基于系统动力学模型的钦州港生态承载力仿真预测

    冯琪 蒋惠园 谢云云 闫松银

    

    

    

    【摘 要】 为改善钦州港生态环境，促进区域协调发展，分析钦州港生态承载状况及未来发展态势，运用系统动力学对钦州港生态承载力进行仿真研究，测度其相关指标的承载力指数，在此基础上引入多情景模拟，对比钦州港在不同发展模式下的生态承载状况。仿真结果表明：协调发展模式下的能源、水资源承载力指数略高于资源环境保护模式下的数值，但氨氮、化学需氧量、二氧化硫和氮氧化物承载力指数达到最优，绿色GDP增速最快，未来发展态势相对最好。对钦州港的可持续发展提出加强环境污染防治、提高资源利用效率等建议。

    【关键词】 交通运输经济;生态承载力;系统动力学;钦州港;多情景分析

    0 引 言

    钦州港作为中西部地区的出海口，其经济地位越来越显著，不仅是钦州市经济发展的龙头，也是实现该区域协调发展的关键。但随着钦州港货物吞吐量不断增加、港区规模逐渐扩张，钦州港生态系统面临巨大威胁，不利于港口的可持续发展。在此背景下，借助系统动力学模型和多情景分析方法对钦州港生态承载力进行仿真研究，通过模拟生态环境变化趋势，精确预测港口未来发展态势。本研究不仅拓展了生态承载力理论的研究范畴，丰富了生态承载力理论体系，还可为钦州港可持续发展提供政策建议，具有重要的理论意义和现实价值。

    目前港口生态承载力的研究尚处于起步阶段，如：张凤娇[1]从环境纳污能力、资源供给能力、人类支持能力等3个方面建立港口生态承载力评价指标体系，将系统动力学与状态空间法相结合构建复合评价模型，研究某港区生态承载力发展趋势;郭子坚等[2]选取社会经济、生态环境和港口资源等多层面评价指标，从港口生态供需关系的角度引入生态承载力供需平衡指数，构建系统动力学模型对港口生态承载状况进行评价。综合来看，目前对港口生态承载力的定义和影响因素尚未达成定论，亦未形成完整的理论体系和成熟的研究方法，且较多使用指标体系法等静态评价模型。本文采用系统动力学模型测度钦州港生态承载状况，揭示海港生态系统过程机制及发展机理，体现港口生态系统在时间和空间尺度上的变化特点，具有一定的创新性。

    1 钦州港生态承载力系统动力学分析

    1.1 确定指标

    结合区域生态承载力概念与钦州港发展实际，界定钦州港生态承载力内涵，即钦州港在满足一定条件下维护自身良好发展的能力、其生态系统对港口作业所产生污染物的容纳能力和支撑钦州市人类社会经济活动的能力。

    港口生态承载力供需平衡指数（ECCI）是港口生态需求量与生态容量之间的比值，反映港口生态需求与供给的关系，计算公式为

    Ek=dk / ck（1）

    式中： Ek为第k个因素的生态承载力供需平衡指数; dk为第k个因素的需求量; ck为第k个因素的容量或供给量， k=1，2，…，n。

    由式（1）确定钦州港氨氮（NH3-N）承载力指数、能源承载力指数等相关因素的承载力指数。基于ECCI的钦州港生态承载力分级评价标准见表1。

    从社会经济、港口资源和生态环境等3个层面确定测度钦州港生态承载力的指标，其中：社会经济层面的测度指标为绿色GDP，用来衡量对人类的支持能力;港口资源层面的测度指标为能源承载力指数和水资源承载力指数，用来衡量港口维持自身发展的能力;生态环境层面的测度指标为NH3-N承载力指数、化学需氧量（COD）承载力指数、二氧化硫（SO2）承载力指数和氮氧化物（NOx）承载力指数，用来衡量港口生态系统的纳污能力。

    1.2 构建SD模型

    （1）系统流图。根据系统分解协调原理，钦州港生态系统可解构为3个子系统，其中：社会经济子系统为钦州港发展提供资金支持和社会保障，是系统的发展动力;港口资源子系统为钦州港的生产活动提供资源和基础设施等，是系统的物质基础;生态环境子系统为人类活动和港口生产提供空间，是系统的空间支持。为了定量描述钦州港生态系统发展机制，设定一系列状态变量、辅助变量、表函数等来构建SD模型（图1）。

    （2）主要变量及方程式。钦州港生态承载力系统动力学模型的主要变量说明和主要方程式见表2和表3。

    通过资料收集、软件计算、专家咨询等方式确定相关参数。资源消耗量和单位货物吞吐量污染物产生量由广西北部湾国际港务集团有限责任公司和钦州海事局提供资料整理得到;钦州港SO2和NOx环境容量由《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》提出的总量控制区排放总量限值计算公式（即A值法）计算得到，分别为 t/年和 t/年;参考相关文献，以钦州港水污染物的最大允许排放量作为其理想环境容量，综合确定钦州港范围内NH3-N和COD理想环境容量分别为110 t/年和 t/年;通过当地走访调查确定NH3-N、COD、SO2、NOx和固废处理成本分别约为元/t、元/t、元/t、元/t、188元/t，标准煤价格为635.80元/t，水资源单位成本定为1.91元/t。

    （3）模型有效性检验。对模型逻辑结构的正确性及与现实系统的拟合程度进行有效性检验，历史检验结果為：GDP的实际值与模拟值的误差率为Ha0.77%～4.75%，误差率绝对值的平均值为1.07%;税收收入实际值与模拟值的误差率为Ha4.21%～4.25%，误差率绝对值的平均值为1.92%;港口货物吞吐量的误差率为 Ha4.59%～4.37%，误差率绝对值的平均值为2.14%。

    综上所述，经过运行检验、历史检验，钦州港生态承载力系统动力学模型满足模型仿真要求。

    2 不同发展模式下的钦州港生态承载力仿真

    运用SD模型对协调发展、资源环境保护、自然发展、经济快速增长等4种发展模式进行多情景模拟，得出不同发展模式下绿色GDP、能源承载力指数、水资源承载力指数、NH3-N承载力指数、COD承载力指数、SO2承载力指数和NOx承载力指数的仿真值，对比分析不同发展模式，寻求最优发展模式。

    2.1 社会经济仿真模拟

    由绿色GDP变化趋势（图2）可以看出：绿色GDP在协调发展、资源环境保护、自然发展、经济快速增长等4种发展模式下均呈增长态势，初期在经济快速增长模式下增长最快，在协调发展模式下次之，最后是在自然发展模式和资源环境保护模式下;绿色GDP的增长速度在协调发展模式下加快，在经济快速增长模式下增速逐渐放缓;后期绿色GDP值由大到小分别为协调发展模式、自然发展模式、经济快速增长模式和资源环境保护模式。

    2.2 资源消耗仿真模拟

    （1）能源承载力。由能源承载力指数变化趋势（图3）可以看出：能源承载力指数在4种发展模式下均呈前期快速增长、后期缓慢增长的趋势，2010年、2011年增速明显;在协调发展模式和资源环境保护模式下于2023年到达中压承载，在2025年趋于稳定，在自然发展模式和经济快速增长模式下分别于2019年、2016年达到中压承载。

    （2）水資源承载力。由水资源承载力指数变化趋势（见图4）可以看出：水资源承载力指数在4种发展模式下的变化趋势与能源承载力指数变化趋势相似;在协调发展模式和资源环境保护模式下基本稳定在低压承载状态，在自然发展模式和经济快速增长模式下分别于2015年和2014年到达中压承载。

    2.3 环境污染仿真模拟

    （1）NH3-N承载力。由NH3-N承载力指数变化趋势（图5）可以看出：NH3-N承载力指数在4种发展模式下均呈前期快速增长、后期缓慢增长的趋势，且均于2012年达到中压承载;后期在自然增长模式和经济快速增长模式下逐渐达到满载状态，在协调发展模式和资源环境保护模式下进入高压承载。

    （2）COD承载力。由COD承载力指数变化趋势（图6）可以看出：COD承载力指数在4种发展模式下的变化趋势与NH3-N承载力指数变化趋势相似，2011年增势明显;在协调发展模式、资源环境保护模式下于2015年进入中压承载阶段后趋于稳定;在自然发展模式下于2013年达到中压承载，2022年达到高压承载;在经济快速增长模式下于2011年达到中压承载，2018年达到高压承载。

    （3）SO2承载力。由SO2承载力指数变化趋势（图7）可以看出：SO2承载力指数在4种发展模式下均呈前期快速增长、后期缓慢增长的趋势，并在2025年趋于稳定;在协调发展模式、资源环境保护模式和自然发展模式下2016年均为低压承载状态，在经济快速增长模式下为中压承载状态;到2025年在4种发展模式下均为中压承载状态。

    （4）NOx承载力。由NOx承载力指数变化趋势（图8）可以看出：NOx承载力指数在经济快速增长模式和自然发展模式下呈逐年稳定增长趋势;在资源环境保护模式和协调发展模式下呈现前期快速增长、后期缓慢增长的趋势;在协调发展模式和资源环境保护模式下2016年为中压承载状态，到2025年仍保持在中压承载状态;在自然发展模式和经济快速增长模式下2016年为中压承载状态，到2025年达到高压承载状态。

    3 结 语

    综合分析仿真结果，可以得出：

    （1）钦州市绿色GDP稳步增长，绿色经济发展态势向好;能源承载力和水资源承载力目前均已达到中压承载状态，仍有较大承载空间，短时间内可保证钦州港正常运转;水污染形势较大气污染形势严峻，污染物产生量及存量均呈增加趋势，2007―2025年主要测度指标将分别由低压承载状态向中、高压承载状态转变，环境承载空间逐渐缩小。

    （2）协调发展模式下的钦州港能源承载力指数、水资源承载力指数略高于在资源环境保护模式下的数值，但NH3-N承载力、COD承载力、SO2承载力和NOx承载力等4种指数在4种发展模式中达到最优，增幅最小，绿色GDP的增速最快，未来发展态势最好。

    （3）目前钦州港生态环境总体正常，但未来需要定期开展生态承载力动态评估分析。

    参考文献：

    [1] 张娇凤.港口生态承载力复合评价模型研究[D].大连：大连理工大学，2016.

    [2] 郭子坚，张娇凤，宋向群，等.多模式发展的港口生态承载力演变[J].安全与环境学报，2017（1）：364-370.

    收稿日期：2019-10-14

    作者简介：冯琪（1993―），女，助理工程师、硕士，研究方向为交通战略规划;蒋惠园（1965―），女，教授、博士，研究方向为交通运输经济;

    谢云云（1992―），女，硕士研究生，研究方向为交通运输经济;闫松银（1976―），男，高级工程师、博士，从事水运安全管理工作