經濟社會的快速發展,如何在發展中充分考慮環境保護工作成為政府、民眾和專家學者熱切關注的話題.2003年,我國發布《中華人民共和國環境影響評價法》,初步確立了我國的規劃環境影響評價制度.同年原國家環保總局發布《規劃環境影響評價技術導則(試行)》[1],提出了開展規劃環境影響評價的一般原則、技術程序、方法、內容和要求,用于指導規劃環評的實施.而于2009年10月起施行的《規劃環境影響評價條例》,則根據其近年來的實踐情況,進一步規范和明確了相關實施細則.

規劃環境影響評價導則中明確規定,對所有規劃方案(包括替代方案)的主要環境影響(包括直接的、間接的,特別是累積影響)進行預測是環境影響評價的重要工作內容,并指出預測方法一般有類比分析法、系統動力學、投入產出分析、環境數學模型和情景分析法等[1].目前已有的規劃環境影響評價案例研究中,情景分析法、數學模型法、趨勢外推法和專業判斷法得到比較多的應用,類比分析法由于其半定量性而使用較少,系統動力學、投入產出分析由于適用于宏觀綜合規劃,且對專業知識、時間、人力和物力要求高,在實踐中使用也較少[2].已有文獻中,對規劃環境影響評價預測方法的研究較少,集中于較為復雜的投入產出分析法[3]和系統動力學[4-7]上.綜合比較幾種方法,系統動力學在環境方面的應用已經覆蓋了許多領域,如固體廢物管理[8]、水質改善[9]、污水管理[10]、土地資源配置[11]、城市擴張的環境影響[12-13]、區域可持續發展[14-15]等,是比較成熟的系統研究方法.

航空港作為依附于機場而產生的新興經濟區域,在第5次交通運輸發展浪潮中,成為很多城市經濟新的增長點[16].基于此所進行的航空港區發展規劃及其環境影響評價成為新的需求.目前的規劃環評案例中,系統動力學多用于城市、開發區等區域尺度[4-6,17],對于航空港這一特殊區域尚未有相關嘗試.本文以鄭州航空港地區總體規劃環境影響評價為例,在航空港區經濟、環境特征分析的基礎上,構建系統動力學在航空港區規劃環評中的應用框架.

1 SD在空港區域規劃環評中的應用框架

1.1 航空港區經濟、環境特征分析

航空港區本質上是空港經濟區,即以機場為核心,依托機場對經濟資源要素的空間集聚效應,在機場周邊地區形成的以航空物流、人流所衍生的產業集群為主體的綜合性經濟區域[18].航空港區與機場核心區及所依附城市之間在經濟、人口和環境上有著密切的聯系(圖1).

航空港區經濟發展受到 3個方面的影響和制約:自身產業結構條件、機場核心設施的發展潛力以及周邊城市的發展狀況.機場本身就是區域經濟發展的重要動力[19],在現代,依托于機場形成的航空港區能夠更加充分、高效地利用機場所帶來的客貨流、信息流,培育一批新型高端產業,帶動城市產業結構升級;區域經濟發展有助于航運業務增加,為機場規模擴大奠定基礎,同時提高地區投資吸引力,促進航空港區產業發展.環境方面,航空港區的環境質量除受到自身生產生活排污影響外,機場運行中的交通工具(包括飛機、汽車等)噪聲、尾氣和固體廢物等也是影響航空港區污染物的重要來源,此外,周邊城市污染物的輸入也會產生影響.同時,經濟發展帶來的大規模遷入及流動人口,會進一步增大環境壓力.

圖1 航空港區與機場核心區及城市間聯系Fig.1 Links among airport area, airport and the cities attached to

1.2 系統動力學

系統動力學(SD)是由美國麻省理工學院Forrester教授于1956年首創的一門交叉性綜合學科[20],基于系統行為、系統結構與功能之間緊密的依賴關系,借助計算機模擬技術建立系統結構-功能的數學模型,利用模擬結果對研究問題進行定性與定量的分析,為政策調整和最優決策的形成提供科學依據.其應用于區域規劃環評中,從系統整體的角度出發,模擬社會、經濟、環境、資源各個子系統的相互作用關系,把握動態發展的分析[21],保證預測結果的精度,并在此基礎上進行累積環境影響分析[22],相較于其他環境影響預測方法具有顯著優勢(表1);而“自下而上”的多智能體系統模型雖然能實現空間的微觀變化模擬,但對數據的要求也更高[23],用于區域規劃環評仍存在難度.

區域系統動力學仿真模型一般涵蓋社會發展子系統、經濟發展子系統、環境保護子系統和資源子系統(圖 2),各子系統相互作用,形成一個有機整體.經濟發展與就業狀況直接相關,社會就業狀況影響人口的遷移變化,而人口總量決定資源消耗、污染排放等;經濟活動帶來經濟效益和勞動就業的同時,消耗礦產、土地、水、能源等資源,并產生大量污染物,污染水、大氣和土壤;資源和環境是經濟社會發展的支撐,但當發展所產生的污染排放和資源消耗接近或超過區域的資源環境承載力時,資源和環境會成為區域發展的限制因子;同時,一定的經濟發展水平下,環保投資的增加對環境改善有促進作用.

表1 規劃環境影響價環境影響預測模型比較Table 1 Comparison of environmental impacts predicting models for EIA of Plans

圖2 區域社會-經濟-環境系統相互作用Fig.2 Interactions among regional socioeconomic-environmental systems

模型利用相互作用反饋環表征現實系統中各變量之間的關系,通過對關鍵變量的識別、分析和調整,預測區域社會經濟大系統的演化規律和趨勢.構建區域系統動力學模型的主要步驟一般包括:①區域社會經濟環境現狀調查;②系統分析與邊界確定;③模型構建;④參數確定.

1.3 方法框架

空港區域同其他區域一樣,是一個復雜巨系統,把系統動力學應用于航空港區社會－經濟－環境系統模擬,能夠有效地綜合考慮人口、工業、資源、環境等子系統的有機聯系,動態仿真系統的發展行為和趨勢,從而對初始狀態、發展過程進行配置和管理.同時,由于目前中國多數航空港區處于初期發展狀態,其建設過程伴隨著全新的臨空產業開發等新的發展環境,該地區以往的發展趨勢對其今后社會經濟的發展趨勢不具有很好的指示性,現有掌握的資料和區域基本情況在未來的發展規劃下也會產生非常大的變化,因此引入類比法,借助周邊及類似區域的參考,進行這種基本空白條件下社會經濟發展相關參數的預測.

圖3 空港區域規劃環境影響評價中系統動力學應用的方法框架Fig.3 Framework of system dynamic method application in airport area planning environmental impact assessment

航空港的發展模式直接決定了其對經濟社會和環境產生影響的大小和好壞,對不同方案的環境影響進行綜合比較也是規劃環評的重要內容.情景分析法由于對隨機因素影響和決策者意愿處理上的靈活性與實用性[24],可以反映不同的規劃方案(經濟活動)情景下的社會經濟發展狀況和環境影響后果,以及一系列主要變化的過程,適用于規劃環評中對于不同替代方案的分析評價.使用情景分析法便于對航空港建設過程中可能的發展模式進行模擬、比較和決策,同時揭示開發行動中的某些活動或政策可能引起的重大后果和環境風險.

在對空港區域規劃環境影響評價特征分析的基礎上,本文提出了包括“系統動力學-類比法-情景分析法”在內的方法框架.在區域主要環境影響因子識別和經濟社會發展分析的基礎上構建空港地區系統動力學模型,分別進行零方案模擬和規劃方案模擬,通過對結果的比較分析設計替代方案情景并再次模擬,基于此提出區域環境保護對策與減緩措施(圖3).該方法框架用于空港地區規劃環境影響評價中環境影響預測、分析、方案比較及替代方案設計等各步驟,保證環評的系統性、連續性和有效性.

2 SD在鄭州航空港地區總體規劃環評中的應用

2.1 規劃區概要

鄭州航空港區位于鄭州市南部,以京廣鐵路和國家南水北調工程走廊為界,面積 138km2,轄新鄭市及中牟縣部分鄉鎮.《鄭州航空港地區總體規劃(2008~2035)》定位航空港區發展目標為:以鄭州新鄭國際機場的跨越式發展為契機,大力發展現代物流業、出口加工業、航空制造業、現代服務業,把鄭州航空港地區建設成為交通便利、經濟繁榮、社會穩定、布局合理、設施完善、環境優美的生態型航空新城.

按照“區港一體、協調發展”的理念,鄭州航空港地區整體按照“一核二區”進行布局:“一核”即機場核心區;“二區”即機場北部的物流商貿區和南部的臨空產業區(圖4).規劃分為3個時段:近期(2008~2012年)、中期(2013~2020年)和遠期(2021~2035年).規劃到2035年,空港區城市建設用地規模為94.1km2,人口43萬人;規劃綠地占城市建設用地 18.5%;生活污水集中處理率達85%,工業污水達標排放率達100%,河流水質功能達標;區域環境噪聲達標率100%、交通噪聲達標率95%.

圖4 規劃區域功能分區Fig.4 Function structure of planning area

2.2 主要影響識別

在區域環境質量與資源利用現狀評價基礎上,采用矩陣核查表法和專家咨詢法,識別規劃實施的影響主要集中在如下幾方面:①隨著總體規劃實施進程,快速城鎮化和人口增長是必然趨勢;②由于生態條件敏感,土地資源和水資源可能會成為航空港區經濟社會發展的限制因子;③環境方面,PM10和SO2是該區主要大氣污染物,未來生活和服務業排放增加會帶來更大壓力;④港區現有河流多為納污河流,水質較差,是港區經濟社會發展的重要限制因素;⑤噪聲是機場的主要環境問題,直接影響空港區的產業及人口布局;⑥固體廢物產生量隨機場規模擴大、人口增長和工業發展會急劇增加,由于現狀工業固體廢物利用率達100%,且規劃生活垃圾全部轉運至鄭州市垃圾綜合處理廠進行處置,因此固體廢物對當地環境影響不大.

2.3 模型構建

模型基準年為 2007年,預測時段與航空港地區總體規劃一致,即 2008~2035年.空間范圍涵蓋規劃的 138km2.由于航空港區不可能形成邊界閉合的獨立系統,系統模型邊界應力圖把與建模目的關系密切的重要變量劃入系統內部.系統邊界劃定為航空港區域邊界,系統外的影響因素處理成輸入變量.根據對區域調研分析,區域外的外來環境影響較小,因此在本研究中暫不考慮區域外影響;由于本規劃中機場核心區 48km2不同于普通區域,且另有詳細規劃,因此其環境影響根據機場核心區規劃環境影響評價報告直接輸入.

表2 主要系統動力學方程Table 2 The main equations of system dynamics

模型包括社會發展子系統、經濟發展子系統、環境保護子系統和資源子系統.社會發展子系統主要考慮航空港區人口變動,表現為兩個特征:①空港區是在幾乎空白的基礎上進行建設,由于人口政策和經濟發展吸引,人口發展以機械遷入為主;②人口流動性很大,特別是工作人口.經濟發展子系統中,空港區目前4個支柱性產業為食品加工業、印刷包裝業、醫藥制造業和物流業,未來工業仍然是拉動航空港區經濟發展的關鍵因素,第三產業將逐漸成為經濟的主要組成部分;按照港區的發展規劃,將重點發展與航空運輸密切相關的電子信息、生物、醫藥、航空制造等產業和食品制造、服裝等一般工業,因此研究中將工業發展子模塊細分為食品制造業、電子信息業、生物制藥業、紡織服裝業、機械制造業、石油化工業和其他產業等7類.資源子系統中,主要考慮水資源需求,包括工業需水、生活需水、環境需水和機場需水4個部分.環境保護子系統主要考慮由港區生產生活所產生的污染排放、機場核心區污染輸入和所進行的污染減排活動,根據航空港區現狀主要污染類型和數據的可得性,污染指標包括COD、SO2、PM10、NO2.

模型使用VENSIM_PLE軟件建立系統流程圖,含248個變量,共153個方程.限于篇幅,本文僅以水污染物 COD污染控制為例進行說明(圖 5),主要系統動力學方程如表2示.以2004~2007年間部分社會經濟變量的實際值和模擬值作比較,除了以各行業產值加總得到的工業總產值偏差較大外,其他誤差均較小,模型可以通過檢驗(表3).

2.4 區域發展方案模擬

首先設計零方案(O)和規劃方案(P)兩種先行情景.零方案是指在沒有擬實施的總體規劃的情況下航空港區社會、經濟、環境狀況的主要發展趨勢,是對規劃方案進行比較分析的背景條件.規劃方案則預測按照《鄭州航空港地區總體規劃(2008~2035)》調整該區域發展模式后的環境影響,并與區域環境容量和資源承載進行對比,識別規劃發展模式下航空港地區面臨的發展瓶頸.

圖5 環境保護子系統(COD子模塊)流程Fig.5 The flow chart of environmental protection subsystem (COD module) in Vensim_PLE

表3 部分變量模擬結果驗證Table 3 The simulation results validation of part variable

2035年零方案和規劃方案下水資源需求量及污染物量如表4示.相較于零方案,規劃方案中人口得到快速發展,因此生活所需水資源有顯著增加,但由于規劃情景中污水處理廠的新建和生活能源結構的改進,生活污染排放量反而減少;雖然伴隨著生產的技術進步,工業污染排放系數在降低,但由于經濟的快速增長,尤其是規劃方案中食品加工業的發展,使得工業污染排放量相較零方案增加,并成為主要的污染源;總體而言,規劃方案中高速經濟社會發展的環境負效應被新增的污染控制措施和技術進步、結構改變等因素部分地抵消,COD、SO2和PM10排放上甚至優于零方案.而與水資源供給量和相應環境容量對比,COD和NO2的排放量遠超出區域環境容量,通過進行人口規模的控制和產業結構的調整來減少污染排放是替代方案應該考慮的方向;水資源供給量雖然在遠期能滿足需求,但再生水廠規模小于規劃中水回用量,水資源供給仍存在風險.

2.5 替代方案情景分析與調控建議

在對上述兩種情景分析的基礎上,通過與地方決策者和相關專家進行溝通和探討,充分考慮規劃可能存在的替代方案,設計港區發展的替代方案情景.①情景一(I):資源環境約束型發展情景,即社會經濟要素仍然按照規劃方案進行降低資源消耗和污染排放系數,提高中水回用率和污染處理率;②情景二(II):社會經濟約束型發展情景,即資源消費模式和環境模式不進行調整,通過制定資源節約、環境友好型的產業結構調整與引導戰略對人口發展和產業發展模式進行調整,具體表現為適當提高機械制造、電子信息產業的發展能力,減少對食品制造業的扶持和依賴,同時加大第三產業的發展力度,在會展、物流等生產服務業的基礎上,發展生活服務業、生產服務業、公共服務業等多元化的服務經濟,為港區發展提供支撐;③情景三(III):協調發展型情景,一方面控制人口的過快增長和調整產業結構向低污染、低水耗的產業傾斜,另一方面促進節水、減排等各項措施的進行,兩種關系協調進行,努力實現經濟社會的快速、高效、健康發展.不同情景下的相關參數類比其他航空港區的發展,同時根據區域(包括鄭州市、河南省)資料調研和文獻分析進行調整,輸入SD模型進行情景模擬.

表4 2035年零方案和規劃方案模擬結果 (t/a)Table 4 Simulation results of “zero scenario” and “planning scenario” in 2035 (t/a)

圖6 不同情景下的社會經濟發展趨勢Fig.6 The trend of population and GDP under different scenarios

不同情景下的社會經濟發展趨勢、資源消耗和污染排放如圖6和圖7示.社會經濟發展方面,3種替代情景相較于零方案和規劃方案對人口增長和產業結構進行調整,其中在情景三下,第二和第三產業發展相輔相成,并在規劃末期逐漸出現經濟結構向服務業主導的轉變趨勢,是比較健康的經濟增長模式,而生物醫藥業和電子信息業的迅速發展也在引導港區工業向更符合其區域特征的高新技術型轉變(表 5).水資源方面,三種替代方案均優于規劃方案,且水資源供給和污水處理均滿足需求,但中水回用規模的限制仍然存在.污染排放方面,COD由于環境容量非常有限,成為限制區域發展的瓶頸因素,如何通過生態措施提高區域水環境容量,并通過深入處理進一步降低工業和生活的COD排放量是規劃中應著重考慮的環境問題;大氣污染物中,SO2的容量限制較為寬松,NO2通過情景二或情景三的調整已經可以滿足環境容量限制,PM10則三種情景下都超過了容量,工業以及住宿餐飲業等第三產業排放是其主要來源,應通過技術和燃料結構調整降低PM10排放.相比較而言,情景三能夠實現經濟社會發展的同時,減少污染物的排放和水資源的消耗,是最優方案,可作為地區可持續發展的參考.

基于上述評價分析的結論,需要采用相關的減緩措施減輕環境影響,主要包括利用循環經濟理念對港區的產業鏈進行生態化設計,使得各產業之間盡可能的達到資源最大利用和廢物最小化產生;根據環境容量總量控制和資源承載力約束,對港區的主要環境要素提出相應的環境保護對策,如污水處理廠建設、集中供熱、清潔能源推廣等;以及基于景觀生態學理念的區域空間格局調控與優化.

圖7 2035年不同情景下的水資源使用和污染排放Fig.7 The use of water resource and pollutants discharge with capacities in 2035 under different scenarios

表5 2035年不同情景下的工業總產值構成Table 5 The structures of industrial output in 2035 under different scenarios

3 結論

3.1 結合新興空港區域經濟-社會-環境發展影響因素眾多、變化快的特點,綜合系統動力學、類比法、情景分析法構建了空港區域規劃環評的方法框架,具體步驟包括:發展分析-影響識別-模型構建-零方案/規劃方案模擬-替代方案設計-減緩措施,各步驟間進行動態反饋,以保證環評過程的系統性、連續性和有效性.

3.2 以鄭州航空港區為例開展案例研究,驗證了該方法框架的有效性和科學性.相較于零方案,規劃方案在經濟社會高速發展的同時,對港區環境質量有一定負面影響;通過與決策者和專家溝通,設計3種替代方案,并據此提出方案的減緩措施.

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