基于系統動力學的京津冀碳排放交易政策影響研究

張俊榮，王孜丹，湯 鈴，余樂安

(北京化工大學經濟管理學院，北京 100029)

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基于系統動力學的京津冀碳排放交易政策影響研究

張俊榮，王孜丹，湯 鈴，余樂安

(北京化工大學經濟管理學院，北京 100029)

隨著經濟的快速發展，環境問題日益嚴重，京津冀地區低碳協同發展成為關注的焦點。碳排放權交易機制作為一種市場驅動的碳減排政策，能有效地減緩氣候變化，降低二氧化碳排放量。對此，本文基于系統動力學，構建京津冀碳排放交易政策仿真模型，探索不同的碳交易機制設計對京津冀地區經濟和環境的影響。實證研究結果表明：(1)總體上，碳交易機制能有效地促進京津冀地區的碳減排進程，即使對經濟會產生微小的負向沖擊；(2)在碳交易機制設計方面，減少碳配額總量，減少免費配額發放，以及提高碳交易價格均會增大碳減排力度，并同時加劇對經濟的抑制作用。

碳交易；系統動力學；京津冀地區；碳減排；能源政策模擬

1 引言

近年來，隨著經濟的快速發展，溫室效應與氣候變暖問題已對人類的生產與生活產生了不容忽視的影響。在此背景下，我國積極承擔碳減排任務，推行低碳經濟。在眾多能源政策中，碳排放權交易(碳交易)已成為有效降低碳排放的重要工具。碳交易機制首次在《京都議定書》中被提及，把二氧化碳排放權作為一種商品進行交易，從而形成碳排放權交易市場，即碳市場。相比于由國家強制征收的碳稅政策，碳交易機制能更為靈活、有效地運用市場機制以實現碳減排目標。因此，2011年10月，我國正式確定了北京、天津、重慶、上海、湖北、廣東和深圳七省市為全國首批碳排放交易試點。

關于碳交易機制的影響研究，現有的國外研究主要集中于碳交易機制對公司及行業的決策影響。例如，Galinis等[1]利用CGE模型，研究了不同碳交易政策下荷蘭的未來能源決策；Chappin等[2]引入multi-agent模型，分析了寡頭市場中的碳排放交易機制對于電力企業生產決策的影響；Mo Jianlei等[3]利用多因素市場模型，研究了不同碳交易機制設計和價格變化對于歐盟電力公司的影響；Tang Ling等[4]構建了multi-agent模型，探究了碳交易機制對中國碳排放及經濟發展的影響，同時對碳配額初始分配方式中的標桿法則和祖父法則進行了對比研究；Cong Ronggang等[5]基于agent模型，研究了碳交易機制對于中國電力行業的潛在影響。

國內學者對碳排放交易系統的研究起步較晚，但發展迅速。主要研究包括兩方面：碳交易機制設計研究和碳交易機制下的公司決策研究。在碳交易機制設計研究方面，陳文穎和吳宗鑫[6]提出通過利用兩種分配方式相結合的混合分配機制來降低成本，減少對經濟發展的影響；劉新宇[7]認為以拍賣法分配初始碳配額，并將拍賣收入返還企業的設計較優；湯鈴等[8]利用multi-agent模型，構建了我國碳交易機制模型，研究不同的碳交易機制對我國經濟與環境的影響；時志雄[9]總結了國內與國際碳排放交易的發展，分析了碳市場的結構、機制以及發展趨勢，提出了我國碳交易市場的主要任務和發展途徑；陳曉紅等[10]探索了碳交易價格的影響因素，采用面板回歸和GARCH方法，對美國芝加哥氣候交易所碳金融工具價格進行了相關影響因素分析；崔連標等[11]構建了一個省際排放權交易模型，測算了不同的碳交易機制設定對我國實現“十二五”減排目標及其經濟成本的影響。在碳交易機制下的公司決策研究方面，劉婧等[12]設計了不同企業間的基于碳排放強度的碳排放交易機制理論模型；張立杰等[13]提出了我國企業碳交易博弈模型，并且求出了企業達到納什均衡時的碳交易量及碳交易價格；駱瑞玲等[14]基于博弈模型，針對單制造商和單零售商組成的供應鏈，探討了消費者碳足跡敏感系數、碳配額及碳減排成本對供應鏈成員最優決策及減排效果的影響。

特別地，京津冀地區已經逐漸發展成為全國主要的高新技術和重工業基地，其能源需求量巨大，碳排放量增長迅速，面臨著巨大的減排壓力。因此，京津冀地區碳排放研究同樣受到廣泛關注。例如，武義青和趙亞南[15]通過測算2000-2011年京津冀二氧化碳排放量，從不同角度分析了京津冀的能源消費、碳排放與經濟增長；張煥波和齊曄[16]以京津冀經濟圈為例，提出了中國發展低碳經濟的戰略思考；孫乾和周耀光[17]結合三地發展低碳經濟的優劣勢，通過對京津冀碳排放走勢的分析，提出了低碳經濟背景下京津冀產業協作模式和相關建議；王錚等[18]通過計算區域內碳排放量和凈碳排放量，對于京津冀地區的碳排放趨勢進行了估計。

然而，現有研究較為缺乏對于京津冀地區碳排放交易機制的深入研究。另一方面，京津冀地區已經逐漸發展成為全國主要的高新技術和重工業基地，能源需求和碳排放隨之迅速增長，面臨著巨大的減排壓力。因此，建立京津冀地區碳交易機制，能有效實現碳減排目標，加快“京津冀一體化”的進程，對全國低碳經濟發展具有很大的理論意義和現實意義。因此，本文著重研究京津冀地區碳交易機制，擬定量估計不同碳交易機制對京津冀地區經濟與環境的影響。

鑒于京津冀碳排放交易機制受多重因素的影響，是一個典型的復雜系統。而系統動力學以反饋控制理論為基礎，以計算機仿真技術為手段，能有效結合定量和定性分析，深入研究復雜系統中信息反饋行為，能夠從系統整體出發，在系統內部尋找和研究相關影響因素。基于上述優點，系統動力學模型已廣泛用于多種碳減排研究中。例如，唐建榮等[19]利用系統動力學模型，對碳排放強度的影響因素進行分析；戴歆等[20]通過構建系統動力學模型，分析不同情景下我國經濟增長和碳排放趨勢，探討我國的產業結構調整方向；施婷等[21]針對節能、低碳和強化低碳三種情景，構建系統動力學模型，對保定市第一產業碳排放趨勢進行情景模擬；張麗等[22]構建了碳排放仿真系統動力學模型，將碳排放系統分為經濟、能源、人口和環境子系統，并對其進行了分析研究。為此，本文擬引入具有高階次、非線性、多重反饋性的系統動力學模型，構建京津冀碳排放交易系統仿真模型。該模型涵蓋京津冀經濟、能源、環境及碳交易模塊，并清晰把握各模塊間的相互作用機制，實現對京津冀碳排放交易機制的仿真研究。基于所構建的京津冀碳排放交易系統仿真模型，本文探討了不同碳交易政策設計下，碳交易政策對京津冀地區經濟和環境的影響，并檢驗模型的有效性和實用性，為政府相關部門提供有效的政策建議。

2 模型構建

碳交易機制是一個典型的復雜系統，涉及經濟、環境、能源和碳交易政策等多種因素，這些因素復雜多變并相互作用。因此，本文通過構建京津冀碳交易機制系統動力學仿真模型，探索碳交易系統中各個關鍵變量的變化對經濟與環境的影響。

本文所構建的京津冀碳交易系統動力學模型，涵蓋京津冀經濟、能源、環境和碳交易四個模塊，主要包括二氧化碳排放量、GDP總量、能源消費、科技投資、環境治理成本以及碳交易政策等關鍵變量。其中，二氧化碳排放一方面影響碳交易政策的實施，另一方面促進政府對環境保護的投入，二者又同時影響經濟的發展。經濟的發展將拉動能源消費，而能源消耗的同時也產生了大量的二氧化碳。同時，作為GDP的重要組成部分，科技投資將隨著經濟發展水平的提高而不斷增加，從而促進能源效率的提高，并最終作用于二氧化碳排放量。類似的，經濟發展對固定資產投資有促進作用，而固定資產投資的增加反過來又會推動經濟的增長。具體的，模型框架圖如圖1所示：

圖1 模型框架圖

2.1 因果回路圖

根據模型框架圖和系統邊界，構建模型因果回路圖如圖2所示：

圖2 因果回路圖

該因果回路圖中主要有四個反饋回路，包括三個增強型回路和一個平衡型回路，分別是：

1)二氧化碳排放量→(+)環境治理成本→(-)GDP增長量→(+)GDP→(+)科技投資→(+)能源效率→(-)二氧化碳排放量。

二氧化碳排放的增多促使政府增加更多的投入來治理環境，而環境治理成本的增加必然在短期內對經濟發展造成一定的負效應[22]。同時，科技投資作為GDP重要的組成部分，直接受到經濟發展水平的影響，隨著GDP的增加而增加。科技投資的增加促進了能源行業的技術進步，進而提高了化石能源的利用效率，即能源效率。相應的，能源效率的提高，對碳減排起到積極作用[21-22]。

2)GDP→(+)固定資產投資→(+)GDP增長量→(+)GDP。

經濟的發展對固定資產投資有促進作用，而固定資產投資的增加反過來又會推動經濟的增長，并最終作用于GDP總量[22]。

3)GDP→(+)利潤→(+)GDP增長量→(+)GDP。

同樣的，經濟的發展，可以促進企業產出的增長，從而對利潤產生一定的正效應。而利潤增加又會推動經濟的增長，相應的，最終促進了GDP總量的增長。

4)二氧化碳排放量→(+)懲罰→(+)碳排放成本→(-)利潤→(+)GDP增長量→(+)GDP→(+)能源消費總量→(+)化石能源消費總量→(+)二氧化碳排放量。

當政府配額總量一定時，二氧化碳排放量越大，對于超額排放的企業懲罰就會增加，從而增加企業的碳排放成本。相應的，碳排放成本的增加，將提高生產成本，對利潤產生一定的負效應，而利潤的下降會對GDP的增長起到抑制作用。另一方面，能源消費為經濟的發展提供了基礎，因而GDP上升，促進了能源消費總量的增加[23-24]，從而化石能源消費量隨之加大，最終增加二氧化碳排放[21]。

2.2 存量流量圖

根據因果回路圖，具體的存量流量圖和方程設定如圖3所示。模型中的主要變量包括GDP總量、二氧化碳排放量、固定資產投資、環境治理成本、能源消費總量、化石能源消費總量、配額總量、碳交易價格、碳排放成本等變量。

圖3 存量流量圖

表1 主要變量及參數設定

模型構建過程中，數據來源于Wind、《國家統計年鑒》、《能源統計年鑒》、中國碳交易網(http://www.tanjiaoyi.com/)、清潔能源網(http://www.21ce.cc/)等權威數據庫。模型變量分為外生變量與內生變量。其中，外生變量主要取值于相關數據庫、文獻以及新聞，這些變量包括：煤炭二氧化碳排放系數、石油二氧化碳排放系數、天然氣二氧化碳排放系數、免費比例、配額總量減少率、碳交易價格等。其中，煤炭、石油、天然氣的二氧化碳排放系數取自IPCC2006二氧化碳排放系數；碳交易價格來源于京津兩地歷史碳交易價格平均值；其它變量的取值則源于相關數據庫，包括Wind、中國統計局等。模型的模擬時間設定為2005-2025年，其中，t(t=2005,…,2025)為時間期數，單位為年。

模型內生變量包括GDP、GDP增長量、二氧化碳排放量、固定資產投資、碳交易成本、環境治理成本、能源消費總量、化石能源消費總量等變量。在定性分析的基礎上，基于計量經濟學方法設定各內生變量，估計關鍵方程的參數，且各擬合方程R2的平均值在0.90以上。

主要變量及參數的具體設定，如表1所示。

3 實證研究

3.1 模型檢驗

本文選取了模型中三個主要變量，即二氧化碳排放量、GDP總量和能源消費總量進行誤差檢驗，觀測其2005-2012年擬合值與真實值的絕對誤差大小，從而對該模型的有效性進行驗證。

誤差檢驗的結果如表2所示，其中三個主要變量的最大絕對誤差分別為3.88%，3.55%，3.20%，均小于4%；平均絕對誤差分別為2.75%，1.80%，1.53%，均小于3%，處于可接受范圍內。結果表明，本文所構建的京津冀碳交易機制仿真模型能較為有效地把握京津冀碳交易系統中變量之間的變化規律及其相關關系。

表2 誤差檢驗

3.2 情景設定

模型假設京津冀碳交易機制將于2016年開始實施，模型分別運行到2025年，在此基礎上將2016-2025年各年仿真結果與BAU情景(無碳交易機制)的結果進行對比，以此來探索碳交易機制對京津冀經濟與環境的影響。

為研究不同碳交易政策對京津冀地區經濟和環境的影響，設定基準情景(BAU)為無碳交易政策情景，S0為經典情景，A1-C4為仿真情景。其中，在經典情景中，配額總量減少率以及免費比例是根據國家碳減排政策以及相關文獻[4]得出的，碳交易價格根據京津兩地所有歷史碳交易數據得出。仿真情景將分別刻畫不同的配額總量減少率、免費比例以及碳交易價格下的碳交易機制。

仿真情景設定方面，對于配額總量減少率，考慮到碳減排的最終目標，配額總量逐步減少將成為必然趨勢，配額總量減少率將隨之逐步增加，以達到碳減排的目標。因此，我們主要研究配額總量減少率增加的情景，將A1-A4情景下的配額總量減少率分別設定為0.005，0.015，0.020和0.025。在免費比例方面，根據國家碳減排政策以及相關文獻參考，將B1-B4情景下的免費比例分別設定為0.3，0.5，0.7和0.9。碳交易價格方面，以京津兩地為主，并同時參考了其他五個碳交易所的碳交易價格，根據交易所真實價格，將C1-C4情景下的碳交易價格分別設定為20，30，50，60元/每噸碳排放。具體情景設定如表3所示：

3.3 結果分析

3.3.1 碳交易對京津冀影響研究

圖4展示了碳交易機制自2016年實施后從2017年至2025年，對京津冀地區環境和經濟的影響。仿真結果表明，碳交易機制的實施將會使二氧化碳排放量和GDP都產生下降。例如，在S0情景下，在2020年和2025年二氧化碳排放量將分別下降13.13%和14.72%，GDP總量分別下降7.44%和8.42%。同時，隨著時間的推移，二氧化碳排放量和GDP總量的下降幅度將逐漸增大，但下降趨勢趨于平穩。表明隨著京津冀地區碳排放交易系統的運行，碳交易對環境和經濟的影響趨于平穩。值得注意的是，GDP總量的變化明顯小于二氧化碳排放總量的變化，說明相比于碳減排效果，碳交易機制對經濟產生的負面影響較為微弱。

表3 政策仿真情景設定

圖4 S0情景下，碳交易機制對京津冀環境和經濟的影響(%)

3.3.2 不同碳交易政策影響研究

為了研究不同碳交易政策對京津冀地區經濟和環境的影響，本文通過模擬三種情景，即不同的配額總量減少率(A1-A4)、免費配額比例(B1-B4)以及碳交易價格(C1-C4)，來分析不同碳交易政策的影響結果。

(1)配額總量

圖5 2025年不同配額總量影響下，碳交易機制對京津冀環境和經濟的影響(%)

圖5展示了不同配額總量減少率的情況下，碳交易機制對二氧化碳排放量和GDP總量的影響。A1-A4配額總量減少率逐漸增大，意味著政府碳配額總量逐漸減少。仿真結果表明，配額總量的減少，對碳減排的促進作用和對GDP的抑制作用都會逐漸增大。說明配額總量越少，與原來相比，企業在碳市場上能獲得的碳排放權就更少，為滿足其生產需求企業則負擔更多的碳排放成本，而碳排放成本作為企業生產成本的重要組成部分，企業根據成本最小化原則，一定程度上可能會降低產能，從而減少碳排放成本，相應的產能的減少對GDP便產生了一定的負效應。值得注意的是，對經濟的負面影響明顯低于對碳減排的促進作用。

(2)免費配額

圖6展示了不同免費配額比例的情景下，碳交易機制實施對京津冀二氧化碳排放量和GDP總量的影響。仿真結果表明，不同的免費配額比例，都會使京津冀地區的二氧化碳總量和GDP總量下降。例如，在免費比例為0.3和 0.9時，二氧化碳排放量分別下降16.52%和12.82%，GDP總量分別下降9.73%和7.13%。同時，隨著免費比例的逐漸增加，對二氧化碳排放量和GDP總量的抑制作用明顯減弱。這表明隨著免費配額的增多，碳排放成本相應變小，從而削弱了碳交易機制的減排效果。

圖6 2025年不同免費配額下，碳交易機制對京津冀環境和經濟的影響(%)

(3)碳交易價格

圖7展示了不同碳交易價格的情況下，碳交易機制實施對我國二氧化碳排放量和GDP總量的影響結果。仿真結果表明，不同的碳交易價格，都會使二氧化碳排放量和GDP總量產生下降。例如碳價格為20元/噸 和60元/噸時，二氧化碳排放量分別下降8.56%和19.39%，GDP總量分別下降4.49%和12.01%。同時，隨著碳交易價格的逐漸上升，二氧化碳排放量和GDP總量的下降幅度將逐漸增大，說明碳交易價格會提高企業的碳排放成本，這會使二氧化碳的排放受到較大的限制，同時對經濟也會造成一定的負面影響。值得注意的是，對經濟的負面影響明顯低于對碳排放的抑制作用。

圖7 2025年不同碳交易價格下，碳交易機制對京津冀環境和經濟的影響(%)

4 結語

鑒于京津冀地區碳排放交易系統受到多種因素的影響，是一個典型的復雜系統。因此，本文基于系統動力學理論，構建京津冀碳排放交易機制仿真模型，通過梳理碳交易、二氧化碳排放量和GDP之間的關聯機制，研究了碳排放交易系統的內在運行機制以及對經濟和環境的影響；在定性分析的基礎上，又結合了定量分析，進行政策優化仿真，為實現京津冀地區碳減排目標，發展低碳經濟提供了理論指導和對策思路。根據模型的仿真模擬結果，我們得出了以下結論：1)碳交易機制能有效的促進京津冀地區碳減排，但同時會對經濟產生一個輕微的負面影響；2)減少配額總量、減少免費配額以及提高碳交易價格能夠有效促進碳減排。同時，實證研究也表明，模型能夠有效的模擬京津冀地區碳交易系統和相關機制，為碳減排和碳排放交易系統的建立提供借鑒和思路。

然而，本文模型仍然存在很多不足之處。例如，在變量設定方面，模型中的某些變量設定過程中，數據獲取困難，主觀因素較強，其準確性有待商榷，在一定程度上影響模型運行結果；其次，在系統邊界設定上，由于模型簡化的需要，某些相關變量未被納入模型中來，這也會對模型的準確性和有效性造成影響。比如，在模型中我們只考慮了碳排放成本對企業生產成本及利潤的影響，并未涉及其去向問題。一方面，政府可將碳排放收入作為補貼返還到企業中，這將一定程度上減少碳交易對經濟的負面沖擊；另一方面，政府可將碳排放收入投入到清潔能源的開發和利用上，以促進碳交易政策對環境的改善作用。這些問題都將是我們今后不斷完善京津冀碳交易機制仿真模型的主要方向。

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The Simulation of Carbon Emission Trading System in Beijing-Tianjin-Hebei Region: An Analysis Based on System Dynamics

ZHANG Jun-rong, WANG Zi-dan, TANG Ling, YU Le-an

(School of Economics and Management, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

With the rapid economic development, environmental pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region has become an increasingly challenging problem, and low-carbon economy development in the Beijing-Tianjin-Hebei region has aroused a wide attention. As a market-driven mitigation tool, carbon emission trading (CET) can effectively address the climate change and reduce carbon emissions. Based on system dynamics, a CET simulation model considering four sub-systems, i.e., economy, energy, environment, and CET policy, together with their interactive relationships is constructed to capture the impact of CET policy on economy and environment in the Beijing-Tianjin-Hebei system. To study the impact of CET, a baseline case without CET policy and some CET simulation cases with different total allocations, free emissions allocations and carbon prices are set. Empirical results indicate that (1) Generally, CET can effectively promote carbon reduction in the Beijing-Tianjin-Hebei region, even leading to a somewhat negative impact on economy, and (2) less total carbon allowances, less free quotas and higher carbon trading price will consistently enhance the carbon reduction effect, and in the meantime aggravate the impact in economy. The results also provided the effectiveness of the proposed model for capturing the Beijing-Tianjin-Hebei CET system, which can provide helpful supports for the management department in CET design and the related decision making.

carbon emission trading (CET); system dynamics; Beijing-Tianjin-Hebei region; emissions mitigation; energy policy simulation

1003-207(2016)03-0001-08

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2016.03.001

2015-06-01；

2015-10-24

國家自然科學基金資助項目(91224001,71301006,71203214)

簡介：余樂安(1976-)，男(漢族)，湖南人，北京化工大學經濟管理學院院長，教授，研究方向：商務智能與數據挖掘，能源經濟與管理，預測理論與方法研究，E-mail: yulean@mail.buct.edu.cn.

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