基于系統(tǒng)動力學的交通運輸碳排放系統(tǒng)仿真與低碳情景研究

張 旭，秦怡華（燕山大學 經(jīng)濟管理學院，河北 秦皇島 066000）

0 引言

近年來，二氧化碳等氣體排放引發(fā)的全球變暖現(xiàn)象對人類可持續(xù)發(fā)展的影響日益嚴峻。2020 年9 月，在第七十五界聯(lián)合國大會上，我國明確提出了“碳達峰”和“碳中和”目標，這是黨中央經(jīng)過深思熟慮做出的重大戰(zhàn)略部署，也是中國應對氣候變化做出的莊嚴承諾。交通運輸業(yè)是中國能源需求和碳排放的主要行業(yè)之一，貨物運輸產生的溫室氣體數(shù)量約占碳排放總量的7.5%，年均能源消耗增長率高出全國平均水平2.23%。黨的十九大闡述了加快推進綠色發(fā)展、建設美麗中國等一系列戰(zhàn)略部署并提出建設交通強國的重大戰(zhàn)略決策。低碳交通不僅有利于城市建設，同時對生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。因此，探索交通運輸業(yè)的低碳發(fā)展對于實現(xiàn)我國“雙碳”目標具有重要推動作用。

目前國內外學者對交通運輸碳排放的研究主要集中在其空間效率、演變趨勢、影響因素及節(jié)能減排措施等方面。空間效率上，袁長偉等[1]采用超效率SBM 模型對我國省域的交通運輸碳排放空間分布進行測度并分析了其空間聚集特性等；賈鵬等[2]采用DEA 模型測度區(qū)域綜合交通運輸效率，并結合空間數(shù)據(jù)分析方法描述貨物運輸效率的省域空間聚集特征；演變趨勢上，張帥等[3]運用SNA 法分析了中國29 個省市的交通運輸碳排放網(wǎng)絡結構演變規(guī)律和空間分布特征；Li 等[4]對中國城市的交通運輸碳排放的空間格局演變進行分析，指出中國城市交通碳排放的區(qū)域差異；國一帆等[5]應用灰色系統(tǒng)分析法對河北省未來碳排放的趨勢進行了定性趨勢預測，指出河北省綠色低碳交通體系的發(fā)展階段特征；影響因素上Irfan[6]等構建系統(tǒng)動力學模型對客運碳排放進行研究，結果顯示提高車輛燃油經(jīng)濟性、降低發(fā)電排放強度能夠有效抑制碳排放的增加；張巖等[7]利用STRIPAT 模型分析北京交通運輸碳排放的驅動因素；Li 等[8]選取影響因素分類進行因子分析，并借助三次指數(shù)平滑預測法預測城市交通碳排放量；節(jié)能減排措施上，唐麗敏等[9]運用系統(tǒng)動力學模型從補貼電動客車生產方、碳排放治理投資、降低單耗和排放系數(shù)等方面提出道路運輸節(jié)能減排路徑；Engo[10]指出降低能源強度、調整能源結構和經(jīng)濟結構是交通行業(yè)減排的重要途經(jīng)；王火根等[11]構建系統(tǒng)動力學模型，研究供給側經(jīng)濟增長速度、能源結構和產業(yè)結構要素在不同政策背景下對碳減排的影響效果。

綜上，現(xiàn)有研究在交通運輸碳排放方面做了大量有益探索，但較少從交通運輸與社會經(jīng)濟、能源、環(huán)境組成的復雜系統(tǒng)角度進行深入探究。基于此，研究在確定交通運輸碳排放影響因素及其因果關系的基礎上建立系統(tǒng)動力學模型，探究各因素作用機理。通過系統(tǒng)仿真分析交通運輸碳排放變化情況，通過情景仿真探索交通運輸?shù)吞及l(fā)展的有效路徑，以期為交通運輸行業(yè)的節(jié)能減排提供參考。

1 交通運輸碳排放系統(tǒng)動力學模型構建

1.1 模型假設

考慮交通運輸碳排放系統(tǒng)的復雜性，對模型做以下假設：（1）交通運輸碳排放系統(tǒng)是一個不斷循環(huán)的系統(tǒng)，經(jīng)濟和客貨運周轉量均穩(wěn)定增長；（2）只考慮主要運輸方式的移動端能源消耗和碳排放；（3）只考慮經(jīng)濟、人口、能源消耗對碳排放的影響，不考慮系統(tǒng)以外因素影響；（4）以標準煤消耗量作為能源消耗指標，以二氧化碳排放量作為碳排放指標，不考慮能源消耗產生的其他污染氣體排放。

1.2 交通運輸碳排放系統(tǒng)因果關系分析

基于現(xiàn)有文獻確定交通運輸碳排放系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)及其主要影響因素，具體如下[12-13]：社會經(jīng)濟子系統(tǒng)：GDP、人口、產業(yè)結構、環(huán)保投入、污染損失等；能源子系統(tǒng)：能源消費結構、運輸能耗強度、交通運輸能源消耗等；環(huán)境子系統(tǒng)：能源碳排放強度、交通運輸二氧化碳排放量、交通運輸二氧化碳污染量、交通運輸二氧化碳減排量等；交通運輸子系統(tǒng)：貨運周轉量、客運周轉量等。其中，社會經(jīng)濟、能源、環(huán)境、交通運輸四個子系統(tǒng)構成了相互關聯(lián)的復雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間均存在雙向影響，構成了關系錯綜復雜的交通運輸碳排放系統(tǒng)。具體而言，社會經(jīng)濟的發(fā)展對于客貨運交通具有推動作用，而交通運輸業(yè)發(fā)展促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，會造成大量的能源消耗，導致各種污染氣體的排放，引起環(huán)境污染；環(huán)境污染一方面會抑制經(jīng)濟增長，制約客貨運交通的可持續(xù)發(fā)展，另一方面又能促進節(jié)能減排工作的實施，使社會經(jīng)濟系統(tǒng)通過環(huán)境治理投資和節(jié)能技術利用來減少污染氣體的排放和能源的過度消耗，提升客貨運交通運行效率。由此，本文所構建的交通運輸碳排放系統(tǒng)因果關系圖如圖1 所示。

圖1 交通運輸碳排放系統(tǒng)因果反饋圖

圖1 中“+”表示箭頭始端變量與末端變量正相關，“-”表示箭頭始端變量與末端變量負相關。該因果關系圖主要包括以下三個反饋回路。

（1）GDP→+收入水平→+交通運輸周轉量→+能源消費結構→+交通運輸能源消耗→+交通運輸二氧化碳排放量→+交通運輸二氧化碳污染量→+污染損失→-GDP（負反饋）；

（2）交通運輸二氧化碳污染量→+污染損失→-GDP→+環(huán)保投入→+交通運輸二氧化碳減排量→-交通運輸二氧化碳污染量（正反饋）；

（3）GDP→+產業(yè)結構→+交通運輸周轉量→+能源消費結構→+交通運輸能源消耗→+交通運輸二氧化碳排放量→+交通運輸二氧化碳污染量→+污染損失→-GDP（負反饋）。

1.3 交通運輸碳排放系統(tǒng)流圖建立

基于各子系統(tǒng)的因果反饋關系，綜合考慮各種交通運輸工具的運輸周轉量、單位周轉量能耗、各種能源碳排放系數(shù)、碳排放治理投入系數(shù)等諸多變量，運用Vensim 軟件，繪制交通運輸碳排放系統(tǒng)流圖，如圖2 所示。

圖2 交通運輸碳排放系統(tǒng)流圖

2 交通運輸碳排放系統(tǒng)仿真

交通運輸碳排放系統(tǒng)以鐵路、公路、水路、航空四種運輸方式為代表的客貨運輸體系為邊界，基于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國交通年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《CO2Emissions from Fuel Combustion》等統(tǒng)計資料，通過對系統(tǒng)中各個變量原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理，結合回歸擬合、數(shù)學推導等方式得到模型參數(shù)表達式，進行交通運輸碳排放系統(tǒng)仿真。

2.1 模型真實性檢驗

在建立中國交通運輸碳排放的系統(tǒng)動力學方程的基礎上，設定系統(tǒng)模擬時間為2005—2019 年，將模型方程和參數(shù)取值輸入Vensim 軟件進行仿真模擬。本文選取GDP、能源消耗量、二氧化碳排放量三個關鍵指標進行真實性檢驗，將其真實值與系統(tǒng)動力學模型的仿真結果進行對比，檢驗所建立模型的真實性。結果顯示，三個變量的仿真值與實際值之間的最大誤差分別為7.54 %、5.68%和7.42%，小于10%，平均誤差分別為3.30%、2.59%和4.72%，均在5%以內。因此，所建立的交通運輸碳排放系統(tǒng)動力學模型的模擬結果可靠，可以較合理地反映交通運輸碳排放的真實情況。

2.2 交通運輸碳排放仿真預測

根據(jù)前述分析結果，交通運輸碳排放系統(tǒng)模型通過真實性檢驗成立，因此，可以根據(jù)此模型對未來情況進行仿真預測。設定基準年為2005 年，目標年為2030 年，仿真步長為1 年，以GDP 和人口、交通運輸能源消耗量、交通運輸二氧化碳排放量和交通運輸二氧化碳排放強度、貨運周轉量和客運周轉量分別作為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)和交通運輸子系統(tǒng)的代表指標，仿真結果如圖3 所示。

圖3 交通運輸碳排放系統(tǒng)仿真預測趨勢圖

由圖3 可知，隨著GDP 和客貨運周轉量的逐年上升，交通運輸能源消費量不斷增加，最終導致交通運輸二氧化碳排放量呈逐年上升趨勢。二氧化碳排放強度是由GDP 與二氧化碳污染量的比值決定的，由圖3（d）顯示，其呈現(xiàn)波動下降趨勢，從2005 年的3.54 降低到2030 年的1.88，總體下降46.89%，與《巴黎協(xié)議》目標——“2030 年單位GDP 碳排放強度比2005 年下降60%至65%”，仍存在差距。

3 交通運輸碳排放系統(tǒng)情景分析

3.1 情景設定

基于系統(tǒng)仿真結果，提高GDP 和降低二氧化碳排放量是實現(xiàn)低碳發(fā)展的有效路徑。然而，GDP 受全球經(jīng)濟環(huán)境、各產業(yè)聯(lián)合機制、社會發(fā)展格局等多種要素的影響，可操控性較低。相比之下，采取有效的減排措施并制定相應政策是最直接和可行的方法。由此，本文從經(jīng)濟結構調控、運輸結構調整、技術進步、環(huán)保治理四個方面，通過改變產業(yè)比重、運輸方式的周轉量比重、運輸方式下運輸工具的周轉量比重、運輸工具單位周轉量的能耗量、能源碳排放系數(shù)、環(huán)境污染投資、碳排放治理投資等指標，設計以下交通運輸業(yè)低碳發(fā)展情景。

（1）基礎情景：此情景下各個指標的數(shù)據(jù)不變，作為各情景對比的依據(jù)；

（2）經(jīng)濟結構調控情景：此情景主要調整產業(yè)結構，將第三產業(yè)比重提升5%；

（3）運輸結構調整情景：將公路貨運、公路客運的比重均降低5%，LNG 車、LNG 船、電力機車的比重均增加5%；

（4）技術創(chuàng)新情景：此情景下將降低運輸工具的能耗量和能源的碳排放量，汽油車、柴油車、燃油船的單耗及汽油、柴油、燃料油、煤油的碳排放系數(shù)均降低5%；

（5）環(huán)保治理情景：將環(huán)境污染治理投資系數(shù)和碳排放治理投入系數(shù)均增加5%。

3.2 情景仿真結果分析

基于上述低碳發(fā)展情景進行模型仿真，得出不同情景下交通運輸能源消耗量、交通運輸二氧化碳污染量、交通運輸二氧化碳排放強度的模擬結果，具體分析如下。

（1）不同情景下交通運輸能源消耗量仿真結果分析。基于仿真結果，各情景下交通運輸業(yè)能源消耗量變化趨勢如圖4 所示。各情景下的交通運輸能源消耗量相比于基礎情景均有所降低，但降低程度存在顯著差異。運輸結構調整情景具有壓倒性優(yōu)勢，節(jié)能效果最明顯，2030 年能源消耗量相對于基礎情景降低18.37%；環(huán)保治理情景下節(jié)能效果并不明顯，能源消耗量僅降低0.57%；經(jīng)濟結構調控情景和技術創(chuàng)新情景下，能源消耗量下降率分別為11.58%和9.09%，對交通運輸能源節(jié)約起到了一定的積極作用。基于節(jié)能視角，調整運輸結構是實現(xiàn)交通運輸?shù)吞及l(fā)展的有效路徑。

圖4 不同情境下能源消耗量模擬結果對比

（2）不同情景下交通運輸二氧化碳污染量仿真結果分析。根據(jù)結果，技術創(chuàng)新情景和運輸結構調整情景相較于經(jīng)濟結構調控和環(huán)保治理情景，減排效果更加顯著，2030 年二氧化碳污染量相較于基礎情景均降低了20%以上，且兩者差距不大。由此，降低單位能耗、排放系數(shù)及調整運輸方式比重、能源消費比重等降低交通運輸碳排放具有較大作用。經(jīng)濟調控情景下二氧化碳污染量的下降率為13.51%，體現(xiàn)了三大產業(yè)結構調整對交通運輸?shù)吞及l(fā)展的促進作用。環(huán)保治理情景下二氧化碳污染量下降率為3.98%，減排效果有限。各情景下交通運輸二氧化碳污染量變化趨勢如圖5 所示。基于減排視角，促進技術創(chuàng)新和優(yōu)化運輸結構是實現(xiàn)交通運輸?shù)吞及l(fā)展的有效路徑。

圖5 不同情景下二氧化碳污染量模擬結果對比

（3）不同情景下交通運輸二氧化碳排放強度仿真結果分析。根據(jù)仿真結果，運輸結構調整和技術創(chuàng)新兩種情景下，交通運輸二氧化碳排放強度下降程度最大，2030 年碳排放強度相較于基準情景均降低了20%以上，接近2030 年單位GDP 碳排放強度比2005 年下降60%至65%的減排目標，二者對交通運輸?shù)吞及l(fā)展的貢獻明顯；經(jīng)濟結構調控情景下的碳排放強度降低13.52%，具有一定的排放控制效果；環(huán)保治理情景下的低碳效果僅優(yōu)于基礎情景，對碳排放強度的抑制作用不大。各情景下交通運輸二氧化碳排放強度變化趨勢如圖6 所示。基于碳排放強度視角，加強科技創(chuàng)新、優(yōu)化運輸結構、促進產業(yè)結構調整是實現(xiàn)交通運輸?shù)吞及l(fā)展的有效路徑。

圖6 不同情景下二氧化碳排放強度模擬結果對比

4 結束語

本文以交通運輸碳排放系統(tǒng)為研究對象，基于交通運輸碳排放體系框架，構建系統(tǒng)動力學模型，以2005—2019 年相關數(shù)據(jù)為基礎，對交通運輸能源消耗量、碳排放量、碳排放強度等指標進行仿真預測，設計四種低碳發(fā)展情景并仿真，分析交通運輸碳排放相關指標的變化情況，探索有效的低碳發(fā)展路徑。研究結果表明：（1）在現(xiàn)行政策影響下，交通運輸能源消耗量與二氧化碳排放量將呈現(xiàn)逐年上升趨勢，二氧化碳排放強度將呈現(xiàn)波動下降趨勢，采取有效的減排措施和政策是實現(xiàn)交通運輸?shù)吞及l(fā)展的可行方法；（2）優(yōu)化運輸結構是交通運輸?shù)吞及l(fā)展的優(yōu)先選擇，基于技術創(chuàng)新的低碳舉措亦可以有效推動交通運輸?shù)牡吞及l(fā)展，而環(huán)保治理推動低碳交通發(fā)展的效果十分有限；（3）產業(yè)結構調整減排作用的發(fā)揮與貨運發(fā)展速度密切相關，因此，利用優(yōu)化產業(yè)結構手段進行交通運輸碳排放控制的同時需要關注貨物運輸?shù)姆€(wěn)步發(fā)展。