基于系统动力学-Visual Studio集成模型的区域碳排放中长期变化趋势预测*——以四川省为例

李乔楚 陈军华,2 何 京

(1.西南石油大学经济管理学院,四川 成都 610500；2.四川石油天然气发展研究中心,四川 成都 610500)

气候变化和全球变暖是21世纪人类面临的巨大挑战。在温室气体排放总量中CO2占比(以质量分数计)高达97%[1],并通过诱发海平面上升、极端气候事件、土体荒漠化等危害,对人类生存环境造成显著影响。作为世界上最大的发展中国家,中国自2009年起已成为全球碳排放第一大国[2-3],为了履行大国责任,中国力争碳排放于2030年前达到峰值。省域是连接国家与城市的纽带,对碳达峰目标的实现具有重要意义,因此我国在省级层面制定了强制性减排目标[4]。西部地区的可持续发展一直是国家发展战略的重要内容,由于经济条件和技术水平限制,西部地区环境承载力接近上限[5],推进西部大开发低碳新格局已迫在眉睫。四川省作为西部经济第一大省,碳排放量也位居前列,亟需立足资源禀赋优势,在研究、制定、实施碳排放达峰方面起到模范作用,为“中国承诺”做出“四川贡献”。

区域碳排放轨迹具有动态性、系统性和复杂性,而系统动力学(SD)在分析非线性、多变量动态随机过程中具有优势。近年来,国内外学者基于SD理论针对区域碳排放预测与影响因素分析开展了一系列研究。FONG等[6]以马来西亚依斯干达开发区为例,通过不同的城市政策选择设计仿真情景,运用SD模型预测区域未来的碳排放趋势及社会经济发展指标的变化特征,研究表明所建模型能够作为城市规划过程中的有效决策工具。ROBERTS等[7]以英国立法的第5个碳预算规划为背景,依据碳捕获和储存、核电站建造以及海上风电建造方案进行情景设计,基于新的SD模型探讨了英国2035年碳减排目标的实现能力,并分析了经济发展、能源使用、居民就业等因素的联动变化。LIU等[8]结合扩展的STIRPAT方程建立了中国碳排放SD模型,在明确关键驱动因素的基础上针对资源节约、产业优化、经济粗放等10种不同情景下的碳排放峰值进行预测,并探讨了环境库兹涅茨曲线(EKC)假说的中国检验。SUN等[9]考虑到电力工业对中国碳减排的关键作用,提出了一个基于多元影响因素动态交互的SD模型,对基准、低碳、集约低碳3种设计情景下的碳排放轨迹进行预测。唐德才等[10]以长三角地区作为研究对象,着重考虑能源消费对“温室效应”的重要贡献,结合Vensim软件动态模拟了长三角地区未来的碳排放趋势,并针对人口、国内生产总值(GDP)、能源价格等关键参数开展敏感性分析。刘伟等[11]基于Vensim PLE软件构建了城市低碳发展SD模型,结合北京市国民经济与社会发展规划设定了趋势发展、低碳发展以及政策调控3种情景,通过仿真模拟预测了2010—2020年的碳排放特征,并从碳源、碳流、碳汇的角度提出政策建议。

迄今为止,区域碳排放预测相关研究在理论和实践上都取得了一定进展,丰富了人们对温室气体排放与经济社会发展内在关联的认知。然而,现有研究存在以下局限：(1)在构建模型框架时侧重于碳排放的驱动因素,大多忽略了森林生态系统的碳汇作用和区域电力交易产生的间接排放,且对于系统碳排放源的界定通常局限于终端能源消耗,未同时兼顾水泥、钢铁等工业生产重点排放领域；(2)在评估区域最佳碳达峰路径时,仅关注峰值时间而忽略了累积碳排放量,特别是未考虑到与全球变暖的密切关系；(3)大多研究均使用单一模型开展仿真模拟并探究驱动碳排放变化的影响因素,难以避免固有的局限性；(4)当前国内的研究主要集中于直辖市和东中部省份,少有研究关注西部地区的碳排放轨迹。四川省作为我国“清洁能源示范省”,其达峰目标的尽快实现有利于在西部形成高质量发展的重要增长极,自下而上全面推动落实国家自主贡献目标的省域行动。鉴于此,本研究结合联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)清单算法和SD理论构建碳排放预测模型,基于Visual Studio(VS)编制省域碳排放分析与预测模型,并借此预测9种发展模式下四川省2020—2050年的碳排放趋势与达峰轨迹,以期准确把握四川省清洁低碳转型的最优情景和有效路径,助力西部地区乃至全国低碳发展蓝图的绘制。

1 模型构建

1.1 子系统分析

选取能源活动、工业生产、林业活动、废弃物处置作为主要碳核算单元,考虑到工业化学反应在水泥和钢铁等生产部门的碳排放聚集性,以及森林碳汇对区域碳达峰进程的关键影响,将四川省碳排放系统划分为经济、人口、能源、环境四大子系统。

1.1.1 经济子系统

经济子系统是四川省碳排放系统的基础组成部分。经济发展在消耗大量能源与人力资本后产出产品与服务,GDP增长将带动固定资产投资与产业结构优化升级,投资增加有助于改进生产设施与工艺流程,三大产业的相互转换以及每个产业的内部调整均极大程度地影响碳达峰进程。人均GDP的增长将带动居民生活水平提升,促进农村居民向城镇迁移,从而提高城市化率。决胜全面建成小康社会后,人们开始着眼于绿色低碳的发展模式,环保投入是串联经济、环境、能源子系统的重要因素,技术创新因子与产业结构因子直接影响节能减排的实际效果,能为区域经济高质量发展注入新活力。对于第二产业,本研究同时考虑了终端能源消耗以及水泥、钢铁两大工业部门化学反应产生的CO2。经济子系统的原始数据来源于2001—2020年的中国统计年鉴、中国钢铁工业年鉴、中国水泥年鉴、四川省统计年鉴和世界钢铁统计数据等。

1.1.2 人口子系统

人口子系统是四川省碳排放系统的重要组成部分。人口规模的扩大将促进内部市场需求持续升级,宽松的生育管制也有助于解决老龄化和劳动力短缺问题,从而为经济子系统发展注入新动能。更多能源被投入生产以满足规模日益扩张的产品和服务需求,并带动居民生活垃圾的持续增加,从而影响能源和环境子系统。人口密度增大也将不断推动城市建设与扩张,增加城市对钢铁、水泥等建筑原材料的需求。在日常生活中,城镇居民通常比农村居民接触到更多的碳排放源,但城镇化进程具有家庭能源利用效率高的优势[12],且城镇居民更容易接受低碳发展新理念,因此有助于显著减少碳排放。人口子系统的原始数据来源于2001—2020年中国统计年鉴、中国城市统计年鉴、中国农村统计年鉴、四川省统计年鉴等。

1.1.3 能源子系统

能源子系统是四川省碳排放系统的关键组成部分。稳定的能源供应为经济子系统提供物质基础,环境规制下能源“双控”目标也将带动产业结构的调整升级。不同品种能源排放因子差异显著,清洁能源消费比重提升将有效减少环境子系统的碳排放强度。考虑到电力可由风能、水能、光伏等可再生能源转换,且在使用过程中几乎不会产生CO2,因此本研究不考虑可再生能源发电的碳排放效应。与此同时,为了明确四川省及周边省份碳排放的责任划分以及可再生能源发电对区域碳减排的贡献[13],依据电力外省(区、市)调入与四川省调出的差额电量核算区域电力交易过程中产生的CO2,并将其作为系统外部的间接排放。能源子系统的原始数据来源于2001—2020年中国能源统计年鉴、四川省统计年鉴、中国区域电网基准线排放因子等,为了消除单位差异造成的影响,统一将各品种能源消费量折算成标准煤进行计量。

1.1.4 环境子系统

环境子系统是四川省碳排放系统的核心组成部分。第二产业在四川省发展历程中始终占据着重要地位,与此同时,经济社会的快速发展将带动能源消费急剧增加,居民生活水平提升也将导致大量固体废弃物产生,均不可避免地成为区域碳排放的主要诱因。森林是陆地生态系统的主体,在吸收转化CO2方面发挥主导作用,本研究考虑到森林生态系统的固碳效应,将林木生长过程中的碳吸收纳入系统核算。环境子系统对其他子系统均能产生一定影响,主要表现在“双碳”目标约束下政府通过出台一系列激励与约束措施倒逼区域能源结构优化与产业结构升级,从而带动经济、人口与能源子系统联动变化。环境子系统的原始数据来源于2001—2020年中国环境年鉴、中国环境统计年鉴、中国环境状况公报、四川省统计年鉴等。

本研究的排放因子参考文献[14]至文献[16]的推荐取值,并参照了2019年《气候变化第三次国家信息通报》对碳排放清单的编制思路。针对能源活动主要核算燃料燃烧和区域电力交易过程中产生的CO2,参照文献[17]和[18]的处理方法将IPCC清单算法中提供的燃料燃烧CO2排放因子缺省值由能量单位转化成标准煤单位；同时,考虑到四川省作为一次电力净调出省份,“西电东送”工程具有减排项目属性,因此电网供电平均CO2排放因子选用生态环境部应对气候变化司发布的减排项目中国区域电网基准线排放因子最新数据。工业生产主要核算水泥熟料制造和钢铁生产过程(包含生铁生产、钢材加工两大过程)中产生的CO2,其中钢材加工过程分为碱性氧气转炉、电弧炉和开炉3个阶段[19],不同工艺生产占比的数据取值参考历年的世界钢铁统计数据。废弃物处置主要核算固体废弃物焚烧过程中产生的CO2。林业活动主要核算林木生长过程中吸收的CO2,其中平均生物量取值参照中国科学院基于全国6次森林资源清查资料的研究结果[20]。

为进一步厘清系统变量间的逻辑关系,设定变量间的数学函数关系并进行嵌运算,从而建立基于SD的四川省碳排放预测模型,模型结构见图1。

图1 四川省碳排放预测模型结构Fig.1 Structure of carbon emission prediction model in Sichuan Province

1.2 情景设定

为了考察实现碳达峰目标的潜在路径,基于情景分析预测不同发展模式下四川省的碳排放轨迹。将碳排放影响因素划分为两类：第一类为激励因素,包括经济发展、人口规模、城镇化水平；第二类为抑制因素,包括产业结构、能源结构、技术创新。首先依据碳排放抑制因素的变化特征,将四川省碳排放系统的发展模式划分为3类,即保守发展模式(CDM)、优化发展模式(ODM)和低碳发展模式(LCDM)；基于此,进一步结合激励因素的变化速率,将各大发展模式细分为低速、基准和高速3种子模式,共设定9种发展子模式(分别记为CDM1～CDM3、ODM1～ODM3和LCDM1～LCDM3),不同发展子模式的特征见表1。本研究使用SD软件Vensim PLE 7.3.5进行仿真,模拟区间为2000—2050年,时间步长取1年。考虑到实际数据可得性,2000—2019年主要用于系统模型验证与调试,2020—2050年为系统仿真的预测年限。

结合国民经济与社会发展规划及现有文献综述设置基准情景的参数变化速率,低速与高速情景则在基准情景基础上以一定浮动幅度取值。经济发展的参数设置主要参考《四川省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《2030年的中国：建设现代化、和谐、有创造力的社会》以及对中国经济增速的预测结果[21-22]。产业结构的参数设置参考了胡鞍钢[23]的预测结果,且考虑到中国预计在2050年人均GDP达到世界银行所定义的“高收入国家”中位数水平,而四川省在未来一段时间内第二产业仍会保持较高的比重,因此产业结构发展趋势贴合德国和日本位于“高收入国家”中位数时的结构特征[24]。与此同时,农业是我国国民经济的基础产业,在庞大的人口基数背景下粮食安全尤为重要,故未来我国第一产业的比重将高于发达国家,因此本研究结合灰色系统预测模型对第一产业占比参数进行校正。人口规模的参数设置主要参考《四川省人口发展中长期规划》《“健康四川2030”规划纲要》《国家人口发展规划(2016—2030年)》《四川省第七次全国人口普查公报》以及四川省统计局基于1%人口抽样调查数据[25]的预测结果。城镇化水平的参数设置主要参考《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》《四川蓝皮书：四川城镇化发展报告(2020)》。能源结构的参数设置主要参考《四川省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《2050年世界与中国能源展望》《关于四川省创建国家清洁能源示范省有关事项的复函》。技术创新的参数设置主要参考《四川省节能减排综合工作方案(2017—2020年)》《中国能源前景2018—2050》《2050年世界与中国能源展望》。

2 省域碳排放分析与预测软件编制

基于所构建的碳排放预测SD模型,结合VS进行省域碳排放分析与预测软件的编制,从而实现省域碳排放峰值预测与达峰时间分析的智能化、高效化。软件旨在实现以下功能：

(1) 实现省域碳排放趋势的预测。首先输入研究区域基准年限的经济发展、产业结构、人口规模、城镇化水平、能源结构、技术创新等基础参数,同时结合不同参数的基准发展速率,在选定相应的情景模式后,用软件预测得出该模式下研究区域2020—2050年的碳排放量,主要借助Microsoft Access数据库实现数据的储存及归档。

(2) 研判省域低碳发展的最优模式。通过调用Microsoft Access数据库中的存档数据,将不同模式的碳排放趋势展示在同一张可视化图表上,从而便于直观把握差异化碳达峰轨迹；自行识别并输出相应的碳排放峰值与达峰时间,结合情景分析明确省域低碳发展的最优模式。

表1 四川省碳排放预测情景设计Table 1 Scenario design of carbon emission prediction in Sichuan Province

软件总体编制思路见图2。

图2 软件总体编制思路Fig.2 Overall compilation idea of software

3 仿真与预测

基于所构建的SD-VS集成模型对9种发展子模式开展仿真模拟,得到2020—2050年四川省碳排放变化趋势(见图3)和不同发展子模式下四川省碳排放峰值及达峰时间(见表2)。

图3 四川省碳排放变化趋势Fig.3 Changes of carbon emissions in Sichuan Province

由仿真结果可得,四川省碳排放有望在2025—2049年期间达到峰值,累积碳排放量为737 873万～1 273 123万t。不同发展子模式下四川省碳排放达峰时间从早到晚依次为LCDM1、ODM1/LCDM2、CDM1、ODM2、LCDM3、CDM2、ODM3、CDM3；累积碳排放量表现为CDM3>ODM3>CDM2>LCDM3>ODM2>CDM1>LCDM2>ODM1>LCDM1。在所设定的9种发展子模式中,ODM1、LCDM1、LCDM2可以实现2030年碳达峰目标,且在上述发展子模式下四川省经济发展和能源消耗、碳排放增量持续脱钩,单位GDP能耗与单位能耗碳排放强度持续改善,2030年相对于2015年分别下降了53.77%和27.89%(ODM1)、53.76%和26.39%(LCDM1)、50.73%和25.92%(LCDM2)；CDM下的3个发展子模式均无法实现2030年碳达峰目标。

表2 不同发展子模式下四川省碳排放峰值及达峰时间Table 2 The value and time of peak carbon emissions in Sichuan Province under different development sub-modes

GDP增速下降、人口规模收缩以及城镇化进程减缓将有效控制四川省的碳排放体量,但在低碳规制水平较低时各个子模式均不能实现2030年碳达峰目标,这是由于：(1)经济加速发展往往伴随着大量资源消耗,导致碳排放量显著上升,但通过牺牲经济增长以限制碳排放难以获得长久成效。(2)人口规模主要通过“人群效应”[26]对碳排放产生影响,目前四川省人口基数巨大,人口增长引发城市扩张,居民日常生活、建筑房屋和市政基础设施工程都将消耗大量能源和工业产品；与此同时,近年来随着老龄化和劳动力短缺现象日益加剧,“三孩”生育政策正式落地,因此人口增长对碳排放的强劲贡献在短时间内难以改变。(3)城镇化水平具有“双刃剑”特性,一方面,在决胜全面建成小康社会后,城镇居民往往着眼于高水平的财富与精神需求,新兴服务业和生活能源消费作为家庭活动的一部分,对区域碳排放的贡献不容忽视；另一方面,新型城镇化建设具有生态修复功能,新入居民通过享受现代能源服务转变用能行为(例如由散煤供暖转变为燃气供暖、由薪柴消耗转变为集中用气),并带动城市公共基础设施利用效率和可访问性的提高,绿地面积不断扩大,居民节能减排意识逐渐增强,对碳排放产生显著抑制作用。由此说明,在复杂经济社会网络下仅仅依靠限制发展很难有效推进区域清洁低碳转型,碳达峰目标的实现离不开政府管控的“有形之手”。在经济、社会、人口系统均处于高速发展时,各个发展子模式也难以实现2030年碳达峰目标,即使节能减排措施的实施力度达到最大,其达峰时间也与目标时间相距10年,难以实现经济社会发展与生态环境保护“双赢”的局面。这表明快速的人口和经济增长以及离散的城市扩张容易导致碳排放陡增,尽管此时可能有助于社会经济发展和居住空间改善,但会以掠夺性资源开发以及高能耗为代价。从长远来看,失去广阔土地和浪费自然资源造成的负面影响远远超过相关的经济利益,因此在四川省碳达峰进程中应避免粗放型的失控增长模式。

LCDM1的碳排放峰值及累积碳排放量最小(737 873 万t),且能够最早实现碳达峰目标(2025年),但该模式要求在经济、社会、人口系统发展速率较低时,保持高水平的节能降碳技术创新与产业结构优化升级,节能减排措施的实施效果超出当前预期目标,在理论上可作为理想的发展模式；但在现实生活中此模式通常出现在发达国家发展历程的中后期,依靠发展前期积累的社会财富与国际竞争力,在保持经济高质量稳步向前发展的同时,注重人与生态环境的和谐共处,因此低碳经济发展较为成熟。考虑到四川省经济社会发展仍处于上升期,以能源化工、装备制造为代表的第二产业是实体经济增长的重要支柱,普遍存在产能过剩问题,能源消耗具有高度聚集性,且四川省目前仍处于工业化、城镇化阶段,大规模的基础设施建设意味着建筑业和交通运输业正在逐步取代工业部门成为主要的碳排放源[27]；与此同时,目前四川省的低碳效率提升很大程度上得益于结构改善,如产业结构升级,但随着产业结构接近效率边界,边际成本也相应增加,且近年来能源低碳化利用技术的发展存在一定屏障,技术创新的节能减排效果未得到有效凸显,因此LCDM1并不适用。ODM1在LCDM1子模式基础上降低了节能减排措施的实施力度从而降低了模式的应用难度,同时能够保证四川省在2030年碳排放达到峰值(29 385万t)。此发展子模式下四川省人口达峰时间预计推迟至2031年,2050年城镇化率预计达到74%,低于北京市、上海市等城市的先进水平,并与西方发达国家相距甚远。虽然此发展子模式下管理部门积极投身于碳减排领域的相关工作,保证碳排放峰值和累积碳排放量相对较低,但经济增速下降难以满足居民日益增长的财富与精神需求,甚至可能由于缺乏土地、能源、劳动力等资源支持,对社会经济发展造成严重的负面影响,因此ODM1不利于四川省的可持续发展。

LCDM2在ODM1的基础上保持中等的经济增速,既不会出现经济危机也避免了跃进式发展；有序推进人口结构优化和城镇化发展进程,人口达峰时间预计为2028年。此模式在高度重视生态文明建设的同时协同推进生产要素的高质量发展,能源清洁低碳化利用水平较高,资本密集型产业不断向技术密集型、知识密集型转变,2030年的碳排放量比LCDM1约高出2 891万t,比ODM2约减少2 545万t,碳排放强度在2015年的水平上下降65.96%。考虑到目前四川省仍处于“从经济大省向经济强省跨越”的重要阶段,碳达峰工作不能以过度牺牲社会经济发展为代价,从长远来看,LCDM2为四川省在保持经济稳定增长的同时实现2030年碳达峰目标提供了一种可持续发展思路。在此种发展子模式下,若进一步加大产业结构调整、能源结构优化和技术创新力度,加快构建“5+1”现代工业体系与“4+6”现代服务业体系,把绿色低碳融入治蜀兴川各方面全过程,把节能减排作为推动高质量发展和建设“美丽四川”的重要着力点,则有望超前实现碳达峰目标,从而提前探索峰值管理工作,为全国和其他省份提供示范效应。

4 建 议

(1) 推进可持续低碳经济格局,聚焦抢抓重大战略机遇发力。抢抓新时代推进西部大开发形成新格局、成渝地区双城经济圈建设、黄河流域生态保护和高质量发展等重大战略机遇,坚持产城融合,积极发展低碳经济、循环经济,使未来经济发展与碳排放增量脱钩。考虑到西部地区外商投资大多以资源型为导向,四川省应积极引导资本打造低碳产业集群,完善支持绿色低碳转型的财税金融体制,以电力体制改革为重点深化要素市场化改革。全面提升森林碳汇对经济发展的生态贡献,深入实施全域增绿行动,充分发挥西部碳排放权交易中心作用,提升经济发展的质量和效益。

(2) 人口结构优化与居民素质提升并举,聚焦凝聚低碳生活共识发力。大力倡导简约适度的生产生活方式和消费理念,鼓励低碳出行,突出职住平衡,推行垃圾分类、减量化和就近资源化利用,实施“四川节能节水行动”；建立健全体现生态价值的低碳价格机制,加强低碳标识认证,促进环境成本内部化,引导企业增加绿色产品和服务供给；党政机关带头推广电子化、无纸化办公和绿色采购,建立合作的社会责任体系,助力政府、企业、个人牢固树立自愿减排理念。

(3) 持续推进新型城镇化建设,聚焦提升低碳基础能力发力。突出成都市、广元市等“低碳试点城市”示范效应,深刻彰显成都市美丽宜居公园城市理念,推进全国首创“碳中和垃圾分类站”等低碳基础设施建设。积极推广新能源汽车,完善低碳交通体系,加快推进“轨道公交慢行”三网融合,推动铁路公交化高效运营。提升绿色低碳建筑标准,加快发展装配式建筑,稳步推进“无废城市”建设。持续优化城镇空间布局,实现城镇空间结构由分散、单核发展向紧凑、多核发展转变。

(4) 完善顶层设计规划,聚焦构建绿色低碳产业发力。聚焦钢铁、水泥生产、火力发电等四川省碳排放重点行业,完善温室气体数据统计管理体系,出台低碳改造技术指南。做强绿色低碳制造业,大力发展新材料、节能环保、油气钻采及海洋工程装备、新能源汽车等先进产业,壮大绿色金融、森林康养等绿色低碳服务业,大力发展低碳循环农业,高标准建设国家资源循环利用基地,加大低碳产品认证力度,通过土地整治和集约利用增加碳汇。

(5) 拓宽清洁能源大省基础,聚焦加快能源低碳转型发力。加快常规和非常规天然气勘探开发步伐,提升中国“气大庆”建设水平,助力“气化全川”。发挥四川省风能、光伏发电、水电资源得天独厚的资源优势,突出“风电、光电等清洁能源大面积上网”前提下的电力系统能源结构和调度能力建设,强化分布式能源项目建设,增强能源保障能力,提升基层能源供给韧性。