我国西部能源型城市发展模式的系统动力学分析——以鄂尔多斯市为例

杨立科，徐 燕

(1.鄂尔多斯市规划编制研究中心；2.鄂尔多斯市社保中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

城市是一个经济、社会、文化和环境的复合体，是多种因素交织作用的复杂产物。作为一个动态发展的复杂巨系统，影响城市增长的因素越来越复杂，其增长的表现形态也越来越多样。能源型城市的建设模式是实现以人为本、提升人民生活水平和促进区域协调发展的载体。

由于能源型城市在区域环境、资源禀赋、经济条件下存在自身的特点，在综合因素的推动下走出了适合自身的发展道路，在建设模式和途径下形成了自己的路径，形成了独特的系统。探寻能源型城市发展的成功经验，并加以提炼、提升和推广，有助于解决能源型城市经济和社会发展的突出问题，助推我国能源型城市的发展与建设。

1 文献综述

系统动力学(System Dynamics，简称SD)是一门分析和研究信息反馈系统的综合性的学科，它着重强调系统、整体、联系、发展和运动的观点[1]。20世纪60年，代由福瑞斯特教授始创于美国麻省理工学院。最有影响力的应用是在20世纪60年代由福瑞斯特的《城市动力学》[2]，该书通过从宏观层面把城市看作是一个人口、房屋、工业相互作用的系统，建立系统模型，研究城市的兴衰。在1972年，梅多斯(Meadows)等人出版了《增长的极限》[3]，该书通过建立系统动力学模型，预测了21世纪全球系统中人口和工业产品的增长情况。到20世纪90年代，彼得·圣吉对反馈动态性复杂理论及应用进行研究，出版了《第五项修炼》[4]。系统动力学又在企业管理中广泛使用。Pejic Bach M.等[5]站在利益相关者视角下回顾与分析了系统动力学在2005年—2017年间城市可持续发展模拟中的应用。Bastan等[6]建立了一个完整的系统模型来分析伊朗农业可持续发展动态。直到20世纪70年代末，系统动力学才传入中国，1990年成立国际系统动力学学会中国分会。王其藩[7]在《系统动力学》一书中详细地论述了建立系统模型进行研究的重要方法。陶在朴、马歆等[8，9]对系统动力学进行了深入的研究。李华[10]结合崇明岛的复合生态系统特征，采用系统动力学方法，建立了复合生态系统仿真模型，评价了不同方案的实施影响。曾鹏和李洪涛[11]对中西部地区城市群培育和人口就近城镇化的关系进行系统结构框架的分析，丰富了空间经济学和区域经济的研究。

经济、生态和污染等相关因素对城市发展的影响近年来也有大量的研究。在经济建设与城市发展关系方面，E.S.Nielsen[12]运用城市、环境和组织研究的理论视角，研究“智能增长”是否代表传统城市发展政治经济的生态重组。游涛[13]指出经济性分析对于控规编制工作至关重要，有必要进一步加强经济性思维和分析方法在编制过程中的系统性运用。在生态建设与城市发展方面，Bossink[14]从生态学的角度探讨了每种领导风格对建设项目创新能力的影响。王丹等[15]提出推进资源型城市生态治理，走绿色发展之路，是促进资源型城市绿色发展和生态文明建设的关键。钱兴华[16]指出，在未来城市化建设中，生态建筑将是人类的必然发展方向，这不仅是人类当下最基本的生存要求，更是人与自然和谐相处的发展规律。刘竹雅[17]从技术创新对城市自然生态、经济生态、社会生态建设的驱动作用进行分析，发现了实现人与自然、社会、经济和谐的重要性。在污染与城市发展的关系方面，霍露萍等[18]通过分析中国227个地级及以上城市的数据来验证PM2.5浓度对城市发展质量的影响关系，得出PM2.5浓度对城市发展具有显著正向影响。张哲等[19]采用STIRPAT模型探究上海市碳排放影响因素分析，得出城市化率对其影响最大，其次是人均GDP水平。P.Lombardi等[20]提出一个新一代的评估系统，以支持规划和再生过程中涉及专家参与的决策，这些系统确保了所涉及问题的网络表示和多个场景的可视化。

上述研究已经考虑了经济、生态和污染等因素对城市发展的影响，大部分研究采用定量研究的方法使研究结果得到了量化，但是仍存在研究内容单一，可代表性不强，这类研究还不能够全面地反映出城市发展与其对应子系统之间的关系。鲜有文献涉及系统动力学在能源型城市发展中的应用。本文以鄂尔多斯为例，采用系统动力学的研究方法，动态模拟城市建设、生态环境、大气污染、人民生活水平等系统对城市发展的影响，以期为资源型城市的发展方式提供决策依据。

2 研究内容与方法

2.1 鄂尔多斯市发展的结构模型

由于城市是一个高阶、复杂、开放的大系统，涉及的问题和指标都很多，为使模型能够更加精准地反映出现实情况需要确定的系统边界、构建恰当的指标体系和做出合理假设。系统动力学建模过程中最首要的问题便是边界的确定。确定模型的边界，应当首先明确所要研究的问题，本文所构建的模型主要研究城市的发展，而城市的发展主要涉及城市的生态建设、居民生活水平、城市建设、城市污染等相关系统。故将模型的边界大体设定在这4个系统内。在该系统包含的子系统中选取了所有影响系统变化的重要指标(见图1)。

图1 系统边界图

依据系统性、动态性、科学性和可操作性的原则确定指标体系。城市发展指标体系的构建是对鄂尔多斯市城市发展系统进行评价的基础。城市发展最终目的便是为了实现城市生态建设、居民生活水平、城市经济发展与城市环境4个系统的协调发展，故相关指标分别从以上系统中选取。

基于系统动力学的研究方法以及城市发展的特点，为保证研究逻辑的科学性，在进行研究之前，需给出假设。假设模型中变量的取值范围均为该周期内的取值，与超出周期的取值没有连续性。本研究周期内系统安全水平在某一时间到达设定的目标值，但在下一个研究周期内系统安全水平的起始值不一定是上一周期设定的目标值，要重新设定初始水平值。

2.2 模型研究内容

根据系统的层次性，将鄂尔多斯市的城市发展系统分解为生态建设子系统、城市居民生活水平子系统、城市经济发展子系统和城市污染子系统。城市发展系统协调发展要求各子系统间相互协调，要求建立可靠、安全、稳定的城市发展系统。4个子模型以城市协调发展理论为基础，相互独立、相互制约。4个子系统研究的侧重点如下。

2.2.1 生态建设系统。主要研究系统中的生态建设的结构，分析鄂尔多斯生态建设现状，城市耕地、林地、公共绿地的建设情况以及上述各种建设对生态建设系统的贡献情况。研究生态建设变化对城市发展变化的影响。

2.2.2 居民生活水平系统。主要研究居民的收入、消费、教育、卫生和就业情况。研究居民生活水平变化对城市发展变化的影响。

2.2.3 城市经济发展系统。主要研究人口的变化情况，城镇化的变化情况，地区生产总值、地方财政收入和工业总产值的变化情况，第三产业的变化情况，社会固定资产投资变化情况和万元GDP能耗的变化情况。研究经济发展对城市发展变化的影响。

2.2.4 城市污染系统。主要研究空气中SO2含量变化情况、NOX含量变化情况、PM10含量变化情况以及空气质量优良天数。研究城市污染对城市发展变化的影响。

2.3 因果关系图

系统的行为模式与特征主要取决于其内部的动态结构与反馈机制。在系统综合分析的基础上，确定系统的结构层次，结合城市发展系统自身的特点，在确定了各子系统的层次结构之后，建立城市发展系统和总体因果反馈回路图(见图2)。

图2 因果关系图

按照上述系统的因果关系图，系统中主要的反馈回路依次表述如下：

①城市发展→-城市污染→-城市人口规模→+生态建设→+城市发展

②城市发展→-城市污染→-经济建设→+城市发展

③城市人口规模→+生态建设→+城市发展→+城市污染→-城市人口规模

④城市人口规模→+在校中学生→+居民生活水平→+城市发展→-城市污染→—城市人口规模

⑤城市人口规模→+失业人口→+居民生活水平→+城市发展→-城市污染→—城市人口规模

⑥城市人口规模→+卫生机构从业人口→+居民生活水平→+城市发展→-城市污染→-城市人口规模

⑦城市人口规模→+第三产业从业人口→+经济建设→+城市发展→-城市污染→—城市人口规模

从上述主要的反馈回路中可以看出，城市发展系统与经济建设、居民生活环境水平、生态建设和城市污染4个子系统之间存在复杂的因果关系。一方面，城市发展会导致城市污染，从而影响城市生态建设、城市经济发展和城市人口规模，这是负反馈回路。另一方面，由城市人口规模的增加影响生态、经济、居民生活水平和城市污染，这是正反馈回路。

2.4 系统流图及参数估计

因果回路只能描述反馈回路，而对于存量、自变量、常量等属于不同性质的元素之间相互关系和相互作用之间的表达需建立系统流图(见图3)。模型研究中涉及的参数，有些很难确定。笔者采取直接确定法、线性回归法、时间序列分析法、因子分析法、平均值法、逻辑推断法和表函数法确定参数。

表1 生态建设子系统变量

2.5 系统动力学方程

指标中的基础数据来源于鄂尔多斯统计年鉴。借助Vensim提供的方程式编辑器中的函数列表功能，可以得到变量间的主要相互关系。模型确定初始年限为2011年，研究期末为2050年。确定的步长为1年。分别按不同子系统确定变量的关系(见表1～表5)。

图3 城市发展系统流图

表2 居民生活水平子系统变量

表3 经济建设建设子系统变量

表4 城市污染子系统变量

②城市污染增加量和城市污染减少量公式中的参数由因子分析得到。

③基础数据来源于鄂尔多斯统计年鉴。

表5 城市发展子系统变量

2.6 模型有效性检验

模型检验的目的是验证所建模型与现实系统的吻合度，检验模型所获得信息与行为是否反映了实际系统的特征和变化规律。

现实环境的系统是十分复杂的，模型只是现实系统的抽象和近似，对于模型的要求限于模型得到的解只是相对的满意解。构建模型能否有效代表现实系统，直接决定了模型仿真和分析质量的高低。因此，必须对模型进行有效性验证。模型的检验方法可分为结构检验、历史检验和运行检验等方法。

在对鄂尔多斯市城市发展各系统建模前，对其生态、居民生活、经济发展、城市污染等系统进行了全面分析，借鉴了其他相关比较成熟的模型，反馈结构和方程根据实际系统特征来设置，遵行了实际规律。参数的确定主要从多年的历史数据所得，不能通过历史数据确定的参数则通过查阅大量的资料确定，模型比较贴近实际系统的真实情况。因此，认为本模型是合理的。

分别确定当前发展模式1的步长为0.5、当前发展模式2的步长为1和当前发展模式3的步长为2的3个步长对系统进行仿真分析，以生态建设为例(见图4)，仿真结果体现出相同的趋势，同时在数值上也非常接近，这充分说明了模型对步长并不敏感，系统运行符合实际。

图4 不同步长对生态建设的影响

取历史2011年—2016年段进行仿真分析，选城市建设用地面积、地方财政收入和工业生产总值对比模拟结果与实际数值，每年的预测误差都不超过10%，认为预测结果有效。

表6 部分参数的实际与模拟值比较

3 研究结果与分析

3.1 鄂尔多斯市城市发展系统流图的仿真分析

系统动力学模型具有变量预测和情景分析的双重作用，不仅能对所研究的变量做出发展趋势的预测，还可以通过改变模型中变量的值来查看系统行为的变化情况。通过改变模型中参数的变化模拟主要变量的变化趋势，分析各情景模式下各变量对鄂尔多斯城市发展的影响，依据分析结果制定相关发展建议。

结合鄂尔多斯市城市发展的现状和我国现行的发展政策，设置了以下4种情景。①现实情景。现实场景是保持系统当前的发展模式，不改变模型的参数值，此情况用来做仿真的对照。②生态优先情景。基于现实情景，生态建设增加量增加5%，生态建设减少量减少5%，其他参数不变。在此情景下讨论生态建设对城市发展的影响。③居民生活水平提升优先情景。基于现实情景，居民生活水平增加量调高5%，居民生活水平减少量调低5%，其他参数不变。在此情景下讨论居民生活水平变化对城市发展的影响。④城市经济建设优先场景。基于现实情景，城市经济建设增加量调高5%，城市经济建设减少量调低5%，其他参数不变。在此情景下讨论城市经济建设对城市发展的影响。

3.2 现实情景仿真分析

在现实情景下，对生态建设、居民生活水平、经济建设和城市污染的关系进行分析，得到2011年—2050年间以上指标的分布情况(见图5)。

图5 城市发展与其影响指标的关系

从图5中可以看出，鄂尔多斯市当前的发展模式是健康的，城市发展在2017年降入最低点，之后缓慢增长。影响指标中，生态建设和居民生活水平呈指数形式增长，说明鄂尔多斯的生态建设越来越好，居民生活水平越来越高。城市经济平稳发展且发展趋势良好。城市污染呈逐年下降趋势，到模拟期末，城市污染已经控制得很低，对城市发展的影响很小。

3.3 生态优先情景仿真分析

图6 生态建设与城市发展的关系

图7 生态优先对城市发展的影响

提升生态建设水平，去除其他因素的影响，分析生态建设与城市发展的关系。从图6中可以看出，在生态优先的场景下，生态建设与城市发展均表现出较为明显的指数模式增长，同时增长幅度也很接近，这种现象表明生态建设与城市发展存在显著的竞合关系。在生态优先模式下，城市发展的速度高于参照模型，说明加强生态建设的方式来提升城市发展是一种较为理想的方式(见图7)。

3.4 居民生活水平优先模式的仿真分析

图8 居民生活水平与城市发展的关系

图9 居民生活水平优先对城市发展的影响

提升居民生活水平，去除其他因素的影响，分析居民生活水平与城市发展的关系。从图8中可以看出，在居民生活水平优先的场景下，居民生活水平与城市发展均表现出较为明显的指数模式增长，这种现象表明二者之间存在显著的竞合关系。在居民生活水平优先的模式下，城市发展水平要优于当前模式下的城市发展水平(见图9)。

3.5 经济发展模式优先的仿真分析

图10 经济建设与城市发展的关系

图11 经济发展优先对城市发展的影响

提升城市经济发展指标水平，去除其他因素的影响，分析经济发展与城市发展的关系。从图10中可以看出，在经济发展优先的场景下，经济发展与城市发展均平稳增长，二者之间存在显著的竞合关系。在经济发展优先的模式下，城市发展水平同样要优于当前模式下的城市发展水平(见图11)。

4 结论与对策

4.1 结论

笔者在理论联系实际的基础上，运用了系统动力学的方法模拟城市发展系统的结构，分析各影响因素之间的因果结构并建立了系统动力学模型。通过设立不同场景对鄂尔多斯的城市发展进行了实证分析，通过仿真结果得出以下结论：①城市发展是在特定的经济、社会、自然背景下形成的统于一体的复杂系统，系统之间既相互联系又相互制约。处理好各个子系统之间的相互关系，使其协同发展，才能实现城市的健康发展。②生态建设、城市居民的生活水平和城市经济建设正反馈于城市发展，加强生态建设、提升居民生活水平和加快城市经济发展是保持城市长期健康发展的方式。应进一步加强相关激励政策的制定，为城市的健康发展创造良好的制度环境。③城市污染负反馈于城市发展，控制城市污染同样可以有效地提高城市发展。

4.2 对策

①加强生态建设，培养生态意识。加强对现有林地、公园和绿地的保护，合理确定各类用地的比例，划定城市开发边界，严格控制建设用地的量。倡导伦理观念的改变，逐步实现从以人类为中心的伦理观念向人类与自然协调发展的生态伦理观念转变。培养生态意识和简朴自然的生活方式。 ②提升居民生活品质，增加群众的幸福感。提升城镇居民和农牧民的收入，合理配置第一、第二和第三产业的比例，增加就业岗位，创造安全舒适的工作环境。合理控制房价、物价。加强食品和药品安全保障。完善医疗保障，增加医护人员数量，降低医疗费用。合理布局中小学和幼儿园，尽量做到教育资源公平使用。 ③促进城市经济发展。加快调整产业结构，大力发展第三产业。引进绿色、环保型产业，提升工业总产值。降低万元GDP能耗。发挥优势产业，提高地方财政收入。 ④严格控制城市污染。减少碳氢化石燃料使用，提高能源使用效率。发展太阳能、风能、生物质能、氢能等新能源的使用，减少碳排放和SO2排放。制定政策加强企业技术改造，加快应用新技术、新材料、新工艺、新装备改造提升传统产业。支持企业提高装备水平，优化产业流程，加快淘汰落后工艺技术和设备，减少污染的排放。实施低碳出行战略，倡导低碳出行，减少交通碳排放量。