城市生態工業系統模擬、優化調控方法研究

趙妍，田強，尚金城

1. 長春理工大學化學與環境工程學院，吉林 長春 130022；2. 東北師范大學城市與環境科學學院，吉林 長春 130024

生態工業是指仿照自然界生態過程物質循環的方式來規劃和發展現行工業系統，以實現經濟和環境協調發展。生態工業的相關理論和實踐自20世紀90年代以來發展迅速，國際上對應用生態工業原理設計、規劃生態工業系統的研究較為廣泛[1-4]，并對美國、加拿大、荷蘭等國家EIP創建經驗進行了總結[5-6]，探討了在更大尺度區域建設生態工業系統及其可持續發展等問題[7-10]。目前，全世界現有超過12000個生態工業園，其中丹麥卡倫堡作為工業生態學的經典案例已被學術界和工業界所熟知。截止到2009年1月，國家環保部批準建設33個國家生態工業示范園區，另有蘇州工業園區等3家通過驗收授牌。工業生態學的一個重要特征是要求對所研究的問題進行量化分析，因而對生態工業系統進行量化評價是一個重要問題[11-12]。依據工業生態學原理對長春經濟技術開發區現行工業體系“生態結構重組”基礎上，完成系統多種替代方案的多級評價，促進以工業代謝過程為核心的資源高效利用和環境影響最小化。

1 生態工業系統規劃

1.1 研究區域工業群落分析

長春經濟技術開發區是1993年4月批準的國家級經濟技術開發區，經過長春市政府2000年和2003年兩次區劃調整，現在區域面積已經達到112 km2。轄兩街一鎮，常住人口約17萬。10余年來開發區經濟總量不斷擴大，在優化所有制結構、提升工業化水平、促進新老城區一體化等方面對長春市均有著明顯的影響。隨著開發區主導產業的快速發展，區內呈現出由資源、環境單要素約束性引起的生態環境問題，以及由于整體效應而產生的系統性問題。目前，長春市經濟技術開發區已有26個國家和地區的53家大跨國集團投資興業，全區累計批準設立企業3216戶。通過調查開發區內背景狀況，可以確立玉米深加工產業、汽車零部件產業關鍵種。關鍵種企業使用和傳輸的物質最多、能量流動的規模最龐大，帶動和牽制著其他企業、行業的發展，居于中心地位，也是生態產業“鏈核”[13]。

玉米深加工產業鏈規劃主要是玉米化工醇、聚酯等玉米深加工和相應配套的工業及基礎設施、公用設施等功能；規劃建成“糧食生產→初加工（附產品）→深加工（玉米化工）→精深加工的化工輕紡產業園區”的循環模式，參見圖1。汽車產業鏈堅持以產品生命周期環境管理為指導，從原輔材料和能源、技術工藝、設備、過程控制、產品、管理、員工和廢物等方面，全面開展清潔生產。并結合一汽的項目開展戰略招商，提升汽車零部件制造企業的技術創新能力，加強企業間溝通與協作，構建開發區汽車制造產業群落，擴大產業聚集效應。依據上述兩大關鍵種產業構建整個開發區生態工業共生模式，主要技術方式包括①作為資源重新使用廢料；②封閉物質循環系統和盡量減少消耗性排放；③產品與經濟活動的非物質化；④能源脫碳。在此基礎上提出完善產品代謝鏈、廢物代謝鏈及污染物減量、能源利用提高的方案。

2 生態工業系統模擬、調控與預測

系統動力學SD（System Dynamics）集系統論、控制論和計算機仿真技術為一體，能定性與定量地分析研究系統，以結構—功能模擬為其突出特點，它能夠處理高階次、非線性、多重反饋復雜時變系統的問題[14]。通過構造復雜系統的基本結構，建立數學的規范模型，采用VENSIM軟件仿真，以反映生態工業系統動態行為并對其不同發展戰略進行調控、預測和優化。

圖1 長春經濟技術開發區玉米深加工產業鏈Fig.1 Corn Deep Processing Chain of Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1 系統模擬

將長春經濟技術開發區劃分為社會經濟、資源和環境三個相互反饋的子系統。系統共設立指標124個，分別為狀態變量8個、速率變量14個、輔助變量和常量102個，表函數13個，其中狀態變量是系統的核心, 表示系統在變化過程中某個具體時刻的狀態。

2.1.1 社會、經濟子系統

主要包括園區總產值和總人口系統變量，參見圖 2。人口子系統通過人口數量和素質影響著園區的發展和資源利用，同時又受制于經濟水平和環境質量。人口資源屬性通過勞動力與各產業部門連接，直接參與到區域經濟變化過程中。經濟開發區近年人口增長主要為機械增長，受經濟拉動吸引和房地產開發的影響。生態環境因子通過調節人口死亡率和房地產開發率作用于總人口。經濟子系統包括園區內五大支柱產業總產值的變化情況，同時又引入了生態工業共生網絡聚合度概念，它反映生態工業系統中各企業間、生產過程間的相互作用的程度，受產業鏈縱向、橫向和動態穩定性的影響。經濟子系統所要考慮的核心問題是如何在保護資源、環境的前提下發展和擴大工業生產，創造巨大經濟效益。

2.1.2 資源子系統

資源子系統包括區內水資源和礦產資源子系統，以提高資源利用效率、降低資源消耗速度為調控目標。水資源系統以水資源余量作為狀態變量，通過供水量、耗水量等速率變量和輔助變量與其他子系統相連接，參見圖 3。構建的水資源共生系統依靠水資源“閉路再循環”網絡集成實現梯級利用，并設置雨水收集系統進行調節。開發區內工業生產、采暖等活動大量消耗了礦產資源，模型系統通過調控協調資源量與需求的矛盾促使其合理利用。

圖2 長春經濟技術開發區社會、經濟子系統模型仿真圖Fig.2 Simulation model of society and economy subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

圖3 長春經濟技術開發區資源子系統模型仿真圖Fig.3 Simulation model of resource subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1.3 環境子系統

開發區內居民生活、工業生產等經濟活動產生大量的廢水、廢氣和固體廢物等污染物將對生態環境的改善產生制約作用。環境子系統模型中設置環境保護與科技影響因子等變量使其與社會經濟等系統形成反饋關系，參見圖4。并通過投入資金、加強科技創新研發和技術改造，清潔生產等手段來降低生產生活對環境的破壞，確保環境、區域和經濟的可持續發展。

圖4 長春經濟技術開發區環境子系統模型仿真圖Fig.4 Simulation model of environment subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.2 模型系統調控與仿真分析

2.2.1 系統調控與檢驗

模型系統中狀態變量用差分方程表示，速度變量和輔助變量之間的定量關系比較復雜，需依據各變量間因果反饋關系建立方程。模型系統時間邊界為2005—2020年，時間步長1 a。系統參數平均變化率類利用歷史統計資料取均值計算，增長速率類采用回歸法確定，部分數據依公式按比例推算。模型選用投資比例、環科影響因子、網絡聚合度、水梯級循環利用率、燃煤循環利用率、廢水處理率、廢氣處理率作為調控參量，并設置4種發展方案：方案1為無為方案，方案2重點發展經濟，方案3著重環境保護措施的實施、方案4調控經濟指標的同時強調科技進步、環境保護與其相互作用關系，在此基礎上模擬系統行為，參見表1。

3 生態工業系統生態效率評價與發展方案優化

建立穩定高效、環境和諧的生態工業復合體系關鍵在于準確識別系統的多層次互動關系，在此基礎上建立多級評價指標體系，有針對性地反映各個層次的功能、效率和影響[15]。根據長春經濟技術開發區生態工業系統本身的規模和對指標設定的影響因素，指標選取兼顧研究對象的微觀和宏觀特性，包括社會經濟、資源、生態環境三大類17項。I、II、III分別代表效率級別一般、良好、高效三個灰類。各指標權重采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process）確定。具體指標體系及其權重ηj如下，參見表2。

表1 長春經濟技術開發區生態工業系統不同發展戰略仿真結果Table 1 Eco-industrial simulation results under different scenarios in Changchun Economic and Technological Development Zone

表2 生態工業系統生態效率評價指標體系Table 2 The indicator system for eco-efficiency evaluation on industrial system

由于評價聚類指標的意義、量綱不同，且在數量上懸殊較大，采用灰色變權聚類可能導致某些指標參與聚類的作用十分微弱，因此選擇灰色定權聚類計算4種不同發展方案下系統動力學模擬仿真結果的灰色聚類系數。

設有n個聚類對象，m個聚類指標，s個不同灰類，根據第i個對象關于j指標的觀測值xij，將第i個對象歸入第k個灰類，稱為灰色聚類（其中i=1,2, …, n；j=1,2, …, m；k∈{1,2, …, s}）。將n個對象關于指標j的取值相應地分為s個灰類，稱為j指標子類。j指標k子類的白化權函數記為設為j指標k子類的典型白化權函數的轉折點[16]。典型白化權函數記為

滿足

下限測度白化權函數記為

適中測度白化權函數記為

滿足

上限測度白化權函數記為

滿足

表明，第1和第2發展方案都屬于第III灰類，方案3屬于第II灰類，方案4屬于第I灰類。即在采用無為方案和注重經濟發展方案條件下，系統生態效率一般，且注重經濟發展方案 III灰類聚類系數較高。方案3強調環境保護方案條件下系統生態效率可以達到良好。當采用發展方案4時，園區工業系統可以達到生態效率高效運轉。

4 結論

研究結果表明模擬初期由于經濟發展勞動力需求增加開發區內人口增長迅速，總產值也逐期增加。水資源是區內經濟發展的制約因子，如不采取有效措施將出現供給缺口。不同發展戰略中方案 4呈現相對最優的狀態，社會經濟、資源和生態環境協調發展程度較高，即系統生態效率高效。長春經濟技術開發區生態環境現狀較好，但隨著經濟發展和人口聚集，環境壓力將加大。

因此，長春經濟技術開發區在大力發展經濟的同時，必須以廢物減量化、再循環利用和廢物資源化為指導原則，通過在園區企業內和企業間對物質、能量和公用工程進行系統集成，實現物質循環、能量集成利用和信息交換共享，合理布局，構成工業生態鏈，并推行清潔生產、推進清潔能源結構、發展資源集約型基礎設施和環境友好的產業，從而實現社會、經濟和環境的可持續發展。

[1] GIBBS D. Ecological modernization and local economic development:the growth of eco-industrial development initiatives[J]. Environmental and Sustainable Development, 2003, 2(3): 250-266.

[2] PERRY P J, YANG W, ONG B L. Applying ecosystem concepts to the planning of industrial areas: a case study of Singapore’s Jurong Island[J]. Journal of Cleaner Production, 2004, 12:1011-1023.

[3] 趙勝豪, 盛學良, 錢瑜, 等. 基于CCR模型的工業園區企業環境績效管理系統[J]. 中國環境科學, 2009, 29(11): 1227-1232.ZHAO Shenghao, SEHNG Xueliang, QIAN Yu, et al. Environmental performance management system for enterprises in industrial parks based on CCR model[J]. China Environmental Science, 2009, 29(11):1227-1232.

[4] 王震, 石磊, 孫德智. 我國生態工業園認識和實踐中的誤區:隱喻的使用[J]. 生態學報, 2009, 29(11): 6200-6206.WANG Zhen, SHI Lei, SUN Dezhi. Deba tes in research and practice of eco-industrial park in China: the utilization of metaphor[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(11): 6200-6206.

[5] DOWON K, JANE C. Comparison of Eco-Industrial Development between the UK and Korea[J]. Springer Proceedings in Physics, 2008,124: 443-454.

[6] HEERES R R, VERMEULEN W J V, WALLE F B. Eco-industrial park initiatives in the USA and the Netherlands: first lessons[J]. Journal of Cleaner Production, 2004, 12: 985-995.

[7] EILERING J A M, VERMEULEN W J V. Eco-industrial parks: toward industrial symbiosis and utility sharing in practice[J]. Progress in Industrial Ecology, 2004, 1: 245-270.

[8] KATHLEEN B, RAYMOND R, ALVIN B. Designing eco-industrial water exchange networks using fuzzy mathematical programming[J].2009, 8: 9548-9558.

[9] ZHANG H Y, KEISHIRO H, HELMUT Y, et al. Comparative analysis of socio-economic and environmental performances for Chinese EIPs:case studies in Baotou, Suzhou, and Shanghai[J]. Sustainability Science, 2009, 4(2): 263-279.

[10] THOMAS S, THOMAS O. The industrial region as a promising unit for eco-industrial development– reflections, practical experience and establishment of innovative instruments to support industrial ecology[J]. Journal of Cleaner Production, 2004, 12: 947-965.

[11] 張大偉, 胡山鷹, 陳定江, 等. 生態工業系統評價[J]. 過程工程學報, 2005, 5(6): 654-658.ZHANG Dawei, HU Shanying, CHEN Dingjiang, et al. Evaluation on eco-industrial system[J]. The Chinese Journal of Process Engineering.2005, 5(6): 654-658.

[12] 盧兵友, 趙景柱. 生態產業園區: 可持續發展的一種理想模式[J].環境科學, 2001, 22(2): 1-6.LU Bingyou, ZHAO Jingzhu. Ecological industrial garden: An ideal model of sustainable development[J]. Environmental Science, 2001,22(2): 1-6.

[13] 袁增偉, 畢軍, 王習園, 等. 生態工業園區生態系統理論及調控機制[J]. 生態學報, 2004, 24(11): 2501-2508.YUAN Zengwei, BI Jun, WANG Xiyuan, et al. Theory and control mechanism of eco- industrial parks[J]. Acta Ecologica Sinica, 2004,24(11): 2501-2508.

[14] 賈仁安, 丁榮華. 系統動力學—反饋動力系統復雜性分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.JIA Renan, DING Ronghua. System Dynamics—Analysis of Feedback Dynamic Complexity[M]. Beijing: Higher Education Press,2002.

[15] 黃昆, 周振國. 生態工業園區綜合評價研究[J]. 科研管理, 2004,25(6): 92-95.HUANG Kun, ZHOU Zhenguo. A study on the comprehensive assessment of eco-industrial parks[J]. Science Research Management,2004, 25(6): 92-95.

[16] 劉思峰, 黨耀國, 方志耕, 等. 灰色系統理論及其應用[M]. 北京:科學出版社, 2004.LIU Sifeng, DANG Yaoguo, FANG Zhigeng, et al. Theory and Application of Grey System[M]. Beijing: Science Press, 2004.