“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統情景費效分析模型研究”項目介

紹祝穎++李業鑫+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情景費效分析模型研究”獲準國家重點研發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的費效分析理論和決策方法的研究需求，開發基于全無限規劃的不確定性優化方法表征系統不確定因素，降低極端隨機擾動對系統的影響；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對經濟的影響；選擇榆林市開展技術示范工作。提出我國資源依賴型城市大氣污染損害評估技術規范，從而發揮重點研發項目在資源依賴型城市的經濟、社會發展及大氣環境保護中的支撐作用。

【關鍵詞】 極端隨機擾動 煤炭依賴型城市 能源與大氣系統 費效分析模型

1 能源-環境系統管理科學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計劃組織實施的載體，是聚焦國家重大戰略任務、圍繞解決當前國家發展面臨的瓶頸和突出問題、以目標為導向的重大項目群。“大氣污染成因與控制技術研究”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展節能環保產業提供科技支撐。2016年7月，由西安建筑科技大學牽頭、青年教師祝穎負責的“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統情景費效分析模型研究”獲準國家重點研發計劃“大氣污染成因與控制技術研究”重點專項的青年項目。

能源活動與大氣環境動態響應機理是能源-環境系統分析的基礎研究問題之一。隨著經濟的迅速發展和能源開發規模不斷加大，我國城市以煤煙型污染為特征的大氣環境問題日益突出，惡性大氣污染事件頻發。尤其是處于生態脆弱地區的煤炭依賴型城市大氣環境問題更加嚴重，已經造成了巨大經濟利益和生態環境損失，嚴重威脅著當地居民的生命安全和身體健康。因此，開展能源活動與大氣環境動態響應機理研究，統籌社會經濟與能源發展之間的關系，對于推動煤炭依賴型城市的能源-環境系統管理科學化，保護大氣環境和促進“節能減排”工作的有效開展極具現實意義。

2 我國能源-環境系統研究現狀

在實際研究中，為了對能源-大氣環境系統進行高效的規劃和管理，需要借助先進的模型技術。隨著計算機技術的迅猛發展，國外已經將最優化模型廣泛應用于剖析能源結構、能源技術、能源價格、能源市場、能源使用效率因素等方面。近年來，我國陸續引入國外現有優秀模型，將其應用到能源系統需求預測、環境污染治理、溫室氣體減排的相關研究中。這些理論和技術的引進有著積極的決策指導作用。然而，研究與應用過程中尚存在一些問題：

（1）國內外對于環境引起的經濟影響，主要集中于治“病”帶來的損失，少有提前制定規劃預案對“病”進行預防；（2）缺乏對煤炭依賴型城市不均衡能源結構特征的定量分析，導致由于“一煤獨大”引起的極端隨機擾動被忽略；（3）國外經典模型的參數設定和情景假設并不完全符合我國發展的實際，且較少能夠集成污染氣體減排、溫室氣體減排和大氣環境保護等功能。因此，本項目的總體目標是開發基于全無限規劃的不確定性優化方法降低極端擾動對系統的影響；建立能源活動與大氣環境響應模型，揭示煤炭依賴型城市能源活動及大氣環境之間動態響應機理；采用費效分析方法選擇出最優的系統規劃、決策方案，以平衡經濟發展、能源安全與大氣環境質量之間的關系。最終提出我國資源依賴型城市大氣污染損害評估技術規范，從而發揮重大研發項目在資源依賴型城市的經濟、社會發展及大氣環境保護中的支撐作用，體現學科交叉和學科融合，推動能源與環境耦合關系、機理、優化方法的探究。

3 以系統辨識、方法開發、模型建立、案例研究為核心設置研究內容

圍繞煤炭依賴型城市能源與大氣系統中的系統科學與決策理論問題，以研究能源活動與大氣環境動態響應機制為核心，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-大氣環境系統的費用和效益；（2）能源-大氣系統特征辨識研究及不確定方法建立；（3）建立不確定能源-大氣環境系統情景費效分析模型；（4）案例研究。項目選擇陜北地區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、晉五省區交界地，是中國北方重要的能源重化工生產基地和產業集群。2013年，榆林市被國務院《全國煤炭依賴型城市可持續發展規劃（2013-2020年）》劃分為煤炭依賴型城市，其經濟發展主要依賴于煤炭的開發和利用。然而，榆林市的能源開發區主要集中在長城沿線沙質荒漠化生態區，生態脆弱。盡管煤炭的開發和利用給榆林市帶來了巨大的經濟效益，但是以煤炭為主的能源結構帶來的大氣污染問題也與日俱增，部分重點工業源已逼近其大氣環境承載能力限值。如不能盡快解決這些問題，今后必將誘發各種經濟、政治、生態、穩定等矛盾和問題，最終危及榆林地區的經濟安全、社會安全、環境安全。因此，全面分析榆林市能源-大氣環境系統情況，探究能源活動帶來的大氣環境問題，對政府部門及管理機構科學制定各項節能減排政策、合理規劃工業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，對結果進行分析、檢驗和對比，探討多種社會-經濟-環境擾動機制下的減排情景，實現系統的動態規劃和管理。最后，結合后優化技術對方案進行優選，降低決策風險和獲取最佳妥協方案，提出政策建議，形成榆林市大氣污染損害評估技術規范。

4 產學研用協同創新獲取多方綜合效益

在權衡多方面因素的前提下，項目預期將獲得顯著的社會效益、經濟效益和環境效益。首先，對極端隨機不確定性的表征，可以進一步補充、完善現有的不確定性優化理論與方法體系，幫助決策者在構建模型的過程中充分考慮這些不確定性之間的交互關系，幫助模型快速、準確地自動識別和控制不確定現象，為模型輸入的準確性提供了保障。其次，以經濟為杠桿，對煤炭資源型城市進行能源-大氣環境各項指標的費效分析，對于促進我國煤炭依賴型城市的社會、經濟、環境可持續發展意義深遠，而且可以以此作為我國其他煤炭依賴型城市的大氣環境管理的借鑒。第三，研究過程將融合國際上達成的各項能源、環境相關的協議、我國及地方政府制定的相關能源和環境方面的政策、法律、法規和標準等，這對于促進以經濟、政策為杠桿推進大氣環境質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境問題、推進產業結構調整意義重大，有著良好的示范標桿意義，有助于本項目的研究在實踐中的實施、應用和推廣。

5 結語

“極端隨機擾動下的煤炭依賴型城市能源與大氣系統情景費效分析模型研究”項目的研究將體現學科交叉和學科融合，推動能源與環境耦合關系、機理、優化方法的探究。項目將充分貫徹產學研一體化的思想，幫助決策者制定目標最優的資源開發利用、產業結構轉型以及大氣環境質量管理方案。通過案例研究落實科研成果、直接產生經濟效益，對大氣質量改善和城市能源工業發展必將產生更加長遠的經濟效益和示范效應。研究成果有助于研究體現在我國其他煤炭依賴型城市的能源-環境系統規劃、產業結構調整和大氣環境保護實踐中的實施、應用和推廣。