太原市碳排放研究
——基于系統動力學模型

張海亮

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

一、引言

“碳達峰”“碳中和”是當前人類社會應對全球變暖采取的新發展戰略。國際可再生能源機構（International Renewable Energy Agency，IRENA）等發布權威報告指出，要實現全球變暖幅度控制在1.5℃，需要在21 世紀中葉達到全球溫室氣體的凈零排放，即實現碳中和。中國實現“雙碳”目標需要在產業結構、能耗強度、能源消費等方面協同發力，推動經濟發展與降碳減排齊頭并進，兌現中國于2030 年碳達峰、2060 年碳中和的承諾。

太原市作為山西省的省會，不僅是我國唯一的資源型省會城市、中國能源、重工業基地之一，也是國務院批復確定的中國中部地區重要的中心城市，在我國提出可持續發展議程后，太原市被設定為創新示范區來發揮煤炭資源型城市的帶頭作用。近年來，太原市在經濟發展領域實現了規模擴大、水平高速提升的目標，但其經濟增長方式依然滯后在粗放型發展模式中，導致了資源使用、環境保護與經濟發展相互制約等問題的出現。由此可見，太原市依據政策指導，促進產業合理轉型已取得良好成效，應進一步推進低碳減排措施，盡早實現碳排放峰值。

降碳減排的理念促進了碳排放在經濟、人口、資源、能源等領域相關研究的發展。國際層面，Ugur Soytasj 等（2007）[1]借助VAR 模型研究國家整體地區生產總值（Gross Domestic Product，GDP）、能耗和CO2排放量三者的關系，并以美國和土耳其為例說明其研究結論，模型運行結果顯示，碳排放量的快速增加是由能源的消耗導致的，而不是由經濟發展導致。國內，劉再起和陳春（2010）[2]雖然選擇了7 個不同國家（中國作為其中一個）進行案例分析，但都得出了相似的結論，即產業結構調整優化的水平與CO2排放量的多少，兩者之間存在耦合關系。產業結構調整優化的水平低，CO2排放量多；產業結構調整優化的水平高，CO2排放量少。在三大產業產生的CO2排放中，Liu 等（2021）[3]認為在資源環境約束日益嚴重的情況下，減少工業污染排放、促進綠色產業發展是經濟發展的主流趨勢；張晶等（2021）[4]基于系統動力學方法進行模型構建，模擬京津冀城市群綠色、低碳實現路徑，得出綜合情景更能促進區域經濟、資源、碳排放的協調發展。總結以上研究，國內外學者從一個或多個維度對降低碳排放路徑進行了深入探索并取得了良好的降碳效果，但面向煤炭資源型城市的碳達峰路徑研究較少，不足以支持目前的“雙碳”行動。

二、方法和數據

（一）系統動力學

系統動力學是研究復雜系統中各要素之間因果關系和動態變化的一種方法[5]。建模過程始于定義對象，澄清系統邊界，并構建系統中因素的因果鏈[6]。把開放的因果反饋環首尾連接便構成因果關系反饋環。正反饋環是一個不斷自我加強的過程，用英文字母S（Same，相同）來表示；負反饋與正反饋相反，用英文字母O（Object，相反）表示。

圖1 列舉了兩種不同反饋環的行為模式，a 表示正反饋指數成長和正反饋負指數成長；b 表示負反饋的3 種主要模式，第一為有界的飽和成長，第二為有界的衰退，第三為圍繞平均值的振蕩。這些典型模式常稱為參考模型。正反饋、負反饋的系統行為并非涇渭分明，常常有交叉和重疊，因為系統的軌跡最終取決于初始條件和參數。

圖1 兩類基本參考模型

本文研究的對象是資源型城市-太原市碳排放，故在本文中將社會、經濟、能源、水資源和碳排放等多個層面的指標放入一個耦合系統，通過水資源與能源的相關關系，我們構建了一個經濟-能源-水資源-碳排放模型。然后，將定性分析與定量數據相結合，根據中國2005—2019 年的歷史數據量化模型的參數，并擬合相關變量，以進一步預測未來的碳排放。

（二）水—能耦合計算

根據楊月（2019）[7]對混合水與混合能源的計算方式，將其應用到本文對水與能源消耗量的計算中，分為總水耗與總能耗。總水耗表示為生活用水、生產用水、生態用水計算加和，其中生產用水包括農業用水、工業用水（除能源相關用水量之外的其他工業用水）、第三產業用水和能源相關用水量（煤炭、石油、天然氣、電力從開采到終端使用整個過程的耗水量）。總能耗包括直接能源消耗和間接能源消耗，直接能源消耗包括煤炭、石油、天然氣、電力的消耗量，間接能源消耗表示為社會水循環（輸水、用水、排水、污水回用和再生水處理）過程的能耗量[8-9]。計算公式為：

αn（n=1，2，3，4）為第n 種能源類型e1n的單位能源用水強度，e1n表示生產過程中耗水能源類型（煤炭、石油、天然氣、電力），W1表示能源生產相關水耗。

βk（k=1，2，…，5）為第k 個水循環過程w2k的單位用水能耗強度，w2k表示社會水循環中的五個過程（輸水、用水、排水、污水回用和再生水處理），E2表示間接能源消耗。

總能源消耗：

E 表示總能源消耗。

（三）碳排放計算

根據《2019 清單指南》提取的各類化石能源與非化石能源碳排放系數，建立碳排放數據集，基于單位一致性原則，將其轉化為與模型中的變量單位一致的碳排放因子。依據建立的太原市水資源、能源消費量數據集，與碳排放系數相匹配，通過各個行業對太原市碳排放進行分析。基于IPCC 對碳排放的核算方法，對太原市能耗產生的碳排放量和水消耗產生的碳排放量進行計算，計算公式如下：

其中，n—產生碳排放的用水類型總計；

m—產生碳排放的能源類型總計；

xi—產生碳排放的用水類型，單位是億立方米；

yj—產生碳排放的能源類型，單位是萬噸標準煤；

pi—某用水類型的碳排放系數，單位是噸二氧化碳/億立方米；

qj—某能源類型的碳排放系數，單位是噸二氧化碳/萬噸標準煤；

C—碳排放總量，單位是噸二氧化碳。

（四）數據來源

依據《太原市統計年鑒》《太原市水資源公報》與《太原市環境狀況公報》建立了太原市水資源消費量數據集，數據集包含了從2005—2019 年近60份歷史統計數據，并使用數據集中4 個子系統900個確切統計數據來進行耦合系統分析，以保證數據預測及路徑模擬的可靠性。水耗總量由社會水循環的五個環節組成，用水、輸水、排水、污水回用、再生水與能源相關水耗，通過各個行業對太原市水耗進行量化分析；在《太原市統計年鑒》《山西省統計年鑒》與《中國能源統計年鑒》的基礎上，建立了太原市能耗數據集，能耗總量由煤炭、石油、天然氣、電力和水相關能耗五個部分組成，按照行業分類對太原市能耗進行分析；根據《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南2019 修訂版》建立的碳排放數據集，通過整理相關變量碳排放的系數，基于單位一致性原則，將其轉化為與模型中的變量單位一致的碳排放因子。

三、模型檢驗

（一）模型檢驗

直觀檢驗，通過對收集資料的進一步分析，本文進行了單位一致性、結構合理性檢驗，在構建模型的過程中，參閱了大量文獻資料，力求模型結構與實際系統的結構相一致。耦合系統圍繞能源、水資源子系統進行構建，其中重要水平變量包含人口總量、第一產業產值、第二產業產值、第三產業產值。根據這四個水平變量，擴充系統邊界，以水平變量為中心，相應設置速率變量及輔助變量，來完成系統邊界設置。

（二）歷史性檢驗

以2005 年為基準年，利用2005—2018 年的數據擬合各變量方程，在人口子系統選取總人口、城鎮人口與農村人口，經濟子系統選取第一產業總產值、第二產業總產值，水資源子系統選取生活用水、生產用水與用水總量，能源子系統選取能源消費總量。通過計算對比歷史數據與模擬結果可計算獲得2005—2019 年9 個變量模擬值的相對誤差，如表1所示。在9 個變量中，除生產用水在2018 年的相對誤差較大為3.32%，總用水量在2013 年、2018 年的相對誤差較大為1.66%、1.9%，其他年份相對誤差均在0.7%左右，模擬效果良好。由表1 可知，預測數據的相對誤差均在2%左右，模型具有高度準確性。

表1 系統動力學模型模擬結果的有效性分析

四、政策建議

根據我國《碳排放發展趨勢》（2017）的統計數據，太原市2016 年碳排放量以每年3.5%的速度增長，已超過中國2030 年減排目標的標準。太原市的碳排放主要來源于化石燃料、工業生產、家庭消費以及交通出行。此外，太原市也受到從外部引入的碳排放的影響，該排放占總排放量的20%左右，特別是從大型工廠和電力企業引入的碳排放占比更大。

為了有效降低太原市的碳排放，可以實施以下政策：第一，實施低碳發展戰略，加快可再生能源的推廣應用，采用更有效的能源利用方式。以電代煤、代氣、代油，大力提升工業、建筑業電氣化水平，加快提升工業、建筑業和交通運輸業中可再生能力的消費比例，提高交通運輸部門能源使用標準，減少對高碳產業和化石能源的依賴，轉變以化石能源消費為基礎的經濟增長模式，促進低碳產業發展。第二，推行節能減排政策，加大對能源節約和資源循環利用的投入力度；加快可再生能源開發與利用領域關鍵技術與設備研發和創新，積極推動數字技術與能源技術融合發展；加快碳捕捉及存儲技術研發與設備升級，加強被捕捉后的碳的再利用。加強能源應用管控技術研發，發展智慧用能模式，針對不同行業用能實際與排放特征，制定多能源供應方案；加強綜合能源系統建設，面向工業園區、商業園區等重點領域研發應用綜合能源服務和源網荷儲一體化模式，滿足不同行業的多元用能需求，促進多能源互補應用。第三，加強碳排放管理，實施監督考核和罰款制度，遏制碳排放的違法行為；對用能單位接入能耗在線監測系統，方便定期匯報能耗量數據。與此同時，各企業要逐步淘汰落后工藝、技術和設備，關閉國家明令淘汰的落后機電設備。另外，節能新技術、新工藝、新材料也要不斷推廣和應用。第四，發展新能源汽車和公共交通，減少碳排放。持續推動城市客運、城市物流配送車輛及營運客車新能源化、清潔化，提高城市公交、出租、物流、環衛清掃等車輛使用新能源汽車的比例。大力發展綠色交通，加快構建完善的公共出行服務體系，軌道交通、城市公交、出租車、網約車、共享自行車多種交通公交高效銜接，快速交通與慢行交通體系建設并進，以發達的城市公共交通降低公眾出行能耗。

此外，太原市還可以采取一些其他措施來降低碳排放，如加強立法保護，推進環境管理綜合性改革，改善環境污染治理政策，促進農業技術改良，提高企業環保意識，實施綠色消費政策等。

五、結論

本文以探索太原市碳達峰路徑為目標，梳理了城市發展各要素間的邏輯關系與資源消耗現狀，以能源、水資源子系統進行水-能計算，并構建了基于系統動力學的資源型城市碳達峰仿真系統，并通過歷史數據驗證了系統仿真結果與實際結果的匹配程度。模擬結果表明運行結果與真實數值的相對誤差較小，模型的構建與檢驗能夠為多情景設置與模擬奠定理論基礎，可用于碳排放效益分析與措施研究。