隴東黃土高原地區可持續發展動態仿真研究以甘肅省慶陽市為例

(1.西北師范大學 地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070;2.中國科學院 沈陽應用生態研究所 污染生態與環境工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110016;3.蘭州大學 哲學社會學院,甘肅 蘭州 730000;4.中國科學院蘭州文獻情報中心,甘肅 蘭州 730000)

鹿晨昱1,王 婷1,逯承鵬2,李勇進3,李恒吉4

(1.西北師范大學 地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070;2.中國科學院 沈陽應用生態研究所 污染生態與環境工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110016;3.蘭州大學 哲學社會學院,甘肅 蘭州 730000;4.中國科學院蘭州文獻情報中心,甘肅 蘭州 730000)

可持續發展是當前的熱點研究領域,涉及的區域系統是一個以人類活動為核心的復雜巨系統,而系統動力學正是研究和處理這種動態復雜系統的有效工具。運用系統動力學理論和方法,基于Vensim軟件構建了甘肅省慶陽市可持續發展動態仿真模型,對其可持續發展的演化趨勢進行了模擬分析。結果表明：慶陽市當前的經濟、資源和環境之間的發展模式是不可持續的，降低經濟系統對自然資源的依賴程度、轉變經濟發展模式,是實現慶陽市可持續發展的必然選擇。在此基礎上，增加技術投資、教育投資和環保投資,通過三者間的相互影響和相互促進,才能徹底扭轉三廢排放量增加的趨勢,使經濟實現快速、持續、穩定的增長,才能全面實現慶陽市的可持續發展。

系統動力學;可持續發展;資源;環境;慶陽市

1 前言

自20世紀80年代可持續發展概念提出以來,可持續發展得到不同領域眾多學者的不斷深入研究。尤其是近年來,關于區域可持續發展的相關研究得到學界的廣泛關注[1]。區域可持續發展作為可持續發展觀在區域發展中的體現,是建立在區域資源、環境條件和社會經濟狀況等基礎上,具有一定結構且能反映出特定功能與效益的動態與開放的復雜系統[2]。目前在區域可持續發展研究方面,以指標體系法、核算體系法、數學模型等方法運用較成熟。指標體系法是衡量具有確定的復雜系統可持續發展的良好工具,但指標體系法在一些城市的指標評價方面還不夠完善,尤其是在區域可持續發展問題的實證研究方面,指標體系的可操作性不強,客觀性較差[3];而核算體系法在研究可持續發展時大多局限于經濟活動范圍或是單方面對實物進行核算,方法過于單一,容易對可持續發展的一些指標之間的關系考慮不全面[4]。相比于前兩種方法,數學模型很好地避免了前兩者的缺陷,并且可更靈活地指出區域可持續發展相應指標的變化趨勢,其中以系統動力學模型在研究區域可持續發展指標變化趨勢方面的效果最為突出。系統動力學在研究多個處理系統問題的過程中具有巨大的優勢,能夠闡明復雜系統的結構和動態的行為特性,在此基礎上可設計和制定更有效的政策,因此已成為研究多系統之間關系的有效工具[5]。

自20世紀50—60年代系統動力學的誕生,到目前系統動力學的廣泛傳播以來,在諸多學者不斷深入研究和創新之下,系統動力學在可持續發展方面取得了不少顯著的研究成果,主要集中在區域協調可持續、能源利用與管理、水資源利用、農林業發展等方面。自Roger首次將其建立的國家能源系統動力學模型公布于眾后,運用系統動力學方法對經濟、資源、環境等相關領域的可持續發展研究便掀起了熱潮[6];在研究區域協調持續發展方面,Georgia Marromati等提出了沿海城市系統生態可持續發展的系統動力學方法,對生態可持續發展進行了定義,并對連接城市系統的社會經濟活動產生的污染物與沿海生態系統條件進行了分析[7];周李磊等通過構建經濟—資源—環境系統動力學模型,針對由于城市資源耗盡和環境惡化所限制的經濟增長問題進行了研究,指出轉變經濟發展模式是重慶市可持續發展的最優方案[8];李春發等將能值分析與系統動力學方法相結合,基于功能流視角將生態城市系統劃分為能物流、貨幣流、人口流子系統,構建了能值評價指標體系與系統動力學模型,指出天津生態城的最佳發展模式[9];李素峰等采用系統動力學方法對黑龍江省的標準發展模式、傳統發展模式、準綠色發展模式和綠色發展模式進行了仿真模擬,預測了人口增長、資源消耗、環境污染與體制滯后對區域可持續發展的影響程度[10]。在能源利用與管理方面,Yi Hsuan Shih等通過一種新型空氣資源協同效益模型估計可持續能源政策的社會效益,并通過建立系統動力學模型對能源節約進行了情景模擬,提出了可持續發展的能源政策[11];肖仁俊等采用系統動力學方法,通過調整常量及變函數取值進行情景模擬,確立了新疆跨越式發展下系統協調可持續發展方案,為政府制定相關的能源產業政策提供了決策依據[12];李文超等通過構建經濟—能源—環境可持續發展的系統動力學模型,對我國進行了系統仿真與預測,指出改進技術創新和改變消費偏好有利于我國實現經濟—能源—環境的可持續發展[13]。在水資源利用方面，Rehan R等通過構建因果回路圖和可持續發展模型對城市配水網格系統進行了可持續發展管理,并通過系統動力學模型分析了具有實用性的防御性配水政策[14];Kim Leng Poh通過將系統動力學的有效性作為一個決策工具來幫助實現新加坡水資源的可持續發展管理,討論了各種投資計劃對水資源產生的長期影響[15];王化齊等針對水資源系統動力學模型參數的不確定性問題,利用模糊推理理論聚合分析了工業產值和人口增長速率的不確定性,引入參數將模糊推理理論嵌入到系統動力學模型中進行水資源系統模擬,指出了參數不確定性對水資源供需狀況帶來的影響[16];陳南祥、王延輝結合河南省實際情況,將系統動力學方法應用于區域水資源可持續利用研究,建立了河南省水資源系統動力學模型,預測了未來幾十年河南省水資源的需求狀況,提出了較合理的水資源配置方案,以改善水資源的嚴峻形勢[17]。在農林業發展方面,Li F J 等通過系統動力學模型確立了當前我國農業體系的一些缺陷和不足,分析了生態農業和經濟之間的影響關系,并模擬分析了長期趨勢以及不可持續的能源結構,提出了系統改進的政策,以消除農業系統潛在的風險[18];李富佳等基于農業鏈的物質、能量流動機理,運用Vensim建立了EA-SD模型,量化分析和模擬了生態農業發展的綜合效應及其演變趨勢,以利于增強系統的可持續發展能力[19]。

總體而言,區域是由人口、經濟、資源、環境、社會等多種因素共同組成的,各因素之間相互影響,從而形成高階次、非線性復雜的動態反饋系統。使用系統動力學方法對區域進行可持續發展研究已在我國特別是一些較發達的區域(如港口地區)取得了初步性的研究成果,而對欠發達地區進行的可持續發展系統性研究成果卻相對比較匱乏[20]。

甘肅省慶陽市礦產資源富集,油煤氣儲量豐富,不可更新資源的開采與利用是經濟發展的主要方式之一。然而,隨著資源耗竭,生態環境污染、社會矛盾問題凸顯等問題的頻繁出現,使慶陽市整個區域的經濟社會可持續發展受到了不同程度的影響。基于此,本文主要從人口、經濟、資源、環境、社會五方面入手,通過建立慶陽市經濟、資源與環境之間的系統動力學模型,基于相關數據和Vensim軟件進行仿真模擬,分析慶陽市可持續發展的演化趨勢,找出存在的問題并提出相應的政策建議。通過分析研究,不但可以對慶陽市區域可持續發展戰略的實現和“十三五”規劃的調控提供參考,而且能為我國其他類似區域實現可持續發展提供借鑒與啟示。

2 研究區慨況

慶陽市位于甘肅省東部(106°20′—108°45′E、35°15′—37°10′N),陜甘寧三省區的交匯處,共轄西峰、慶城、寧縣、鎮原、正寧、華池、合水、環縣七縣一區,系黃河中下游黃土高原溝壑區,地勢南低北高,海拔在885—2082m之間,四周高而中間低,群山環繞,習稱“隴東”。氣候類型為溫帶半干旱的大陸性季風氣候,降雨量南多北少。全市總土地面積27119km2,總人口達262.06萬人,其中勞動力人口180.01萬人。慶陽市是中華民族早期農耕文明的發祥地之一,是隴東地區重要的能源化工基地,石油、天然氣和煤炭資源儲量豐富，僅石油資源儲量達28.47億t,煤炭資源覆蓋全市。在全省1428億t煤炭資源預測儲量中,慶陽占1342億t,占全省煤炭資源預測儲量的94%。慶陽市地處黃土高原,生態環境較為脆弱,環境污染、水土流失、沙漠化、水資源匱乏等問題嚴重影響和制約著慶陽的區域可持續發展。

3 模型的構建

3.1 構建思路

本文針對慶陽的區域特征進行了分析,認為人口、經濟發展水平、資源狀況、環境保護力度、技術提升等因素是影響慶陽區域可持續發展的主要原因。為了使模型更全面地體現系統運行的規律,本文在生產技術子系統、資源子系統、人口子系統、環境子系統、經濟子系統的基礎上,增加了教育投資因子,并對模型中的一些變量進行了調整,以利于更加全面和系統的分析,并對影響慶陽區域可持續發展的關鍵因素進行了識別(圖1)。

圖1 慶陽市可持續發展系統動力學模型

3.2 模型參數

本文參數值的確定主要依據相關年份的《甘肅省統計年鑒》、《慶陽市統計年鑒》以及慶陽市歷年環境質量公報等統計資料,并且采用慶陽市2005年的數據作為基礎數據對慶陽市進行模擬預測。這些數據主要包括:總人口258.58萬人、出生率13.15‰、死亡率5.79‰、勞動力比率60.2%、地區生產總值143.61億元、全社會固定資產投資795800萬元、全年財政收入164939萬元、工業廢水排放量212.46萬t、居民生活污水排放量689萬t、工業廢水排放達標率38.24%、工業廢氣排放量215630萬標m3、工業固體廢物排放量0.04萬t、工業固體廢物綜合利用率97.75%、全年財政支出266095萬元、技術投資2812萬元、環境治理資金13000萬元、科技投入經費2036萬元、教育投資46796萬元等。

3.3 系統結構分析

區域系統是由人口、經濟、資源、環境、生產技術等子系統耦合所形成的一個復雜的大系統,各子系統間相互影響、相互制約。基于慶陽市的實際情況與區域特征,本文對圖1進行了結構分析,認為人是區域系統中的重要組成部分,人口出生率和死亡率受到經濟發展狀況、環境承載能力、科學技術、教育水平等影響。同時,人口、資源、環境、技術創新以及經濟投資等因素影響著經濟的發展水平。

經濟是區域發展的核心部分,主要受到三次產業的約束。經濟發展狀況是由產出直接反應的,并且可通過調整經濟子系統中產業結構的比例與產業間的投資額對其他系統產生影響。生產技術的發展狀況隨著技術的自發增長速率、技術創新、技術年增加量的影響而發生變化,并且體現在生產技術投資中。資源是由可再生資源和不可再生資源共同組成,是區域經濟發展的重要推動力,但會受到資源存量的限制。資源在開發過程中又會產生污染物,一旦污染物處理力度不夠,就會引起環境污染,導致人地關系不協調,使人類與自然之間的矛盾愈演愈烈,不利于區域可持續發展的全面實現。

4 模型的運行及結果分析

通過收集慶陽市相關數據,使用系統動力學模擬預測軟件Vensim,對慶陽市可持續發展進行模擬仿真與預測。在系統動力學模型中輸入對應的數據,然后將模型得出結果與慶陽市實際情況進行差距檢驗和對比分析,當對歷史數據的模擬結果達到誤差允許的范圍內時就開始實現仿真模擬。

圖2 基礎運行結果

4.1 經濟、資源、環境的基礎運行分析

模型的運行結果見圖2。由圖2a可知,技術投資的不斷增加,產出隨之先增后減,說明技術提升對經濟發展有一定的促進作用。然而,隨著資源的不斷消耗,當資源接近枯竭時技術投資與其他相關因素對資源的影響能力越來越弱,導致經濟停滯不前;人造資本也由原來的上升狀態開始緩慢下降,表明隨著資源的不斷開采,資源價值逐步轉化為人造資本。圖2b表明,資源對經濟增長的影響極大,尤其是不可更新資源發揮主要的推動作用。不難發現,不可更新資源的消耗量速度明顯高于可更新資源的消耗量的速度。 隨著產出的逐年增加,不可更新資源存量與可更新資源存量逐年減少,說明經濟增長主要依賴于對資源的開采利用。圖2c表明,隨著人口和產出的逐年增加,三廢排放量也隨之增加,環境污染愈發嚴重。這說明經濟增長主要依賴于對資源的過度開采利用,并且是以低技術水平對資源進行開采利用,在開采過程中只考慮到了短期利益。從長遠角度來看,當前這種發展模式是不可持續的,長此以往人地矛盾會愈發突出,人地關系徹底失調將無法避免。模型的運行結果表明,慶陽市當前的經濟、資源和環境之間的發展模式是不可持續的,經濟增長過分依賴于自然資源。在這種發展模式下,資源消耗不斷增加,資源存量逐年減少,三廢排放量不斷增加,環境污染持續加劇,經濟系統必然走向崩潰。

圖3 降低經濟系統資源性的模擬結果

4.2 降低經濟系統對自然資源依賴的結果分析

綜上所述,慶陽市經濟增長主要依賴于對資源的開采利用。為了進一步論證經濟是否受到資源、環境的影響以及相互之間的關系,同時為了再一次論證慶陽市目前可持續發展面臨的處境,將模型生產函數中的資源指數降低為圖2中基礎運行結果的1/4,同時增加人力資本指數和人造資本指數到模擬可實現的范圍,結果見圖3。通過降低資源指數值,即減少經濟系統對自然資源的依賴程度,模型的運行結果與基礎運行結果相比有所不同。圖3a表明,技術投資增加使經濟到2050年一直保持增長的趨勢,但增長速度與基礎運行結果有所放慢。圖3b表明,降低經濟增長對自然資源的依賴程度后,不可更新資源消耗量仍高于可更新資源消耗量,自然資源枯竭的趨勢不可避免,但與基礎運行結果相比,自然資源枯竭的時間有所減緩。圖3c表明,污染排放量仍呈上升趨勢,環境質量持續惡化,但與基礎運行結果相比,三廢排放量增加的速度有所降低,環境質量惡化的速度得到了一定減緩。模擬結果表明,轉變經濟發展模式既能有效減緩資源枯竭的時間,又有助于環境質量的提升,最終對經濟可持續增長具有較好的促進作用,從而能促進慶陽市向可持續發展的良性循環演進。

圖4 增加環保投資的模擬結果

4.3 單方面增加環保投資對環境的影響分析

圖4a中的環境指標變化表明,通過單方面增加環保投資并不能使三廢排放量停止增長,但與基礎運行結果相比可使三廢排放量的增長速度得到一定程度的降低,使環境質量得到提升和改善。圖4(b)中的產出表明,隨著環保投資增加,產出與基礎運行結果相比得到了持續穩定的增長,且一直保持增長趨勢。因此,增加環保投資有助于污染排放量減少，環境質量提高，經濟保持持續穩定增長,最終有利于慶陽市可持續發展的實現。

4.4 單方面增加教育投資對環境的影響分析

圖5a的環境指標變化表明,隨著教育投資的增加,教育質量得到提高,有利于幫助提高當地的環境保護意識。盡管并不能使三廢排放量完全停止增長,但與基礎運行結果相比可使三廢排放量的增長速度得到一定程度的降低,從而使環境質量得到提升和改善。圖5b的產出表明,隨著教育投資的增加,有利于增強人們的資源節約及合理利用的意識,有助于提高資源利用效率。產出與基礎運行結果相比,不僅沒有降低,還在一定程度上得到了較為明顯的增加。總之,教育投資的增加使人口素質得到了提高,進而影響到人力資本的增加。隨著人力資本的增加,創新意識、環保意識及可持續發展意識也就會增強。單方面增加教育投資,有助于幫助減少污染排放量 ,提高環境質量,同時促進經濟的進一步增長,最終有利于慶陽市區域可持續發展的實現。

圖5 增加教育投資的模擬結果

4.5 單方面增加技術投資對環境的影響分析

圖6a的環境指標變化表明,隨著技術投資增加,與基礎運行結果相比,三廢排放量增長有所減緩,后期幾乎停止增長,說明技術投資提高了污染物治理水平,使環境質量得到提升和改善。圖6b的產出表明,技術投資增加對產出也有較明顯的影響。隨著技術投資的增加,使資源開采利用的效率得到提高,產出隨之增加。與基礎運行結果相比,增長速度更快,大約在2044年左右到達頂峰。自此之后,由于資源開采量不斷增加,資源存量相應減少,而慶陽市的經濟增長主要依賴于資源,因此產出將出現下降趨勢,開始迅速減少。總之,技術投資增加能使技術創新意識和技術水平得到增強,提高資源開發利用水平和污染物治理水平,能有效的減少污染物排放量,促進環境質量的提高并幫助經濟在短期內保持增長。但僅從單方面增加技術投資,仍無法扭轉經濟系統最終走向崩潰的結果,也無法改變區域系統不可持續的發展態勢。

圖6 增加技術投資的模擬結果

4.6 增加技術、教育、環保投資對環境的影響分析

單方面增加環保投資、技術投資和教育投資,均可以在一定程度上促進慶陽市的可持續發展進程,但各有利弊,且效果并不夠突出。因此，將三種方式結合,同時增加環保、技術和教育投資,然后在此基礎上進行仿真模擬分析。圖7a的環境指標變化表明,同時增加技術投資、教育投資和環保投資,將會徹底扭轉三廢排放量增加的趨勢,使三廢排放量呈現出明顯的下降趨勢,各類污染物排放量顯著減少,環境質量得到了顯著的提升與改善。圖7b的產出表明,隨著三類投資的增加,產出增長速度更快,與基礎運行結果相比,產出得到了較為明顯的增加。結果表明,將三種策略進行綜合實施,通過三者間的相互影響和相互促進,對慶陽市人地關系實現協調具有較大的推動作用,能夠有效地促進慶陽市區域可持續發展的全面實現。

圖7 增加技術投資、教育投資、環保投資的模擬結果

5 結論與討論

本文通過生產函數將資源、環境、技術、人口等子系統與產出子系統聯系起來,構建了慶陽市可持續發展系統動力學模型,并分別針對6類不同的發展模式開展了相應的情景模擬和仿真預測,包括基礎運行、降低經濟系統對資源的依賴程度、增加環保投資、增加技術投資、增加教育投資以及同時增加這三類投資。

本文得到以下結論:①慶陽市當前的經濟、資源和環境之間的發展模式是不可持續的,經濟增長過分依賴于自然資源,尤其是不可更新資源。在這種發展模式下,隨著經濟的增長,資源消耗不斷增加,資源存量逐年減少,“三廢”排放量不斷增加,環境污染持續加劇,使經濟發展受到資源、環境的影響越來越嚴重,導致經濟增長速度逐漸減緩并出現衰退,最終經濟系統必然走向崩潰。②降低經濟系統對自然資源的依賴程度,轉變經濟發展模式,不僅能有效減緩資源枯竭的速度,還能提升環境質量。雖然短期內經濟增長速度有所降低,但最終對經濟的可持續增長具有較好的促進作用,能幫助慶陽市向可持續發展的良性循環演進。這些還需要綜合使用其他方案與政策,彼此聯系與配合,才能真正實現可持續發展戰略。③單方面增加環保投資、技術投資和教育投資均可在一定程度上促進慶陽市的可持續發展進程,但各有利弊,綜合效果不夠突出。技術和投資增加,能使技術創新意識和技術水平得到增強,提高資源開發利用的水平和污染物的治理水平,有助于污染排放量減少,環境質量提高和短期內的經濟增長。但單方面增加技術投資,不能扭轉經濟系統崩潰的最終結果,也無法改變區域系統不可持續的發展態勢。教育投資增加,使人口素質得到提高,有助于增強人的創新意識、環保意識和可持續發展意識,促進慶陽市區域可持續發展的實現。但教育投資帶來的效果是長期積累的過程,不可能一蹴而就。增加環保投資有利于提高污染治理水平,促進污染物排放量減少和環境質量提高,有助于經濟持續增長,但無法使“三廢”排放量停止增長或出現下降。因此,只有綜合使用三種策略,即同時增加技術投資、教育投資和環保投資,通過三者間的相互影響和相互促進,才能徹底扭轉“三廢”排放量增加的趨勢,使經濟得到快速、持續、穩定增長,最終才能有效促進慶陽市人地關系的協調和區域可持續發展的全面實現。

綜上所述,在發展過程中慶陽市應當轉變傳統經濟發展模式,走循環經濟之路,通過優化調整產業結構,推動產業升級,降低經濟發展對自然資源的依賴程度。同時,要高度重視技術、環保和教育投入,最終才能提高資源的利用效率,減少環境污染,改善環境質量,促進社會經濟與自然環境的和諧發展,全面實現可持續發展戰略。

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LU Chen-yu1,WANG Ting1,LU Cheng-peng2,LI Yong-jin3,LI Heng-ji4

(1.College of Geography and Environment Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Pollution Ecology and Environmental Engineering,Institute of Applied Ecology,CAS,Shenyang 110016,China;3.College of Philosophy and Sociology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;4.Lanzhou Literature and Information Center,CAS，Lanzhou 730000,China)

Sustainable development was a hot research area.The corresponding regional system was a large complex system which took human activity as the core.System dynamics was an effective simulation tool to study and process the dynamic and complex system.In this paper,the theory and method of system dynamics was employed.Based on the vensim software,the dynamic simulation model of sustainable development was built in Qingyang City.Then the evolvement trend of sustainable development was simulated and analyzed.The results showed that the current development mode of economy,resources and environment in Qingyang City was not sustainable.In order to achieve the sustainable development,it was necessary to reduce the dependence of economic system on natural resources and change the economic development mode.It was also necessary to increase the technology investment,education investment and environmental protection investment at the same time.Then the increasing trend of pollution emission could be changed completely.So the economic growth could be rapid,sustainable and steady.Finally,the sustainable development could be achieved in Qingyang City.

system dynamics;sustainable development;resource;environment;Qingyang

2016-11-25；

2016-12-17

國家自然科學基金項目(編號:41261112、41561110、41471116);甘肅省科技支撐計劃項目(編號:1304FKCA067)資助。

及通訊作者簡介：鹿晨昱(1981-),男,甘肅省蘭州人,博士,副教授,碩士生導師,主要從事區域可持續發展方面的研究。

F061.3；F224.12

A

1005-8141(2017)01-0020-07