海洋陸源性污染聯防聯控機制的SD仿真分析
——基于浙江省的經驗證據

王方,胡求光

(寧波大學商學院 寧波 315211)

0 引言

改革開放以來,已連續保持40余年高速增長的中國經濟,不僅面臨陸域資源日漸枯竭的問題,環境污染問題也日趨嚴峻。向海要資源實現經濟向海化,控制污染實現經濟綠色化,已經成為中國經濟轉型發展的重點。在國家海洋戰略引導下,海洋經濟取得了顯著的成績,2018年中國海洋經濟總量達83 415億元,海洋生產總值占國內生產總值的比例達9.3%①數據引自國家發展和改革委員會、自然資源部發布的《中國海洋經濟發展報告2019》.。但粗放型發展也造成了海洋生態環境的損害,加上海洋環境污染具有產權邊界不清晰、空間外溢性和復合型特征,對傳統的陸海分治模式提出了巨大的挑戰。作為中國海洋經濟高速增長的典型樣本,浙江省首當其沖面臨發展經濟和保護環境之間的矛盾。為解決這一問題,浙江省出臺了一系列關于海洋生態環境防治保護的法規條例,其中最具代表性的是2013年出臺的《浙江省近海海域污染防治規劃》(以下簡稱《規劃》),《規劃》明確提出,針對浙江省海洋生態環境污染問題,實施區域聯防聯控聯治,嚴格控制陸源污染物的排放總量,加強陸源污染源頭控制和凈化處理。至此,區域聯防聯控已成為浙江省防治海洋陸源性污染的重要舉措,但該舉措在現實層面能否達到控制陸源污染排放,實現海洋生態環境保護的長期目標,其實施成效有待研究檢驗。

隨著生態環境污染治理聯防聯控機制在實踐層面的逐步實施,近年來有不少文獻展開對聯防聯控機制效應的研究,但是目前的研究大多聚焦于該政策對空氣污染的效應評估。Wang Hongbo等[1]和Zhang Nannan等[2]通過對PM2.5濃度數據的測算,發現大氣污染聯防聯控計劃(JPCAP)能有效地提升地區空氣質量。胡宗義等[3]引入“聯防聯控”政策作為虛擬變量,測算出聯防聯控政策對空氣污染和工業企業發展有正面影響。何偉等[4]通過分析2014—2018年京津冀地區PM2.5和PM10的變化趨勢,發現聯防聯控機制基本實現了改善京津冀空氣質量的目標。盡管上述研究已經從某些側面就聯防聯控機制對大氣污染的治理效應進行了研究,但尚缺乏針對某個區域的異質性研究。

鑒于海洋陸源性污染聯防聯控機制受多重因素的影響,是一個典型的復雜系統,而系統動力學是以反饋控制理論為基礎,能夠從系統整體出發分析內外反饋信息、非線性特性和時間延遲影響[5],因此,部分學者利用系統動力學研究開展海洋可持續性發展和海洋生態承載力等問題的研究。蓋美等[6]利用系統動力學模型對大連市海洋環境治理方案進行模擬調控,提出海洋治理的合理方案。陳衛東等[7]構建了中國海洋可持續發展的系統動力學模型,將海洋可持續發展系統分為社會子系統、經濟子系統、資源和環境子系統,仿真模擬海洋可持續發展的對策。靳超等[8]利用SD模型預測惠州市的海洋生態承載力狀況并提出改善措施。上述研究為本研究引入具有高階次、非線性、多重反饋性的系統動力學模型,構建浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制系統仿真模型提供了經驗借鑒和文獻支撐。但上述研究主要集中在單一層面的探討,未能將海洋環境污染聯防聯控治理置于整個大氣污染治理環境中進行系統性的考察。鑒于此,本研究以上述研究為基礎,以2013年浙江省出臺的《浙江省近海海域污染防治規劃》為基期,將陸源污染與海洋污染納入同一系統,建立浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制的系統仿真模型,對該機制產生的長期效應進行仿真模擬分析,揭示該政策對浙江省近海海域治理的運行成效,并對浙江省近海海域生態環境治理提出長期有效的對策建議。

1 研究設計與模型構建

1.1 確定模型邊界

浙江省海洋陸源性污染動態仿真模型以浙江省的行政邊界為研究系統空間。由于沿海城市海水污染濃度數據統計始于2006年,故設置模型的起始時間為2006年,考慮到政策的實施有一定的滯后效應,本研究確定模型的終止時間為2030年。其中,2017年為現狀水平年,2006—2017年為歷史統計數據年,2018—2020年(A1)為近期規劃水平年,2021—2025年(A2)為中期規劃水平年,2025—2030年(A3)為遠期規劃水平年[9]。為減少步長時間帶來的誤差,確定模型仿真時間間隔為1年。

1.2 系統構成及因果關系

根據海洋陸源性污染的動態過程以及各要素之間的相關關系,本研究將浙江省海洋陸源性污染系統分為“排放子系統”“控制子系統”和“污染損失子系統”,每個子系統各有特點又彼此聯系。

1.2.1 排放子系統

海洋陸源性污染是內生因素和外部控制因素共同作用的結果,而陸域社會經濟發展產生的環境負外部性是海洋陸源性污染出現的根本原因[10]。社會經濟生產價值主要是通過國民收入實現初次分配,但隨著國家經濟發展進入“經濟增速的換擋期、結構調整的陣痛期、前期反危機成本的消化期”,國民收入再分配開始利用財政、稅收等手段對社會各個行業進行投資,帶動陸域經濟和海洋經濟的發展。通過政策的調節,各行各業實現了快速發展,在催生大批工業企業的同時,也產生了更多的工業廢水,尤其是沿海地區工業企業廢水的排放,更是加劇海洋生態環境的惡化[11]。同時,沿海地區經濟高速發展引發的大批人口遷移導致人口聚集,使得居民生活污水排放總量急劇增加。排放子系統相關變量的因果關系見圖1。

圖1 海洋陸源性污染排放子系統因果關系

1.2.2 控制子系統

海洋環境污染主要來源于陸源污染的排放[12],因此,海洋環境治理聯防聯控機制應將控制陸源污染排放作為著力點。聯防聯控機制的系統構成主要包括動力系統、保障系統、激勵系統和控制均衡系統等多個子系統,各個子系統共同作用于海洋陸源性污染治理。為了更深入研究聯防聯控機制的作用機理,本研究選擇簡單系統①系統學根據組成系統的元素和元素種類的多少以及他們之間關聯的復雜程度,將系統分為簡單系統和巨系統兩大類。簡單系統是指組成系統的元素比較少,關系單純,如某些非生命系統。來自百度百科。,即考慮把海洋陸源性污染聯防聯控保障系統、引導系統和均衡系統納入海洋陸源性污染聯防聯控控制子系統。控制子系統相關機制的變量關系見圖2。

圖2 海洋陸源性污染控制子系統因果關系

海洋陸源性污染聯防聯控引導機制是通過排污標準對污染源的排放加以限制、監測和監控[13],規范工業企業污染物的排放行為,引導居民樹立環境保護意識,實現標準化排污。聯防聯控保障機制主要是從聯防聯控立法健全程度、聯合防治監管能力等方面進行考量[14-15],通過構建完善的聯防聯控立法體系,明確跨區域跨部門的管理權限,規范區域管理部門的聯合執法檢查工作,提升聯防聯控的監督監測效率。聯防聯控均衡機制則是將政府的技術投入和環境治理投資作為主要的資金來源,均衡企業生產投入和政府環境治理投入的關系。尤其是技術投入,對海洋陸源性污染的治理起主導作用,甚至能夠彌補產業結構不合理帶來的環境負效應[16]。

1.2.3 污染損失子系統

經濟發展水平與生態環境之間存在長期的動態關系,無論是“脫鉤理論”還是環境庫茲涅茨曲線都描繪了不同經濟增長階段和環境污染之間的關系。浙江省作為粗放型經濟發展的典型樣本,在保持GDP高速增長的同時,工業排污、內陸城市生產生活污染物通過河流轉移入海,以及和沿海地區廢棄物直排入海等污染問題也隨之而來,對海洋生態環境產生極其不良的影響。海洋環境作為典型的“準公共物品”,在使用上缺乏競爭性且不具備排他性,“公地悲劇”[17]和“搭便車”不可避免地出現在海洋生態資源的使用過程中,加劇了海洋環境污染。加之海洋陸源性污染源頭區域的劃分和污染主體的界定具有復雜性,傳統的陸海分治模式面臨極大的挑戰,由此產生的負面后果最終是由全社會或是沿海區域居民“買單”,承擔日益增加的海洋環境治理成本和海洋污染經濟損失,最終對GDP產生負面影響。

圖3 海洋陸源性污染損失子系統因果關系

綜合上述的分析,利用SD仿真軟件Vensim繪制出浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制因果關系圖。

1.3 系統流程圖分析和方程建立

根據浙江省海洋陸源性污染產生的主要內生因素和外部控制因素,以及對陸源污染系統結構的分析,采用系統動力學軟件構建系統流程圖。流程圖中關鍵的狀態方程、速率方程如表1所示。

表1 海洋陸源性污染系統的狀態方程

續表

2 模擬檢驗

2.1 模型有效性檢驗

為了驗證所建立的模型能否準確地反映實際系統的特征,在仿真模擬之前要進行系統有效性檢驗。本研究選定2006年為基準年,對比2006—2017年浙江省總人口、GDP和陸源污水排放總量等主要指標的模擬結果和歷史統計數據,驗證模型的有效性和準確性。本研究采用主要指標參數的相對誤差進行分析。

式(1):σ為相對誤差;A為歷史統計數據;B為模型計算結果。

若σ＜10%,則說明模型是合理的,模型與實際系統的擬合效果比較理想,可以準確地體現系統的未來狀態[18]。仿真模型主要參量的模擬值與實際值比較見表2。

表2 SD模型模擬值與歷史數據的對比檢驗

根據檢驗結果可知,2006—2017年,浙江省總人口、GDP和陸源污水排放總量的仿真值與實際值的誤差均在10%以下,仿真值整體變化趨勢與歷史統計數據基本吻合,說明擬合度良好,指標預測的準確性較高,有效性檢驗基本通過,可用來進一步預測聯防聯控機制對浙江省海洋陸源性污染治理的長期效應。

2.2 模型的靈敏度分析

靈敏度分析是分析模型中某些參數在合理范圍內調整后,模型輸出結果是否有顯著的波動,模型行為是否有顯著的差異。如有顯著差異,那么模型行為對參數在合理范圍內變動的反應過于靈敏,該參數無助于對不同政策優劣的評價,在這種情況下,需要準確估計參數,或者重新調整模型結構[19]。

為了測試該模型的靈敏度,本研究主要通過改變浙江省海洋陸源性污染排放子系統中的相關參數來模擬現實情況的發展趨勢,假設將人均生活污水排放標準和萬元GDP工業廢水排放標準分別降低5%,入海陸源廢水排放總量曲線將分別由Current變為Current1和Current2(圖4)。參數調整之后,盡管入海陸源廢水排放總量曲線在振幅上有些許差異,但是曲線的變化趨勢基本一致,未出現因條件變化而導致的模擬結果崩潰,說明該模型行為對參數變動的敏感性較低,該模型適用于參數精度不高、參數較多且參數關系復雜的系統預測[20]。

圖4 模型參數靈敏度檢驗

3 仿真情景設定

3.1 情景設定

為探究不同的聯防聯控機制情景對浙江省海洋陸源性污染和經濟發展的影響,設定基準情景(BAU)為2017年浙江省聯防聯控機制情景,A1-C3為仿真情景。在基準情景中,浙江省聯合防治監管能力指標參考中國監督執法考核評議指標體系方案進行取值,聯防聯控立法健全程度量化值是以浙江省出臺的協同治理海洋環境污染法律法規文件數量占浙江省環境保護法律法規文件的比重為準,浙江省海洋生態環境保護的技術投入是根據浙江省歷史財政投入數據得出,環境規制程度考量的是浙江省環境治理投資總額占其GDP的比重[21],人均生活污水和萬元GDP工業廢水排放量是依據浙江省歷史數據計算所得。

考慮到浙江省聯防聯控機制出臺的最終目標,排放標準、法律約束日漸嚴格將成為必然趨勢,技術投入和環境治理投資總額也會隨之增加,以達到陸源污染減排的目標。因此,在仿真情景設定方面,對方案A,在固定其他參數的情況下,將A1-A3情景下的排放標準分別提高5%,10%和15%。對方案B,將B1-B3情景下的技術投入比例和環境規制程度分別提升5%,10%和15%。對方案C,主要考慮到浙江省立法體系和監督體系逐步完善的現實規律,將C1-C3情景下的聯防聯控立法健全程度和聯合防治監管能力分別提升5%,10%和15%。具體情景設定如表3所示。

表3 浙江省聯防聯控機制仿真情景設定

3.2 BAU情景——發展趨勢預測

發展趨勢預測是在原有模型的基礎上,保持系統參數不變,得到發展趨勢的預測結果[8]。動態仿真結果表明,BAU情景下,浙江省聯防聯控機制會使入海陸源廢水排放總量和入海陸源廢水污染經濟損失均出現下降,GDP則呈現小幅度上升。2020年、2025年和2030年入海陸源廢水排放總量分別下降1.61%、6.22%和14.28%,入海陸源廢水經濟損失則分別下降0.23%,2.87%和5.43%,GDP上升6.32%,6.38%和6.43%。同時,隨著聯防聯控機制的持續推進,入海陸源廢水排放總量和入海陸源廢水污染經濟損失的下降幅度逐漸增大,表明隨著浙江省海洋陸源性污染聯防聯控系統的運行,聯防聯控機制對海洋環境和經濟的影響日益增大。在此值得注意的是,GDP的變化明顯小于入海陸源廢水排放總量和入海陸源廢水經濟損失,而且其增長趨勢趨于平穩,可能是浙江省海洋產業產值占浙江省GDP比重相對較低,以及本研究只考慮入海陸源廢水污染對浙江省海洋經濟的影響,使得聯防聯控機制引致的經濟損失降低對GDP的影響不夠顯著,但這也說明相較于對陸源廢水的減排效果,聯防聯控機制對浙江省GDP的直接影響較為微弱。

4 聯防聯控機制仿真情景的比較和分析

4.1 情景A——排放標準

隨著A1～A3生活污水和工業廢水排放標準的逐步提高,對入海陸源廢水減排、GDP的促進作用和對入海陸源廢水污染經濟損失的抑制作用都會逐漸增大。當生活污水和工業廢水排放標準提高5%、10%和15%時,入海陸源廢水排放總量在A1、A2、A3這3個階段分別平均下降2.24%、5.38%、11.44%,入海陸源廢水污染經濟損失則分別平均下降1.04%、2.45%、4.45%。表明污水排放標準越嚴格,居民和工業企業分別獲得的生活污水排放權和工業廢水排放權就越少。從企業生產的層面而言,為了滿足生產需求,企業需要承擔更多的廢水排放成本,而廢水排放成本作為生產成本的重要組成部分,根據成本最小化原則,企業在一定程度上會引進先進的污水處理技術和設備,減少廢水排放,沖銷由于企業廢水過度排放引起的外部成本。從居民生活的層面而言,考慮到用水成本提升,居民會提高水資源的重復利用率,實現生活污水的有效減排。兩大主要污染源頭排污總量的減少,能夠有效降低入海陸源廢水總量和污染經濟損失,進而對GDP的增長起到促進作用。

4.2 情景B——廢水凈化率

技術投入和環境規制程度在3種不同的提升比例下,都會使入海陸源廢水排放總量及污染經濟損失保持持續下降的趨勢,GDP保持較為平穩的上升趨勢。其中入海陸源廢水排放總量對技術投入和環境規制程度的變化最為敏感。當技術投入比例分別增加5%、10%和15%時,入海陸源廢水排放總量在B1、B2和B3這3個階段分別平均下降0.73%、5.33%和14.78%,入海陸源廢水污染經濟損失進入B2和B3階段后分別平均下降2.51%和6.13%,而且隨著技術投入比例和環境規制程度的逐漸提升,對入海陸源廢水排放總量以及污染經濟損失的積極作用明顯增強。這表明政府科技投入的增加,既可以帶動浙江省產業結構提檔升級,改變傳統的高耗能高污染發展模式,從源頭上降低陸源污染的排放,又可助推企業進行技術創新成果的研發,從而應用于污染物的凈化,提高陸源污染處理效率。相應地,政府環境治理投資總額的增加也為海洋環境污染治理提供了充足的資金保障,并且直接作用于海洋陸源性污染治理。同時,需要注意的是,政府技術投入和環境治理投入總額的增加,一方面可以減少入海陸源廢水排放總量,從而降低入海陸源廢水治理成本;另一方面也會加重政府在環境治理方面的財政負擔,使得入海陸源廢水污染經濟損失增加,最終造成入海陸源廢水污染經濟損失的下降幅度遠不及入海陸源廢水減排幅度。

4.3 情景C——法律約束

法律約束能力的強弱是聯防聯控立法健全程度和聯合防治監管能力的體現。入海陸源廢水排放總量以及入海陸源廢水污染經濟損失在不同程度的法律約束下,下降幅度有明顯的差異。當聯防聯控立法健全程度和聯防聯治監管能力分別提升5%、10%和15%時,入海陸源廢水排放總量在C1、C2和C3階段分別平均下降0.64%、5.25%和13.3%,入海陸源廢水污染經濟損失在B2、B3階段平均下降2.42%和5.42%。并且隨著聯防聯控立法健全程度和聯合防治監管能力的逐漸加強,入海陸源廢水排放總量和污染經濟損失的下降幅度逐漸增大。這說明,聯防聯控立法體系的日益健全,能夠為浙江省海洋陸源性污染治理提供制度保障。通過法律可明確區域管理部門的責任和跨區域聯合執法的權力,解決陸源污染防治區域權責不清,海陸污染治理分離的壁壘問題,同時,通過聯合防治監管能力機制的建立,可實現浙江省各區域的聯合監管和綜合性治理,進而從法律層面強化“陸海統籌、協同治理”的治理思路。

通過對比BAU情景和情景A、B、C發現,提高人均生活污水和萬元GDP工業廢水排放標準、增加技術投入比例和環境規制程度以及加強聯防聯控立法健全程度和聯合防治監管能力相較于保持聯防聯控措施的實施現狀(BAU情景),更有助于促進入海陸源廢水的減排,且技術投入和環境規制的調整(情景B1～B3)最能改善浙江省海洋陸源性污染現狀。

5 結語

5.1 結論

通過梳理浙江省海洋陸源性污染排放子系統、控制子系統以及污染損失子系統之間的關聯機制,本研究構建了浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制的動態仿真模型,以降低浙江省入海陸源污染的排放、改善浙江省沿海地區生態為主要目標,設計了3種仿真情景。根據模型的仿真模擬結果,本研究得出以下結論。

(1)從有效性檢驗和敏感性檢驗來看,該系統模型的實際擬合效果較好,模型有效且具有良好的穩定性,能夠有效模擬浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制的現實情景。

(2)從BAU情景發展趨勢的預測結果來看,聯防聯控機制將有效減少浙江省入海陸源廢水的排放,但是對浙江省GDP的影響較為微弱。

(3)從仿真情景的對比分析來看,相較于保持2017年參數不變情況下的發展趨勢預測結果,提高排污標準、技術投入、環境治理投資總額、聯防聯控立法健全程度和聯合防治監管能力等聯防聯控三大機制的實施強度能更有效地降低浙江省入海陸源廢水排放和入海陸源廢水經濟損失。其中,技術投入和環境治理投資等均衡機制對海洋陸源性污染治理的效果最為明顯。

5.2 建議

基于聯防聯控機制仿真情景的動態模擬結果,綜合考慮標準引導、政府投入均衡和法律保障等方面,提出促進浙江省海洋陸源性污染治理的政策建議。

(1)制定更加嚴格的排污標準,控制陸源污染源頭。從陸源污染聯防聯控綜合治理的角度出發,要重點整治城市生活污水、工業廢水以及農村鄉鎮污水的排放,提升污染源頭治理的效率。對城市生活污水的治理,應該著重改善沿海城市的環境質量,制定更為嚴格的生活污水排放標準和城市居民居住環境綜合治理考核制度,引導居民樹立利益共同體意識和水資源循環利用的環境意識,尤其是要重點對待沿海主要海域功能區的污水排放達標問題,保證其達到合格的環境排污標準。對工業廢水的治理,則是通過嚴格的排污標準限制企業的廢水排放以及迫使企業引進先進的污水處理技術,降低入海廢水中的污染要素含量。針對農村、鄉鎮污水的排放和處理,需要加強該地區污水處理廠的建設以及相應排污標準的出臺。

(2)拓寬環境治理投資和技術投入的支持渠道,提高陸源污染物凈化效率。一是可以發展新的融資平臺,對地區工業企業實行污染治理“獎罰”制度,鼓勵企業增加污染治理的資金投入,也可對居民收取相應的生活污水排污費用,改變政府作為陸源污染治理資金投入的單一來源的現狀,拓寬海洋環境治理的融資渠道。二是政府作為陸源性污染治理的主導者,要繼續增加技術投資占比,尤其對環保科研相關產業的投資,彌補外部性給科技創新企業帶來的外溢損失,鼓勵企業加強末端污染處理和凈化技術的研發。

(3)完善聯防聯控立法,加強聯合防治監管能力,強化法律的約束力。一是通過聯防聯控立法規定跨區域管理部門的管理權和執法權力、區域排放標準和監測標準以及相應的區域聯防聯控治理措施,為海洋陸源性污染聯防聯控防治提供制度保障;二是協同地方政府,開展跨區域的陸源性污染協同監測、統一評估和聯合執法監管工作,改變立法部門和區域環境監管部門“分散化”“碎片化”的“末端監管”模式,建立陸源污染從源頭控制到末端監管的跨區域聯合防治體系。

本研究是基于現實數據構建浙江省海洋陸源性污染聯防聯控機制的系統仿真模型,相關結論和建議對海洋陸源性污染有一定的參考價值。當然,海洋陸源性污染的影響因素和污染源頭遠比本研究已揭示的復雜得多,尤其是本研究基于構建污染總量模型的便利性和數據的可獲得性,尚未考慮到農村生活污水、畜禽養殖污染等陸源污染源,這也是未來研究需要考慮的因素。