基于PSR模型和系统动力学的城市环境绩效动态评估研究
2016-06-01彭乾，邵超峰，鞠美庭
彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭
(南开大学环境科学与工程学院，天津 300071)
基于PSR模型和系统动力学的城市环境绩效动态评估研究
彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭*
(南开大学环境科学与工程学院，天津 300071)
根据PSR模型、系统动力学模型和情景仿真模拟，构建了城市环境绩效动态评估模型，定量表达了城市环境绩效的现状水平和动态发展趋势。依据天津市发展特点和资源环境概况，首先基于PSR模型构建了环境绩效评估体系，并将其与系统动力学模型相耦合，通过情景分析模拟评估了惯性情景、优化发展情景、低碳发展情景和绿色发展情景四种城市发展情景的环境绩效水平。结果表明：天津市2009-2013年环境绩效综合指数(EPI)不断上升，但始终处于“较低”等级。在四种情景发展趋势上，低碳发展情景和绿色发展情景的EPI增幅较大，均于2020年提升至“较好”等级，其中绿色发展情景最优(67.6)；而优化发展情景、惯性情景EPI增幅较小，2020年处于“一般”等级。可以看出，以中新生态城绿色发展为范式的天津可持续发展模式是高效实现“美丽天津”建设目标的最优路径。
环境绩效；PSR模型；系统动力学；动态评估；情景分析
0 引言
随着我国“两型社会”、生态文明建设的进一步强化，科学、准确和合理地评估城市可持续发展的建设效应[1]具有十分重要的意义。环境绩效评估是一种有效的可持续发展评估手段，能够对环境政策实施后所取得的效果进行阶段性的评估，从而揭示环境状况与发展水平以及环境政策质量的优劣[2]。当前，环境绩效评估研究已从微中观层面拓展到了省级、市级等区域宏观层面[3]，国际上也先后开展了多项与区域环境绩效评估相关的研究[4-6]。我国对于区域环境绩效评估的研究主要集中在：基于主题框架模型或因果框架模型的区域环境绩效指标体系构建与综合评估[3,7,8]、基于数据包络分析法(DEA)的区域环境绩效测算及相应测量模型构建与影响因素分析[9-11]、基于资源环境综合绩效指数(REPI)的区域环境绩效评估[12-14]等。但当前的研究普遍着眼于历史或现状的静态角度，缺乏对未来动态演变趋势的预测；同时，构建的区域环境绩效指标也未能与社会经济发展取得动态联系，无法定量表达经济-社会-环境复合系统之间的依赖、制约关系。系统动力学(SD)模型能够反映复杂系统结构功能与动态行为之间的相互作用关系[15]，适用于经济-社会-环境复合系统的长期、动态和宏观的定量分析和模拟研究[16]。
天津市经济发展迅猛，人均GDP已位列全国第一，然而其经济高速增长的背后仍面临着能源结构不合理、水资源短缺、空气与水环境质量过低、生态系统服务功能下降等诸多问题。为破解这些难题，天津市已陆续开展了生态市建设、低碳城市试点建设和美丽天津建设等多项政策措施，并以美丽天津建设为核心以期实现天津市的绿色、持续发展。本研究以天津市为例，从城市经济-社会-环境复合角度，构建了现状水平和动态发展趋势相结合的模型框架，提出了基于PSR模型、系统动力学模型和情景模拟分析相结合的城市环境绩效动态评估模型，评估了当前天津市环境绩效水平以及未来不同可持续发展路径下的动态发展趋势，展现了各目标情景的发展效应,为管理者提供了相关决策依据，并为我国城市环境绩效的研究和可持续发展规划提供参考。
1 研究方法
1.1 城市环境绩效动态评估框架
城市的可持续发展离不开经济循环、社会和谐、生态安全3个子系统的相互支撑[17]，城市内部各要素之间相互联系、相互影响、相互作用，形成了多层次、综合性的动态演进复杂巨系统。针对城市复合系统基本特点和可持续发展的基本理念，本文构建了PSR模型-系统动力学模型-情景仿真模拟相结合的城市环境绩效动态评估模型(图1)。首先通过PSR模型构建静态评价指标体系并以环境绩效综合指数的形式评估城市环境绩效现状水平。其次构建以PSR模型指标为基础的城市发展系统动力学模型，通过经济、社会、环境、资源、生态各子系统中压力、状态、响应指标的相互作用来模拟城市发展过程中环境绩效的未来动态演变趋势。最后，通过情景仿真模拟针对城市不同可持续发展路径和目标调节不同参数，依据系统动力学模型计算各情景下环境绩效的变化情况，并最终评估城市环境绩效水平和建设效应。
图1 城市环境绩效动态评估模型框架Fig.1 Framework of dynamic evaluation model of urban 〖〗environmental performance
本研究中所涉及的基础数据主要来源于：《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国环境质量报告》、《天津统计年鉴》、《天津市水资源公报》、《天津市环境状况公报》等以及其他规划调研资料和文献。
1.2 基于PSR模型的评价指标体系构建
1.2.1 指标体系构建 PSR(压力-状态-响应)模型已广泛应用于环境绩效评估。本文基于PSR模型原理自上而下、逐层分解，将区域环境绩效分为3个层次，每一层分别选取反映其主要特征的指标。依据系统性、科学性、政策相关性、精简有效性等指标选取原则，考虑基础数据的可得性和易量化性，在国内外环境绩效指标体系研究的基础上[3-8]，根据天津市美丽天津建设重点、区域资源环境特征和面临的发展问题，参考我国相关标准和规划，构建了天津环境绩效评估体系(表1)。
1.2.2 评估标准与权重 本文采用极值法将数据转换为[0,1]之间的数值，0代表评估时间内的最劣值，而1则代表环境绩效最优值即目标值。对于最劣值主要采用评估时间范围内天津市或全国整体水平最小值以及规划规定值；对于最优值即目标值，主要参考《国家生态文明建设试点示范区指标》、《生态县、生态市、生态省建设指标》、《中新天津生态城建设国家绿色发展示范区实施方案》、《美丽天津建设纲要》以及其他先进城市相关规划中的目标值，具体见表1。本文利用熵值法对各项指标进行赋权。熵值法是一种客观赋权法，其主要根据指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权。若某个指标的信息熵(Ej)越小，则表明该指标的变异程度大，提供的信息量多，在评价中起到的作用更大，其权重也就越大。通过把基础数据标准化后(xij)，根据式(1)计算指标的Ej，进而求得权重(wj)：
表1 天津环境绩效评估指标体系Table 1 The environmental performance evaluation system of Tianjin
标准来源：a：评估时间内全国大中型城市最小值；b：中新天津生态城绿色发展指标；c：评估时间内天津市最小值；d：国内优秀城市现状值；e：国家生态文明建设试点示范区指标；f：天津市生态用地保护红线划定规划；g：天津土地利用总体规划耕地最低保有量+发达城市建设用地比例；h：生态环境状况评价技术规范；i：国家级生态县、生态市、生态省建设指标；j：历史参考值；k：评估时间内京津冀地区最小值；l：理想值；m：美丽天津建设纲要；n：深圳低碳发展中长期规划。
(1)
(2)
(3)
式中：pij为第j个指标第i年的指标值比重，n为评价指标数，m为评价年数。
1.2.3 指标综合评价 指标综合评价以数据标准化处理和指标权重分配为基础。本文采用加权法计算环境绩效综合指数(EPI)，以表征天津当前绿色发展效果和发展效益。计算公式为：
(4)
式中：EPI为区域环境绩效综合指数，wj表示第j个指标权重，xij表示第j个指标标准化值。EPI数值越高，表明区域环境绩效水平越高，绿色发展效益越好。为了直观反映其优劣变化，本文采用等分法将环境绩效综合指数分为5个等级：“低”(0～20)、“较低”(20～40)、“一般”(40～60)、“较高”(60～80)、“高”(80～100)。
1.3 系统动力学模型构建
城市系统由资源生态环境系统支撑，由经济系统发展推动，由社会人口系统协调保障。通过建立基于PSR模型指标的城市可持续发展系统动力学模型，表达经济、社会、资源、环境、生态各子系统指标间的因果反馈联系，并依据变量间的反馈约束实现系统发展行为变化与路径趋势的动态模拟(图2)。模型使用VensimPLE软件构建系统流程图，模型边界为天津市，模拟时间为2013-2020年，仿真步长为1年。模型中经济子系统主要包括GDP和科技投入；社会子系统主要包括人口、生活质量水平和生态文明意识；环境子系统主要包括污染排放压力、环境质量状态和环境治理响应等指标；资源子系统主要包括资源消耗压力、温室气体排放压力和循环利用响应等指标；生态子系统主要包括生态胁迫压力、生态质量状态和生态保护响应等指标。其中各类响应指标如城市污水处理率等以及GDP增长率由趋势外推法确定，压力指标如能源消费量、COD减排率等由回归分析法确定，状态指标如水质达标率、森林覆盖率等以及循环利用因素、环境治理因素等由表函数确定，各调控参数如城镇化率、再生水利用进步等由历史资料和规划数据获得。
图2 天津环境绩效动态评估系统动力学模型Fig.2 The SD model coupled with environmental performance dynamic evaluation system of Tianjin
构建系统动力学模型需要对比实际系统判别其结构和行为的合理性与一致性。本文通过对2009-2013年的历史数据与系统仿真数据对比进行模型检验，以GDP和人口为例，其历史值与仿真值的相对误差均在10%以内(表2)，其他变量检验结果类似。总体来看，系统模型较为真实地反映了实际情况，可以通过检验。
表2 模拟结果检验Table 2 Testing of simulation results
1.4 情景仿真模拟
可持续发展建设的不同路径由于其规划方向和目的、针对性以及侧重点存在差异，因此其最终展现的发展特点和建设效果也不尽相同。通过不同发展方案的情景设立和对比，模拟其路径模式和规划目标下的环境绩效动态发展趋势，从而表征最后的发展效应。
根据天津市已经提出实施的生态(生态市建设)、低碳(低碳城市试点)和绿色发展(美丽天津建设)三种建设方向，结合其相应的发展对策和发展目标，本研究设立了天津市可持续发展的四种模拟情景方案，分别为：惯性情景，依据2009-2013年的历史发展趋势演变；优化发展情景，依据《天津市生态市建设“十二五”规划》[18]的建设目标，综合提升了各项措施力度；低碳发展情景，依据《深圳低碳发展中长期规划》[19]的建设目标，着重加大了能源消耗和碳排放的削减力度和增加城市碳汇等措施；绿色发展情景，依据《中新天津生态城建设国家绿色发展示范区实施方案》[20]的建设目标，在保持低碳化和生态建设投入力度的同时，进一步增强了资源循环利用力度和污染物减排力度。根据各规划的指标目标，各情景下的参数因子的选取主要通过相应规划内容直接获得或依据规划指标目标计算获得，如果参数的目标值未在规划中具体提及，则依据规划措施间接推断获得(表3)。
2 天津环境绩效动态评估结果
表3 天津环境绩效动态评估不同模拟情景主要参数Table 3 Main parameter of different scenarios of environmental performance dynamic evaluation
注：a：由规划内容直接获得；b：由规划目标计算获得；c：由规划措施间接推断。
从天津市环境绩效现状水平看(图3)，2009-2013年天津市EPI虽在不断上升,但一直处于“较低”等级。从方案层看，压力层指数持续增长，各指标指数均增长较快，只有生态胁迫指标一直小幅下降。状态层指数经历了先减后增的趋势，在2011年达到最低点。响应层指数在经历了稳步增长于2011年达到最高点后出现了小幅下滑。从天津市不同情景下的环境绩效动态发展趋势看(图4-图7)，绿色发展情景与低碳发展情景EPI均由“较低”等级上升到2020年“较高”等级，分别达到了67.6和64.9；优化发展情景与惯性情景EPI则由“较低”等级上升到2020年“一般”等级。在方案层方面，各情景EPI也均表现为绿色发展情景>低碳发展情景>优化发展情景>惯性情景。
可以看出，天津市当前环境绩效仍处于较低水平。其主要原因一是受产业结构影响，资源消费压力和国土开发强度依然很大，致使生态和环境质量尤其水环境质量很低；二是一些关键的响应措施如可再生能源占比、非常规水资源利用和受保护区比例等依然处于较低水准，甚至出现倒退情况；三是部分较高水平的响应措施还存在不稳定性和不连续性。因此，在未来“美丽天津”建设上需要进一步加大政策力度，尤其是响应措施的力度。不同发展情景的模拟结果表明，惯性情景在没有明显的政策措施下，无法实现环境效益的全面提升和天津市的发展目标。优化发展情景由于政策力度较弱，效果并不显著，不能真正解决当前的问题。低碳发展情景通过构建低碳产业体系、提高再生能源比例明显降低了能耗和碳排放水平并通过森林建设和城市绿化增强了城市碳汇和生态水平，从整体上体现了较高的发展效应。绿色发展情景则政策投入力度最大，发展方式也更为全面，在保证低碳化发展建设的同时，进一步强化了水资源循环利用能力和污染物减排力度，并加大科技投入力度，从而达到了最高的环境绩效水平。可见，以绿色发展情景的发展模式为指导是实现天津市“美丽天津”建设的高效路径。
图3 2009-2013年天津市环境绩效综合指数Fig.3 The EPI of Tianjin from 2009 to 2013
图4 不同情景EPI变化趋势Fig.4 The trends of EPI in different scenarios
图5 不同情景压力层指数变化趋势Fig.5 The trends of pressure index in different scenarios
图6 不同情景状态层指数变化趋势Fig.6 The trends of state index in different scenarios
图7 不同情景响应层指数变化趋势Fig.7 The trends of response index in different scenarios
3 结论与对策
(1)当前天津市环境绩效水平不高，2009-2013年EPI一直处于“较低”等级，依然面临着资源消耗、污染排放、生态胁迫的巨大压力，环境质量和生态质量状态依然很低，响应政策措施缺乏稳定性和持续性等问题。通过对比四种情景的发展趋势，绿色发展情景的EPI于2020年达到最高(67.6)，发展效应最显著。因此，在未来“美丽天津”建设上，应参照绿色发展情景的“中新生态城绿色发展模式”，进一步加大政策力度，促进天津转型升级，实现天津市环境绩效水平的全面提升和“美丽天津”建设的最优发展。
(2)“美丽天津”建设已开展了节能减排、环境治理、生态保护等一系列工程，然而为了实现其最高效发展，一要保持工业用水重复利用率等优势指标的稳定性和持续性，同时重视非化石能源比、环境污染治理投资、城市污水再生利用率、受保护区面积等劣势指标，保证环境绩效水平的持续提高；二要实现三次产业全面转型升级，构筑绿色安全的现代都市型农业，形成绿色化、低碳化、循环化的工业体系，提高现代服务业比重，从源头上助力节能减排；三要推进科技创新驱动，深入实施科技小巨人发展行动计划，推进信息化建设，提供完备的科技支持与保障；四要培育绿色文化，倡导绿色低碳的生活方式、消费模式，提升生态文明意识，提高居民的生活质量。
(3)本文基于PSR模型、系统动力学模型和情景分析，构建了城市环境绩效动态评估模型，将环境绩效指标融入系统动力学模拟系统，预测了天津市四种可持续发展情景的环境绩效水平，为城市环境绩效发展趋势模拟过程中所遇到的动态性、非线性等问题的解决提供了借鉴方法，也为相关的政策制定提供了指导和依据。同时，本研究在指标选取、模型构建、参数确立等方面仍有进一步优化和完善的空间。
[1] 张杨,严金明,熊浩宇.基于“两型社会”理念的武汉城市圈可持续发展综合测度研究[J].地理与地理信息科学,2014,30(4):68-72.
[2] 王金南,曹东,曹颖.环境绩效评估:考量地方环保实绩[J].环境保护,2009(16):23-24.
[3] 彭靓宇,徐鹤.基于PSR模型的区域环境绩效评估研究——以天津市为例[J].生态经济(学术版),2013，21(1):358-362.
[4] ORGANIZATION FOR ECONOMIC COOPERATION AND DEVELOPMENT (OECD).Environmental Performance Reviews (2nd Cycle) [R].Paris:OECD,2010
[5] ASIAN DEVELOPMENT BANK PROJECT SECRETARIAT.Implementation Plan:National Performance Assessment and Sub-regional Environment Strategic Framework for the Greater Mekong Sub-region.ADB/TA.No.6069-REG[R].Bangkok:ADB,2003.
[6] CARR G,COHEN A,EMERSON J,et al.2008 Environmental Performance Index[R].New York:Yale Center for EnvironmentalLaw & Policy,Center for International Earth Science Information Network (CIESIN),2008.
[7] 曹颖,曹国志.中国省级环境绩效评估指标体系的构建[J].统计与决策,2012,21(22):9-12.
[8] 张明明,李焕承,蒋雯,等.浙江省生态建设环境绩效评估方法初步研究[J].中国环境科学,2009,29(6):594-599.
[9] 张子龙,逯承鹏,陈兴鹏,等.中国城市环境绩效及其影响因素分析:基于超效率DEA模型和面板回归分析[J].干旱区资源与环境,2015,29(6):1-7.
[10] 国涓,刘丰,王维国.中国区域环境绩效动态差异及影响因素——考虑可变规模报酬和技术异质性的研究[J].资源科学,2013,35(12):2444-2456.
[11] 范丹,王维国.中国区域环境绩效及波特假说的再检验[J].中国环境科学,2013,33(5):952-959.
[12] 中国科学院可持续发展战略研究组.2006中国可持续发展战略报告——建设资源节约型和环境友好型社会[M].北京:科学出版社,2006.
[13] 智颖飙,王再岚,马中,等.宁夏资源环境绩效及其变动态势[J].生态学报,2009,29(12):6490-6498.
[14] 黄和平,伍世安,智颖飙,等.基于生态效率的资源环境绩效动态评估——以江西省为例[J].资源科学,2010,32(5):924-931.
[15] 李华,蔡永立.基于SD的生态安全指标阈值的确定及应用——以上海崇明岛为例[J].生态学报,2010,30(13):3654-3664.
[16] 卢超,王蕾娜,张东山,等.水资源承载力约束下小城镇经济发展的系统动力学仿真[J].资源科学,2011,33(8):1498-1504.
[17] 王如松,李锋,韩宝龙,等.城市复合生态及生态空间管理[J].生态学报,2014,34(1):1-11.
[18] 天津市环保局.天津市生态市建设“十二五”规划[EB/OL].http://www.tjhb.gov.cn/env/program_and_plan/planning_plan/201410/t20141022_1977.html,2012-12-31.
[19] 深圳市发改委.深圳市低碳发展中长期规划(2011-2020)[R].2012.
[20] 国家发改委.中国-新加坡天津生态城建设国家绿色发展示范区实施方案[R].2014.
Study of City Environmental Performance Dynamic Assessment Based on PSR Model and System Dynamics
PENG Qian,SHAO Chao-feng,JU Mei-ting
(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China)
According to Pressure-State-Response model,system dynamics model and scenarios simulation,a dynamic evaluation model of city environmental performance is built to describe the current level and dynamic trends of urban environmental performance in a quantitative way.Firstly,based on the characteristics of economic development and environmental and resources situation of Tianjin,the environmental performance assessment system is constructed by using PSR model.Secondly,it′s coupled with the system dynamics model to simulate development of the city.Finally,four development scenarios are set up:inertia scenario,optimized scenario,low-carbon scenario and green scenario.And through scenario simulation,the trends of environmental performance index in different scenarios are simulated to express the dynamic changes of city sustainable development in different ways.The evaluation results show that the EPI of Tianjin has been increasing from 2009 to 2013,but it′s still in "low"level.The simulation of EPI trends of four scenarios show that the EPI ranking of four scenarios is:inertia scenario environmental performance;PSR model;SD model;dynamic assessment;scenario analysis 2016-03-11； 2016-04-13 国家科技支撑计划课题“村镇环境评价与预警平台建设”(2012BAJ24B04) 彭乾(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为环境规划与管理。*通讯作者E-mail:jumeit@nankai.edu.cn 10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.022 X24 A 1672-0504(2016)03-0121-06
