京津冀地區(qū)碳排放系統(tǒng)的模擬仿真與優(yōu)化建議研究

馬雪薇

(北方工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 北京 100144)

2020年9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。目前京津冀地區(qū)已經(jīng)成為北方最重要的經(jīng)濟增長極，國家統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)的GDP總量呈現(xiàn)上升趨勢，近年來，GDP增長率在6%左右。2019年，京津冀地區(qū)的二氧化碳排放量大約為10.30億噸，占全國碳排放總量的1/9左右，因此在碳目標的背景下，京津冀地區(qū)實現(xiàn)碳減排路徑優(yōu)化是實現(xiàn)綠色發(fā)展的重中之重。

1 文獻綜述

本文根據(jù)現(xiàn)有文獻研究方法的不同，將文獻分為兩類：

一類是非系統(tǒng)模型。在運用非系統(tǒng)模型分析碳排放優(yōu)化問題時，常見的方法包括計量及因素分解法，如Zhang等(2020)[1]基于細化指標和動態(tài)空間面板模型，分析技術(shù)進步對二氧化碳排放的影響。Fan等(2021)[2]采用閾值回歸模型和兩階段工具變量回歸模型研究人口老齡化與家庭碳排放的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消費結(jié)構(gòu)和消費水平是影響城市人口老齡化與城市家庭碳排放非線性關(guān)系的中介因素。王長建等(2016)[3]利用kaya等式及LMDI分解方法定量分析各因素與碳排放之間的關(guān)系，以及各自對環(huán)境的貢獻值，從而針對性地提出低碳優(yōu)化政策。黃蕊等(2016)[4]利用STIRPAT模型定量尋找最合適的碳排放優(yōu)化路徑。

另一類是系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型主要分為三種：第一種是自上而下的模型，如Fu等(2020)[5]開發(fā)了一個階乘的可計算一般均衡模型，從碳稅的角度探究碳排放路徑；第二種是自下而上的模型，如余碧瑩等(2021)[6]以自下而上的中國氣候變化綜合評估模型/國家能源技術(shù)模型為研究工具，探討未來中國實現(xiàn)碳中和目標的可能路徑；第三種是混合模型，如馬丁和陳文穎等(2016)[7]以能源系統(tǒng)優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，遵循“自上而下”與“自下而上”相結(jié)合的思想，構(gòu)建了碳排放達峰路徑排放體系，利用情境分析法探究了碳達峰的路徑。

在區(qū)域?qū)用娴奶寂欧艈栴}的研究中，相較非系統(tǒng)模型，利用系統(tǒng)模型更具優(yōu)勢。本文將碳排放優(yōu)化問題放在系統(tǒng)模型中，運用自上而下的系統(tǒng)動力學(xué)模型，將京津冀地區(qū)的排放與能源、經(jīng)濟、社會子系統(tǒng)耦合在一起。

2 系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建與模擬仿真

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

系統(tǒng)動力學(xué)的構(gòu)建主要涉及因果關(guān)系圖、存量流量圖、參數(shù)設(shè)定及模擬仿真四個部分。因果關(guān)系圖又被稱為系統(tǒng)循環(huán)圖，通常是利用因果鏈及因果回路反映變量之間的作用。存量流量圖是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上進一步以更加直觀的符號展示系統(tǒng)中各要素的邏輯關(guān)系與反饋形式。定量分析離不開參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)動力學(xué)的變量包括水平變量、速率變量、常量及輔助變量，主要通過方程的構(gòu)建顯示各變量的變化規(guī)律。模擬仿真則是將數(shù)學(xué)模型與計算機軟件相結(jié)合，目前VENSIM PLE是運用較為廣泛的仿真平臺，本文也是通過此平臺進行模擬仿真。

2.1.1 因果關(guān)系圖

因果關(guān)系圖是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)，通過箭頭反映各個因素之間的因果關(guān)系。根據(jù)上文的模型系統(tǒng)邊界構(gòu)建的因果關(guān)系圖為：經(jīng)濟子系統(tǒng)通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響不同產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值進而對能源消耗量產(chǎn)生影響；社會子系統(tǒng)主要包含人口及科技投入、城鎮(zhèn)化率等因素。人口數(shù)量可以影響不同產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人數(shù)，進而影響不同產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及生產(chǎn)性能源消耗量。科技投入及城鎮(zhèn)化水平可以影響人均生活能源消費量，進而影響生活性能源消耗量；能源子系統(tǒng)通過調(diào)整不同能源所占比例調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)，進而影響二氧化碳排放量；排放子系統(tǒng)主要考察二氧化碳的排放情況，通過政策模擬分析在不同情境下的二氧化碳排放情況。

2.1.2 存量流量圖

在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，存量流量圖用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量及常量更加詳細地反映各個因素的關(guān)系。根據(jù)因果關(guān)系圖繪制的京津冀地區(qū)碳排放系統(tǒng)存量流量圖包括三個水平變量：GDP、人口總量、林業(yè)面積；四個常量：煤炭排放系數(shù)、石油排放系數(shù)、天然氣排放系數(shù)、固碳量；三個速率變量：GDP增長量、人口變化量、造林面積增加量，其余均為輔助變量。

2.1.3 參數(shù)設(shè)定

參數(shù)的設(shè)定方法主要包括：

(1)回歸法。本文通過SPSS軟件估計了能源—排放—經(jīng)濟—社會耦合系統(tǒng)的一部分參數(shù)，例如，確定了一產(chǎn)產(chǎn)值與一產(chǎn)固定資產(chǎn)投資額、一產(chǎn)從業(yè)人數(shù)的關(guān)系；二產(chǎn)產(chǎn)值與二產(chǎn)固定資產(chǎn)投資額、二產(chǎn)從業(yè)人數(shù)及城鎮(zhèn)化率、科技投入強度的關(guān)系；三產(chǎn)產(chǎn)值與三產(chǎn)固定資產(chǎn)投資額、三產(chǎn)從業(yè)人數(shù)的關(guān)系。

(2)政府政策規(guī)定。比如，在確定非化石能源占比時，參考了國務(wù)院頒發(fā)的《2030年前實現(xiàn)碳達峰行動方案》，到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右。

(3)表函數(shù)法。有些變量可能并不存在簡單的線性關(guān)系，為了更加準確地反映變量的變化情況，采用表函數(shù)的形式精準地描述變量的變化情況，如一產(chǎn)投資占比、二產(chǎn)投資占比、三產(chǎn)投資占比、煤炭占比、石油占比、天然氣占比等。

又如日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)，擁有從基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、工程化研究、產(chǎn)業(yè)孵化到技術(shù)推廣完成等一系列完整的科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化鏈條，下設(shè)董事會、執(zhí)行委員會、學(xué)術(shù)委員會、高層管理者等管理機構(gòu)，采用現(xiàn)代公司企業(yè)化的管理模式，各分所遍布全國高校。該機構(gòu)擁有多樣化的資金投入渠道、品牌化的經(jīng)營戰(zhàn)略、靈活的用人機制、全程貫通的轉(zhuǎn)化鏈，能有效聚集政府、高校和企業(yè)的資源，在科研成果轉(zhuǎn)化的各階段實現(xiàn)無縫銜接，是目前亞洲最具活力的科研成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化機構(gòu)。

(4)算數(shù)平均數(shù)。例如，在確定碳排放系數(shù)時取自美國情報署、《IPCC2006指南》、國家科委氣候變化項目、中國工程院和國家發(fā)改委能源研究所五大機構(gòu)公布的碳排放系數(shù)平均值。

2.2 SD模型模擬仿真分析

2.2.1 模型有效性檢驗

本文將歷史數(shù)據(jù)及模型運行數(shù)據(jù)進行比對發(fā)現(xiàn)：能源消費總量兩者的相對誤差均小于3%，而實際GDP與實際GDP模擬值及二氧化碳排放量的統(tǒng)計值與模擬值的誤差保持在5%之內(nèi)，通過了有效性檢驗，說明該模型的構(gòu)建符合真實情況，具有科學(xué)性，可以用于預(yù)測京津冀地區(qū)未來的碳排放情況。

2.2.2 模型初始狀態(tài)運行情況

如圖1所示，展示了京津冀地區(qū)在初始條件下2020—2040年能源消費總量情況。其數(shù)值在預(yù)測期間呈現(xiàn)逐步上升趨勢，數(shù)值由2020年的493.49百萬噸標準煤漲到2040年的759.11百萬噸標準煤，增長了大約1.54倍。能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳排放包括煤炭、石油、天然氣及非化石能源消耗所產(chǎn)生的二氧化碳。如圖2所示，能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳在2020年為1044.32百萬噸，此后碳排放量呈現(xiàn)上升趨勢，到2036年達到峰值1249.74百萬噸，之后其數(shù)值逐步減少。從碳排放強度角度考慮，京津冀地區(qū)的碳排放強度逐漸下降，主要參考國務(wù)院引發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》，規(guī)劃中指出，2025年的碳排放強度相較2020年要下降18%。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，2020年京津冀地區(qū)碳排放強度為1.88萬噸/億元，2025年該地區(qū)的碳排放強度為1.49萬噸/億元，實現(xiàn)碳強度的減排目標。

圖1 基準情景下京津冀地區(qū)能源消耗情況

圖2 京津冀地區(qū)能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳情況

綜上所述，京津冀地區(qū)雖然在預(yù)測期內(nèi)可以完成碳強度減排目標，但2030年碳達峰目標無法實現(xiàn)，預(yù)測京津冀地區(qū)將在2036年實現(xiàn)碳達峰。

2.3 本章小結(jié)

本文構(gòu)建了京津冀地區(qū)碳排放優(yōu)化系統(tǒng)動力學(xué)模型，并在模型通過了有效性檢驗的基礎(chǔ)上對初始狀態(tài)下的京津冀地區(qū)2020—2040年的能源消耗、二氧化碳排放情況進行預(yù)測，結(jié)果顯示：現(xiàn)有條件下，京津冀地區(qū)無法在2030年實現(xiàn)碳達峰，預(yù)計將在2036年實現(xiàn)碳達峰，其峰值為1249.74百萬噸標準煤；能源消費方面，京津冀地區(qū)的能源消費總量在預(yù)測期間呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，至2040年能源消費總量相較2020年增長1.54倍，可以實現(xiàn)碳強度的減排目標。

3 政策建議

綜上所述，京津冀地區(qū)無法在2030年前實現(xiàn)碳達峰，因此為進一步加快該地區(qū)的碳達峰進程，本文針對京津冀地區(qū)碳排放優(yōu)化問題提出以下建議：

(1)約束能源消耗總量，改善能源消費結(jié)構(gòu)。具體來說，首先，需要建立清潔高效的利用煤炭政策，整體來看，京津冀地區(qū)對煤炭依賴嚴重，雖然消耗煤炭占比減少，但是煤炭消耗總量還是在增加，因此制定高效使用煤炭的政策可以在一定程度上優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，包含使用先進的煤炭加工、轉(zhuǎn)換、液化氣化技術(shù)等將是未來一段時間改革的著力點。其次，需要拓寬天然氣使用渠道，包括發(fā)電、交通運輸、工業(yè)燃料及城鎮(zhèn)燃氣在內(nèi)的四個領(lǐng)域?qū)⒊蔀樘烊粴舛嘣呗缘闹饕I(lǐng)域。最后，需要大力開發(fā)、發(fā)展清潔能源。因地制宜，根據(jù)現(xiàn)有的京津冀能源資源稟賦開發(fā)風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮埽瑫r開發(fā)水電及分布式能源，推廣電動汽車、乙醇汽車等。

(2)轉(zhuǎn)換經(jīng)濟增長方式。目前，京津冀主體還是推行工業(yè)化進程與城鎮(zhèn)化進程，高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)成為主旋律，京津冀地區(qū)轉(zhuǎn)換經(jīng)濟發(fā)展方式，重點是關(guān)注一些耗能較多的領(lǐng)域，如河北省的鋼鐵行業(yè)及相關(guān)的重工業(yè)領(lǐng)域，政府應(yīng)該引導(dǎo)其產(chǎn)業(yè)升級，將綠色能源與數(shù)字化、智能化相結(jié)合，建立新的經(jīng)濟增長點，進而降低能源消費總量及二氧化碳排放量。

(3)加大對低碳技術(shù)的資金支持，增加科技研究占比。提高能源利用率，降低能源強度是減少碳排放的重要措施，而這一目的的實現(xiàn)需要大力發(fā)展低碳技術(shù)，加大對低碳領(lǐng)域的資金投入，加強政府、企業(yè)及高校之間的協(xié)作。包括建立科技創(chuàng)新評價體系、稅收優(yōu)惠、大力發(fā)展清潔發(fā)展機制在內(nèi)的多種具體措施，從而激發(fā)京津冀地區(qū)的低碳技術(shù)創(chuàng)新活力，改善碳排放狀況。

(4)加強區(qū)域經(jīng)濟一體化，優(yōu)化行業(yè)結(jié)構(gòu)。目前，京津冀地區(qū)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)動主要體現(xiàn)在北京將落后的工業(yè)轉(zhuǎn)移到天津與河北地區(qū)，從整體上看，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的進程較為緩慢，碳排放量在短期內(nèi)還是呈現(xiàn)上升趨勢。究其原因是北京、天津及河北目前的工業(yè)發(fā)展處于不同階段，難以實現(xiàn)整體聯(lián)動。因此，為了加強區(qū)域經(jīng)濟一體化，需要著重關(guān)注弱勢地區(qū)工業(yè)進程，提高其行業(yè)準入門檻，淘汰落后產(chǎn)業(yè)并通過政府引導(dǎo)及企業(yè)創(chuàng)新加快工業(yè)化進程，協(xié)調(diào)北京、天津及河北地區(qū)的經(jīng)濟同步發(fā)展。

(5)提升碳匯能力，發(fā)展固碳技術(shù)。改善碳排放問題除了減少二氧化碳本身的排放量外，還可以增加造林面積發(fā)展固碳技術(shù)。具體來說，京津冀地區(qū)地處平原，擁有大量的土地資源，因此政府可以通過建立天然保護園區(qū)、提高森林覆蓋率的方式減少碳排放量；固碳技術(shù)則是通過捕捉大氣中的碳并將其安全封存在碳庫中，目前京津冀地區(qū)對該項技術(shù)的使用還不廣泛，主要應(yīng)用于大型工業(yè)排放點，因此需要政府通過資金及法律、政策相關(guān)方面的支持來引導(dǎo)發(fā)展固碳技術(shù)，優(yōu)化碳排放。