經(jīng)濟(jì)能源安全耦合模型培訓(xùn)課件(ppt 65頁).ppt

1、經(jīng)濟(jì)能源安全耦合模型項(xiàng)目論證,能源安全,經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)模型,量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系,1,2,3,經(jīng)濟(jì)安全與能源安全,主要內(nèi)容,4,量化方法,5,應(yīng)用實(shí)例,能源安全,1 能源安全的概念及由來,2 經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)模型,經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng),在經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)中，各部分的功能與關(guān)系如下,1）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)是一國經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供持續(xù)不斷的自然能源,2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)在發(fā)展的同時(shí)，通過消耗能源，降低經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的承載能力。 （3）能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間起到紐帶作用。從能源利用的可持續(xù)性上能夠直接反映出“人與自然”的協(xié)調(diào)關(guān)系。

2、能源的可持續(xù)利用必須同經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)保護(hù)相結(jié)合。 （4）在經(jīng)濟(jì)能源復(fù)合系統(tǒng)中，任一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)問題都會(huì)危機(jī)到其他子系統(tǒng)的發(fā)展，而且問題會(huì)通過反饋?zhàn)饔眉右苑糯蠛蛿U(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)大系統(tǒng)的衰退,經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)關(guān)系圖,2 耦合系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系量化模型,經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)模型建模方法,將經(jīng)濟(jì)安全系統(tǒng)模型和能源安全系統(tǒng)模型放在一起，進(jìn)行耦合計(jì)算。其基本思路是：逐個(gè)箱體（計(jì)算單元）采用子模型循環(huán)迭代，直至誤差小于某一預(yù)定值，終止迭代,耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（SEWED,1）經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)作為因變量的動(dòng)力學(xué)方程,人口：P,初始條件,在預(yù)定生活水平下（如小康水平、中等發(fā)達(dá)水平等），對(duì)人口的約束,式中，P人

3、口總數(shù)；t時(shí)間變量（ t=1，2，3，）； t時(shí)段出生率； t時(shí)段死亡率； t時(shí)段遷入率； t時(shí)段遷出率； 時(shí)刻的人口總數(shù)； 生活可利用能源量； t時(shí)段預(yù)定生活水平下的人均最小需水量； 糧食產(chǎn)量； 從外區(qū)域調(diào)入的糧食總量； 向外區(qū)域調(diào)出的糧食總量； t時(shí)段預(yù)定生活水平下的人均糧食最低標(biāo)準(zhǔn)； 人口政策約束指標(biāo)； 人均生活耗能約束指標(biāo),工業(yè)總產(chǎn)值,初始約束,能源對(duì)工業(yè)增長的約束,式中， 工業(yè)總產(chǎn)值； t時(shí)段工業(yè)增長率（減小率為負(fù)）； 時(shí)刻的工業(yè)總產(chǎn)值； 工業(yè)可利用能源量； t時(shí)段工業(yè)萬元產(chǎn)值利用能源量,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,初始條件,能源對(duì)農(nóng)業(yè)增長的約束,式中， 農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值； t時(shí)段農(nóng)業(yè)增長率（減小率為負(fù)）

4、； 時(shí)刻的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值； 農(nóng)業(yè)可利用能源量； t時(shí)段農(nóng)業(yè)萬元產(chǎn)值利用能源量； 耕地面積； t時(shí)段單位耕地面積的產(chǎn)值,2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)能源系統(tǒng)影響的中間變量,人口,能源的消耗,式中， 第i種能源用于人的生活消耗量； t時(shí)段人均消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能源為0,工業(yè),能源的消耗,式中， 第i種能源用于工業(yè)消耗量； t時(shí)段萬元工業(yè)產(chǎn)值消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能源為0,農(nóng)業(yè),能源的消耗,式中， 第i種能源用于農(nóng)業(yè)消耗量； t時(shí)段萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能源為0,綜合以上方程式，得到能源消耗總量方程為,3）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型與能源系統(tǒng)模型的耦合,從以上模型方程可

5、以看出： （1）在經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)作因變量的動(dòng)力學(xué)方程中，自變量含能源、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（如能源利用量等）； （2）在經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)能源系統(tǒng)影響的中間變量方程中，表達(dá)了能源消耗因素。這些中間變量又是能源經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型的自變量,耦合計(jì)算與說明,耦合計(jì)算的基本思路,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，從t0時(shí)刻開始，采用逐個(gè)模型循環(huán)迭代計(jì)算，直至誤差小于某一預(yù)定值，終止迭代，完成t0+1時(shí)刻計(jì)算，得到t0+1時(shí)刻狀態(tài)變量計(jì)算結(jié)果。再按照同樣方法，計(jì)算下一時(shí)刻結(jié)果。直至到目標(biāo)時(shí)刻t終止,需要說明的是,針對(duì)具體區(qū)域，選擇的主要量化指標(biāo)各異，需要具體對(duì)待，但相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程基本形式相似； 模型參數(shù)的獲得有多種途徑，比如，預(yù)先人

6、為確定、其他方程推算、系統(tǒng)識(shí)別等； 微分方程模型的計(jì)算有多種途徑，一種是針對(duì)簡單的微分方程，可以采用精確解計(jì)算；一種是采用數(shù)值方法近似計(jì)算,能源模型,能源安全量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系,能源安全準(zhǔn)則,能源安全量化研究需要考慮的基本準(zhǔn)則,可承載。 可持續(xù)。,1 能源安全量化指標(biāo)體系,1.1 指標(biāo)體系的建立原則,要在眾多指標(biāo)中選擇那些最靈敏、可度量且內(nèi)涵豐富的主導(dǎo)性指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，應(yīng)遵守以下原則,1）科學(xué)性原則；（2）完整性原則；（3）可操作性原則；（4）主導(dǎo)性原則；（5）獨(dú)立性原則；（6）動(dòng)態(tài)性原則,1.2 指標(biāo)體系的篩選方法,指標(biāo)體系的篩選方法有,1）頻度統(tǒng)計(jì)法、理論分析法和專家咨詢法篩選指標(biāo)。

7、 （2）主成分分析法和獨(dú)立性分析法篩選指標(biāo),1.3 能源安全指標(biāo)體系,能源安全的指標(biāo)體系是一個(gè)多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系，可將其分為三大類：經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)、能源指標(biāo)和綜合性指標(biāo),能源安全指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)框圖,能源安全的量化方法,基于“社會(huì)凈福利函數(shù)”的量化方法,社會(huì)凈福利函數(shù)，也稱為凈經(jīng)濟(jì)福利。其計(jì)算公式如下,第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利； 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的GDP,第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)恢復(fù)經(jīng)濟(jì)能源系統(tǒng)良性循環(huán)所需的支出，其值包括能源系統(tǒng)破壞所造成的經(jīng)濟(jì)損失,根據(jù)能源安全的概念和基本目標(biāo)，能源安全應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：效益最大化、可生存、可承載和可持續(xù)。其量化

8、方法如下,1）效益最大化,效益最大化用N時(shí)段內(nèi)凈福利最大表示。即,式中： 表示第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；T 從現(xiàn)在到未來的一個(gè)時(shí)段（時(shí)段的大小主要依據(jù)研究系統(tǒng)的規(guī)模、復(fù)雜程度以及可預(yù)測(cè)期的長短而定）。T 的取值為1,2,N ；N 系統(tǒng)可有效預(yù)測(cè)的最大時(shí)段個(gè)數(shù)（如每5年為一個(gè)時(shí)段，30年預(yù)測(cè)期內(nèi)N=6）；k 第T個(gè)時(shí)段的第k個(gè)方案；r 第T個(gè)時(shí)段的貼現(xiàn)率,2）可生存,針對(duì)能源安全研究的問題，可生存的量化如下,對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的要求,對(duì)能源系統(tǒng)的要求,式中： 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人均GDP； 滿足當(dāng)前人們最低生活標(biāo)準(zhǔn)所需的人均GDP； 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的

9、生活總需求能源量； 滿足人們的生理與生活所需的最小能源需求量,3）可承載,其量化方法如下,能源承載能力,環(huán)境承載能力,式中： 能源總需求量； 最大可供能源量； 對(duì)應(yīng)環(huán)境承載能力閾值的凈福利,4）可持續(xù),各個(gè)子系統(tǒng)安全的量化方法如下,經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng),能源系統(tǒng),式中： 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人口總數(shù)； 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)能源總需求量； 第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)總可供能源量；能源總需求量與總可供能源量兩者之間的匹配調(diào)節(jié)值,將效益最大化作為能源安全的目標(biāo)函數(shù)，可生存、可承載、可持續(xù)作為能源安全的約束條件，便可構(gòu)造出能源安全的一般數(shù)學(xué)模型，如下,目標(biāo)函數(shù),約束條件,效益最大化

10、,可生存,可承載,可持續(xù),基于“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度”（DD）的量化方法,1）“可承載”程度的量化方法,本文采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度對(duì)其進(jìn)行量化,假如反映可承載能力的因子有多個(gè)。現(xiàn)考察任一指標(biāo)e，其對(duì)應(yīng)的隸屬度為(e),稱作單指標(biāo)（或單因子）e可承載隸屬度，它是對(duì)可承載程度的一種度量,為了無量綱化以及能使單因子間互相比較，采用下面的指標(biāo)轉(zhuǎn)換,對(duì)于單因子指標(biāo)e，選定可承載限度e0，當(dāng)e越大，可承載程度也越大時(shí)（如人均糧食產(chǎn)量），定義 ；當(dāng)e越大，可承載程度越小時(shí)（如能源儲(chǔ)量），定義,對(duì)于某單因子在T時(shí)刻指標(biāo) ，描述的可承載程度為 （隸屬函數(shù)可根據(jù)具體情況選定）。那么，由多個(gè)因子組成的整個(gè)系統(tǒng)的可承載隸

11、屬程度描述如下,式中，n1系統(tǒng)有n1個(gè)因子被考慮是否可承載；LI(T)系統(tǒng)在T時(shí)段可承載隸屬度； 第i個(gè)因子的指數(shù)權(quán)重?？筛鶕?jù)因子的重要程度給 賦值,2）“有效益”的量化方法,首先要區(qū)分兩個(gè)概念：經(jīng)濟(jì)增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。經(jīng)濟(jì)增長是指一個(gè)國家或地區(qū)人均生產(chǎn)或人均收入的增加，是一個(gè)偏重于數(shù)量的概念。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是一個(gè)既包括數(shù)量又包括質(zhì)量提高的概念，即常說的發(fā)展的概念,經(jīng)濟(jì)增長指標(biāo)EG(T,取經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)（如，國民生產(chǎn)總值、工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、人均國民生產(chǎn)總值等）SP，設(shè)初始年SP值為基準(zhǔn)值SP0。為了使數(shù)據(jù)無量綱化，可以將指標(biāo)進(jìn)行初始化，即令,用下面的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選）來量化表示經(jīng)濟(jì)增長指標(biāo),式中，

12、為待定系數(shù)。關(guān)于系數(shù) 的說明可參見有關(guān)文獻(xiàn)（左其亭、陳曦，2003,經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T,發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)的量化方法為,式中， 是分別給定的經(jīng)濟(jì)增長EG(T)、可承載LI(T)的指數(shù)權(quán)重?？筛鶕?jù)其重要程度給 賦值,能源安全的目標(biāo)函數(shù)效益最大(BTI,令BTI= ，稱BTI為目標(biāo)函數(shù)值。能源安全要求發(fā)展給人類帶來盡可能大的效益，可以用目標(biāo)函數(shù)值最大來衡量。即,Max(BTI),3）“可持續(xù)”準(zhǔn)則的量化及能源安全態(tài)勢(shì)的判定,對(duì)于發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)，“可持續(xù)”定義為：DD(T)DD(T-1,令 （如果T=1，約定x=1,按照可持續(xù)定義，給出T時(shí)段相對(duì)T-1時(shí)段發(fā)展持

13、續(xù)提高的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選），如下式,定義全時(shí)段發(fā)展相對(duì)可持續(xù)性的隸屬度（簡稱態(tài)勢(shì)隸屬度）為,SDDT,式中，N整個(gè)時(shí)段個(gè)數(shù)（如N年）；N0是選定的常數(shù)（如5，10，N,依據(jù)實(shí)際資料作出發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)曲線圖。根據(jù)該圖就可以判定發(fā)展是不是能源安全，發(fā)展的態(tài)勢(shì)如何，以及研究區(qū)的發(fā)展水平，進(jìn)而優(yōu)選能源安全途徑,能源安全判別曲線示意圖,能源安全優(yōu)化模型,目標(biāo)函數(shù),要求表征發(fā)展的目標(biāo)函數(shù)BTI值達(dá)到最大。即，在某一特定的時(shí)段，在滿足一定條件下，使N個(gè)時(shí)段的總效益達(dá)到最大（即BTI最大）。于是，有目標(biāo)函數(shù),Max(BT1),約束條件,約束條件包括,可承載； 可持續(xù)； 經(jīng)濟(jì)社會(huì)水能源生

14、態(tài)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系約束； 其他約束條件,模型求解方法,能源安全優(yōu)化模型是一個(gè)十分復(fù)雜的多階段非線性優(yōu)化模型。針對(duì)這樣一種復(fù)雜的優(yōu)化模型，現(xiàn)階段比較常用的求解方法包括：數(shù)值解技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),13.5.1 博斯騰湖流域水資源管理面臨的挑戰(zhàn),13.5 應(yīng)用實(shí)例,在博斯騰湖及其流域水資源管理過程中，有以下幾點(diǎn)疑問需要回答,應(yīng)該如何合理控制開都河農(nóng)田引水量？ 地下水開采量應(yīng)控制在什么樣標(biāo)準(zhǔn)為宜呢？ 如何控制寶浪蘇木東、西支分水比？ 如何控制大湖水位為最佳？ 如何控制博斯騰湖大湖泵站的抽水量既滿足大湖水體“抽鹽補(bǔ)淡，淡化水體”的需要，又滿足向孔雀河輸水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,13.5.2 量化指標(biāo)的選取與

15、定量描述方法,選取的指標(biāo)包括,人口總數(shù)（屬于“社會(huì)”指標(biāo)）。 工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（屬于“經(jīng)濟(jì)”指標(biāo)）。 糧食總產(chǎn)量（側(cè)面反映“土地資源”、“水資源”指標(biāo)）。 博斯騰湖水體礦化度（屬于“水環(huán)境”指標(biāo)）。 蘆葦總生產(chǎn)量（屬于“生態(tài)環(huán)境”指標(biāo)）。 （農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水）水資源分配量,13.5.3 博斯騰湖流域19861997年指標(biāo)量化結(jié)果及可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)判別,根據(jù)博斯騰湖流域19861997年社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境有關(guān)指標(biāo)，按照上面介紹的量化方法和計(jì)算公式，來定量描述量化指標(biāo)，判定該流域的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。計(jì)算的量化值曲線如下圖所示，目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.523，態(tài)勢(shì)隸屬度SDDT=0.613,博斯騰湖流

16、域可承載隸屬度LI(T)變化曲線圖,博斯騰湖流域經(jīng)濟(jì)增長指標(biāo)EG(T)變化曲線圖,博斯騰湖流域發(fā)展測(cè)度DD(T)變化曲線圖,13.5.4 博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)化模型,13.5.4.1 目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)函數(shù)采用下式,Max(BTI),13.5.1,13.5.4.2 約束條件,可承載,LI(T)0.8， TT1,13.5.2,可持續(xù),SDDT0.8,13.5.3,決策變量的約束,QLLO+QBLO10104,向孔雀河輸水量大小的控制,13.5.4,式中，QLLO，QBLO分別為小湖、大湖的出流量（即達(dá)吾堤閘出流、西泵站揚(yáng)水,大湖水位HBL的控制,1044.5HBL1047.5,13.5.5

17、,全流域水資源系統(tǒng)變化的約束,也就是，把綜合反映水文生態(tài)相互關(guān)系的SubMod(Q,C,E)模型嵌入到管理模型中，即,SubMod(Q,C,E,13.5.6,經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化約束,也就是把經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)模型嵌入到管理模型中，即,SubMod(SESD,13.5.7,13.5.4.3 模型表達(dá)式,博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)化模型,SDDT0.8 QLLO+QBLO10104 1044.5HBL1047.5 SubMod(Q,C,E) SubMod(SESD,目標(biāo)函數(shù),約束條件,13.5.8,13.5.5 博斯騰湖流域未來可持續(xù)水資源管理決策方案,13.5.5.1 方案設(shè)計(jì)及控制變量選擇,為

18、了尋找博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理的途徑，需要優(yōu)選幾個(gè)主要控制變量的取值。根據(jù)博斯騰湖流域具體實(shí)際，選擇了18個(gè)方案。其中，變化控制變量人為選擇了17個(gè)方案，方案18是計(jì)算機(jī)搜索的最優(yōu)方案（左其亭等，2003,13.5.5.2 代表方案結(jié)果分析,方案1：按現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)、計(jì)算、評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果（目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.782，態(tài)勢(shì)隸屬度SDDT=0.156）表明，發(fā)展態(tài)勢(shì)是惡性態(tài)勢(shì)，該方案為不可選方案,這里只列出三個(gè)有代表方案計(jì)算結(jié)果，分析如下,方案14：為了和優(yōu)選方案進(jìn)行對(duì)比，選出一個(gè)較差方案。計(jì)算結(jié)果為,方案18：由計(jì)算機(jī)優(yōu)選，得到最優(yōu)方案。計(jì)算結(jié)果為,目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.920，態(tài)勢(shì)隸屬SDDT=0.986,目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.789，態(tài)勢(shì)隸屬SDDT=0.573,博斯騰湖1998-2020年三個(gè)代表方案DD(T)曲線圖,13.5.5.3 綜合結(jié)論,1）根據(jù)本書提出的水文生態(tài)耦合系統(tǒng)模型建立方法，建立了博斯騰湖流域水量水質(zhì)生態(tài)耦合系統(tǒng)模型。經(jīng)檢驗(yàn)，該模型計(jì)算結(jié)果可靠、實(shí)用性強(qiáng),2）把可持續(xù)水資源管理定量研究方法成功地應(yīng)用于博斯騰湖流域。按目前狀態(tài)（19861997年）計(jì)算，博斯騰湖所在流域可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)為中性態(tài)勢(shì)。這種發(fā)展不是良性的可持續(xù)發(fā)展。如果再按目前狀態(tài)發(fā)展下去（預(yù)測(cè)到2020年），將由中性逐步發(fā)展到惡性態(tài)勢(shì)。因此，只有采