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摘要以应对气候变化和发展低碳经济为大背景，在分析中国城市能源需求和碳排放现状与发展瓶颈的基础上，探讨了低碳城市未来可能的发展路径问题。选择河南省济源市作为研究开展的案例城市，借助情景分析法和“脱钩”概念模型，展示了济源市在能源和碳排放约束条件下，到2030年不同情景的低碳发展图景。认为：第一，从需求角度来看，能源需求总量在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下均呈增长趋势，由于驱动因素的作用差异，基准情景下能源需求量最大，强化低碳情景下最小；第二，从消费角度来讲，人均能源消费量在不同情景下的变化趋势各有特点，其中低碳情景下可能在2020年前后出现拐点，此时人均能源消费量约为16.9 tce/人，绝对值仍然较高；第三，从不同情景下减排潜力来看，低碳情景和强化低碳情景下仍具有较大的减排空间，例如2020年低碳情景下可能减排约741万t，强化低碳情景下约可减排1 790万t。基于对城市未来能源需求和碳排放的情景分析结果，给出了城市低碳发展的结论和政策建议：一是济源市的能源需求若保持现有高速增长趋势是不可取的，低碳情景下和强化低碳情景下能源需求总量和增速有明显改善；二是尽管在最严格的情景下，济源市的人均能耗预测值仍然高于国际国内其他城市的预测，但由于其资源禀赋、产业定位等问题，要实现这个目标仍存在着一定的挑战；三是济源市的经济增长依靠工业生产拉动，对于工业占比为绝对主导的这类城市而言，发展低碳经济的着力点和减排潜力释放应在传统产业格局的升级改造上。
关键词低碳经济；IPAT模型；脱钩理论；情景分析
中图分类号F124.5文献标识码A文章编号1002-2104（2015）07-0048-08doi：103969/jissn1002-2104201507007
中国实现了几十年来经济的连续高速增长，已经出现了资源供需紧张和环境负荷严重的现实问题，同时仍处于工业化和城镇化进程当中，加之“富煤贫油少气”的资源禀赋特征和能源利用结构，低碳的发展道路成为必然。城市承载了各项生产和生活活动，造成对化石燃料的大量消耗和CO2等温室气体的主要排放，理应成为发展低碳经济的重要平台和关键区域，城市未来的发展面临着能源需求的巨大压力和碳排放的严格限制，因此必须要有适当的规划引导并能够实时对照检查[1]。在对低碳城市未来能源需求和碳排放的相关研究中，情景分析法是一种常用的分析方法，通过构建不同的发展目标，经过严格推理，预测未来情形和向未来发展的过程[2-4]。本文研究选择河南省济源市作为案例城市，考虑到其产业结构特征、能源消费特点、环境负荷现状等情况，对于研究城市的低碳转型具有较强的代表性，旨在通过预测济源市未来不同的能源需求和碳排放发展趋势，对城市的低碳发展之路提供借鉴和参考，为有效地评价指导碳减排实践工作提供科学的理论依据和支持，将对低碳城市的预测情景作为全社会努力可实现的目标，提升和增加公众对于低碳城市的理解和期望，应用到城市建设实践中，提出可操作的对策建议，保障城市的社会经济发展，同时积极应对气候变化的影响，在全社会各部门形成低碳的生产方式和生活理念。
1情景分析的方法学介绍
1.1基本框架
情景分析法在能源资源环境战略规划、政策分析以及决策管理支持等领域应用广泛，其实质是构建了一套中长期战略预测的框架，基于现实情况或可预见到的未来发展趋势，预测未来情形和发展过程的一系列方案。基于情景分析法在能源需求、城市发展规划以及生态环境系统变化等领域的研究应用，比较多的做法是通过预测经济增长、政策执行以及技术升级等参数变化导致的未来不同情景，从而模拟分析各个情景下有区别的能源需求和低碳发展趋势路径。应用情景分析法的优势在于提供了多种可能的发展预测结果，尤其在进行中长期的战略规划预测时面对的不确定性较大，使政策制定者或管理者有效避免过高或过低的决策，从而选择正面因素最大而负面因素最小的发展方向和路径。本文在预测低碳城市未来发展的能源需求和碳排放时，综合应用情景分析和计量分析的方法，基于IPAT模型构建适用于研究对象的分析框架，有效结合了定量分析和定性分析的特点。以相对易于把握的经济增长、能源需求与碳排放约束目标为基础，预测案例城市可能的低碳发展路径，通过对比现状与预测值寻找城市低碳发展的潜力所在，从而提供政策建议、决策参考与行动计划。
1.2.1IPAT理论模型
20世纪70年代美国生态学家埃里奇（Ehrlich）提出了表征经济发展对环境影响的IPAT关系式，用人口（P）、富裕度（A）和技术水平（T）3个因素来反映环境受到的影响，其关系式用这3个因素表达为[1]：
I=P×A×T（1）
若将该关系式（1）中I看作碳排放对环境的影响，那么整个关系式就是关于碳排放的IPAT方程，在这里碳排放受到人口、经济增长和技术水平的综合作用。本文以碳排放的IPAT模型为基础，引入“脱钩”的概念，分析经济增长、能源需求和碳排放之间的关系，I表示碳排放的环境负荷，P表示人口总量，A用人均GDP来表征，T为单位GDP的碳排放量，即碳排放强度[5-7]。
将关系式（1）进行分解，关于碳排放的IPAT模型可以表达为关系式（2）的变化形式。式中，Ct表示t期城市的碳排放总量，Pt表示t期年末总人口数，At表示t期人均GDP水平，E表示能源消费总量，（E/GDP）t表征的是t期能源强度，∑ni=1Ei/E表示第i类能源占能源消费总量的比例即能源结构，Ki是第i类能源的碳排放系数。
Ct=Pt×At×（E/GDP）t×（∑ni=1Ei/E）×Ki（2）
将t期与基期城市的碳排放负荷情况相比，假设人口年增长率是α，人均GDP年均增长率为β，能耗强度下降比率为γ，代表能源技术进步程度，用δ表征能源结构的变化率。此外，能源的碳排放系数Ki是一个相对稳定的常数，除非有重大技术变革发生，否则一般不会发生变化[1]。模型的t期与基期各因素关系如下： Pt=P0×（1+α）（3）
At=A0×（1+β）（4）
（E/GDP）t=（E/GDP）0×（1-γ）（5）
∑ni=1Ei/E=∑ni=1Ei/E×（1-δ）（6）
因此，城市t期与基期碳排放负荷的变化情况就可以表述为：
Ct=C0×[（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）]t（7）
1.2.2“脱钩”概念模型
按照环境库兹涅茨曲线假说（EKC）的理论，经济增长的过程伴随着资源消耗和环境影响负荷，在经济增长的同时，与之相关的资源消耗、环境负荷的发展状态，可以用“脱钩”理论进行测度，即对经济增长和能源消耗、废弃物排放的关系进行一个定量化的表达。因此发展的“脱钩”与否，可以作为环境发展和环境政策的重要评估依据，这里采用人均GDP增长率和碳排放变化率来表征经济增长和环境负荷之间的依赖程度[8-12]：
脱钩程度=CO2排放增长率/人均GDP增长率 （8）
以脱钩程度的概念模型式（8）为基础，可以将经济增长和环境负荷之间的不同关系表征如下：脱钩程度>1，说明CO2增长速度大于经济增长速度，CO2排放量增加显著，经济增长直接依赖于资源能源的消耗，处于发展的未脱钩阶段；脱钩程度≤1，说明CO2增长速度小于或与经济增长速度保持一致，经济增长并不是完全来源于资源消耗，经济增长与能源资源消耗处于脱钩阶段。
1.2.3情景的设置依据
依据关系式（7）中关于城市碳排放变化情况的关系，结合“脱钩”概念模型可以得到以下3点结论，作为城市未来低碳发展情景设置的基本依据：
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）>1，Ct>C0；表明未来第t年的碳排放总量大于基期，环境负荷增加，人口增长和经济发展导致的碳排放量的增加程度大于能源技术进步和结构调整所带来的碳排放量的下降，按照脱钩理论的思想，该情况下未能实现碳排放的脱钩；
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）=1，Ct=C0；表明未来第t年的碳排放总量与基期相等，人口增长、经济发展和能源技术进步、结构调整所带来的碳排放的增减量正好抵消，即保障了经济社会增长的同时，没有造成碳排放的增加，实现了碳排放的脱钩；
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）<1，Ct 2济源市低碳发展的情景分析
济源市位于河南省西北部，是沟通晋豫两省的重要交通枢纽，煤、铁、铜等矿产资源丰富，其中已探明的煤炭储量达2.85亿t。受资源禀赋和发展定位等因素的影响，经济增长主要依靠第二产业拉动，多年发展形成了以能源化工、机械制造、黑色金属冶炼、有色金属冶炼以及新型建材等行业为主体的工业体系，2012年底三产结构比重为4.5∶75.6∶19.9，是典型的工业主导型城市，产业结构不尽合理。终端能源消费中工业部门占了绝对比重，产业发展对煤炭类资源能源依赖度很高，2012年末，煤炭、石油、天然气消费在一次能源消费中占比分别为85%、1%，7%。工业部门中钢铁、铅锌冶炼以及水泥行业碳排放最多，受重化工业发展的影响，成为中原经济区重要的能源基地和原材料基地，济源市的产业结构特征和能源结构特征决定了其未来低碳转型面临着较大的挑战[13]。
2.1情景构建
情景分析的边界为济源市的行政区划边界，主要涉及到城市的能源需求和产业发展等方面，采用的数据来源于历年的《河南省统计年鉴》、《济源市统计年鉴》、济源市能源平衡表和各有关单位部门的基础能源统计资料等[14-16]。研究选择2010年为基期，2015年、2020年、2025年和2030年为目标期，由于在这些时间点上的相关规划资料较为完整，对于情景分析参数设置具有一定的指导意义。参考国家能源需求和碳排放发展的背景、前提和要求，同时结合河南省和济源市对于低碳建设发展的相关政策法规、规划实施条件，以及对未来能源需求和碳排放可能出现的情况做出假设，依据IPAT模型设置了城市未来发展的3种情景：
（1）基准情景（Business as Usual，BaU）：按照城市近年来惯有的经济增长速度、人口发展规模、城镇化和工业化的进程，以及资源消耗和能源需求的现状，以经济增长作为最主要的驱动因素，不采取任何应对气候变化的对策和措施，保持惯性发展带来的能源需求和碳排放水平的情景。结合城市的未来发展定位和目标，显示该情景下城市的资源能源保障和生态环境影响。一般说来，基准情景是能源需求和碳排放水平最高的情景。
（2）低碳情景（Low Carbon，LC）：在基准情景的基础上，考虑城市当前的节能减排、针对气候变化的相关政策法规、行动计划及干预措施等，采取能源结构优化和提高能效的技术手段，一方面保证经济社会发展目标的实现，另一方面落实现有的节能减排政策措施并延续下去，其目标在于实现城市经济、社会和环境的可持续发展，是未来有可能发生的能源需求与碳排放的情景。通过制定和严格实施应对气候变化的政策，并将其有所延续，促进低碳技术进步，人们的生活方式和消费模式也有一定程度上的改善，这种情景下的未来可能的发展模式定义为低碳情景。
（3）强化低碳情景（Enhanced Low Carbon，ELC）：在低碳情景的基础上，综合考虑国际成熟经验和国内城市的减排愿景，经济增长模式有所改变，人们的消费理念发生变化，更加重视低碳生活的自觉行为，低碳技术发展成熟，主要耗能行业减排成本大幅下降，能源结构更加优化，能耗需求控制更严格和稳定，各项政策措施行动计划的规范性和执行力更强。在强化低碳情景下，采用了能源需求控制和能源结构优化的技术手段措施，济源市碳排放总量到2020年前基本稳定，并在2020年达到峰值，之后实现总量的下降，达到经济增长与碳排放的脱钩状态。 2.2参数设置
对济源市在基准情景（BaU）、低碳情景（LC）和强化低碳情景（ELC）下的人口、人均GDP、能源强度和能源结构等参数进行预测，各参数的变化情况分别用α、β、γ和δ来表征（表1），并得到各参数的实际变量值（表2）。对各参数在不同情景下的趋势预测分别依据：
（1）人口参数。综合考虑政策因素和社会经济发展对人口增长的影响，以及在一定技术水平下，资源环境承载力对人口规模的制约，参考人口历史自然增长率和相关规划，确定预测期内户籍人口自然增长率，鉴于济源市建设产业集聚区、引进高等院校和中心城社区建设等，结合现有规划及已有预测研究结果，确定人口机械增长率和常住人口综合增长率，经综合分析后得到年末常住人口数量预测。具体说来，预计2012-2015年人口机械增长率为15‰，2015-2030人口机械增长率为11‰，2011-2015年常住人口综合增长率为21‰，2015-2030年常住人口综合增长率为17‰，综合分析后得到年末常住人口数量预测。
（2）经济参数。经济增长情况对于能源需求和碳排放影响重大，本文对济源市未来GDP增长和产业结构的预测，主要依据国内外的发展经验和城市对于自身经济增长的规划设计，综合考虑其资源禀赋特征和产业定位特点，以及未来可能实现的经济增长速度规模和产业结构分布特征来设置，这里采用实际GDP并以2010年作为判断基准。具体说来，对于中国经济增速的判断，一般认为在2040年前后将完成工业化进程，根据国际同类型发展阶段城市的历史规律，经济增长在未来20年内仍将保持较高的速度，即到2020年国内生产总值比2010年翻一番，在2030年之前仍保持工业化阶段较快的经济增长，表现出工业生产拉动GDP增长的趋势。因此预计基准情景下“十二五”期间GDP年均增速将达到14%左右，到2030年以前经济增速保持在12%的速度；低碳情景下2010-2020年间GDP将保持8.38%的增长速度，2020-2030年间将会降低至7.11%；强化低碳情景下参考国内资源型城市低碳发展的经济增速和既定目标要求，将2010-2020年间GDP将保持5.5%的增长速度，2020-2030年间将会降低至4.5%。
（3）能源消耗参数。能耗强度和碳排放强度指标是国民经济和社会发展的约束性指标，对于能源消耗的相关参数进行预测时，主要考虑未来城市能源强度的可能发展预期，结合国家《“十二五”控制温室气体排放工作方案》对于河南省的能耗下降目标和《济源低碳试点城市实施方案》中对济源市能耗强度下降的量化目标综合设置。
由表2可见，与2012年年末常住人口数量相比，到2030年年末预计将新增28万人，是2012年人口数量的1.4倍，若其他影响因素不变，仅人口数量的增加也将导致城市能源需求量和碳排放的增长。关于城市人口增加导致碳排放更大增长的研究已经有很多，一般认为人口规模对于城市碳排放而言是主要的影响因素，人口作为城市最主要的生产者和消费者，数量与碳排放呈较强的正相关关系，伴随着人口向城市集中，碳排放量也将有所增长。
经济发展表现出持续增长的态势，“十一五”时期GDP的年均增速达到14.8%，人均GDP比“十五”末翻了一番以上。基准情景下假设经济增长保持惯性发展的趋势，地区发展GDP仍然主要依靠第二产业拉动，未来城市投资、消费以及资源产品的输入输出仍将保持一定的增长规模和速度，再加上产业发展定位为制造业、加工业等重工业行业，因此综合考虑济源市和河南省的经济发展相关规划，以及已有研究对于其未来经济发展速度进行判断；低碳情景和强化低碳情景下主要集中在第二产业占比较大的产业结构调整，低碳情景下经济增速较基准情景有一定下降，强化低碳情景下假设对第二产业的发展实行非常严格的管制措施，主动淘汰能耗高、排放大的行业，经济增长主要依靠第三产业完成，因此可以预见的是，减排措施必然会影响到城市的经济增速，但从长远来看，对于城市整体的产业结构优化，技术水平提高，以及资源环境社会的协调发展是有益的。
对于能源消耗的相关参数进行预测时，主要考虑未来城市能源强度的可能发展预期，“十一五”期间济源市单位GDP能耗由2.64 tce/万元降低到2.03 tce/万元，能耗强度仍高于河南省平均水平。基准情景下仅考虑按照以往惯性发展所带来的影响，参照同类型城市对于能耗强度下降的相关预测和规划来设置参数；低碳情景的设定较基准情景更严格，主要是依据济源市目前的能源相关规划及低碳行动计划，通过发展非化石能源，风力发电、垃圾焚烧发电和太阳能光伏发电等新能源示范工程实现能源结构调整，2015年单位GDP能耗比2010年降低17%，按照2005年价格计算将下降到1.69 tce/万元，2020年单位GDP能耗比2010年降低30%，比2015年降13%，达到1.42 tce/万元；强化低碳情景相较于低碳情景的能耗强度下降幅度更大，就预测结果来看，2020年达到排放拐点时的能耗强度约为1.36 tce/万元，届时碳排放强度将达到3.32 t/万元。
3结果分析
3.1能源需求总量
能源需求总量在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下，到2030年之前均处于持续增长的态势，其中，基准情景下需求总量最大，低碳情景下总量和增长幅度都要小于基准情景且增速逐渐放缓，强化低碳情景下能源需求总量和增速较低碳情景更小。究其原因，主要是因为济源市未来仍处在经济增长期，不论是城镇化的进一步加速，还是中原经济区能源基地的产业定位，必然刺激能源需求量的供给（图2）。通过预测可见，基准情景下能源需求总量平稳增长，这主要是因为对于该情景下的经济社会等驱动因素设置为惯性增长所致；低碳情景和强化低碳情景下能源需求总量的增速变化较大，主要是由于对经济增速的设定有所放缓，同时考虑到技术进步和低碳措施手段的强化执行，尤其是能源消费结构的变化，以及清洁能源在一次能源使用中的占比调整，促使能源需求总量受到限制。 3.2人均能源消费量
人均能源消费量是从消费角度来衡量城市能源消耗量的，通过城市间的横向比较，或者与国家平均水平进行比较，从而反映出是否达到低碳城市的要求。通过对济源市的人均能源消费量情景分析可见，基准情景下，人均能源消费量保持上升的趋势，但在2015年后增速略小于前面几年的增速，较为稳定；低碳情景下在未来几年仍保持增长，到2020年前后出现拐点开始下降；强化低碳情景较低碳情景下降的更多且速度也更快。尽管在人均能源消费量最小的强化低碳情景下，济源市到2020年的人均能源消费量约为11.91 tce/人，仍高于国际国内一些城市对于未来人均能源消费量的预测，但是考虑到其自身的资源禀赋、产业结构以及发展定位等问题，要想实现这个目标仍是具有一定挑战的。
3.3碳排放强度
碳排放强度即表征单位GDP的碳排放量，能源种类不同则碳排放强度差异很大，同时又与能源消费量直接相关，反映了技术水平、能源生产利用效率等，取决于城市的经济发展、行业水平和产业结构等因素的综合作用。就情景分析的结果而言，预测碳排放强度在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下均表现为逐年下降的趋势，碳排放强度的下降将直接影响城市碳排放的总量，同时也是未来城市低碳发展的着力点所在。根据表3中预测结果可见，强化低碳情景下碳排放年均下降率最快，数值最小，三种情景下2030年的碳排放强度与2015年相比，分别下降了58%、74%和82%。
3.4减排潜力研究
对城市在未来的社会经济、产业结构、全社会能源需求和碳排放情况进行情景模拟，定量化地给出不同情景下的可能发展路径，与基准情景相比较，低碳情景和强化低碳情景下可能的减排潜力情况如图4。以2020年减排潜力为例，与基准情景相比，低碳情景下还有可能减少排放CO2约741万t，强化低碳情景下约可减排1 790万t，可见在严格的应对气候变化和低碳发展的政策措施及行动计
划下，城市碳排放仍具有较大的减排空间。
就低碳情景和强化低碳情景下碳排放状况与基准情景的比较可见，低碳情景和强化低碳情景下碳排放总量的减少是比较明显的，在2015、2020、2025和2030年，低碳情景下分别可以减排CO2排放为218万t、741万t、1 325万t和2 147万t，相比基准情景下的排放量分别减少了7.15%、17.44%、26.48%和36.95%；强化低碳情景下由于采取了更加严格的减排措施手段，CO2排放总量更大且下降的速度也更快，与基准情景相比，总排放量未来年期分别可以减少729万t、1 790万t、2 514万t和3 599万t，下降率为23.9%、42.14%、50.25%和61.93%（图5）。
4结论与对策
济源市经济增长很大程度上依赖于第二产业的带动，经历了作为产品输出和能源基地的建设发展过程，在长期经济增长累积的背景下，存在资源承载和环境负荷的巨大压力，积累了许多环境保护的矛盾，经济发展依赖资源，产业结构单一，经济效益低下等问题逐渐暴露，加上资源环境和碳排放的条件约束，决定了其低碳发展存在着一定的现实困难。工业化和城镇化的快速推进中，城市建设和人口消费的刚性需求造成碳排放的增长，也是无法回避的问题，尽管在低碳技术方面已经有了一定的基础，但是依靠技术减排和结构减排通常需要较长的周期，且重点工业行业单位能耗较高的现状仍然存在。在对济源市能源需求和碳排放预测的基础上，最后提出几点对策和建议：
（1）对于济源市这类以工业行业为主导的城市而言，产业结构调整重点在对传统产业格局的升级改造上，对于高碳排放的传统产业进行转型，引导形成产业集聚区内的循环产业链。结合国家培育和发展战略性新兴产业的大
背景，规划引导和政策支持培育符合城市发展特点的战略性新兴产业，形成高效节能环保的装备和产品。特别是鼓励发展高附加值的新兴产业，将知识技术密集型的产业作为新的经济增长点，逐步降低高碳排放产业在国民经济体系中的占比。
（2）根据国家发布的产业淘汰目录，制定淘汰落后产能方案，逐步淘汰落后产能、生产设备和工艺，重点在运行效率低、单位耗能高、碳排放强度大、不符合国家产业政策准入标准的工业企业。完善淘汰机制，引导落后产能企业与新兴产业和特色产业接轨。比如说，济源市的行业特点，可以探索“钢铁—深加工—废弃物综合利用”、“铅锌冶炼—精深加工—废物综合利用—再生铅回收”、“煤炭—焦炭—副产及废弃物综合利用”等循环产业链技术。
（3）调整优化能源消费结构，控制能源消费总量，推进重点领域行业的低碳发展。在生产领域积极推广风能、太阳能、生物质能、地热能、天然气等清洁能源的合理利用，最大限度地减少煤炭、石油等化石燃料的使用，推进行业减排加强行业指导、技术进步和监督管理，比如说水泥、化工、有色金属等行业重点在SO2和氮氧化物的治理和低氮燃烧技术改造。
（编辑：李琪）
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1情景分析的方法学介绍
1.1基本框架
情景分析法在能源资源环境战略规划、政策分析以及决策管理支持等领域应用广泛，其实质是构建了一套中长期战略预测的框架，基于现实情况或可预见到的未来发展趋势，预测未来情形和发展过程的一系列方案。基于情景分析法在能源需求、城市发展规划以及生态环境系统变化等领域的研究应用，比较多的做法是通过预测经济增长、政策执行以及技术升级等参数变化导致的未来不同情景，从而模拟分析各个情景下有区别的能源需求和低碳发展趋势路径。应用情景分析法的优势在于提供了多种可能的发展预测结果，尤其在进行中长期的战略规划预测时面对的不确定性较大，使政策制定者或管理者有效避免过高或过低的决策，从而选择正面因素最大而负面因素最小的发展方向和路径。本文在预测低碳城市未来发展的能源需求和碳排放时，综合应用情景分析和计量分析的方法，基于IPAT模型构建适用于研究对象的分析框架，有效结合了定量分析和定性分析的特点。以相对易于把握的经济增长、能源需求与碳排放约束目标为基础，预测案例城市可能的低碳发展路径，通过对比现状与预测值寻找城市低碳发展的潜力所在，从而提供政策建议、决策参考与行动计划。
1.2.1IPAT理论模型
20世纪70年代美国生态学家埃里奇（Ehrlich）提出了表征经济发展对环境影响的IPAT关系式，用人口（P）、富裕度（A）和技术水平（T）3个因素来反映环境受到的影响，其关系式用这3个因素表达为[1]：
I=P×A×T（1）
若将该关系式（1）中I看作碳排放对环境的影响，那么整个关系式就是关于碳排放的IPAT方程，在这里碳排放受到人口、经济增长和技术水平的综合作用。本文以碳排放的IPAT模型为基础，引入“脱钩”的概念，分析经济增长、能源需求和碳排放之间的关系，I表示碳排放的环境负荷，P表示人口总量，A用人均GDP来表征，T为单位GDP的碳排放量，即碳排放强度[5-7]。
将关系式（1）进行分解，关于碳排放的IPAT模型可以表达为关系式（2）的变化形式。式中，Ct表示t期城市的碳排放总量，Pt表示t期年末总人口数，At表示t期人均GDP水平，E表示能源消费总量，（E/GDP）t表征的是t期能源强度，∑ni=1Ei/E表示第i类能源占能源消费总量的比例即能源结构，Ki是第i类能源的碳排放系数。
Ct=Pt×At×（E/GDP）t×（∑ni=1Ei/E）×Ki（2）
将t期与基期城市的碳排放负荷情况相比，假设人口年增长率是α，人均GDP年均增长率为β，能耗强度下降比率为γ，代表能源技术进步程度，用δ表征能源结构的变化率。此外，能源的碳排放系数Ki是一个相对稳定的常数，除非有重大技术变革发生，否则一般不会发生变化[1]。模型的t期与基期各因素关系如下： Pt=P0×（1+α）（3）
At=A0×（1+β）（4）
（E/GDP）t=（E/GDP）0×（1-γ）（5）
∑ni=1Ei/E=∑ni=1Ei/E×（1-δ）（6）
因此，城市t期与基期碳排放负荷的变化情况就可以表述为：
Ct=C0×[（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）]t（7）
1.2.2“脱钩”概念模型
按照环境库兹涅茨曲线假说（EKC）的理论，经济增长的过程伴随着资源消耗和环境影响负荷，在经济增长的同时，与之相关的资源消耗、环境负荷的发展状态，可以用“脱钩”理论进行测度，即对经济增长和能源消耗、废弃物排放的关系进行一个定量化的表达。因此发展的“脱钩”与否，可以作为环境发展和环境政策的重要评估依据，这里采用人均GDP增长率和碳排放变化率来表征经济增长和环境负荷之间的依赖程度[8-12]：
脱钩程度=CO2排放增长率/人均GDP增长率 （8）
以脱钩程度的概念模型式（8）为基础，可以将经济增长和环境负荷之间的不同关系表征如下：脱钩程度>1，说明CO2增长速度大于经济增长速度，CO2排放量增加显著，经济增长直接依赖于资源能源的消耗，处于发展的未脱钩阶段；脱钩程度≤1，说明CO2增长速度小于或与经济增长速度保持一致，经济增长并不是完全来源于资源消耗，经济增长与能源资源消耗处于脱钩阶段。
1.2.3情景的设置依据
依据关系式（7）中关于城市碳排放变化情况的关系，结合“脱钩”概念模型可以得到以下3点结论，作为城市未来低碳发展情景设置的基本依据：
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）>1，Ct>C0；表明未来第t年的碳排放总量大于基期，环境负荷增加，人口增长和经济发展导致的碳排放量的增加程度大于能源技术进步和结构调整所带来的碳排放量的下降，按照脱钩理论的思想，该情况下未能实现碳排放的脱钩；
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）=1，Ct=C0；表明未来第t年的碳排放总量与基期相等，人口增长、经济发展和能源技术进步、结构调整所带来的碳排放的增减量正好抵消，即保障了经济社会增长的同时，没有造成碳排放的增加，实现了碳排放的脱钩；
（1+α）×（1+β）×（1-γ）×（1-δ）<1，Ct
济源市位于河南省西北部，是沟通晋豫两省的重要交通枢纽，煤、铁、铜等矿产资源丰富，其中已探明的煤炭储量达2.85亿t。受资源禀赋和发展定位等因素的影响，经济增长主要依靠第二产业拉动，多年发展形成了以能源化工、机械制造、黑色金属冶炼、有色金属冶炼以及新型建材等行业为主体的工业体系，2012年底三产结构比重为4.5∶75.6∶19.9，是典型的工业主导型城市，产业结构不尽合理。终端能源消费中工业部门占了绝对比重，产业发展对煤炭类资源能源依赖度很高，2012年末，煤炭、石油、天然气消费在一次能源消费中占比分别为85%、1%，7%。工业部门中钢铁、铅锌冶炼以及水泥行业碳排放最多，受重化工业发展的影响，成为中原经济区重要的能源基地和原材料基地，济源市的产业结构特征和能源结构特征决定了其未来低碳转型面临着较大的挑战[13]。
2.1情景构建
情景分析的边界为济源市的行政区划边界，主要涉及到城市的能源需求和产业发展等方面，采用的数据来源于历年的《河南省统计年鉴》、《济源市统计年鉴》、济源市能源平衡表和各有关单位部门的基础能源统计资料等[14-16]。研究选择2010年为基期，2015年、2020年、2025年和2030年为目标期，由于在这些时间点上的相关规划资料较为完整，对于情景分析参数设置具有一定的指导意义。参考国家能源需求和碳排放发展的背景、前提和要求，同时结合河南省和济源市对于低碳建设发展的相关政策法规、规划实施条件，以及对未来能源需求和碳排放可能出现的情况做出假设，依据IPAT模型设置了城市未来发展的3种情景：
（1）基准情景（Business as Usual，BaU）：按照城市近年来惯有的经济增长速度、人口发展规模、城镇化和工业化的进程，以及资源消耗和能源需求的现状，以经济增长作为最主要的驱动因素，不采取任何应对气候变化的对策和措施，保持惯性发展带来的能源需求和碳排放水平的情景。结合城市的未来发展定位和目标，显示该情景下城市的资源能源保障和生态环境影响。一般说来，基准情景是能源需求和碳排放水平最高的情景。
（2）低碳情景（Low Carbon，LC）：在基准情景的基础上，考虑城市当前的节能减排、针对气候变化的相关政策法规、行动计划及干预措施等，采取能源结构优化和提高能效的技术手段，一方面保证经济社会发展目标的实现，另一方面落实现有的节能减排政策措施并延续下去，其目标在于实现城市经济、社会和环境的可持续发展，是未来有可能发生的能源需求与碳排放的情景。通过制定和严格实施应对气候变化的政策，并将其有所延续，促进低碳技术进步，人们的生活方式和消费模式也有一定程度上的改善，这种情景下的未来可能的发展模式定义为低碳情景。
（3）强化低碳情景（Enhanced Low Carbon，ELC）：在低碳情景的基础上，综合考虑国际成熟经验和国内城市的减排愿景，经济增长模式有所改变，人们的消费理念发生变化，更加重视低碳生活的自觉行为，低碳技术发展成熟，主要耗能行业减排成本大幅下降，能源结构更加优化，能耗需求控制更严格和稳定，各项政策措施行动计划的规范性和执行力更强。在强化低碳情景下，采用了能源需求控制和能源结构优化的技术手段措施，济源市碳排放总量到2020年前基本稳定，并在2020年达到峰值，之后实现总量的下降，达到经济增长与碳排放的脱钩状态。 2.2参数设置
对济源市在基准情景（BaU）、低碳情景（LC）和强化低碳情景（ELC）下的人口、人均GDP、能源强度和能源结构等参数进行预测，各参数的变化情况分别用α、β、γ和δ来表征（表1），并得到各参数的实际变量值（表2）。对各参数在不同情景下的趋势预测分别依据：
（1）人口参数。综合考虑政策因素和社会经济发展对人口增长的影响，以及在一定技术水平下，资源环境承载力对人口规模的制约，参考人口历史自然增长率和相关规划，确定预测期内户籍人口自然增长率，鉴于济源市建设产业集聚区、引进高等院校和中心城社区建设等，结合现有规划及已有预测研究结果，确定人口机械增长率和常住人口综合增长率，经综合分析后得到年末常住人口数量预测。具体说来，预计2012-2015年人口机械增长率为15‰，2015-2030人口机械增长率为11‰，2011-2015年常住人口综合增长率为21‰，2015-2030年常住人口综合增长率为17‰，综合分析后得到年末常住人口数量预测。
（2）经济参数。经济增长情况对于能源需求和碳排放影响重大，本文对济源市未来GDP增长和产业结构的预测，主要依据国内外的发展经验和城市对于自身经济增长的规划设计，综合考虑其资源禀赋特征和产业定位特点，以及未来可能实现的经济增长速度规模和产业结构分布特征来设置，这里采用实际GDP并以2010年作为判断基准。具体说来，对于中国经济增速的判断，一般认为在2040年前后将完成工业化进程，根据国际同类型发展阶段城市的历史规律，经济增长在未来20年内仍将保持较高的速度，即到2020年国内生产总值比2010年翻一番，在2030年之前仍保持工业化阶段较快的经济增长，表现出工业生产拉动GDP增长的趋势。因此预计基准情景下“十二五”期间GDP年均增速将达到14%左右，到2030年以前经济增速保持在12%的速度；低碳情景下2010-2020年间GDP将保持8.38%的增长速度，2020-2030年间将会降低至7.11%；强化低碳情景下参考国内资源型城市低碳发展的经济增速和既定目标要求，将2010-2020年间GDP将保持5.5%的增长速度，2020-2030年间将会降低至4.5%。
（3）能源消耗参数。能耗强度和碳排放强度指标是国民经济和社会发展的约束性指标，对于能源消耗的相关参数进行预测时，主要考虑未来城市能源强度的可能发展预期，结合国家《“十二五”控制温室气体排放工作方案》对于河南省的能耗下降目标和《济源低碳试点城市实施方案》中对济源市能耗强度下降的量化目标综合设置。
由表2可见，与2012年年末常住人口数量相比，到2030年年末预计将新增28万人，是2012年人口数量的1.4倍，若其他影响因素不变，仅人口数量的增加也将导致城市能源需求量和碳排放的增长。关于城市人口增加导致碳排放更大增长的研究已经有很多，一般认为人口规模对于城市碳排放而言是主要的影响因素，人口作为城市最主要的生产者和消费者，数量与碳排放呈较强的正相关关系，伴随着人口向城市集中，碳排放量也将有所增长。
经济发展表现出持续增长的态势，“十一五”时期GDP的年均增速达到14.8%，人均GDP比“十五”末翻了一番以上。基准情景下假设经济增长保持惯性发展的趋势，地区发展GDP仍然主要依靠第二产业拉动，未来城市投资、消费以及资源产品的输入输出仍将保持一定的增长规模和速度，再加上产业发展定位为制造业、加工业等重工业行业，因此综合考虑济源市和河南省的经济发展相关规划，以及已有研究对于其未来经济发展速度进行判断；低碳情景和强化低碳情景下主要集中在第二产业占比较大的产业结构调整，低碳情景下经济增速较基准情景有一定下降，强化低碳情景下假设对第二产业的发展实行非常严格的管制措施，主动淘汰能耗高、排放大的行业，经济增长主要依靠第三产业完成，因此可以预见的是，减排措施必然会影响到城市的经济增速，但从长远来看，对于城市整体的产业结构优化，技术水平提高，以及资源环境社会的协调发展是有益的。
对于能源消耗的相关参数进行预测时，主要考虑未来城市能源强度的可能发展预期，“十一五”期间济源市单位GDP能耗由2.64 tce/万元降低到2.03 tce/万元，能耗强度仍高于河南省平均水平。基准情景下仅考虑按照以往惯性发展所带来的影响，参照同类型城市对于能耗强度下降的相关预测和规划来设置参数；低碳情景的设定较基准情景更严格，主要是依据济源市目前的能源相关规划及低碳行动计划，通过发展非化石能源，风力发电、垃圾焚烧发电和太阳能光伏发电等新能源示范工程实现能源结构调整，2015年单位GDP能耗比2010年降低17%，按照2005年价格计算将下降到1.69 tce/万元，2020年单位GDP能耗比2010年降低30%，比2015年降13%，达到1.42 tce/万元；强化低碳情景相较于低碳情景的能耗强度下降幅度更大，就预测结果来看，2020年达到排放拐点时的能耗强度约为1.36 tce/万元，届时碳排放强度将达到3.32 t/万元。
3结果分析
3.1能源需求总量
能源需求总量在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下，到2030年之前均处于持续增长的态势，其中，基准情景下需求总量最大，低碳情景下总量和增长幅度都要小于基准情景且增速逐渐放缓，强化低碳情景下能源需求总量和增速较低碳情景更小。究其原因，主要是因为济源市未来仍处在经济增长期，不论是城镇化的进一步加速，还是中原经济区能源基地的产业定位，必然刺激能源需求量的供给（图2）。通过预测可见，基准情景下能源需求总量平稳增长，这主要是因为对于该情景下的经济社会等驱动因素设置为惯性增长所致；低碳情景和强化低碳情景下能源需求总量的增速变化较大，主要是由于对经济增速的设定有所放缓，同时考虑到技术进步和低碳措施手段的强化执行，尤其是能源消费结构的变化，以及清洁能源在一次能源使用中的占比调整，促使能源需求总量受到限制。 3.2人均能源消费量
人均能源消费量是从消费角度来衡量城市能源消耗量的，通过城市间的横向比较，或者与国家平均水平进行比较，从而反映出是否达到低碳城市的要求。通过对济源市的人均能源消费量情景分析可见，基准情景下，人均能源消费量保持上升的趋势，但在2015年后增速略小于前面几年的增速，较为稳定；低碳情景下在未来几年仍保持增长，到2020年前后出现拐点开始下降；强化低碳情景较低碳情景下降的更多且速度也更快。尽管在人均能源消费量最小的强化低碳情景下，济源市到2020年的人均能源消费量约为11.91 tce/人，仍高于国际国内一些城市对于未来人均能源消费量的预测，但是考虑到其自身的资源禀赋、产业结构以及发展定位等问题，要想实现这个目标仍是具有一定挑战的。
3.3碳排放强度
碳排放强度即表征单位GDP的碳排放量，能源种类不同则碳排放强度差异很大，同时又与能源消费量直接相关，反映了技术水平、能源生产利用效率等，取决于城市的经济发展、行业水平和产业结构等因素的综合作用。就情景分析的结果而言，预测碳排放强度在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下均表现为逐年下降的趋势，碳排放强度的下降将直接影响城市碳排放的总量，同时也是未来城市低碳发展的着力点所在。根据表3中预测结果可见，强化低碳情景下碳排放年均下降率最快，数值最小，三种情景下2030年的碳排放强度与2015年相比，分别下降了58%、74%和82%。
3.4减排潜力研究
对城市在未来的社会经济、产业结构、全社会能源需求和碳排放情况进行情景模拟，定量化地给出不同情景下的可能发展路径，与基准情景相比较，低碳情景和强化低碳情景下可能的减排潜力情况如图4。以2020年减排潜力为例，与基准情景相比，低碳情景下还有可能减少排放CO2约741万t，强化低碳情景下约可减排1 790万t，可见在严格的应对气候变化和低碳发展的政策措施及行动计
划下，城市碳排放仍具有较大的减排空间。
就低碳情景和强化低碳情景下碳排放状况与基准情景的比较可见，低碳情景和强化低碳情景下碳排放总量的减少是比较明显的，在2015、2020、2025和2030年，低碳情景下分别可以减排CO2排放为218万t、741万t、1 325万t和2 147万t，相比基准情景下的排放量分别减少了7.15%、17.44%、26.48%和36.95%；强化低碳情景下由于采取了更加严格的减排措施手段，CO2排放总量更大且下降的速度也更快，与基准情景相比，总排放量未来年期分别可以减少729万t、1 790万t、2 514万t和3 599万t，下降率为23.9%、42.14%、50.25%和61.93%（图5）。
4结论与对策
济源市经济增长很大程度上依赖于第二产业的带动，经历了作为产品输出和能源基地的建设发展过程，在长期经济增长累积的背景下，存在资源承载和环境负荷的巨大压力，积累了许多环境保护的矛盾，经济发展依赖资源，产业结构单一，经济效益低下等问题逐渐暴露，加上资源环境和碳排放的条件约束，决定了其低碳发展存在着一定的现实困难。工业化和城镇化的快速推进中，城市建设和人口消费的刚性需求造成碳排放的增长，也是无法回避的问题，尽管在低碳技术方面已经有了一定的基础，但是依靠技术减排和结构减排通常需要较长的周期，且重点工业行业单位能耗较高的现状仍然存在。在对济源市能源需求和碳排放预测的基础上，最后提出几点对策和建议：
（1）对于济源市这类以工业行业为主导的城市而言，产业结构调整重点在对传统产业格局的升级改造上，对于高碳排放的传统产业进行转型，引导形成产业集聚区内的循环产业链。结合国家培育和发展战略性新兴产业的大
背景，规划引导和政策支持培育符合城市发展特点的战略性新兴产业，形成高效节能环保的装备和产品。特别是鼓励发展高附加值的新兴产业，将知识技术密集型的产业作为新的经济增长点，逐步降低高碳排放产业在国民经济体系中的占比。
（2）根据国家发布的产业淘汰目录，制定淘汰落后产能方案，逐步淘汰落后产能、生产设备和工艺，重点在运行效率低、单位耗能高、碳排放强度大、不符合国家产业政策准入标准的工业企业。完善淘汰机制，引导落后产能企业与新兴产业和特色产业接轨。比如说，济源市的行业特点，可以探索“钢铁—深加工—废弃物综合利用”、“铅锌冶炼—精深加工—废物综合利用—再生铅回收”、“煤炭—焦炭—副产及废弃物综合利用”等循环产业链技术。
（3）调整优化能源消费结构，控制能源消费总量，推进重点领域行业的低碳发展。在生产领域积极推广风能、太阳能、生物质能、地热能、天然气等清洁能源的合理利用，最大限度地减少煤炭、石油等化石燃料的使用，推进行业减排加强行业指导、技术进步和监督管理，比如说水泥、化工、有色金属等行业重点在SO2和氮氧化物的治理和低氮燃烧技术改造。
（编辑：李琪）
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