山東半島藍色經濟區經濟—環境復合系統仿真與發展對策研究

董會忠++王格??

摘要：構建了以山東半島藍色經濟區為例的經濟—環境復合系統發展系統動力學模型，運用VENSIM軟件對區域未來發展情景進行定量化動態研究與模擬。通過調節復合系統的決策變量，設定了4種不同的發展情景方案，預測在不同情景方案下山東半島藍色經濟區的發展狀況，得出山東半島藍色經濟區經濟—環境復合系統協調發展的最優方案，為山東半島藍色經濟區的規劃、治理和發展提供決策支持。

關鍵詞：山東半島藍色經濟區；系統動力學；決策變量；情景方案

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2017.02.22

中圖分類號：F205；F127 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2017）02-0103-06

Study on Simulation and Development Countermeasures of

Economyenvironment Composite System in

Shandong Peninsula Blue Economic Zone

DONG Huizhong，WANG Ge

（School of Business， Shandong University of Technology， Zibo 255012）

Abstract：This paper constructed a system dynamics model of composite system of environment and economic development taking Shandong Peninsula Blue Economic Zone as an example. It used the VENSIM software to do quantitative study and dynamic simulation on the future development situation of the region. By adjusting the composite decision variables of the system， it set up 4 different kinds of development scenarios and predicted the development status of Shandong Peninsula Blue Economic Zone in different scenarios， then get the optimal solution of Shandong peninsula blue economic zone on complex system of economy and environment coordinated development to provide decision support for the planning， management and development of Shandong Peninsula blue Economic Zone.

Key words：Shandong Peninsula Blue Economic Zone； system dynamics； decision variables； scenarios

區域協調發展涉及到社會、經濟、資源、環境等諸多因素[1]，是多個子系統耦合演化的結果。許多地區在發展過程中僅僅關注經濟發展速度，而忽視當地資源與環境承載力，造成資源的嚴重短缺和生態環境的普遍惡化，區域發展處于失衡狀態，難以持續發展。當前，人們已普遍意識到以犧牲資源環境為代價的發展不可持續，努力探求社會經濟與生態環境協調發展的途徑已成為各國政府高度關注的焦點和眾多學者研究的熱點。作為一個復雜巨系統，區域經濟—環境復合系統具有多變量、非線性、動態性和多重反饋的特性，系統動力學是研究復雜巨系統的科學方法，能夠對不同情景方案下的區域發展態勢進行有效研究，并對未來發展趨勢進行科學預測。該方法在國外廣泛應用于經濟社會與生態環境研究領域[3-5]，代表文獻有《增長的限制》和《趨向全球平衡》（以WORD Ⅲ模型為基礎）[2]。上世紀80年代初，系統動力學方法被引入我國后普遍應用于國民經濟、區域合作、可持續發展、技術創新等領域[6-11]。本文采用系統動力學仿真技術對山東半島藍色經濟區環境經濟復合系統進行仿真模擬，并對系統狀態進行評估，定量研究半島經濟區經濟—環境系統協調發展狀態，對各種情景的作用和效果進行比較和分析，從而作出合理選擇，為山東半島藍色經濟區發展規劃的制定提供科學依據。

1系統動力學模型構建

11研究區域邊界確定

山東半島藍色經濟區陸域面積64萬平方千米，范圍包括青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照6市及濱州的無棣、沾化2個沿海縣所屬陸域，海域面積1595萬平方千米，包括山東全部海域。為研究方便，本文構建的模型及相關數據分析界定在青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照及濱州市全部區域。

12區域復合系統的結構分析及子系統劃分

根據經濟環境協調發展理論[12]，將山東半島藍色經濟區經濟環境復合系統劃分為經濟、人口、資源、環境四個子系統，各子系統內部要素相互作用，相互關聯，形成一個動態復雜系統，以系統各變量之間的相互關系為基本框架，建立山東半島藍色經濟區復合系統模型，通過調整決策變量，對預設發展模式進行仿真模擬，進而找到山東半島藍色經濟區發展的最佳模式。

（1）經濟子系統

經濟子系統把能夠反映經濟發展水平的第一產業、工業、建筑業和第三產業產值作為流位變量（水平變量）；把第一產業GDP增加值、第三產業GDP增加值、建筑業GDP增加值和工業GDP增加值作為流率變量（速率變量）；把區域GDP、第一產業GDP增長率、第三產業GDP增長率、建筑業GDP增長率和工業GDP增長率等作為輔助變量。通過人均GDP、產業用水、工業COD排放量和工業氨氮排放量等輔助變量分別與人口、資源、環境子系統建立關聯。“三產”比例是反映山東半島藍色經濟區區域經濟產業結構合理性的指標，因此以第一產業GDP增長率、工業GDP增長率和第三產業GDP增長率作為經濟子系統的決策變量。通過以上指標建立經濟子系統模型。包括14個方程和4個表函數，其中，主要方程有：

第一產業GDP=INTEG（第一產業GDP增加值，70731，單位：億元）

建筑業GDP=INTEG（建筑業GDP增加值，38204，，單位：億元）

工業GDP=INTEG（工業GDP增加值，317624，單位：億元）

第三產業GDP=INTEG（第三產業GDP增加值，21111，單位：億元）

區域GDP=第一產業GDP+第三產業產業GDP+建筑業GDP+工業GDP（單位：億元）

工業GDP增長率=工業GDP增長率 LOOKUP（Time）

建筑業GDP增長率=建筑業GDP增長率 LOOKUP（Time）

第一產業GDP增長率=第一產業GDP增長率 LOOKUP（Time）

第三產業GDP增長率=第三產業GDP增長率 LOOKUP（Time）

（2）資源子系統

土地、水、能源及其他礦產等自然資源是人類社會發展的重要物質基礎，自然資源的合理開發和利用對于區域協調發展具有重要意義。在資源子系統中，把可用水資源量和耕地面積作為水平變量；國家基建占地、退耕還林還草占地、鄉村集體占地以及水資源可供量和工業用水量、農業用水量、生活用水量、水資源循環利用率，再用水回用率等作為輔助變量。通過生活用水量以及人均耕地面積與人口子系統建立關聯，以生活污水處理回用量作為資源子系統和環境子系統溝通的橋梁。通過引入耕地壓力指數模型[13]來考察山東半島藍色經濟區耕地壓力情況。耕地壓力指數——最小人均耕地面積與實際人均耕地面積之比，其算法如下：

K=SminS（1）

式中K為耕地壓力指數，Smin為最小人均耕地面積，即一定區域范圍內保障食物需求的最小人均耕地面積，S為人均實際耕地面積。計算耕地壓力指數時，在給出人均實際耕地面積的情況下，最小人均耕地面積是影響耕地壓力指數的關鍵變量，其算法如下：

Smin=Gr×βP×Q×k（2）

式中，Smin為山東半島藍色經濟區最小人均耕地面積，Gr為山東半島藍色經濟區區域人均糧食需求量，β為山東半島藍色經濟區區域糧食自給率，P為山東半島藍色經濟區區域糧食單產，Q為山東半島藍色經濟區區域糧食播種面積占總播種面積的比重，k為山東半島藍色經濟區區域復種指數。

當K>1時，表明耕地壓力明顯，容易出現糧食危機，需要采取緊急必要措施降低耕地壓力指數；當K<1時，表明耕地壓力不明顯，糧食生產處于安全范圍之內；K=1時，最小人均耕地面積等于實際人均耕地面積，表明耕地壓力開始顯現，應當密切關注耕地面積的變化，采取措施避免耕地壓力變大，確保糧食生產的安全。資源子系統方程有22個，表函數6個，主要方程有：

水資源量=INTEG（生產量-消耗量，1101，單位：億立方米）

生活用水量=農村生活用水量+城鎮生活用水量（單位：億立方米）

工業用水量=工業GDP×工業億元產值用水量（單位：億立方米）

再用水回用量=生活污水處理量×再用水回用率（單位：億立方米）

工業億元產值用水量=工業億元產值用水量 LOOKUP（Time）

城鎮人均生活用水量=城鎮人均生活用水量 LOOKUP（Time）

耕地面積=耕地增加量-耕地減少量（單位：公頃）

耕地壓力指數=最小人均耕地面積/實際人均耕地面積

（3）人口子系統

人口子系統建模過程中選取總人口作為流位變量（水

平變量）；以年自然增長人口和年凈遷入人口為流率變量（速率變量）；把農村人口、城鎮人口、自然增長率、人口凈遷入率作為輔助變量。人口子系統共有方程9個，3個表函數，主要方程有：

總人口=INTEG（年自然增長人口+年凈遷入人口，528628，單位：萬人）

城鎮人口=總人口×城市化水平（單位：萬人）

農村人口=總人口-城鎮人口（單位：萬人）

自然增長率=自然增長率 LOOKUP（Time）

人口凈遷入率=人口凈遷入率 LOOKUP（Time）

城鎮化水平=城鎮化水平 LOOKUP（Time）

（4）環境子系統

環境子系統建模過程中，選取COD存量和氨氮存量作為流位變量（水平變量）；以COD產生量、COD削減量，氨氮增加量、氨氮削減量為流率變量（速率變量）；以工業COD產生量、生活COD產生量、工業廢水COD削減量、工業氨氮產生量、工業廢水氨氮削減量、生活COD削減量、生活氨氮產生量、生活氨氮削減量、工業廢水處理量、工業廢水排放量、工業廢水治理費用、工業億元產值廢水量等為輔助變量。選取COD和氨氮存量作為水環境污染程度的指示指標。環境子系統共有方程22個，表函數11個，主要方程有：

COD存量=INTEG（COD產生量-COD削減量，539793，單位：噸）

氨氮存量=INTEG（氨氮產生量-氨氮削減量，53538，單位：噸）

工業廢水產生量=工業GDP×工業億元產值廢水量（單位：噸）

生活污水產生量=城鎮人口×城鎮居民人均生活污水產污系數（單位：萬噸）

工業廢水治理費用占工業GDP比重=工業廢水治理費用占工業GDP比重 LOOKUP（Time）

城鎮居民人均生活污水產污系數=城鎮居民人均生活污水產污系數 LOOKUP（Time）

13經濟—環境復合系統模型構建

通過對山東半島藍色經濟區經濟、社會、資源、環境子系統的結構分析，選取能夠合理描述各子系統的變量，建立復合系統動力學模型（如圖1所示）。

14模型有效性檢驗

系統動力學通過Vensim軟件建立系統動力學模型，對復合系統發展態勢進行預測，其中模型的有效性檢驗是模型預測的關鍵環節。本模型模擬運行時間為2013～2020年，以2013年為基準年，仿真步長為1年，模型有效性檢驗采用的歷史統計數據主要來源于《山東省統計年鑒》以及各市統計年鑒。以2003～2012年歷史數據為檢驗依據，其中某些指標如年凈遷入率、自然增長率、城鎮居民人均COD產污系數等是根據2003～2012年所收集數據計算得出，某些指標隨著時間的推移而變化，這些指標采用表函數的形式給出，而變量間關系不明確的指標也是采用表函數形式給出。本文采用相對誤差法對半島藍色經濟區復合系統模型模擬的結果進行檢驗，以總人口和COD存量兩個水平變量為主要例證，檢驗結果如表1，通過表1可以看出，2003～2012年總人口和COD存量的仿真值和歷史值的相對誤差介于-1%～51295%之間，擬合精確度較高，相對誤差檢驗結果比較理想。

2山東半島藍色經濟區模型預測與分析

21情景設定

在對2003～2012年數據有效性檢驗的基礎上，本文設定不同的決策變量來調控2013～2020年山東半島藍色經濟區區域經濟發展的模式。選取第一產業GDP增長率、工業GDP增長率、第三產業GDP增長率作為調整經濟結構的決策變量，將工業廢水治理費用占工業GDP的比重、再用水回用率以及農業億元產值用水量作為調控環境和資源的決策變量。由于實際人均耕地面積與人口基數有很大關系，在耕地面積逐年減少、人口不斷增加的情況下，實際人均耕地面積呈現逐年減少的狀況，因而最小人均耕地面積成為影響耕地壓力指數的關鍵變量；在糧食自給率為1，糧食單產保持2012年的水平上，復種指數成為影響最小人均耕地面積的關鍵變量。根據山東省三次產業比重調整戰略，提高第三產業比重，降低第一、二產業比重的方向，設定出四種發展模式情景：

情景Ⅰ：設定第一產業GDP增長率降低25個百分點，從2013年的11%下降到2020年的85%；工業GDP增長率增加17個百分點，從2013年53%增加到2020年的7%；第三產業GDP增長率小幅度穩步提高，增加29個百分點，從2013年的127%增加到2020年的156%；工業廢水治理費用占工業GDP的比重和復種指數以及農業億元產值用水量維持在2012年的水平，再用水回用率從2013年到2020年提高6個百分點。

情景Ⅱ：設定第一產業GDP增長率2016年降低到情景Ⅰ2020年85%的水平，到2020年降低到62%；工業GDP增長率略微降低，2013年到2020年降低08個百分點；第三產業GDP增速與情景Ⅰ相比較明顯，2016年達到情景Ⅰ2020年156%的水平，到2020年第三產業GDP增長率達到175%；工業廢水治理費用占工業GDP的比重、再用水回用率、復種指數均穩步提升；農業億元產值用水量略微降低。

情景Ⅲ：設定第一產業GDP增長率降低幅度與情景Ⅰ相似；工業GDP增長率明顯降低，2016年降低到情景Ⅱ2020年45%的水平，到2020年工業GDP增長率降低到40%；第三產業GDP增速明顯提高，2016年達到164%，2020年達到185%；再用水回用率以及復種指數在情景Ⅱ的基礎上繼續提高，工業廢水治理費用占工業GDP的比重略微提升，與情景Ⅱ相似，農業億元產值用水量在情景Ⅱ的基礎上繼續降低。

情景Ⅳ：第一產業GDP增長率、工業GDP增長率顯著降低，降幅較情景Ⅱ相比較大。其中，第一產業GDP增長率到2020年降低到43%，工業GDP增長率降低到35%；第三產業GDP增長率顯著提高，到2020年第三產業GDP增長率達到268%，工業廢水治理費用占工業GDP比重顯著增加，再用水回用率、復種指數顯著提高，與情景Ⅲ相比提升幅度較大，農業億元產值用水量明顯減少。

22模擬結果分析

情景模擬結果分析目的在于找出適合山東半島藍色經濟區的較為理想的發展模式，因而指標變量的選取至關重要，它能夠反映區域復合系統的基本情況。圖2至圖5為模型運行得出的指標變量變化趨勢圖，表3為模型運行得出的各項指標模擬值。

從仿真模擬出的結果可以看出：

情景Ⅰ發展模式是逐步降低第一產業GDP增長率，略微增加工業GDP增長率，同時第三產業GDP增長率穩步提高；工業廢水治理費用占工業GDP比重、復種指數、農業億元產值用水量維持在2012年的水平。從模擬結果可以看出，區域GDP增速從2016年開始增幅略高于目前發展模式；COD存量與目前發展模式相比無明顯差異；可用水資源量下滑趨勢明顯降低，低于目前發展模式下的水資源量，供水形勢嚴峻，2016年供水缺口為1375億立方米，2020年供水缺口達到2891億立方米；耕地壓力指數與現狀相比，無明顯變化，耕地壓力形勢嚴峻，容易產生糧食危機。

情景Ⅱ發展模式是在穩步降低第一、二產業GDP增長率的前提下，在情景Ⅰ的基礎上提高第三產業GDP增長率的速度；同時工業廢水治理費用占工業GDP比重、復種指數穩步提高，再用水回用率從2013年的40%提高到2016年的45%、再到2020年的48%，農業億元產值用水量減少緩慢。從模擬結果可以看出，區域GDP與情景Ⅰ相比，無明顯差別，但增速略高于情景Ⅰ；COD存量增長趨勢趨于平緩，明顯低于情景Ⅰ，到2020年COD存量為54741萬噸，明顯低于情景ⅠCOD存量2020年87036萬噸的水平；可用水資源量減少趨勢明顯低于情景Ⅰ，但供水缺口仍然存在，2016年供水缺口為105億立方米，2020年供水缺口為2211億立方米，耕地壓力指數呈現降低趨勢但依然高于1，耕地壓力依然明顯。

情景Ⅲ發展模式是第一、二產業GDP增長率降幅與情景Ⅰ相似，但低于情景Ⅱ，第三產業GDP增長率較情景Ⅱ相比增幅較大，2016年第三產業GDP增長率為164%，2020年為185%；同時工業廢水治理費用比重提高，與情景Ⅱ相比，無明顯差別，再用水回用率2016年提高到48%，2020年達到50%，農業億元產值用水量降低幅度高于情景Ⅱ。從模擬結果可以看出，區域GDP增速略高于情景Ⅰ和情景Ⅱ；COD存量增速明顯低于情景Ⅰ和現狀發展模式，但高于情景Ⅱ，可用水資源量降幅低于情景Ⅱ，耕地壓力指數明顯低于情景Ⅱ， 2020年耕地壓力指數為126，耕地壓力依然存在。

情景Ⅳ發展模式是明顯降低第一、二產業增長率，同時大幅提高第三產業GDP增長率，到2016年，第三產業GDP增長率為185%，2020年達到268%；工業廢水治理費用比重明顯加大，再用水回用率、復種指數明顯提高，農業億元產值用水量明顯降低。從模擬結果可以看出，區域GDP增長幅度明顯高于情景Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，區域GDP規模2016年為417429億元，2020年達到942623億元，人均GDP明顯提高；COD存量大幅度降低，從2016年開始COD存量開始降低，到2020年，COD和氨氮治理明顯，水環境明顯改善， 2016年供水缺口為695億立方米，2020年供水缺口為1176億立方米，間接提高了水資源可用量；耕地壓力指數2020年為098，低于1，耕地壓力明顯改善。

3結論與建議

根據以上分析可以得出在情景Ⅰ中雖注重產業結構調整，但產業結構調整比例不明顯，COD和氨氮環境壓力形勢較現狀發展更加嚴峻，耕地壓力指數較大，耕地壓力明顯；情景Ⅱ調整了經濟產業結構，第一產業增速降低，第二產業增速小幅增高，第三產業增速較情景Ⅰ穩步提高，同時提高環境治理費用，提高再用水回用率，環境壓力明顯減小，但可用水資源量的緊張程度依然明顯，供水缺口比情景Ⅰ有所減少，耕地壓力指數與情景Ⅰ相比雖有所下降，但依然高于1，耕地壓力明顯；情景Ⅲ第一、二產業增速逐步降低，第三產業增速有較大提高，環境治理費用比重、再用水回用率、復種指數提高，農業億元產值用水有較明顯的減少，環境壓力比情景Ⅰ明顯縮小，與情景Ⅱ相比有小幅增加，供水缺口低于情景Ⅰ、Ⅱ，水資源緊張程度依然存在；情景Ⅳ是著重加大產業結構調整，明顯降低第一、二產業增長速度，大幅提高第三產業增長速度，環境治理投資比重增大，再用水回用率明顯提高，農業億元產值用水量明顯較少，到2020年，區域經濟產值達到942623億元；COD存量2016年為471253萬噸，到2020年COD存量基本消除，COD和氨氮治理明顯，水環境壓力明顯改善；供水缺口2016年為695億立方米，2020年為1176億立方米，有效緩解了水資源緊張程度。通過以上結論，推薦情景Ⅳ為山東半島藍色經濟區發展方向的最優情景。

通過上述四種情景發展模式的仿真模擬結果，提出如下建議：（1）結合山東半島藍色經濟區6市差異，進一步推動產業結構優化升級，降低第一、二產業的比重，大力提高第三產業比重，推動宏觀產業結構優化，形成合理的產業結構發展模式，以進一步提高經濟發展的質量和效益；（2）以“保持經濟平穩增長、水資源消耗低增長”為發展模式，推進節水減排計劃，合理分配水資源用水量在各產業結構中的比例；（3）出臺相關的政策和提高排污標準，制定相應的評價體系，通過增加工業廢水治理費用，大力發展廢水再回用水的循環利用率，從而達到減少水環境污染、增加水資源量的雙重效果。

參考文獻：

[1]覃成林. 區域協調發展機制體系研究[J]. 經濟學家， 2011， （4）： 63-70.

[2]王其藩. 系統動力學[M].2009年修訂版. 上海：上海財經大學出版社， 2009.

[3]Forrester J W. The System Dynamics National Model： Macrobehavior from Microstructure Modeling Growth Strategy in a Biotechnology Startup Firm [J].System Dynamics Review， 1989， 7（2）： 93-116.

[4]S M Disney A，T Potter， B M， Cardner. The Impact of Vendor Managed Inventory on Transport Operation [J].Transportation Research E， 2003.

[5]Marquez A C， Bianchi C， Gupta J N D. Operational and Financial Effectiveness of Ecollaboration Tools in Supply Chain Integration[J]. European Journal of Operational Research，2004.

[6]張建慧，雷星暉，李金良. 基于系統動力學城市低碳交通發展模式研究——以鄭州市為例[J]. 軟科學， 2012， 26（4）： 77-81.

[7]陳國衛，金家善，耿俊豹. 系統動力學應用研究綜述[J]. 控制工程， 2012， 19 （6）：921-928.

[8]李維乾，解建倉，李建勛，等. 基于系統動力學的閉環反饋水資源優化配置研究[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版）， 2013， 41（11）：209-216.

[9]賈一偉. 基于系統動力學的高校科技產業可持續發展研究[D]. 北京交通大學， 2013.

[10]譚術魁，張路，齊睿. 基于系統動力學的區域耕地壓力指數研究[J]. 自然資源學報， 2012， 27（5）：757-765.

[11]李華，蔡永立. 基于SD的生態安全指標閾值的確定及應用——以上海崇明島為例[J]. 生態學報， 2010， 30（13）： 3654-3664.

[12]劉偉，陳超凡，桓漢青，等. 基于系統動力學模型的低碳城市發展研究[J]. 環境污染與防治， 2014， 36（4）： 86-91.

[13]蔡運龍，傅澤強，戴爾阜. 區域最小人均耕地面積與耕地資源調控[J]. 地理學報， 2002， 57（2）： 127-134.

（責任編輯：辜萍）