經(jīng)濟(jì)能源安全耦合模型培訓(xùn)課件

1、經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全耦合能源安全耦合模型項(xiàng)目論證模型項(xiàng)目論證能源安全能源安全經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全能源安全耦合系統(tǒng)模型耦合系統(tǒng)模型量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系 123經(jīng)濟(jì)安全與能源安全經(jīng)濟(jì)安全與能源安全主要內(nèi)容主要內(nèi)容4量化方法量化方法 5應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 能源安全能源安全1 1 能源安全的概念及由來(lái)能源安全的概念及由來(lái) 2 2 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)模型能源安全耦合系統(tǒng)模型經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)能源安全耦合系統(tǒng) 在經(jīng)濟(jì)在經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)中，各部分的功能源安全耦合系統(tǒng)中，各部分的功能與關(guān)系如下：能與關(guān)系如下： （1 1）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)是一國(guó)經(jīng)濟(jì)）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)是一國(guó)經(jīng)濟(jì)社

2、會(huì)系社會(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)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。發(fā)展提供持續(xù)不斷的自然能源。 （2 2）經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)在發(fā)展的同時(shí)，通過(guò)消耗能源，降低社會(huì)系統(tǒng)在發(fā)展的同時(shí)，通過(guò)消耗能源，降低經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的承載能力。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的承載能力。 （3 3）能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)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作用。從能源利用的可持續(xù)性上能夠直接反映出“人與自人與自然然”的協(xié)調(diào)關(guān)系。能源的可持續(xù)利用必須同經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)的協(xié)調(diào)關(guān)系。能源的可持續(xù)利用必須同經(jīng)濟(jì)社會(huì)的

3、發(fā)展和經(jīng)濟(jì)保護(hù)相結(jié)合。展和經(jīng)濟(jì)保護(hù)相結(jié)合。 （4 4）在經(jīng)濟(jì)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(wèn)題都能源復(fù)合系統(tǒng)中，任一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)危機(jī)到其他子系統(tǒng)的發(fā)展，而且問(wèn)題會(huì)通過(guò)反饋?zhàn)饔眉訒?huì)危機(jī)到其他子系統(tǒng)的發(fā)展，而且問(wèn)題會(huì)通過(guò)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。以放大和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)大系統(tǒng)的衰退。 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)關(guān)系圖能源安全耦合系統(tǒng)關(guān)系圖 水 資 源 系 統(tǒng)社 會(huì) 經(jīng) 濟(jì) 系 統(tǒng)生 態(tài) 環(huán) 境 系 統(tǒng)人 口經(jīng) 濟(jì)社 會(huì)水 資 源 供 給 系 統(tǒng) 森 林 、 草 場(chǎng) 、 河 湖 、土 地 、大 氣 、礦 物 資 源 水 資 源 生 成 系 統(tǒng)資源、環(huán)境污染、補(bǔ)

4、償工程基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境用水水文基礎(chǔ)水資源經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)社會(huì)系統(tǒng)能源配置系統(tǒng)能源配置系統(tǒng)能源循環(huán)系統(tǒng)能源循環(huán)系統(tǒng)2 2 耦合系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系量化模型耦合系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系量化模型經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)能源安全耦合系統(tǒng)模型建模方法能源安全耦合系統(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，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。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。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（耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（SEWEDSEW

5、ED）（1 1）經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)作為因變量的動(dòng)力學(xué)方程）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：人口：P P)()()()(4321trtrtrtrPdtdP00PPtttPPGGGPWPEtPtbWWWtaQP),(,)(,)(min）（出入( (初始條件）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），（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）對(duì)人口的約束） 式中，式中，PP人口總數(shù)；人口總數(shù)；tt時(shí)間變量（時(shí)間變量（ t=1t=1，2 2，3 3，）；）； tt時(shí)段出生率；時(shí)段出生率； tt時(shí)段死亡率；時(shí)段死亡率； t t時(shí)段遷入率；時(shí)段遷入率； tt時(shí)段

6、遷出率；時(shí)段遷出率； 時(shí)刻的人口總時(shí)刻的人口總數(shù)；數(shù)； 生活可利用能源量；生活可利用能源量； tt時(shí)段預(yù)定生活水平時(shí)段預(yù)定生活水平下的人均最小需水量；下的人均最小需水量； 糧食產(chǎn)量；糧食產(chǎn)量； 從外區(qū)域調(diào)從外區(qū)域調(diào)入的糧食總量；入的糧食總量； 向外區(qū)域調(diào)出的糧食總量；向外區(qū)域調(diào)出的糧食總量； tt時(shí)段預(yù)定生活水平下的人均糧食最低標(biāo)準(zhǔn)；時(shí)段預(yù)定生活水平下的人均糧食最低標(biāo)準(zhǔn)； 人口政人口政策約束指標(biāo)；策約束指標(biāo)； 人均生活耗能約束指標(biāo)。人均生活耗能約束指標(biāo)。)(1tr)(2tr)(3tr)(4tr0P0tWPQ)(taPGW入GW出GW)(tbP)(tPPtE工業(yè)總產(chǎn)值：工業(yè)總產(chǎn)值： IY)(1t

7、kYdtdYII00IttIYY)(taQYIWII（初始約束）（初始約束）（能源對(duì)工業(yè)增長(zhǎng)的約束）（能源對(duì)工業(yè)增長(zhǎng)的約束） 式中，式中， 工業(yè)總產(chǎn)值；工業(yè)總產(chǎn)值； tt時(shí)段工業(yè)增長(zhǎng)率（減小時(shí)段工業(yè)增長(zhǎng)率（減小率為負(fù)）；率為負(fù)）； 時(shí)刻的工業(yè)總產(chǎn)值；時(shí)刻的工業(yè)總產(chǎn)值； 工業(yè)可利工業(yè)可利用能源量；用能源量； tt時(shí)段工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值利用能源量。時(shí)段工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值利用能源量。IY)(1tk0IY0tWIQ)(taI農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值：農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值： AY)(2tkYdtdYAA00AttAYY)(,)(mintcAtaQYAAAWAA（初始條件）（初始條件）（能源對(duì)農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)的約束）（能源對(duì)農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)的約束） 式中，

8、式中， 農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值； tt時(shí)段農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)率（減小率時(shí)段農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)率（減小率為負(fù)）；為負(fù)）； 時(shí)刻的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值；時(shí)刻的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值； 農(nóng)業(yè)可利用能農(nóng)業(yè)可利用能源量；源量； t t時(shí)段農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值利用能源量；時(shí)段農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值利用能源量； 耕地面耕地面積；積； tt時(shí)段單位耕地面積的產(chǎn)值。時(shí)段單位耕地面積的產(chǎn)值。 AY)(2tk0AY0tWAQ)(taAAA)(tcA（2 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）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人口)(iiiPPPMtePdtdM（能源的消耗）（能源的消耗） 式中，式中， 第第i i種能源用于人的生活消耗量；種能源用于人的生活消耗量；

9、 tt時(shí)時(shí)段人均消耗能源量；段人均消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能源能源可再生量（不可再生能源為為0 0）；）；iPM)(teiPiPM工業(yè)工業(yè))(iiiIIIIMteYdtdM（能源的消耗）（能源的消耗） 式中，式中， 第第i i種能源用于工業(yè)消耗量；種能源用于工業(yè)消耗量； tt時(shí)段萬(wàn)元時(shí)段萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值消耗能源量；工業(yè)產(chǎn)值消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能能源可再生量（不可再生能源為源為0 0）；）；iIM)(teiIiIM農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè))(iiiAAAAMteYdtdM（能源的消耗）（能源的消耗） 式中，式中， 第第i i種能源用于農(nóng)業(yè)消耗量；種能源用于農(nóng)業(yè)消耗量； tt時(shí)段萬(wàn)時(shí)段萬(wàn)元

10、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值消耗能源量；元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值消耗能源量； 能源可再生量（不可再生能源可再生量（不可再生能源為能源為0 0）；）；iAM)(teiAiAM綜合以上方程式，得到能源消耗總量方程為：綜合以上方程式，得到能源消耗總量方程為：iiiAIPiMMMM（3 3）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型與能源系統(tǒng)模型的耦合）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型與能源系統(tǒng)模型的耦合 從以上模型方程可以看出：從以上模型方程可以看出： （1 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）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）；能源、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（如能源利用量等）； （2 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，）

11、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)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型的自變量。模型的自變量。耦合計(jì)算與說(shuō)明耦合計(jì)算與說(shuō)明耦合計(jì)算的基本思路：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，從利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，從t t0 0時(shí)刻開(kāi)始，采用時(shí)刻開(kāi)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，完成止迭代，完成t t0+10+1時(shí)刻計(jì)算，得到時(shí)刻計(jì)算，得到t t0+10+1時(shí)刻狀態(tài)變量計(jì)算時(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

12、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)刻標(biāo)時(shí)刻t t終止。終止。需要說(shuō)明的是：需要說(shuō)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；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)先人為確定、模型參數(shù)的獲得有多種途徑，比如，預(yù)先人為確定、其他方程推算、系統(tǒng)識(shí)別等；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(jiǎn)單的微分方程模型的計(jì)算有多種途徑，一種是針對(duì)簡(jiǎn)單的微分方程，可以采用精確解計(jì)算；一種是采用數(shù)值方微分方程，可以采用精確解計(jì)算；一種是采

13、用數(shù)值方法近似計(jì)算。法近似計(jì)算。 能源模型能源模型能源安全量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系能源安全量化準(zhǔn)則及量化指標(biāo)體系能源安全準(zhǔn)則能源安全準(zhǔn)則 能源安全量化研究需要考慮的基本準(zhǔn)則：能源安全量化研究需要考慮的基本準(zhǔn)則： 可承載。可承載。可持續(xù)?？沙掷m(xù)。1 1 能源安全量化指標(biāo)體系能源安全量化指標(biāo)體系1.1 1.1 指標(biāo)體系的建立原則指標(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：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 1）科學(xué)性原則；（）科學(xué)性原則；（2 2）完整性原則；（）完整性原則；（

14、3 3）可操作性）可操作性原則；（原則；（4 4）主導(dǎo)性原則；（）主導(dǎo)性原則；（5 5）獨(dú)立性原則；（）獨(dú)立性原則；（6 6）動(dòng)）動(dòng)態(tài)性原則。態(tài)性原則。 1.2 1.2 指標(biāo)體系的篩選方法指標(biāo)體系的篩選方法指標(biāo)體系的篩選方法有：指標(biāo)體系的篩選方法有：（1 1）頻度統(tǒng)計(jì)法、理論分析法和專家咨詢法篩）頻度統(tǒng)計(jì)法、理論分析法和專家咨詢法篩選指標(biāo)。選指標(biāo)。（2 2）主成分分析法和獨(dú)立性分析法篩選指標(biāo)。）主成分分析法和獨(dú)立性分析法篩選指標(biāo)。1.3 1.3 能源安全指標(biāo)體系能源安全指標(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)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

15、類：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)。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)框圖能源安全指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)框圖 能源安全的量化方法能源安全的量化方法 基于基于“社會(huì)凈福利函數(shù)社會(huì)凈福利函數(shù)”的量化方法的量化方法 社會(huì)凈福利函數(shù)，也稱為凈經(jīng)濟(jì)福利。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：其計(jì)算公式如下：TkCTkGTkW,第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的GDPGDP；TkW,TkG,TkC,第第T T

16、個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)恢復(fù)經(jīng)濟(jì)個(gè)方案時(shí)恢復(fù)經(jīng)濟(jì)能源系統(tǒng)良能源系統(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)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。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)。其量化下準(zhǔn)則：效益最大化、可生存、可承載和可持續(xù)。其量化方法如下：方法如下：（1 1）效益最大化。）效益最大化。 效益最大化用效益最大化用N N時(shí)段內(nèi)凈福利最大表示。即：時(shí)段內(nèi)凈福利最大表示。即：NTTrTkWMax11, 式中：式中： 表示第表示第T T個(gè)時(shí)段選擇第

17、個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；對(duì)應(yīng)的凈福利；T T 從現(xiàn)在到未來(lái)的一個(gè)時(shí)段（時(shí)段的從現(xiàn)在到未來(lái)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(zhǎng)短而定）。長(zhǎng)短而定）。T T 的取值為的取值為1,2,1,2,N N ；N N 系統(tǒng)可有效預(yù)系統(tǒng)可有效預(yù)測(cè)的最大時(shí)段個(gè)數(shù)（如每測(cè)的最大時(shí)段個(gè)數(shù)（如每5 5年為一個(gè)時(shí)段，年為一個(gè)時(shí)段，3030年預(yù)測(cè)期內(nèi)年預(yù)測(cè)期內(nèi)N N=6=6）；）；k k 第第T T個(gè)時(shí)段的第個(gè)時(shí)段的第k k個(gè)方案；個(gè)方案；r r 第第T T個(gè)時(shí)段個(gè)時(shí)段的貼現(xiàn)率。的貼現(xiàn)率。TkW,（2 2）可生

18、存。）可生存。 針對(duì)能源安全研究的問(wèn)題，可生存的量化如下：針對(duì)能源安全研究的問(wèn)題，可生存的量化如下：min,gTkgmin,WlTkWl（對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的要求）（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）（對(duì)能源系統(tǒng)的要求） 式中：式中： 第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人均人均GDPGDP； 滿足當(dāng)前人們最低生活標(biāo)準(zhǔn)所需的人均滿足當(dāng)前人們最低生活標(biāo)準(zhǔn)所需的人均GDPGDP； 第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的生個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的生活總需求能源量；活總需求能源量； 滿足人們的生理與生活所需的滿足人們的生理與生活所需的最小能源需求量；最

19、小能源需求量；Tkg,mingTkWl,minWl（3 3）可承載。）可承載。其量化方法如下：其量化方法如下： maxWkWx WecTkW,（能源承載能力）（能源承載能力）（環(huán)境承載能力）（環(huán)境承載能力） 式中：式中： 能源總需求量；能源總需求量； 最大可供能最大可供能源量；源量； 對(duì)應(yīng)環(huán)境承載能力閾值的凈福利。對(duì)應(yīng)環(huán)境承載能力閾值的凈福利。WxmaxWkWec（4 4）可持續(xù)。）可持續(xù)。 各個(gè)子系統(tǒng)安全的量化方法如下：各個(gè)子系統(tǒng)安全的量化方法如下： TkRTkWTkRTkW,1,1,TkRTkRTkWTkW,1,1,TkWTkWuse,sup（經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)）（經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)）（能源系統(tǒng)）（能

20、源系統(tǒng)） 式中：式中： 第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人口總數(shù)；人口總數(shù)； 第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)能個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)能源總需求量；源總需求量； 第第T T個(gè)時(shí)段選擇第個(gè)時(shí)段選擇第k k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)總可供能源量；總可供能源量；能源總需求量與總可供能源量?jī)烧吣茉纯傂枨罅颗c總可供能源量?jī)烧咧g的匹配調(diào)節(jié)值；之間的匹配調(diào)節(jié)值；TkR,TkWuse,TkW,sup 將效益最大化作為能源安全的目標(biāo)函數(shù)，可生存、可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)造出能源承載、可持續(xù)作為能源

21、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：安全的一般數(shù)學(xué)模型，如下：NTTrTkWMax11,min,gTkgmin,WlTkWlmin,EqTkEqmaxWkWx WecTkW,TkRTkRTkWTkW,1,1,TkWTkWuse,supTkEqTkEq,1,目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)：約束條件：約束條件：（效益最大化）（效益最大化）（可生存）（可生存）（可承載）（可承載）（可持續(xù)）（可持續(xù)）基于基于“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度”（DDDD）的量化方法）的量化方法（1 1）“可承載可承載”程度的量化方法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。本文采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬

22、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)?，F(xiàn)考察任一指標(biāo)假如反映可承載能力的因子有多個(gè)?，F(xiàn)考察任一指標(biāo)e e，其對(duì)應(yīng)的隸屬度為，其對(duì)應(yīng)的隸屬度為(e(e),),稱作單指標(biāo)（或單因子）稱作單指標(biāo)（或單因子）e e可可承載隸屬度，它是對(duì)可承載程度的一種度量。承載隸屬度，它是對(duì)可承載程度的一種度量。 為了無(wú)量綱化以及能使單因子間互相比較，采用下面為了無(wú)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：的指標(biāo)轉(zhuǎn)換： 對(duì)于單因子指標(biāo)對(duì)于單因子指標(biāo)e e，選定可承載限度，選定可承載限度e e0 0，當(dāng)，當(dāng)e e越大，可承越大，可承載程度也越大時(shí)（如人均糧食產(chǎn)量），定義載程度也越大時(shí)（如人均糧食產(chǎn)

23、量），定義 ；當(dāng)；當(dāng)e e越大，可承載程度越小時(shí)（如能源儲(chǔ)量），定義越大，可承載程度越小時(shí)（如能源儲(chǔ)量），定義 。0exeeex0 對(duì)于某單因子在對(duì)于某單因子在T T時(shí)刻指標(biāo)時(shí)刻指標(biāo) ，描述的可承載程度，描述的可承載程度為為 （隸屬函數(shù)可根據(jù)具體情況選定）。那么，由（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)的可承載隸屬程度描述如下：多個(gè)因子組成的整個(gè)系統(tǒng)的可承載隸屬程度描述如下：)(TYi)(TYiLI11)()(niiaLITYTLIi 式中，式中，n n1 1系統(tǒng)有系統(tǒng)有n n1 1個(gè)因子被考慮是否可承載；個(gè)因子被考慮是否可承載；LI(T)LI(T)系統(tǒng)在系統(tǒng)在T T時(shí)

24、段可承載隸屬度；時(shí)段可承載隸屬度； 第第i i個(gè)因子的指數(shù)權(quán)個(gè)因子的指數(shù)權(quán)重。可根據(jù)因子的重要程度給重。可根據(jù)因子的重要程度給 賦值。賦值。iaia（2 2）“有效益有效益”的量化方法的量化方法 首先要區(qū)分兩個(gè)概念：經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。經(jīng)首先要區(qū)分兩個(gè)概念：經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)人均生產(chǎn)或人均收入的增濟(jì)增長(zhǎng)是指一個(gè)國(guó)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(shuō)的發(fā)展的概念。括數(shù)量又包括質(zhì)量提高的概念，即常說(shuō)的發(fā)展的概念。 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)EG(T)EG

25、(T) 取經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)（如，國(guó)民生產(chǎn)總值、工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)取經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)（如，國(guó)民生產(chǎn)總值、工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、人均國(guó)民生產(chǎn)總值等）值、人均國(guó)民生產(chǎn)總值等）SPSP，設(shè)初始年，設(shè)初始年SPSP值為基準(zhǔn)值為基準(zhǔn)值值SPSP0 0。為了使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，可以將指標(biāo)進(jìn)行初始。為了使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，可以將指標(biāo)進(jìn)行初始化，即令化，即令 。 0)(SPTSPx 用下面的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選）來(lái)量用下面的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選）來(lái)量化表示經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)：化表示經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)：axaxTEG)( 式中，式中， 為待定系數(shù)。關(guān)于系數(shù)為待定系數(shù)。關(guān)于系數(shù) 的說(shuō)明可參見(jiàn)有關(guān)的說(shuō)明可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)（左其亭、陳曦，文獻(xiàn)（左其亭、陳

26、曦，20032003）。）。aa經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T) DD(T) 發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)DD(T)的量化方法為：的量化方法為： 21)()()(TLITEGTDD 式中，式中， 是分別給定的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是分別給定的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)EG(T)EG(T)、可承載、可承載LI(T)LI(T)的指數(shù)權(quán)重?？筛鶕?jù)其重要程度給的指數(shù)權(quán)重?？筛鶕?jù)其重要程度給 賦值。賦值。21,21,能源安全的目標(biāo)函數(shù)能源安全的目標(biāo)函數(shù)效益最大效益最大(BTI)(BTI) 令令BTI= BTI= ，稱，稱BTIBTI為目標(biāo)函數(shù)值。能源安為目標(biāo)函數(shù)值。能源安全要求發(fā)展給人類

27、帶來(lái)盡可能大的效益，可以用目標(biāo)函全要求發(fā)展給人類帶來(lái)盡可能大的效益，可以用目標(biāo)函數(shù)值最大來(lái)衡量。即：數(shù)值最大來(lái)衡量。即：NTDDNT1)(Max(BTI)= NTNTDDMax1)(（3 3）“可持續(xù)可持續(xù)”準(zhǔn)則的量化及能源安全態(tài)勢(shì)的判定準(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)度對(duì)于發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)DD(T)，“可持續(xù)可持續(xù)”定義為：定義為：DD(T)DD(T-1) DD(T)DD(T-1) 令令 （如果（如果T=1T=1，約定，約定x=1x=1）。）。 ) 1()(TDDTDDx 按照可持續(xù)定義，給出按照可持續(xù)定義，給出T T時(shí)段相對(duì)時(shí)段相對(duì)T-1T-1時(shí)段發(fā)展持續(xù)時(shí)段發(fā)

28、展持續(xù)提高的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選），如下式提高的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選），如下式：111)(xxxTDDSU 定義全時(shí)段發(fā)展相對(duì)可持續(xù)性的隸屬度（簡(jiǎn)稱態(tài)勢(shì)定義全時(shí)段發(fā)展相對(duì)可持續(xù)性的隸屬度（簡(jiǎn)稱態(tài)勢(shì)隸屬度）為：隸屬度）為：01( )NNNSUTDD TSDDT= 式中，式中，NN整個(gè)時(shí)段個(gè)數(shù)（如整個(gè)時(shí)段個(gè)數(shù)（如N N年）；年）；N N0 0是選定的是選定的常數(shù)（如常數(shù)（如5 5，1010，N N）。）。 依據(jù)實(shí)際資料作出發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度依據(jù)實(shí)際資料作出發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)DD(T)曲線圖。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)如根據(jù)該圖就可以判定發(fā)展是不是

29、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。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判別曲線示意圖 DD(T)1.00.20123T1T能源安全優(yōu)化模型能源安全優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù) 要求表征發(fā)展的目標(biāo)函數(shù)要求表征發(fā)展的目標(biāo)函數(shù)BTIBTI值達(dá)到最大。即，在值達(dá)到最大。即，在某一特定的時(shí)段，在滿足一定條件下，使某一特定的時(shí)段，在滿足一定條件下，使N N個(gè)時(shí)段的總個(gè)時(shí)段的總效益達(dá)到最大（即效益達(dá)到最大（即BTIBTI最大）。于是，有目標(biāo)函數(shù)：最大）。于是，有目標(biāo)函數(shù)：Max(BT1)=)(1NTDDMaxNT約束

30、條件約束條件約束條件包括：約束條件包括： 可承載；可承載； 可持續(xù)；可持續(xù)； 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)社會(huì)水能源水能源生態(tài)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系約束；生態(tài)耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系約束； 其他約束條件其他約束條件模型求解方法模型求解方法 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：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)數(shù)值解技術(shù)和和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。 13.5.1 13.5.1 博斯騰湖流域水資源管理面臨的挑戰(zhàn)博斯騰湖流域水資源管理面臨的挑戰(zhàn)13.5 13.5

31、 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 在博斯騰湖及其流域水資源管理過(guò)程中，有在博斯騰湖及其流域水資源管理過(guò)程中，有以下幾點(diǎn)疑問(wèn)需要回答。以下幾點(diǎn)疑問(wèn)需要回答。應(yīng)該如何合理控制開(kāi)都河農(nóng)田引水量？應(yīng)該如何合理控制開(kāi)都河農(nóng)田引水量？地下水開(kāi)采量應(yīng)控制在什么樣標(biāo)準(zhǔn)為宜呢？地下水開(kāi)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如何控制博斯騰湖大湖泵站的抽水量既滿足大湖水體體“抽鹽補(bǔ)淡，淡化水體抽鹽補(bǔ)淡，淡化水體”的需要，又滿足向孔雀的需要，又滿足向孔雀河輸水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求？河輸

32、水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求？ 13.5.2 13.5.2 量化指標(biāo)的選取與定量描述方法量化指標(biāo)的選取與定量描述方法選取的指標(biāo)包括：選取的指標(biāo)包括：人口總數(shù)（屬于人口總數(shù)（屬于“社會(huì)社會(huì)”指標(biāo)）。指標(biāo)）。 工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（屬于工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（屬于“經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)”指標(biāo)）。指標(biāo)）。糧食總產(chǎn)量（側(cè)面反映糧食總產(chǎn)量（側(cè)面反映“土地資源土地資源”、“水資源水資源”指標(biāo)）。指標(biāo)）。博斯騰湖水體礦化度（屬于博斯騰湖水體礦化度（屬于“水環(huán)境水環(huán)境”指標(biāo)）。指標(biāo)）。蘆葦總生產(chǎn)量（屬于蘆葦總生產(chǎn)量（屬于“生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境”指標(biāo)）。指標(biāo)）。（農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水）水資源分配量。（農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水）水資源分配量。 13.5.3 1

33、3.5.3 博斯騰湖流域博斯騰湖流域1986198619971997年指標(biāo)量化結(jié)果及年指標(biāo)量化結(jié)果及可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)判別可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)判別 根據(jù)博斯騰湖流域根據(jù)博斯騰湖流域1986198619971997年社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)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(lái)定量境有關(guān)指標(biāo)，按照上面介紹的量化方法和計(jì)算公式，來(lái)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)值值曲線如下圖所示，目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.523BTI=0.523，態(tài)勢(shì)隸屬度，態(tài)勢(shì)隸屬度SDDT=0.613SDDT=

34、0.613。 博斯騰湖流域可承載隸屬度博斯騰湖流域可承載隸屬度LI(T)LI(T)變化曲線圖變化曲線圖 00.81198619871988198919901991199219931994199519961997年LI(T)值博斯騰湖流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)博斯騰湖流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)EG(T)EG(T)變化曲線圖變化曲線圖 00.81198619871988198919901991199219931994199519961997年EG(T)值博斯騰湖流域發(fā)展測(cè)度博斯騰湖流域發(fā)展測(cè)度DD(T)DD(T)變化曲線圖變化曲線圖00.8119861987198

35、8198919901991199219931994199519961997年DD(T)值 13.5.4 13.5.4 博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)化模型化模型 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)采用下式：目標(biāo)函數(shù)采用下式：Max(BTI)=)(1NTDDMaxNT(13.5.1)(13.5.1) 約束條件約束條件 可承載可承載LI(T)0.8， TT1 (13.5.2)(13.5.2) 可持續(xù)可持續(xù) SDDT0.8 (13.5.3)(13.5.3) 決策變量的約束決策變量的約束QLLO+QBLO10104

36、 向孔雀河輸水量大小的控制。向孔雀河輸水量大小的控制。 (13.5.4)(13.5.4) 式中，式中，Q QLLOLLO，Q QBLOBLO分別為小湖、大湖的出流量（即分別為小湖、大湖的出流量（即達(dá)吾堤閘出流、西泵站揚(yáng)水）。達(dá)吾堤閘出流、西泵站揚(yáng)水）。大湖水位大湖水位HBLHBL的控制。的控制。 1044.5HBL1047.5 (13.5.5)(13.5.5) 全流域水資源系統(tǒng)變化的約束全流域水資源系統(tǒng)變化的約束 也就是，把綜合反映水文也就是，把綜合反映水文生態(tài)相互關(guān)系的生態(tài)相互關(guān)系的SubMod(Q,C,ESubMod(Q,C,E) )模型嵌入到管理模型中，即模型嵌入到管理模型中，即SubM

37、od(Q,C,E) (13.5.6)(13.5.6) 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化約束社會(huì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化約束 也就是把經(jīng)濟(jì)也就是把經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)模型嵌入到管理模型社會(huì)系統(tǒng)模型嵌入到管理模型中，即中，即SubMod(SESD) (13.5.7)(13.5.7) 模型表達(dá)式模型表達(dá)式 博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)化模型。博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理優(yōu)化模型。 )(BTIMaxSDDT0.8QLLO+QBLO101041044.5HBL1047.5 SubMod(Q,C,E)SubMod(SESD) 目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)：約束條件：約束條件：（13.5.813.5.8） 1

38、3.5.5 13.5.5 博斯騰湖流域未來(lái)可持續(xù)水資源管理決策博斯騰湖流域未來(lái)可持續(xù)水資源管理決策方案方案 方案設(shè)計(jì)及控制變量選擇方案設(shè)計(jì)及控制變量選擇 為了尋找博斯騰湖流域可持續(xù)水資源管理的途為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，選擇了騰湖流域具體實(shí)際，選擇了1818個(gè)方案。其中，變化個(gè)方案。其中，變化控制變量人為選擇了控制變量人為選擇了1717個(gè)方案，方案?jìng)€(gè)方案，方案1818是計(jì)算機(jī)搜是計(jì)算機(jī)搜索的最優(yōu)方案（左其亭等，索的最優(yōu)方案（左其亭等，2003

39、2003）。）。 代表方案結(jié)果分析代表方案結(jié)果分析 方案方案1 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)。：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)值計(jì)算結(jié)果（目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.782BTI=0.782，態(tài)勢(shì)隸屬度，態(tài)勢(shì)隸屬度SDDT=0.156SDDT=0.156）表明，發(fā)展態(tài)勢(shì)是惡性態(tài)勢(shì)，該方案為）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。不可選方案。 這里只列出三個(gè)有代表方案計(jì)算結(jié)果，分析這里只列出三個(gè)有代表方案計(jì)算結(jié)果，分析如下。如下。 方案方案1414：為了和優(yōu)選方案進(jìn)行對(duì)比，選出一個(gè)：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)

40、算結(jié)果為：較差方案。計(jì)算結(jié)果為： 方案方案1818：由計(jì)算機(jī)優(yōu)選，得到最優(yōu)方案。計(jì)算：由計(jì)算機(jī)優(yōu)選，得到最優(yōu)方案。計(jì)算結(jié)果為：結(jié)果為：目標(biāo)函數(shù)值目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.920BTI=0.920，態(tài)勢(shì)隸屬，態(tài)勢(shì)隸屬SDDT=0.986SDDT=0.986。目標(biāo)函數(shù)值目標(biāo)函數(shù)值BTI=0.789BTI=0.789，態(tài)勢(shì)隸屬，態(tài)勢(shì)隸屬SDDT=0.573SDDT=0.573。 博斯騰湖博斯騰湖1998-20201998-2020年三個(gè)代表方案年三個(gè)代表方案DD(T)DD(T)曲線圖曲線圖 00.8119981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年DD(T)值