基于PSR模型和系統動力學的城市環境績效動態評估研究

彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭

(南開大學環境科學與工程學院，天津 300071)

基于PSR模型和系統動力學的城市環境績效動態評估研究

彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭*

(南開大學環境科學與工程學院，天津 300071)

根據PSR模型、系統動力學模型和情景仿真模擬，構建了城市環境績效動態評估模型，定量表達了城市環境績效的現狀水平和動態發展趨勢。依據天津市發展特點和資源環境概況，首先基于PSR模型構建了環境績效評估體系，并將其與系統動力學模型相耦合，通過情景分析模擬評估了慣性情景、優化發展情景、低碳發展情景和綠色發展情景四種城市發展情景的環境績效水平。結果表明：天津市2009-2013年環境績效綜合指數(EPI)不斷上升，但始終處于“較低”等級。在四種情景發展趨勢上，低碳發展情景和綠色發展情景的EPI增幅較大，均于2020年提升至“較好”等級，其中綠色發展情景最優(67.6)；而優化發展情景、慣性情景EPI增幅較小，2020年處于“一般”等級。可以看出，以中新生態城綠色發展為范式的天津可持續發展模式是高效實現“美麗天津”建設目標的最優路徑。

環境績效；PSR模型；系統動力學；動態評估；情景分析

0 引言

隨著我國“兩型社會”、生態文明建設的進一步強化，科學、準確和合理地評估城市可持續發展的建設效應[1]具有十分重要的意義。環境績效評估是一種有效的可持續發展評估手段，能夠對環境政策實施后所取得的效果進行階段性的評估，從而揭示環境狀況與發展水平以及環境政策質量的優劣[2]。當前，環境績效評估研究已從微中觀層面拓展到了省級、市級等區域宏觀層面[3]，國際上也先后開展了多項與區域環境績效評估相關的研究[4-6]。我國對于區域環境績效評估的研究主要集中在：基于主題框架模型或因果框架模型的區域環境績效指標體系構建與綜合評估[3,7,8]、基于數據包絡分析法(DEA)的區域環境績效測算及相應測量模型構建與影響因素分析[9-11]、基于資源環境綜合績效指數(REPI)的區域環境績效評估[12-14]等。但當前的研究普遍著眼于歷史或現狀的靜態角度，缺乏對未來動態演變趨勢的預測；同時，構建的區域環境績效指標也未能與社會經濟發展取得動態聯系，無法定量表達經濟-社會-環境復合系統之間的依賴、制約關系。系統動力學(SD)模型能夠反映復雜系統結構功能與動態行為之間的相互作用關系[15]，適用于經濟-社會-環境復合系統的長期、動態和宏觀的定量分析和模擬研究[16]。

天津市經濟發展迅猛，人均GDP已位列全國第一，然而其經濟高速增長的背后仍面臨著能源結構不合理、水資源短缺、空氣與水環境質量過低、生態系統服務功能下降等諸多問題。為破解這些難題，天津市已陸續開展了生態市建設、低碳城市試點建設和美麗天津建設等多項政策措施，并以美麗天津建設為核心以期實現天津市的綠色、持續發展。本研究以天津市為例，從城市經濟-社會-環境復合角度，構建了現狀水平和動態發展趨勢相結合的模型框架，提出了基于PSR模型、系統動力學模型和情景模擬分析相結合的城市環境績效動態評估模型，評估了當前天津市環境績效水平以及未來不同可持續發展路徑下的動態發展趨勢，展現了各目標情景的發展效應,為管理者提供了相關決策依據，并為我國城市環境績效的研究和可持續發展規劃提供參考。

1 研究方法

1.1 城市環境績效動態評估框架

城市的可持續發展離不開經濟循環、社會和諧、生態安全3個子系統的相互支撐[17]，城市內部各要素之間相互聯系、相互影響、相互作用，形成了多層次、綜合性的動態演進復雜巨系統。針對城市復合系統基本特點和可持續發展的基本理念，本文構建了PSR模型-系統動力學模型-情景仿真模擬相結合的城市環境績效動態評估模型(圖1)。首先通過PSR模型構建靜態評價指標體系并以環境績效綜合指數的形式評估城市環境績效現狀水平。其次構建以PSR模型指標為基礎的城市發展系統動力學模型，通過經濟、社會、環境、資源、生態各子系統中壓力、狀態、響應指標的相互作用來模擬城市發展過程中環境績效的未來動態演變趨勢。最后，通過情景仿真模擬針對城市不同可持續發展路徑和目標調節不同參數，依據系統動力學模型計算各情景下環境績效的變化情況，并最終評估城市環境績效水平和建設效應。

圖1 城市環境績效動態評估模型框架Fig.1 Framework of dynamic evaluation model of urban 〖〗environmental performance

本研究中所涉及的基礎數據主要來源于：《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《中國環境質量報告》、《天津統計年鑒》、《天津市水資源公報》、《天津市環境狀況公報》等以及其他規劃調研資料和文獻。

1.2 基于PSR模型的評價指標體系構建

1.2.1 指標體系構建 PSR(壓力-狀態-響應)模型已廣泛應用于環境績效評估。本文基于PSR模型原理自上而下、逐層分解，將區域環境績效分為3個層次，每一層分別選取反映其主要特征的指標。依據系統性、科學性、政策相關性、精簡有效性等指標選取原則，考慮基礎數據的可得性和易量化性，在國內外環境績效指標體系研究的基礎上[3-8]，根據天津市美麗天津建設重點、區域資源環境特征和面臨的發展問題，參考我國相關標準和規劃，構建了天津環境績效評估體系(表1)。

1.2.2 評估標準與權重 本文采用極值法將數據轉換為[0,1]之間的數值，0代表評估時間內的最劣值，而1則代表環境績效最優值即目標值。對于最劣值主要采用評估時間范圍內天津市或全國整體水平最小值以及規劃規定值；對于最優值即目標值，主要參考《國家生態文明建設試點示范區指標》、《生態縣、生態市、生態省建設指標》、《中新天津生態城建設國家綠色發展示范區實施方案》、《美麗天津建設綱要》以及其他先進城市相關規劃中的目標值，具體見表1。本文利用熵值法對各項指標進行賦權。熵值法是一種客觀賦權法，其主要根據指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權。若某個指標的信息熵(Ej)越小，則表明該指標的變異程度大，提供的信息量多，在評價中起到的作用更大，其權重也就越大。通過把基礎數據標準化后(xij)，根據式(1)計算指標的Ej，進而求得權重(wj)：

表1 天津環境績效評估指標體系Table 1 The environmental performance evaluation system of Tianjin

標準來源：a：評估時間內全國大中型城市最小值；b：中新天津生態城綠色發展指標；c：評估時間內天津市最小值；d：國內優秀城市現狀值；e：國家生態文明建設試點示范區指標；f：天津市生態用地保護紅線劃定規劃；g：天津土地利用總體規劃耕地最低保有量+發達城市建設用地比例；h：生態環境狀況評價技術規范；i：國家級生態縣、生態市、生態省建設指標；j：歷史參考值；k：評估時間內京津冀地區最小值；l：理想值；m：美麗天津建設綱要；n：深圳低碳發展中長期規劃。

(1)

(2)

(3)

式中：pij為第j個指標第i年的指標值比重，n為評價指標數，m為評價年數。

1.2.3 指標綜合評價 指標綜合評價以數據標準化處理和指標權重分配為基礎。本文采用加權法計算環境績效綜合指數(EPI)，以表征天津當前綠色發展效果和發展效益。計算公式為：

(4)

式中：EPI為區域環境績效綜合指數，wj表示第j個指標權重，xij表示第j個指標標準化值。EPI數值越高，表明區域環境績效水平越高，綠色發展效益越好。為了直觀反映其優劣變化，本文采用等分法將環境績效綜合指數分為5個等級：“低”(0～20)、“較低”(20～40)、“一般”(40～60)、“較高”(60～80)、“高”(80～100)。

1.3 系統動力學模型構建

城市系統由資源生態環境系統支撐，由經濟系統發展推動，由社會人口系統協調保障。通過建立基于PSR模型指標的城市可持續發展系統動力學模型，表達經濟、社會、資源、環境、生態各子系統指標間的因果反饋聯系，并依據變量間的反饋約束實現系統發展行為變化與路徑趨勢的動態模擬(圖2)。模型使用VensimPLE軟件構建系統流程圖，模型邊界為天津市，模擬時間為2013-2020年，仿真步長為1年。模型中經濟子系統主要包括GDP和科技投入；社會子系統主要包括人口、生活質量水平和生態文明意識；環境子系統主要包括污染排放壓力、環境質量狀態和環境治理響應等指標；資源子系統主要包括資源消耗壓力、溫室氣體排放壓力和循環利用響應等指標；生態子系統主要包括生態脅迫壓力、生態質量狀態和生態保護響應等指標。其中各類響應指標如城市污水處理率等以及GDP增長率由趨勢外推法確定，壓力指標如能源消費量、COD減排率等由回歸分析法確定，狀態指標如水質達標率、森林覆蓋率等以及循環利用因素、環境治理因素等由表函數確定，各調控參數如城鎮化率、再生水利用進步等由歷史資料和規劃數據獲得。

圖2 天津環境績效動態評估系統動力學模型Fig.2 The SD model coupled with environmental performance dynamic evaluation system of Tianjin

構建系統動力學模型需要對比實際系統判別其結構和行為的合理性與一致性。本文通過對2009-2013年的歷史數據與系統仿真數據對比進行模型檢驗，以GDP和人口為例，其歷史值與仿真值的相對誤差均在10%以內(表2)，其他變量檢驗結果類似。總體來看，系統模型較為真實地反映了實際情況，可以通過檢驗。

表2 模擬結果檢驗Table 2 Testing of simulation results

1.4 情景仿真模擬

可持續發展建設的不同路徑由于其規劃方向和目的、針對性以及側重點存在差異，因此其最終展現的發展特點和建設效果也不盡相同。通過不同發展方案的情景設立和對比，模擬其路徑模式和規劃目標下的環境績效動態發展趨勢，從而表征最后的發展效應。

根據天津市已經提出實施的生態(生態市建設)、低碳(低碳城市試點)和綠色發展(美麗天津建設)三種建設方向，結合其相應的發展對策和發展目標，本研究設立了天津市可持續發展的四種模擬情景方案，分別為：慣性情景，依據2009-2013年的歷史發展趨勢演變；優化發展情景，依據《天津市生態市建設“十二五”規劃》[18]的建設目標，綜合提升了各項措施力度；低碳發展情景，依據《深圳低碳發展中長期規劃》[19]的建設目標，著重加大了能源消耗和碳排放的削減力度和增加城市碳匯等措施；綠色發展情景，依據《中新天津生態城建設國家綠色發展示范區實施方案》[20]的建設目標，在保持低碳化和生態建設投入力度的同時，進一步增強了資源循環利用力度和污染物減排力度。根據各規劃的指標目標，各情景下的參數因子的選取主要通過相應規劃內容直接獲得或依據規劃指標目標計算獲得，如果參數的目標值未在規劃中具體提及，則依據規劃措施間接推斷獲得(表3)。

2 天津環境績效動態評估結果

表3 天津環境績效動態評估不同模擬情景主要參數Table 3 Main parameter of different scenarios of environmental performance dynamic evaluation

注：a：由規劃內容直接獲得；b：由規劃目標計算獲得；c：由規劃措施間接推斷。

從天津市環境績效現狀水平看(圖3)，2009-2013年天津市EPI雖在不斷上升,但一直處于“較低”等級。從方案層看，壓力層指數持續增長，各指標指數均增長較快，只有生態脅迫指標一直小幅下降。狀態層指數經歷了先減后增的趨勢，在2011年達到最低點。響應層指數在經歷了穩步增長于2011年達到最高點后出現了小幅下滑。從天津市不同情景下的環境績效動態發展趨勢看(圖4-圖7)，綠色發展情景與低碳發展情景EPI均由“較低”等級上升到2020年“較高”等級，分別達到了67.6和64.9；優化發展情景與慣性情景EPI則由“較低”等級上升到2020年“一般”等級。在方案層方面，各情景EPI也均表現為綠色發展情景>低碳發展情景>優化發展情景>慣性情景。

可以看出，天津市當前環境績效仍處于較低水平。其主要原因一是受產業結構影響，資源消費壓力和國土開發強度依然很大，致使生態和環境質量尤其水環境質量很低；二是一些關鍵的響應措施如可再生能源占比、非常規水資源利用和受保護區比例等依然處于較低水準，甚至出現倒退情況；三是部分較高水平的響應措施還存在不穩定性和不連續性。因此，在未來“美麗天津”建設上需要進一步加大政策力度，尤其是響應措施的力度。不同發展情景的模擬結果表明，慣性情景在沒有明顯的政策措施下，無法實現環境效益的全面提升和天津市的發展目標。優化發展情景由于政策力度較弱，效果并不顯著，不能真正解決當前的問題。低碳發展情景通過構建低碳產業體系、提高再生能源比例明顯降低了能耗和碳排放水平并通過森林建設和城市綠化增強了城市碳匯和生態水平，從整體上體現了較高的發展效應。綠色發展情景則政策投入力度最大，發展方式也更為全面，在保證低碳化發展建設的同時，進一步強化了水資源循環利用能力和污染物減排力度，并加大科技投入力度，從而達到了最高的環境績效水平。可見，以綠色發展情景的發展模式為指導是實現天津市“美麗天津”建設的高效路徑。

圖3 2009-2013年天津市環境績效綜合指數Fig.3 The EPI of Tianjin from 2009 to 2013

圖4 不同情景EPI變化趨勢Fig.4 The trends of EPI in different scenarios

圖5 不同情景壓力層指數變化趨勢Fig.5 The trends of pressure index in different scenarios

圖6 不同情景狀態層指數變化趨勢Fig.6 The trends of state index in different scenarios

圖7 不同情景響應層指數變化趨勢Fig.7 The trends of response index in different scenarios

3 結論與對策

(1)當前天津市環境績效水平不高，2009-2013年EPI一直處于“較低”等級，依然面臨著資源消耗、污染排放、生態脅迫的巨大壓力，環境質量和生態質量狀態依然很低，響應政策措施缺乏穩定性和持續性等問題。通過對比四種情景的發展趨勢，綠色發展情景的EPI于2020年達到最高(67.6)，發展效應最顯著。因此，在未來“美麗天津”建設上，應參照綠色發展情景的“中新生態城綠色發展模式”，進一步加大政策力度，促進天津轉型升級，實現天津市環境績效水平的全面提升和“美麗天津”建設的最優發展。

(2)“美麗天津”建設已開展了節能減排、環境治理、生態保護等一系列工程，然而為了實現其最高效發展，一要保持工業用水重復利用率等優勢指標的穩定性和持續性，同時重視非化石能源比、環境污染治理投資、城市污水再生利用率、受保護區面積等劣勢指標，保證環境績效水平的持續提高；二要實現三次產業全面轉型升級，構筑綠色安全的現代都市型農業，形成綠色化、低碳化、循環化的工業體系，提高現代服務業比重，從源頭上助力節能減排；三要推進科技創新驅動，深入實施科技小巨人發展行動計劃，推進信息化建設，提供完備的科技支持與保障；四要培育綠色文化，倡導綠色低碳的生活方式、消費模式，提升生態文明意識，提高居民的生活質量。

(3)本文基于PSR模型、系統動力學模型和情景分析，構建了城市環境績效動態評估模型，將環境績效指標融入系統動力學模擬系統，預測了天津市四種可持續發展情景的環境績效水平，為城市環境績效發展趨勢模擬過程中所遇到的動態性、非線性等問題的解決提供了借鑒方法，也為相關的政策制定提供了指導和依據。同時，本研究在指標選取、模型構建、參數確立等方面仍有進一步優化和完善的空間。

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Study of City Environmental Performance Dynamic Assessment Based on PSR Model and System Dynamics

PENG Qian,SHAO Chao-feng,JU Mei-ting

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China)

According to Pressure-State-Response model,system dynamics model and scenarios simulation,a dynamic evaluation model of city environmental performance is built to describe the current level and dynamic trends of urban environmental performance in a quantitative way.Firstly,based on the characteristics of economic development and environmental and resources situation of Tianjin,the environmental performance assessment system is constructed by using PSR model.Secondly,it′s coupled with the system dynamics model to simulate development of the city.Finally,four development scenarios are set up:inertia scenario,optimized scenario,low-carbon scenario and green scenario.And through scenario simulation,the trends of environmental performance index in different scenarios are simulated to express the dynamic changes of city sustainable development in different ways.The evaluation results show that the EPI of Tianjin has been increasing from 2009 to 2013,but it′s still in "low"level.The simulation of EPI trends of four scenarios show that the EPI ranking of four scenarios is:inertia scenario

environmental performance;PSR model;SD model;dynamic assessment;scenario analysis

2016-03-11；

2016-04-13

國家科技支撐計劃課題“村鎮環境評價與預警平臺建設”(2012BAJ24B04)

彭乾(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為環境規劃與管理。*通訊作者E-mail:jumeit@nankai.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.022

X24

A

1672-0504(2016)03-0121-06