基于SD模型的广东省货运碳排放系统仿真研究.pdf
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1、第2 5 卷第5 期2023年10 月本刊核心层次论文基于SD模型的广东省货运碳排放系统仿真研究辽宁工业大学学报(社会科学版)Journal of Liaoning University of Technology(Social Science Edition)Vol.25,No.50ct.2023D0I:10.15916/j.issn1674-327x.2023.05.010姜卓扬,张冠湘(华南理工大学电子商务系,广东广州5 10 0 0 6)摘要:为了解决全球气候变暖带来的问题,各国政府试图通过制定相关政策限制交通运输领域碳排放。我国国务院印发的“十四五”现代综合交通运输体系发展规划对交通
2、运输领域的二氧化碳排放提出了一个明确的目标,可见促进交通运输领域的碳减排是十分重要的。本文以广东省货运碳排放系统为研究对象,聚焦货物长途运输方式的转变对碳排放量的影响,利用系统动力学思想构建了包含经济、运输、能源、环境四个子系统的SD模型,并通过情景设置法来进行政策模拟,得出交通运输结构调整是最有效的减排手段、组合政策的效果优于单一政策等结论。关键词:系统动力学;碳排放;政策模拟;减排路径中图分类号:U113近年来,全球气候变暖情况日益加剧。2 0 2 1年,全球平均温度较工业化前水平高出1.11,是有完整气象观测记录以来的七个最暖年份之一 。气候变暖现象的发生是由于温室效应的不断累积,而温室
3、效应则是由温室气体的大量排放导致的,因此,为阻止全球变暖趋势,对温室气体排放的控制是必不可少的。早在19 9 2 年,联合国就专门制定了联合国气候变化框架公约,促使发达国家减少二氧化碳及其他温室气体的排放量并将相关技术和信息转让给发展中国家。在这种气候变化的严峻形势下,自2 0 0 3年英国提出“低碳经济”这一概念以来,以可持续性发展为目的的低碳经济就迅速成为世界各国政治和经济博奔的热点 2 。在此基础上,越来越多的国家提出低碳经济发展策略或者保护气候变化的方案,甚至通过立法来限制碳排放。2 0 2 0 年9 月2 2 日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力
4、度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2 0 30 年前达到峰值,努力争取2 0 6 0 年前实现碳中和。”截至2 0 2 2 年底,全国机动车保有量达4.17 亿辆,其中汽车3.19 亿辆。据测算,一辆汽车每燃烧一升燃料约排放2.5 kg的二氧化碳,再加上铁路、水运等多种运输方式,交通运输领域有非常大的碳排放量。有研究显示,运输领域的二氧收稿日期:2 0 2 3-0 2-10基金项目:广东省哲学社会科学规划一般项目(GD20CGL46);教育部人文社会科学研究项目(19 YJA630107)作者简介:姜卓扬(19 9 9-),女,辽宁大连人,硕士生。通信作者:张冠湘(19 7 5-
5、),男,湖南郴州人,教授,博士。文献标识码:A文章编号:16 7 4-32 7 X(2023)05-0039-06化碳排放量约占总排放量的2 7%3,具有很大的减排空间,近年来,已经成为政府重点关注的领域。2021年12 月9 日,国务院印发“十四五”现代综合交通运输体系发展规划,其中就有智能绿色类别下的交通运输二氧化碳排放强度五年累计下降率5%这一具体目标。综上所述,研究交通运输领域的节能减排既是有意义的也是迫在眉睫的。除此之外,交通运输业的节能和低碳发展也受到了很多国内外专家学者的高度重视,他们围绕着交通运输能源消耗、碳排放、可持续发展等方面进行了不断的研究与探索。顾誉鑫等 4 通过 LD
6、MI 理论,对长三角地区2 0 11一2 0 2 0 年交通运输碳排放的影响因子进行分解,分解成经济增长、人口规模和能源强度三个方面,并就不同因子对碳排放量的影响加以分析;刘淳森等 5 基于19 9 0 一2 0 19 年的统计数据,利用LSTM碳排放模型和情景分析法,对中国交通运输业碳排放峰值进行预测。随着系统动力学方法的广泛应用,越来越多的学者使用系统动力学来研究经济、能源、环境系统及政策模拟问题。由于交通运输领域与经济、能源、环境等方面是密不可分的,因此,交通运输领域的研究也越来越多地采用了系统动力学思想及方法,其中有一些学者围绕着可持续发展理念,利用系统动力学方法对碳减排策略进行了研4
7、0究。麦文隽等 6 从系统动力学的视角对城市客运交通网络进行建模,对区域的城市交通能源消耗和碳排放进行仿真预测,并将相关政策和规划作为冲击变量,分析其对该区域城市交通的节能减排效果,并对政府在城市客运交通领域的节能减排工作提出了建议。NIMA 等 7 构建了包含多种车队的德黑兰城市交通系统,探究用天然气代替传统石油燃料后城市交通碳排放的情况。从上述的国内外研究中可以看出,诸多学者应用系统动力学构建交通运输系统模型并对其碳排放量进行仿真和预测,但主要集中在城市交通领域。本文围绕广东省货运系统进行研究,聚焦货物长途运输方式的转变对碳排放量的影响,其中也考虑到同一种运输方式不同运输设备所需能源不同的
8、因素,并加入政策的考量,对主流的减排路径加以分析。本研究结合广东省实际情况,构建了包含四个子系统的广东省货运系统SD模型,对其碳排放量进行仿真研究。由于交通运输节能减排主要包括结构性节能减排、技术性节能减排和管理性节能减排,因此,利用情景模拟法来设置不同情景进行分析对比,得出交通运输结构调整是最有效的减排手段、组合政策的效果优于单一政策等结论。一、模型的建立与检验(一)仿真边界对广东省货物运输系统进行仿真,需要先明确仿真边界。本文旨在通过系统动力学构建一个包含Time经济增长率GDP货运增加值第一产业产值第二产业产值货运成本货运总收入能源比重单位周转重收入Time公路分担率能源成本公路周转里能
9、源价格比重3比重2新能源车货运商转童二比重4重Time单耗1单托2汽油车货运能耗柴油车货运能耗辽宁工业大学学报(社会科学版)公路、水路、铁路运输的货运系统,尽可能真实地模拟出广东省货运系统的碳排放量。通过不同的情景设置,同时改变一种或多种辅助变量,来观察碳减排的效果。本文以交通运输为核心分析广东省货运碳排放系统的子系统构成,选择与之相关的经济、运输、能源、环境四个子系统,见图1。运输系统社会经济图1子系统关系图以运输系统为核心的四个子系统息息相关。国民经济和社会的蓬勃发展会促进运输市场的繁荣,运输系统的高效运转也会促使一部分社会经济的稳步增长,所以二者是相互促进的关系;运输系统的正常运行少不了
10、能源的消耗,此二者是运输系统促进能源消耗的关系;能源消耗促进了CO2的排放;CO2的排放抑制了社会经济的发展,社会经济的发展反过来也会抑制CO2的排放,二者是相互抑制的关系。(二)基本模型根据四个子系统画出的存量流量图见图2。Time经济增加值经济藏少值第三产业产值Tim齐通运狐企固货运能力短缺重货运需求里资运周转里天然气车货送周转童Timey单耗3单耗4天然第2 5 卷能源消耗CO2排放环保投资系数环保投资治理效率摄费紧数碳排放威少量货运投资转换率一排强度铁路分担率一水路周转量铁路周转量比重7 比重8比重5比重6内燃机车周转量电力机车周转量内内机车碳燃油船周转里LNG胎周转重单耗5 单蚝6燃
11、油船货运能耗LING船货运能标馨连货排放素载运能运能耗蓝排放增加童4单耗7排旋紫数单耗8运能耗LNG磁排运能放紫数货运系统能源消耗总量图2 广东省货运碳排放系统存量流量图根据上述的影响因素和因果关系,设定2 0 10年为仿真的初始年份,2 0 2 5 年为仿真的结束时间,仿真步长为1年,以2 0 10 一2 0 2 0 年的数据为调试约束条件,预测2 0 2 1一2 0 2 5 年碳排放的发展趋势。第5 期本文通过查找最新的广东统计年鉴 8 中国交通年鉴 9 中国能源统计年鉴 10 交通运输行业发展统计公报铁道统计公报等统计资料,利用SPSS软件中的线性回归方法进行变量间变量方程GDPINTE
12、G(经济增加值一经济减少值,45 9 44.6)经济增加值GDP*经济增长率+货运增加值一DELAY1(货运增加值,1)经济减少值货运需求量货运能力短缺量货运周转量货运系统能源消耗总量能源成本货运成本货运总收入货运增加值碳排放减少量碳排放增加量货运系统碳排放总量二氧化碳排放强度(三)模型有效性检验模型有效性检验是为了验证模型与现实状况的符合程度,可以分为直观检验、运行检验、历史检验以及灵敏度分析这四种方法,其目的是评估模型的正确性、有效性和信度。本文选取运行检验来验证因果关系、变量设置的合理性以及量纲的一致性,并用历史检验来验证模型的信度。运行检验是指通过改变仿真步长来观察模型的仿真情况 11
13、。如果仿真结果受仿真步长的影响很大,则认为模型存在运行问题;如果仿真结果受仿真步长的影响较小,则认为模型运行稳定。在运行检验中,设置仿真步长分别为0.2 5、0.5 和1年,观察GDP的运行情况,得到的结果如图3所示。当仿真步长发生变化的时候,状态变量GDP的变动趋势较为一致,且数据变化幅度非常小,这证明模型较为稳定,不存在运行问题,也不会出现病态的结果。历史检验是将模拟结果与已有的历史数据进行对比 12 ,计算出主要变量仿真结果与实际数据之间的相对误差,对模型的可靠性和准确性做出判断。相对误差的计算方法为仿真值与实际值之差比上实际值,本文选取GDP和货运周转量这两个较姜卓扬等:基于SD模型的
14、广东省货运碳排放系统仿真研究表1主要变量方程式环保投资-4060.16一10.2 9 9*第一产业产值十0.7 37*第二产业产值十0.7 7 7*第三产业产值MAX(货运需求量一DELAY1(货运需求量,1))一(2 0 5 47.5+DELAY1(交通运输业固定资产投资额,1)*货运投资转换率),0)货运需求量一货运能力短缺量内燃机车货运能耗*1.45 7 1+电力机车货运能耗*0.0 0 0 12 2 9+天然气车货运能耗*1.8 33+汽油车货运能耗*1.42 8 9+柴油车货运能耗*1.42 8 6+燃油船货运能耗*1.42 8 6+LNG船货运能耗*1.8 33+新能源车货运能耗*
15、0.0 0 0 12 2 9DELAY3(环保投资*治理效率,4)LNG船碳排放系数*LNG船货运能耗+内燃机车碳排放系数*内燃机车货运能耗+天然气车碳排放系数*天然气车货运能耗+柴油车碳排放系数*柴油车货运能耗+汽油车碳排放系数*汽油车货运能耗+燃油船碳排放系数*燃油船货运能耗201652018202020222024年份0.25年1+0.5年-2图 3 GDP对比图表2 GDP仿真值与历史值比较年份历史值/亿元201045.944.62201153 072.79201257 007.74201362.503.41201468 173.03201574 732.44201682 163.22
16、201791 648.73201899945.222019107986.922020110 760.9441的拟合,还利用指数平滑法对参数进行估计,对一些辅助变量用表函数的方式进行赋值,并对一些反应较慢的变量设置延迟,模型中的主要变量方程式见表1。货运系统能源消耗总量*能源价格能源成本/能源比重货运周转量*单位周转量收入货运总收入一货运成本碳排放增加量-碳排放减少量货运系统碳排放总量/货运周转量为重要的变量来进行历史检验,检验结果见表2 和表3。200.000150.000100050.0000201020122014单位亿元亿元亿元亿吨公里亿吨公里亿吨公里万吨标准煤亿元亿元亿元亿元万吨万吨万
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