“极端随机扰动下的煤炭依赖型城市能源与大气系统情景费效分析模型研究”项目介

绍祝颖++李业鑫+刘艳峰

【摘 要】2016年7月，“极端随机扰动下的煤炭依赖型城市能源与大气系统情景费效分析模型研究”获准国家重点研发计划重点专项青年项目。项目针对煤炭依赖型城市能源与大气系统的费效分析理论和决策方法的研究需求，开发基于全无限规划的不确定性优化方法表征系统不确定因素，降低极端随机扰动对系统的影响；建立情景费效分析模型量化评估大气污染及其防治政策法规对经济的影响；选择榆林市开展技术示范工作。提出我国资源依赖型城市大气污染损害评估技术规范，从而发挥重点研发项目在资源依赖型城市的经济、社会发展及大气环境保护中的支撑作用。

【关键词】 极端随机扰动 煤炭依赖型城市 能源与大气系统 费效分析模型

1 能源-环境系统管理科学化为大气污染治理提供强有力的支撑

重点专项是国家重点研发计划组织实施的载体，是聚焦国家重大战略任务、围绕解决当前国家发展面临的瓶颈和突出问题、以目标为导向的重大项目群。“大气污染成因与控制技术研究”是国家科技部2016年首批启动的6个试点专项之一，该项目研究的目的是为大气污染防治和发展节能环保产业提供科技支撑。2016年7月，由西安建筑科技大学牵头、青年教师祝颖负责的“极端随机扰动下的煤炭依赖型城市能源与大气系统情景费效分析模型研究”获准国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”重点专项的青年项目。

能源活动与大气环境动态响应机理是能源-环境系统分析的基础研究问题之一。随着经济的迅速发展和能源开发规模不断加大，我国城市以煤烟型污染为特征的大气环境问题日益突出，恶性大气污染事件频发。尤其是处于生态脆弱地区的煤炭依赖型城市大气环境问题更加严重，已经造成了巨大经济利益和生态环境损失，严重威胁着当地居民的生命安全和身体健康。因此，开展能源活动与大气环境动态响应机理研究，统筹社会经济与能源发展之间的关系，对于推动煤炭依赖型城市的能源-环境系统管理科学化，保护大气环境和促进“节能减排”工作的有效开展极具现实意义。

2 我国能源-环境系统研究现状

在实际研究中，为了对能源-大气环境系统进行高效的规划和管理，需要借助先进的模型技术。随着计算机技术的迅猛发展，国外已经将最优化模型广泛应用于剖析能源结构、能源技术、能源价格、能源市场、能源使用效率因素等方面。近年来，我国陆续引入国外现有优秀模型，将其应用到能源系统需求预测、环境污染治理、温室气体减排的相关研究中。这些理论和技术的引进有着积极的决策指导作用。然而，研究与应用过程中尚存在一些问题：

（1）国内外对于环境引起的经济影响，主要集中于治“病”带来的损失，少有提前制定规划预案对“病”进行预防；（2）缺乏对煤炭依赖型城市不均衡能源结构特征的定量分析，导致由于“一煤独大”引起的极端随机扰动被忽略；（3）国外经典模型的参数设定和情景假设并不完全符合我国发展的实际，且较少能够集成污染气体减排、温室气体减排和大气环境保护等功能。因此，本项目的总体目标是开发基于全无限规划的不确定性优化方法降低极端扰动对系统的影响；建立能源活动与大气环境响应模型，揭示煤炭依赖型城市能源活动及大气环境之间动态响应机理；采用费效分析方法选择出最优的系统规划、决策方案，以平衡经济发展、能源安全与大气环境质量之间的关系。最终提出我国资源依赖型城市大气污染损害评估技术规范，从而发挥重大研发项目在资源依赖型城市的经济、社会发展及大气环境保护中的支撑作用，体现学科交叉和学科融合，推动能源与环境耦合关系、机理、优化方法的探究。

3 以系統辨识、方法开发、模型建立、案例研究为核心设置研究内容

围绕煤炭依赖型城市能源与大气系统中的系统科学与决策理论问题，以研究能源活动与大气环境动态响应机制为核心，项目具体开展四个方面的研究：

（1）辨识煤炭依赖型城市能源-大气环境系统的费用和效益；（2）能源-大气系统特征辨识研究及不确定方法建立；（3）建立不确定能源-大气环境系统情景费效分析模型；（4）案例研究。项目选择陕北地区典型的煤炭依赖型城市—榆林市作为案例研究对象。榆林市地处陕、甘、宁、蒙、晋五省区交界地，是中国北方重要的能源重化工生产基地和产业集群。2013年，榆林市被国务院《全国煤炭依赖型城市可持续发展规划（2013-2020年）》划分为煤炭依赖型城市，其经济发展主要依赖于煤炭的开发和利用。然而，榆林市的能源开发区主要集中在长城沿线沙质荒漠化生态区，生态脆弱。尽管煤炭的开发和利用给榆林市带来了巨大的经济效益，但是以煤炭为主的能源结构带来的大气污染问题也与日俱增，部分重点工业源已逼近其大气环境承载能力限值。如不能尽快解决这些问题，今后必将诱发各种经济、政治、生态、稳定等矛盾和问题，最终危及榆林地区的经济安全、社会安全、环境安全。因此，全面分析榆林市能源-大气环境系统情况，探究能源活动带来的大气环境问题，对政府部门及管理机构科学制定各项节能减排政策、合理规划工业布局具有重要的实际意义，对我国其他煤炭依赖型城市的管理具有借鉴意义。通过求解模型，对结果进行分析、检验和对比，探讨多种社会-经济-环境扰动机制下的减排情景，实现系统的动态规划和管理。最后，结合后优化技术对方案进行优选，降低决策风险和获取最佳妥协方案，提出政策建议，形成榆林市大气污染损害评估技术规范。

4 产学研用协同创新获取多方综合效益

在权衡多方面因素的前提下，项目预期将获得显著的社会效益、经济效益和环境效益。首先，对极端随机不确定性的表征，可以进一步补充、完善现有的不确定性优化理论与方法体系，帮助决策者在构建模型的过程中充分考虑这些不确定性之间的交互关系，帮助模型快速、准确地自动识别和控制不确定现象，为模型输入的准确性提供了保障。其次，以经济为杠杆，对煤炭资源型城市进行能源-大气环境各项指标的费效分析，对于促进我国煤炭依赖型城市的社会、经济、环境可持续发展意义深远，而且可以以此作为我国其他煤炭依赖型城市的大气环境管理的借鉴。第三，研究过程将融合国际上达成的各项能源、环境相关的协议、我国及地方政府制定的相关能源和环境方面的政策、法律、法规和标准等，这对于促进以经济、政策为杠杆推进大气环境质量改善有着积极的社会意义。最后，选取榆林市作为示范，对于解决煤炭依赖型城市的大气环境问题、推进产业结构调整意义重大，有着良好的示范标杆意义，有助于本项目的研究在实践中的实施、应用和推广。

5 结语

“极端随机扰动下的煤炭依赖型城市能源与大气系统情景费效分析模型研究”项目的研究将体现学科交叉和学科融合，推动能源与环境耦合关系、机理、优化方法的探究。项目将充分贯彻产学研一体化的思想，帮助决策者制定目标最优的资源开发利用、产业结构转型以及大气环境质量管理方案。通过案例研究落实科研成果、直接产生经济效益，对大气质量改善和城市能源工业发展必将产生更加长远的经济效益和示范效应。研究成果有助于研究体现在我国其他煤炭依赖型城市的能源-环境系统规划、产业结构调整和大气环境保护实践中的实施、应用和推广。