基于系统动力学的城市可持续发展模型以北京市为例.docx
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基于系统动力学的城市可持续发展模型以北京市为例
可持续发展的概念在20世纪70年代开始被讨论,最初的定义出自
1987年出版的《我们共同的未来》报告,该报告将可持续发展定义为:
“既能满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。
”这之后,可持续发展逐渐成为世界各国的战略选择与发展目标。
城市是社会生产力高度集聚的一种空间组合形态,是人类活动与自然环境相
互作用、相互影响的复杂系统。
随着全球城市化进程的加快,城市可持续发展问题越来越受到研究人员的重视。
可以说,城市可持续发展是可持续发展理念在城市层次上的体现。
一、文献综述
综观各类城市可持续发展研究,基本是从资源和环境、城市生态、经
济发展、城市空间结构、社会学等几个视角出发进行研究。
就其理论框架而言,城市可持续发展理论研究涵盖了经济学、环境科学、生态学、系统科学等领域。
城市的经济、社会与环境是一个内在联系的系统,城市的可持
续发展就是要实现这几个子系统的协调、持续发展。
近年来,国内外很多学者以系统论为指导,把城市可持续发展视为一个复杂系统进行研究,从
基金项目:
本项目得到北京市财政专项“首都经济、能源、环境、安全系统的模拟与动态分析技术支撑体系建设”（项目
代码:
PXM2007_178215_051344资助
作者简介:
佟贺丰
中国科学技术信息研究所助理研究员,中国未来研究会会员,会员证号:
I050100043M,研究方向:
系统动力学模型、科技政策
曹燕中国科学技术信息研究所助理研究员,研究方向:
系统动力学模型、科技政策于
洁
中国科学技术信息研究所助理研究员,研究方向:
科技政策,科技与经济
屈慰双
威斯康辛大学（麦迪逊博士,美国千年研究所模型部主任,研究方向:
系统工程
基于系统动力学的城市可持续发展模型:
以北京市为例
佟贺丰
1
曹燕
1
于洁
1
屈慰双
2
（1.中国科学技术信息研究所,北京100038;2.美国千年研究所,美国弗吉尼亚州22201
【摘要】本文在构建包括了经济、社会、环境三个子系统的北京市系统动力学模型基础上,阐明了
各子系统间的反馈与影响关系,并用数学公式将其表达在模型中。
模型对北京市2020年的相关发展情景进行了模拟,并通过情景分析,指出北京市未来可持续发展中存在的问题,并提出对策建议。
【关键词】可持续发展;系统动力学;模型;城市【中图分类号】C94
【文献标志码】A
【文章编号】1003-0166（201012-0010-08
doi:
10.3969/j.issn.1003-0166.2010.12.003
发展研究
10/未来与发展/2010/第12期
系统动力学的角度出发建立模型,模拟城市的可持续发展状态,并提出对策与建议。
20世纪60年代末,Forrester提出城市动力学（UrbanDynamics,主要研究关于美国城市兴衰问题的理论与应用研究的成果
[1]
。
YufengHo建立了以新竹科学园区为对象的城市可持续发展SD模型,并指出要重视园区内经济、社会、环境的协调发展
[2]
。
JorgeA.Duran以墨西哥的
AURA市为对象,建立了一个完整的城市系统动力学模型框架[3]。
宋世涛等对中国可持续发展问题的系统动力学研究进展进行了综述,并指出,我国的城市可持续发展研究对象多为发达或较发达地区,大中小城市都有,但对特大城市研究还不多[4]。
朱杰、管卫华以产业门类为切入点,建立了常州市可持续发展SD模型,预测并分析了未来常州制造业可能的发展方向及对城市化进程的影响,指出常州要过渡到新兴产业发展类型[5]。
谷国锋、蔡维英以长春市为研究对象,建立了区域社会经济发展的系统动力学仿真模型,预测了未来
15年长春市社会经济发展的变化趋势[6]。
从以上的城市可持续发展模型研究可以发现,每个模型的框架有很多相似点,基本是把人口、资源和环境作为城市可持续发展的基础,把经济作为城市可持续发展的条件,社会则是可持续发展的目的。
根据研究的需要,不同的模型会在水资源、交通、土地等模块上有所扩张。
二、研究对象与方法
1.研究对象
1978—2009年,我国城市化率由17.9%增加到46.6%,“十二五”末期我国的城市化率很可能突破50%,城市形态将在我国社会结构中占据主导地位。
北京作为一个人口众多、自然资源相对缺乏、环境容量有限的特大型城市,因经济持续高速发展带来的可持续问题尤为突出。
从2000—
2007年,北京市GDP年均增长12.31%,常住人口增加了19.75%,一次能源消费量增长了42.43%,CO2排
放量增长了32.35%。
可以说,北京市可持续发展研究对我国大型城市的可持续发展研究具有典型案例的意义。
2.研究方法
系统动力学（SystemDynamics,
SD是一门认识系统问题和解决复杂系统问题的综合性学科,创始人是美国麻省理工学院的Forrester教授
[7]
系统动力学被成功的应用到可持续发展、能源管理、区域规划、政府政策、企业管理、营销策略、交通运输等多个领域。
系统动力学强调系统的联系、发展与运动的观点,认为系统的行为模式与特性主要植根于其内部的动态结构与反馈机制。
基于系统动力学的模型利用数学方程将各个子系统间的影响和反馈定量化,用简单、直接的方式将因变量与自变量之间的函数关系表达出来。
城市可持续发展主要由经济、社会、环境三个子系统组成,这三个子系统相互联系和影响,如图1所示。
每个子系统又包括一系列的子模块,如图2所示。
例如,社会模块包括了详细的人口变化情况（包括按性别和年龄分组情况、健康和教育、基础设
施、就业、贫困水平和收入分配等;经济模块主要包括三次产业的生产等;环境领域包括能源供需、能源消耗排放的主要气体以及土地使用、水资源供需等子模块。
本研究将针对经济、社会、环境三个子系统及其下属的子模块,研究其互动关系,阐明其反馈机理,识别和比较影响城市可持续发展的主要驱动因子,从而提出城市经济、社会、环境协调发展的综合调控机制,并构建适用于我国城市可持续发展问题的系统动力学共性模块。
三、模型构建
系统动力学的建模过程如图3所示,每个步骤依次进行,同时根据检验和评价比较结果对模型多次进行修正。
其中主体部分是模型的建立,即由行为模式,提出系统的结构假设,由假设出发,设计系统的因果关系图,流图,并列出方程,定义参数。
从而将一系列的系统动力学假设,表示成清晰的数学关系集合。
本模型所涉及的子模块已经在第二部分进行了阐述。
模型的各子模块间都是相互联系和影响的。
例如,
水资源的缺乏会影响粮食产量,从而
图2
主要子模块示意图
图1
可持续发展三个子系统
发展研究
11/未来与发展/2010/第12期
影响工人的健康状况和生产力状况,进而影响到财政收入、家庭消费和储蓄以及国际贸易。
各子模块间的联系与反馈见图4。
每个箭头的尾部是施加影响方,箭头的头部指向被影响的子模块。
因为涉及的模块众多,无法一一在文中阐明其构建方式及变量间关系,这里以人口、经济生产、能源需求和水资源需求模块为例,说明模型的主要结构。
1.人口模块
人口是城市可持续发展的基础。
在模型中,人口模块（见图5在内生性出生率和死亡率的基础上模拟了人口总数和人口的年龄、性别分布。
人口数量是三个循环——
—出生、死亡和净外来人口的积累。
出生人口由总和生育率（TFR和育龄妇女人数决定。
相关文献综述发现有七种主要因素影响生育率。
这些因素涉及到自然因素（哺乳期长短、性交频率、婴儿死亡率、直接的生育控制因素（避孕用具的使用以及避孕效果和间接的生育控制因素（经济条件和教育情况[8]。
模型中不包括文献中提到其他偶然因素。
人口死亡率与其预期寿命密切相关。
要从内生性角度计算特定年龄段的死亡率,首先要计算出生时的预期寿命,然后用预期寿命从“生命表”（lifetables中查阅特定年龄段的死亡率。
模型中的“生命表”是人口理事会（thePopulationCouncil制定的[9]。
2.生产模块
该模块描述了模型中经济部门的主要反馈回路以及这些部门的运行方式。
模型将经济部门按照农业、工业、服务业的三次产业进行划分。
北京市的农业产值在GDP中所占比例极小,模型中将农业产值利用表函数的方式外部生成。
工业和服务业模块运用柯布-道格拉斯生产函数,对工业和服务业进行模拟。
柯布-道格拉斯生产函数的经典形式表示如下:
Y=A*K^α*L^（1-α（1
在这里,A代表的是全要素生产
率（TFP,K代表的是资本存量,L代
表的是劳动力。
一种常见的柯布-道
格拉斯生产函数转换形式为:
Y=A*（K/L^α*L（2
在模型中,柯布-道格拉斯生产
函数的投入要素包括全要素生产率
和资本、劳动力。
其中,全要素生产率
的计算方法如下:
Totalfactorproductivityindustry=effectofeducationonproductivi-ty*effectofenergypriceonproductiv-ity*EffectOfHealthOnProductivi-ty*relativelabortechnology[IND]（3从式（3可以看出,全要素生产率图3系统动力学建模过程
认识问题界定
系统
建立结
构模型
建立数
学模型
仿真
分析
比较与
评价
要素及其因果
关系分析
政策分析
图4子模块间的联系与反馈
图5人口模块
发展研究
12/未来与发展/2010/第12期
的影响因子包括教育、健康、能源价格及劳动者技能的影响。
资本（Capi-
talindustry是通过投资增加和折旧减少而得到的累计存量。
根据现有的数据,初始资本的估算可以通过多种方式。
当无法对资本存量进行直接估算的时候,一种常用的方法是永续盘存法[10]。
Capitalindustry=INTEG（invest-mentindustry-depreciationindustry,INITIALCAPITALINDUSTRY
（4
劳动力数量则通过人口总量、劳动年龄人口、劳动参与率等几个参数计算获得。
这样在资本、劳动力、全要素生产率都获得之后,就可以计算工业增加值。
服务业模块的计算方式与此类似。
3.能源模块
能源模块的主要假设包括:
能源的需求取决于人口、三次产业的产值、能源价格以及相关技术。
在供应侧,能源需求从电力与非电力能源两个角度来满足,非电力能源包括化石能源（石油、天然气和煤和可再生能源。
电力来源包括一般的化石能源,也包括可再生能源部分。
在需求侧,需求方包括工业、农业和服务业三次产业的需求,同时将居民生活和运输业的能源需求单独计算（见图7。
能源需求的计算通过GDP的初始能源强度、不变价GDP、能源技术和价格
来实现,或者是利用不同产业的能源消费弹性系数进行计算。
4.水资源需求模块
该模块从水资源需求的不同角度进行模拟,主要包括生活用水、农业用水、工业用水和环境用水4个方面。
生活用水主要和人口、收入相关,随着人口和人均收入的上升而增加。
工业用水按照百万元工业增加值耗水量计算。
环境用水由历史数据外生。
农业用水的计算,则需要知道农业土地的面积和农业灌溉地的面积,然后乘以每亩灌溉地的需水量计算
得出。
图8是水资源需求模块示意图。
四、模拟结果与情景分析
模型的模拟时间段是2000-2020年。
其中2000-2007年有历史数据可以对比,作为对模型的校准。
2007年之后,则利用模型的情景模拟分析不同的战略选择对未来造成的影响。
1.模拟结果
根据2000年五普数据,北京市常住人口1357万人。
在图9中,
线
图6工业生产模块
图7
从需求与供应侧出发的能源模块示意图
发展研究
13/未来与发展/2010/第12期
条1是模型的模拟数据,线条2是统计年鉴的历史数据。
可以看出,模型的模拟结果具有较好的拟合度,北京市未来的总人口仍将处于上升过程。
2015年北京市的总人口将达到
1969.4万人,2020年2138.9万人。
根据《北京城市总体规划（2004年-
2020年》中的估算,2020年北京市总人口规模规划控制在1800万人左
右。
从模型可以看出,北京人口很快就会超过这个控制目标。
表2中列出了北京市其他一些主要数据的模拟结果。
从2000—2007年,北京市GDP保持12.31%的年均增长速度。
北京市的人均GDP将从
2000年的2.3万元,增加到2020年的10万元,在2017年即可实现人均
GDP翻两番的目标。
从三次产业的结
构来看,服务业将保持高速的增长,到2020年将占全部GDP的83.77%,
2008—2020年的年均增长速度为9.89%。
在基准情景中,2020年北京市一次能源需求将达到1.1亿吨标准煤。
基准情景中,2010年北京市单位
GDP能耗将比2005年下降21.79%,超额完成“十一五”计划的节能减排任务。
“十二五”期间,北京市单位
GDP能耗仍然能够保持20%的下降力度,2020年万元GDP能耗为0.4吨标准煤（此处GDP为2005年不变价。
北京市的一次能源消费结构越来越优化,调入电量、天然气、石油、可再生能源的比例逐步上升到80%左右（见图10。
北京市的CO2排放量已经从
2000年的7635万吨增加到2007年的1亿吨,2020年则将增加到1.5亿吨。
人均CO2排放量也从2000年的
5.6吨提高到2007年的6.2吨,2020年则将达到7.2吨。
北京万元GDP的
CO2排放将从2005年的2吨（此处GDP为2005年不变价,下降到2020年的0.55吨,下降59.2%,远超出我国2020年单位GDP的CO2排放强度下降40%~45%的目标。
北京目前人均占有用水量不足
300立方米,不及国际公认的缺水下
图9
北京市人口规模
发展研究
图8
水资源需求模块
14/未来与发展/2010/第12期
发展研究表2北京市其他数据模拟结果（2000-2020*注：
凡是只有到2007年数据的，为统计年鉴历史数据。
下同成立的，所以模型对未来的预测很难达到精确，不同政策选择下呈现的未来情景，才是模型模拟真正发挥作用之处。
北京市的城市发展战略中很重要的一个选择就是“煤改气”工程，这里就将“煤改气”工程作为未来的一个政策变量，进行情景分析。
基准情景中，2020年北京市的本地发电量中天然气的发电比例是28%；区域供热用天然气锅炉的比例是46%，集中供热中天然气锅炉的比例是60%。
在“煤改气”情景中，2020年天然气的发电比例上升到35%；区图10北京市一次能源消费结构下降到2007年的3000吨左右。
生活用水和环境用水则呈现上升的趋势。
域用天然气锅炉的比例设为50%，集中供热中天然气锅炉的比例设为限的1/3，仅为全国平均水平的1/8，每年缺水均在4亿m左右。
近年来，370%。
从图11可以看出，“煤改气”情景下天然气的需求量明显上升，到北京市的工业用水和农业用水都呈下降趋势。
北京市每百万元工业GDP的耗水量已经从2000年的8500吨2.情景分析因为模型是在各种假设条件下2020年约需要127亿m3。
2010-2020年，需求累计增加47亿m3。
15/未来与发展／2010／第12期
发展研究到2015年的21.45%，到2020年则将达到27.02%。
从2010—2020年，正是北京市老龄人口比例加速上升的阶段。
北京市能源利用效率偏低。
以电为例，2007年万元GDP电耗为·789Kwh（此处GDP为2005年不变价），明显高于发达国家平均水平。
从北京市的能源消费情况与世界其他国家比较看，2007年北京市的人均一次能源消费水平已经超出世界平均水平。
北京的能源强度低于全国平均的922吨标煤/百万美元，但仍然高于图11煤改气情景下的天然气需求量（单位：
10亿m3）世界平均水平。
要考虑社会、环境与经济的协调发展。
如果以美元计算，北京市人均GDP在2009年即突破人均1万美元，进入初步发达国家的水平。
应该说北京市发展中面临的最大问题是水资源短缺。
北京市每年缺水均在4亿m3左右，因此只能超采地下水。
北京市平原地区地下水埋深度每年下降1m左右，2008年已经达到了22.92m。
截止到2008年，北京市的地下水储量已经比1980年减少了80.3亿m3。
只有解决好了水资源的问题，北京市才可能实现可持续发展。
□图12煤改气情景下CO2排放量的变化（单位：
吨）费约为7560万吨标准煤，除去转换过程中的消耗，仍高于《总规》对2020年的预测，高出“十一五”规划预测值的上限。
北京市的人口老龄化速度将加快。
按照联合国有关规定，一个国家参考文献（References）［1］Forrester,J.W.在煤改气情景下，北京市的一次能源需求量变化不大。
但是因为天然气的CO2排放系数小于煤，所以CO2排放量有比较明显的下降。
在煤改气情景下，北京市的CO2排放量从UrbanDy-2010-2020年累计可以减少840万吨左右。
namics［M］.CambridgeMA:
ProductivityPress,1969.［2］Ho,Yufeng,ShuSoneWang.60岁以上的人口超过10%，便被称为“老年型”国家。
北京市“十二五”期间五、结果讨论北京市的人口规模和能源需求增长都高于原有预期。
根据《北京城市总体规划（2004-2020年》，2020年，北京市总人口规模规划控制在1800万人左右。
但根据现实发展和模拟结果，2011年人口就将超过1800万。
根据《总规》，预计2020年全市终端能源需求量约为7000万吨标准煤，模型中，2010年一次能源消老龄化的速度将加快。
60岁以上老年人口的比例从2010年的16.48%增长SystemDynamicsModelfortheSustainableDevelopmentofScienceCity16／未来与发展／
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