城市交通低碳發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
——基于土地利用視角

鐘　偉　丁永波　金鳳花

1(吉林財(cái)經(jīng)大學(xué)，長春　130117)　2(吉林大學(xué)，長春　130025)3(上海電機(jī)學(xué)院，上海　201306)

?

城市交通低碳發(fā)展策略的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
——基于土地利用視角

鐘偉1，2丁永波1金鳳花3

1(吉林財(cái)經(jīng)大學(xué)，長春130117)2(吉林大學(xué)，長春130025)3(上海電機(jī)學(xué)院，上海201306)

〔摘要〕隨著城市環(huán)境的惡化，城市低碳交通建設(shè)迫在眉睫。本文從土地利用角度構(gòu)建城市交通碳排放與土地利用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，得出城市交通低碳發(fā)展的兩種策略，并以長春市為例，對(duì)兩種策略方案進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，提高土地利用強(qiáng)度和增大土地混合利用程度均能使交通碳排放減少，而且增加土地多樣性程度的實(shí)施效果要優(yōu)于土地利用強(qiáng)度的提高。

〔關(guān)鍵詞〕低碳交通土地利用土地利用強(qiáng)度土地多樣性程度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

城市交通是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，它在給人和物流動(dòng)提供載體、推動(dòng)城市進(jìn)步的同時(shí)，也引發(fā)了大氣污染、交通擁堵等負(fù)面影響。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告，全球溫室氣體排放中，城市交通占14%，是僅次于能源供應(yīng)、工業(yè)生產(chǎn)和土地利用的排放部門[1]。因此，減少城市交通能源排放，探索城市低碳交通策略，是低碳城市實(shí)現(xiàn)的必然選擇。

低碳交通是一種新的交通發(fā)展理念，許多學(xué)者對(duì)其作了概念的界定，其中尤以宿鳳鳴[2]的定義更全面，他認(rèn)為低碳交通是以運(yùn)輸效率的提升、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、運(yùn)輸組織的創(chuàng)新、交通需求的調(diào)控等為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、碳排放的減少以及交通領(lǐng)域的全周期全產(chǎn)業(yè)鏈的低碳發(fā)展。從國內(nèi)外發(fā)展來看，低碳城市交通的實(shí)現(xiàn)可以通過合理規(guī)劃城市交通與土地利用，從源頭上控制交通需求；可以通過使用新能源、新技術(shù)，減少交通碳排放；可以通過消費(fèi)引導(dǎo)，使旅客和貨物由高碳排放交通方式向低碳排放交通方式轉(zhuǎn)移；也可以通過政策和制度的制定，規(guī)范碳排放標(biāo)準(zhǔn)，使減碳“由軟變硬”[3]。其中，土地利用結(jié)構(gòu)是影響城市低碳交通發(fā)展的重要因素[4]，所以論文以此為切入點(diǎn)，研究低碳交通結(jié)構(gòu)性減碳的具體實(shí)施措施。

從土地利用角度探討減少交通碳排放的研究國內(nèi)外都很少。Poudenx(2008)研究通過控制土地使用的發(fā)展減少碳排放[5]；Taniguchi(2010)則主張從交通規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)和地理環(huán)境一體化角度進(jìn)行低碳社會(huì)的構(gòu)建[6]；Nakamura和Hayashi(2013)則把控制土地使用，構(gòu)建緊湊城市作為減少碳排放的一個(gè)措施[7]；Golob(2009)的研究表明居民居住密度和車輛能源消耗成反方向變化[8]；Glaeser和Kahn(2010)則證明了人口密度比較大的城市碳排放越少[9]。國外的研究更多是把土地使用作為碳排放減少的一個(gè)手段，而且是從定性角度提出的，對(duì)土地利用和碳排放的關(guān)系雖然有定量的研究，卻沒有專門針對(duì)交通碳排放的探討。而國內(nèi)學(xué)者大多是將城市土地的合理規(guī)劃和利用作為實(shí)現(xiàn)低碳交通的一個(gè)途徑，定性的提出相關(guān)對(duì)策建議，專門針對(duì)土地利用與交通碳排放的研究很少。因此，論文從量著手，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法探討土地利用對(duì)交通碳排放的影響，并以長春市為例，從土地利用角度分析交通碳排放減少的發(fā)展策略。

1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是融控制理論、系統(tǒng)理論、信息理論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)于一體的交叉新學(xué)科[10]。1956年，美國麻省理工學(xué)院的福雷斯特(Jay W.Forrester)教授推出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)之后，隨著其研究范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其在分析解決社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等一類非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的問題時(shí)突顯出更大的優(yōu)越性。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是從系統(tǒng)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，在把握系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)及總體功能的前提下，分析系統(tǒng)的特征與行為[11]。它是用回路描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，用因果關(guān)系圖和流圖描述系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系，用方程描述系統(tǒng)要素之間的數(shù)量關(guān)系，用專門的仿真軟件進(jìn)行模擬分析[12，13]。

1.1系統(tǒng)因果關(guān)系分析

城市交通碳排放與土地利用之間有著復(fù)雜的因果反饋關(guān)系，如圖1所示。在城市交通碳排放與土地利用的因果關(guān)系圖中，城市人口數(shù)的增長，帶來居民出行總量的增加，繼而產(chǎn)生大量交通碳排放，導(dǎo)致環(huán)境污染加重，倡導(dǎo)低碳出行、減少碳排放的要求迫切。因此，一方面通過提高土地利用的多樣性，減小出行距離，以減少小汽車出行量，降低碳排放，構(gòu)成一個(gè)負(fù)因果回路；另一方面，加大土地利用強(qiáng)度，提高公共交通出行比例，增加公交出行量，減少小汽車出行，從而降低碳排放，構(gòu)成一個(gè)負(fù)因果回路。

1.2系統(tǒng)關(guān)系流圖

根據(jù)城市交通碳排放與土地利用的因果關(guān)系圖，用vensim軟件得到系統(tǒng)各變量之間的流圖，如圖2所示。在系統(tǒng)關(guān)系流圖中，城市總?cè)丝凇⒊Ｒ?guī)公交客運(yùn)總量、軌道交通客運(yùn)總量和小汽車客運(yùn)總量為狀態(tài)變量。城市總?cè)丝谑艿竭w入速率、遷出速率和自然增長率的影響；而遷入速率受到城市人均收入的影響，遷出速率受到交通碳排放的影響。常規(guī)公交客運(yùn)總量和軌道交通客運(yùn)總量均受到土地利用強(qiáng)度的影響，小汽車擁有量受到居民出行總量和人均收入的影響；而居民出行總量受到城市總?cè)丝诤腿司鲂写螖?shù)的影響。土地多樣性程度影響小汽車出行距離，從而影響小汽車碳排放。為了減少城市交通碳排放，各個(gè)國家和地區(qū)都采取了一些措施，如前所述，結(jié)構(gòu)性減碳就是其中對(duì)策之一。通過提高土地利用強(qiáng)度和土地混合布局來增加公共交通出行量，減少小汽車出行量，從而減少交通碳排放。

圖1　城市交通碳排放與土地利用的因果關(guān)系圖

1.3系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)的確定

為了驗(yàn)證構(gòu)建模型的有效性并進(jìn)行仿真，需要對(duì)模型中的狀態(tài)變量方程、參數(shù)、表函數(shù)等進(jìn)行初始值賦值。根據(jù)因果關(guān)系圖、系統(tǒng)關(guān)系流圖，通過趨勢(shì)外推法、回歸分析法等確定模型的一些方程和參數(shù)如下：

城市總?cè)丝?INTEG(遷入速率+自然增長速率-遷出速率，人口初始量)，萬人

遷入速率=-1.448×人均收入+8.861

遷出速率=0.079×交通碳排放-8.062

自然增長速率用表函數(shù)表示：

[(2009，-1)-(2020，5)]，(2009，1.9383)，(2010，2.975)，(2011，1.5395)，(2012，-0.7768)，(2013，1.8554)，(2015，2.2536)，(2020，3.6642)

居民出行總量=城市總?cè)丝凇寥司鲂写螖?shù)，萬人次

常規(guī)公交客運(yùn)總量=INTEG(常規(guī)公交客運(yùn)量增加速率，常規(guī)公交客運(yùn)量初始量)，萬人次

圖2　城市交通碳排放與土地利用的系統(tǒng)關(guān)系流圖

常規(guī)公交客運(yùn)量增加速率用表函數(shù)表示：

[(0.2，-15000)-(1，15000)]，(0.97863，-5274)，(0.92149，9103)，(0.89601，-6358)，(0.88124，9117)，(0.85701，2286)，(0.79348，3277.89)，(0.65174，90.8851)

軌道交通客運(yùn)量增加速率用表函數(shù)表示：

[(0.2，-100)-(1，1500)]，(0.97863，279)，(0.92149，682)，(0.89601，942)，(0.88124，1058.4)，(0.85701，1031)，(0.79348，920.184)，(0.65174，113.559)

小汽車增加速率=0.254×居民出行總量-530.427×人均收入-76221.6

常規(guī)公交碳排放量=常規(guī)公交客運(yùn)總量×常規(guī)公交碳排放折算系數(shù)×常規(guī)公交平均出行距離，萬噸

軌道交通碳排放量=軌道交通客運(yùn)總量×軌道交通碳排放折算系數(shù)×軌道交通平均出行距離，萬噸

小汽車碳排放量=小汽車客運(yùn)總量×小汽車碳排放折算系數(shù)×小汽車平均出行距離，萬噸

交通碳排放量=常規(guī)公交碳排放量+軌道交通碳排放量+小汽車碳排放量

土地利用強(qiáng)度用土地利用人口密度表示，它與城市總?cè)丝诤徒ㄔO(shè)用地面積有關(guān)，依據(jù)文獻(xiàn)[14]，根據(jù)歷年數(shù)據(jù)確定土地利用強(qiáng)度的值。

土地多樣性程度用土地多樣性指數(shù)表示，土地多樣性指數(shù)與各種性質(zhì)土地用地面積有關(guān)，依據(jù)文獻(xiàn)[14]，根據(jù)歷年的情況確定土地多樣性指數(shù)的值。

人均收入、土地利用強(qiáng)度和土地多樣性指數(shù)用趨勢(shì)外推法獲得；人均出行次數(shù)、各種方式的平均出行距離根據(jù)長春市居民出行調(diào)查獲得；各種方式的碳排放折算系數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[1]和實(shí)際情況獲得。

2模型仿真和實(shí)證分析——以長春市為例

近幾年，隨著城市化和機(jī)動(dòng)化進(jìn)程的加快，長春市機(jī)動(dòng)車保有量迅速增長，尤其是私人小汽車擁有量更是以年均24.2%的速度增加，這使得城市道路擁堵嚴(yán)重，城市環(huán)境不斷惡化。為此，長春市采取了新建交通設(shè)施、道路限行、開通公交專用車道等措施以緩解問題惡化，但效果不明顯。從合理規(guī)劃土地用地，使交通與土地利用相協(xié)調(diào)，以減少小汽車出行量、增加公共交通出行量、減小居民出行距離才是解決問題的根本措施。

2.1數(shù)據(jù)來源和模型檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)主要來源于《長春統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《吉林統(tǒng)計(jì)年鑒》、長春市居民出行實(shí)地調(diào)查等。

選取2009～2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史檢驗(yàn)，以城市總?cè)丝凇⒊Ｒ?guī)公交客運(yùn)量和小汽車客運(yùn)量作為檢驗(yàn)變量，比較模型運(yùn)行得到的仿真值和實(shí)際數(shù)據(jù)，如表1所示。從表1看出，除2010年常規(guī)公交客運(yùn)量的誤差較大以外，其它各仿真值的相對(duì)誤差均在10%范圍內(nèi)，說明模型的擬合程度較高，能較真實(shí)反映土地利用和城市交通碳排放之間的關(guān)系，可以用于模擬和預(yù)測(cè)。

表1　部分狀態(tài)變量的仿真值和實(shí)際值對(duì)比

2.2模型仿真運(yùn)行：策略分析

結(jié)合圖1可以看出從土地利用角度減少交通碳排放的策略主要有兩個(gè)：一個(gè)是提高土地利用強(qiáng)度，一個(gè)是增大土地混合利用程度。為此，論文擬設(shè)計(jì)兩種降低交通碳排放的策略。以2009年的數(shù)據(jù)作為狀態(tài)變量初始值，模型的仿真時(shí)間為2009～2020年，時(shí)間間隔DT=1。

2.2.1策略一：提高土地利用強(qiáng)度

土地利用強(qiáng)度用單位面積上的人口數(shù)反映，土地利用強(qiáng)度大，說明人口比較集中，有利于公共交通的發(fā)展。公共交通發(fā)展得快，對(duì)人們出行吸引力就更強(qiáng)，小汽車出行量就會(huì)減少，交通碳排放也相應(yīng)會(huì)減少。因此，降低交通碳排放的策略之一就是盡可能增大區(qū)域人口密度，提高土地利用強(qiáng)度。假設(shè)土地利用強(qiáng)度提高5%，土地多樣性程度不變，交通碳排放的變化情況如圖3和表2所示。圖4表示土地利用強(qiáng)度與常規(guī)公交碳排放和軌道交通碳排放的關(guān)系。

圖3　土地利用強(qiáng)度提高前后總交通碳排放對(duì)比

萬噸

圖4　土地利用強(qiáng)度與常規(guī)公交碳排放、軌道交通碳排放的關(guān)系

從模型運(yùn)行結(jié)果圖3和表2來看，土地利用強(qiáng)度的增加使交通碳排放有一定程度的減少，雖然降低幅度并不大，大約在-0.25%左右，但是可以看出土地利用強(qiáng)度對(duì)交通碳排放會(huì)產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，圖4顯示，長春市土地利用強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這會(huì)對(duì)公共交通的發(fā)展產(chǎn)生一定的阻礙。因此，常規(guī)公交和軌道交通的碳排放量雖然在增長，但增長速度很緩慢，明顯緩于土地利用強(qiáng)度減少的趨勢(shì)。綜合分析，可以適當(dāng)提高城市土地利用強(qiáng)度，以增加公共交通的運(yùn)輸量，降低交通碳排放。

目前，長春市已經(jīng)將政府、大部分辦公部門遷移到三環(huán)以外，但隨之而來的就是大規(guī)模、長距離的小汽車出行，而且郊區(qū)化居住區(qū)的形成更加重了碳排放。因此，根據(jù)模型分析，應(yīng)適當(dāng)增加新建中心區(qū)的人口密度，構(gòu)建功能高度集中的城市中心，以減少對(duì)小汽車的依賴，轉(zhuǎn)向公共交通，減少交通碳排放。

2.2.2策略二：增大土地混合利用程度

土地多樣性程度用土地多樣性指數(shù)表示，土地多樣性指數(shù)大，說明各種類型土地混合利用程度高，有利于減少人們出行距離，特別是小汽車的長距離出行，同時(shí)也減少了對(duì)小汽車的依賴，相應(yīng)地，交通碳排放也得到了降低。因此，降低交通碳排放的策略之二就是盡可能集約利用土地，減小出行距離。假設(shè)土地多樣性指數(shù)增加5%，土地利用強(qiáng)度不變，交通碳排放的變化情況如圖5和表3所示。圖6表示土地多樣性程度和小汽車碳排放的關(guān)系。

圖5　土地多樣性程度提高前后總交通碳排放對(duì)比

萬噸

圖6　土地多樣性程度與小汽車碳排放的關(guān)系

從模型運(yùn)行結(jié)果圖5來看，土地多樣性程度增加，交通碳排放減少，而且減少幅度很大，如表3，說明土地混合利用程度對(duì)交通碳排放影響較大，通過增加土地多樣性降低碳排放要比增加土地利用強(qiáng)度降低碳排放更有效。而且，圖6顯示，長春市土地混合利用程度先高后低，使得人們出行距離先減小后增加，從而帶來小汽車碳排放量的先減少再增多。因此，綜合分析，可以加大城市土地混合利用程度，構(gòu)建集約式社區(qū)，在居住用地周圍配套建設(shè)工作、購物、娛樂、醫(yī)療、學(xué)校等設(shè)施，使居民出行距離控制在自行車或步行可達(dá)范圍內(nèi)，即使選擇小汽車出行，距離也相對(duì)較短[15]，以此減小出行距離，減少小汽車碳排放量，從而控制交通碳排放。

3結(jié)論

城市交通低碳發(fā)展可以從多方面、多角度實(shí)現(xiàn)，從土地利用角度減少交通碳排放是有效措施之一。論文通過構(gòu)建土地利用與交通碳排放的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)降低交通碳排放的兩個(gè)策略進(jìn)行了仿真分析。從運(yùn)行結(jié)果可以看出，增大土地混合利用程度的效果要優(yōu)于提高土地利用強(qiáng)度，主要是因?yàn)檫^多增加土地利用強(qiáng)度會(huì)使人口過分密集，帶來城市擁堵，加大交通碳排放，所以應(yīng)偏重提高土地多樣性程度，適當(dāng)增加土地利用強(qiáng)度。土地利用包含諸多因素，從更多土地利用因素探討減少交通碳排放的策略是今后要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文宇.北京市發(fā)展低碳交通的前景分析[J].綜合運(yùn)輸，2010，(9)：37～40

[2]宿鳳鳴.低碳交通的概念和實(shí)現(xiàn)途徑[J].綜合運(yùn)輸，2010，(5)：13～17

[3]李振宇，江玉林，陳徐梅.低碳城市交通發(fā)展模式的實(shí)現(xiàn)途徑和政策建議[C].經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)(第一卷)，2010

[4]牛雄，麥賢敏.借鑒國際經(jīng)驗(yàn)發(fā)展我國城市低碳交通(上)[N].中國經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)，2013-01-01，(5)

[5]Poudenx P.The Effect of Transportation Policies on Energy Consumption and Greenhouse Gas Emission from Urban Passenger Transportation[J].Transportation Research Part A：Policy and Practice，2008，42(6)：901～909

[6]Taniguchi M，Kodama K，F(xiàn)ujii T.Urban Planning Guidelines for a Low Carbon Society：Focus on Urban Transport[C].Urban Transport XVI:Urban Transport and the Environment in the 21stCentury，2010，111：149～155

[7]Nakamura K，Hayashi Y.Strategies and Instruments for Low-carbon Urban Transport：An International Review on Trends and Effects[J].Transport Policy，2013，29：264～274

[8]Brownstone D，Golob T F.The Impact of Residential Density on Vehicle Usage and Energy Consumption[J].Journal of Urban Economics，2009，65(1)：91～98

[9]Glaeser E L，KahnN M E.The Greenness of Cities：Carbon Dioxide Emissions and Urban Development[J].Journal of Urban Economics，2010，67(3)：404～418

[10]王其藩.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法論及其發(fā)展展望[J].未來與發(fā)展，1984，(8)：55～58

[11]許光清，鄒驥.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法：原理、特點(diǎn)與最新進(jìn)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2006，8(4)：72～77

[12]段世霞，謝芳．基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的城市軌道交通PPP項(xiàng)目價(jià)格影響因素研究[J]．工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2014，(7)：117～122

[13]李旭.社會(huì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：政策研究的原理、方法和應(yīng)用[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006

[14]彭沙沙.基于GIS的城市交通與土地利用協(xié)調(diào)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011

[15]陸鍵.當(dāng)代世界城市低碳本位的交通戰(zhàn)略[J].城市管理，2011，(1)：47～51

(責(zé)任編輯：王平)

Analysis on Low-Carbon Development Strategies of Urban Transport with System Dynamics——Based on Land Use

Zhong Wei1，2Ding Yongbo1Jin Fenghua3

(1．Jilin University of Finance and Economics，Changchun 130117，China； 2．Jilin University，Changchun 130025，China；3．Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China)

〔Abstract〕With the deterioration of urban environment,construction of urban low-carbon transportation is imminent.From the perspective of land use,a system dynamics model of carbon emissions and land use is proposed,and two development strategies of urban low-carbon transportation are obtained.Taking Changchun as an example,simulation is made on the two strategies.Results indicate that increase of land-use diversity and increase of land-use intensity are advantageous to the reduction of carbon emission.Furthermore,the effect of the former is superior to the latter.

〔Key words〕low-carbon transport;land-use;intensity of land-use;diversity of land-use;system dynamics

收稿日期：2015—12—19

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳社科規(guī)劃項(xiàng)目“低碳型城市交通與土地利用的耦合發(fā)展模式研究——以長春市為例”(項(xiàng)目編號(hào)：2014154)。

作者簡(jiǎn)介：鐘偉，吉林財(cái)經(jīng)大學(xué)亞泰工商管理學(xué)院講師，吉林大學(xué)交通學(xué)院在讀博士研究生。研究方向：運(yùn)輸規(guī)劃與管理、物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。丁永波，吉林財(cái)經(jīng)大學(xué)亞泰工商管理學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：區(qū)域創(chuàng)新管理。金鳳花，上海電機(jī)學(xué)院商學(xué)院副教授，博士。研究方向：區(qū)域發(fā)展管理、物流與供應(yīng)鏈管理。

DOI：10．3969/j．issn．1004-910X．2016．06．016

〔中圖分類號(hào)〕F294.3

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A