基于系统动力学的资源型城市经济-产业-环境协调发展研究——以长治市为例

薛卫峰

（吕梁学院，山西 吕梁 033000）

一、引言

自然资源为经济社会的发展奠定了基础，伴随着自然资源的开发和利用，自然资源的开发和利用也成为了一些城市的主导产业，这些城市被称为资源型城市[1]。而随着自然资源的大量开采，资源型城市在资源相关产业方面优势就会失去，据国土资源部统计，我国现有各类资源型城市118个，而确定为资源枯竭型城市有69个，比例接近60%[2]。对于资源型城市来说，面临着经济发展、产业结构和环境污染之间的深刻矛盾，表现在两个方面。一方面随着资源的日益枯竭，资源型城市中的资源产业对城市经济发展贡献度逐渐减小，使城市经济总量不足和居民收入降低；另一方面，以第二产业为主导的资源型城市长期发展带来了严重的环境污染，环境库兹涅茨曲线（EKC）表明城市由于环境污染，后期会造成经济停滞不前，甚至出现负增长。因此，处理好经济发展、产业结构和环境污染之间的关系，对于资源型城市转型具有重要的意义。

对资源型城市经济-产业-环境协调发展，国内外很多学者进行了研究。Shafik等[3]、Selden等[4]通过计量经济学方法，对部分城市的经济增长与环境污染之间的关系进行了研究，表明环境污染在一定程度上阻碍了经济的发展。Kaufmann等[5]通过利用环境库兹涅茨曲线对不同地区的产业发展与环境污染之间的关系进行了研究，指出不同地区的环境库兹涅茨曲线会由于城市经济和产业发展程度呈现不同的斜率。我国学者宋涛[6]、许广月[7]、宋马林[8]等，运用计量经济学方法或者环境库兹涅茨曲线等方法，基于全国或省级面板数据，选取经济、产业和环境方面不同的指标进行研究，得出一些结论，为资源型城市转型发展提供了一定的借鉴意义。但是，以上学者只是从计量经济学、环境库兹涅茨曲线等进行了研究，大部分针对的是全国或者省级层面，然而从系统论方面来看，资源型城市的经济发展、产业结构和环境污染是相互联系的，因此，本文试图用系统动力学方法针对特定城市对三者关系进行研究，以期对资源型城市转型发展提供针对性的政策建议。

二、研究区和研究方法

（一）研究区：长治市

长治市地理位置在太行山南段，位于山西省东南部，长治市周边被太岳山、太行山所环绕，称为“上党盆地”和“沁潞高原”。长治市多山地、丘陵，分别占长治市总面积的33.4%和50.7%。长治资源丰富，地下矿藏达40多种，煤炭和铁矿石非常丰富，又被称为“煤铁之乡”，煤炭资源储量为906亿吨，探明储量为242.9亿吨。长治市旅游资源丰富，有太行山大峡谷等太行山水、上党门等名胜古迹、八路军太行纪念馆等红色旅游资源。2016年长治市GDP总额为1 269.2亿元，比上年增长4.6%，一、二、三产业比重分别为4.7%、51.0%和44.3%。作为成熟型资源城市，长治在转型发展中面临很多问题，产业结构不合理，重工业比重过大阻碍了城市转型发展，由于在发展过程中，资源消耗过大，造成严重的环境问题，各类污染物排放急剧上升，更为转型发展带来了很大压力[9]。

（二）研究方法：系统动力学方法

系统动力学（System Dynamics，简称 SD）最初是由麻省理工学院的J.W.Forrester教授提出的，综合了系统方法论、信息论、决策过程理论、反馈控制理论、计算机仿真技术等多种理论，适用于解决长期性、周期性问题，对数据及处理精度要求不高，特别强调有条件的预测，被广泛用于解决高阶次、非线性、多反馈回路的动态复杂系统问题，享有现实社会经济系统的“政策实验室”的称誉[10]。

三、模型构建

（一）主要模块

1.经济发展模块。在经济发展模块中，GDP和人口数量作为水平变量，也是经济模块中的核心变量，其他因素作为一般变量，GDP增长量减去环境损失量得到GDP净增长量，人口方面变量通过人均GDP与经济方面变量相联系，GDP环境损失率作为沟通环境模块与经济模块的中介变量，如图1所示。

图1 经济发展模块

2.产业发展模块。产业结构是资源型城市发展的重点，由于碳排放与产业密切相关，因此把碳排放纳入了产业发展模块，在产业模块中，包括产业发展和能源消费碳排放，能源消费总量和碳排放量作为水平变量，产业结构的变化可以影响工业增加值和能源消费，进而影响碳排放，工业增加值作为联系环境模块的中介变量，如图2所示。

图2 产业发展模块

3.环境污染模块。环境污染是资源型城市转型的主要障碍，环境污染模块主要包括二氧化硫排放、工业废水排放、工业固体废弃物排放和工业烟尘排放，其中二氧化硫排放量、工业废水排放量、工业固体废弃物排放量和工业烟尘排放量作为水平变量，其他变量作为一般变量，如图3所示。

图3 环境污染模块

（二）主要方程和参数

利用上文中的模型对长治市经济-产业-环境系统进行模拟，其中外生变量和参数的取值以长治市2006—2016年的数据为基础，步长为1年，时间边界为2006—2030年，采用趋势外推法得出各变量的变化趋势，进而进行仿真模拟。由于模型中参数变量很多，涉及的数学表达式总数达到50多个，其中绝大多数根据模型变量间的关系很容易得出，篇幅限制，不再详列，此处仅列出模型的主要方程和参数，包括：

（1）人口总数量＝INTEGER（人口净增长量，325.179）单位：万人

（2）人口净增长率＝4.36‰ 单位：‰

（3）能源消费总量＝INTEGER（能源消费变化量，1331.2） 单位：万吨标准煤

（4）碳排放量＝INTEGER（碳排放变化量，905.216） 单位：万吨

（5）GDP＝INTEGER （GDP净增长量，460.4）单位：亿元

（6）工业增加值=1.056*第二产业产值-65.04单位：亿元

（7）固定资产投资 =1.131*GDP-407.343 单位：亿元

四、仿真结果分析

（一）技术进步

资源型城市转型方面的技术进步主要体现在碳排放技术进步和亿元产值污染物排放减少，本文针对技术进步仿真结果如图4所示。

图4 技术进步下碳排放量和碳排放强度变化

从图4可以看出，当碳排放技术进步从0.5上升到1时，长治市碳排放量和碳排放强度呈现明显下降的趋势，以2030年为例，碳排放基准仿真值和技术进步仿真值分别为24 561.2和16 341.2万吨，碳排放强度15.36和10.22万吨/亿元。

从图5可以看出，由于技术进步的因素，当每亿元产值的二氧化硫、工业废水、工业烟尘和工业废弃物排放下降30%，那么环境损失量将会下降。从图6可知，当每单位的二氧化硫、工业废水、工业烟尘和工业废弃物处理成本下降30%,环境损失量会有较大的降幅，并且单位污染物处理成本下降对环境损失量的影响要大于每亿元产值对环境损失量的影响。

图5 亿元产值和单位污染物成本技术进步下环境损失量变化

（二）产业结构

产业结构作为资源型城市转型的重要方面，产业结构优化有利于减少环境污染物的排放和减少能源消费，本文模拟第三产业增加20%对资源型城市的影响。

从图6可以看出，随着产业结构优化带来的能源强度下降，城市能源消费下降，环境损失量也大幅度下降，仍以2030年为例，能源消费基准仿真值和产业结构仿真值分别为2 767.4万吨标准煤和1 855.2万吨标准煤，环境损失量基准仿真值和产业结构仿真值分别为28.97亿元和10.84亿元。

图6 产业结构优化下能源消费总量和环境损失量变化

（三）环保投资

随着环保压力的增大，增加对环保的投入也是资源型城市面临的一大压力，本文模拟在环保投资增加50%的情况下，对资源型城市的影响。

从图7可以看出，增加对环境污染治理的投资，一方面减低了环境损失量，2030年环境损失量基准仿真值和环境投资仿真值分别为28.97亿元和27.3亿元，另一方面，虽然增加环境投资会降低经济增长，但是环境损失费下降，因此，GDP仍然有一定幅度的增长，2030年GDP基准仿真值和环境投资仿真值分别为1 602亿元和1 656亿元。

图7 增加环保投资情况下环境损失量和GDP变化

五、结论

本文应用系统动力学方法对资源转型城市可持续发展问题进行了研究，建立了资源型城市转型发展的系统动力学模型，定量分析了长治市在转型过程中环境保护、产业结构等方面的问题，对长治市经济社会发展的指标进行了仿真和预测，经过上述分析，本文结论如下：

（一）加大技术进步有利于资源型城市转型

在资源型城市转型发展过程中，加大技术进步特别是在环保方面有利于降低城市发展的碳排放和环境污染水平，有利于降低资源型城市转型发展过程中的压力，还能培育新的经济增长动能。

（二）调整产业结构有利于资源型城市可持续发展

产业结构作为经济发展的重点，不仅有利于后工业化时期保证经济增长，还有利于降低资源型城市重工业的比例，减少能源消费和碳排放，降低环境污染水平，有利于资源型城市的可持续发展。

（三）增加环保投入有利于资源型城市实现双赢

环境保护越来越成为城市发展的重要方面，虽然增加环保方面的投入会在一定程度上降低经济发展的速度，但是环保作为考核城市的硬指标，发展到一定程度会对经济增长产生很大的负面影响，争取在环保投入和环境治理之间找到恰当的平衡点，实现环境保护和经济发展的双赢。