“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)情景費效分析模型研究”項目介

紹祝穎++李業(yè)鑫+劉艷峰

【摘 要】2016年7月，“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)情景費效分析模型研究”獲準(zhǔn)國家重點研發(fā)計劃重點專項青年項目。項目針對煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)的費效分析理論和決策方法的研究需求，開發(fā)基于全無限規(guī)劃的不確定性優(yōu)化方法表征系統(tǒng)不確定因素，降低極端隨機擾動對系統(tǒng)的影響；建立情景費效分析模型量化評估大氣污染及其防治政策法規(guī)對經(jīng)濟的影響；選擇榆林市開展技術(shù)示范工作。提出我國資源依賴型城市大氣污染損害評估技術(shù)規(guī)范，從而發(fā)揮重點研發(fā)項目在資源依賴型城市的經(jīng)濟、社會發(fā)展及大氣環(huán)境保護中的支撐作用。

【關(guān)鍵詞】 極端隨機擾動 煤炭依賴型城市 能源與大氣系統(tǒng) 費效分析模型

1 能源-環(huán)境系統(tǒng)管理科學(xué)化為大氣污染治理提供強有力的支撐

重點專項是國家重點研發(fā)計劃組織實施的載體，是聚焦國家重大戰(zhàn)略任務(wù)、圍繞解決當(dāng)前國家發(fā)展面臨的瓶頸和突出問題、以目標(biāo)為導(dǎo)向的重大項目群。“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”是國家科技部2016年首批啟動的6個試點專項之一，該項目研究的目的是為大氣污染防治和發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)提供科技支撐。2016年7月，由西安建筑科技大學(xué)牽頭、青年教師祝穎負(fù)責(zé)的“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)情景費效分析模型研究”獲準(zhǔn)國家重點研發(fā)計劃“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”重點專項的青年項目。

能源活動與大氣環(huán)境動態(tài)響應(yīng)機理是能源-環(huán)境系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)研究問題之一。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和能源開發(fā)規(guī)模不斷加大，我國城市以煤煙型污染為特征的大氣環(huán)境問題日益突出，惡性大氣污染事件頻發(fā)。尤其是處于生態(tài)脆弱地區(qū)的煤炭依賴型城市大氣環(huán)境問題更加嚴(yán)重，已經(jīng)造成了巨大經(jīng)濟利益和生態(tài)環(huán)境損失，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳踩蜕眢w健康。因此，開展能源活動與大氣環(huán)境動態(tài)響應(yīng)機理研究，統(tǒng)籌社會經(jīng)濟與能源發(fā)展之間的關(guān)系，對于推動煤炭依賴型城市的能源-環(huán)境系統(tǒng)管理科學(xué)化，保護大氣環(huán)境和促進“節(jié)能減排”工作的有效開展極具現(xiàn)實意義。

2 我國能源-環(huán)境系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在實際研究中，為了對能源-大氣環(huán)境系統(tǒng)進行高效的規(guī)劃和管理，需要借助先進的模型技術(shù)。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外已經(jīng)將最優(yōu)化模型廣泛應(yīng)用于剖析能源結(jié)構(gòu)、能源技術(shù)、能源價格、能源市場、能源使用效率因素等方面。近年來，我國陸續(xù)引入國外現(xiàn)有優(yōu)秀模型，將其應(yīng)用到能源系統(tǒng)需求預(yù)測、環(huán)境污染治理、溫室氣體減排的相關(guān)研究中。這些理論和技術(shù)的引進有著積極的決策指導(dǎo)作用。然而，研究與應(yīng)用過程中尚存在一些問題：

（1）國內(nèi)外對于環(huán)境引起的經(jīng)濟影響，主要集中于治“病”帶來的損失，少有提前制定規(guī)劃預(yù)案對“病”進行預(yù)防；（2）缺乏對煤炭依賴型城市不均衡能源結(jié)構(gòu)特征的定量分析，導(dǎo)致由于“一煤獨大”引起的極端隨機擾動被忽略；（3）國外經(jīng)典模型的參數(shù)設(shè)定和情景假設(shè)并不完全符合我國發(fā)展的實際，且較少能夠集成污染氣體減排、溫室氣體減排和大氣環(huán)境保護等功能。因此，本項目的總體目標(biāo)是開發(fā)基于全無限規(guī)劃的不確定性優(yōu)化方法降低極端擾動對系統(tǒng)的影響；建立能源活動與大氣環(huán)境響應(yīng)模型，揭示煤炭依賴型城市能源活動及大氣環(huán)境之間動態(tài)響應(yīng)機理；采用費效分析方法選擇出最優(yōu)的系統(tǒng)規(guī)劃、決策方案，以平衡經(jīng)濟發(fā)展、能源安全與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系。最終提出我國資源依賴型城市大氣污染損害評估技術(shù)規(guī)范，從而發(fā)揮重大研發(fā)項目在資源依賴型城市的經(jīng)濟、社會發(fā)展及大氣環(huán)境保護中的支撐作用，體現(xiàn)學(xué)科交叉和學(xué)科融合，推動能源與環(huán)境耦合關(guān)系、機理、優(yōu)化方法的探究。

3 以系統(tǒng)辨識、方法開發(fā)、模型建立、案例研究為核心設(shè)置研究內(nèi)容

圍繞煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)中的系統(tǒng)科學(xué)與決策理論問題，以研究能源活動與大氣環(huán)境動態(tài)響應(yīng)機制為核心，項目具體開展四個方面的研究：

（1）辨識煤炭依賴型城市能源-大氣環(huán)境系統(tǒng)的費用和效益；（2）能源-大氣系統(tǒng)特征辨識研究及不確定方法建立；（3）建立不確定能源-大氣環(huán)境系統(tǒng)情景費效分析模型；（4）案例研究。項目選擇陜北地區(qū)典型的煤炭依賴型城市—榆林市作為案例研究對象。榆林市地處陜、甘、寧、蒙、晉五省區(qū)交界地，是中國北方重要的能源重化工生產(chǎn)基地和產(chǎn)業(yè)集群。2013年，榆林市被國務(wù)院《全國煤炭依賴型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2013-2020年）》劃分為煤炭依賴型城市，其經(jīng)濟發(fā)展主要依賴于煤炭的開發(fā)和利用。然而，榆林市的能源開發(fā)區(qū)主要集中在長城沿線沙質(zhì)荒漠化生態(tài)區(qū)，生態(tài)脆弱。盡管煤炭的開發(fā)和利用給榆林市帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但是以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)帶來的大氣污染問題也與日俱增，部分重點工業(yè)源已逼近其大氣環(huán)境承載能力限值。如不能盡快解決這些問題，今后必將誘發(fā)各種經(jīng)濟、政治、生態(tài)、穩(wěn)定等矛盾和問題，最終危及榆林地區(qū)的經(jīng)濟安全、社會安全、環(huán)境安全。因此，全面分析榆林市能源-大氣環(huán)境系統(tǒng)情況，探究能源活動帶來的大氣環(huán)境問題，對政府部門及管理機構(gòu)科學(xué)制定各項節(jié)能減排政策、合理規(guī)劃工業(yè)布局具有重要的實際意義，對我國其他煤炭依賴型城市的管理具有借鑒意義。通過求解模型，對結(jié)果進行分析、檢驗和對比，探討多種社會-經(jīng)濟-環(huán)境擾動機制下的減排情景，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)規(guī)劃和管理。最后，結(jié)合后優(yōu)化技術(shù)對方案進行優(yōu)選，降低決策風(fēng)險和獲取最佳妥協(xié)方案，提出政策建議，形成榆林市大氣污染損害評估技術(shù)規(guī)范。

4 產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新獲取多方綜合效益

在權(quán)衡多方面因素的前提下，項目預(yù)期將獲得顯著的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。首先，對極端隨機不確定性的表征，可以進一步補充、完善現(xiàn)有的不確定性優(yōu)化理論與方法體系，幫助決策者在構(gòu)建模型的過程中充分考慮這些不確定性之間的交互關(guān)系，幫助模型快速、準(zhǔn)確地自動識別和控制不確定現(xiàn)象，為模型輸入的準(zhǔn)確性提供了保障。其次，以經(jīng)濟為杠桿，對煤炭資源型城市進行能源-大氣環(huán)境各項指標(biāo)的費效分析，對于促進我國煤炭依賴型城市的社會、經(jīng)濟、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)，而且可以以此作為我國其他煤炭依賴型城市的大氣環(huán)境管理的借鑒。第三，研究過程將融合國際上達(dá)成的各項能源、環(huán)境相關(guān)的協(xié)議、我國及地方政府制定的相關(guān)能源和環(huán)境方面的政策、法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等，這對于促進以經(jīng)濟、政策為杠桿推進大氣環(huán)境質(zhì)量改善有著積極的社會意義。最后，選取榆林市作為示范，對于解決煤炭依賴型城市的大氣環(huán)境問題、推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整意義重大，有著良好的示范標(biāo)桿意義，有助于本項目的研究在實踐中的實施、應(yīng)用和推廣。

5 結(jié)語

“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統(tǒng)情景費效分析模型研究”項目的研究將體現(xiàn)學(xué)科交叉和學(xué)科融合，推動能源與環(huán)境耦合關(guān)系、機理、優(yōu)化方法的探究。項目將充分貫徹產(chǎn)學(xué)研一體化的思想，幫助決策者制定目標(biāo)最優(yōu)的資源開發(fā)利用、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及大氣環(huán)境質(zhì)量管理方案。通過案例研究落實科研成果、直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益，對大氣質(zhì)量改善和城市能源工業(yè)發(fā)展必將產(chǎn)生更加長遠(yuǎn)的經(jīng)濟效益和示范效應(yīng)。研究成果有助于研究體現(xiàn)在我國其他煤炭依賴型城市的能源-環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和大氣環(huán)境保護實踐中的實施、應(yīng)用和推廣。