经济能源安全耦合模型

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,能源安全耦合模型项目论证,1,能源安全,经济,能源安全,耦合系统模型,量化准则及量化指标体系,1,2,3,经济安全与能源安全,主要内容,4,量化方法,5,应用实例,2,能源安全,1,能源安全的概念及由来,3,2,经济,能源安全耦合系统模型,经济,能源安全耦合系统,在经济,能源安全耦合系统中，各部分的功能与关系如下：,（,1,）经济系统和能源系统是一国经济,社会系统赖以存在和发展的物质基础，其为经济社会发展提供持续不断的自然能源。,4,（,2,）经济,社会系统在发展的同时，通过消耗能源，降低经济系统和能源系统的承载能力。,（,3,）能源系统在经济,社会系统和经济系统之间起到纽带作用。从能源利用的可持续性上能够直接反映出“人与自然”的协调关系。能源的可持续利用必须同经济社会的发展和经济保护相结合。,（,4,）在经济,能源复合系统中，任一个子系统出现问题都会危机到其他子系统的发展，而且问题会通过反馈作用加以放大和扩展，最终导致整个大系统的衰退。,5,经济,能源安全耦合系统关系图,经济系统,经济,社会系统,能源配置系统,能源循环系统,6,2,耦合系统互动关系量化模型,经济,能源安全耦合系统模型建模方法,将经济安全系统模型和能源安全系统模型放在一起，进行耦合计算。,其基本思路是：逐个箱体（计算单元）采用子模型循环迭代，直至误差小于某一预定值，终止迭代。,7,耦合系统动力学模型（,SEWED,）,（,1,）经济社会指标作为因变量的动力学方程,人口：,P,(,初始条件）,（在预定生活水平下（如小康水平、中等发达水平等），对人口的约束）,8,式中，,P,人口总数；,t,时间变量（,t=1,，,2,，,3,，,）；,t,时段出生率；,t,时段死亡率；,t,时段迁入率；,t,时段迁出率；,时刻的人口总数；,生活可利用能源量；,t,时段预定生活水平下的人均最小需水量；,粮食产量；,从外区域调入的粮食总量；,向外区域调出的粮食总量；,t,时段预定生活水平下的人均粮食最低标准；,人口政策约束指标；,人均生活耗能约束指标。,9,工业总产值：,（初始约束）,（能源对工业增长的约束）,式中，,工业总产值；,t,时段工业增长率（减小率为负）；,时刻的工业总产值；,工业可利用能源量；,t,时段工业万元产值利用能源量。,10,农业总产值：,（初始条件）,（能源对农业增长的约束）,式中，,农业总产值；,t,时段农业增长率（减小率为负）；,时刻的农业总产值；,农业可利用能源量；, t,时段农业万元产值利用能源量；,耕地面积；,t,时段单位耕地面积的产值。,11,（,2,）经济社会活动对能源系统影响的中间变量,人口,（能源的消耗）,式中，,第,i,种能源用于人的生活消耗量；,t,时段人均消耗能源量；,能源可再生量（不可再生能源为,0,）；,12,工业,（能源的消耗）,式中，,第,i,种能源用于工业消耗量；,t,时段万元工业产值消耗能源量；,能源可再生量（不可再生能源为,0,）；,13,农业,（能源的消耗）,式中，,第,i,种能源用于农业消耗量；,t,时段万元农业产值消耗能源量；,能源可再生量（不可再生能源为,0,）；,14,综合以上方程式，得到能源消耗总量方程为：,15,（,3,）经济系统模型与能源系统模型的耦合,从以上模型方程可以看出：,（,1,）在经济社会指标作因变量的动力学方程中，自变量含能源、经济指标（如能源利用量等）；,（,2,）在经济社会活动对能源系统影响的中间变量方程中，表达了能源消耗因素。这些中间变量又是能源,经济系统模型的自变量。,16,耦合计算与说明,耦合计算的基本思路：,利用计算机强大的计算功能，从,t,0,时刻开始，采用逐个模型循环迭代计算，直至误差小于某一预定值，终止迭代，完成,t,0+1,时刻计算，得到,t,0+1,时刻状态变量计算结果。再按照同样方法，计算下一时刻结果。直至到目标时刻,t,终止。,17,需要说明的是：, 针对具体区域，选择的主要量化指标各异，需要具体对待，但相应的动力学方程基本形式相似；, 模型参数的获得有多种途径，比如，预先人为确定、其他方程推算、系统识别等；, 微分方程模型的计算有多种途径，一种是针对简单的微分方程，可以采用精确解计算；一种是采用数值方法近似计算。,18,能源模型,19,能源安全量化准则及量化指标体系,能源安全准则,能源安全量化研究需要考虑的基本准则：,可承载。,可持续。,20,1,能源安全量化指标体系,1.1,指标体系的建立原则,要在众多指标中选择那些最灵敏、可度量且内涵丰富的主导性指标作为评价因子，应遵守以下原则：,（,1,）科学性原则；（,2,）完整性原则；（,3,）可操作性原则；（,4,）主导性原则；（,5,）独立性原则；（,6,）动态性原则。,21,1.2,指标体系的筛选方法,指标体系的筛选方法有：,（,1,）频度统计法、理论分析法和专家咨询法筛选指标。,（,2,）主成分分析法和独立性分析法筛选指标。,22,1.3,能源安全指标体系,能源安全的指标体系是一个多层次的复杂结构体系。根据系统结构关系，可将其分为三大类：经济社会指标、能源指标和综合性指标。,23,能源安全指标体系结构框图,24,能源安全的量化方法,基于“社会净福利函数”的量化方法,社会净福利函数，也称为净经济福利。,其计算公式如下：,第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的净福利；,第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的,GDP,；,第,T,个时段选择第,k,个方案时恢复经济,能源系统良性循环所需的支出，其值包括能源系统破坏所造成的经济损失。,25,根据能源安全的概念和基本目标，能源安全应遵循以下准则：效益最大化、可生存、可承载和可持续。其量化方法如下：,（,1,）效益最大化。,效益最大化用,N,时段内净福利最大表示。即：,26,式中：,表示第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的净福利；,T,从现在到未来的一个时段（时段的大小主要依据研究系统的规模、复杂程度以及可预测期的长短而定）。,T,的取值为,1,2,N,；,N,系统可有效预测的最大时段个数（如每,5,年为一个时段，,30,年预测期内,N,=6,）；,k,第,T,个时段的第,k,个方案；,r,第,T,个时段的贴现率。,27,（,2,）可生存。,针对能源安全研究的问题，可生存的量化如下：,（对经济社会系统的要求）,（对能源系统的要求）,28,式中：,第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的人均,GDP,；,满足当前人们最低生活标准所需的人均,GDP,；,第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的生活总需求能源量；,满足人们的生理与生活所需的最小能源需求量；,29,（,3,）可承载。,其量化方法如下：,（能源承载能力）,（环境承载能力）,式中：,能源总需求量；,最大可供能源量；,对应环境承载能力阈值的净福利。,30,（,4,）可持续。,各个子系统安全的量化方法如下：,（经济社会系统）,（能源系统）,31,式中：,第,T,个时段选择第,k,个方案时所对应的人口总数；,第,T,个时段选择第,k,个方案时系统能源总需求量；,第,T,个时段选择第,k,个方案时系统总可供能源量；,能源总需求量与总可供能源量两者之间的匹配调节值；,32,将效益最大化作为能源安全的目标函数，可生存、可承载、可持续作为能源安全的约束条件，便可构造出能源安全的一般数学模型，如下：,目标函数：,约束条件：,（效益最大化）,（可生存）,（可承载）,（可持续）,33,基于“发展综合指标测度”（,DD,）的量化方法,（,1,）“可承载”程度的量化方法,本文采用模糊数学中的隶属度对其进行量化。,假如反映可承载能力的因子有多个。现考察任一指标,e,，其对应的隶属度为,(e),称作单指标（或单因子）,e,可承载隶属度，它是对可承载程度的一种度量。,为了无量纲化以及能使单因子间互相比较，采用下面的指标转换：,对于单因子指标,e,，选定可承载限度,e,0,，当,e,越大，可承载程度也越大时（如人均粮食产量），定义 ；当,e,越大，可承载程度越小时（如能源储量），定义 。,34,对于某单因子在,T,时刻指标 ，描述的可承载程度为 （隶属函数可根据具体情况选定）。那么，由多个因子组成的整个系统的可承载隶属程度描述如下：,式中，,n,1,系统有,n,1,个因子被考虑是否可承载；,LI(T),系统在,T,时段可承载隶属度；,第,i,个因子的指数权重。可根据因子的重要程度给 赋值。,35,（,2,）“有效益”的量化方法,首先要区分两个概念：经济增长和经济发展。经济增长是指一个国家或地区人均生产或人均收入的增加，是一个偏重于数量的概念。经济发展是一个既包括数量又包括质量提高的概念，即常说的发展的概念。,36,经济增长指标,EG(T),取经济学指标（如，国民生产总值、工农业总产值、人均国民生产总值等）,SP,，设初始年,SP,值为基准值,SP,0,。为了使数据无量纲化，可以将指标进行初始化，即令 。,用下面的隶属函数（也可据具体情况另选）来量化表示经济增长指标：,式中， 为待定系数。关于系数 的说明可参见有关文献（左其亭、陈曦，,2003,）。,37,经济发展指标,发展综合指标测度,DD(T),发展综合指标测度,DD(T),的量化方法为：,式中， 是分别给定的经济增长,EG(T),、可承载,LI(T),的指数权重。可根据其重要程度给 赋值。,38,能源安全的目标函数,效益最大,(BTI),令,BTI=,，称,BTI,为目标函数值。能源安全要求发展给人类带来尽可能大的效益，可以用目标函数值最大来衡量。即：,Max(BTI)=,39,（,3,）“可持续”准则的量化及能源安全态势的判定,对于发展综合指标测度,DD(T),，“可持续”定义为：,DD(T)DD(T-1),令 （如果,T=1,，约定,x=1,）。,按照可持续定义，给出,T,时段相对,T-1,时段发展持续提高的隶属函数（也可据具体情况另选），如下式,：,40,定义全时段发展相对可持续性的隶属度（简称态势隶属度）为：,SDDT=,式中，,N,整个时段个数（如,N,年）；,N,0,是选定的常数（如,5,，,10,，,，,N,）。,依据实际资料作出发展综合指标测度,DD(T),曲线图。根据该图就可以判定发展是不是能源安全，发展的态势如何，以及研究区的发展水平，进而优选能源安全途径。,41,能源安全判别曲线示意图,DD(T),1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,1,2,3,T,1,T,42,能源安全优化模型,目标函数,要求表征发展的目标函数,BTI,值达到最大。即，在某一特定的时段，在满足一定条件下，使,N,个时段的总效益达到最大（即,BTI,最大）。于是，有目标函数：,Max(BT1)=,43,约束条件,约束条件包括：, 可承载； 可持续； 经济,社会,水能源,生态耦合系统结构关系约束； 其他约束条件,44,模型求解方法,能源安全优化模型是一个十分复杂的多阶段非线性优化模型。针对这样一种复杂的优化模型，现阶段比较常用的求解方法包括：,数值解技术,和,计算机模拟技术,。,45,13.5.1,博斯腾湖流域水资源管理面临的挑战,13.5,应用实例,在博斯腾湖及其流域水资源管理过程中，有以下几点疑问需要回答。,应该如何合理控制开都河农田引水量？,地下水开采量应控制在什么样标准为宜呢？,如何控制宝浪苏木东、西支分水比？,如何控制大湖水位为最佳？,如何控制博斯腾湖大湖泵站的抽水量既满足大湖水体“抽盐补淡，淡化水体”的需要，又满足向孔雀河输水和经济发展的要求？,46,13.5.2,量化指标的选取与定量描述方法,选取的指标包括：,人口总数（属于“社会”指标）。,工农业总产值（属于“经济”指标）。,粮食总产量（侧面反映“土地资源”、“水资源”指标）。,博斯腾湖水体矿化度（属于“水环境”指标）。,芦苇总生产量（属于“生态环境”指标）。,（农业、工业、生活用水）水资源分配量。,47,13.5.3,博斯腾湖流域,1986,1997,年指标量化结果及可持续发展态势判别,根据博斯腾湖流域,1986,1997,年社会、经济、资源、环境有关指标，按照上面介绍的量化方法和计算公式，来定量描述量化指标，判定该流域的可持续发展态势。计算的量化值曲线如下图所示，目标函数值,BTI=0.523,，态势隶属度,SDDT=0.613,。,48,博斯腾湖流域可承载隶属度,LI(T),变化曲线图,49,博斯腾湖流域经济增长指标,EG(T),变化曲线图,50,博斯腾湖流域发展测度,DD(T),变化曲线图,51,13.5.4,博斯腾湖流域可持续水资源管理优化模型,13.5.4.1,目标函数,目标函数采用下式：,Max(BTI)=,(13.5.1),52,13.5.4.2,约束条件, 可承载,LI(T)0.8,，,TT1,(13.5.2), 可持续,SDDT0.8,(13.5.3),53, 决策变量的约束,Q,LLO,+Q,BLO,1010,4,向孔雀河输水量大小的控制。,(13.5.4),式中，,Q,LLO,，,Q,BLO,分别为小湖、大湖的出流量（即达吾堤闸出流、西泵站扬水）。,大湖水位,HBL,的控制。,1044.5H,BL,1047.5,(13.5.5),54, 全流域水资源系统变化的约束,也就是，把综合反映水文,生态相互关系的,SubMod(Q,C,E),模型嵌入到管理模型中，即,SubMod(Q,C,E,),(13.5.6), 经济,社会系统动态变化约束,也就是把经济,社会系统模型嵌入到管理模型中，即,SubMod(SESD),(13.5.7),55,13.5.4.3,模型表达式,博斯腾湖流域可持续水资源管理优化模型。,SDDT0.8,Q,LLO,+Q,BLO,1010,4,1044.5H,BL,1047.5,SubMod(Q,C,E),SubMod(SESD),目标函数：,约束条件：,（,13.5.8,）,56,13.5.5,博斯腾湖流域未来可持续水资源管理决策方案,13.5.5.1,方案设计及控制变量选择,为了寻找博斯腾湖流域可持续水资源管理的途径，需要优选几个主要控制变量的取值。根据博斯腾湖流域具体实际，选择了,18,个方案。其中，变化控制变量人为选择了,17,个方案，方案,18,是计算机搜索的最优方案（左其亭等，,2003,）。,57,13.5.5.2,代表方案结果分析,方案,1,：按现状发展趋势进行预测、计算、评价。计算结果（目标函数值,BTI=0.782,，态势隶属度,SDDT=0.156,）表明，发展态势是恶性态势，该方案为不可选方案。,这里只列出三个有代表方案计算结果，分析如下。,58,方案,14,：为了和优选方案进行对比，选出一个较差方案。计算结果为：,方案,18,：由计算机优选，得到最优方案。计算结果为：,目标函数值,BTI=0.920,，态势隶属,SDDT=0.986,。,目标函数值,BTI=0.789,，态势隶属,SDDT=0.573,。,59,博斯腾湖,1998-2020,年三个代表方案,DD(T),曲线图,60,13.5.5.3,综合结论,（,1,）根据本书提出的水文,生态耦合系统模型建立方法，建立了博斯腾湖流域水量,水质,生态耦合系统模型。经检验，该模型计算结果可靠、实用性强。,（,2,）把可持续水资源管理定量研究方法成功地应用于博斯腾湖流域。按目前状态（,1986,1997,年）计算，博斯腾湖所在流域可持续发展态势为中性态势。这种发展不是良性的可持续发展。如果再按目前状态发展下去（预测到,2020,年），将由中性逐步发展到恶性态势。因此，只有采取必要措施，才能保证该区走可持续发展道路。,61,（,3,）通过方案对比，可以看出：,调整经济结构，提高农田灌溉效率，减少农业引水量，是博斯腾湖可持续水资源管理的重要措施。,采取人工育苇，增加芦苇面积，保护湖泊生态环境，对博斯腾湖可持续水资源管理有重要意义。,合理控制宝浪苏木东西支分水比，对淡化大湖水体，提高湖泊可承载能力有十分重要意义。,62,（,4,）综合计算结果，得出博斯腾湖流域未来走可持续发展道路的水的管理决策,减小农业引水量；,开发焉耆盆地地下水；,人工育苇；,控制泵站扬水量；,控制宝浪苏木东西支分水比；,控制大湖水位；,经博斯腾湖向孔雀河输水量。,63,博斯腾湖流域可持续水资源管理建议决策一览表,64,Thank You !,65,