城市環(huán)境基礎設施系統(tǒng)效益優(yōu)化研究
——以天津為例

◎文/陶志梅 張 楚

一、城市環(huán)境基礎設施效益SD模型

（一）城市環(huán)境基礎設施效益的機理分析

環(huán)境基礎設施作為城市生態(tài)環(huán)境的重要支撐，具有必不可少的、不可替代的環(huán)境效益。建設環(huán)境基礎設施需要投入巨大的資金成本，并且較難產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益。但是缺乏完善合理的環(huán)境基礎設施，會導致用更大的經(jīng)濟成本去治理污染，還會對居民的生活環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生惡劣的影響，比如威脅飲用水的安全和損害身體健康。

環(huán)境基礎設施內(nèi)部各子系統(tǒng)的效益共同構成了環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的整體效益。城市人口聚集和工業(yè)經(jīng)濟繁榮時，會產(chǎn)生大量的生活廢物和工業(yè)廢物。廢氣、廢水、固廢的大規(guī)模排放都會給城市生態(tài)環(huán)境帶來負面影響。不同的環(huán)境基礎設施可以產(chǎn)生不同的環(huán)境效益彌補這些負面影響。廢水處理設施通過分離去除污水中的有毒、有害物質(zhì)，使水資源得到凈化。固廢處理設施通過處理廢物產(chǎn)生環(huán)境效益，它收集城市日常垃圾并集中處理，控制了固廢的污染，減少了固廢對城市自然環(huán)境的負面影響。園林綠地系統(tǒng)提高了城市的綠地覆蓋率，通過吸收天空中的污染物和有害物質(zhì)來改善空氣質(zhì)量，具有凈化空氣和調(diào)節(jié)氣候的環(huán)境效益。各子系統(tǒng)的環(huán)境效益有機地結合在一起，共同構成了城市環(huán)境基礎設施的效益。

（二）環(huán)境基礎系統(tǒng)流圖

環(huán)境基礎設施在城市中主要發(fā)揮防治污染和美化環(huán)境的作用，因此本文主要從廢水處理、固廢處理、廢氣處理和園林綠化四個層面進行變量的選取與方程的構造。模型的流圖如圖1所示。

二、以天津為例

（一）模型邊界及系統(tǒng)參數(shù)確定

為了便于研究，模型中使用了天津的行政區(qū)劃。仿真時間范圍為2009—2030年，時間步長為1年。其中模型輸入的歷史數(shù)據(jù)時間范圍為2009—2018年， 以2009年作為仿真模擬的基準年。

本模型參數(shù)主要來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和《天津統(tǒng)計年鑒》。

（二）模型有效性檢驗

本模型選取天津GDP作為主要的歷史值檢驗指標，并利用2009—2018年共10年的歷史數(shù)據(jù)進行有效性檢驗。表1為天津GDP的模擬值與真實值的檢驗結果。

由表1可以看出，2009年至2018年間天津GDP的模擬值與實際值的誤差率都控制在10%以內(nèi)，說明本模型設計符合仿真模擬的需要，可以為后續(xù)的情境仿真分析提供有效判斷。

（三）情境模擬

1.情境1：節(jié)能減排

在這一政策情景下，須對 “機動車對氮氧化物污染貢獻系數(shù)”這一變量進行調(diào)整，模擬出未來一段時間范圍內(nèi)天津氮氧化物排放量的變化趨勢，仿真結果如圖2所示。

圖1 城市環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的SD模型

表1 天津GDP模擬值與真實值檢驗結果（萬元）

圖2顯示出，以本模型中機動車對氮氧化物污染貢獻系數(shù)的初始值為基礎，數(shù)值由3.27降低為2.27，根據(jù)氮氧化物排放量的預測趨勢可看出：當實施機動車節(jié)能減排政策時，城市的氮氧化物累積排放量將低于實際水平，空氣污染減少，城市的環(huán)境基礎設施效益也會相應提升；由表2可以看出，堅持節(jié)能減排，不需要額外的環(huán)保資金投入，2021—2030十年間氮氧化物排放量平均每年減少38999.18噸,環(huán)境基礎設施效益平均每年增加0.172。

圖2 節(jié)能減排情境模擬

2.情 境2：增 加 環(huán) 境 基礎設施投資

近年來，天津環(huán)境基礎設施投資占GDP比例有逐年下降的趨勢。在此政策情境下，則要提高“環(huán)境基礎設施投資占GDP比例”這一變量的數(shù)值，模擬出未來一段時間范圍內(nèi)天津環(huán)境基礎設施投資的變化趨勢，仿真結果如圖3所示。

圖3 增加環(huán)境基礎設施投資情境模擬

表2 情境1仿真對比分析結果

圖3顯示出，以本模型中環(huán)境基礎設施投資占GDP比例的初始值為基礎，整體增加0.1%，根據(jù)環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的變化趨勢可看出：當增加環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的投資時，建成區(qū)綠地率、廢水處理率、固廢處理率與目前同期水平相比都有了很大提升，這三個指標的提升帶動了整個環(huán)境基礎設施系統(tǒng)效益的提升；由表3可以看出，2021—2030十年間固廢處理率平均每年提升0.9%，廢水處理率平均每年提升13.2%，建成區(qū)綠地率平均每件提升17.8%，環(huán)境基礎設施效益平均每年提升0.319。

3.情境3：增加科技投入

近年來，R&D經(jīng)費占GDP比例的平均增長率為0.13，在此情境下，假設R&D經(jīng)費支出的增長率提高，模擬出未來一段時間范圍內(nèi)天津二氧化硫排放量的變化趨勢，仿真結果如圖4所示。

圖4 增加科技投入模式

圖4顯示出，以本模型中R&D經(jīng)費支出的初始值為基礎，整體增加0.26%，根據(jù)二氧化硫排放量和環(huán)境基礎設施效益的變化趨勢可看出：不斷提升改變R&D經(jīng)費占GDP比例時，二氧化硫排放量也相應的整體下降對空氣的污染率也隨之減輕，有利于提升環(huán)境基礎設施效益；由表4可以看出，2021—2030十年間，二氧化硫排放量平均每年減少20197.58噸，環(huán)境基礎設施效益平均每年增加0.089。

表3 情境2仿真對比分析結果

表4 情境3仿真對比分析結果

四、結論及政策建議

（一）結論

本文基于系統(tǒng)動力學的特點以及系統(tǒng)動力學在解決復雜的大型系統(tǒng)問題中的優(yōu)勢，從宏觀層面構建了城市環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型，反映了環(huán)境基礎設施系效益與系統(tǒng)內(nèi)外部各影響因素之間的相互作用關系。模型中輸入了天津2009—2018年十年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行仿真模擬，分析預測了不同的情境下城市環(huán)境基礎設施系統(tǒng)的效益水平，可為選擇合理有效的策略提供一定的參考。

天津三廢的排放量較大，尤其是廢水處理率并沒有達到理想狀態(tài)，平均水平低于90%，環(huán)境基礎設施效益依舊有提升的空間，美麗天津建設任重道遠。2021—2030年，堅持節(jié)能減排，氮氧化物排放量平均每年減少38999.18噸；持續(xù)增加環(huán)境基礎設施投資，固廢處理率平均每年提升0.9%，廢水處理率平均每年提升13.2%，建成區(qū)綠地率平均每件提升17.8%；增加科技投入，二氧化硫排放量平均每年減少20197.58噸。

（二）政策建議

1.提倡節(jié)能減排的綠色生活方式。節(jié)能減排政策對于控制和減輕城市空氣污染，提升城市空氣質(zhì)量優(yōu)良率，優(yōu)化環(huán)境基礎設施系統(tǒng)效益是非常有效的途徑。一方面，有關部門應高度重視機動車尾氣排放的問題，嚴格執(zhí)行機動車尾氣排放標準，對超標排放的機動車予以整治，要加強化石能源管理力度，確保機動車所使用的燃料符合國家的排放標準。另一方面，要進一步推動新能源和清潔能源的使用，還要加強節(jié)能減排及綠色出行方式的宣傳力度，鼓勵市民購買清潔能源車輛，提倡乘坐公共交通工具，減少機動車的使用。

2.加大環(huán)境基礎設施的投資力度。環(huán)境基礎設施的健全和完善有利于同時提高廢水、廢氣、固廢的治理效率，增加城市園林綠地面積，優(yōu)化環(huán)境基礎設施系統(tǒng)效益，提高城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。有關部門應多渠道籌措環(huán)境基礎設施投資資金，引導更多社會資本進行環(huán)境基礎設施投資建設和經(jīng)營，緩解政府一次性資金投入的壓力。還應把握適度超前，使環(huán)境基礎設施投資大體上能與城市發(fā)展對它的需求相適應，既不要出現(xiàn)明顯的瓶頸制約，也不要出現(xiàn)嚴重過剩。

3.增加科技投入，提高廢氣治理效率。技術進步能夠直接提高廢氣污染物治理效率，同時促進環(huán)境基礎設施系統(tǒng)效益的優(yōu)化。科技的進步一方面可以為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術支持，逐漸淘汰高污染、高消耗的化石能源工業(yè)企業(yè)，轉而發(fā)展綠色低碳、清潔高效的新型企業(yè)，從源頭上減少廢氣污染物的排放。另一方面，增加科技投入能夠研制出更先進的廢氣處理設施以及技術來進行廢氣處理。例如提高脫硫技術的應用可以直接減少二氧化硫排放量，繼而廢氣污染物治理效率可以得到提高。因此，要從根本上解決大氣污染問題，就應注重先科技投入，做好新技術研發(fā)及創(chuàng)新工作，切實提升環(huán)境治理的科技水平。