中國工業園區生態化發展決策優化方法研究

徐 峰，汪雅婷，李憲贏，趙雨秋，相 楠＊

（1. 北京化工大學經濟管理學院，北京 100029；2. 北京工業大學經濟與管理學院，北京 100124）

引言

黨的十八屆三中全會首次提出了“生態文明”概念，提出要堅持綠色發展，必須堅持節約資源和保護環境的基本國策，加快建設資源節約型、環境友好型社會，形成人與自然和諧發展的現代化建設新格局。當前我國經濟正處于轉型升級的關鍵時期，而工業園區作為我國經濟發展重要的載體，正發揮著重要的作用。2016 年國家級的園區經濟總量達到17 萬億，占當年全國國民經濟總值（GDP）的23%，各級各類工業園區經濟總量占全國GDP 的60%以上，工業園區已成為我國經濟發展的重要形式和主要力量[1]。但是，隨著工業經濟持續高速發展和工業化進程不斷深入，工業園區因工業項目集聚、資源能源消耗及污染物排放量大，對區域生態環境的影響顯著。資源環境等外部壓力和自身發展內在制約的日益顯現，使得工業園區發展逐漸進入瓶頸期。推進工業園區生態化發展是經濟高速發展過程中解決資源環境問題、促進園區可持續發展的有效途徑。

河北辛集市是國家命名的“中國皮革皮衣之都”，是全國最大的皮革服裝、皮革生產基地之一。辛集工業園區在發展過程中逐漸形成了以皮革、化工、鋼鐵機械、農產品加工為主的工業格局，且以皮革行業為主導。在高污染、高能耗行業發展為主的背景下，辛集工業園區的經濟發展與環境保護之間的矛盾日益突出。2014 年辛集監控斷面水質達標率僅為66.7%，水體為劣V 類且水質有惡化趨勢?？諝赓|量同樣日趨惡化，城市空氣質量優良天數百分比由2009 年的87.9%降至2014 年的13.4%，2014 年全年PM2.5日均超標率82%。面對如此嚴峻的環境問題，辛集工業園區亟需開展生態化發展，以污染物減排為抓手，以治理水和大氣污染為重點，以產業結構優化為核心，在積極推動經濟發展的同時，全力解決環境污染和資源消耗問題。以皮革行業為主導的辛集工業園區具有獨特的園區特征，因此本文選擇該工業園區作為案例，開展實證研究，以期能對該工業園區的生態化建設和可持續發展提供方向和對策。

1 文獻綜述

工業園區評價作為推進可持續發展的重要政策工具，具有導向、激勵、鑒定、預測等功能，有利于傳播生態化發展思想，引導工業園區生態化建設，促進循環經濟發展，因此開展工業園區評價研究具有非常重要的意義。隨著大力推進工業園區生態化建設與發展，當前有許多學者開展了工業園區相關評價研究。目前，針對工業園區發展現狀分析[2]和績效評價的研究較多，絕大多數研究采用數據包絡分析、層次分析法、模糊綜合評價法等定量分析方法集中于分析發展現狀以及存在的問題，并借鑒國際先進工業園區的發展模式進行研究，提出了促進中國工業園區生態化建設的模式[3,4]。近幾年，部分研究開始關注工業園區的中長期發展戰略取向，開展趨勢預測和路徑研究。然而大多數研究基本上通過定性分析評價發展趨勢以及發展路徑[5]，這些研究缺乏對工業園區具體特征的考慮，提出的建議不具有針對性。雖然有學者已經開始采用數理模型[6]、投入產出模型等定量分析方法，但是總體來講相關研究仍然不足，尤其是采用動態仿真模擬方法系統規劃工業園區發展目標和實施方案，探究工業園區生態化發展優化路徑的研究方法最為缺乏。常用的工業園區發展趨勢與路徑分析的定量分析方法有系統動力學模型與投入產出模型?；谙到y動力學理論與方法，以反饋控制理論為基礎，建立系統動態模型，借助計算機進行仿真試驗[7]。基于生態系統演化的動力學方法通過優化系統功能能較為真實的模擬各種資源循環利用狀況、社會經濟發展趨勢、自然環境和諧發展態勢，以達到最終模擬園區生態發展能力變化趨勢的目的[8,9]。

投入產出方法亦為資源環境與生態方面重要的研究工具，生態系統模型與經濟系統模型的結合已成為當前環境和經濟研究的新領域[10]。投入產出模型相較于其他經濟模型來說，在宏觀政策和微觀技術的模型鏈接上更具有靈活性，也能夠更好地反映區域的經濟特征和產業特征[11,12]。

綜上所述，當前關于工業園區生態化發展的研究仍存在以下待解決問題：①缺乏探討工業園區經濟與資源環境之間的相互作用關系和耦合機理，尤其是對園區能源循環和物質循環過程與社會經濟之間的相關性和系統關系的刻畫不足，難以從根本上找出制約工業園區生態化發展的原因和作用機理；②對工業園區發展潛力和發展路徑的研究仍不充分，尤其是利用多學科和多方法交叉的研究不足，難以從整體、系統的角度提出工業園區生態化發展的中長期目標和政策優化路徑。

針對上述問題，本研究預期在工業園區生態化發展理論和方法上進行拓展和創新，對以下關鍵問題展開研究：①基于系統動力學方法刻畫工業園區的能源循環和資源循環的物質流以及與社會經濟相關的價值流，探尋工業園區生態化發展的經濟—環境—能源耦合機理；②結合耦合機理和動態投入產出理論，構建工業園區生態化發展決策模型，探究工業園區系統內部作用機理及其資源環境效應，為制定工業園區生態化發展中長期發展目標、探尋園區綠色可持續發展的優化路徑提供決策支撐。

基于本研究構建的工業園區生態化發展決策模型，選擇河北省辛集工業園區作為案例，開展實證分析研究，定量分析具體環境政策實施后產生的效果，從而綜合評價辛集工業園區未來發展趨勢與優化路徑，為推進工業園區生態化發展管理與決策提供科學的研究方法。

2 工業園區經濟—環境—能源的耦合機理研究

本研究采用系統動力學方法揭示工業園區經濟發展與資源環境系統的相互作用關系和耦合機理，為構建工業園區生態化發展決策模型提供基礎。

2.1 工業園區經濟系統的作用機理

工業園區經濟系統的作用機理，揭示經濟系統內部各主體之間的關聯和相互作用關系。工業園區經濟系統包括經濟生產行為和社會消費行為。針對園區生產行為，本文研究了園區經濟系統內部各主體之間在生產創造收入、收入導致需求、需求導致生產的經濟循環過程中的價值流動規律、相互關聯和作用的關系。

2.2 工業園區環境—能源系統的作用機理

能源系統和環境系統的作用機理相似，均與社會經濟活動有密切相關。經濟系統中的生產與生活活動中涉及資源和能源的供給—消耗—循環利用過程，為工業園區能源系統的內部作用機理。經濟生產行為和社會消費行為所產生的污染物質（包括水污染物質、大氣污染物質、溫室效應氣體、廢棄物等）的流動，包括環境污染物質的產生—處理—排放過程，為環境系統的內部作用機理。

圖1 工業園區經濟—環境—能源系統的耦合機理框架

2.3 工業園區經濟—環境—能源系統的交互作用機理

以工業園區的生產行為為核心，本文總結了園區經濟—環境—能源系統的相互作用和協調發展的耦合機理。圖1 概念模型概括了工業園區經濟—環境—能源系統中的物質、能源和價值流動機理。工業園區社會經濟活動以工業生產行為為主，工業產業之間、以及工業產業與其他產業之間遵循投入產出價值流動平衡。社會經濟活動需要資源、能源投入使用，隨著資源能源低效利用導致污染物、廢棄物的產生。能源與環境系統闡明資源供給、消費、廢棄物處理和再利用為資源的物質流；能源供給、消費和大氣污染物質的排放為能源流和物質流。

3 工業園區生態化發展決策模型構建

本文基于上述工業園區經濟—環境—能源的耦合機理研究，以動態投入產出模型為經濟模型基礎，結合系統動力學模型在投入產出模型基礎上拓展資源和環境模塊，構建工業園區生態化發展決策模型，此模型包括三個子模型，即社會經濟模型、環境模型和能源模型。生態化發展決策模型構建在綜合把握經濟活動中的價值流、物質流和能源流的基礎上，利用多目標優化的規劃方法，動態仿真模擬經濟環境約束下工業園區生態化發展的可行性以及實施路徑等。

3.1 目標函數

目標函數設為地區總產值（GRP）的最大化，模擬期為t 期，2013 年為基準年，預測至2020 年。下文中的內生變量簡稱內生，外生變量簡稱外生。

3.2 社會經濟模型

本模型以投入產出模型中的產出平衡關系為基礎，各行業發展受到其他行業的制約，因此通過投入產出模型表現各行業的發展趨勢。

式中， Aii為直接消耗系數（外生）；為t 年最終消費總額的列矩陣（內生）；為t 年資本形成總額的列矩陣（內生）；為t 年凈出口總額的列矩陣（內生）；為t 年省域間調動總額的列矩陣（內生）。

3.3 環境模型

本研究基于辛集市“十三五”規劃，以控制水污染物質、大氣污染物質和二氧化碳排放量為提升環境質量的主要指標。

式中，控制排放污染物質為p=1：COD；p=2：NH3-N；p=3：SO2；p=4：NOx；p=5：CO2。

3.3.1 水環境模型

辛集市水資源主要包括地下水、境外調水（南水北調）和再生水等3 種，利用于產業生產和居民生活。

產業用水總量等于各產業用水量之和。各產業用水量是由產業用水強度（單位產值工業用水量）和生產產值決定。

產業生產活動（除第一產業）和城鎮居民生活活動產生的污水通過市政管道輸送到污水處理廠進行集中處理后向江河排放。第一產業生產活動和大部分農村居民生活活動過程中產生的污水未經過處理直排。

式中， IWP(t ) 為t 年各產業生產過程中產生的污染物質量（內生）； HWPt 年居民生活產生的污染物質量（內生）； p i wpi 為i 產業p 類水污染物排放強度（外生）；phi 為h 類人口p 類水污染物排放強度（外生）；Zh t為人口（內生），h = 1 為城鎮居民，h = 2 為農村居民

3.3.2 大氣環境模型

（1）大氣污染物質（SO2、NOx）排放：各產業生產過程以及熱電廠運行過程中排放大氣污染物質。

（2）二氧化碳排放：各產業生產過程、居民生活活動和熱電廠發熱過程中使用電力、天然氣、煤炭等能源將排放二氧化碳。

式中：e=1 為煤炭；e=2 為天然氣；e=3 為電力；e=4 為熱電發熱；e=5 為再生能源；為t 期二氧化碳排放總量（內生）；為t 期產業生產活動中排放的二氧化碳排放總量（內生）；為t 期居民生活活動中排放的二氧化碳排放總量（內生）；( )t 為t 期熱電廠發熱過程中排放的二氧化碳量（內生）；ERIe( )t 為t 期各產業e 能源使用量（內生）；e( )ERH t 為t 期居民e 能源使用量（內生）；e( )ERThP t 為t 期熱電廠e 能源使用量（內生）；為e 能源二氧化碳排放強度（外生）。

3.4 能源模型

能源結構以煤炭、天然氣、電力為主，熱電發熱、再生能源（生物質、太陽能等）為補充。為實現綜合能耗降低目標，本研究提出提高能源效率、加強可再生能源的使用等措施。

以上為本研究所構建的工業園區生態化發展決策模型的主要公式，基于此模型采用交互式的線性和通用優化求解器（Linear Interactive and General Optimizer，LINGO）作為實驗手段實現動態仿真模擬。LINGO 軟件能夠對本研究所構建的投入產出模型和經濟—環境—能源系統模型進行編程，建立動態的仿真模型，通過計算機實驗來獲得對系統未來行為的模擬和預測，結合多目標優化方法，得到最優的發展路徑和實施方案。

4 生態化發展情景分析

基于研究所構建的工業園區生態化發展決策模型，本研究以辛集工業園區2013 年數據為基準數據，進行模型的實證分析。案例預測辛集工業園區2014—2020 年的經濟環境發展趨勢。為了驗證模型的有效性，本研究首先對模型進行敏感度檢驗，利用2013—2014 年的實際數據與模型模擬實驗結果進行比較，經濟、環境、能源各項指標數據誤差范圍在5%以內，從而確定本研究模型的合理有效性。

生態化發展情景分析致力于確定辛集工業園區可持續發展潛力，以及在此基礎上的環境和社會經濟影響，提出具體的政策建議和實施方案。情景設計在掌握了當前實際發展狀況后進行改進，引入多種環境污染整治項目，包括水處理設施升級改造、污水處理廠建設、老城區雨污分流改造、農村污水處理設施建設、熱電廠升級改造、工業以及生活垃圾處理等；并且依據辛集工業園區環境保護規劃指標制定各種環境污染物（COD、氨氮、二氧化硫、氮氧化物）的減排目標。

4.1 辛集工業園區經濟發展趨勢

圖2 表示辛集工業園區2013—2020 年經濟發展變化趨勢。通過模擬結果可知，辛集工業園區GRP 在2016 年之后可保持7%以上的增長率，由于2014 年和2015 年存在環境污染整治項目補貼和技術限制等原因，經濟發展受到了一定的限制，其增長率均未達到7%，分別為4.1%和5.0%?？傮w來說，辛集工業園區GRP 將會實現持續增長，并保持較高的增長水平。

與辛集工業園區GRP 總量的穩定增長率相比，產值總量和產業結構發生較大變化。圖3 和圖4 分別表示2013—2020 年各行業產值和產值比重的變化趨勢。農林牧漁業、化工業、鋼鐵制造業和農副產品加工業從2013—2020 年產值比重均出現了下降。農林牧漁業比重由2013 年的8%下降到6%，鋼鐵制造業比重由2013 年的10%下降到7%，化工業比重由2013 年的4%下降到2%，農副產品加工業比重由2013 年的5%下降到3%，但總產值相對增加。皮革業、其他工業和第三產業產值比重呈現了增加趨勢，其中皮革業和第三產業的增長幅度較大，無論是產值還是比重都發生了較大的提高，兩個行業所占比重達到總產值的80%。這樣的發展趨勢符合辛集工業園區經濟發展規劃。

圖2 2013—2020年GRP總量變化趨勢預測

圖3 2013—2020年產值變化趨勢預測

圖4 2013—2020年產值比重變化趨勢預測

4.2 辛集工業園區環境改善趨勢

動態模擬實驗得到辛集工業園區2013—2020 年的各類環境污染物排放量和排放強度的變化趨勢。污染物排放強度是污染物排放量與產值的比值，表示單位產值所排放的污染物。污染物排放強度在數據可取的情況下，可以由經濟水平和環境水平計算得出，反映直接和間接污染物排放的效率。環境污染物排放強度的降低并不能完全反映環境改善的情況，因此本研究還考慮了對環境污染物排放總量的控制，共同反映環境的改善情況。

圖5 可以看出，四類環境污染物排放強度的變化程度和發展趨勢均呈現逐年下降的趨勢，并且2020 年能達到各類環境污染物排放量與2013 年排放量相比減少10%的環境污染物減排目標，說明了通過實施本研究提出的環境污染整治措施，能在實現經濟總量持續增加的同時，有效提高各種環境污染物質排放效率。

盡管2013—2020 年四類環境污染物的排放強度逐年減低，然而圖6 顯示四類環境污染物的排放總量在2015 年后基本保持不變，在當前經濟發展的目標之下，污染物排放總量難以下降。

基于案例中采用的促進環境—經濟的激勵措施，模擬實驗表明產業結構優化和技術引進提升能夠促進辛集工業園區經濟發展，同時有效提升環境效率，促進生態化建設。辛集工業園區污染物質排放分別達到并優于2015—2017 年和2018—2020 年的自身規劃目標，并且依據提案政策發展，辛集工業園區GRP 將實現年均6.4%的增速，并于2020年達到地區生產總值521 億元的目標。但需要注意的是，為保持經濟發展，環境效率可有效提升，然而污染物排放總量較難得到控制。

5 結論與建議

通過實證分析，本研究所構建的工業園區生態化發展決策模型通過敏感性檢驗驗證了其科學可靠性。通過2013—2020 年辛集工業園區的經濟發展和環境狀況的仿真模擬結果可以看出：

圖5 2013—2020年各類污染物排放強度變化趨勢預測

圖6 2013—2020年各類污染物排放總量變化趨勢預測

首先，產業結構調整，尤其是從高耗能、高污染的產業進行總量控制和結構改善，對于促進經濟增長和環境保護的雙重發展目標均衡具有關鍵作用。從辛集工業園區產值趨勢預測可知，除皮革業和其他工業之外的產業的比重會得到減縮，高耗水量和高污染的產業將會被污染排放強度相對小的產業所替代。農業由于水污染物排放強度遠高于工業和第三產業，因此總體比重呈現下降趨勢，且需要進一步控制農業生產過程中水污染物排放量。

其次，在經濟保持穩定增長的情況下，辛集工業園區的環境污染物排放效率也日益提高，能夠實現可持續發展目標。然而為保持經濟發展，環境效率可有效提升，環境污染物排放總量較難得到控制。這對辛集工業園區的長期生態化建設提出了進一步改善的要求，在滿足經濟發展目標之下，還需要進一步進行環境污染物排放總量的控制，制定合理的總量控制目標，進而為推進生態文明建設奠定良好的環境基礎。

當前中國工業園區生態化發展仍具有較大的提升空間，科學地評估工業園區的發展情況、合理制定生態化發展目標和實施路徑，可有效促進園區的綠色可持續發展。本研究梳理工業園區環境能源與社會經濟活動之間的交互作用關系，基于3E 系統構建工業園區生態化發展決策模型，通過情景分析和仿真模擬為工業園區生態化發展提出合理的政策導向和優化路徑，促進工業園區生態環境改善與經濟發展的均衡。

本文對完善工業園區生態化發展的理論和方法具有較為重要的學術價值，易于推廣到其他環境經濟和區域可持續發展研究領域。此外，本研究在一定程度上能夠促進生態經濟學、產業經濟學、一般均衡理論和系統工程理論的交叉融合，實現系統動力學模型、動態投入產出模型和計量經濟學模型多種建模方法的有效耦合，促進多學科交叉的理論和方法創新研究。

本文所構建的創新性模型和研究方法，也能夠為工業園區生態化發展提供實踐指導。目前中國正在大力推進生態文明建設，工業園區作為國民經濟的重要空間載體，綠色、安全、可持續發展面臨著巨大挑戰。本研究采用實證研究開發可推廣的工業園區生態化發展決策方法和模型，對于推進工業園區綠色發展具有重要的現實意義，并可進一步推廣到更多類型的工業園區的綠色發展實踐中。由于篇幅有限，本研究僅針對工業園區經濟發展最大化目標進行了實證分析，當前國家針對工業園區的管理強調資源、能源消耗總量和強度的雙控，在今后研究中還需進一步依據資源環境目標，設計多目標優化模型，實現仿真模擬。