城市生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)模擬、優(yōu)化調(diào)控方法研究

趙妍，田強(qiáng)，尚金城

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024

生態(tài)工業(yè)是指仿照自然界生態(tài)過(guò)程物質(zhì)循環(huán)的方式來(lái)規(guī)劃和發(fā)展現(xiàn)行工業(yè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)工業(yè)的相關(guān)理論和實(shí)踐自20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展迅速，國(guó)際上對(duì)應(yīng)用生態(tài)工業(yè)原理設(shè)計(jì)、規(guī)劃生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的研究較為廣泛[1-4]，并對(duì)美國(guó)、加拿大、荷蘭等國(guó)家EIP創(chuàng)建經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)[5-6]，探討了在更大尺度區(qū)域建設(shè)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)及其可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題[7-10]。目前，全世界現(xiàn)有超過(guò)12000個(gè)生態(tài)工業(yè)園，其中丹麥卡倫堡作為工業(yè)生態(tài)學(xué)的經(jīng)典案例已被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所熟知。截止到2009年1月，國(guó)家環(huán)保部批準(zhǔn)建設(shè)33個(gè)國(guó)家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，另有蘇州工業(yè)園區(qū)等3家通過(guò)驗(yàn)收授牌。工業(yè)生態(tài)學(xué)的一個(gè)重要特征是要求對(duì)所研究的問(wèn)題進(jìn)行量化分析，因而對(duì)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)是一個(gè)重要問(wèn)題[11-12]。依據(jù)工業(yè)生態(tài)學(xué)原理對(duì)長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)現(xiàn)行工業(yè)體系“生態(tài)結(jié)構(gòu)重組”基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)多種替代方案的多級(jí)評(píng)價(jià)，促進(jìn)以工業(yè)代謝過(guò)程為核心的資源高效利用和環(huán)境影響最小化。

1 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃

1.1 研究區(qū)域工業(yè)群落分析

長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)是1993年4月批準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)春市政府2000年和2003年兩次區(qū)劃調(diào)整，現(xiàn)在區(qū)域面積已經(jīng)達(dá)到112 km2。轄兩街一鎮(zhèn)，常住人口約17萬(wàn)。10余年來(lái)開(kāi)發(fā)區(qū)經(jīng)濟(jì)總量不斷擴(kuò)大，在優(yōu)化所有制結(jié)構(gòu)、提升工業(yè)化水平、促進(jìn)新老城區(qū)一體化等方面對(duì)長(zhǎng)春市均有著明顯的影響。隨著開(kāi)發(fā)區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出由資源、環(huán)境單要素約束性引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，以及由于整體效應(yīng)而產(chǎn)生的系統(tǒng)性問(wèn)題。目前，長(zhǎng)春市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)已有26個(gè)國(guó)家和地區(qū)的53家大跨國(guó)集團(tuán)投資興業(yè)，全區(qū)累計(jì)批準(zhǔn)設(shè)立企業(yè)3216戶。通過(guò)調(diào)查開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)背景狀況，可以確立玉米深加工產(chǎn)業(yè)、汽車零部件產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵種。關(guān)鍵種企業(yè)使用和傳輸?shù)奈镔|(zhì)最多、能量流動(dòng)的規(guī)模最龐大，帶動(dòng)和牽制著其他企業(yè)、行業(yè)的發(fā)展，居于中心地位，也是生態(tài)產(chǎn)業(yè)“鏈核”[13]。

玉米深加工產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃主要是玉米化工醇、聚酯等玉米深加工和相應(yīng)配套的工業(yè)及基礎(chǔ)設(shè)施、公用設(shè)施等功能；規(guī)劃建成“糧食生產(chǎn)→初加工（附產(chǎn)品）→深加工（玉米化工）→精深加工的化工輕紡產(chǎn)業(yè)園區(qū)”的循環(huán)模式，參見(jiàn)圖1。汽車產(chǎn)業(yè)鏈堅(jiān)持以產(chǎn)品生命周期環(huán)境管理為指導(dǎo)，從原輔材料和能源、技術(shù)工藝、設(shè)備、過(guò)程控制、產(chǎn)品、管理、員工和廢物等方面，全面開(kāi)展清潔生產(chǎn)。并結(jié)合一汽的項(xiàng)目開(kāi)展戰(zhàn)略招商，提升汽車零部件制造企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力，加強(qiáng)企業(yè)間溝通與協(xié)作，構(gòu)建開(kāi)發(fā)區(qū)汽車制造產(chǎn)業(yè)群落，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)。依據(jù)上述兩大關(guān)鍵種產(chǎn)業(yè)構(gòu)建整個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)共生模式，主要技術(shù)方式包括①作為資源重新使用廢料；②封閉物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和盡量減少消耗性排放；③產(chǎn)品與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的非物質(zhì)化；④能源脫碳。在此基礎(chǔ)上提出完善產(chǎn)品代謝鏈、廢物代謝鏈及污染物減量、能源利用提高的方案。

2 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)模擬、調(diào)控與預(yù)測(cè)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)SD（System Dynamics）集系統(tǒng)論、控制論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為一體，能定性與定量地分析研究系統(tǒng)，以結(jié)構(gòu)—功能模擬為其突出特點(diǎn)，它能夠處理高階次、非線性、多重反饋復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的問(wèn)題[14]。通過(guò)構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)的規(guī)范模型，采用VENSIM軟件仿真，以反映生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為并對(duì)其不同發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行調(diào)控、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

圖1 長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)玉米深加工產(chǎn)業(yè)鏈Fig.1 Corn Deep Processing Chain of Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1 系統(tǒng)模擬

將長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)劃分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境三個(gè)相互反饋的子系統(tǒng)。系統(tǒng)共設(shè)立指標(biāo)124個(gè)，分別為狀態(tài)變量8個(gè)、速率變量14個(gè)、輔助變量和常量102個(gè)，表函數(shù)13個(gè)，其中狀態(tài)變量是系統(tǒng)的核心, 表示系統(tǒng)在變化過(guò)程中某個(gè)具體時(shí)刻的狀態(tài)。

2.1.1 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

主要包括園區(qū)總產(chǎn)值和總?cè)丝谙到y(tǒng)變量，參見(jiàn)圖 2。人口子系統(tǒng)通過(guò)人口數(shù)量和素質(zhì)影響著園區(qū)的發(fā)展和資源利用，同時(shí)又受制于經(jīng)濟(jì)水平和環(huán)境質(zhì)量。人口資源屬性通過(guò)勞動(dòng)力與各產(chǎn)業(yè)部門連接，直接參與到區(qū)域經(jīng)濟(jì)變化過(guò)程中。經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)近年人口增長(zhǎng)主要為機(jī)械增長(zhǎng)，受經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)吸引和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的影響。生態(tài)環(huán)境因子通過(guò)調(diào)節(jié)人口死亡率和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)率作用于總?cè)丝?。?jīng)濟(jì)子系統(tǒng)包括園區(qū)內(nèi)五大支柱產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的變化情況，同時(shí)又引入了生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)聚合度概念，它反映生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)中各企業(yè)間、生產(chǎn)過(guò)程間的相互作用的程度，受產(chǎn)業(yè)鏈縱向、橫向和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)所要考慮的核心問(wèn)題是如何在保護(hù)資源、環(huán)境的前提下發(fā)展和擴(kuò)大工業(yè)生產(chǎn)，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 資源子系統(tǒng)

資源子系統(tǒng)包括區(qū)內(nèi)水資源和礦產(chǎn)資源子系統(tǒng)，以提高資源利用效率、降低資源消耗速度為調(diào)控目標(biāo)。水資源系統(tǒng)以水資源余量作為狀態(tài)變量，通過(guò)供水量、耗水量等速率變量和輔助變量與其他子系統(tǒng)相連接，參見(jiàn)圖 3。構(gòu)建的水資源共生系統(tǒng)依靠水資源“閉路再循環(huán)”網(wǎng)絡(luò)集成實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，并設(shè)置雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、采暖等活動(dòng)大量消耗了礦產(chǎn)資源，模型系統(tǒng)通過(guò)調(diào)控協(xié)調(diào)資源量與需求的矛盾促使其合理利用。

圖2 長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.2 Simulation model of society and economy subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

圖3 長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)資源子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.3 Simulation model of resource subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.1.3 環(huán)境子系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生大量的廢水、廢氣和固體廢物等污染物將對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生制約作用。環(huán)境子系統(tǒng)模型中設(shè)置環(huán)境保護(hù)與科技影響因子等變量使其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)形成反饋關(guān)系，參見(jiàn)圖4。并通過(guò)投入資金、加強(qiáng)科技創(chuàng)新研發(fā)和技術(shù)改造，清潔生產(chǎn)等手段來(lái)降低生產(chǎn)生活對(duì)環(huán)境的破壞，確保環(huán)境、區(qū)域和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)環(huán)境子系統(tǒng)模型仿真圖Fig.4 Simulation model of environment subsystem in Changchun Economic and Technological Development Zone

2.2 模型系統(tǒng)調(diào)控與仿真分析

2.2.1 系統(tǒng)調(diào)控與檢驗(yàn)

模型系統(tǒng)中狀態(tài)變量用差分方程表示，速度變量和輔助變量之間的定量關(guān)系比較復(fù)雜，需依據(jù)各變量間因果反饋關(guān)系建立方程。模型系統(tǒng)時(shí)間邊界為2005—2020年，時(shí)間步長(zhǎng)1 a。系統(tǒng)參數(shù)平均變化率類利用歷史統(tǒng)計(jì)資料取均值計(jì)算，增長(zhǎng)速率類采用回歸法確定，部分?jǐn)?shù)據(jù)依公式按比例推算。模型選用投資比例、環(huán)科影響因子、網(wǎng)絡(luò)聚合度、水梯級(jí)循環(huán)利用率、燃煤循環(huán)利用率、廢水處理率、廢氣處理率作為調(diào)控參量，并設(shè)置4種發(fā)展方案：方案1為無(wú)為方案，方案2重點(diǎn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)，方案3著重環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施、方案4調(diào)控經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)科技進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)與其相互作用關(guān)系，在此基礎(chǔ)上模擬系統(tǒng)行為，參見(jiàn)表1。

3 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)生態(tài)效率評(píng)價(jià)與發(fā)展方案優(yōu)化

建立穩(wěn)定高效、環(huán)境和諧的生態(tài)工業(yè)復(fù)合體系關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別系統(tǒng)的多層次互動(dòng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，有針對(duì)性地反映各個(gè)層次的功能、效率和影響[15]。根據(jù)長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)本身的規(guī)模和對(duì)指標(biāo)設(shè)定的影響因素，指標(biāo)選取兼顧研究對(duì)象的微觀和宏觀特性，包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境三大類17項(xiàng)。I、II、III分別代表效率級(jí)別一般、良好、高效三個(gè)灰類。各指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process）確定。具體指標(biāo)體系及其權(quán)重ηj如下，參見(jiàn)表2。

表1 長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)不同發(fā)展戰(zhàn)略仿真結(jié)果Table 1 Eco-industrial simulation results under different scenarios in Changchun Economic and Technological Development Zone

表2 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)生態(tài)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 The indicator system for eco-efficiency evaluation on industrial system

由于評(píng)價(jià)聚類指標(biāo)的意義、量綱不同，且在數(shù)量上懸殊較大，采用灰色變權(quán)聚類可能導(dǎo)致某些指標(biāo)參與聚類的作用十分微弱，因此選擇灰色定權(quán)聚類計(jì)算4種不同發(fā)展方案下系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬仿真結(jié)果的灰色聚類系數(shù)。

設(shè)有n個(gè)聚類對(duì)象，m個(gè)聚類指標(biāo)，s個(gè)不同灰類，根據(jù)第i個(gè)對(duì)象關(guān)于j指標(biāo)的觀測(cè)值xij，將第i個(gè)對(duì)象歸入第k個(gè)灰類，稱為灰色聚類（其中i=1,2, …, n；j=1,2, …, m；k∈{1,2, …, s}）。將n個(gè)對(duì)象關(guān)于指標(biāo)j的取值相應(yīng)地分為s個(gè)灰類，稱為j指標(biāo)子類。j指標(biāo)k子類的白化權(quán)函數(shù)記為設(shè)為j指標(biāo)k子類的典型白化權(quán)函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[16]。典型白化權(quán)函數(shù)記為

滿足

下限測(cè)度白化權(quán)函數(shù)記為

適中測(cè)度白化權(quán)函數(shù)記為

滿足

上限測(cè)度白化權(quán)函數(shù)記為

滿足

表明，第1和第2發(fā)展方案都屬于第III灰類，方案3屬于第II灰類，方案4屬于第I灰類。即在采用無(wú)為方案和注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案條件下，系統(tǒng)生態(tài)效率一般，且注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案 III灰類聚類系數(shù)較高。方案3強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)方案條件下系統(tǒng)生態(tài)效率可以達(dá)到良好。當(dāng)采用發(fā)展方案4時(shí)，園區(qū)工業(yè)系統(tǒng)可以達(dá)到生態(tài)效率高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明模擬初期由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展勞動(dòng)力需求增加開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)人口增長(zhǎng)迅速，總產(chǎn)值也逐期增加。水資源是區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因子，如不采取有效措施將出現(xiàn)供給缺口。不同發(fā)展戰(zhàn)略中方案 4呈現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)的狀態(tài)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度較高，即系統(tǒng)生態(tài)效率高效。長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀較好，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口聚集，環(huán)境壓力將加大。

因此，長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，必須以廢物減量化、再循環(huán)利用和廢物資源化為指導(dǎo)原則，通過(guò)在園區(qū)企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間對(duì)物質(zhì)、能量和公用工程進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)、能量集成利用和信息交換共享，合理布局，構(gòu)成工業(yè)生態(tài)鏈，并推行清潔生產(chǎn)、推進(jìn)清潔能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展資源集約型基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境友好的產(chǎn)業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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