摘 要：基于系统动力学原理与方法，利用 Vensim-PLE 软件对湖南省的能源消耗碳排放进行了模型构建与仿真研究。通过设置 5 种情景方案，动态模拟了 2017—2030 年湖南省能源消耗碳排放发展演变趋势，以探究经济快速发展、能源结构改善、产业结构优化对未来湖南省能源碳排放的影响。研究结果表明：按照目前的发展趋势，湖南省能源消耗碳排放总量将继续保持逐年增长的演变趋势，到 2030 年，湖南省能源消耗碳排放量将达到 14 174.4×104 t，约为 2017 年的 1.47 倍。经济的快速发展对湖南省能源消耗碳排放的增加有着重要的影响，降低煤炭能源消耗和调整第二产业向第三产业转变，能够有效减少湖南省能源消耗碳排放量。在初始自然增长、经济快速发展、能源结构调整、产业结构调整、综合调控调整 5 种情景方案下，到 2030 年时，碳排放量较 2017 年分别上升 47.3%, 57.7%, 40.4%, 27.7%, 21.9%。从 5 种情景方案模拟的能源消耗碳排放峰值来看，产业结构调整方案于 2029 年达到峰值，综合调控调整方案于 2027 年达到峰值。
关键词：系统动力学;能源消耗;碳排放;湖南省
1 研究背景
全球气候变暖问题是人类可持续发展面临的重大挑战之一，更是人们密切关注的热点问题之一。近年来，国际社会对主要由能源消耗(化石燃料燃烧)引起的温室气体排放和所带来的气候变化问题也越来越关注，并陆续制订了一系列公约、协定，如 1992 年的《联合国气候变化框架公约》、1997 年的《京都议定书》、2007 年的《巴厘岛路线图》、 2009 年的《哥本哈根协议》、2016 年的《巴黎协定》和 2018 年的《世界环境公约》等。
当前全球气候变暖形势日益严峻，而能源消耗是导致全球气候变暖的二氧化碳排放的主要来源。研究表明，世界化石燃料能源消耗所产生的二氧化碳排放量占二氧化碳排放总量的 80%~90% [1]。从这个层面来看，计算化石燃料消耗产生的碳排放可以较为准确地估算区域碳排放量。近年来，国内外学者围绕碳排放问题展开了深入、系统的研究，检索相关研究文献发现，目前已有不少学者对能源消耗与碳排放进行了相关研究。例如：杨子晖 [2] 对中国经济增长、能源消费与二氧化碳排放的动态关系展开了深入研究;荣培君等 [3] 构建了省域能源消耗碳排放安全评价指标体系，并分析了中国能源消耗碳排放安全时空分异，并运用 GM(1,1) 方法对其进行了预测;帅通等 [4] 研究了上海市能源消耗结构以及产业结构的变动对其碳排放产生的影响。综合来看，现有研究大多是针对碳排放系统与影响碳排放要素之间的关系进行实证分析，一定程度上忽略了碳排放系统是一个动态复杂的系统。正是在这种背景下，系统动力学方法在被广泛应用于城市社会经济问题研究后 [5]，又逐渐被应用于碳排放研究领域。
近年来，国内已有部分学者运用系统动力学方法对北京、天津 [6]、长江三角洲等地的碳排放情况进行了实证分析。例如：唐德才等 [7] 对长三角地区的能源消耗碳排放进行了系统动力学(system dynamic， SD)模型的建模与仿真，并针对性地提出了相应的节能减排建议;刘伟等 [8] 构建了低碳城市发展规划系统动力学模型模拟预测北京低碳城市发展状况。此外，也有学者运用系统动力学方法对低碳交通 [9-10]、居民居住 [11]、低碳经济 [12]、土地利用 [13]、碳排放交易政策 [14] 等某一专题开展了相应的研究工作。
近年来，湖南省经济取得了快速的发展，能源消耗量大幅增长，二氧化碳排放量也随之大幅增长。从与湖南省碳排放主题相关的研究成果看，赵先超等 [15] 测算并分析了湖南省不同土地利用方式的碳排放效应及时空差异;何介南等 [16] 估算了湖南省化石燃料的消耗量和工业过程中的碳排放量;余光英等 [17] 对湖南省历年碳排放结构、总量变化特征和不同土地利用类型下碳排放强度与结构特征进行了研究。
综合来看，已有部分学者结合湖南省实际开展了能源消耗碳排放相关研究。但是从已有研究内容来看，现有成果较注重对碳排放空间差异、影响因素等内容的研究;从研究方法来看，多采用对数平均 D 氏指数(logarithmic mean divisia index，LMDI)模型的方法，鲜有学者运用系统动力学方法来深入刻画未来碳排放增长演变规律与趋势。而从系统动力学模型本身来看，该模型可以有效地动态模拟碳排放系统的运行机制，通过情景方案的设置可以较科学地描述区域能源消耗碳排放动态增长趋势。因此，本文拟以此为切入点，以湖南省为研究对象，运用系统动力学原理与方法，以及 Vensim-PLE 软件，综合考虑人口、经济、产业结构、能源结构、碳汇等因素，探讨能源消耗与社会、经济之间的内在联系，对其能源消耗碳排放状况进行动态仿真模拟，并且通过调整系统内部的关键参数，预测湖南省较长一段时期内的能源需求和碳排放变化趋势，为“十三五”及远期湖南省低碳转型发展以及节能减排提供一定的理论、数据与政策参考。
2 研究区域概况
湖 南 省 是 我 国 中 部 六 省 之 一， 地 处 东 经 108°47'~114°15'， 北纬 24°38' ~30°08'，东临江西，西接重庆、贵州，南毗广东、广西，北连湖北。2017 年，湖南省实现地区生产总值 34 590.56×108 元，较上一年增长 8%，其中第一产业产值 3 689.96×108 元，第二产业产值 14 145.49×108 元，第三产业产值为 16 755.11×108 元，三产比值为 10.7:40.9:48.4;能源消耗总量合计 16 171.24×104 t 标准煤，较上一年约增加 367×104 t，其中煤品燃料占 62.59%，较上一年约增加 3.83%，油品燃料占 16.26%，较上一年约降低 0.43%，天然气占 2.22%，较上一年约降低 0.16%，人均生活性能耗为 0.331 t 标准煤 / 人，单位 GDP 能耗为 0.702 t 标准煤 / 万元。截至 2017 年末，全省户籍人口数为 7 296.26×104 人，较上年减少 22.55×104 人，约降低 0.31%。
3 数据来源与研究方法
3.1 数据来源湖南省能源消耗碳排放动态仿真模拟研究所涉及的能源数据来源于《中国能源统计年鉴》，包括 2010—2017 年的湖南省煤炭、焦炭、原油、天然气等能源消耗数据;其他数据如人口、GDP、林业面积等数据均来源于《湖南省统计年鉴》。
4 结果与分析
4.1 碳排放测算与特征分析
根据能源消耗碳排放测算公式，并结合相关数据，测算得出湖南省 2010—2017 年各能源消耗碳排放量数据，如表 1 所示。从湖南省能源消耗碳排放总量增长来看，2010— 2017 年，能源消耗碳排放总量呈现出一定程度的波动增长趋势，从 2010 年的 8 320.65×104 t 增长到 2017 年的 9 488.85×104 t，净增加 1 168. 20×104 t，累计增长率 14.04%。从各类能源消耗碳排放占比来看，2017 年煤炭、焦炭、原油和天然气的能源消费分别占能源消费总量的76.68%, 5.86%, 4.76%, 1.62%，其碳排放量分别占碳排放总量的 70.56%, 8.29%, 6.79%, 1.65%。相较于 2010 年，煤品燃料的消耗比例缓慢降低，油品燃料与天然气的消耗比例逐渐升高。
4.2 湖南省能源消耗碳排放的 SD 模拟模型构建
运用系统动力学原理与方法，构建能源消耗碳排放因果回路(流程)图和存量流程图，是对湖南省能源消耗碳排放动态仿真模拟进行研究的重要环节。
4.2.1 能源消耗碳排放因果流程图构建
Vensim-PLE 模型的因果回路图，能简洁明了地表达出能源消耗碳排放系统中各重要要素之间的相互影响关系。在因果关系图中存在正反馈回路与负反馈回路，其中正号表明箭头指向的变量与箭头源发变量成正比，而负号则表示箭头所指变量与箭头源发变量成反比。对湖南省能源消耗碳排放所涉及的各子系统以及系统中的各种变量与关系进行归纳和提炼，得到湖南省能源消耗与碳排放的因果回路图，如图 1 所示。通过因果回路图，可以确定系统动态模型的范围。
在图 1 所示的湖南省能源消耗碳排放因果回路图中，能源消耗碳排放系统中社会、经济、能源和环境各子系统之间有着复杂的因果关系，存在多条因果反馈回路，其中较为主要的反馈回路如下：
回路 1 净碳排放量→ + 碳强度→ + 环保投入→ + 碳汇→ - 净碳排放量;
回路 2 人均生活性能源消耗量→ + 生产性能源消耗量→ + 能源消耗总量→ + 化石能源消耗量→ + 能源碳排放量→ - 环境质量→ +GDP → + 财政收入→ + 教育投入→ + 低碳意识→ + 人均生活性能源消耗量;
回路 3 能源消耗总量→ + 非化石能源消耗量→ + 能源碳排放量→ - 环境质量→ +GDP → + 财政收入→ + 科技投入→ + 三次产业单位产出能耗→ + 三次产业能源消耗量→ + 生产性能源消耗量→ + 能源消耗总量。
由图 1 可知，碳排放强度的增加会提升人们对环保的投入，环保投入有助于提高碳汇，而碳汇的增加对降低净碳排放有着积极作用。人口和人均生活性能源消耗量的增加会导致生活性能源消耗量的增加;三次产业产值和三次产业单位产出能耗的增加必然会提升三次产业能源消耗量和生产性能源消耗量。生产性能源和生活性能源的增长共同造成能源消耗总量的增加，能源消耗的增加通过化石能源消耗和非化石能源消耗增加碳排放。经济的发展促进财政收入的提升，以致加大科技与教育的投入，从而降低产业单位产出能耗与人均生活性能耗等。
4.2.2 能源消耗碳排放存量流量图构建
本研究构建的能源消耗碳排放能耗存量流量图如图 2 所示。
能源消耗碳排放系统是一个涉及社会、经济、环境的复杂动态系统。根据因果回路图及其系统结构、反馈机制和反馈回路，可分析人口、经济、产业结构、能源结构、碳汇等对能源消耗碳排放的影响。通过查询《中国能源统计年鉴》和《湖南省统计年鉴》，并采用表函数法、线性回归法、经验公式法、逻辑函数等确定模型的参数值，并将其代入湖南省能源消耗碳排放系统的相关方程，从而建立碳排放系统动力学流程图。
4.3 湖南省能源消耗碳排放的 SD 模型检验
湖南省能源消耗碳排放动态仿真模拟模型建立后，应对模型进行直观与运行检验、历史仿真检验和灵敏度分析检验，以判断模型的合理性、真实性、稳定性以及有效性 [13]。
使用 Vensim-PLE 软件自带的方程检验功能对模型合理性进行直观与运行检验。检验、测试结果显示，该模型未出现错误提示，且模型试运行未产生病态结果。因此，本文所构建的湖南省能源消耗碳排放仿真模拟模型是合理的。
模型构建完成之后往往达不到理想的精度，通常需经过历史仿真检验，精度在 ±15% 内可认为模型有效 [19]。将 2010—2017 年的历史统计数据代入模型进行模拟验证，选取 GDP、能源消耗总量和碳排放总量作为检验变量，将模型测算出的模拟值与历史数据进行误差计算，结果如表 2 所示。表 2 的结果表明： 3 个指标的相对误差率都在 ±10% 以内，模型通过有效性检验。这说明湖南省能源消耗碳排放系统动力学模型的模拟结果可靠，能通过调节关键参数进行仿真模拟实验，且可以用来模拟湖南省能源消耗碳排放的状态以及变化趋势。——论文作者：彭竞霄，袁 超，高明惠，赵先超
本文出自：《湖南工业大学学报》是由湖南省教育厅主管、湖南工业大学主办、国内外公开发行、本刊立足学术研究，以科学发展观为指导，及时报道和刊发包装科技领域的新技术、新成果，促进包装科技进步与交流、繁荣包装文化、搭建包装产学研结合的桥梁，推动我国包装产业可持续发展和包装工业科技进步。
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