成渝城市群“油氣-經濟-碳” 系統仿真模擬
——基于系統動力學模擬

蒲子龍，李廷

（西南石油大學，成都 610500）

1 引言

能源是現代工業和經濟發展的基礎性資源，石油與天然氣（以下簡稱“油氣”）是能源中的重要組成部分，在促進經濟發展、保障能源安全等方面具有極其重要的地位。人類社會在快速發展的同時使用大量化石燃料，特別是工業革命時代，大規模的二氧化碳排放到大氣中加劇了全球變暖。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次氣候變化評估報告顯示，2011-2020 年全球表面溫度比1850-1900 年上升1.09 ℃。碳排放造成全球變暖的影響在未來數百年是不可逆的，這為國際社會帶來了全新的挑戰，各個國家為此作出響應。2020 年，習近平總書記指出：中國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。中國目前正處于工業化和城鎮化的快速發展階段，城市群迅速崛起，城市群經濟逐漸成為我國區域經濟協調發展的重要方面[1]。在城市群經濟快速發展的時期，油氣消費巨大且供給持續緊張。基于過去的粗放型經濟，油氣利用效率低下，這導致氣候變暖，生態環境持續退化；反過來，生態環境的惡化又嚴重影響經濟發展和油氣消費，長期加劇著油氣、經濟與環境三者之間的矛盾[2]。

“油氣-經濟-碳”系統是一個多要素、多層次和多重反饋的特殊復雜系統，其內部因素繁多，油氣子系統、經濟子系統、碳子系統等為基本要素[3]。現階段，國內外學者雖然對油氣、經濟和碳分別進行了大量的研究，灰色模型[4]、環境庫茲涅茲曲線[5,6]、多目標規劃模型[7,8]、向量自回歸模型[9]、STIRPAT模型[10]等模型被廣泛使用。但以往研究通常基于全國及省域范圍內，還未對多場景預測有過深入研究，更很少將城市群作為研究對象進行系統性分析。只基于歷史數據，難以較真實地預測出未來社會發展動向，反之，在合理、長期的發展情境下，設定開展預測研究會更加逼近未來油氣消耗、經濟發展、碳排放的場景。系統動力學（System Dynamics，SD）是一種量化系統反饋機理的方法，對于研究復雜系統的關聯關系量化和系統的結構具有獨特的優勢，對此，可以采用系統動力學的方法對未來發展動向進行預測，提升研究的科學性。

成渝城市群是西部大開發的重要平臺，是長江經濟帶的戰略支撐，也是國家推進新型城鎮化的重要示范區。成渝城市群處于全國“兩橫三縱”城市化戰略格局中沿長江通道橫軸和包昆通道縱軸的交匯地帶，是全國重要的城鎮化區域，具有承東啟西、連接南北的區位優勢。然而伴隨著工業化和城市化的不斷推進，成渝城市群同樣面臨氣候變暖、油氣資源消耗過大等諸多問題。在碳達峰背景下，成渝城市群必須充分考慮油氣、經濟和碳之間的聯系，探究未來低碳經濟發展的合理路徑。因此，本文以成渝城市群為研究對象，運用系統動力學方法建立成渝城市群 “油氣-經濟-碳” 模型，對2022-2030 年成渝城市群“油氣-經濟-碳”系統發展路徑進行仿真，并對不同發展情景下該地區的油氣消費、經濟發展、碳排放情況進行預測，為成渝城市群實現碳達峰的低碳經濟政策制定提供參考。

2 研究方法、模型構建與數據來源

2.1 研究方法

系統動力學（SD）是Forrester 提出的研究系統反饋結構與行為的一門科學，緊密結合了系統科學理論與計算機仿真，常被應用于城市規劃、企業研究、生態環保、科技管理等研究領域[11]。系統動力學模型的構建主要有5 個步驟：①明確系統邊界與系統結構；②確定系統變量；③繪制因果關系圖；④繪制系統存量流量圖；⑤確定變量之間的函數關系。

2.2 模型構建

2.2.1 系統邊界與系統結構

根據《成渝城市群發展規劃》，成渝城市群空間范圍的最小組成單元為縣級市，鑒于數據可獲得性，本研究將系統的空間邊界限定為包括成都、重慶在內的17 個地級市。本研究將時間邊界限定為2006-2030 年，其中，2006-2021 年為歷史時段，2022-2030 年為仿真預測時段。油氣、經濟、碳的關系受到環境、科技與社會等多方面因素影響，內部關系比較復雜。本文從碳達峰目標出發，充分考慮了三大產業、油氣消費、社會、環境、科技等角度計算碳排放，探究油氣-經濟-碳的協調發展。模型包括油氣、經濟、碳3 個內部子系統及環境、科技與社會3 個外部子系統，如圖1 所示。

圖1 成渝城市群 “油氣- 經濟- 碳” 系統結構圖

2.2.2 因果關系圖

在系統邊界確定的基礎上，結合“油氣-經濟-碳”系統自身的結構特點，建立“油氣-經濟-碳”系統因果關系圖，如圖2所示。

圖2 成渝城市群 “油氣- 經濟- 碳” 系統因果關系圖

由圖2 可以看出以下主要反饋回路：

①GDP→科技投入→科技投入強度→單位GDP 油氣消費總量→油氣消費總量→碳排放量→單位GDP 碳排放量→GDP

②GDP→工業污染治理投入→工業污染物治理量→工業污染物排放總量→GDP 增加值→GDP

③GDP→科技投入→科技投入強度→單位GDP 油氣消費總量→油氣消費總量→工業油氣消費量→工業污染物排放總量→GDP 增加值→GDP

④GDP→固定資產投資→三次產業增加值→油氣消費總量→碳排放量→單位GDP 二氧化碳排放量→GDP

⑤GDP→固定資產投資→三次產業增加值→油氣消費總量→工業油氣消費量→工業污染物排放總量→GDP 增加值→GDP

2.2.3 系統變量

“油氣-經濟-碳”子系統的相關變量借鑒了張澤義[12]、逯進等[13]、王朵[14]、劉東郎[15]等學者的研究，結合了系統結構和因果關系圖的分析結果，綜合考慮數據可獲得性，經過多輪篩選確定了各子系統的主要變量，如表1 所示。

表1 成渝城市群 “油氣- 經濟- 碳” 系統的主要變量

2.2.4 系統存量流量圖

根據成渝城市群“油氣-經濟-碳”系統的因果關系圖與相關變量的綜合分析，本文構建了成渝城市群“油氣-經濟-碳”系統SD 模型的系統存量流量圖，如圖3 所示。

圖3 成渝城市群 “油氣- 經濟- 碳” 系統流圖

2.2.5 變量之間的函數關系

對于初始變量與常數值的數值確定是根據歷史數據直接輸入，如人口總數等。部分函數之間的數學關系通過建立回歸方程確定，如GDP 與三次產業增加值之間的數量關系等。同時，在數值操作中，運用系統動力學方法中的表函數的功能，如碳排放系數等，通過設置表函數對各個變量未來的發展變化進行模擬。部分關鍵變量的函數關系如表2 所示。

表2 成渝城市群 “油氣- 經濟- 碳” 系統變量函數關系

2.3 數據來源

本文選取2006-2021 年的相關數據作為歷史數據。油氣相關數據來源于《能源統計年鑒》《四川統計年鑒》《重慶統計年鑒》 及各地級市的統計年鑒；經濟相關數據來源于《四川統計年鑒》《重慶統計年鑒》 及各地級市的統計年鑒；碳相關數據來源于CEAD 數據庫。部分數據缺失通過插值法進行補充。

3 實證檢驗

3.1 模型檢驗

在對系統動力學模型進行歷史檢驗時，一般認為系統模擬數值與實際數值之間的誤差若在10%以內，則模型的歷史檢驗通過，認為該模型的行為數據較為準確地反映了系統的現實運行情況。本文利用2006-2021 年的相關數據，選擇第三產業增加值、油氣消費總量、碳排放量等3 個變量進行歷史擬合檢驗。部分數據結果如表3 所示，經過驗證發現，碳排放量的模擬精度高，誤差值小于5%，第三產業增加值與油氣消費總量的誤差值均小于10%，可以認為所構建的模型通過了歷史檢驗，能夠滿足本文對成渝城市群“油氣-經濟-碳”系統仿真研究的需要。

表3 模型檢驗

3.2 情景設定

通過四川省與重慶市的《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》中相關的政策規劃，本文選取GDP 增長率、產業投資結構、油氣消費結構作為調控變量，并參考相關文獻，設置變量在合理的范圍浮動，并不代表實際值，情景設置如下：

情景一：自然增長：各決策變量保持現在的發展趨勢。

情景二：經濟調控：GDP 增長率提高到10%。

情景三：油氣調控：石油消費占油氣消費總量的比例下降到49%，天然氣消費占油氣消費總量的比例提高到51%。

情景四：產業調控：第一產業保持不變，產業投資占比由第二產業向第三產業流動，第二產業投資占比下降5%，第三產業投資占比增加5%。

情景五：綜合調整：GDP 增長率提高到10%；石油消費占油氣消費總量的比例下降到49%，天然氣消費占油氣消費總量的比例提高到51%；第二產業投資占比下降5%，第三產業投資占比增加5%。

4 仿真模擬分析

4.1 油氣消費總量變化趨勢

如圖4 所示，從仿真的5 個情景的結果來看，成渝城市群2022-2030 年油氣消費總量均呈現上升趨勢，按照自然增長情景即情景一仿真模擬，2030 年會增長到19 535.7 萬噸標準煤。其他4 種情景對比情景一可發現，2030 年情景二的油氣消費總量達到23 252.7 萬噸標準煤，單一地提高GDP 增長率會加劇油氣消費，使得情景二的油氣消費總量高于情景一的油氣消費總量。從情景三可以看出，油氣結構調整可以有效減少油氣消費，相比于情景一，2030 年油氣消費總量降低了2 537.4 萬噸標準煤。在情景四中，產業投資結構調整對油氣消費的影響最大，相比于情景一有效降低了4 341.9 萬噸標準煤，減少了22.2%，主要是由于產業投資會影響產業發展，而第二產業發展需要消費大量的油氣，第二產業投資占比減少，減緩了第二產業發展，從而減少了油氣消費，因此，應加速優化產業投資結構，加快產業結構轉型，從而有效降低油氣消費。在情景五中，到2030 年油氣消費總量達到20 368.3 萬噸標準煤，相比于2022 年增長了11 301.6 萬噸標準煤，增長了124.6%，比情景一增加了832.6 萬噸標準煤。綜上分析，加速優化產業投資結構可有效降低油氣消費總量，縮小油氣消費缺口。

圖4 2022- 2030 年成渝城市群油氣消費變化圖

4.2 經濟總量變化趨勢

GDP 是反映一個地區經濟總量的重要指標，因此，本文主要研究GDP 的變化趨勢。如圖5 所示，從仿真的5 個情景的結果來看，成渝城市群2022-2030 年GDP 均呈現上升趨勢。按情景一仿真模擬，到2030 年GDP 增長至158 978 億元。在情景二中，GDP 增長率提高到10%，相比于情景一，2030 年情景二下GDP 提高了20 113 億元，這說明直接提高GDP 增長率，能有效增加GDP。對比情景一，2030 年情景三下GDP 降低了4 715 億元，這說明優化油氣消費總量比例會減緩經濟發展，因此，需要適度調控油氣消費總量比例，從而降低對經濟發展的影響。相比于情景一，情景四下GDP 增加了4 873 億元，主要是由于產業投資會影響產業發展，而提高第三產業投資能快速拉動第二產業發展，從而加快經濟發展，因此，應加速優化產業投資結構，加快產業結構轉型。在情景五中，到2030 年成渝城市群GDP 達到168 779 億元，相比2022 年增長了102%，比情景一增長了9 801 億元。綜上分析，經濟發展需適度調控油氣消費總量比例，加快優化產業投資結構，增加第三產業投資。

圖5 2022- 2030 年成渝城市群GDP 變化圖

4.3 碳排放量變化趨勢

如圖6 所示，2022-2030 年成渝城市群碳排放量呈現上升趨勢。從仿真的5 個情景的結果來看，碳排放量由高到低為情景二＞情景五＞情景一＞情景三＞情景四。按情景一仿真模擬，到2030 年碳排放量達到68 375 萬噸。按情景二仿真模擬，可以看出經濟發展使碳排放快速增加，2030 年碳排放量達到81 384.3 萬噸，相比于情景一，碳排放量增加了13 009.3萬噸。因此可以說明，單一的經濟發展會使碳排放量迅速升高。對比情景一，2030 年情景三下碳排放量降低了14 709 萬噸，說明合理調控油氣消費總量比例能快速減少碳排放量。在情景四模擬預測下，碳排放量增長趨勢緩和，對比情景一，2030 年碳排放量降低了15 196.8 萬噸，說明優化產業投資結構能有效降低碳排放量。在情景五模擬預測下，與2022 年相比，2030 年碳排放量增長219.0%，比情景一的碳排放量增加了9 756.3 萬噸。綜上分析，對碳排放的影響程度由大到小依次是經濟發展＞油氣消費總量比例＞產業投資結構。其中，單一的經濟發展會提高碳排放量，而合理調控油氣消費總量比例、優化產業投資結構會有效降低碳排放量。因此，保持合理的經濟發展速度，優化油氣消費結構和產業投資結構是成渝城市群未來碳減排工作的重要方向。

圖6 2022- 2030 年成渝城市群碳排放變化圖

5 結論

本文通過構建的成渝城市群“油氣-經濟-碳”系統SD 模型，并檢驗模型有效性后，將模型與情景分析相結合，預測成渝城市群在2022-2030 年不同情景中油氣消費總量、經濟總量、碳排放量的動態變化情況。通過情景結果的分析對比得出以下結論：①成渝城市群的油氣消費總量、經濟總量、碳排放量在研究期間均呈現增長趨勢。按自然增長情景即情景一仿真模擬，到2030 年油氣消費總量達到19 535.7 萬噸標準煤，經濟總量（GDP）達到158 978 億元，碳排放量達到68 375萬噸。②情景二的結果顯示，單一發展經濟雖然能有效增長GDP，但是會增加油氣消費總量和碳排放量。情景三油氣調控的結果顯示，合理調整油氣消費總量比例可有效降低碳排放量。情景四產業調控的結果顯示，優化產業投資結構能有效降低油氣消費總量和碳排放量，提高經濟總量。情景五綜合了多種決策變量，與其他情景相比更加立足于成渝城市群的實際發展情況，權衡油氣消費和經濟發展以減少碳排放量，因此，情景五更加具有參考性。③對碳排放的影響程度由大到小的3 個調控變量依次是經濟發展＞油氣消費總量比例＞產業投資結構。其中，單一的經濟發展會提高碳排放量，而合理調控油氣消費總量比例、優化產業投資結構會有效降低碳排放量。因此，保持合理的經濟發展速度，優化油氣消費結構和產業投資結構是成渝城市群未來碳減排工作的重要方向。