肇慶生態城市建設路徑系統動力學仿真研究

紀廣月

（廣東工商職業技術大學，廣東 肇慶 526020）

0 引言

近幾年來，隨著我國城市化的發展，生態環境問題已成為越來越突出的社會問題.生態環境已經成為制約中國城市化發展的主要因素之一.作為珠三角主要城市的肇慶隨著城市化的發展，環境問題日趨突出，已影響到了肇慶的可持續發展.面對生態系統退化的嚴峻形勢，生態城市建設顯得尤為重要，需對肇慶生態城市建設作進一步的探討，尋求一條建設生態城市有效道路.肇慶生態城市建設路徑研究能夠為肇慶生態城市建設提供決策依據，對把肇慶建成宜居生態城和肇慶的可持續發展具有很強的理論和現實意義.

生態城市系統[1]是由人口、社會、經濟、資源、環境等五個相互區別又相互聯系的子系統相結合構成的體系，在研究方法上，主要有灰色預測和神經系統結合的預測方法[2]、主成分分析法[3]、層次分析法[4]等.目前，已有學者對云南玉溪市、湖南衡陽、天津市、青島市、杭州市等地[5-10]的城市生態建設路徑進行了研究，但鮮有利用系統動力學的方法對城市生態建設路徑進行研究.系統動力學方法主要依據系統內部諸因素之間形成的各種反饋環進行建模，同時搜集與系統行為有關的數據進行仿真.

本文根據肇慶生態城市發展現狀，采用系統動力學方法[11]，構建肇慶生態城市系統動力學模型，并利用此模型對肇慶生態城市系統進行仿真，根據仿真結果對不同路徑進行分析，最后選取肇慶生態城市建設最優路徑.為肇慶市及其他城市的生態城市建設提供理論依據.

1 肇慶生態城市發展現狀分析

截至2016年，肇慶市經濟、社會、資源、環境等方面存在的問題如下：經濟方面，從數據上看，肇慶市經濟發展從較高速的增長期，逐漸轉入中高速增長周期，GDP增速存在明顯放緩的跡象，并且區域發展不平衡；社會方面，由于肇慶市公共服務供給總量不足，并且均等化水平較低，因此造成民生建設存在不少短板；資源方面，2016年總用水量19.19億立方米，同比下降6%.全年單位GDP能耗下降5.35%.規模以上工業綜合能源消費量為601.48萬噸標準煤（當量值），累計下降5.00%.全社會用電量159.31億千瓦時，增長4.6%.環境方面，可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮三項指標均達到國家大氣環境質量二級標準；全市主要江河湖庫水環境質量保持優良，全市平均灰霾天氣日數49天，比上年減少11天.2016年城鎮污水處理率達88.4%；全市森林覆蓋率達到70.56%.全市共有國家級自然保護區1個，面積1155公頃.人均公園綠地面積26.74平方米[12].環境治理雖然取得了一定成績，但是還存在著部分環境難點問題亟待解決，相比省內其他城市，肇慶市空氣質量在全省排名仍然靠后.

2 肇慶生態城市系統構成及各子系統的構成要素

生態城市系統是一個大系統，根據生態學理論[13]，可以把肇慶生態城市系統劃分為五個子系統，分別為：人口子系統、社會子系統、經濟子系統、資源子系統、環境子系統.圖1為肇慶生態城市系統的組成內容和形式.

圖1 肇慶生態城市系統結構

根據肇慶生態城市系統組成及相應構成要素，分別選擇各子系統的變量.變量指標體系是由各子系統的狀態變量、速率變量和其他變量構成，構成見表1.

表1 各子系統變量指標體系

續表

3 流程圖的繪制及系統動力學模型的構建和檢驗

3.1 繪制系統流程圖見圖2.

圖2 肇慶生態城市建設流程

3.2 根據所選取的各子系統相關變量，構建系統動力學模型

根據對肇慶生態城市建設系統的研究，按照各子系統中的變量得出的主要方程如下：

1）GDP＝INTEG（GDP 增長量，2084）

2）GDP增長量＝GDP*GDP增長率

3）二氧化硫排放減少量＝工業煙（粉）塵去除率＋污染治理資金/1500

4）二氧化硫排放增加量＝工業二氧化硫*0.08

5）二氧化硫排放總量＝INTEG（二氧化硫排放增加量-二氧化硫排放減少量，

6）人均GDP＝GDP/總人口

7）人均公共綠地面積＝林地面積/總人口

8）人均水資源蘊藏量＝水力資源蘊藏量/總人口

9）人均耕地面積＝耕地面積/總人口

10）億元GDP固體廢物排放量＝工業固體產生總量/GDP

11）千人擁有衛生技術人員數＝總人口/1000＋1

12）單位GDP能耗＝能源消耗總量/GDP

13）工業COD＝廢水中COD排放總量*1.7

14）工業固體產生總量＝INTEG（工業固體廢物增加量-工業固體廢物減少量，200）

15）工業固體廢物減少量＝工業固體廢物處置率＋工業固體廢物綜合利用率＋污染治理資金/300

16）工業固體廢物增加量＝工業固體廢物產生量*0.1

17）工業廢氣排放減少量＝污染治理資金/200

18）工業廢氣排放增加量＝（工業煙（粉）塵排放量+工業氮氧化物+氮氧化物排放總量）*1.2

19）工業廢氣排放總量＝INTEG（工業廢氣排放增加量-工業廢氣排放減少量，350）

20）廢水中COD排放減少量＝污染治理資金/100

21）廢水中COD排放增加量＝廢水中氨氮排放總量*1.3

22）廢水中COD排放總量＝INTEG（廢水中COD排放增加量-廢水中COD排放減少量，360）

23）廢水排放總量＝INTEG（廢水排放總量增加量-廢水排放總量減少量，120）

24）廢水排放總量減少量＝污染治理資金/50

25）廢水排放總量增加量＝工業廢水＋工業氨氮*1.6

26）總人口＝INTEG（自然增長量，402）

27）林地面積＝INTEG（林地面積增加量，1500）

28）林地面積增加量＝林地面積增加速率*林地面積

29）水力資源蘊藏增加量＝水資源蘊藏量增加速率*水力資源蘊藏量-第一產業產值*0.04

30）水力資源蘊藏量＝INTEG（水力資源蘊藏增加量，1000）

31）污染治理資金＝GDP*環保投入占GDP比例

32）環保投入占GDP比例＝（億元GDP固體廢物排放量＋單位GDP能耗）/4

33）第一產業產值＝GDP*第一產業占GDP比例

34）第二產業產值＝GDP*第二產業占GDP比例

35）耕地面積＝INTEG（耕地面積增加量，2000）

36）耕地面積增加量＝耕地面積*耕地面積增加速率

37）能源消耗增長量＝能源消耗總量*能源消耗增長率

38）能源消耗總量＝INTEG（能源消耗增長量，2500）

39）自然增長率＝（人口遷入率＋出生率-人口遷出率-死亡率）

40）自然增長量＝總人口*自然增長率

41）高校在校學生人數＝總人口*4‰＋8000

3.3 構建系統動力學模型的檢驗

在進行分析之前，需要分析所建模型的精確度及有效性，因此對模型進行檢驗.本文從系統中選取GDP、高校在校人數、總人口、耕地面積、二氧化硫排放總量作為檢驗變量對象，對其相應的統計數據（2005-2010年）進行模擬分析，比較統計數據與模擬值的偏差，并同時計算相對誤差，具體數值見表2.

表2 各檢驗變量的統計值、模擬值及誤差統計

用Vensim軟件對GDP、高校在校人數、總人口、耕地面積、二氧化硫排放總量等5個主要變量進行情景模擬，并同時對比真實的統計數據，得到的誤差率均在10%以內，系統動力學模型允許誤差范圍為15%，誤差較小，因此本模型通過了系統模型有效性檢驗.該模型與肇慶市生態城市系統有很好的擬合度，可以作為預測肇慶市未來生態城市系統發展狀況的仿真模型.本文所建的系統模型易于理解和操縱，而且魯棒性強，受到建模數據噪音和系統運行狀態的干擾較小，得到的結論具有真實可信的特點.

4 肇慶生態城市建設路徑系統動力學仿真調控

由肇慶于生態城市規劃期限為2005～2020年，為了能夠同步、更加真實的對肇慶生態城進行系統動力學仿真，本文設定系統運行時間邊界為2005～2020年，并以2005年為模擬的基期，時間步長為1年.

根據肇慶生態城市建設目標，結合肇慶實際情況設定路徑，通過對肇慶生態城市系統進行仿真，得到不同路徑下主要變量及子系統的仿真結果，并根據仿真結果對不同路徑進行分析，最后選取最優路徑.

本文根據肇慶市統計年鑒、環境公報、國民經濟和社會發展統計公報、相關政府性文件，以及肇慶市生態城市建設實際情況的數據資料，選擇工業固體廢物產生量、環保投入占GDP系數、第二產業占GDP比例、工業固體廢物處置率、能源消耗增長率、氮氧化物排放總量影響因子等指標作為調控參量進行模擬調控，提出4種不同的建設路徑，分別為經濟高效型路徑（路徑1）、環保型路徑（路徑2）、傳統型路徑（路徑3）、及經濟-環保和諧型路徑（路徑4）.通過模擬預測，得到不同建設路徑下生態城市未來發展情況.結合肇慶生態城市建設現狀，設置4種建設路徑對應的調控參數見表3.

表3 四種情景下的調控參數

在確定4種不同的研究情景條件下，本文選擇總人口、人均GDP、千人擁有衛生技術人員數、人均水資源蘊藏量、億元GDP固體廢物排放量等5個具有生態城市研究代表性的變量對肇慶生態城市建設路徑進行仿真，圖3～圖7為仿真結果.

圖3 總人口數在4種路徑下的仿真結果

圖4 人均GDP在4種路徑下的仿真結果

圖5 千人擁有衛生技術人員數在4種路徑下的仿真結果

圖6 人均水資源蘊藏量在4種路徑下的仿真結果

圖7 億元GDP固體廢物排放量在4種路徑下的仿真結果

5 結果分析

由圖3可知，方案1、方案2、方案4中總人口數隨時間的推移呈上升趨勢，方案4總人口數增幅最大，更有利于總人口數的增長，方案3中總人口數基本保持不變.這是因為方案1、2、4能夠顯著提升生態城市的人口包含量，從而使得城市人口逐漸上升.圖4表明，從人均GDP來看，方案1、方案2和方案4均隨時間的推移呈上升趨勢，方案4和方案1由于生產科技水平較高，上升速度明顯快于方案2和方案3.因此，方案1和方案4更有利于提高肇慶市的人均GDP值.其中方案1、4在情景設定中明顯對于城市經濟發展有促進作用，因此能夠超越方案2、3的GDP值.通過圖5的結果發現，方案3中千人擁有衛生技術人員數隨時間推移基本保持不變，方案1和方案4由于教育投入較大，千人擁有衛生技術人員數隨時間的推移呈上升趨勢.因此，方案1和方案4更有利于肇慶市教育水平的提高.這是由于方案1、4在經濟上能夠更好促進城市的發展，而城市教育水平與城市的經濟水平通常呈正相關，因此使得方案1、4對于教育水平的貢獻更加明顯.

由圖6可知，調控表3中6個因子對人均水資源量的影響較大，其中方案1、方案2和方案4人均水資源蘊藏量有明顯的上升趨勢，方案4在2012年后人均水資源蘊藏量迅速增加，而方案3隨時間的推移增幅最小.因此，方案3更有利于肇慶市水資源的可持續發展.這是因為方案3在城市生態環境保護方面更加明顯，因此使得人均水資源蘊藏量有著較高水平的保持.由圖7可知，4種方案中，億元GDP固體廢物排放量均隨時間的推移呈下降趨勢，方案4和方案2由于水處理技術因子較高，下降速度明顯高于方案1和方案3，因此方案4和方案2更有利于肇慶市水污染的預防和治理.肇慶工業廢氣排放量的變化主要受經濟增長的影響，廢氣排放量為肇慶經濟增長變化的主要影響因素.經濟增長將導致環境污染物增加，但肇慶市生態環境較為優越，故肇慶市要以服務型行業譬如生態旅游等行業為依托，同時經濟發展與生態保護并重，切忌走“先污染后治理”的老路.

綜上所述，方案4中總人口數、人均GDP、千人擁有衛生技術人員數、人均水資源蘊藏量隨時間推移呈上升趨勢，億元GDP固體廢物排放量呈下降趨勢，方案4下降幅度最大，綜合考慮各方面因素，結合肇慶市實際發展情況，方案4更有利于肇慶市建設生態城市，即經濟-環保和諧型路徑能夠更加有成效的保護生態環境，實現城市可持續發展.

6 政策建議

根據生態文明建設目標[14]，肇慶市應轉變發展方式，構建綠色發展秩序，踐行綠色發展理念.第一，全面節約資源有效推進，全力打好污染防治攻堅戰；第二，不斷優化生態環境，力爭使肇慶市城區空氣質量綜合指數在全省排名靠前，提高森林覆蓋率、水環境；第三，新舊動能持續轉換，綠色發展，提升碳匯能力、優化能源結構.生態文明強調經濟發展，又強調生態環境的保護，努力協調兩者間的關系，實現人與自然的和諧發展；第四，提高全市森林覆蓋率；第五，垃圾處理分類工作，提高垃圾處理無害化比率.

生態城市系統是一個復雜抽象的大系統，系統內部的影響因素眾多，為了有重點的研究肇慶市生態城市的發展，本文重點考慮了經濟、社會、人口、資源、環境這五大因素，從而通過研究找到對生態城市建設最重要的影響因素.同時，由于氣候、科技、政策等其它影響因素也在一定程度上影響著生態城市的建設，因此在以后的研究中需要加以考慮.