彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭

(南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071)

基于PSR模型和系統(tǒng)動力學的城市環(huán)境績效動態(tài)評估研究

彭 乾，邵 超 峰，鞠 美 庭*

(南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071)

根據(jù)PSR模型、系統(tǒng)動力學模型和情景仿真模擬，構建了城市環(huán)境績效動態(tài)評估模型，定量表達了城市環(huán)境績效的現(xiàn)狀水平和動態(tài)發(fā)展趨勢。依據(jù)天津市發(fā)展特點和資源環(huán)境概況，首先基于PSR模型構建了環(huán)境績效評估體系，并將其與系統(tǒng)動力學模型相耦合，通過情景分析模擬評估了慣性情景、優(yōu)化發(fā)展情景、低碳發(fā)展情景和綠色發(fā)展情景四種城市發(fā)展情景的環(huán)境績效水平。結(jié)果表明：天津市2009-2013年環(huán)境績效綜合指數(shù)(EPI)不斷上升，但始終處于“較低”等級。在四種情景發(fā)展趨勢上，低碳發(fā)展情景和綠色發(fā)展情景的EPI增幅較大，均于2020年提升至“較好”等級，其中綠色發(fā)展情景最優(yōu)(67.6)；而優(yōu)化發(fā)展情景、慣性情景EPI增幅較小，2020年處于“一般”等級。可以看出，以中新生態(tài)城綠色發(fā)展為范式的天津可持續(xù)發(fā)展模式是高效實現(xiàn)“美麗天津”建設目標的最優(yōu)路徑。

環(huán)境績效；PSR模型；系統(tǒng)動力學；動態(tài)評估；情景分析

0 引言

隨著我國“兩型社會”、生態(tài)文明建設的進一步強化，科學、準確和合理地評估城市可持續(xù)發(fā)展的建設效應[1]具有十分重要的意義。環(huán)境績效評估是一種有效的可持續(xù)發(fā)展評估手段，能夠?qū)Νh(huán)境政策實施后所取得的效果進行階段性的評估，從而揭示環(huán)境狀況與發(fā)展水平以及環(huán)境政策質(zhì)量的優(yōu)劣[2]。當前，環(huán)境績效評估研究已從微中觀層面拓展到了省級、市級等區(qū)域宏觀層面[3]，國際上也先后開展了多項與區(qū)域環(huán)境績效評估相關的研究[4-6]。我國對于區(qū)域環(huán)境績效評估的研究主要集中在：基于主題框架模型或因果框架模型的區(qū)域環(huán)境績效指標體系構建與綜合評估[3,7,8]、基于數(shù)據(jù)包絡分析法(DEA)的區(qū)域環(huán)境績效測算及相應測量模型構建與影響因素分析[9-11]、基于資源環(huán)境綜合績效指數(shù)(REPI)的區(qū)域環(huán)境績效評估[12-14]等。但當前的研究普遍著眼于歷史或現(xiàn)狀的靜態(tài)角度，缺乏對未來動態(tài)演變趨勢的預測；同時，構建的區(qū)域環(huán)境績效指標也未能與社會經(jīng)濟發(fā)展取得動態(tài)聯(lián)系，無法定量表達經(jīng)濟-社會-環(huán)境復合系統(tǒng)之間的依賴、制約關系。系統(tǒng)動力學(SD)模型能夠反映復雜系統(tǒng)結(jié)構功能與動態(tài)行為之間的相互作用關系[15]，適用于經(jīng)濟-社會-環(huán)境復合系統(tǒng)的長期、動態(tài)和宏觀的定量分析和模擬研究[16]。

天津市經(jīng)濟發(fā)展迅猛，人均GDP已位列全國第一，然而其經(jīng)濟高速增長的背后仍面臨著能源結(jié)構不合理、水資源短缺、空氣與水環(huán)境質(zhì)量過低、生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降等諸多問題。為破解這些難題，天津市已陸續(xù)開展了生態(tài)市建設、低碳城市試點建設和美麗天津建設等多項政策措施，并以美麗天津建設為核心以期實現(xiàn)天津市的綠色、持續(xù)發(fā)展。本研究以天津市為例，從城市經(jīng)濟-社會-環(huán)境復合角度，構建了現(xiàn)狀水平和動態(tài)發(fā)展趨勢相結(jié)合的模型框架，提出了基于PSR模型、系統(tǒng)動力學模型和情景模擬分析相結(jié)合的城市環(huán)境績效動態(tài)評估模型，評估了當前天津市環(huán)境績效水平以及未來不同可持續(xù)發(fā)展路徑下的動態(tài)發(fā)展趨勢，展現(xiàn)了各目標情景的發(fā)展效應,為管理者提供了相關決策依據(jù)，并為我國城市環(huán)境績效的研究和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 研究方法

1.1 城市環(huán)境績效動態(tài)評估框架

城市的可持續(xù)發(fā)展離不開經(jīng)濟循環(huán)、社會和諧、生態(tài)安全3個子系統(tǒng)的相互支撐[17]，城市內(nèi)部各要素之間相互聯(lián)系、相互影響、相互作用，形成了多層次、綜合性的動態(tài)演進復雜巨系統(tǒng)。針對城市復合系統(tǒng)基本特點和可持續(xù)發(fā)展的基本理念，本文構建了PSR模型-系統(tǒng)動力學模型-情景仿真模擬相結(jié)合的城市環(huán)境績效動態(tài)評估模型(圖1)。首先通過PSR模型構建靜態(tài)評價指標體系并以環(huán)境績效綜合指數(shù)的形式評估城市環(huán)境績效現(xiàn)狀水平。其次構建以PSR模型指標為基礎的城市發(fā)展系統(tǒng)動力學模型，通過經(jīng)濟、社會、環(huán)境、資源、生態(tài)各子系統(tǒng)中壓力、狀態(tài)、響應指標的相互作用來模擬城市發(fā)展過程中環(huán)境績效的未來動態(tài)演變趨勢。最后，通過情景仿真模擬針對城市不同可持續(xù)發(fā)展路徑和目標調(diào)節(jié)不同參數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)動力學模型計算各情景下環(huán)境績效的變化情況，并最終評估城市環(huán)境績效水平和建設效應。

圖1 城市環(huán)境績效動態(tài)評估模型框架Fig.1 Framework of dynamic evaluation model of urban 〖〗environmental performance

本研究中所涉及的基礎數(shù)據(jù)主要來源于：《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境質(zhì)量報告》、《天津統(tǒng)計年鑒》、《天津市水資源公報》、《天津市環(huán)境狀況公報》等以及其他規(guī)劃調(diào)研資料和文獻。

1.2 基于PSR模型的評價指標體系構建

1.2.1 指標體系構建 PSR(壓力-狀態(tài)-響應)模型已廣泛應用于環(huán)境績效評估。本文基于PSR模型原理自上而下、逐層分解，將區(qū)域環(huán)境績效分為3個層次，每一層分別選取反映其主要特征的指標。依據(jù)系統(tǒng)性、科學性、政策相關性、精簡有效性等指標選取原則，考慮基礎數(shù)據(jù)的可得性和易量化性，在國內(nèi)外環(huán)境績效指標體系研究的基礎上[3-8]，根據(jù)天津市美麗天津建設重點、區(qū)域資源環(huán)境特征和面臨的發(fā)展問題，參考我國相關標準和規(guī)劃，構建了天津環(huán)境績效評估體系(表1)。

1.2.2 評估標準與權重 本文采用極值法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為[0,1]之間的數(shù)值，0代表評估時間內(nèi)的最劣值，而1則代表環(huán)境績效最優(yōu)值即目標值。對于最劣值主要采用評估時間范圍內(nèi)天津市或全國整體水平最小值以及規(guī)劃規(guī)定值；對于最優(yōu)值即目標值，主要參考《國家生態(tài)文明建設試點示范區(qū)指標》、《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標》、《中新天津生態(tài)城建設國家綠色發(fā)展示范區(qū)實施方案》、《美麗天津建設綱要》以及其他先進城市相關規(guī)劃中的目標值，具體見表1。本文利用熵值法對各項指標進行賦權。熵值法是一種客觀賦權法，其主要根據(jù)指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權。若某個指標的信息熵(Ej)越小，則表明該指標的變異程度大，提供的信息量多，在評價中起到的作用更大，其權重也就越大。通過把基礎數(shù)據(jù)標準化后(xij)，根據(jù)式(1)計算指標的Ej，進而求得權重(wj)：

表1 天津環(huán)境績效評估指標體系Table 1 The environmental performance evaluation system of Tianjin

標準來源：a：評估時間內(nèi)全國大中型城市最小值；b：中新天津生態(tài)城綠色發(fā)展指標；c：評估時間內(nèi)天津市最小值；d：國內(nèi)優(yōu)秀城市現(xiàn)狀值；e：國家生態(tài)文明建設試點示范區(qū)指標；f：天津市生態(tài)用地保護紅線劃定規(guī)劃；g：天津土地利用總體規(guī)劃耕地最低保有量+發(fā)達城市建設用地比例；h：生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范；i：國家級生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標；j：歷史參考值；k：評估時間內(nèi)京津冀地區(qū)最小值；l：理想值；m：美麗天津建設綱要；n：深圳低碳發(fā)展中長期規(guī)劃。

(1)

(2)

(3)

式中：pij為第j個指標第i年的指標值比重，n為評價指標數(shù)，m為評價年數(shù)。

1.2.3 指標綜合評價 指標綜合評價以數(shù)據(jù)標準化處理和指標權重分配為基礎。本文采用加權法計算環(huán)境績效綜合指數(shù)(EPI)，以表征天津當前綠色發(fā)展效果和發(fā)展效益。計算公式為：

(4)

式中：EPI為區(qū)域環(huán)境績效綜合指數(shù)，wj表示第j個指標權重，xij表示第j個指標標準化值。EPI數(shù)值越高，表明區(qū)域環(huán)境績效水平越高，綠色發(fā)展效益越好。為了直觀反映其優(yōu)劣變化，本文采用等分法將環(huán)境績效綜合指數(shù)分為5個等級：“低”(0～20)、“較低”(20～40)、“一般”(40～60)、“較高”(60～80)、“高”(80～100)。

1.3 系統(tǒng)動力學模型構建

城市系統(tǒng)由資源生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)支撐，由經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展推動，由社會人口系統(tǒng)協(xié)調(diào)保障。通過建立基于PSR模型指標的城市可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型，表達經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境、生態(tài)各子系統(tǒng)指標間的因果反饋聯(lián)系，并依據(jù)變量間的反饋約束實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)展行為變化與路徑趨勢的動態(tài)模擬(圖2)。模型使用VensimPLE軟件構建系統(tǒng)流程圖，模型邊界為天津市，模擬時間為2013-2020年，仿真步長為1年。模型中經(jīng)濟子系統(tǒng)主要包括GDP和科技投入；社會子系統(tǒng)主要包括人口、生活質(zhì)量水平和生態(tài)文明意識；環(huán)境子系統(tǒng)主要包括污染排放壓力、環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)和環(huán)境治理響應等指標；資源子系統(tǒng)主要包括資源消耗壓力、溫室氣體排放壓力和循環(huán)利用響應等指標；生態(tài)子系統(tǒng)主要包括生態(tài)脅迫壓力、生態(tài)質(zhì)量狀態(tài)和生態(tài)保護響應等指標。其中各類響應指標如城市污水處理率等以及GDP增長率由趨勢外推法確定，壓力指標如能源消費量、COD減排率等由回歸分析法確定，狀態(tài)指標如水質(zhì)達標率、森林覆蓋率等以及循環(huán)利用因素、環(huán)境治理因素等由表函數(shù)確定，各調(diào)控參數(shù)如城鎮(zhèn)化率、再生水利用進步等由歷史資料和規(guī)劃數(shù)據(jù)獲得。

圖2 天津環(huán)境績效動態(tài)評估系統(tǒng)動力學模型Fig.2 The SD model coupled with environmental performance dynamic evaluation system of Tianjin

構建系統(tǒng)動力學模型需要對比實際系統(tǒng)判別其結(jié)構和行為的合理性與一致性。本文通過對2009-2013年的歷史數(shù)據(jù)與系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)對比進行模型檢驗，以GDP和人口為例，其歷史值與仿真值的相對誤差均在10%以內(nèi)(表2)，其他變量檢驗結(jié)果類似?？傮w來看，系統(tǒng)模型較為真實地反映了實際情況，可以通過檢驗。

表2 模擬結(jié)果檢驗Table 2 Testing of simulation results

1.4 情景仿真模擬

可持續(xù)發(fā)展建設的不同路徑由于其規(guī)劃方向和目的、針對性以及側(cè)重點存在差異，因此其最終展現(xiàn)的發(fā)展特點和建設效果也不盡相同。通過不同發(fā)展方案的情景設立和對比，模擬其路徑模式和規(guī)劃目標下的環(huán)境績效動態(tài)發(fā)展趨勢，從而表征最后的發(fā)展效應。

根據(jù)天津市已經(jīng)提出實施的生態(tài)(生態(tài)市建設)、低碳(低碳城市試點)和綠色發(fā)展(美麗天津建設)三種建設方向，結(jié)合其相應的發(fā)展對策和發(fā)展目標，本研究設立了天津市可持續(xù)發(fā)展的四種模擬情景方案，分別為：慣性情景，依據(jù)2009-2013年的歷史發(fā)展趨勢演變；優(yōu)化發(fā)展情景，依據(jù)《天津市生態(tài)市建設“十二五”規(guī)劃》[18]的建設目標，綜合提升了各項措施力度；低碳發(fā)展情景，依據(jù)《深圳低碳發(fā)展中長期規(guī)劃》[19]的建設目標，著重加大了能源消耗和碳排放的削減力度和增加城市碳匯等措施；綠色發(fā)展情景，依據(jù)《中新天津生態(tài)城建設國家綠色發(fā)展示范區(qū)實施方案》[20]的建設目標，在保持低碳化和生態(tài)建設投入力度的同時，進一步增強了資源循環(huán)利用力度和污染物減排力度。根據(jù)各規(guī)劃的指標目標，各情景下的參數(shù)因子的選取主要通過相應規(guī)劃內(nèi)容直接獲得或依據(jù)規(guī)劃指標目標計算獲得，如果參數(shù)的目標值未在規(guī)劃中具體提及，則依據(jù)規(guī)劃措施間接推斷獲得(表3)。

2 天津環(huán)境績效動態(tài)評估結(jié)果

表3 天津環(huán)境績效動態(tài)評估不同模擬情景主要參數(shù)Table 3 Main parameter of different scenarios of environmental performance dynamic evaluation

注：a：由規(guī)劃內(nèi)容直接獲得；b：由規(guī)劃目標計算獲得；c：由規(guī)劃措施間接推斷。

從天津市環(huán)境績效現(xiàn)狀水平看(圖3)，2009-2013年天津市EPI雖在不斷上升,但一直處于“較低”等級。從方案層看，壓力層指數(shù)持續(xù)增長，各指標指數(shù)均增長較快，只有生態(tài)脅迫指標一直小幅下降。狀態(tài)層指數(shù)經(jīng)歷了先減后增的趨勢，在2011年達到最低點。響應層指數(shù)在經(jīng)歷了穩(wěn)步增長于2011年達到最高點后出現(xiàn)了小幅下滑。從天津市不同情景下的環(huán)境績效動態(tài)發(fā)展趨勢看(圖4-圖7)，綠色發(fā)展情景與低碳發(fā)展情景EPI均由“較低”等級上升到2020年“較高”等級，分別達到了67.6和64.9；優(yōu)化發(fā)展情景與慣性情景EPI則由“較低”等級上升到2020年“一般”等級。在方案層方面，各情景EPI也均表現(xiàn)為綠色發(fā)展情景>低碳發(fā)展情景>優(yōu)化發(fā)展情景>慣性情景。

可以看出，天津市當前環(huán)境績效仍處于較低水平。其主要原因一是受產(chǎn)業(yè)結(jié)構影響，資源消費壓力和國土開發(fā)強度依然很大，致使生態(tài)和環(huán)境質(zhì)量尤其水環(huán)境質(zhì)量很低；二是一些關鍵的響應措施如可再生能源占比、非常規(guī)水資源利用和受保護區(qū)比例等依然處于較低水準，甚至出現(xiàn)倒退情況；三是部分較高水平的響應措施還存在不穩(wěn)定性和不連續(xù)性。因此，在未來“美麗天津”建設上需要進一步加大政策力度，尤其是響應措施的力度。不同發(fā)展情景的模擬結(jié)果表明，慣性情景在沒有明顯的政策措施下，無法實現(xiàn)環(huán)境效益的全面提升和天津市的發(fā)展目標。優(yōu)化發(fā)展情景由于政策力度較弱，效果并不顯著，不能真正解決當前的問題。低碳發(fā)展情景通過構建低碳產(chǎn)業(yè)體系、提高再生能源比例明顯降低了能耗和碳排放水平并通過森林建設和城市綠化增強了城市碳匯和生態(tài)水平，從整體上體現(xiàn)了較高的發(fā)展效應。綠色發(fā)展情景則政策投入力度最大，發(fā)展方式也更為全面，在保證低碳化發(fā)展建設的同時，進一步強化了水資源循環(huán)利用能力和污染物減排力度，并加大科技投入力度，從而達到了最高的環(huán)境績效水平。可見，以綠色發(fā)展情景的發(fā)展模式為指導是實現(xiàn)天津市“美麗天津”建設的高效路徑。

圖3 2009-2013年天津市環(huán)境績效綜合指數(shù)Fig.3 The EPI of Tianjin from 2009 to 2013

圖4 不同情景EPI變化趨勢Fig.4 The trends of EPI in different scenarios

圖5 不同情景壓力層指數(shù)變化趨勢Fig.5 The trends of pressure index in different scenarios

圖6 不同情景狀態(tài)層指數(shù)變化趨勢Fig.6 The trends of state index in different scenarios

圖7 不同情景響應層指數(shù)變化趨勢Fig.7 The trends of response index in different scenarios

3 結(jié)論與對策

(1)當前天津市環(huán)境績效水平不高，2009-2013年EPI一直處于“較低”等級，依然面臨著資源消耗、污染排放、生態(tài)脅迫的巨大壓力，環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)質(zhì)量狀態(tài)依然很低，響應政策措施缺乏穩(wěn)定性和持續(xù)性等問題。通過對比四種情景的發(fā)展趨勢，綠色發(fā)展情景的EPI于2020年達到最高(67.6)，發(fā)展效應最顯著。因此，在未來“美麗天津”建設上，應參照綠色發(fā)展情景的“中新生態(tài)城綠色發(fā)展模式”，進一步加大政策力度，促進天津轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)天津市環(huán)境績效水平的全面提升和“美麗天津”建設的最優(yōu)發(fā)展。

(2)“美麗天津”建設已開展了節(jié)能減排、環(huán)境治理、生態(tài)保護等一系列工程，然而為了實現(xiàn)其最高效發(fā)展，一要保持工業(yè)用水重復利用率等優(yōu)勢指標的穩(wěn)定性和持續(xù)性，同時重視非化石能源比、環(huán)境污染治理投資、城市污水再生利用率、受保護區(qū)面積等劣勢指標，保證環(huán)境績效水平的持續(xù)提高；二要實現(xiàn)三次產(chǎn)業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級，構筑綠色安全的現(xiàn)代都市型農(nóng)業(yè)，形成綠色化、低碳化、循環(huán)化的工業(yè)體系，提高現(xiàn)代服務業(yè)比重，從源頭上助力節(jié)能減排；三要推進科技創(chuàng)新驅(qū)動，深入實施科技小巨人發(fā)展行動計劃，推進信息化建設，提供完備的科技支持與保障；四要培育綠色文化，倡導綠色低碳的生活方式、消費模式，提升生態(tài)文明意識，提高居民的生活質(zhì)量。

(3)本文基于PSR模型、系統(tǒng)動力學模型和情景分析，構建了城市環(huán)境績效動態(tài)評估模型，將環(huán)境績效指標融入系統(tǒng)動力學模擬系統(tǒng)，預測了天津市四種可持續(xù)發(fā)展情景的環(huán)境績效水平，為城市環(huán)境績效發(fā)展趨勢模擬過程中所遇到的動態(tài)性、非線性等問題的解決提供了借鑒方法，也為相關的政策制定提供了指導和依據(jù)。同時，本研究在指標選取、模型構建、參數(shù)確立等方面仍有進一步優(yōu)化和完善的空間。

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Study of City Environmental Performance Dynamic Assessment Based on PSR Model and System Dynamics

PENG Qian,SHAO Chao-feng,JU Mei-ting

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China)

According to Pressure-State-Response model,system dynamics model and scenarios simulation,a dynamic evaluation model of city environmental performance is built to describe the current level and dynamic trends of urban environmental performance in a quantitative way.Firstly,based on the characteristics of economic development and environmental and resources situation of Tianjin,the environmental performance assessment system is constructed by using PSR model.Secondly,it′s coupled with the system dynamics model to simulate development of the city.Finally,four development scenarios are set up:inertia scenario,optimized scenario,low-carbon scenario and green scenario.And through scenario simulation,the trends of environmental performance index in different scenarios are simulated to express the dynamic changes of city sustainable development in different ways.The evaluation results show that the EPI of Tianjin has been increasing from 2009 to 2013,but it′s still in "low"level.The simulation of EPI trends of four scenarios show that the EPI ranking of four scenarios is:inertia scenario

environmental performance;PSR model;SD model;dynamic assessment;scenario analysis

2016-03-11；

2016-04-13

國家科技支撐計劃課題“村鎮(zhèn)環(huán)境評價與預警平臺建設”(2012BAJ24B04)

彭乾(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境規(guī)劃與管理。*通訊作者E-mail:jumeit@nankai.edu.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.022

X24

A

1672-0504(2016)03-0121-06