聶青云，趙振宇，郭潤凡

（1. 華北電力大學 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室，北京 102206；2. 四川大學 商學院，四川 成都 610041）

在能源消費和碳排放問題日益嚴重的背景下，推動我國能源結構轉型與低碳經濟發(fā)展仍是一項重要任務，它在對區(qū)域能源承載系統(tǒng)帶來重要影響的同時，也對其提出了更高的要求。因此亟須針對區(qū)域能源承載系統(tǒng)，研究它所能承受地區(qū)發(fā)展的最大負荷。于是本文引入了“能源承載力”的概念，它能夠作為一個地區(qū)能源承載系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的衡量標準。

此外，新形勢下區(qū)域能源承載力的發(fā)展將呈現新特點。而北京作為首都，要實現城市能源低碳綠色發(fā)展，對能源承載力進行科學評價、預測其發(fā)展趨勢，并制定科學的可持續(xù)發(fā)展路徑具有重要意義。因此，本文針對北京市能源承載系統(tǒng)發(fā)展現狀，量化研究其能源承載力變化，并制定不同政策情景模擬承載力趨勢，為北京地區(qū)能源可持續(xù)發(fā)展能力的量化分析和確定能源承載力約束下的發(fā)展路徑提供參考。

“承載力”原指物體不被破壞所能承受的最大負荷，隨著對各種自然資源和社會資源稀缺性問題研究的深入，學界開始將承載力這一概念運用到環(huán)境、資源、人口、生態(tài)等領域中，并在承載力指標體系的構建、量化分析方法以及承載力運用方面取得了一些成果。在指標體系構建方面，承載力各子系統(tǒng)[1]、資源的供給和需求角度[2]、支撐力—壓力—彈性力[3]是較為常見的指標選取維度，在建立承載力指標體系時還需單獨考慮對承載能力及人類活動具有強烈限制作用的敏感性指標[4]。在承載力量化分析方法方面，生產函數[5]、能值分析方法[6]、TOPSIS法[7]、主成分分析[8]、DEA模型[9]、系統(tǒng)動力學模型[10]等方法得到了廣泛應用。在承載力運用方面，不同學者利用承載力評估結果對地區(qū)產業(yè)發(fā)展與經濟增長路徑[11]、城市化模式選取[12]等開展探討研究。目前，對承載力問題的研究主要集中在區(qū)域環(huán)境、資源、生態(tài)、人口等方面，針對區(qū)域能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展方面的承載力研究還明顯不足，其中，皮慶等[13]將能源承載力作為系統(tǒng)動力學模型中的一項因子進行定量分析，但未考慮其能源承載力眾多影響因素的耦合性，而潘蘇楠等[14]對能源約束下的區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展路徑進行探索。本文將從一個新的視角，在考慮能源承載系統(tǒng)及能源承載力影響因素復雜性的基礎上，進行能源承載力的量化研究，據此評估區(qū)域可持續(xù)發(fā)展路徑實施效果。

本文首先對能源資源、經濟發(fā)展、社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境四個子系統(tǒng)進行協(xié)同關系分析，基于系統(tǒng)動力學模型和北京市基礎數據，結合子系統(tǒng)內部和系統(tǒng)間要素影響機理，構建北京市能源承載系統(tǒng)流圖，并從投入和產出角度利用超效率SBM模型對北京市2005—2017年能源承載力進行量化研究，使能源承載力的定量分析更為科學；并針對性地設定不同發(fā)展情景，作為發(fā)展路徑仿真途徑，分析北京市2018—2035年能源承載系統(tǒng)中的重要因素及能源承載力變化趨勢，為能源承載力約束下的發(fā)展路徑制定提供策略建議。

1 研究理論與模型構建

1.1 區(qū)域能源承載系統(tǒng)影響機理分析

根據已有研究，可將“區(qū)域能源承載力”定義為：在一定的能源開發(fā)和利用技術條件約束下，某區(qū)域在一定時期內能源承載系統(tǒng)保證當地可持續(xù)發(fā)展的能力[13]。所謂“可持續(xù)發(fā)展的能力”即在保證一定的服務品質和生活水平的條件下，可供區(qū)域生產和消費活動使用的能源量，以及當地對能耗排放污染物的容納和處理能力。

1.1.1 系統(tǒng)邊界分析及假設

區(qū)域能源承載系統(tǒng)屬于開放的多輸入多輸出系統(tǒng)，與能源資源、社會、經濟和生態(tài)環(huán)境相互支撐、相互制約，其運行目標是在能源、經濟、社會和環(huán)境協(xié)同下實現可持續(xù)發(fā)展。因此，本文將區(qū)域能源承載系統(tǒng)分為能源資源、經濟發(fā)展、社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境四個子系統(tǒng)，在政策調控以及各子系統(tǒng)各要素之間相互作用下協(xié)調發(fā)展。

1.1.2 子系統(tǒng)協(xié)同關系分析

（1）能源資源子系統(tǒng)。能源資源是經濟社會發(fā)展的基礎動力，而經濟社會的發(fā)展能夠為能源資源的開發(fā)和利用提供資金投入、并改善能源利用結構和效率；同時，能源消費會給生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)帶來負面影響，制約能源資源的開發(fā)利用。在能源資源子系統(tǒng)中主要考慮能源消費總量、能源消費結構、能源利用效率和能源供給能力。

（2）經濟發(fā)展子系統(tǒng)。經濟是整個區(qū)域發(fā)展的驅動力，它能夠為能源資源系統(tǒng)及社會發(fā)展系統(tǒng)提供資金，推動技術進步，改進能源利用效率與能源消費結構；與此同時，環(huán)保投資能夠改善生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀況，支撐區(qū)域能源承載系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。在經濟發(fā)展子系統(tǒng)中主要考慮GDP生產總值、人均GDP及產業(yè)結構等要素，分析與其他系統(tǒng)的耦合關系。

（3）社會發(fā)展子系統(tǒng)。社會是經濟發(fā)展的正向反饋，但社會壓力過大會制約經濟發(fā)展；社會發(fā)展能夠改善能源利用現狀，同時受制于能源資源的有限性；社會發(fā)展的非期望產出給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來壓力。在社會發(fā)展子系統(tǒng)中主要考慮人口總量、人均能耗及技術進步等要素。

（4）生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)。生態(tài)環(huán)境在區(qū)域能源承載系統(tǒng)中起到約束作用，它決定經濟發(fā)展的上限，為社會發(fā)展提供生存環(huán)境，并通過負向反饋為能源資源系統(tǒng)提供保護。在生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)中主要考慮固體廢棄物、廢水及廢氣的排放和相應治理情況。

本文通過調整產業(yè)結構、能源消費結構、能源利用效率等變量參數反映政策的調控作用，進而分析系統(tǒng)其他變量變化情況，預測區(qū)域能源承載力變化情況。

1.2 基于系統(tǒng)動力學模型的北京市能源承載系統(tǒng)構建

系統(tǒng)動力學模型能夠通過自身內部協(xié)同作用，挖掘復雜系統(tǒng)在時間、空間和功能上的有序結構，使系統(tǒng)有序地演化，因此本文應用系統(tǒng)動力學模型對區(qū)域能源承載系統(tǒng)開展長期、動態(tài)的仿真分析，以明晰系統(tǒng)內部要素的反饋關系，預測系統(tǒng)演變趨勢。

1.2.1 北京市能源承載系統(tǒng)模型構建

以北京市為研究對象，在系統(tǒng)邊界分析假設以及各子系統(tǒng)協(xié)同關系的基礎上，基于數據可獲取性、科學性、客觀性，從四個子系統(tǒng)中選取相關指標變量，根據2005—2017年北京市各指標數據（2018年及以后部分指標數據尚未更新），利用系統(tǒng)動力學軟件Vensim PLE構建北京市能源承載系統(tǒng)流圖[15]，如圖1所示，圖中函數關系式通過客觀存在關系、構建函數及表函數三種方式確定（具體指標函數關系式見表1）。

表1 指標函數關系式

圖1 北京市能源承載系統(tǒng)流圖

1.2.2 模型有效性檢驗

系統(tǒng)動力學模型有效性檢驗的目的在于判斷模型是否能夠準確反映能源承載系統(tǒng)的演化特征及變量變化規(guī)律。以北京市變量數據值作為基礎數據，運行系統(tǒng)動力學模型，通過對比2005—2017年變量實際值與模型中變量模擬值進行模型的有效性檢驗。限于篇幅，僅選取GDP、三產GDP、人口總量、能源消費總量、廢水排放量、SO2年均濃度6個變量展示模型模擬誤差，如表2所示。

根據表2有效性檢驗結果，上述變量中相對誤差最大為9.38%；通過對比2005—2017年所有變量實際值與系統(tǒng)動力學模型的模擬值，發(fā)現模型模擬數據相對誤差小于5%和10%的概率分別為0.78和0.95，平均誤差為3.85%，驗證了區(qū)域能源承載系統(tǒng)動力學模型的有效性。

表2 北京市能源承載力系統(tǒng)動力學模型部分變量有效性檢驗結果

1.3 基于超效率SBM模型的北京市能源承載力測算

1.3.1 基于超效率SBM模型的能源承載力量化模型構建

超效率SBM模型是在DEA模型基礎上進行改進的效率評價方法，它克服了DEA模型無法優(yōu)選多個相對有效決策單元的問題，同時，由于能源承載系統(tǒng)的投入和產出指標之間的變化不是同比例的，因此SBM模型考慮松弛變量能夠使能源承載力的量化結果更加準確。而能源承載力是一項綜合反映區(qū)域能源承載系統(tǒng)發(fā)展效率的客觀值，超效率SBM模型這一非參數方法能夠基于投入指標和產出指標數據科學地測度能源承載系統(tǒng)發(fā)展的相對效率，即量化能源承載力水平。

1.3.2 區(qū)域能源承載力測度的投入和產出指標體系構建

建立投入及產出指標體系是超效率SBM模型測度能源承載力的基礎?；谙到y(tǒng)邊界分析假設以及各子系統(tǒng)協(xié)同關系，將區(qū)域能源承載系統(tǒng)的地區(qū)能源消耗作為投入，將地區(qū)經濟發(fā)展程度和地區(qū)環(huán)境治理效果作為期望產出，將地區(qū)環(huán)境壓力作為非期望產出。借鑒目前關于生態(tài)[3]、資源[1,7]、環(huán)境[1,7,17]等方面承載力的相關指標研究，根據1.1節(jié)四個子系統(tǒng)的相關要素，分析各變量對能源承載力的反饋關系，從圖1中選取能夠反映投入和產出的量化指標，構建能夠綜合反映區(qū)域能源承載力變化的投入產出指標體系。其中，從流圖中選取與地區(qū)能源消耗和地區(qū)環(huán)境壓力有關的指標，用以反映該地區(qū)在發(fā)展過程中對能源資源和環(huán)境資源的使用；從流圖中選取與地區(qū)經濟發(fā)展和地區(qū)環(huán)境治理效果有關的指標，用以反映該地區(qū)在發(fā)展過程中經濟發(fā)展程度以及對環(huán)境資源消耗的補償效果。在此基礎上，基于北京市2005—2017年的實際數據，運用SPSS軟件對指標進行相關性檢驗，篩選構建如表3所示的區(qū)域能源承載力測度的投入和產出指標體系。

表3 區(qū)域能源承載力測度的投入和產出指標體系

2 實證結果與分析

2.1 情景設置

針對北京市能源承載系統(tǒng)發(fā)展現狀，為模擬不同發(fā)展路徑下的能源承載力趨勢，參考北京市相關規(guī)劃政策，通過設置差異化的北京市能源承載系統(tǒng)流圖輸入參數，制定不同發(fā)展情景，模擬分析模型演變趨勢以及能源承載力變化。其中，根據《BP2035世界能源展望》，北京市能源本地生產量將在2035年增長40%，達到5 218萬噸標準煤；按照北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年），確定人口增長率在2018—2035年保持0.01%水平不變；通過改變其他參數研究北京市能源承載系統(tǒng)變化趨勢，參數設置見表4，各種情景具體制定情況如下：

表4 不同情景參數設置

情景一：現狀延續(xù)情景。保持各子系統(tǒng)中現有技術效率，控制能源利用效率及能源消費結構不變，利用趨勢外推法確定其他參數數據，將該情景作為其他優(yōu)化情景的比較基礎。其中，趨勢外推法確定2018—2035年能源消費變化率為2.12%，控制單位GDP能耗不變，確定GDP變化率為2.13%。

情景二：政策規(guī)劃情景。根據北京市“十三五”規(guī)劃綱要、北京市“十三五”時期能源發(fā)展規(guī)劃、北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）等政策，確定區(qū)域能源承載系統(tǒng)中的參數數據。其中，2018—2035年GDP變化率為6.50%；2018—2020年能源消費變化率為2.20%，2021—2035年能源消費變化率為1.06%。

情景三：目標發(fā)展情景。按照世界先進水平確定各參數數據，分析北京市能源承載系統(tǒng)與發(fā)達地區(qū)的差距和改進方向。本文中所謂“發(fā)達地區(qū)”，是指日本和歐盟；所謂世界先進水平，是根據日本及歐盟經濟社會、能源消費、生態(tài)環(huán)境發(fā)展數據，并綜合考慮北京市發(fā)展現狀確定參數所提出的北京市能源承載系統(tǒng)標桿數據。其中，GDP變化率按照人均GDP確定，能源消費變化率按照單位GDP能耗以及北京市GDP確定。2018—2035年GDP變化率為8.13%，能源消費變化率為-1.20%。

2.2 北京市能源承載系統(tǒng)變量趨勢分析

根據以上三種情景下的輸入參數數據，運行系統(tǒng)動力學模型，選取北京市能源承載系統(tǒng)流圖中部分輸出變量變化趨勢如圖2～圖9所示。

分析對比圖2～圖9的預測結果及情景設置情況分析可知，在三種發(fā)展情景下，能源消費結構、能源利用效率及產業(yè)結構調整與優(yōu)化的程度不同，其中，目標發(fā)展情景調整力度最大，政策規(guī)劃情景次之，現狀延續(xù)情景最小。對由此預測的主要變量變化分析如下：

圖2 能源消費結構因子變化趨勢

圖9 污廢水處理率變化趨勢

（1）在現狀延續(xù)情景下，北京市能源消費結構因子將保持2017年水平不變，即0.195。在政策規(guī)劃和目標發(fā)展情景下，能源消費結構得到較大優(yōu)化。其中，在政策規(guī)劃情景下，2020年北京市能源結構因子達到0.165，與2017年相比優(yōu)化15.4%；到2035年將實現無煤化，能源結構得到全部優(yōu)化，與目標發(fā)展情景差距不斷縮小，但能源結構調整力度還需進一步加強。

（2）在現狀延續(xù)情景下，北京市單位GDP能耗保持2017年水平不變，即0.254噸標準煤/萬元。在政策規(guī)劃情景下，北京市單位GDP能耗逐年降低，2020年降至0.219噸標準煤/萬元，與2017年相比下降13.8%；到2035年降至0.101噸標準煤/萬元，與2017年相比降幅達60.2%。在目標發(fā)展情景下，2020年單位GDP能耗達到0.199噸標準煤/萬元，2035年將達到0.051噸標準煤/萬元。因此，北京市在“十三五”及城市總體發(fā)展規(guī)劃下，能源利用效率將大幅提高，但與世界先進水平相比還有一定差距，在今后的發(fā)展過程中具有較大的潛力空間。

（3）在現狀延續(xù)情景下，北京市CO2排放量將隨著能源的消耗繼續(xù)提升。在政策規(guī)劃情景下，碳排放得到一定控制，碳排放增長緩慢，但為了達到世界先進水平，未來應繼續(xù)調整能源結構，控制碳排放，實現碳排放負增長。在政策規(guī)劃情景下，北京市GDP碳排放強度將持續(xù)降低，2020年與2005年相比降低84.6%，超額完成哥本哈根氣候大會上提出的減排目標，到2035年基本接近世界先進水平，政策調控作用效果明顯。

（4）在現狀延續(xù)、政策規(guī)劃、目標發(fā)展三種情景中，環(huán)境污染均得到不同程度的治理和改善，其中，在政策規(guī)劃情景下，到2035年空氣綜合污染指數基本達到世界先進水平，北京市大氣環(huán)境質量得到根本改善；環(huán)境治理措施作用凸顯，萬元GDP工業(yè)固體廢棄物、廢水、廢氣排放量均穩(wěn)步降低，污廢水處理率將在2027年達到100%，工業(yè)固體廢棄物綜合利用率將在2025年達到100%。

2.3 北京市能源承載力評價及多情景預測

根據系統(tǒng)動力學模型中預測的區(qū)域能源承載力測度的投入產出指標數據，運用Matlab軟件實現基于超效率SBM模型的區(qū)域能源承載力評價和多情景預測，結果如圖10、圖11所示。根據計算結果可以得出：

圖10 2005—2017年北京市能源承載力變化趨勢

圖11 2018—2035年北京市能源承載力的多情景預測

圖3 單位GDP能耗變化趨勢

圖4 第三產業(yè)比重變化趨勢

圖5 CO2排放量變化趨勢

圖6 GDP碳排放強度變化趨勢

圖7 空氣綜合污染指數變化趨勢

圖8 萬元GDP廢水排放量變化趨勢

（1）2005—2017年。相對于2005年，2006年人均能耗、能源外部供給率均處在更高水平，因此2006年能源承載力出現小幅下降。隨后由于北京市經濟結構與能源結構的不斷優(yōu)化，能源利用效率的提高以及環(huán)境治理力度的加強，北京市能源承載力穩(wěn)步提升，到2017年能源承載力達到0.245，與2005相比提高75%。其中，2015年增幅最大，達到8.5%，這是因為2015年年人均能耗為最低水平且降幅最大，且由于可再生能源消費占比的大幅提升使能源消費結構因子大大降低。

（2）2018—2035年。在現狀延續(xù)情景下，控制能源利用效率及能源消費結構在2017年水平不變，由此導致能源承載力也基本保持不變，說明在2017年能源利用水平下，盡管經濟社會得到一定發(fā)展，環(huán)境治理仍在增加投入，但不足以改善此種能源利用水平帶來的發(fā)展的潛在風險，難以滿足未來北京市可持續(xù)發(fā)展的要求。

在政策規(guī)劃情景下，隨著北京市各項政策規(guī)劃的實現，能源承載力不斷增加，預計到2035年，北京市能源消費結構將得到全部優(yōu)化，能源利用效率提高59.4%，環(huán)境污染問題基本解決，能源承載力將達到0.607，與2018年相比提升142.8%，因此在北京市“十三五”及城市總體發(fā)展規(guī)劃的引導下，北京市可持續(xù)發(fā)展能力將不斷提升。

在目標發(fā)展情景下，發(fā)達地區(qū)能源承載力提升最快，到2035年將達到1.220，從預測起始期開始，發(fā)達地區(qū)能源消費結構、能源利用效率及環(huán)境質量便保持較高水平，因此該情景下保持著比北京市可持續(xù)能力更強的發(fā)展方式。按照政策規(guī)劃情景，預計到2035年北京市能源承載力將超過發(fā)達地區(qū)2032年的水平，基本追上發(fā)達地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力。

3 討論與結論

本文在現有文獻成果的基礎上，定義了區(qū)域能源承載力的概念，利用系統(tǒng)動力學模型建立區(qū)域能源承載系統(tǒng)流圖，根據政策規(guī)劃構建不同發(fā)展情景，能夠預測區(qū)域能源承載系統(tǒng)的演化趨勢，并利用超效率SBM模型量化區(qū)域能源承載力。研究證明，本文提出的系統(tǒng)動力學—超效率SBM耦合模型能夠有效測度區(qū)域能源承載力，通過設置發(fā)展情景，模擬能源承載力變化趨勢能夠為能源承載力約束下的區(qū)域發(fā)展路徑制定提供策略建議及參考。

根據本文仿真結果可以得出，2005年以來北京市能源承載系統(tǒng)中各項指標參數均在不斷向好，能源承載力呈現穩(wěn)步提升的良好勢頭。但如果未來保持2017年能源利用效率及能源消費結構不變，其他參數按照現狀增速進行發(fā)展，2018—2035年能源承載力將基本維持不變，說明其他參數的發(fā)展無法對沖現有能源利用水平帶來的風險，該水平無法滿足未來可持續(xù)發(fā)展的要求，因此在北京市未來的發(fā)展中，環(huán)保及經濟社會發(fā)展工作雖然是重中之重，但不可忽略提高能效、節(jié)能減排、推動能源轉型進一步促進可再生能源開發(fā)利用的重要性，通過煤改清潔能源、加強能源系統(tǒng)節(jié)能、節(jié)能工程和可再生能源惠民工程等具體措施，推動能源利用效率及能源消費結構的優(yōu)化，實現能源承載力的協(xié)調發(fā)展。

從北京市能源承載力多情景預測結果看，按照北京市“十三五”規(guī)劃綱要、北京市“十三五”時期能源發(fā)展規(guī)劃、北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）等政策規(guī)劃，能源消費結構、能源利用效率、環(huán)境質量將大幅提高，2035年北京市能源承載力將達到0.607，與2018年相比提升142.8%，是現狀延續(xù)情景下的2.24倍；按照政策規(guī)劃情景，北京市預計將在2035年達到發(fā)達地區(qū)2032年的能源承載力水平，與世界先進水平的差距大大縮小。研究發(fā)現，現狀延續(xù)、政策規(guī)劃、目標發(fā)展三個不同情景下所實現目標的差異性效果顯著，建議北京市基于政策規(guī)劃情景，以目標發(fā)展情景為方向，綜合運用兩種情景中的指標參數設定規(guī)劃目標，強化碳排放約束政策，優(yōu)化能源結構，提高能源利用效率，加大環(huán)保投資力度，制定促進北京市能源承載系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的路徑，實現能源可持續(xù)發(fā)展能力的飛躍。

本文建立的系統(tǒng)動力學—超效率SBM耦合模型能夠對區(qū)域能源承載力進行量化評估和情景預測，通過設定不同的政策規(guī)劃情景，模擬能源承載力的演變趨勢，其結果能夠指導區(qū)域能源承載力約束下的發(fā)展路徑制定，且對于評估區(qū)域能源承載系統(tǒng)相關政策規(guī)劃具有重要意義。在未來的研究中，能源承載系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的耦合發(fā)展水平以及能源承載力的科學分級仍是一項重要工作，可通過進一步完善區(qū)域能源承載力的評估與預測體系，實現區(qū)域發(fā)展路徑的合理規(guī)劃。