基于系統動力學模型的欽州港生態承載力仿真預測

馮琪 蔣惠園 謝云云 閆松銀

【摘 要】 為改善欽州港生態環境，促進區域協調發展，分析欽州港生態承載狀況及未來發展態勢，運用系統動力學對欽州港生態承載力進行仿真研究，測度其相關指標的承載力指數，在此基礎上引入多情景模擬，對比欽州港在不同發展模式下的生態承載狀況。仿真結果表明：協調發展模式下的能源、水資源承載力指數略高于資源環境保護模式下的數值，但氨氮、化學需氧量、二氧化硫和氮氧化物承載力指數達到最優，綠色GDP增速最快，未來發展態勢相對最好。對欽州港的可持續發展提出加強環境污染防治、提高資源利用效率等建議。

【關鍵詞】 交通運輸經濟;生態承載力;系統動力學;欽州港;多情景分析

0 引 言

欽州港作為中西部地區的出?？?，其經濟地位越來越顯著，不僅是欽州市經濟發展的龍頭，也是實現該區域協調發展的關鍵。但隨著欽州港貨物吞吐量不斷增加、港區規模逐漸擴張，欽州港生態系統面臨巨大威脅，不利于港口的可持續發展。在此背景下，借助系統動力學模型和多情景分析方法對欽州港生態承載力進行仿真研究，通過模擬生態環境變化趨勢，精確預測港口未來發展態勢。本研究不僅拓展了生態承載力理論的研究范疇，豐富了生態承載力理論體系，還可為欽州港可持續發展提供政策建議，具有重要的理論意義和現實價值。

目前港口生態承載力的研究尚處于起步階段，如：張鳳嬌[1]從環境納污能力、資源供給能力、人類支持能力等3個方面建立港口生態承載力評價指標體系，將系統動力學與狀態空間法相結合構建復合評價模型，研究某港區生態承載力發展趨勢;郭子堅等[2]選取社會經濟、生態環境和港口資源等多層面評價指標，從港口生態供需關系的角度引入生態承載力供需平衡指數，構建系統動力學模型對港口生態承載狀況進行評價。綜合來看，目前對港口生態承載力的定義和影響因素尚未達成定論，亦未形成完整的理論體系和成熟的研究方法，且較多使用指標體系法等靜態評價模型。本文采用系統動力學模型測度欽州港生態承載狀況，揭示海港生態系統過程機制及發展機理，體現港口生態系統在時間和空間尺度上的變化特點，具有一定的創新性。

1 欽州港生態承載力系統動力學分析

1.1 確定指標

結合區域生態承載力概念與欽州港發展實際，界定欽州港生態承載力內涵，即欽州港在滿足一定條件下維護自身良好發展的能力、其生態系統對港口作業所產生污染物的容納能力和支撐欽州市人類社會經濟活動的能力。

港口生態承載力供需平衡指數（ECCI）是港口生態需求量與生態容量之間的比值，反映港口生態需求與供給的關系，計算公式為

Ek=dk / ck（1）

式中： Ek為第k個因素的生態承載力供需平衡指數; dk為第k個因素的需求量; ck為第k個因素的容量或供給量， k=1，2，…，n。

由式（1）確定欽州港氨氮（NH3-N）承載力指數、能源承載力指數等相關因素的承載力指數?；贓CCI的欽州港生態承載力分級評價標準見表1。

從社會經濟、港口資源和生態環境等3個層面確定測度欽州港生態承載力的指標，其中：社會經濟層面的測度指標為綠色GDP，用來衡量對人類的支持能力;港口資源層面的測度指標為能源承載力指數和水資源承載力指數，用來衡量港口維持自身發展的能力;生態環境層面的測度指標為NH3-N承載力指數、化學需氧量（COD）承載力指數、二氧化硫（SO2）承載力指數和氮氧化物（NOx）承載力指數，用來衡量港口生態系統的納污能力。

1.2 構建SD模型

（1）系統流圖。根據系統分解協調原理，欽州港生態系統可解構為3個子系統，其中：社會經濟子系統為欽州港發展提供資金支持和社會保障，是系統的發展動力;港口資源子系統為欽州港的生產活動提供資源和基礎設施等，是系統的物質基礎;生態環境子系統為人類活動和港口生產提供空間，是系統的空間支持。為了定量描述欽州港生態系統發展機制，設定一系列狀態變量、輔助變量、表函數等來構建SD模型（圖1）。

（2）主要變量及方程式。欽州港生態承載力系統動力學模型的主要變量說明和主要方程式見表2和表3。

通過資料收集、軟件計算、專家咨詢等方式確定相關參數。資源消耗量和單位貨物吞吐量污染物產生量由廣西北部灣國際港務集團有限責任公司和欽州海事局提供資料整理得到;欽州港SO2和NOx環境容量由《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》提出的總量控制區排放總量限值計算公式（即A值法）計算得到，分別為 t/年和 t/年;參考相關文獻，以欽州港水污染物的最大允許排放量作為其理想環境容量，綜合確定欽州港范圍內NH3-N和COD理想環境容量分別為110 t/年和 t/年;通過當地走訪調查確定NH3-N、COD、SO2、NOx和固廢處理成本分別約為元/t、元/t、元/t、元/t、188元/t，標準煤價格為635.80元/t，水資源單位成本定為1.91元/t。

（3）模型有效性檢驗。對模型邏輯結構的正確性及與現實系統的擬合程度進行有效性檢驗，歷史檢驗結果為：GDP的實際值與模擬值的誤差率為Ha0.77%～4.75%，誤差率絕對值的平均值為1.07%;稅收收入實際值與模擬值的誤差率為Ha4.21%～4.25%，誤差率絕對值的平均值為1.92%;港口貨物吞吐量的誤差率為 Ha4.59%～4.37%，誤差率絕對值的平均值為2.14%。

綜上所述，經過運行檢驗、歷史檢驗，欽州港生態承載力系統動力學模型滿足模型仿真要求。

2 不同發展模式下的欽州港生態承載力仿真

運用SD模型對協調發展、資源環境保護、自然發展、經濟快速增長等4種發展模式進行多情景模擬，得出不同發展模式下綠色GDP、能源承載力指數、水資源承載力指數、NH3-N承載力指數、COD承載力指數、SO2承載力指數和NOx承載力指數的仿真值，對比分析不同發展模式，尋求最優發展模式。

2.1 社會經濟仿真模擬

由綠色GDP變化趨勢（圖2）可以看出：綠色GDP在協調發展、資源環境保護、自然發展、經濟快速增長等4種發展模式下均呈增長態勢，初期在經濟快速增長模式下增長最快，在協調發展模式下次之，最后是在自然發展模式和資源環境保護模式下;綠色GDP的增長速度在協調發展模式下加快，在經濟快速增長模式下增速逐漸放緩;后期綠色GDP值由大到小分別為協調發展模式、自然發展模式、經濟快速增長模式和資源環境保護模式。

2.2 資源消耗仿真模擬

（1）能源承載力。由能源承載力指數變化趨勢（圖3）可以看出：能源承載力指數在4種發展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，2010年、2011年增速明顯;在協調發展模式和資源環境保護模式下于2023年到達中壓承載，在2025年趨于穩定，在自然發展模式和經濟快速增長模式下分別于2019年、2016年達到中壓承載。

（2）水資源承載力。由水資源承載力指數變化趨勢（見圖4）可以看出：水資源承載力指數在4種發展模式下的變化趨勢與能源承載力指數變化趨勢相似;在協調發展模式和資源環境保護模式下基本穩定在低壓承載狀態，在自然發展模式和經濟快速增長模式下分別于2015年和2014年到達中壓承載。

2.3 環境污染仿真模擬

（1）NH3-N承載力。由NH3-N承載力指數變化趨勢（圖5）可以看出：NH3-N承載力指數在4種發展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，且均于2012年達到中壓承載;后期在自然增長模式和經濟快速增長模式下逐漸達到滿載狀態，在協調發展模式和資源環境保護模式下進入高壓承載。

（2）COD承載力。由COD承載力指數變化趨勢（圖6）可以看出：COD承載力指數在4種發展模式下的變化趨勢與NH3-N承載力指數變化趨勢相似，2011年增勢明顯;在協調發展模式、資源環境保護模式下于2015年進入中壓承載階段后趨于穩定;在自然發展模式下于2013年達到中壓承載，2022年達到高壓承載;在經濟快速增長模式下于2011年達到中壓承載，2018年達到高壓承載。

（3）SO2承載力。由SO2承載力指數變化趨勢（圖7）可以看出：SO2承載力指數在4種發展模式下均呈前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢，并在2025年趨于穩定;在協調發展模式、資源環境保護模式和自然發展模式下2016年均為低壓承載狀態，在經濟快速增長模式下為中壓承載狀態;到2025年在4種發展模式下均為中壓承載狀態。

（4）NOx承載力。由NOx承載力指數變化趨勢（圖8）可以看出：NOx承載力指數在經濟快速增長模式和自然發展模式下呈逐年穩定增長趨勢;在資源環境保護模式和協調發展模式下呈現前期快速增長、后期緩慢增長的趨勢;在協調發展模式和資源環境保護模式下2016年為中壓承載狀態，到2025年仍保持在中壓承載狀態;在自然發展模式和經濟快速增長模式下2016年為中壓承載狀態，到2025年達到高壓承載狀態。

3 結 語

綜合分析仿真結果，可以得出：

（1）欽州市綠色GDP穩步增長，綠色經濟發展態勢向好;能源承載力和水資源承載力目前均已達到中壓承載狀態，仍有較大承載空間，短時間內可保證欽州港正常運轉;水污染形勢較大氣污染形勢嚴峻，污染物產生量及存量均呈增加趨勢，2007―2025年主要測度指標將分別由低壓承載狀態向中、高壓承載狀態轉變，環境承載空間逐漸縮小。

（2）協調發展模式下的欽州港能源承載力指數、水資源承載力指數略高于在資源環境保護模式下的數值，但NH3-N承載力、COD承載力、SO2承載力和NOx承載力等4種指數在4種發展模式中達到最優，增幅最小，綠色GDP的增速最快，未來發展態勢最好。

（3）目前欽州港生態環境總體正常，但未來需要定期開展生態承載力動態評估分析。

參考文獻：

[1] 張嬌鳳.港口生態承載力復合評價模型研究[D].大連：大連理工大學，2016.

[2] 郭子堅，張嬌鳳，宋向群，等.多模式發展的港口生態承載力演變[J].安全與環境學報，2017（1）：364-370.

收稿日期：2019-10-14

作者簡介：馮琪（1993―），女，助理工程師、碩士，研究方向為交通戰略規劃;蔣惠園（1965―），女，教授、博士，研究方向為交通運輸經濟;

謝云云（1992―），女，碩士研究生，研究方向為交通運輸經濟;閆松銀（1976―），男，高級工程師、博士，從事水運安全管理工作