(1.西北师范大学 地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070;2.中国科学院 沈阳应用生态研究所 污染生态与环境工程重点实验室,辽宁 沈阳 110016;3.兰州大学 哲学社会学院,甘肃 兰州 730000;4.中国科学院兰州文献情报中心,甘肃 兰州 730000)

鹿晨昱1,王 婷1,逯承鹏2,李勇进3,李恒吉4

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070;2.中国科学院 沈阳应用生态研究所 污染生态与环境工程重点实验室,辽宁 沈阳 110016;3.兰州大学 哲学社会学院,甘肃 兰州 730000;4.中国科学院兰州文献情报中心,甘肃 兰州 730000)

可持续发展是当前的热点研究领域,涉及的区域系统是一个以人类活动为核心的复杂巨系统,而系统动力学正是研究和处理这种动态复杂系统的有效工具。运用系统动力学理论和方法,基于Vensim软件构建了甘肃省庆阳市可持续发展动态仿真模型,对其可持续发展的演化趋势进行了模拟分析。结果表明：庆阳市当前的经济、资源和环境之间的发展模式是不可持续的，降低经济系统对自然资源的依赖程度、转变经济发展模式,是实现庆阳市可持续发展的必然选择。在此基础上，增加技术投资、教育投资和环保投资,通过三者间的相互影响和相互促进,才能彻底扭转三废排放量增加的趋势,使经济实现快速、持续、稳定的增长,才能全面实现庆阳市的可持续发展。

系统动力学;可持续发展;资源;环境;庆阳市

1 前言

自20世纪80年代可持续发展概念提出以来,可持续发展得到不同领域众多学者的不断深入研究。尤其是近年来,关于区域可持续发展的相关研究得到学界的广泛关注[1]。区域可持续发展作为可持续发展观在区域发展中的体现,是建立在区域资源、环境条件和社会经济状况等基础上,具有一定结构且能反映出特定功能与效益的动态与开放的复杂系统[2]。目前在区域可持续发展研究方面,以指标体系法、核算体系法、数学模型等方法运用较成熟。指标体系法是衡量具有确定的复杂系统可持续发展的良好工具,但指标体系法在一些城市的指标评价方面还不够完善,尤其是在区域可持续发展问题的实证研究方面,指标体系的可操作性不强,客观性较差[3];而核算体系法在研究可持续发展时大多局限于经济活动范围或是单方面对实物进行核算,方法过于单一,容易对可持续发展的一些指标之间的关系考虑不全面[4]。相比于前两种方法,数学模型很好地避免了前两者的缺陷,并且可更灵活地指出区域可持续发展相应指标的变化趋势,其中以系统动力学模型在研究区域可持续发展指标变化趋势方面的效果最为突出。系统动力学在研究多个处理系统问题的过程中具有巨大的优势,能够阐明复杂系统的结构和动态的行为特性,在此基础上可设计和制定更有效的政策,因此已成为研究多系统之间关系的有效工具[5]。

自20世纪50—60年代系统动力学的诞生,到目前系统动力学的广泛传播以来,在诸多学者不断深入研究和创新之下,系统动力学在可持续发展方面取得了不少显著的研究成果,主要集中在区域协调可持续、能源利用与管理、水资源利用、农林业发展等方面。自Roger首次将其建立的国家能源系统动力学模型公布于众后,运用系统动力学方法对经济、资源、环境等相关领域的可持续发展研究便掀起了热潮[6];在研究区域协调持续发展方面,Georgia Marromati等提出了沿海城市系统生态可持续发展的系统动力学方法,对生态可持续发展进行了定义,并对连接城市系统的社会经济活动产生的污染物与沿海生态系统条件进行了分析[7];周李磊等通过构建经济—资源—环境系统动力学模型,针对由于城市资源耗尽和环境恶化所限制的经济增长问题进行了研究,指出转变经济发展模式是重庆市可持续发展的最优方案[8];李春发等将能值分析与系统动力学方法相结合,基于功能流视角将生态城市系统划分为能物流、货币流、人口流子系统,构建了能值评价指标体系与系统动力学模型,指出天津生态城的最佳发展模式[9];李素峰等采用系统动力学方法对黑龙江省的标准发展模式、传统发展模式、准绿色发展模式和绿色发展模式进行了仿真模拟,预测了人口增长、资源消耗、环境污染与体制滞后对区域可持续发展的影响程度[10]。在能源利用与管理方面,Yi Hsuan Shih等通过一种新型空气资源协同效益模型估计可持续能源政策的社会效益,并通过建立系统动力学模型对能源节约进行了情景模拟,提出了可持续发展的能源政策[11];肖仁俊等采用系统动力学方法,通过调整常量及变函数取值进行情景模拟,确立了新疆跨越式发展下系统协调可持续发展方案,为政府制定相关的能源产业政策提供了决策依据[12];李文超等通过构建经济—能源—环境可持续发展的系统动力学模型,对我国进行了系统仿真与预测,指出改进技术创新和改变消费偏好有利于我国实现经济—能源—环境的可持续发展[13]。在水资源利用方面，Rehan R等通过构建因果回路图和可持续发展模型对城市配水网格系统进行了可持续发展管理,并通过系统动力学模型分析了具有实用性的防御性配水政策[14];Kim Leng Poh通过将系统动力学的有效性作为一个决策工具来帮助实现新加坡水资源的可持续发展管理,讨论了各种投资计划对水资源产生的长期影响[15];王化齐等针对水资源系统动力学模型参数的不确定性问题,利用模糊推理理论聚合分析了工业产值和人口增长速率的不确定性,引入参数将模糊推理理论嵌入到系统动力学模型中进行水资源系统模拟,指出了参数不确定性对水资源供需状况带来的影响[16];陈南祥、王延辉结合河南省实际情况,将系统动力学方法应用于区域水资源可持续利用研究,建立了河南省水资源系统动力学模型,预测了未来几十年河南省水资源的需求状况,提出了较合理的水资源配置方案,以改善水资源的严峻形势[17]。在农林业发展方面,Li F J 等通过系统动力学模型确立了当前我国农业体系的一些缺陷和不足,分析了生态农业和经济之间的影响关系,并模拟分析了长期趋势以及不可持续的能源结构,提出了系统改进的政策,以消除农业系统潜在的风险[18];李富佳等基于农业链的物质、能量流动机理,运用Vensim建立了EA-SD模型,量化分析和模拟了生态农业发展的综合效应及其演变趋势,以利于增强系统的可持续发展能力[19]。

总体而言,区域是由人口、经济、资源、环境、社会等多种因素共同组成的,各因素之间相互影响,从而形成高阶次、非线性复杂的动态反馈系统。使用系统动力学方法对区域进行可持续发展研究已在我国特别是一些较发达的区域(如港口地区)取得了初步性的研究成果,而对欠发达地区进行的可持续发展系统性研究成果却相对比较匮乏[20]。

甘肃省庆阳市矿产资源富集,油煤气储量丰富,不可更新资源的开采与利用是经济发展的主要方式之一。然而,随着资源耗竭,生态环境污染、社会矛盾问题凸显等问题的频繁出现,使庆阳市整个区域的经济社会可持续发展受到了不同程度的影响。基于此,本文主要从人口、经济、资源、环境、社会五方面入手,通过建立庆阳市经济、资源与环境之间的系统动力学模型,基于相关数据和Vensim软件进行仿真模拟,分析庆阳市可持续发展的演化趋势,找出存在的问题并提出相应的政策建议。通过分析研究,不但可以对庆阳市区域可持续发展战略的实现和“十三五”规划的调控提供参考,而且能为我国其他类似区域实现可持续发展提供借鉴与启示。

2 研究区慨况

庆阳市位于甘肃省东部(106°20′—108°45′E、35°15′—37°10′N),陕甘宁三省区的交汇处,共辖西峰、庆城、宁县、镇原、正宁、华池、合水、环县七县一区,系黄河中下游黄土高原沟壑区,地势南低北高,海拔在885—2082m之间,四周高而中间低,群山环绕,习称“陇东”。气候类型为温带半干旱的大陆性季风气候,降雨量南多北少。全市总土地面积27119km2,总人口达262.06万人,其中劳动力人口180.01万人。庆阳市是中华民族早期农耕文明的发祥地之一,是陇东地区重要的能源化工基地,石油、天然气和煤炭资源储量丰富，仅石油资源储量达28.47亿t,煤炭资源覆盖全市。在全省1428亿t煤炭资源预测储量中,庆阳占1342亿t,占全省煤炭资源预测储量的94%。庆阳市地处黄土高原,生态环境较为脆弱,环境污染、水土流失、沙漠化、水资源匮乏等问题严重影响和制约着庆阳的区域可持续发展。

3 模型的构建

3.1 构建思路

本文针对庆阳的区域特征进行了分析,认为人口、经济发展水平、资源状况、环境保护力度、技术提升等因素是影响庆阳区域可持续发展的主要原因。为了使模型更全面地体现系统运行的规律,本文在生产技术子系统、资源子系统、人口子系统、环境子系统、经济子系统的基础上,增加了教育投资因子,并对模型中的一些变量进行了调整,以利于更加全面和系统的分析,并对影响庆阳区域可持续发展的关键因素进行了识别(图1)。

图1 庆阳市可持续发展系统动力学模型

3.2 模型参数

本文参数值的确定主要依据相关年份的《甘肃省统计年鉴》、《庆阳市统计年鉴》以及庆阳市历年环境质量公报等统计资料,并且采用庆阳市2005年的数据作为基础数据对庆阳市进行模拟预测。这些数据主要包括:总人口258.58万人、出生率13.15‰、死亡率5.79‰、劳动力比率60.2%、地区生产总值143.61亿元、全社会固定资产投资795800万元、全年财政收入164939万元、工业废水排放量212.46万t、居民生活污水排放量689万t、工业废水排放达标率38.24%、工业废气排放量215630万标m3、工业固体废物排放量0.04万t、工业固体废物综合利用率97.75%、全年财政支出266095万元、技术投资2812万元、环境治理资金13000万元、科技投入经费2036万元、教育投资46796万元等。

3.3 系统结构分析

区域系统是由人口、经济、资源、环境、生产技术等子系统耦合所形成的一个复杂的大系统,各子系统间相互影响、相互制约。基于庆阳市的实际情况与区域特征,本文对图1进行了结构分析,认为人是区域系统中的重要组成部分,人口出生率和死亡率受到经济发展状况、环境承载能力、科学技术、教育水平等影响。同时,人口、资源、环境、技术创新以及经济投资等因素影响着经济的发展水平。

经济是区域发展的核心部分,主要受到三次产业的约束。经济发展状况是由产出直接反应的,并且可通过调整经济子系统中产业结构的比例与产业间的投资额对其他系统产生影响。生产技术的发展状况随着技术的自发增长速率、技术创新、技术年增加量的影响而发生变化,并且体现在生产技术投资中。资源是由可再生资源和不可再生资源共同组成,是区域经济发展的重要推动力,但会受到资源存量的限制。资源在开发过程中又会产生污染物,一旦污染物处理力度不够,就会引起环境污染,导致人地关系不协调,使人类与自然之间的矛盾愈演愈烈,不利于区域可持续发展的全面实现。

4 模型的运行及结果分析

通过收集庆阳市相关数据,使用系统动力学模拟预测软件Vensim,对庆阳市可持续发展进行模拟仿真与预测。在系统动力学模型中输入对应的数据,然后将模型得出结果与庆阳市实际情况进行差距检验和对比分析,当对历史数据的模拟结果达到误差允许的范围内时就开始实现仿真模拟。

图2 基础运行结果

4.1 经济、资源、环境的基础运行分析

模型的运行结果见图2。由图2a可知,技术投资的不断增加,产出随之先增后减,说明技术提升对经济发展有一定的促进作用。然而,随着资源的不断消耗,当资源接近枯竭时技术投资与其他相关因素对资源的影响能力越来越弱,导致经济停滞不前;人造资本也由原来的上升状态开始缓慢下降,表明随着资源的不断开采,资源价值逐步转化为人造资本。图2b表明,资源对经济增长的影响极大,尤其是不可更新资源发挥主要的推动作用。不难发现,不可更新资源的消耗量速度明显高于可更新资源的消耗量的速度。 随着产出的逐年增加,不可更新资源存量与可更新资源存量逐年减少,说明经济增长主要依赖于对资源的开采利用。图2c表明,随着人口和产出的逐年增加,三废排放量也随之增加,环境污染愈发严重。这说明经济增长主要依赖于对资源的过度开采利用,并且是以低技术水平对资源进行开采利用,在开采过程中只考虑到了短期利益。从长远角度来看,当前这种发展模式是不可持续的,长此以往人地矛盾会愈发突出,人地关系彻底失调将无法避免。模型的运行结果表明,庆阳市当前的经济、资源和环境之间的发展模式是不可持续的,经济增长过分依赖于自然资源。在这种发展模式下,资源消耗不断增加,资源存量逐年减少,三废排放量不断增加,环境污染持续加剧,经济系统必然走向崩溃。

图3 降低经济系统资源性的模拟结果

4.2 降低经济系统对自然资源依赖的结果分析

综上所述,庆阳市经济增长主要依赖于对资源的开采利用。为了进一步论证经济是否受到资源、环境的影响以及相互之间的关系,同时为了再一次论证庆阳市目前可持续发展面临的处境,将模型生产函数中的资源指数降低为图2中基础运行结果的1/4,同时增加人力资本指数和人造资本指数到模拟可实现的范围,结果见图3。通过降低资源指数值,即减少经济系统对自然资源的依赖程度,模型的运行结果与基础运行结果相比有所不同。图3a表明,技术投资增加使经济到2050年一直保持增长的趋势,但增长速度与基础运行结果有所放慢。图3b表明,降低经济增长对自然资源的依赖程度后,不可更新资源消耗量仍高于可更新资源消耗量,自然资源枯竭的趋势不可避免,但与基础运行结果相比,自然资源枯竭的时间有所减缓。图3c表明,污染排放量仍呈上升趋势,环境质量持续恶化,但与基础运行结果相比,三废排放量增加的速度有所降低,环境质量恶化的速度得到了一定减缓。模拟结果表明,转变经济发展模式既能有效减缓资源枯竭的时间,又有助于环境质量的提升,最终对经济可持续增长具有较好的促进作用,从而能促进庆阳市向可持续发展的良性循环演进。

图4 增加环保投资的模拟结果

4.3 单方面增加环保投资对环境的影响分析

图4a中的环境指标变化表明,通过单方面增加环保投资并不能使三废排放量停止增长,但与基础运行结果相比可使三废排放量的增长速度得到一定程度的降低,使环境质量得到提升和改善。图4(b)中的产出表明,随着环保投资增加,产出与基础运行结果相比得到了持续稳定的增长,且一直保持增长趋势。因此,增加环保投资有助于污染排放量减少，环境质量提高，经济保持持续稳定增长,最终有利于庆阳市可持续发展的实现。

4.4 单方面增加教育投资对环境的影响分析

图5a的环境指标变化表明,随着教育投资的增加,教育质量得到提高,有利于帮助提高当地的环境保护意识。尽管并不能使三废排放量完全停止增长,但与基础运行结果相比可使三废排放量的增长速度得到一定程度的降低,从而使环境质量得到提升和改善。图5b的产出表明,随着教育投资的增加,有利于增强人们的资源节约及合理利用的意识,有助于提高资源利用效率。产出与基础运行结果相比,不仅没有降低,还在一定程度上得到了较为明显的增加。总之,教育投资的增加使人口素质得到了提高,进而影响到人力资本的增加。随着人力资本的增加,创新意识、环保意识及可持续发展意识也就会增强。单方面增加教育投资,有助于帮助减少污染排放量 ,提高环境质量,同时促进经济的进一步增长,最终有利于庆阳市区域可持续发展的实现。

图5 增加教育投资的模拟结果

4.5 单方面增加技术投资对环境的影响分析

图6a的环境指标变化表明,随着技术投资增加,与基础运行结果相比,三废排放量增长有所减缓,后期几乎停止增长,说明技术投资提高了污染物治理水平,使环境质量得到提升和改善。图6b的产出表明,技术投资增加对产出也有较明显的影响。随着技术投资的增加,使资源开采利用的效率得到提高,产出随之增加。与基础运行结果相比,增长速度更快,大约在2044年左右到达顶峰。自此之后,由于资源开采量不断增加,资源存量相应减少,而庆阳市的经济增长主要依赖于资源,因此产出将出现下降趋势,开始迅速减少。总之,技术投资增加能使技术创新意识和技术水平得到增强,提高资源开发利用水平和污染物治理水平,能有效的减少污染物排放量,促进环境质量的提高并帮助经济在短期内保持增长。但仅从单方面增加技术投资,仍无法扭转经济系统最终走向崩溃的结果,也无法改变区域系统不可持续的发展态势。

图6 增加技术投资的模拟结果

4.6 增加技术、教育、环保投资对环境的影响分析

单方面增加环保投资、技术投资和教育投资,均可以在一定程度上促进庆阳市的可持续发展进程,但各有利弊,且效果并不够突出。因此，将三种方式结合,同时增加环保、技术和教育投资,然后在此基础上进行仿真模拟分析。图7a的环境指标变化表明,同时增加技术投资、教育投资和环保投资,将会彻底扭转三废排放量增加的趋势,使三废排放量呈现出明显的下降趋势,各类污染物排放量显著减少,环境质量得到了显著的提升与改善。图7b的产出表明,随着三类投资的增加,产出增长速度更快,与基础运行结果相比,产出得到了较为明显的增加。结果表明,将三种策略进行综合实施,通过三者间的相互影响和相互促进,对庆阳市人地关系实现协调具有较大的推动作用,能够有效地促进庆阳市区域可持续发展的全面实现。

图7 增加技术投资、教育投资、环保投资的模拟结果

5 结论与讨论

本文通过生产函数将资源、环境、技术、人口等子系统与产出子系统联系起来,构建了庆阳市可持续发展系统动力学模型,并分别针对6类不同的发展模式开展了相应的情景模拟和仿真预测,包括基础运行、降低经济系统对资源的依赖程度、增加环保投资、增加技术投资、增加教育投资以及同时增加这三类投资。

本文得到以下结论:①庆阳市当前的经济、资源和环境之间的发展模式是不可持续的,经济增长过分依赖于自然资源,尤其是不可更新资源。在这种发展模式下,随着经济的增长,资源消耗不断增加,资源存量逐年减少,“三废”排放量不断增加,环境污染持续加剧,使经济发展受到资源、环境的影响越来越严重,导致经济增长速度逐渐减缓并出现衰退,最终经济系统必然走向崩溃。②降低经济系统对自然资源的依赖程度,转变经济发展模式,不仅能有效减缓资源枯竭的速度,还能提升环境质量。虽然短期内经济增长速度有所降低,但最终对经济的可持续增长具有较好的促进作用,能帮助庆阳市向可持续发展的良性循环演进。这些还需要综合使用其他方案与政策,彼此联系与配合,才能真正实现可持续发展战略。③单方面增加环保投资、技术投资和教育投资均可在一定程度上促进庆阳市的可持续发展进程,但各有利弊,综合效果不够突出。技术和投资增加,能使技术创新意识和技术水平得到增强,提高资源开发利用的水平和污染物的治理水平,有助于污染排放量减少,环境质量提高和短期内的经济增长。但单方面增加技术投资,不能扭转经济系统崩溃的最终结果,也无法改变区域系统不可持续的发展态势。教育投资增加,使人口素质得到提高,有助于增强人的创新意识、环保意识和可持续发展意识,促进庆阳市区域可持续发展的实现。但教育投资带来的效果是长期积累的过程,不可能一蹴而就。增加环保投资有利于提高污染治理水平,促进污染物排放量减少和环境质量提高,有助于经济持续增长,但无法使“三废”排放量停止增长或出现下降。因此,只有综合使用三种策略,即同时增加技术投资、教育投资和环保投资,通过三者间的相互影响和相互促进,才能彻底扭转“三废”排放量增加的趋势,使经济得到快速、持续、稳定增长,最终才能有效促进庆阳市人地关系的协调和区域可持续发展的全面实现。

综上所述,在发展过程中庆阳市应当转变传统经济发展模式,走循环经济之路,通过优化调整产业结构,推动产业升级,降低经济发展对自然资源的依赖程度。同时,要高度重视技术、环保和教育投入,最终才能提高资源的利用效率,减少环境污染,改善环境质量,促进社会经济与自然环境的和谐发展,全面实现可持续发展战略。

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LU Chen-yu1,WANG Ting1,LU Cheng-peng2,LI Yong-jin3,LI Heng-ji4

(1.College of Geography and Environment Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Pollution Ecology and Environmental Engineering,Institute of Applied Ecology,CAS,Shenyang 110016,China;3.College of Philosophy and Sociology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;4.Lanzhou Literature and Information Center,CAS，Lanzhou 730000,China)

Sustainable development was a hot research area.The corresponding regional system was a large complex system which took human activity as the core.System dynamics was an effective simulation tool to study and process the dynamic and complex system.In this paper,the theory and method of system dynamics was employed.Based on the vensim software,the dynamic simulation model of sustainable development was built in Qingyang City.Then the evolvement trend of sustainable development was simulated and analyzed.The results showed that the current development mode of economy,resources and environment in Qingyang City was not sustainable.In order to achieve the sustainable development,it was necessary to reduce the dependence of economic system on natural resources and change the economic development mode.It was also necessary to increase the technology investment,education investment and environmental protection investment at the same time.Then the increasing trend of pollution emission could be changed completely.So the economic growth could be rapid,sustainable and steady.Finally,the sustainable development could be achieved in Qingyang City.

system dynamics;sustainable development;resource;environment;Qingyang

2016-11-25；

2016-12-17

国家自然科学基金项目(编号:41261112、41561110、41471116);甘肃省科技支撑计划项目(编号:1304FKCA067)资助。

及通讯作者简介：鹿晨昱(1981-),男,甘肃省兰州人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事区域可持续发展方面的研究。

F061.3；F224.12

A

1005-8141(2017)01-0020-07