基于系統動力學-Visual Studio集成模型的區域碳排放中長期變化趨勢預測*
——以四川省為例

李喬楚 陳軍華,2 何 京

(1.西南石油大學經濟管理學院,四川 成都 610500；2.四川石油天然氣發展研究中心,四川 成都 610500)

氣候變化和全球變暖是21世紀人類面臨的巨大挑戰。在溫室氣體排放總量中CO2占比(以質量分數計)高達97%[1],并通過誘發海平面上升、極端氣候事件、土體荒漠化等危害,對人類生存環境造成顯著影響。作為世界上最大的發展中國家,中國自2009年起已成為全球碳排放第一大國[2-3],為了履行大國責任,中國力爭碳排放于2030年前達到峰值。省域是連接國家與城市的紐帶,對碳達峰目標的實現具有重要意義,因此我國在省級層面制定了強制性減排目標[4]。西部地區的可持續發展一直是國家發展戰略的重要內容,由于經濟條件和技術水平限制,西部地區環境承載力接近上限[5],推進西部大開發低碳新格局已迫在眉睫。四川省作為西部經濟第一大省,碳排放量也位居前列,亟需立足資源稟賦優勢,在研究、制定、實施碳排放達峰方面起到模范作用,為“中國承諾”做出“四川貢獻”。

區域碳排放軌跡具有動態性、系統性和復雜性,而系統動力學(SD)在分析非線性、多變量動態隨機過程中具有優勢。近年來,國內外學者基于SD理論針對區域碳排放預測與影響因素分析開展了一系列研究。FONG等[6]以馬來西亞依斯干達開發區為例,通過不同的城市政策選擇設計仿真情景,運用SD模型預測區域未來的碳排放趨勢及社會經濟發展指標的變化特征,研究表明所建模型能夠作為城市規劃過程中的有效決策工具。ROBERTS等[7]以英國立法的第5個碳預算規劃為背景,依據碳捕獲和儲存、核電站建造以及海上風電建造方案進行情景設計,基于新的SD模型探討了英國2035年碳減排目標的實現能力,并分析了經濟發展、能源使用、居民就業等因素的聯動變化。LIU等[8]結合擴展的STIRPAT方程建立了中國碳排放SD模型,在明確關鍵驅動因素的基礎上針對資源節約、產業優化、經濟粗放等10種不同情景下的碳排放峰值進行預測,并探討了環境庫茲涅茨曲線(EKC)假說的中國檢驗。SUN等[9]考慮到電力工業對中國碳減排的關鍵作用,提出了一個基于多元影響因素動態交互的SD模型,對基準、低碳、集約低碳3種設計情景下的碳排放軌跡進行預測。唐德才等[10]以長三角地區作為研究對象,著重考慮能源消費對“溫室效應”的重要貢獻,結合Vensim軟件動態模擬了長三角地區未來的碳排放趨勢,并針對人口、國內生產總值(GDP)、能源價格等關鍵參數開展敏感性分析。劉偉等[11]基于Vensim PLE軟件構建了城市低碳發展SD模型,結合北京市國民經濟與社會發展規劃設定了趨勢發展、低碳發展以及政策調控3種情景,通過仿真模擬預測了2010—2020年的碳排放特征,并從碳源、碳流、碳匯的角度提出政策建議。

迄今為止,區域碳排放預測相關研究在理論和實踐上都取得了一定進展,豐富了人們對溫室氣體排放與經濟社會發展內在關聯的認知。然而,現有研究存在以下局限：(1)在構建模型框架時側重于碳排放的驅動因素,大多忽略了森林生態系統的碳匯作用和區域電力交易產生的間接排放,且對于系統碳排放源的界定通常局限于終端能源消耗,未同時兼顧水泥、鋼鐵等工業生產重點排放領域；(2)在評估區域最佳碳達峰路徑時,僅關注峰值時間而忽略了累積碳排放量,特別是未考慮到與全球變暖的密切關系；(3)大多研究均使用單一模型開展仿真模擬并探究驅動碳排放變化的影響因素,難以避免固有的局限性；(4)當前國內的研究主要集中于直轄市和東中部省份,少有研究關注西部地區的碳排放軌跡。四川省作為我國“清潔能源示范省”,其達峰目標的盡快實現有利于在西部形成高質量發展的重要增長極,自下而上全面推動落實國家自主貢獻目標的省域行動。鑒于此,本研究結合聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)清單算法和SD理論構建碳排放預測模型,基于Visual Studio(VS)編制省域碳排放分析與預測模型,并借此預測9種發展模式下四川省2020—2050年的碳排放趨勢與達峰軌跡,以期準確把握四川省清潔低碳轉型的最優情景和有效路徑,助力西部地區乃至全國低碳發展藍圖的繪制。

1 模型構建

1.1 子系統分析

選取能源活動、工業生產、林業活動、廢棄物處置作為主要碳核算單元,考慮到工業化學反應在水泥和鋼鐵等生產部門的碳排放聚集性,以及森林碳匯對區域碳達峰進程的關鍵影響,將四川省碳排放系統劃分為經濟、人口、能源、環境四大子系統。

1.1.1 經濟子系統

經濟子系統是四川省碳排放系統的基礎組成部分。經濟發展在消耗大量能源與人力資本后產出產品與服務,GDP增長將帶動固定資產投資與產業結構優化升級,投資增加有助于改進生產設施與工藝流程,三大產業的相互轉換以及每個產業的內部調整均極大程度地影響碳達峰進程。人均GDP的增長將帶動居民生活水平提升,促進農村居民向城鎮遷移,從而提高城市化率。決勝全面建成小康社會后,人們開始著眼于綠色低碳的發展模式,環保投入是串聯經濟、環境、能源子系統的重要因素,技術創新因子與產業結構因子直接影響節能減排的實際效果,能為區域經濟高質量發展注入新活力。對于第二產業,本研究同時考慮了終端能源消耗以及水泥、鋼鐵兩大工業部門化學反應產生的CO2。經濟子系統的原始數據來源于2001—2020年的中國統計年鑒、中國鋼鐵工業年鑒、中國水泥年鑒、四川省統計年鑒和世界鋼鐵統計數據等。

1.1.2 人口子系統

人口子系統是四川省碳排放系統的重要組成部分。人口規模的擴大將促進內部市場需求持續升級,寬松的生育管制也有助于解決老齡化和勞動力短缺問題,從而為經濟子系統發展注入新動能。更多能源被投入生產以滿足規模日益擴張的產品和服務需求,并帶動居民生活垃圾的持續增加,從而影響能源和環境子系統。人口密度增大也將不斷推動城市建設與擴張,增加城市對鋼鐵、水泥等建筑原材料的需求。在日常生活中,城鎮居民通常比農村居民接觸到更多的碳排放源,但城鎮化進程具有家庭能源利用效率高的優勢[12],且城鎮居民更容易接受低碳發展新理念,因此有助于顯著減少碳排放。人口子系統的原始數據來源于2001—2020年中國統計年鑒、中國城市統計年鑒、中國農村統計年鑒、四川省統計年鑒等。

1.1.3 能源子系統

能源子系統是四川省碳排放系統的關鍵組成部分。穩定的能源供應為經濟子系統提供物質基礎,環境規制下能源“雙控”目標也將帶動產業結構的調整升級。不同品種能源排放因子差異顯著,清潔能源消費比重提升將有效減少環境子系統的碳排放強度。考慮到電力可由風能、水能、光伏等可再生能源轉換,且在使用過程中幾乎不會產生CO2,因此本研究不考慮可再生能源發電的碳排放效應。與此同時,為了明確四川省及周邊省份碳排放的責任劃分以及可再生能源發電對區域碳減排的貢獻[13],依據電力外省(區、市)調入與四川省調出的差額電量核算區域電力交易過程中產生的CO2,并將其作為系統外部的間接排放。能源子系統的原始數據來源于2001—2020年中國能源統計年鑒、四川省統計年鑒、中國區域電網基準線排放因子等,為了消除單位差異造成的影響,統一將各品種能源消費量折算成標準煤進行計量。

1.1.4 環境子系統

環境子系統是四川省碳排放系統的核心組成部分。第二產業在四川省發展歷程中始終占據著重要地位,與此同時,經濟社會的快速發展將帶動能源消費急劇增加,居民生活水平提升也將導致大量固體廢棄物產生,均不可避免地成為區域碳排放的主要誘因。森林是陸地生態系統的主體,在吸收轉化CO2方面發揮主導作用,本研究考慮到森林生態系統的固碳效應,將林木生長過程中的碳吸收納入系統核算。環境子系統對其他子系統均能產生一定影響,主要表現在“雙碳”目標約束下政府通過出臺一系列激勵與約束措施倒逼區域能源結構優化與產業結構升級,從而帶動經濟、人口與能源子系統聯動變化。環境子系統的原始數據來源于2001—2020年中國環境年鑒、中國環境統計年鑒、中國環境狀況公報、四川省統計年鑒等。

本研究的排放因子參考文獻[14]至文獻[16]的推薦取值,并參照了2019年《氣候變化第三次國家信息通報》對碳排放清單的編制思路。針對能源活動主要核算燃料燃燒和區域電力交易過程中產生的CO2,參照文獻[17]和[18]的處理方法將IPCC清單算法中提供的燃料燃燒CO2排放因子缺省值由能量單位轉化成標準煤單位；同時,考慮到四川省作為一次電力凈調出省份,“西電東送”工程具有減排項目屬性,因此電網供電平均CO2排放因子選用生態環境部應對氣候變化司發布的減排項目中國區域電網基準線排放因子最新數據。工業生產主要核算水泥熟料制造和鋼鐵生產過程(包含生鐵生產、鋼材加工兩大過程)中產生的CO2,其中鋼材加工過程分為堿性氧氣轉爐、電弧爐和開爐3個階段[19],不同工藝生產占比的數據取值參考歷年的世界鋼鐵統計數據。廢棄物處置主要核算固體廢棄物焚燒過程中產生的CO2。林業活動主要核算林木生長過程中吸收的CO2,其中平均生物量取值參照中國科學院基于全國6次森林資源清查資料的研究結果[20]。

為進一步厘清系統變量間的邏輯關系,設定變量間的數學函數關系并進行嵌運算,從而建立基于SD的四川省碳排放預測模型,模型結構見圖1。

圖1 四川省碳排放預測模型結構Fig.1 Structure of carbon emission prediction model in Sichuan Province

1.2 情景設定

為了考察實現碳達峰目標的潛在路徑,基于情景分析預測不同發展模式下四川省的碳排放軌跡。將碳排放影響因素劃分為兩類：第一類為激勵因素,包括經濟發展、人口規模、城鎮化水平；第二類為抑制因素,包括產業結構、能源結構、技術創新。首先依據碳排放抑制因素的變化特征,將四川省碳排放系統的發展模式劃分為3類,即保守發展模式(CDM)、優化發展模式(ODM)和低碳發展模式(LCDM)；基于此,進一步結合激勵因素的變化速率,將各大發展模式細分為低速、基準和高速3種子模式,共設定9種發展子模式(分別記為CDM1～CDM3、ODM1～ODM3和LCDM1～LCDM3),不同發展子模式的特征見表1。本研究使用SD軟件Vensim PLE 7.3.5進行仿真,模擬區間為2000—2050年,時間步長取1年。考慮到實際數據可得性,2000—2019年主要用于系統模型驗證與調試,2020—2050年為系統仿真的預測年限。

結合國民經濟與社會發展規劃及現有文獻綜述設置基準情景的參數變化速率,低速與高速情景則在基準情景基礎上以一定浮動幅度取值。經濟發展的參數設置主要參考《四川省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》《2030年的中國：建設現代化、和諧、有創造力的社會》以及對中國經濟增速的預測結果[21-22]。產業結構的參數設置參考了胡鞍鋼[23]的預測結果,且考慮到中國預計在2050年人均GDP達到世界銀行所定義的“高收入國家”中位數水平,而四川省在未來一段時間內第二產業仍會保持較高的比重,因此產業結構發展趨勢貼合德國和日本位于“高收入國家”中位數時的結構特征[24]。與此同時,農業是我國國民經濟的基礎產業,在龐大的人口基數背景下糧食安全尤為重要,故未來我國第一產業的比重將高于發達國家,因此本研究結合灰色系統預測模型對第一產業占比參數進行校正。人口規模的參數設置主要參考《四川省人口發展中長期規劃》《“健康四川2030”規劃綱要》《國家人口發展規劃(2016—2030年)》《四川省第七次全國人口普查公報》以及四川省統計局基于1%人口抽樣調查數據[25]的預測結果。城鎮化水平的參數設置主要參考《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》《四川藍皮書：四川城鎮化發展報告(2020)》。能源結構的參數設置主要參考《四川省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》《2050年世界與中國能源展望》《關于四川省創建國家清潔能源示范省有關事項的復函》。技術創新的參數設置主要參考《四川省節能減排綜合工作方案(2017—2020年)》《中國能源前景2018—2050》《2050年世界與中國能源展望》。

2 省域碳排放分析與預測軟件編制

基于所構建的碳排放預測SD模型,結合VS進行省域碳排放分析與預測軟件的編制,從而實現省域碳排放峰值預測與達峰時間分析的智能化、高效化。軟件旨在實現以下功能：

(1) 實現省域碳排放趨勢的預測。首先輸入研究區域基準年限的經濟發展、產業結構、人口規模、城鎮化水平、能源結構、技術創新等基礎參數,同時結合不同參數的基準發展速率,在選定相應的情景模式后,用軟件預測得出該模式下研究區域2020—2050年的碳排放量,主要借助Microsoft Access數據庫實現數據的儲存及歸檔。

(2) 研判省域低碳發展的最優模式。通過調用Microsoft Access數據庫中的存檔數據,將不同模式的碳排放趨勢展示在同一張可視化圖表上,從而便于直觀把握差異化碳達峰軌跡；自行識別并輸出相應的碳排放峰值與達峰時間,結合情景分析明確省域低碳發展的最優模式。

表1 四川省碳排放預測情景設計Table 1 Scenario design of carbon emission prediction in Sichuan Province

軟件總體編制思路見圖2。

圖2 軟件總體編制思路Fig.2 Overall compilation idea of software

3 仿真與預測

基于所構建的SD-VS集成模型對9種發展子模式開展仿真模擬,得到2020—2050年四川省碳排放變化趨勢(見圖3)和不同發展子模式下四川省碳排放峰值及達峰時間(見表2)。

圖3 四川省碳排放變化趨勢Fig.3 Changes of carbon emissions in Sichuan Province

由仿真結果可得,四川省碳排放有望在2025—2049年期間達到峰值,累積碳排放量為737 873萬～1 273 123萬t。不同發展子模式下四川省碳排放達峰時間從早到晚依次為LCDM1、ODM1/LCDM2、CDM1、ODM2、LCDM3、CDM2、ODM3、CDM3；累積碳排放量表現為CDM3>ODM3>CDM2>LCDM3>ODM2>CDM1>LCDM2>ODM1>LCDM1。在所設定的9種發展子模式中,ODM1、LCDM1、LCDM2可以實現2030年碳達峰目標,且在上述發展子模式下四川省經濟發展和能源消耗、碳排放增量持續脫鉤,單位GDP能耗與單位能耗碳排放強度持續改善,2030年相對于2015年分別下降了53.77%和27.89%(ODM1)、53.76%和26.39%(LCDM1)、50.73%和25.92%(LCDM2)；CDM下的3個發展子模式均無法實現2030年碳達峰目標。

表2 不同發展子模式下四川省碳排放峰值及達峰時間Table 2 The value and time of peak carbon emissions in Sichuan Province under different development sub-modes

GDP增速下降、人口規模收縮以及城鎮化進程減緩將有效控制四川省的碳排放體量,但在低碳規制水平較低時各個子模式均不能實現2030年碳達峰目標,這是由于：(1)經濟加速發展往往伴隨著大量資源消耗,導致碳排放量顯著上升,但通過犧牲經濟增長以限制碳排放難以獲得長久成效。(2)人口規模主要通過“人群效應”[26]對碳排放產生影響,目前四川省人口基數巨大,人口增長引發城市擴張,居民日常生活、建筑房屋和市政基礎設施工程都將消耗大量能源和工業產品；與此同時,近年來隨著老齡化和勞動力短缺現象日益加劇,“三孩”生育政策正式落地,因此人口增長對碳排放的強勁貢獻在短時間內難以改變。(3)城鎮化水平具有“雙刃劍”特性,一方面,在決勝全面建成小康社會后,城鎮居民往往著眼于高水平的財富與精神需求,新興服務業和生活能源消費作為家庭活動的一部分,對區域碳排放的貢獻不容忽視；另一方面,新型城鎮化建設具有生態修復功能,新入居民通過享受現代能源服務轉變用能行為(例如由散煤供暖轉變為燃氣供暖、由薪柴消耗轉變為集中用氣),并帶動城市公共基礎設施利用效率和可訪問性的提高,綠地面積不斷擴大,居民節能減排意識逐漸增強,對碳排放產生顯著抑制作用。由此說明,在復雜經濟社會網絡下僅僅依靠限制發展很難有效推進區域清潔低碳轉型,碳達峰目標的實現離不開政府管控的“有形之手”。在經濟、社會、人口系統均處于高速發展時,各個發展子模式也難以實現2030年碳達峰目標,即使節能減排措施的實施力度達到最大,其達峰時間也與目標時間相距10年,難以實現經濟社會發展與生態環境保護“雙贏”的局面。這表明快速的人口和經濟增長以及離散的城市擴張容易導致碳排放陡增,盡管此時可能有助于社會經濟發展和居住空間改善,但會以掠奪性資源開發以及高能耗為代價。從長遠來看,失去廣闊土地和浪費自然資源造成的負面影響遠遠超過相關的經濟利益,因此在四川省碳達峰進程中應避免粗放型的失控增長模式。

LCDM1的碳排放峰值及累積碳排放量最小(737 873 萬t),且能夠最早實現碳達峰目標(2025年),但該模式要求在經濟、社會、人口系統發展速率較低時,保持高水平的節能降碳技術創新與產業結構優化升級,節能減排措施的實施效果超出當前預期目標,在理論上可作為理想的發展模式；但在現實生活中此模式通常出現在發達國家發展歷程的中后期,依靠發展前期積累的社會財富與國際競爭力,在保持經濟高質量穩步向前發展的同時,注重人與生態環境的和諧共處,因此低碳經濟發展較為成熟。考慮到四川省經濟社會發展仍處于上升期,以能源化工、裝備制造為代表的第二產業是實體經濟增長的重要支柱,普遍存在產能過剩問題,能源消耗具有高度聚集性,且四川省目前仍處于工業化、城鎮化階段,大規模的基礎設施建設意味著建筑業和交通運輸業正在逐步取代工業部門成為主要的碳排放源[27]；與此同時,目前四川省的低碳效率提升很大程度上得益于結構改善,如產業結構升級,但隨著產業結構接近效率邊界,邊際成本也相應增加,且近年來能源低碳化利用技術的發展存在一定屏障,技術創新的節能減排效果未得到有效凸顯,因此LCDM1并不適用。ODM1在LCDM1子模式基礎上降低了節能減排措施的實施力度從而降低了模式的應用難度,同時能夠保證四川省在2030年碳排放達到峰值(29 385萬t)。此發展子模式下四川省人口達峰時間預計推遲至2031年,2050年城鎮化率預計達到74%,低于北京市、上海市等城市的先進水平,并與西方發達國家相距甚遠。雖然此發展子模式下管理部門積極投身于碳減排領域的相關工作,保證碳排放峰值和累積碳排放量相對較低,但經濟增速下降難以滿足居民日益增長的財富與精神需求,甚至可能由于缺乏土地、能源、勞動力等資源支持,對社會經濟發展造成嚴重的負面影響,因此ODM1不利于四川省的可持續發展。

LCDM2在ODM1的基礎上保持中等的經濟增速,既不會出現經濟危機也避免了躍進式發展；有序推進人口結構優化和城鎮化發展進程,人口達峰時間預計為2028年。此模式在高度重視生態文明建設的同時協同推進生產要素的高質量發展,能源清潔低碳化利用水平較高,資本密集型產業不斷向技術密集型、知識密集型轉變,2030年的碳排放量比LCDM1約高出2 891萬t,比ODM2約減少2 545萬t,碳排放強度在2015年的水平上下降65.96%。考慮到目前四川省仍處于“從經濟大省向經濟強省跨越”的重要階段,碳達峰工作不能以過度犧牲社會經濟發展為代價,從長遠來看,LCDM2為四川省在保持經濟穩定增長的同時實現2030年碳達峰目標提供了一種可持續發展思路。在此種發展子模式下,若進一步加大產業結構調整、能源結構優化和技術創新力度,加快構建“5+1”現代工業體系與“4+6”現代服務業體系,把綠色低碳融入治蜀興川各方面全過程,把節能減排作為推動高質量發展和建設“美麗四川”的重要著力點,則有望超前實現碳達峰目標,從而提前探索峰值管理工作,為全國和其他省份提供示范效應。

4 建 議

(1) 推進可持續低碳經濟格局,聚焦搶抓重大戰略機遇發力。搶抓新時代推進西部大開發形成新格局、成渝地區雙城經濟圈建設、黃河流域生態保護和高質量發展等重大戰略機遇,堅持產城融合,積極發展低碳經濟、循環經濟,使未來經濟發展與碳排放增量脫鉤。考慮到西部地區外商投資大多以資源型為導向,四川省應積極引導資本打造低碳產業集群,完善支持綠色低碳轉型的財稅金融體制,以電力體制改革為重點深化要素市場化改革。全面提升森林碳匯對經濟發展的生態貢獻,深入實施全域增綠行動,充分發揮西部碳排放權交易中心作用,提升經濟發展的質量和效益。

(2) 人口結構優化與居民素質提升并舉,聚焦凝聚低碳生活共識發力。大力倡導簡約適度的生產生活方式和消費理念,鼓勵低碳出行,突出職住平衡,推行垃圾分類、減量化和就近資源化利用,實施“四川節能節水行動”；建立健全體現生態價值的低碳價格機制,加強低碳標識認證,促進環境成本內部化,引導企業增加綠色產品和服務供給；黨政機關帶頭推廣電子化、無紙化辦公和綠色采購,建立合作的社會責任體系,助力政府、企業、個人牢固樹立自愿減排理念。

(3) 持續推進新型城鎮化建設,聚焦提升低碳基礎能力發力。突出成都市、廣元市等“低碳試點城市”示范效應,深刻彰顯成都市美麗宜居公園城市理念,推進全國首創“碳中和垃圾分類站”等低碳基礎設施建設。積極推廣新能源汽車,完善低碳交通體系,加快推進“軌道公交慢行”三網融合,推動鐵路公交化高效運營。提升綠色低碳建筑標準,加快發展裝配式建筑,穩步推進“無廢城市”建設。持續優化城鎮空間布局,實現城鎮空間結構由分散、單核發展向緊湊、多核發展轉變。

(4) 完善頂層設計規劃,聚焦構建綠色低碳產業發力。聚焦鋼鐵、水泥生產、火力發電等四川省碳排放重點行業,完善溫室氣體數據統計管理體系,出臺低碳改造技術指南。做強綠色低碳制造業,大力發展新材料、節能環保、油氣鉆采及海洋工程裝備、新能源汽車等先進產業,壯大綠色金融、森林康養等綠色低碳服務業,大力發展低碳循環農業,高標準建設國家資源循環利用基地,加大低碳產品認證力度,通過土地整治和集約利用增加碳匯。

(5) 拓寬清潔能源大省基礎,聚焦加快能源低碳轉型發力。加快常規和非常規天然氣勘探開發步伐,提升中國“氣大慶”建設水平,助力“氣化全川”。發揮四川省風能、光伏發電、水電資源得天獨厚的資源優勢,突出“風電、光電等清潔能源大面積上網”前提下的電力系統能源結構和調度能力建設,強化分布式能源項目建設,增強能源保障能力,提升基層能源供給韌性。