全 文 ：基于能值及系统动力学的中新天津生态城
可持续发展模式情景分析∗
李春发　 曹莹莹∗∗　 杨建超　 杨琪琪
（天津理工大学管理学院， 天津 ３００３８４）
摘　 要　 可持续发展动态评价是确保我国第一个国际合作建设的中新天津生态城项目成功
的关键基础之一．在对中新天津生态城自然经济状况、功能结构和规划建设指标体系等分析
基础上，将能值分析和系统动力学方法相结合，基于功能流视角将生态城系统划分为能物流、
货币流及人口流子系统，构建了中新天津生态城可持续发展的能值评价指标体系及系统动力
学模型，设计了惯性情景、科技情景、经济情景、环保情景及协调发展情景等 ５ 种生态城发展
情景，并对各情景下的可持续发展状况进行了仿真和动态评价分析．结果表明：在经济与环境
协调发展情景下，中新天津生态城的 ＧＤＰ、能值积累量、货币积累量均呈稳步增长趋势，能值
废弃率、废弃物能值比、环境负载率等较小，能值可持续指标（ＥＳＩ）和生态效率指数（ＵＥＩ）均
处于较低水平，但比其他几种方案更具活力，是中新天津生态城的最佳发展模式．
关键词　 功能流； 能值分析； 系统动力学； 情景分析； 可持续发展
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０８－２４５５－１１　 中图分类号　 Ｆ２９３．１； Ｘ１７１．１　 文献标识码　 Ａ
Ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｅｍｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ． ＬＩ Ｃｈｕｎ⁃ｆａ， ＣＡＯ Ｙｉｎｇ⁃ｙｉｎｇ， ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ⁃ｃｈａｏ， ＹＡＮＧ Ｑｉ⁃ｑｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ．
Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（８）： ２４５５－２４６５．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄｙｎａｍｉｃ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｕｃｃｅｓｓ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｒ⁃
ｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎａｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ， ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｌａｎｎｉｎｇ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｄｉｃｅｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ， ｗｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ａ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ
ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｉｔｓ ｐｏｐｕｌａ⁃
ｔｉｏｎ， ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｃｙ ｂｙ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ
ｍｅｔｈｏｄ． Ｆｉｖｅ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｃｅｎａｒｉｏ， ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈ⁃
ｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｃｅｎａｒｉｏ， ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｓｃｅｎａｒｉｏ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｃｅｎａ⁃
ｒｉｏ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ５ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ
ｉｎ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ， ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｔｅａｄｙ ｇｒｏｗｔｈ ｔｒｅｎｄ
ｏｆ ＧＤＰ， ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｔｈ ｅｍｅｒｇｙ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｃｙ， ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗｅｒ ｖａｌｕｅｓ ｉｎ ｅｍｅｒｇｙ ｗａｓｔｅ
ｒａｔｉｏ， ｅｍｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｗａｓｔｅ， ａｎｄ ｅｍｅｒｇｙ ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｉｏ． Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｂｏｔｈ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｉ⁃
ｃｅｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ＥＳＩ ａｎｄ ＵＥＩ， ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗ， ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐ⁃
ｍｅｎｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｗａｓ ｓｔｉｌｌ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｍｏｒｅ ａｃｔｉｖｅ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ； ｅｍｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ； ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
∗国家社会科学基金项目（０８ＢＪＹ００４）、天津市“五个一批”人才资助
项目（２０１３ＲＣ０１）和天津市高等学校创新团队培养计划项目（ＴＤ１２⁃
５１５）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃａｏｙｉｎｇ８６８８８９＠ １６３．ｃｏｍ
２０１４⁃０８⁃２９收稿，２０１５⁃０３⁃１７接受．
　 　 ２０１３年我国 ７４ 个主要城市中，仅 ３ 个城市全 年空气质量达标，各城市年平均雾霾天数达 ２９．９ ｄ，
２０１４年城市空气质量仍呈恶化之势［１］ ．持续的雾霾
激起人们对清新空气、良好生态环境的强烈渴求和
对城市粗放发展模式的深刻反思，城市生态化和生
态城市建设成为人们共同的诉求，探索一条能复制、
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ８月　 第 ２６卷　 第 ８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ａｕｇ． ２０１５， ２６（８）： ２４５５－２４６５
能实施、能推广的城市生态化发展之路迫在眉睫，中
新天津生态城正是对城市生态化建设的有意探索，
其成功实践将对我国生态城市建设具有重要借鉴和
示范作用［２－３］ ．中新天津生态城规划建设借鉴了新加
坡和其他先进国家与地区生态城市建设的成功经
验，并根据其实际自然条件，从生态环境健康、社会
和谐进步、经济蓬勃发展和区域协调融合 ４个方面，
确定了包含 ２２项控制性指标和 ４ 项引导性指标的
分阶段建设和发展的指标体系，以确保建设的成功
和可持续发展．但如何综合和动态评价生态城建设
是否满足指标要求是其建设和可持续发展成败的关
键．为此，本文将对中新天津生态城发展进行情景分
析，以求对其建设和可持续发展进行准确评估，并提
供政策支持．
城市生态经济系统主要由能物流、信息流、人口
流及货币流等功能流要素构成［４］，其可持续发展情
景分析与评价是生态城市建设和可持续发展的基
础．能值分析以能值为基准，将生态经济系统中的各
种功能流加以整合分析评价，已被广泛应用于城市
生态［５］、产业生态系统［６］和区域经济系统［７］的可持
续性评价中，然而其评价均为静态，缺少对系统发展
的动态评价．而系统动力学方法能够对各系统的结
构要素、影响因素等之间关系和相互作用进行准确
描述，并对系统发展趋势进行动态模拟，已在城市发
展、区域生态系统及环境治理等方面得到广泛应
用［８－１０］，但已有文献研究对象子系统的划分多从人
口、经济及环境等角度出发，缺少对系统具体功能流
的把握．此外，将能值分析与系统动力学方法相结合
对城市生态系统进行分析在已有文献中鲜有报道．
鉴于此，本文基于功能流视角，以能值分析为基础评
价方法，以系统动力学为仿真工具，将中新天津生态
城系统划分为能物流、货币流及人口流 ３个子系统，
并对其不同发展方案下的生态⁃经济可持续发展状
况进行评价，以考量人口变动、科技发展、政策导向
等对城市能值变化产生的长远影响，明确政策的正
确性，及时纠正发展中存在的问题，为城市发展战略
的有效实施提供科学依据与理论指导．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
中新天津生态城是我国首个通过国际合作，由
中国和新加坡两国政府共同规划建设的生态城市，
其成功建成将作为我国生态城市建设和管理样板．
中新天津生态城地处天津滨海新区北部滨海休闲旅
游区内，距天津市中心 ４５ ｋｍ，北京 １５０ ｋｍ，唐山 ５０
ｋｍ，规划面积 ３４．２ ｋｍ２ ．年平均气温 １２．５ ℃，年均降
水量 ６０２．９ ｍｍ，年均日照时数为 ２８９８．８ ｈ，年均风速
４．３ ｍ·ｓ－１ ．根据中新天津生态城总体规划，其建设
分为近期（２００８—２０１０ 年）、中期（２０１１—２０１５ 年）
和远期（２０１６—２０２０年）３ 个阶段，整个生态城将用
１０～１５年基本建成，人口规模将达到 ３５ 万．２０１２ 年
底人口已达 ４ 万左右，地区生产总值达 ３０ 亿元，固
定资产投资达 １６９ 亿元，初步形成了以电子商务和
互联网、外包服务及数字出版三大产业为主导的绿
色产业格局．
１􀆰 ２　 数据来源
本文所用的原始数据来源于《中新天津生态城
指标体系》 ［１１］、《滨海新区统计年鉴》 ［１２］、《中新天
津生态城能源规划》 ［１３］、世界银行资助完成的《中新
天津生态城：中国新兴生态城市案例研究》 ［１４］、《天
津市滨海新区中新天津生态城国民经济和社会发展
第十二个五年规划纲要》 ［１５］、天津市统计公报［１６］和
《中新天津生态城总体规划》 ［１７］等．能值转换率参考
Ｏｄｕｍ等［１８－１９］、孙玉峰等［２０］以及其他相关研究成
果［２１－２３］ ．
１􀆰 ３　 能值分析方法及能值评价指标体系构建
２０世纪 ８０年代后期，能值分析方法由 Ｏｄｕｍ［１８］
提出，该方法将研究系统视为能量系统，以能值为基
准，把系统中异类、异质不可比较的能量及各种非能
量形式的能物流、资金流、信息流、人口流等转化为
同一标准的能值进行处理和分析，在能值评价指标
体系构建基础上，分析研究系统能值指标、评价其结
构功能，为制定正确的系统管理调控措施和发展策
略提供科学依据，确保生态经济系统良性运作和可
持续发展［２４］ ．本文通过资料收集和对中新天津生态
城系统的分析绘制出中新天津生态城的能量系统图
（图 １）及能值分析表（表 １）．
能值基本评价指标包括能值 ／货币比率、能值⁃
货币价值、能值投资率、净能值产出率、能值交换率、
能值自给率、能值扩大率、环境负载率、可更新资源
投入率等，这些指标实现了从经济和生态环境两方
面对系统进行评价的有效衔接．在此基础上 Ｂｒｏｗｎ
等［２５］提出系统可持续发展的能值指标（ｅｍｅｒｇｙ ｓｕｓ⁃
ｔａｉｎａｂｌｅ ｉｎｄｉｃｅｓ，ＥＳＩ）．陆宏芳等［２６－２７］对能值评价指
标进行精简，提出了评价系统可持续发展能力的能
值指标 （ ｅｍｅｒｇｙ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，
ＥＩＳＤ）和可持续发展性能的评价指标 （ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎｄｅｘ，ＳＤＩ） ．刘耕源等［２８］针对城市生态
６５４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 １　 中新天津生态城能值流动图
Ｆｉｇ．１　 Ｅｍｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
ａ） 系统边框 Ｓｙｓｔｅｍ ｆｒａｍｅ； ｂ） 储存库 Ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ； ｃ） 生产者 Ｐｒｏｄｕｃｅｒ； ｄ） 流动路线 Ｆｌｏｗ ｐａｔｈ； ｅ） 输出流 Ｏｕｔｐｕｔ ｓｔｒｅａｍ； ｆ） 能量来源 Ｅｎｅｒｇｙ
ｓｏｕｒｃｅ； ｇ） 相互作用 Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ； ｈ） 消费者 Ｃｏｎｓｕｍｅｒ； ｉ） 反馈 Ｆｅｅｄｂａｃｋ； ｊ） 热耗失 Ｈｅａｔ ｌｏｓｓ．
表 １　 中新天津生态城能值分析表
Ｔａｂｌｅ １　 Ｅｍｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ （２００９）
项目
Ｉｔｅｍ
原始数据
Ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄａｔａ
太阳能值转换率
Ｓｏｌａｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｔｙ
（ｓｅｊ·ｕｎｉｔ－１）
太阳能值
Ｓｏｌａｒ ｅｍｅｒｇｙ
（ｓｅｊ）
文献
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
可更新能源能值 太阳能 Ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） ２．７０Ｅ＋１８ １　 　 　 ２．７０Ｅ＋１８ ［１９］
Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｍｅｒｇｙ 风能 Ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） １．２０Ｅ＋１７ ２．５１Ｅ＋３ ３．０１Ｅ＋２０ ［１９］
雨水势能 Ｇｅｏ⁃ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） ６．９１Ｅ＋１１ ４．７０Ｅ＋４ ３．２５Ｅ＋１６ ［１９］
雨水化学能 Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｒａｉｎ （Ｊ） １．１６Ｅ＋１４ ３．０５Ｅ＋４ ３．５４Ｅ＋１８ ［１９］
地球旋转能 Ｅａｒｔｈ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） ３．４２Ｅ＋１３ ５．８０Ｅ＋４ １．９８Ｅ＋１８ ［１９］
潮汐能 Ｔｉｄｅ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） ２．７３Ｅ＋１４ １．７０Ｅ＋４ ４．６４Ｅ＋１８ ［２１］
农业 Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ （Ｊ） １．１８Ｅ＋６ ２．５０Ｅ＋１２ ２．９５Ｅ＋１８ ［２２］
不可更新能源能值 水 Ｗａｔｅｒ （Ｊ） ２．６２Ｅ＋１３ ４．１０Ｅ＋４ １．０８Ｅ＋１８ ［２０］
Ｎｏｎｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｍｅｒｇｙ 电 Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ （Ｊ） １．２１Ｅ＋１４ １．６０Ｅ＋５ １．９４Ｅ＋１９ ［１８］
煤 Ｃｏａｌ （Ｊ） ２．２６Ｅ＋１２ ４．００Ｅ＋４ ９．０４Ｅ＋１６ ［１８］
原油 Ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ （Ｊ） １．３３Ｅ＋１１ ５．０４Ｅ＋４ ６．７０Ｅ＋１５ ［１８］
天然气 Ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ （Ｊ） ２．０５Ｅ＋１１ ４．８０Ｅ＋４ ９．８４Ｅ＋１５ ［１８］
输入能值 Ｉｎｐｕｔ ｅｍｅｒｇｙ 商品、劳务 Ｇｏｏｄｓ ａｎｄ ｌａｂｏｒ （＄） １．０７Ｅ＋６ ９．３７Ｅ＋１２ １．００Ｅ＋１９ ［２３］
输出能值 Ｏｕｔｐｕｔ ｅｍｅｒｇｙ 商品、服务 Ｇｏｏｄｓ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ （＄） ３．１５Ｅ＋５ ６．３４Ｅ＋１２ ２．００Ｅ＋１８ ［２３］
排放能值 固废 Ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ （ｇ） ４．１３Ｅ＋９ ７．６０Ｅ＋９ ３．１４Ｅ＋１９ ［２５］
Ｅｍｅｒｇｙ ｅｍｉｓｓｉｏｎ 废水 Ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ （ｇ） ６．７２Ｅ＋１０ ４．３０Ｅ＋６ ２．８９Ｅ＋１７ ［２５］
系统特性，提出了城市健康能值指数（ ｅｍｅｒｇｙ⁃ｂａｓｅｄ
ｕｒｂａｎ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｈｅａｌｔｈ ｉｎｄｅｘ，ＥＵＥＨＩ）．张妍等［２９］从
代谢角度出发，构建了评价系统可持续性发展能力
指标———生态效率指数（ｕｒｂａｎ ｅｃｏ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎｄｅｘ，
ＵＥＩ）．本文根据上述成果和中新天津生态城实际情
况，提出中新天津生态城可持续发展的能值评价指
标体系（表 ２）．
１􀆰 ４　 系统动力学方法及模型构建
本文结合系统动力学方法与能值分析方法，对
中新天津生态城不同发展情景进行能值的动态评
价．在对中新天津生态城各子系统构成、结构要素、
影响因素及它们间的相互作用和影响关系分析的基
础上，构建其系统动力学模型；然后将中新天津生态
城视为一个能量系统，并根据能值理论和生态城系
７５４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 李春发等： 基于能值及系统动力学的中新天津生态城可持续发展模式情景分析　 　 　 　
表 ２　 中新天津生态城可持续发展的能值评价指标体系
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｅｍｅｒｇｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ
指标类别
Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｃａｔｅｇｏｒｙ
指数名称　 　 　 　 　 　
Ｉｎｄｅｘ ｎａｍｅ　 　 　 　 　 　
公式　 　 　 　 　 　
Ｆｏｒｍｕｌａ　 　 　 　 　 　
含义或意义
Ｍｅａｎｉｎｇ ｏｒ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
能值流量
Ｅｍｅｒｇｙ ｆｌｏｗ
可更新资源能值
Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｍｅｒｇｙ
Ｒ 系统自有能值（太阳能、风能、雨水势能和化
学能、潮汐能等）
不可更新资源能值
Ｎｏｎｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｍｅｒｇｙ
Ｎ 外界输入系统资源（石油、水、电、天然气等）
输入能值
Ｉｎｐｕｔ ｅｍｅｒｇｙ
ＭＰ 外界输入系统的能值（从外界购买的各种商
品、劳务及物资等）
输出能值
Ｏｕｔｐｕｔ ｅｍｅｒｇｙ
ＥＸＰ 系统向外界输出的能值（向外界输出各种商
品、物资及服务等）
耗散能值
Ｅｍｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
Ｈ 系统流失的能值
废弃物能值
Ｅｍｅｒｇｙ ｗａｓｔｅ
Ｗ 系统排放到外界的能值（流到系统外界的废
水、固废和废气等）
产出能值
Ｅｍｅｒｇｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ
Ｏ 系统生产利用的能值
能值效率
Ｅｍｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
能值产出率
Ｅｍｅｒｇｙ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｉｏ
ＥＹＬ＝Ｏ ／ （ＭＰ＋Ｎ） 系统运行效率
能值废弃率
Ｅｍｅｒｇｙ ｗａｓｔｅ ｒａｔｉｏ
ＥＷＲ＝Ｗ ／ Ｒ 系统循环能力
环境负载率
Ｅｍｅｒｇｙ ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｉｏ
ＥＬＲ＝（Ｎ＋ＭＰ） ／ Ｒ 系统经济活动对环境的压力
废弃物能值比
Ｅｍｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｗａｓｔｅ
ＥＲＷ＝Ｗ ／ （Ｒ＋Ｎ＋ＭＰ） 系统排向外界的废弃物对环境的压力
效率指数
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎｄｅｘ
可持续发展指数
Ｅｍｅｒｇｙ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｉｎｄｉｃｅｓ
ＥＳＩ＝ＥＹＬ ／ ＥＬＲ 系统可持续发展程度
生态效率指数
Ｕｒｂａｎ ｅｃｏ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎｄｅｘ
ＵＥＩ＝ＥＹＬ×（１－Ｗ ／ Ｕ） ２×
（１－Ｎ ／ Ｕ） ２
兼顾资源效率、经济效益与生态环境压力的
系统可持续性发展能力
统结构将其划分为能物流系统、货币流系统和人口
流系统 ３个子系统，并对各子系统的基本指标及综
合评价指标变化趋势进行动态比较分析．
１􀆰 ４􀆰 １生态城系统动力学模型构建　 中新天津生态
城开工建设 ５年来，已完成 ３ ｋｍ２起步区及 ８ ｋｍ２南
部片区建设，其他片区正在不断开发建设．生态城是
一个由人口、资源、环境、社会等基本要素构成的动
态、高阶且具有多重反馈结构的复杂系统［３０－３１］ ．利
用 Ｖｅｎｓｉｍ软件构建中新天津生态城可持续发展系
统动力学模型，以中新天津生态城的行政区域为系
统边界，研究内容涉及生态城的人口、经济、环境等
方面．模型时间步长设为 １ 年，运行时间边界设定为
２００９—２０３５年，以 ２００９ 年为仿真基期．基于能值观
点，在对生态城的各种生态流进行分析梳理基础上，
考虑到数据可得性，将中新天津生态城划分为能物
流子系统、人口流子系统和货币流子系统 ３ 个相互
关联和影响的子系统，构建中新天津生态城可持续
发展系统动力学模型流图（图 ２）．
　 　 人口流子系统与能物流、货币流子系统相互联
系与作用．人口是能物流与货币流的使用者，影响经
济发展与生态环境的改善，而经济系统与环境系统
通过生育因子与环境质量指数制约人口数量．中新
天津生态城的人口增长表现在自然增长和机械增长
两方面，在建设期间，其迁入人口远大于出生人口，
人口出生率和死亡率参照生态城所处地区同期标
准．能物流系统是中新天津生态城的核心子系统，主
要包括流入生态城的物质流及能量流（可更新资
源、不可更新资源、输入商品及设备等）和流出生态
城系统的物质流及能量流（流出生态城的固废及废
水、能量耗散及输出商品等）．可更新资源包括太阳
能、风能、雨水化学能与势能等，它们为生态城提供
驱动力．不可更新能源约占能源使用的 ８０％，包括水
（生活生产用水、供暖热水）、电、石油、天然气等，这
些能源均从外部输入．生态城还从外部输入商品、设
备、信息与劳务等，考虑到数据的可获取性，本文计
算输入能值仅考虑商品与设备等．生态城产生的污
水及垃圾等通过回收装置送至生态城外处理．为将
生态城资源、环境与经济有机联系起来，分析其可持
续发展趋势，需将所有物质流和能量流根据对应的
能值转换率转换成太阳能值进行计算与模拟．与此
同时，将能值评价指标以辅助函数的形式添加到能
物流子系统中，从而实现对生态城生态经济发展能
值评价指标的动态模拟．货币流子系统由流经生态
城的资金流构成，可通过对生态城的资金流向进行
分析而确定，它反映生态城的经济发展状况．为降低
模型复杂性，本文在考虑生态城的货币增量时，仅涉
８５４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ２　 中新天津生态城可持续发展系统流图
Ｆｉｇ．２　 Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
及招商引资与 ＧＤＰ（生态农、工、服务及环保业 ＧＤＰ
之和）两方面的内容；而货币减量仅从外部输入的
商品、能源花销等方面考虑．它们通过生态工业 ＧＤＰ
及工业科技因子对能物流子系统的发展产生影响与
制约，即工业 ＧＤＰ 越大，生产固废及废水排放量越
大；工业科技水平越高，万元 ＧＤＰ 产值所产生的固
废、废水等产生量越小．
１􀆰 ４􀆰 ２生态城系统模型参数设定 　 本文主要根据
《中新天津生态城总体规划》 ［１７］的基本要求进行系
统动力学模型参数设置．其中，中新天津生态城人口
出生率、死亡率、生育因子、工业产值初值、社会劳动
力与总人口的关系等参考生态城统计报告和相关前
期研究成果［３２］；人均净垃圾产生量、年人均废水产
生量、固废回收率、废水循环利用率、四大生态产业
的投资系数及相关表函数等根据中新天津生态城自
身特点及相关规划［１３，１５，１７］确定；新增固定资产折旧
率、不可更新资源增长率、输入能值增长率、消费额
增长率等数据来源于《生态城统计报告》 ［３３］，并根据
相关政策定性分析，用表函数的形式表示；生产函数
中的 α和 β 等参数、生态产业 ＧＤＰ 与资本弹性系
９５４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 李春发等： 基于能值及系统动力学的中新天津生态城可持续发展模式情景分析　 　 　 　
数、劳动弹性系数之间的关系，以及万元产值废水产
生量能值与工业科技因子之间的关系等，在对《生
态城统计报告》 ［３３］进行统计分析基础上确定；不可
更新能源初值、输入能值初值、物质积累量初值、招
商引资额初值、人均年进区商品消费额、货币积累量
初值、四大生态产业固定资产初值等通过统计报
告［３３］和对生态城相关单位的调研获得．
１􀆰 ５　 数据处理
本文采用的全球能值基准值为 （ ９． ２６Ｅ ＋ ２４）
ｓｅｊ·ａ－１ ．在收集整理相关原始数据的基础上，根据
能量计算公式［２１］计算不同物质的能量（Ｅ）、确定不
同能量对应的能值转换率（Ｔ），用 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ软
件计算得出对应的太阳能值（ＥＭ ＝ＥＴ）．在确定系统
动力学模型的相关参数、初始值和调控参量后，利用
Ｖｅｎｓｉｍ软件进行系统模拟仿真，生成相应的仿真
图谱．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 生态城系统情景设定
为了全面分析发展路径、产业布局、科技水平及
减排政策等对中新天津生态城可持续发展的影响，
同时结合中新天津生态城相关规划要求，本文选取
四大产业的投资系数、劳动力系数及科技因子、固废
处理率、废水处理率等因子为调控参量，设计了惯性
情景、科技情景、经济情景、环保情景和协调发展情
景 ５ 种具有代表性的情景方案（表 ３），并对各方案
进行情景分析，通过对比分析探求中新天津生态城
可持续发展的最佳情景模式．
惯性情景（方案 ０）．基于中新天津生态城目前
的产业布局、科技发展水平和废弃物处理水平，不加
干预对生态城系统演变过程进行仿真模拟，得出此
情景下的可持续发展情况．
科技情景（方案 １）．以各产业投资比例及劳动
力比例不变为前提，通过引入新技术与新设备提高
产业的科技因子，考虑不同科技发展水平对系统可
持续性造成的影响．
经济情景（方案 ２）．以经济利益最大化为目标，
通过消减其他产业投资比例用来投资资本弹性系数
最大的工业，以实现经济的飞速发展．
环保情景（方案 ３）．以环境效益最大化和保护
生态环境为目标，消减环境负效应较大的农业和工
业投资比例而扩大环境负效应较小的服务及环保业
投资比例．
协调发展情景（方案 ４）．该方案综合考虑经济、
环境、社会和科技协调发展以及生态城总体规划要
求设计．
表 ３　 中新天津生态城调控方案
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ
项目
Ｉｔｅｍ
参数
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ
方案 ０
Ｓｃｈｅｍｅ ０
方案 １
Ｓｃｈｅｍｅ １
方案 ２
Ｓｃｈｅｍｅ ２
方案 ３
Ｓｃｈｅｍｅ ３
方案 ４
Ｓｃｈｅｍｅ ４
产业
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
农业投资系数
Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．０６ ０．０６ ０．０２ ０．０２ ０．０４
工业投资系数
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．５０ ０．５０ ０．６０ ０．４６ ０．４２
服务业投资系数
Ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．４０ ０．４０ ０．３７ ０．４０ ０．４６
环保业投资系数
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．０４ ０．０４ ０．０１ ０．１２ ０．０８
劳动力
Ｌａｂｏｕｒ
农业劳动力系数
Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｌａｂｏｒ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．０５ ０．０５ ０．０１ ０．０２ ０．０４
工业劳动力系数
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌａｂｏｒ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．４０ ０．４０ ０．５５ ０．３４ ０．３４
服务业劳动力系数
Ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｅｃｔｏｒ ｌａｂｏｒ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．４５ ０．４５ ０．４１ ０．４５ ０．５０
环保业劳动力系数
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｌａｂｏｒ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
０．１０ ０．１０ ０．０３ ０．１９ ０．１２
科技因子
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｆａｃｔｏｒ
农业科技因子
Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆａｃｔｏｒ
０．３５ ０．４５ ０．３５ ０．３５ ０．４５
工业科技因子
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆａｃｔｏｒ
０．４０ ０．６０ ０．８０ ０．４０ ０．６０
服务业科技因子
Ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆａｃｔｏｒ
０．４５ ０．６０ ０．４５ ０．４５ ０．６０
环保业科技因子
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆａｃｔｏｒ
０．４０ ０．５５ ０．４０ ０．８０ ０．８０
环境质量指数 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘ ０．５２ ０．５０ ０．５５ ０．４５ ０．４５
固废处理率 Ｄｉｓｐｏｓａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ ０．５０ ０．５５ ０．４５ ０．６０ ０．６０
废水处理率 Ｄｉｓｐｏｓａｌ ｒａｔｅ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ０．９０ ０．９５ ０．８５ ０．９８ ０．９８
０６４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
２􀆰 ２　 生态城系统情景分析
本文对上述 ５ 种不同情景下，中新天津生态城
２００９—２０３５年的可持续发展情况进行仿真模拟，从
ＧＤＰ 与物质能值积累量、货币积累量、能值废弃率
与能值产出率、废弃物能值比与环境负载率和能值
可持续性指数与生态效率指数等方面，对生态城的
能值指标进行评价分析．
２􀆰 ２􀆰 １ ＧＤＰ 与物质能值积累量、货币积累量　 ＧＤＰ、
物质能值积累量和货币积累量分别从生产能力、物
质积累及资金积累 ３个方面表征中新天津生态城的
财富储存状况与发展潜力．它们的值越大，代表生态
城生产能力越强、发展动力越足、经济实力越雄厚，
即系统的可持续发展更健康更具活力．
由图 ３ 可知，５ 种方案中中新天津生态城的
ＧＤＰ及物质能值积累量、货币积累量均稳步增长，
图 ３　 中新天津生态城 ＧＤＰ、物质能值积累量和货币积累量
仿真结果
Ｆｉｇ． ３ 　 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＧＤＰ， ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ
ｅｍｅｒｇｙ， ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｃｙ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ
Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
Ⅰ： 方案 ０ Ｓｃｈｅｍｅ ０； Ⅱ： 方案 １ Ｓｃｈｅｍｅ １； Ⅲ： 方案 ２ Ｓｃｈｅｍｅ ２；
Ⅳ： 方案 ３ Ｓｃｈｅｍｅ ３； Ⅴ： 方案 ４ Ｓｃｈｅｍｅ ４． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
其中注重经济、环境和科技三者协调发展的方案 ４
的 ＧＤＰ 及货币积累量增长最快，２０１５ 年达 ２８２．２４
亿元，超过“十二五”规划的 １９０ 亿指标，２０３５ 年达
到 ２８６３亿元，累积注册资金达 ３．４２ 万亿元．注重科
技投入的方案 １、产业扩张的方案 ２ 及加大环保投
入的方案 ３ 的 ＧＤＰ 均超 ２００ 亿，但后期 ＧＤＰ 发展
速度显露出明显疲软态势；当前模式下 ＧＤＰ 增长最
慢，２０１５年 ＧＤＰ 为 １８０．３ 亿元．由此可见，当前模式
达不到生态城的经济预期，单一追求经济的发展、科
技投入或者环境治理虽能达到生态城经济预期，但
三者的协调发展能使中新天津生态城系统焕发出更
加强劲的活力，有利于系统健康良性发展．
２􀆰 ２􀆰 ２能值废弃率与能值产出率　 能值废弃率和能
值产出率分别从系统的循环能力与生产效率两方面
对系统的发展状态进行评价．其中，能值废弃率用以
评价所研究系统的循环能力及其所排放废弃物的可
利用程度［２９］ ．能值废弃率越大，表明系统废弃物排
放量越大，系统废弃物可利用程度越大，系统对于可
更新资源及再生资源的利用水平较低，系统循环能
力越弱．而能值产出率是系统生产效率的衡量标
准［２１］ ．其值越大，表明投入同等经济反馈能值，系统
产出能值越多，系统生产效率越高，同时从系统输出
的能值也越多，从能值观点来看这对系统是不利
的［３４］ ．
由图 ４可知，２０３５年 ５ 种方案的能值废弃率分
别为１．２５、１．２０、１．２７、１．１６、１．１３，与２００４年的北京
图 ４　 中新天津生态城能值废弃率、能值产出率仿真结果
Ｆｉｇ．４　 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｍｅｒｇｙ ｗａｓｔｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｙ ｙｉｅｌｄ
ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
１６４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 李春发等： 基于能值及系统动力学的中新天津生态城可持续发展模式情景分析　 　 　 　
（４０．４１）、 ２００２ 年的广州 （ １． ４８）、 ２００２ 年的上海
（５􀆰 ５４）相比［２９］，中新天津生态城的能值废弃率较
低，废弃物循环利用率较高而排放量较小，这得益于
生态城“生态人居”规划理念及严格的绩效指标体
系．生态城再生资源利用率高，系统循环能力较强，
发展较为健康．但后期能值废弃率持续上升，循环能
力有减弱趋势．
　 　 建设初期生态城系统输入能值占主导地位，能
值产出率很低，系统能值快速积累，随着建设的推进
至 ２０２０年各项建设基本完成，生态城系统输入输出
能值均增加，能值产出率缓慢提高并于 １附近波动，
方案 ０、２、３在 ２０２１年分别达到 １．０９、１．０７、１．０６，而
方案 １和 ４能值产出率则提升较慢，对系统有利．可
见，从能值角度来看，单一的以经济发展为主的发展
模式虽能提高系统的生产效率加大输出，但是输出
的产品附加值较低，系统处于能值流失地位，且废弃
物占输出比例较大，资源利用率低．因此，只有提高
科技水平，增加输出产品的附加值，同时保证经济环
境协调并进，才能实现生态城系统生产效率的稳步
提高、资源的高效利用，保证系统的可持续发展．
２􀆰 ２􀆰 ３废弃物能值比与环境负载率　 废弃物能值比
和环境负载率（ＥＬＲ）表征系统发展对周围环境造成
的压力．废弃物能值比反映城市系统排放的废弃物
能值占输入总能值的比率［３５］ ．环境负载率表征系统
经济活动对环境造成的压力，ＥＬＲ＜３ 时，系统环境
承受压力较小，属健康状态；３＜ＥＬＲ＜１０时，系统环
图 ５　 中新天津生态城废弃物能值比和环境负载率仿真结果
Ｆｉｇ．５　 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｅｍｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｗａｓｔｅ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎ⁃
ｍｅｎｔａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
境压力处于中等水平，属亚健康状态；ＥＬＲ＞１０ 时，
系统环境压力过大，属不健康状态［２０］ ．
由图 ５可知，生态城在 ２０１５ 年前，废弃物能值
比呈上升趋势，２０１５ 年达到一个小高峰，这反映出
２０１５年前排污政策宽松、建设用废弃物排放量大等
问题，随着 ２０１５ 年新指标的约束，废弃物排放明显
下降，２０２０年后，生态城建设基本完成，废弃物排放
趋于平稳．方案 ２注重经济发展，产值增加的同时废
弃物排放也较大，２０３５年达 ０．１，远超生态城控制指
标，方案 ３和方案 ４均加大了环保产业投入，废弃物
产出较小，对环境造成压力较小．
　 　 ２００９—２０２０年，生态城属于建设扩张阶段，期
间 ＥＬＲ上升较快，５ 种方案平均涨幅分别为 ０．６３、
０􀆰 ５７、０．７４、０．５０、０．４８．主要原因为城市人口大幅增
长，能源消耗明显，环境负载率快速升高．２０２０年后，
生态城产业结构日趋完善，城市建设及人口增长速
度趋缓，除方案 ２ 和 ０ 外，ＥＬＲ 增长趋于平缓，到
２０３５年仍低于 １０．表明方案 １、３、４ 的可持续性较
好，在长期发展中给环境造成的压力较小．
２􀆰 ２􀆰 ４能值可持续性指数与生态效率指数　 能值可
持续指数（ＥＳＩ）与生态效率指数（ＵＥＩ）是表征系统
可持续发展能力的综合指标．其中，能值可持续指数
是系统能值产出率与环境负载率的比值，ＥＳＩ＜１ 时，
为资源消费型经济系统；１＜ＥＳＩ＜１０ 时，系统发展潜
力较大；ＥＳＩ＞１０时，系统属于不发达水平［３６］ ．生态效
图 ６　 中新天津生态城能值可持续指数（ＥＳＩ）和生态效率指
数（ＵＥＩ）仿真结果
Ｆｉｇ．６　 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＥＳＩ ａｎｄ ＵＥＩ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎ⁃
ｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ．
２６４２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 ４　 中新天津生态城生态经济系统各项指标与其他地区的对比
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｃｏ⁃ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ
地区
Ｒｅｇｉｏｎ
能值废弃率
ＥＷＲ
能值产出率
ＥＹＲ
废弃物能值比
ＥＲＷ
环境负载率
ＥＬＲ
可持续发展
指数 ＥＳＩ
生态效率
指数 ＵＥＩ
中新天津生态城 Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ （２００９） ０．１０ ０．１７ ０．０５ ０．１０ １．７０ ０．０１
中新天津生态城 Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ （方案 ４， ２０３５） １．１３ １．２３ ０．１０ ８．４０ ０．１３ ０．０３
七贤岭产业化基地 Ｑｉｘｉａｎｌｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂａｓｅ （２００６） ［３７］ ２４７９．６７ ３．９４ ０．１１ ３４．５９ １．０５ １．６７
双 Ｄ 港 Ｄ⁃Ｄ Ｐｏｒｔ （２００５） ［３７］ １６９．６７ １．１７ ０．１７ ５６．６０ ０．１２ ０．７３
北京市 Ｂｅｉｊｉｎｇ （２００４） ［２９］ ４０．４１ ６．７３ ０．１９ ３５２．２１ ０．０２ ０．１０
天津市 Ｔｉａｎｊｉｎ （２００７） ［３８］ ７．０７ ２．３７ ０．６０ １４．４５ ０．１６ ０．０４
率指数兼顾了研究对象的资源效率、经济效益与生
态环境压力，同时考虑到系统废弃物的排放及不可
更新资源的消耗，克服了 ＥＳＩ的不足，更加全面地反
映了生态系统的健康可持续发展［２９］ ．其值越高，代
表系统在相同环境压力下所获取的社会经济效益越
高，可持续性越强．
　 　 由图 ６ 可知，２００９—２０３５ 年，生态城 ＥＳＩ 不断
下降，２０３５ 年，５ 种方案 ＥＳＩ 分别降至 ０． １０、０． １１、
０􀆰 ０８、０．１２、０．１３，是典型的发达水平资源消费型系
统．由于能值产出率与系统可持续性并不呈正比且
系统的可持续发展要求满足能值产出率与交换率乘
积的最大，因此 ＥＳＩ 的下降并不代表生态城可持续
性降低［３４，３７］，从能值积累来看，生态城 ＥＳＩ 下降，但
能值持续累积，成为其持续发展的动力，生态城的可
持续发展能力并未消减．
由于中新生态城绝大部分资源、能源依赖于外
界输入，而输出主要为高货币值低能值产品，能值产
出率较低，其 ＵＥＩ处于较低水平．２０１８ 年前，建设期
间的生态城由于居民及资源高消耗产业相对较少，
输入生态城能值大部分来自商品及物资，可更新资
源使用及废弃物排放较少，而城市建成后居民及企
业的迁入带来了水能、风能、地热等可更新资源的大
量消耗与废弃物排放的增加，ＵＥＩ 呈现先升后降趋
势，在 ２０１８年左右生态城 ５种方案的 ＵＥＩ值达到最
大，大分别为 ０．０６、０􀆰 ０６、０􀆰 ０３、０􀆰 ０６ 和 ０．０７．从后期
来看，生态城的 ＵＥＩ 有回升趋势，生态城的不可更
新能源使用比例呈下降趋势，从而带动城市自组织
能力、发展潜力以及再生循环能力不断提高，其中方
案 ４中 ＵＥＩ在 ２０３５年回升至 ０．０３．
２􀆰 ２􀆰 ５生态城系统能值分析与其他地区的比较　 与
七贤岭产业化基地（２００６）、双 Ｄ 港（２００５）、北京
（２００４）、天津（２００７）相比，中新天津生态城（２００９）
的能值废弃率、能值产出率、废弃物能值比、生态效
率指数等都处于较低水平（表 ４），表明中新天津生
态城（２００９）的发展还处于比较原始的水平，自然资
源能值所占比例较大，对外界资源的依赖性较低，生
产生活排放的环境污染物比例也较小，资源利用效
率低，城市自组织能力低．另外，同其他地区相比，中
新生态城（２００９）的环境负载率最低、可持续发展指
数最高，其值在 １～ １０，表明其经济发展给周围造成
的环境压力较小，系统具有较大发展潜力．通过 ２０
多年的发展，到 ２０３５ 年，中新天津生态城的能值废
弃率、能值产出率、废弃物能值比等都有所回升，但
仍处于较低水平．生态效率指数增至 ０．０３，系统自组
织能力及经济效益显著提高，但仍低于其他地区，且
环境负载率也随之上升至 ８，可持续发展指数下降
至 １ 以下，系统资源消耗明显，环境压力需加以
控制．
３　 讨　 　 论
本文将能值分析与系统动力学方法相结合，运
用 Ｖｅｎｓｉｍ软件建立了中新天津生态城生态经济系
统动力学模型，并对其相关能值评价指标进行了情
景分析及模拟仿真．研究表明：从经济方面考虑，中
新天津生态城 ＧＤＰ 整体呈上升趋势，当前惯性发展
趋势较慢，至 ２０３５ 年，其 ＧＤＰ 及注册资金年平均
增长率分别为 １３． ５％、２５． ５％，而增长最快的方案
４ ＧＤＰ及注册资金年平均增长率分别达到 １６．８％、
２７􀆰 １％，经济发展态势最佳．从环境方面考虑，当前
惯性发展模式下中新天津生态城的能值废弃率、废
弃物能值比、环境负载率较其他几种方案增长较快，
年平均增长率分别达 １３．０％、４．３％、１８．６％，而方案 ３
和方案 ４ 的能值废弃率年平均增长率分别为
１２􀆰 ６％、１２．４％；废弃物能值比年平均增长率分别为
３．３％、 ４􀆰 ０％；环境负载率年平均增长率分别为
１７􀆰 ６％、１７􀆰 ３％，方案 ４对环境造成的压力较小．方案
４的 ＥＳＩ、ＵＥＩ均高于同期其他方案，可持续性较好．
综合考虑经济和环境两方面，可持续发展模式
方案 ４最佳．这表明中新天津生态城后期发展中，政
策重点应放在产业布局调整和科技因子提高上．首
３６４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 李春发等： 基于能值及系统动力学的中新天津生态城可持续发展模式情景分析　 　 　 　
先，应进一步扩大服务业和环保产业发展．通过政府
制定的入驻优惠政策，吸引国内外知名服务企业和
服务机构落户生态城，逐步形成以餐饮、娱乐、教育、
医疗为基础，以信息技术、金融、生态服务为主导的
服务产业格局，从源头减少废弃物排放．加快环保产
业发展，注重对脱硫、脱硝、污泥处理、工业废水降
解、水华监测等核心环保技术、相关环保设备的研发
与引进，提高废弃物的回收利用率．其次，应健全生
态城产业创新支撑体系．增加服务业和环保业技术
创新研发经费，设置优越的薪资、福利和户籍政策吸
引相关人才落户，以人才、资金为动力，推动产业技
术创新，提高产业科技因子．在技术创新基础上，以
企业与政府为主要角色进行制度与建设的创新，以
管理的创新完善生态城的规划建设．但中新天津生
态城建设也将面临一些问题，如：对原有生态系统的
破坏（中新天津生态城中有一些区域生物多样性较
高，但未被设置为生态区，生态城建设的展开将对这
些区域的生态系统造成很大损害）和资金压力（生
态城建设需要持续的资金注入，而随着融资环境的
变化，投资的资金状况将随之波动，势必会对中新天
津生态城建设产生影响）等．
能值分析与动态系统动力学方法相结合弥补了
单一研究方法的不足．一方面，传统能值分析通过历
史数据分析对系统可持续发展情况进行评价，没有
对能值评价指标变化情况进行预测和实现真正意义
上的系统可持续发展评价．而将能值分析与系统动
力学方法结合，可基于系统历史发展情况，利用仿真
技术对系统各项功能流要素和能值评价指标变化进
行模拟，从而把握系统的可持续发展状况．另一方
面，将生态城生态⁃经济系统中不同功能流间的关系
以系统流图的形式表现出来，并将系统划分为能物
流、货币流和人口流 ３ 个子系统，使得生态⁃经济系
统中各种功能流间的相互关系更清晰．能值分析与
系统动力学方法相结合为生态⁃系统的可持续发展
提供了新的研究思路，但由于能值分析方法与系统
动力学方法本身的不足，二者结合还有一些问题亟
需解决：１）能值转换率的选取．我们在选取能值转换
率时均以已有研究为参考，但由于研究对象系统的
异质性，所选取的能值转换率的准确性与适用性无
法完全保证．２）缺乏准确统一的数据．能值分析和系
统动力学模型构建需要大量的数据做支撑，由于缺
少对研究对象系统的数据积累，通过不同途径取得
数据的有效性和准确性难以验证，从而影响仿真结
果，对所做结论产生影响．
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Ｓｏｃｉａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏ⁃Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｃｏ⁃ｃｉｔｙ
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作者简介　 李春发，男，１９６８ 年生，博士，教授，博士生导师．
主要从事产业生态系统优化与决策分析研究，发表论文 ５０
余篇． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃｈｕｎｆａｌｉ＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 杨　 弘
５６４２８期　 　 　 　 　 　 　 　 李春发等： 基于能值及系统动力学的中新天津生态城可持续发展模式情景分析