京津冀地區碳排放系統的模擬仿真與優化建議研究

馬雪薇

(北方工業大學經濟管理學院 北京 100144)

2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。目前京津冀地區已經成為北方最重要的經濟增長極，國家統計年鑒數據顯示，該地區的GDP總量呈現上升趨勢，近年來，GDP增長率在6%左右。2019年，京津冀地區的二氧化碳排放量大約為10.30億噸，占全國碳排放總量的1/9左右，因此在碳目標的背景下，京津冀地區實現碳減排路徑優化是實現綠色發展的重中之重。

1 文獻綜述

本文根據現有文獻研究方法的不同，將文獻分為兩類：

一類是非系統模型。在運用非系統模型分析碳排放優化問題時，常見的方法包括計量及因素分解法，如Zhang等(2020)[1]基于細化指標和動態空間面板模型，分析技術進步對二氧化碳排放的影響。Fan等(2021)[2]采用閾值回歸模型和兩階段工具變量回歸模型研究人口老齡化與家庭碳排放的關系，結果發現，消費結構和消費水平是影響城市人口老齡化與城市家庭碳排放非線性關系的中介因素。王長建等(2016)[3]利用kaya等式及LMDI分解方法定量分析各因素與碳排放之間的關系，以及各自對環境的貢獻值，從而針對性地提出低碳優化政策。黃蕊等(2016)[4]利用STIRPAT模型定量尋找最合適的碳排放優化路徑。

另一類是系統模型。系統模型主要分為三種：第一種是自上而下的模型，如Fu等(2020)[5]開發了一個階乘的可計算一般均衡模型，從碳稅的角度探究碳排放路徑；第二種是自下而上的模型，如余碧瑩等(2021)[6]以自下而上的中國氣候變化綜合評估模型/國家能源技術模型為研究工具，探討未來中國實現碳中和目標的可能路徑；第三種是混合模型，如馬丁和陳文穎等(2016)[7]以能源系統優化模型為基礎，遵循“自上而下”與“自下而上”相結合的思想，構建了碳排放達峰路徑排放體系，利用情境分析法探究了碳達峰的路徑。

在區域層面的碳排放問題的研究中，相較非系統模型，利用系統模型更具優勢。本文將碳排放優化問題放在系統模型中，運用自上而下的系統動力學模型，將京津冀地區的排放與能源、經濟、社會子系統耦合在一起。

2 系統動力學模型的構建與模擬仿真

2.1 系統動力學模型構建

系統動力學的構建主要涉及因果關系圖、存量流量圖、參數設定及模擬仿真四個部分。因果關系圖又被稱為系統循環圖，通常是利用因果鏈及因果回路反映變量之間的作用。存量流量圖是在因果關系圖的基礎上進一步以更加直觀的符號展示系統中各要素的邏輯關系與反饋形式。定量分析離不開參數設定，系統動力學的變量包括水平變量、速率變量、常量及輔助變量，主要通過方程的構建顯示各變量的變化規律。模擬仿真則是將數學模型與計算機軟件相結合，目前VENSIM PLE是運用較為廣泛的仿真平臺，本文也是通過此平臺進行模擬仿真。

2.1.1 因果關系圖

因果關系圖是構建模型的基礎，通過箭頭反映各個因素之間的因果關系。根據上文的模型系統邊界構建的因果關系圖為：經濟子系統通過調整產業結構影響不同產業的產值進而對能源消耗量產生影響；社會子系統主要包含人口及科技投入、城鎮化率等因素。人口數量可以影響不同產業的從業人數，進而影響不同產業產值及生產性能源消耗量。科技投入及城鎮化水平可以影響人均生活能源消費量，進而影響生活性能源消耗量；能源子系統通過調整不同能源所占比例調節能源結構，進而影響二氧化碳排放量；排放子系統主要考察二氧化碳的排放情況，通過政策模擬分析在不同情境下的二氧化碳排放情況。

2.1.2 存量流量圖

在因果關系圖的基礎上，存量流量圖用狀態變量、速率變量、輔助變量及常量更加詳細地反映各個因素的關系。根據因果關系圖繪制的京津冀地區碳排放系統存量流量圖包括三個水平變量：GDP、人口總量、林業面積；四個常量：煤炭排放系數、石油排放系數、天然氣排放系數、固碳量；三個速率變量：GDP增長量、人口變化量、造林面積增加量，其余均為輔助變量。

2.1.3 參數設定

參數的設定方法主要包括：

(1)回歸法。本文通過SPSS軟件估計了能源—排放—經濟—社會耦合系統的一部分參數，例如，確定了一產產值與一產固定資產投資額、一產從業人數的關系；二產產值與二產固定資產投資額、二產從業人數及城鎮化率、科技投入強度的關系；三產產值與三產固定資產投資額、三產從業人數的關系。

(2)政府政策規定。比如，在確定非化石能源占比時，參考了國務院頒發的《2030年前實現碳達峰行動方案》，到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右。

(3)表函數法。有些變量可能并不存在簡單的線性關系，為了更加準確地反映變量的變化情況，采用表函數的形式精準地描述變量的變化情況，如一產投資占比、二產投資占比、三產投資占比、煤炭占比、石油占比、天然氣占比等。

又如日本科學技術振興機構，擁有從基礎研究、技術研發、工程化研究、產業孵化到技術推廣完成等一系列完整的科技成果轉移轉化鏈條，下設董事會、執行委員會、學術委員會、高層管理者等管理機構，采用現代公司企業化的管理模式，各分所遍布全國高校。該機構擁有多樣化的資金投入渠道、品牌化的經營戰略、靈活的用人機制、全程貫通的轉化鏈，能有效聚集政府、高校和企業的資源，在科研成果轉化的各階段實現無縫銜接，是目前亞洲最具活力的科研成果轉移轉化機構。

(4)算數平均數。例如，在確定碳排放系數時取自美國情報署、《IPCC2006指南》、國家科委氣候變化項目、中國工程院和國家發改委能源研究所五大機構公布的碳排放系數平均值。

2.2 SD模型模擬仿真分析

2.2.1 模型有效性檢驗

本文將歷史數據及模型運行數據進行比對發現：能源消費總量兩者的相對誤差均小于3%，而實際GDP與實際GDP模擬值及二氧化碳排放量的統計值與模擬值的誤差保持在5%之內，通過了有效性檢驗，說明該模型的構建符合真實情況，具有科學性，可以用于預測京津冀地區未來的碳排放情況。

2.2.2 模型初始狀態運行情況

如圖1所示，展示了京津冀地區在初始條件下2020—2040年能源消費總量情況。其數值在預測期間呈現逐步上升趨勢，數值由2020年的493.49百萬噸標準煤漲到2040年的759.11百萬噸標準煤，增長了大約1.54倍。能源消耗產生的二氧化碳排放包括煤炭、石油、天然氣及非化石能源消耗所產生的二氧化碳。如圖2所示，能源消耗產生的二氧化碳在2020年為1044.32百萬噸，此后碳排放量呈現上升趨勢，到2036年達到峰值1249.74百萬噸，之后其數值逐步減少。從碳排放強度角度考慮，京津冀地區的碳排放強度逐漸下降，主要參考國務院引發的《2030年前碳達峰行動方案》，規劃中指出，2025年的碳排放強度相較2020年要下降18%。根據預測結果，2020年京津冀地區碳排放強度為1.88萬噸/億元，2025年該地區的碳排放強度為1.49萬噸/億元，實現碳強度的減排目標。

圖1 基準情景下京津冀地區能源消耗情況

圖2 京津冀地區能源消耗產生的二氧化碳情況

綜上所述，京津冀地區雖然在預測期內可以完成碳強度減排目標，但2030年碳達峰目標無法實現，預測京津冀地區將在2036年實現碳達峰。

2.3 本章小結

本文構建了京津冀地區碳排放優化系統動力學模型，并在模型通過了有效性檢驗的基礎上對初始狀態下的京津冀地區2020—2040年的能源消耗、二氧化碳排放情況進行預測，結果顯示：現有條件下，京津冀地區無法在2030年實現碳達峰，預計將在2036年實現碳達峰，其峰值為1249.74百萬噸標準煤；能源消費方面，京津冀地區的能源消費總量在預測期間呈現不斷上升的趨勢，至2040年能源消費總量相較2020年增長1.54倍，可以實現碳強度的減排目標。

3 政策建議

綜上所述，京津冀地區無法在2030年前實現碳達峰，因此為進一步加快該地區的碳達峰進程，本文針對京津冀地區碳排放優化問題提出以下建議：

(1)約束能源消耗總量，改善能源消費結構。具體來說，首先，需要建立清潔高效的利用煤炭政策，整體來看，京津冀地區對煤炭依賴嚴重，雖然消耗煤炭占比減少，但是煤炭消耗總量還是在增加，因此制定高效使用煤炭的政策可以在一定程度上優化能源結構，包含使用先進的煤炭加工、轉換、液化氣化技術等將是未來一段時間改革的著力點。其次，需要拓寬天然氣使用渠道，包括發電、交通運輸、工業燃料及城鎮燃氣在內的四個領域將成為天然氣多元化策略的主要領域。最后，需要大力開發、發展清潔能源。因地制宜，根據現有的京津冀能源資源稟賦開發風能、太陽能、地熱能，同時開發水電及分布式能源，推廣電動汽車、乙醇汽車等。

(2)轉換經濟增長方式。目前，京津冀主體還是推行工業化進程與城鎮化進程，高質量發展已經成為主旋律，京津冀地區轉換經濟發展方式，重點是關注一些耗能較多的領域，如河北省的鋼鐵行業及相關的重工業領域，政府應該引導其產業升級，將綠色能源與數字化、智能化相結合，建立新的經濟增長點，進而降低能源消費總量及二氧化碳排放量。

(3)加大對低碳技術的資金支持，增加科技研究占比。提高能源利用率，降低能源強度是減少碳排放的重要措施，而這一目的的實現需要大力發展低碳技術，加大對低碳領域的資金投入，加強政府、企業及高校之間的協作。包括建立科技創新評價體系、稅收優惠、大力發展清潔發展機制在內的多種具體措施，從而激發京津冀地區的低碳技術創新活力，改善碳排放狀況。

(4)加強區域經濟一體化，優化行業結構。目前，京津冀地區的產業聯動主要體現在北京將落后的工業轉移到天津與河北地區，從整體上看，產業結構優化的進程較為緩慢，碳排放量在短期內還是呈現上升趨勢。究其原因是北京、天津及河北目前的工業發展處于不同階段，難以實現整體聯動。因此，為了加強區域經濟一體化，需要著重關注弱勢地區工業進程，提高其行業準入門檻，淘汰落后產業并通過政府引導及企業創新加快工業化進程，協調北京、天津及河北地區的經濟同步發展。

(5)提升碳匯能力，發展固碳技術。改善碳排放問題除了減少二氧化碳本身的排放量外，還可以增加造林面積發展固碳技術。具體來說，京津冀地區地處平原，擁有大量的土地資源，因此政府可以通過建立天然保護園區、提高森林覆蓋率的方式減少碳排放量；固碳技術則是通過捕捉大氣中的碳并將其安全封存在碳庫中，目前京津冀地區對該項技術的使用還不廣泛，主要應用于大型工業排放點，因此需要政府通過資金及法律、政策相關方面的支持來引導發展固碳技術，優化碳排放。