基于能源承载力的区域发展路径模拟——以北京市为例

聂青云，赵振宇，郭润凡

（1. 华北电力大学 新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206；2. 四川大学 商学院，四川 成都 610041）

在能源消费和碳排放问题日益严重的背景下，推动我国能源结构转型与低碳经济发展仍是一项重要任务，它在对区域能源承载系统带来重要影响的同时，也对其提出了更高的要求。因此亟须针对区域能源承载系统，研究它所能承受地区发展的最大负荷。于是本文引入了“能源承载力”的概念，它能够作为一个地区能源承载系统可持续发展能力的衡量标准。

此外，新形势下区域能源承载力的发展将呈现新特点。而北京作为首都，要实现城市能源低碳绿色发展，对能源承载力进行科学评价、预测其发展趋势，并制定科学的可持续发展路径具有重要意义。因此，本文针对北京市能源承载系统发展现状，量化研究其能源承载力变化，并制定不同政策情景模拟承载力趋势，为北京地区能源可持续发展能力的量化分析和确定能源承载力约束下的发展路径提供参考。

“承载力”原指物体不被破坏所能承受的最大负荷，随着对各种自然资源和社会资源稀缺性问题研究的深入，学界开始将承载力这一概念运用到环境、资源、人口、生态等领域中，并在承载力指标体系的构建、量化分析方法以及承载力运用方面取得了一些成果。在指标体系构建方面，承载力各子系统[1]、资源的供给和需求角度[2]、支撑力—压力—弹性力[3]是较为常见的指标选取维度，在建立承载力指标体系时还需单独考虑对承载能力及人类活动具有强烈限制作用的敏感性指标[4]。在承载力量化分析方法方面，生产函数[5]、能值分析方法[6]、TOPSIS法[7]、主成分分析[8]、DEA模型[9]、系统动力学模型[10]等方法得到了广泛应用。在承载力运用方面，不同学者利用承载力评估结果对地区产业发展与经济增长路径[11]、城市化模式选取[12]等开展探讨研究。目前，对承载力问题的研究主要集中在区域环境、资源、生态、人口等方面，针对区域能源系统可持续发展方面的承载力研究还明显不足，其中，皮庆等[13]将能源承载力作为系统动力学模型中的一项因子进行定量分析，但未考虑其能源承载力众多影响因素的耦合性，而潘苏楠等[14]对能源约束下的区域经济可持续发展路径进行探索。本文将从一个新的视角，在考虑能源承载系统及能源承载力影响因素复杂性的基础上，进行能源承载力的量化研究，据此评估区域可持续发展路径实施效果。

本文首先对能源资源、经济发展、社会发展和生态环境四个子系统进行协同关系分析，基于系统动力学模型和北京市基础数据，结合子系统内部和系统间要素影响机理，构建北京市能源承载系统流图，并从投入和产出角度利用超效率SBM模型对北京市2005—2017年能源承载力进行量化研究，使能源承载力的定量分析更为科学；并针对性地设定不同发展情景，作为发展路径仿真途径，分析北京市2018—2035年能源承载系统中的重要因素及能源承载力变化趋势，为能源承载力约束下的发展路径制定提供策略建议。

1 研究理论与模型构建

1.1 区域能源承载系统影响机理分析

根据已有研究，可将“区域能源承载力”定义为：在一定的能源开发和利用技术条件约束下，某区域在一定时期内能源承载系统保证当地可持续发展的能力[13]。所谓“可持续发展的能力”即在保证一定的服务品质和生活水平的条件下，可供区域生产和消费活动使用的能源量，以及当地对能耗排放污染物的容纳和处理能力。

1.1.1 系统边界分析及假设

区域能源承载系统属于开放的多输入多输出系统，与能源资源、社会、经济和生态环境相互支撑、相互制约，其运行目标是在能源、经济、社会和环境协同下实现可持续发展。因此，本文将区域能源承载系统分为能源资源、经济发展、社会发展和生态环境四个子系统，在政策调控以及各子系统各要素之间相互作用下协调发展。

1.1.2 子系统协同关系分析

（1）能源资源子系统。能源资源是经济社会发展的基础动力，而经济社会的发展能够为能源资源的开发和利用提供资金投入、并改善能源利用结构和效率；同时，能源消费会给生态环境子系统带来负面影响，制约能源资源的开发利用。在能源资源子系统中主要考虑能源消费总量、能源消费结构、能源利用效率和能源供给能力。

（2）经济发展子系统。经济是整个区域发展的驱动力，它能够为能源资源系统及社会发展系统提供资金，推动技术进步，改进能源利用效率与能源消费结构；与此同时，环保投资能够改善生态环境系统状况，支撑区域能源承载系统可持续发展。在经济发展子系统中主要考虑GDP生产总值、人均GDP及产业结构等要素，分析与其他系统的耦合关系。

（3）社会发展子系统。社会是经济发展的正向反馈，但社会压力过大会制约经济发展；社会发展能够改善能源利用现状，同时受制于能源资源的有限性；社会发展的非期望产出给生态环境系统带来压力。在社会发展子系统中主要考虑人口总量、人均能耗及技术进步等要素。

（4）生态环境子系统。生态环境在区域能源承载系统中起到约束作用，它决定经济发展的上限，为社会发展提供生存环境，并通过负向反馈为能源资源系统提供保护。在生态环境子系统中主要考虑固体废弃物、废水及废气的排放和相应治理情况。

本文通过调整产业结构、能源消费结构、能源利用效率等变量参数反映政策的调控作用，进而分析系统其他变量变化情况，预测区域能源承载力变化情况。

1.2 基于系统动力学模型的北京市能源承载系统构建

系统动力学模型能够通过自身内部协同作用，挖掘复杂系统在时间、空间和功能上的有序结构，使系统有序地演化，因此本文应用系统动力学模型对区域能源承载系统开展长期、动态的仿真分析，以明晰系统内部要素的反馈关系，预测系统演变趋势。

1.2.1 北京市能源承载系统模型构建

以北京市为研究对象，在系统边界分析假设以及各子系统协同关系的基础上，基于数据可获取性、科学性、客观性，从四个子系统中选取相关指标变量，根据2005—2017年北京市各指标数据（2018年及以后部分指标数据尚未更新），利用系统动力学软件Vensim PLE构建北京市能源承载系统流图[15]，如图1所示，图中函数关系式通过客观存在关系、构建函数及表函数三种方式确定（具体指标函数关系式见表1）。

表1 指标函数关系式

图1 北京市能源承载系统流图

1.2.2 模型有效性检验

系统动力学模型有效性检验的目的在于判断模型是否能够准确反映能源承载系统的演化特征及变量变化规律。以北京市变量数据值作为基础数据，运行系统动力学模型，通过对比2005—2017年变量实际值与模型中变量模拟值进行模型的有效性检验。限于篇幅，仅选取GDP、三产GDP、人口总量、能源消费总量、废水排放量、SO2年均浓度6个变量展示模型模拟误差，如表2所示。

根据表2有效性检验结果，上述变量中相对误差最大为9.38%；通过对比2005—2017年所有变量实际值与系统动力学模型的模拟值，发现模型模拟数据相对误差小于5%和10%的概率分别为0.78和0.95，平均误差为3.85%，验证了区域能源承载系统动力学模型的有效性。

表2 北京市能源承载力系统动力学模型部分变量有效性检验结果

1.3 基于超效率SBM模型的北京市能源承载力测算

1.3.1 基于超效率SBM模型的能源承载力量化模型构建

超效率SBM模型是在DEA模型基础上进行改进的效率评价方法，它克服了DEA模型无法优选多个相对有效决策单元的问题，同时，由于能源承载系统的投入和产出指标之间的变化不是同比例的，因此SBM模型考虑松弛变量能够使能源承载力的量化结果更加准确。而能源承载力是一项综合反映区域能源承载系统发展效率的客观值，超效率SBM模型这一非参数方法能够基于投入指标和产出指标数据科学地测度能源承载系统发展的相对效率，即量化能源承载力水平。

1.3.2 区域能源承载力测度的投入和产出指标体系构建

建立投入及产出指标体系是超效率SBM模型测度能源承载力的基础。基于系统边界分析假设以及各子系统协同关系，将区域能源承载系统的地区能源消耗作为投入，将地区经济发展程度和地区环境治理效果作为期望产出，将地区环境压力作为非期望产出。借鉴目前关于生态[3]、资源[1,7]、环境[1,7,17]等方面承载力的相关指标研究，根据1.1节四个子系统的相关要素，分析各变量对能源承载力的反馈关系，从图1中选取能够反映投入和产出的量化指标，构建能够综合反映区域能源承载力变化的投入产出指标体系。其中，从流图中选取与地区能源消耗和地区环境压力有关的指标，用以反映该地区在发展过程中对能源资源和环境资源的使用；从流图中选取与地区经济发展和地区环境治理效果有关的指标，用以反映该地区在发展过程中经济发展程度以及对环境资源消耗的补偿效果。在此基础上，基于北京市2005—2017年的实际数据，运用SPSS软件对指标进行相关性检验，筛选构建如表3所示的区域能源承载力测度的投入和产出指标体系。

表3 区域能源承载力测度的投入和产出指标体系

2 实证结果与分析

2.1 情景设置

针对北京市能源承载系统发展现状，为模拟不同发展路径下的能源承载力趋势，参考北京市相关规划政策，通过设置差异化的北京市能源承载系统流图输入参数，制定不同发展情景，模拟分析模型演变趋势以及能源承载力变化。其中，根据《BP2035世界能源展望》，北京市能源本地生产量将在2035年增长40%，达到5 218万吨标准煤；按照北京城市总体规划（2016—2035年），确定人口增长率在2018—2035年保持0.01%水平不变；通过改变其他参数研究北京市能源承载系统变化趋势，参数设置见表4，各种情景具体制定情况如下：

表4 不同情景参数设置

情景一：现状延续情景。保持各子系统中现有技术效率，控制能源利用效率及能源消费结构不变，利用趋势外推法确定其他参数数据，将该情景作为其他优化情景的比较基础。其中，趋势外推法确定2018—2035年能源消费变化率为2.12%，控制单位GDP能耗不变，确定GDP变化率为2.13%。

情景二：政策规划情景。根据北京市“十三五”规划纲要、北京市“十三五”时期能源发展规划、北京城市总体规划（2016—2035年）等政策，确定区域能源承载系统中的参数数据。其中，2018—2035年GDP变化率为6.50%；2018—2020年能源消费变化率为2.20%，2021—2035年能源消费变化率为1.06%。

情景三：目标发展情景。按照世界先进水平确定各参数数据，分析北京市能源承载系统与发达地区的差距和改进方向。本文中所谓“发达地区”，是指日本和欧盟；所谓世界先进水平，是根据日本及欧盟经济社会、能源消费、生态环境发展数据，并综合考虑北京市发展现状确定参数所提出的北京市能源承载系统标杆数据。其中，GDP变化率按照人均GDP确定，能源消费变化率按照单位GDP能耗以及北京市GDP确定。2018—2035年GDP变化率为8.13%，能源消费变化率为-1.20%。

2.2 北京市能源承载系统变量趋势分析

根据以上三种情景下的输入参数数据，运行系统动力学模型，选取北京市能源承载系统流图中部分输出变量变化趋势如图2～图9所示。

分析对比图2～图9的预测结果及情景设置情况分析可知，在三种发展情景下，能源消费结构、能源利用效率及产业结构调整与优化的程度不同，其中，目标发展情景调整力度最大，政策规划情景次之，现状延续情景最小。对由此预测的主要变量变化分析如下：

图2 能源消费结构因子变化趋势

图9 污废水处理率变化趋势

（1）在现状延续情景下，北京市能源消费结构因子将保持2017年水平不变，即0.195。在政策规划和目标发展情景下，能源消费结构得到较大优化。其中，在政策规划情景下，2020年北京市能源结构因子达到0.165，与2017年相比优化15.4%；到2035年将实现无煤化，能源结构得到全部优化，与目标发展情景差距不断缩小，但能源结构调整力度还需进一步加强。

（2）在现状延续情景下，北京市单位GDP能耗保持2017年水平不变，即0.254吨标准煤/万元。在政策规划情景下，北京市单位GDP能耗逐年降低，2020年降至0.219吨标准煤/万元，与2017年相比下降13.8%；到2035年降至0.101吨标准煤/万元，与2017年相比降幅达60.2%。在目标发展情景下，2020年单位GDP能耗达到0.199吨标准煤/万元，2035年将达到0.051吨标准煤/万元。因此，北京市在“十三五”及城市总体发展规划下，能源利用效率将大幅提高，但与世界先进水平相比还有一定差距，在今后的发展过程中具有较大的潜力空间。

（3）在现状延续情景下，北京市CO2排放量将随着能源的消耗继续提升。在政策规划情景下，碳排放得到一定控制，碳排放增长缓慢，但为了达到世界先进水平，未来应继续调整能源结构，控制碳排放，实现碳排放负增长。在政策规划情景下，北京市GDP碳排放强度将持续降低，2020年与2005年相比降低84.6%，超额完成哥本哈根气候大会上提出的减排目标，到2035年基本接近世界先进水平，政策调控作用效果明显。

（4）在现状延续、政策规划、目标发展三种情景中，环境污染均得到不同程度的治理和改善，其中，在政策规划情景下，到2035年空气综合污染指数基本达到世界先进水平，北京市大气环境质量得到根本改善；环境治理措施作用凸显，万元GDP工业固体废弃物、废水、废气排放量均稳步降低，污废水处理率将在2027年达到100%，工业固体废弃物综合利用率将在2025年达到100%。

2.3 北京市能源承载力评价及多情景预测

根据系统动力学模型中预测的区域能源承载力测度的投入产出指标数据，运用Matlab软件实现基于超效率SBM模型的区域能源承载力评价和多情景预测，结果如图10、图11所示。根据计算结果可以得出：

图10 2005—2017年北京市能源承载力变化趋势

图11 2018—2035年北京市能源承载力的多情景预测

图3 单位GDP能耗变化趋势

图4 第三产业比重变化趋势

图5 CO2排放量变化趋势

图6 GDP碳排放强度变化趋势

图7 空气综合污染指数变化趋势

图8 万元GDP废水排放量变化趋势

（1）2005—2017年。相对于2005年，2006年人均能耗、能源外部供给率均处在更高水平，因此2006年能源承载力出现小幅下降。随后由于北京市经济结构与能源结构的不断优化，能源利用效率的提高以及环境治理力度的加强，北京市能源承载力稳步提升，到2017年能源承载力达到0.245，与2005相比提高75%。其中，2015年增幅最大，达到8.5%，这是因为2015年年人均能耗为最低水平且降幅最大，且由于可再生能源消费占比的大幅提升使能源消费结构因子大大降低。

（2）2018—2035年。在现状延续情景下，控制能源利用效率及能源消费结构在2017年水平不变，由此导致能源承载力也基本保持不变，说明在2017年能源利用水平下，尽管经济社会得到一定发展，环境治理仍在增加投入，但不足以改善此种能源利用水平带来的发展的潜在风险，难以满足未来北京市可持续发展的要求。

在政策规划情景下，随着北京市各项政策规划的实现，能源承载力不断增加，预计到2035年，北京市能源消费结构将得到全部优化，能源利用效率提高59.4%，环境污染问题基本解决，能源承载力将达到0.607，与2018年相比提升142.8%，因此在北京市“十三五”及城市总体发展规划的引导下，北京市可持续发展能力将不断提升。

在目标发展情景下，发达地区能源承载力提升最快，到2035年将达到1.220，从预测起始期开始，发达地区能源消费结构、能源利用效率及环境质量便保持较高水平，因此该情景下保持着比北京市可持续能力更强的发展方式。按照政策规划情景，预计到2035年北京市能源承载力将超过发达地区2032年的水平，基本追上发达地区可持续发展能力。

3 讨论与结论

本文在现有文献成果的基础上，定义了区域能源承载力的概念，利用系统动力学模型建立区域能源承载系统流图，根据政策规划构建不同发展情景，能够预测区域能源承载系统的演化趋势，并利用超效率SBM模型量化区域能源承载力。研究证明，本文提出的系统动力学—超效率SBM耦合模型能够有效测度区域能源承载力，通过设置发展情景，模拟能源承载力变化趋势能够为能源承载力约束下的区域发展路径制定提供策略建议及参考。

根据本文仿真结果可以得出，2005年以来北京市能源承载系统中各项指标参数均在不断向好，能源承载力呈现稳步提升的良好势头。但如果未来保持2017年能源利用效率及能源消费结构不变，其他参数按照现状增速进行发展，2018—2035年能源承载力将基本维持不变，说明其他参数的发展无法对冲现有能源利用水平带来的风险，该水平无法满足未来可持续发展的要求，因此在北京市未来的发展中，环保及经济社会发展工作虽然是重中之重，但不可忽略提高能效、节能减排、推动能源转型进一步促进可再生能源开发利用的重要性，通过煤改清洁能源、加强能源系统节能、节能工程和可再生能源惠民工程等具体措施，推动能源利用效率及能源消费结构的优化，实现能源承载力的协调发展。

从北京市能源承载力多情景预测结果看，按照北京市“十三五”规划纲要、北京市“十三五”时期能源发展规划、北京城市总体规划（2016—2035年）等政策规划，能源消费结构、能源利用效率、环境质量将大幅提高，2035年北京市能源承载力将达到0.607，与2018年相比提升142.8%，是现状延续情景下的2.24倍；按照政策规划情景，北京市预计将在2035年达到发达地区2032年的能源承载力水平，与世界先进水平的差距大大缩小。研究发现，现状延续、政策规划、目标发展三个不同情景下所实现目标的差异性效果显著，建议北京市基于政策规划情景，以目标发展情景为方向，综合运用两种情景中的指标参数设定规划目标，强化碳排放约束政策，优化能源结构，提高能源利用效率，加大环保投资力度，制定促进北京市能源承载系统可持续发展的路径，实现能源可持续发展能力的飞跃。

本文建立的系统动力学—超效率SBM耦合模型能够对区域能源承载力进行量化评估和情景预测，通过设定不同的政策规划情景，模拟能源承载力的演变趋势，其结果能够指导区域能源承载力约束下的发展路径制定，且对于评估区域能源承载系统相关政策规划具有重要意义。在未来的研究中，能源承载系统中各子系统的耦合发展水平以及能源承载力的科学分级仍是一项重要工作，可通过进一步完善区域能源承载力的评估与预测体系，实现区域发展路径的合理规划。