基于系统动力学的交通运输碳排放系统仿真与低碳情景研究

张 旭，秦怡华（燕山大学 经济管理学院，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

近年来，二氧化碳等气体排放引发的全球变暖现象对人类可持续发展的影响日益严峻。2020 年9 月，在第七十五界联合国大会上，我国明确提出了“碳达峰”和“碳中和”目标，这是党中央经过深思熟虑做出的重大战略部署，也是中国应对气候变化做出的庄严承诺。交通运输业是中国能源需求和碳排放的主要行业之一，货物运输产生的温室气体数量约占碳排放总量的7.5%，年均能源消耗增长率高出全国平均水平2.23%。党的十九大阐述了加快推进绿色发展、建设美丽中国等一系列战略部署并提出建设交通强国的重大战略决策。低碳交通不仅有利于城市建设，同时对生态文明和可持续发展具有重要影响。因此，探索交通运输业的低碳发展对于实现我国“双碳”目标具有重要推动作用。

目前国内外学者对交通运输碳排放的研究主要集中在其空间效率、演变趋势、影响因素及节能减排措施等方面。空间效率上，袁长伟等[1]采用超效率SBM 模型对我国省域的交通运输碳排放空间分布进行测度并分析了其空间聚集特性等；贾鹏等[2]采用DEA 模型测度区域综合交通运输效率，并结合空间数据分析方法描述货物运输效率的省域空间聚集特征；演变趋势上，张帅等[3]运用SNA 法分析了中国29 个省市的交通运输碳排放网络结构演变规律和空间分布特征；Li 等[4]对中国城市的交通运输碳排放的空间格局演变进行分析，指出中国城市交通碳排放的区域差异；国一帆等[5]应用灰色系统分析法对河北省未来碳排放的趋势进行了定性趋势预测，指出河北省绿色低碳交通体系的发展阶段特征；影响因素上Irfan[6]等构建系统动力学模型对客运碳排放进行研究，结果显示提高车辆燃油经济性、降低发电排放强度能够有效抑制碳排放的增加；张岩等[7]利用STRIPAT 模型分析北京交通运输碳排放的驱动因素；Li 等[8]选取影响因素分类进行因子分析，并借助三次指数平滑预测法预测城市交通碳排放量；节能减排措施上，唐丽敏等[9]运用系统动力学模型从补贴电动客车生产方、碳排放治理投资、降低单耗和排放系数等方面提出道路运输节能减排路径；Engo[10]指出降低能源强度、调整能源结构和经济结构是交通行业减排的重要途经；王火根等[11]构建系统动力学模型，研究供给侧经济增长速度、能源结构和产业结构要素在不同政策背景下对碳减排的影响效果。

综上，现有研究在交通运输碳排放方面做了大量有益探索，但较少从交通运输与社会经济、能源、环境组成的复杂系统角度进行深入探究。基于此，研究在确定交通运输碳排放影响因素及其因果关系的基础上建立系统动力学模型，探究各因素作用机理。通过系统仿真分析交通运输碳排放变化情况，通过情景仿真探索交通运输低碳发展的有效路径，以期为交通运输行业的节能减排提供参考。

1 交通运输碳排放系统动力学模型构建

1.1 模型假设

考虑交通运输碳排放系统的复杂性，对模型做以下假设：（1）交通运输碳排放系统是一个不断循环的系统，经济和客货运周转量均稳定增长；（2）只考虑主要运输方式的移动端能源消耗和碳排放；（3）只考虑经济、人口、能源消耗对碳排放的影响，不考虑系统以外因素影响；（4）以标准煤消耗量作为能源消耗指标，以二氧化碳排放量作为碳排放指标，不考虑能源消耗产生的其他污染气体排放。

1.2 交通运输碳排放系统因果关系分析

基于现有文献确定交通运输碳排放系统中的各个子系统及其主要影响因素，具体如下[12-13]：社会经济子系统：GDP、人口、产业结构、环保投入、污染损失等；能源子系统：能源消费结构、运输能耗强度、交通运输能源消耗等；环境子系统：能源碳排放强度、交通运输二氧化碳排放量、交通运输二氧化碳污染量、交通运输二氧化碳减排量等；交通运输子系统：货运周转量、客运周转量等。其中，社会经济、能源、环境、交通运输四个子系统构成了相互关联的复杂系统，各子系统之间均存在双向影响，构成了关系错综复杂的交通运输碳排放系统。具体而言，社会经济的发展对于客货运交通具有推动作用，而交通运输业发展促进经济发展的同时，会造成大量的能源消耗，导致各种污染气体的排放，引起环境污染；环境污染一方面会抑制经济增长，制约客货运交通的可持续发展，另一方面又能促进节能减排工作的实施，使社会经济系统通过环境治理投资和节能技术利用来减少污染气体的排放和能源的过度消耗，提升客货运交通运行效率。由此，本文所构建的交通运输碳排放系统因果关系图如图1 所示。

图1 交通运输碳排放系统因果反馈图

图1 中“+”表示箭头始端变量与末端变量正相关，“-”表示箭头始端变量与末端变量负相关。该因果关系图主要包括以下三个反馈回路。

（1）GDP→+收入水平→+交通运输周转量→+能源消费结构→+交通运输能源消耗→+交通运输二氧化碳排放量→+交通运输二氧化碳污染量→+污染损失→-GDP（负反馈）；

（2）交通运输二氧化碳污染量→+污染损失→-GDP→+环保投入→+交通运输二氧化碳减排量→-交通运输二氧化碳污染量（正反馈）；

（3）GDP→+产业结构→+交通运输周转量→+能源消费结构→+交通运输能源消耗→+交通运输二氧化碳排放量→+交通运输二氧化碳污染量→+污染损失→-GDP（负反馈）。

1.3 交通运输碳排放系统流图建立

基于各子系统的因果反馈关系，综合考虑各种交通运输工具的运输周转量、单位周转量能耗、各种能源碳排放系数、碳排放治理投入系数等诸多变量，运用Vensim 软件，绘制交通运输碳排放系统流图，如图2 所示。

图2 交通运输碳排放系统流图

2 交通运输碳排放系统仿真

交通运输碳排放系统以铁路、公路、水路、航空四种运输方式为代表的客货运输体系为边界，基于《中国统计年鉴》、《中国交通年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《CO2Emissions from Fuel Combustion》等统计资料，通过对系统中各个变量原始数据的统计整理，结合回归拟合、数学推导等方式得到模型参数表达式，进行交通运输碳排放系统仿真。

2.1 模型真实性检验

在建立中国交通运输碳排放的系统动力学方程的基础上，设定系统模拟时间为2005—2019 年，将模型方程和参数取值输入Vensim 软件进行仿真模拟。本文选取GDP、能源消耗量、二氧化碳排放量三个关键指标进行真实性检验，将其真实值与系统动力学模型的仿真结果进行对比，检验所建立模型的真实性。结果显示，三个变量的仿真值与实际值之间的最大误差分别为7.54 %、5.68%和7.42%，小于10%，平均误差分别为3.30%、2.59%和4.72%，均在5%以内。因此，所建立的交通运输碳排放系统动力学模型的模拟结果可靠，可以较合理地反映交通运输碳排放的真实情况。

2.2 交通运输碳排放仿真预测

根据前述分析结果，交通运输碳排放系统模型通过真实性检验成立，因此，可以根据此模型对未来情况进行仿真预测。设定基准年为2005 年，目标年为2030 年，仿真步长为1 年，以GDP 和人口、交通运输能源消耗量、交通运输二氧化碳排放量和交通运输二氧化碳排放强度、货运周转量和客运周转量分别作为社会经济子系统、能源子系统、环境子系统和交通运输子系统的代表指标，仿真结果如图3 所示。

图3 交通运输碳排放系统仿真预测趋势图

由图3 可知，随着GDP 和客货运周转量的逐年上升，交通运输能源消费量不断增加，最终导致交通运输二氧化碳排放量呈逐年上升趋势。二氧化碳排放强度是由GDP 与二氧化碳污染量的比值决定的，由图3（d）显示，其呈现波动下降趋势，从2005 年的3.54 降低到2030 年的1.88，总体下降46.89%，与《巴黎协议》目标——“2030 年单位GDP 碳排放强度比2005 年下降60%至65%”，仍存在差距。

3 交通运输碳排放系统情景分析

3.1 情景设定

基于系统仿真结果，提高GDP 和降低二氧化碳排放量是实现低碳发展的有效路径。然而，GDP 受全球经济环境、各产业联合机制、社会发展格局等多种要素的影响，可操控性较低。相比之下，采取有效的减排措施并制定相应政策是最直接和可行的方法。由此，本文从经济结构调控、运输结构调整、技术进步、环保治理四个方面，通过改变产业比重、运输方式的周转量比重、运输方式下运输工具的周转量比重、运输工具单位周转量的能耗量、能源碳排放系数、环境污染投资、碳排放治理投资等指标，设计以下交通运输业低碳发展情景。

（1）基础情景：此情景下各个指标的数据不变，作为各情景对比的依据；

（2）经济结构调控情景：此情景主要调整产业结构，将第三产业比重提升5%；

（3）运输结构调整情景：将公路货运、公路客运的比重均降低5%，LNG 车、LNG 船、电力机车的比重均增加5%；

（4）技术创新情景：此情景下将降低运输工具的能耗量和能源的碳排放量，汽油车、柴油车、燃油船的单耗及汽油、柴油、燃料油、煤油的碳排放系数均降低5%；

（5）环保治理情景：将环境污染治理投资系数和碳排放治理投入系数均增加5%。

3.2 情景仿真结果分析

基于上述低碳发展情景进行模型仿真，得出不同情景下交通运输能源消耗量、交通运输二氧化碳污染量、交通运输二氧化碳排放强度的模拟结果，具体分析如下。

（1）不同情景下交通运输能源消耗量仿真结果分析。基于仿真结果，各情景下交通运输业能源消耗量变化趋势如图4 所示。各情景下的交通运输能源消耗量相比于基础情景均有所降低，但降低程度存在显著差异。运输结构调整情景具有压倒性优势，节能效果最明显，2030 年能源消耗量相对于基础情景降低18.37%；环保治理情景下节能效果并不明显，能源消耗量仅降低0.57%；经济结构调控情景和技术创新情景下，能源消耗量下降率分别为11.58%和9.09%，对交通运输能源节约起到了一定的积极作用。基于节能视角，调整运输结构是实现交通运输低碳发展的有效路径。

图4 不同情境下能源消耗量模拟结果对比

（2）不同情景下交通运输二氧化碳污染量仿真结果分析。根据结果，技术创新情景和运输结构调整情景相较于经济结构调控和环保治理情景，减排效果更加显著，2030 年二氧化碳污染量相较于基础情景均降低了20%以上，且两者差距不大。由此，降低单位能耗、排放系数及调整运输方式比重、能源消费比重等降低交通运输碳排放具有较大作用。经济调控情景下二氧化碳污染量的下降率为13.51%，体现了三大产业结构调整对交通运输低碳发展的促进作用。环保治理情景下二氧化碳污染量下降率为3.98%，减排效果有限。各情景下交通运输二氧化碳污染量变化趋势如图5 所示。基于减排视角，促进技术创新和优化运输结构是实现交通运输低碳发展的有效路径。

图5 不同情景下二氧化碳污染量模拟结果对比

（3）不同情景下交通运输二氧化碳排放强度仿真结果分析。根据仿真结果，运输结构调整和技术创新两种情景下，交通运输二氧化碳排放强度下降程度最大，2030 年碳排放强度相较于基准情景均降低了20%以上，接近2030 年单位GDP 碳排放强度比2005 年下降60%至65%的减排目标，二者对交通运输低碳发展的贡献明显；经济结构调控情景下的碳排放强度降低13.52%，具有一定的排放控制效果；环保治理情景下的低碳效果仅优于基础情景，对碳排放强度的抑制作用不大。各情景下交通运输二氧化碳排放强度变化趋势如图6 所示。基于碳排放强度视角，加强科技创新、优化运输结构、促进产业结构调整是实现交通运输低碳发展的有效路径。

图6 不同情景下二氧化碳排放强度模拟结果对比

4 结束语

本文以交通运输碳排放系统为研究对象，基于交通运输碳排放体系框架，构建系统动力学模型，以2005—2019 年相关数据为基础，对交通运输能源消耗量、碳排放量、碳排放强度等指标进行仿真预测，设计四种低碳发展情景并仿真，分析交通运输碳排放相关指标的变化情况，探索有效的低碳发展路径。研究结果表明：（1）在现行政策影响下，交通运输能源消耗量与二氧化碳排放量将呈现逐年上升趋势，二氧化碳排放强度将呈现波动下降趋势，采取有效的减排措施和政策是实现交通运输低碳发展的可行方法；（2）优化运输结构是交通运输低碳发展的优先选择，基于技术创新的低碳举措亦可以有效推动交通运输的低碳发展，而环保治理推动低碳交通发展的效果十分有限；（3）产业结构调整减排作用的发挥与货运发展速度密切相关，因此，利用优化产业结构手段进行交通运输碳排放控制的同时需要关注货物运输的稳步发展。