城市环境基础设施系统效益优化研究——以天津为例

◎文/陶志梅 张 楚

一、城市环境基础设施效益SD模型

（一）城市环境基础设施效益的机理分析

环境基础设施作为城市生态环境的重要支撑，具有必不可少的、不可替代的环境效益。建设环境基础设施需要投入巨大的资金成本，并且较难产生直接的经济效益。但是缺乏完善合理的环境基础设施，会导致用更大的经济成本去治理污染，还会对居民的生活环境质量产生恶劣的影响，比如威胁饮用水的安全和损害身体健康。

环境基础设施内部各子系统的效益共同构成了环境基础设施系统的整体效益。城市人口聚集和工业经济繁荣时，会产生大量的生活废物和工业废物。废气、废水、固废的大规模排放都会给城市生态环境带来负面影响。不同的环境基础设施可以产生不同的环境效益弥补这些负面影响。废水处理设施通过分离去除污水中的有毒、有害物质，使水资源得到净化。固废处理设施通过处理废物产生环境效益，它收集城市日常垃圾并集中处理，控制了固废的污染，减少了固废对城市自然环境的负面影响。园林绿地系统提高了城市的绿地覆盖率，通过吸收天空中的污染物和有害物质来改善空气质量，具有净化空气和调节气候的环境效益。各子系统的环境效益有机地结合在一起，共同构成了城市环境基础设施的效益。

（二）环境基础系统流图

环境基础设施在城市中主要发挥防治污染和美化环境的作用，因此本文主要从废水处理、固废处理、废气处理和园林绿化四个层面进行变量的选取与方程的构造。模型的流图如图1所示。

二、以天津为例

（一）模型边界及系统参数确定

为了便于研究，模型中使用了天津的行政区划。仿真时间范围为2009—2030年，时间步长为1年。其中模型输入的历史数据时间范围为2009—2018年， 以2009年作为仿真模拟的基准年。

本模型参数主要来源于《中国环境统计年鉴》和《天津统计年鉴》。

（二）模型有效性检验

本模型选取天津GDP作为主要的历史值检验指标，并利用2009—2018年共10年的历史数据进行有效性检验。表1为天津GDP的模拟值与真实值的检验结果。

由表1可以看出，2009年至2018年间天津GDP的模拟值与实际值的误差率都控制在10%以内，说明本模型设计符合仿真模拟的需要，可以为后续的情境仿真分析提供有效判断。

（三）情境模拟

1.情境1：节能减排

在这一政策情景下，须对 “机动车对氮氧化物污染贡献系数”这一变量进行调整，模拟出未来一段时间范围内天津氮氧化物排放量的变化趋势，仿真结果如图2所示。

图1 城市环境基础设施系统的SD模型

表1 天津GDP模拟值与真实值检验结果（万元）

图2显示出，以本模型中机动车对氮氧化物污染贡献系数的初始值为基础，数值由3.27降低为2.27，根据氮氧化物排放量的预测趋势可看出：当实施机动车节能减排政策时，城市的氮氧化物累积排放量将低于实际水平，空气污染减少，城市的环境基础设施效益也会相应提升；由表2可以看出，坚持节能减排，不需要额外的环保资金投入，2021—2030十年间氮氧化物排放量平均每年减少38999.18吨,环境基础设施效益平均每年增加0.172。

图2 节能减排情境模拟

2.情 境2：增 加 环 境 基础设施投资

近年来，天津环境基础设施投资占GDP比例有逐年下降的趋势。在此政策情境下，则要提高“环境基础设施投资占GDP比例”这一变量的数值，模拟出未来一段时间范围内天津环境基础设施投资的变化趋势，仿真结果如图3所示。

图3 增加环境基础设施投资情境模拟

表2 情境1仿真对比分析结果

图3显示出，以本模型中环境基础设施投资占GDP比例的初始值为基础，整体增加0.1%，根据环境基础设施系统的变化趋势可看出：当增加环境基础设施系统的投资时，建成区绿地率、废水处理率、固废处理率与目前同期水平相比都有了很大提升，这三个指标的提升带动了整个环境基础设施系统效益的提升；由表3可以看出，2021—2030十年间固废处理率平均每年提升0.9%，废水处理率平均每年提升13.2%，建成区绿地率平均每件提升17.8%，环境基础设施效益平均每年提升0.319。

3.情境3：增加科技投入

近年来，R&D经费占GDP比例的平均增长率为0.13，在此情境下，假设R&D经费支出的增长率提高，模拟出未来一段时间范围内天津二氧化硫排放量的变化趋势，仿真结果如图4所示。

图4 增加科技投入模式

图4显示出，以本模型中R&D经费支出的初始值为基础，整体增加0.26%，根据二氧化硫排放量和环境基础设施效益的变化趋势可看出：不断提升改变R&D经费占GDP比例时，二氧化硫排放量也相应的整体下降对空气的污染率也随之减轻，有利于提升环境基础设施效益；由表4可以看出，2021—2030十年间，二氧化硫排放量平均每年减少20197.58吨，环境基础设施效益平均每年增加0.089。

表3 情境2仿真对比分析结果

表4 情境3仿真对比分析结果

四、结论及政策建议

（一）结论

本文基于系统动力学的特点以及系统动力学在解决复杂的大型系统问题中的优势，从宏观层面构建了城市环境基础设施系统的系统动力学模型，反映了环境基础设施系效益与系统内外部各影响因素之间的相互作用关系。模型中输入了天津2009—2018年十年的统计数据进行仿真模拟，分析预测了不同的情境下城市环境基础设施系统的效益水平，可为选择合理有效的策略提供一定的参考。

天津三废的排放量较大，尤其是废水处理率并没有达到理想状态，平均水平低于90%，环境基础设施效益依旧有提升的空间，美丽天津建设任重道远。2021—2030年，坚持节能减排，氮氧化物排放量平均每年减少38999.18吨；持续增加环境基础设施投资，固废处理率平均每年提升0.9%，废水处理率平均每年提升13.2%，建成区绿地率平均每件提升17.8%；增加科技投入，二氧化硫排放量平均每年减少20197.58吨。

（二）政策建议

1.提倡节能减排的绿色生活方式。节能减排政策对于控制和减轻城市空气污染，提升城市空气质量优良率，优化环境基础设施系统效益是非常有效的途径。一方面，有关部门应高度重视机动车尾气排放的问题，严格执行机动车尾气排放标准，对超标排放的机动车予以整治，要加强化石能源管理力度，确保机动车所使用的燃料符合国家的排放标准。另一方面，要进一步推动新能源和清洁能源的使用，还要加强节能减排及绿色出行方式的宣传力度，鼓励市民购买清洁能源车辆，提倡乘坐公共交通工具，减少机动车的使用。

2.加大环境基础设施的投资力度。环境基础设施的健全和完善有利于同时提高废水、废气、固废的治理效率，增加城市园林绿地面积，优化环境基础设施系统效益，提高城市的生态环境质量。有关部门应多渠道筹措环境基础设施投资资金，引导更多社会资本进行环境基础设施投资建设和经营，缓解政府一次性资金投入的压力。还应把握适度超前，使环境基础设施投资大体上能与城市发展对它的需求相适应，既不要出现明显的瓶颈制约，也不要出现严重过剩。

3.增加科技投入，提高废气治理效率。技术进步能够直接提高废气污染物治理效率，同时促进环境基础设施系统效益的优化。科技的进步一方面可以为产业发展提供技术支持，逐渐淘汰高污染、高消耗的化石能源工业企业，转而发展绿色低碳、清洁高效的新型企业，从源头上减少废气污染物的排放。另一方面，增加科技投入能够研制出更先进的废气处理设施以及技术来进行废气处理。例如提高脱硫技术的应用可以直接减少二氧化硫排放量，继而废气污染物治理效率可以得到提高。因此，要从根本上解决大气污染问题，就应注重先科技投入，做好新技术研发及创新工作，切实提升环境治理的科技水平。