基于系统动力学的生态工业系统模型构建——以南通经济技术开发区为例

王瑾,钱新,钱瑜

(1.污染控制与资源化研究国家重点实验室 南京大学环境学院,江苏 南京 210093;2.山西农业大学 资源环境学院,山西太谷 030801)

在现代工业的发展过程中,人们将制造更多物质产品称作“效率”,这种效率使得经济规模越来越大。而产业生态系统是将生产技术革新带来的物质利用及污染治理效率最大化的生态效率作为系统设计目标[1],忽视了一系列环境综合管理,产业系统整体效率不高。特别是以工业为主导产业的经济技术开发区生态工业网络效率问题已成为发展瓶颈。为了发展循环经济,实现系统效率,有必要模拟现有发展模式下系统发展趋势,以期为系统战略管理综合调控提供有效的依据。南通经济技术开发区是苏北的主要经济集聚区,每年吸引大量的企业进驻,已形成功能开发和成片开发的格局。通过产业共生关系的建设,开发区基本实现工业系统生态网络化及生态效率的提高。然而随着经济开发总量的扩张,生态化规模、强度和稳定维护机制面临巨大的资源环境压力,一些非循环效应也由于在发展初期管理和决策不完善暴露出产业格局、定位的不生态化,而阻碍开发区循环经济建设。产业升级仅仅依靠物质利用效率的提高已远远不够,急需进行开发区层面的产业管理系统调控。

近年来,运用系统动力学(SD)模型进行区域研究成果逐渐增加,应用范围扩大,主要涉及宏观经济发展模型、区域生态-环境-资源模型、工农业发展模型等,它集系统论、控制论和信息论为一身,融汇了组织管理理论的精髓,并采用计算机模拟技术,对于认识和处理高阶次、非线性、多重反馈的时变系统是一种极为有效的工具[2]。国内王灵梅[3]对朔州火电生态工业园仿真模拟;戴永立[4]等对城市开发新区社会经济发展战略研究;杨养峰[5]在锦界生态工业园水资源系统的仿真;张立菠[6]等对汽车产业管理决策建模研究,都采用了系统动力学方法。国外[7～9]在水资源管理、珊瑚礁综合管理等方面也应用系统动力学建模仿真未来发展情景。因此,本文基于开发区产业系统特征,针对开发区综合管理的需求,结合SD在区域研究中的优势,建立了南通经济技术开发区生态工业系统管理模型。

1 开发区生态工业模型构建

1.1 研究地区

南通经济技术开发区是首批国家级开发区,行政区划范围约146.98 km2,实际开发范围为46.4 km2。总人口近13万人,与上海、苏州隔江相望,是中国的“江海门户”。近几年开发区生态化建设取得了较好成绩,经济运行质量显著提高,近5年GDP年均增速达27.72%。由于有很多企业都是外商投资或独资项目,整体清洁生产水平较高。目前入区企业各项目生产技术、单位产品物耗、能耗、产排污量、水资源利用情况均符合各行业的清洁生产要求。开发区已经先后形成多条互为上下游的产业链关系,2005年园区通过ISO14000环境管理体系认证,建立管理体系的工业污染企业比率达25%,但本区是一个以港口、石化、仓储、纺织印染、精细化工、电子等高新技术为主体的综合园区,工业类型属于化工、印染等的企业比重达48%,全区整体单位产污量偏高,水耗能耗较大。能源、新鲜耗水强度及主要污染排放量以年均30%递增[10]。随着开发区循环经济发展模式推进,生态工业理念已扩展到设计、功能、结构、模型和绿色供应链管理等多方面,其中开发区层面的生态工业综合管理是实现产业系统优化调控的有效途径。开发区进行了循环经济管理决策系统的开发研究。

1.2 系统反馈关系

工业经济增长的负面影响是资源消耗和污染物排放不断增加,以至对经济产生反作用,使生态效率降低,环境压力增大。污染排放与污染治理量有关,污染物处理量提高,环境污染就会相应减少,对经济增长的限制和约束作用也会降低;自然资源(水资源、土地资源、能源)的消耗和经济成本有关,在经济飞速增长、资源消耗量急剧增长的情况下,经济增长对资源高效利用依赖程度越来越高。基于这一思想建立了开发区生态工业系统反馈关系,如图1。其中正、负反馈关系分别用“+”、“-”表示。自然水平表明当前形势是在高速经济发展压力下循环经济系统存在潜在问题,资源消耗增大和污染的环境恶化;SD模型水平是仿真循环经济发展下,资源消耗和污染排放(基于自然水平研究)的影响。

1.3 SD模型结构

利用SD建模得出的结论不仅来自模型的最终计算结果,而且还来自模拟过程中通过各阶段迭代所得到的认识。依据各子系统的相互联系、相互制约及动态变化特征构建开发区生态工业系统SD模型,模型包含状态变量、速率变量、辅助变量及常量。模型结构包括:经济产出模块(图2),表示工业投入与工业产出的关系,探讨该开发区经济生产部门在环境条件(资源、污染排放)限制下合理的发展速度和产业关系;物质消耗模块(图3),研究开发区物质投入等增长机制,探讨在经济发展和环境条件限制下,开发区的物耗适度规模和控制策略;综合集成模块(图4),探讨生态工业发展模式下,产业生态网络度和生态管理因子对物耗和经济产出的影响;污染控制模块(图5),主要研究污染排放的发生处理机制,探讨一定的工业发展速度、投资水平下污染排放与经济产出的关系。

图1 开发区生态工业系统因果反馈关系图Fig.1 Feedback chart of the eco-industry system

图2 经济产出系统流图Fig.2 Flow chart of Economic output subsystem

2 模型检验

2.1 系统模型说明

模型中的参数有常数值、表函数、初始值等。模型参数的确定主要方法有:利用历史统计资料取平均增长率;根据参数性质选定不同类型公式按比例推算;用回归法确定参数和方程。模型中大量使用了表函数和条件函数,方便有效地处理了众多的非线性问题和不确定因素。对于初始值采取拟合历史数据和初始化处理等方法。模型仿真步长取为DT=l年,经对模型进行测试后认为,模型未出现失真及振荡现象,这表明步长选取合理可行。

图3 物质消耗系统流图Fig.3 Flow chart of M aterial consumption subsystem

图4 综合集成系统流图Fig.4 Flow chart of Comprehensive integration subsystem

图5 污染控制系统流图Fig.5 Flow chart of Pollution control subsystem

2.2 各子系统主要公式

社会固定资产投入=INT EG(投资增加,50.13)

投资增加=社会固定资产投入×投资增长率

投资增长率=0.418 960+0.139 056×投入产出比-0.174 233×污染排放指数

科技投资因素=WITHLOOKUP(科技投资对物质消耗影响([(0,0)-(20,1)],(0.1,0.9),(1,0.8),(2,0.7),(3,0.6),(4,0.5),(6,0.45),(8,0.4),(12,0.3),(15,0.2),(18,0.1),(20,0.05))

工业增长率=科技投资因素0.25×经济因子0.25×生态效率因素0.25×环保投资因素0.25

②模块(图3)主要公式有:

新鲜耗水=INTEG(新鲜耗水×耗水增长率-中水回用,1934.05)

耗水增长率=初始水耗增率×科技投资因素

初始水耗增率=0.302

单位工业增加值水耗=新鲜耗水/工业增加值

③模块(图4)主要公式有:生态效率因素=生态网络度0.5×生态管理0.5生态管理=产品层次0.3×布局因子0.1×企业层面0.3×园区管理0.3

生态网络度=园区资源化率0.2×物质聚合度0.3×污染治理聚合0.3×产业关联度0.2

物质聚合度=土地聚合0.2×水聚合0.3×能聚合0.3×劳动力效率0.2

园区资源化率=产业关联度×企业平均资源化率

产业关联度=产业链条/[(产业链企业数量-1)×产业链企业数量/2]

④模块(图5)主要公式有:

污染治理聚合=[(1/工业万元SO2排放)+(1/万元COD排放)+(8/万元废水排放)+(0.1/万元固废产生)]/4

污染排放指数 =(废水指数+固废指数+COD指数+SO2指数)/4

COD排放量=INTEG(COD排放量×COD增率,1025.6)

COD增率=初始COD增率×环保投资因素初始COD增率=0.32

COD指数=COD排放量/1025.6

万元COD排放=COD排放量/工业增加值

2.3 历史仿真检验

对系统模型检验的目的是验证所建立的模型是否较好地反映系统的本质特征和某些主要特征。由于该开发区2000年后发展迅速,生态工业建设取得一定成绩,以经济产出模块社会总投资和工业增加值为例,验证模型是否有效代表实际系统。验证起始年为2002年,2006年为止,时间5年。系统模型检验结果如表1。所有误差都小于10%,说明建立的模型仿真有效[2],能够代表现有生态工业系统发展趋势。

表1 模型仿真输出与历史数据比较/亿元Table 1 Comparison of model output with reported data/billion yuan

3 仿真模拟

3.1 现状模拟

在未改变任何参数的情况下进行仿真模拟,模型参数如表2,基础调控参数为2005年数据,仿真时间为2006～2020年,仿真命名为base。在建立的SD模型基础上运行后,可模拟生态工业动态系统,得出相关变量的模拟曲线。通过建立开发区生态工业系统模型系统流图及vensim_DSS软件进行仿真,该软件具有根据初始条件自动动态仿真功能。

表2 模型参数值Table 2 Values of parameters

3.2 模拟结论

开发区规划远期污水处理规模满足废水产生增长需要,实施中水回用抑制新鲜耗水投入增加;物质消耗、污染排放系统受科技投入和环保投入双重影响。

(1)开发区循环经济系统输出变量包括工业增加值A1、废水产生量 A2、SO2排放量 A3、一般废物产生A4、COD排放量A5;输入变量包括职工人数 B1、综合能耗 B2、新鲜耗水B3、土地占用 B4、社会固定资产投入B5,见图6。由于开发区投入土地资源增加,循环经济系统的输入输出总量呈现增长趋势,但物质消耗和污染排放增长速度逐渐减缓;现有社会投入对产出GDP的影响表现为投入产出比呈S形增长,工业增长率受环保、经济、科技、系统生态效率因子影响,呈先增后减趋势。

(2)在开发区循环经济发展模式下,需要了解和评估系统发展状态,选取投入产出比C1、物质消耗聚合度C2、污染控制聚合指数C3、污染排放指数C4、生态效率C5为监测变量,结果见图6。现有环保科技投入下,单位工业增加值产污量、物质消耗量减少,系统生态效率也持续增加,但污染排放总量增幅6.91倍,环境压力很大。

图6 模型仿真系统变化Fig.6 System performances under physical level scenario

(3)按照理想的开发区工业系统生态化模拟,开发区系统的输入输出呈倍数增长趋势,见表3。输出变量工业增加值增幅25.38倍,说明循环经济系统将取得明显的工业经济效益;一般废物产生量增幅17.08倍,说明今后系统固体废物的综合利用是开发区循环经济的首要减量对象。输入变量增长幅度最大的是职工人数,说明开发区循环经济系统能创造更多的就业岗位;系统输入输出增幅下降,十二五比十一五期间,每五年的平均增幅由3.24倍降为1.69倍,十三五降为1.03倍。

表3 系统输入输出仿真Table 3 System dynamic simulations performances

4 讨论与展望

应用系统动力学建立南通市经济技术开发区循环经济系统模型进行动态仿真,可以预测现有技术、政策水平下,开发区系统输入输出变化趋势,同时监测系统效率变量,发现系统存在的潜在问题。系统动力学最重要的特点就是能模拟不同策略下系统的动态变化过程和发展趋势。因此,对开发区循环经济系统决策支持系统开发中模型库的研发只是刚刚开始。我们可以应用这种方法对循环经济系统效率进行多方案设计和分析,从而更好地为决策提供依据。

下一步可以通过改变模型的可控变量的输入值,实现开发区循环经济系统多情景仿真模拟,其目的是达到系统满意程度。任何政策的实施都能进一步接近系统目标满意值,根据生态化目标可制定近期政策组合方案,达到系统目标满意值。因为系统中因素的可控变量范围有限,复杂控制需要对两个以上变量同时控制才能达到满意值。按照设计的战略调整系统变量和管理上的规划,这样决策,既能单独评估策略,又能提供强有力的决策支持。

[1]王如松,杨建新.产业生态学:从褐色工业到绿色文明[M].上海:上海科学技术出版社,2002:4.

[2]贾仁安,丁荣华.系统动力学——反馈动态性复杂分析[M].北京:高等教育出版社,2002:7.

[3]王灵梅.火电厂生态工业园研究[D].山西大学,2004.

[4]戴永立,郭怀成,刘永,等.城市经济开发新区社会经济发展战略分析[J].中国环境科学,2004,24(5):627-631.

[5]杨养锋,薛惠锋.能源重化工工业园环境系统动力学仿真与调控[J].生态学报,2007,27(9):3802-3812.

[6]J F Wang,H P Lu,H.Peng.System Dynamics Model of Urban Transpo rtation Sy stem and Its Application[J].J Transpn Sy s Eng&IT,2008,8(3):83-89.

[7]Y C Chang,F W Hong,M T Lee.A system dynamic based DSS for sustainable coral reefmanagement in Kenting coastal zone[J].ecological modelling,2008:211,153-168.

[8]X.H.Zhang,H.W.Zhang,B.Chen b,etc,Water resources planning based on complex system dynamics:A case study of Tianjin city[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2008,13:2328-2336.

[9]Alexandre de C.Leal Neto Luiz,F.L.Legey.A Sy stem Dynamics Model for the Environmental Management of the Sepetiba Bay Watershed[J].Environ Manage,2006,38:879-888.

[10]南通经济技术开发区回顾性环境影响报告书[Z].南通经济技术开发区管委会,2008.