【摘要】：煤炭作為我國的主體能源,是中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展的基本保障,在今后較長一段時間內(nèi),煤炭仍將是我國的能源安全的基本保障。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對能源的需求仍將繼續(xù)增加,煤炭的生產(chǎn)和消費(fèi)量也將持續(xù)增長。與此同時,煤炭在開發(fā)和利用的過程中對資源和環(huán)境造成了破壞,隨著我國可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的加快,資源與環(huán)境問題日益受到社會各界人士的關(guān)注,我國煤炭資源雖然豐富,但是煤炭資源的分布與地區(qū)資源環(huán)境的稟賦不相適應(yīng),煤炭產(chǎn)業(yè)的未來不容樂觀。國家能源局提出要通過大力調(diào)控煤炭總量,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局來推動煤炭行業(yè)脫困,也就是在實(shí)施總量控制的同時,不應(yīng)該忽視產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化所帶來的綜合效益。本文認(rèn)為相對于煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)總量的控制,產(chǎn)業(yè)布局的優(yōu)化在資源、環(huán)境、社會等方面都存在巨大的空間。產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化應(yīng)該根據(jù)區(qū)域間的資源環(huán)境稟賦差異,因地制宜的規(guī)劃煤炭開采和利用的規(guī)模,合理的選擇煤炭開采和利用過程中技術(shù),以實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效可持續(xù)的開發(fā)和利用�；谝陨戏治�,本文充分運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境學(xué)等理論知識,系統(tǒng)的分析了我國煤炭產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展過程中資源和環(huán)境約束,建立了資源與環(huán)境約束下煤炭產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)之上,對模型中的不確定性因素進(jìn)行了分析,并利用兩階段隨機(jī)規(guī)劃,區(qū)間規(guī)劃等不確定性理論與方法對模型中的不確定性進(jìn)行的處理,最后通過GAMS軟件對模型進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及算例分析,利用經(jīng)濟(jì)學(xué)的生產(chǎn)可能性邊界以及影子價格等理論對模型結(jié)果進(jìn)行了解釋,驗(yàn)證了模型的有效性。圍繞系統(tǒng)模型的建立與實(shí)現(xiàn),將全文分為7章進(jìn)行研究,主要內(nèi)容如下:第一章:緒論。首先從目前我國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程面臨的資源與環(huán)境挑戰(zhàn)以及我國對資源與環(huán)境問題日益重視入手,介紹了選題的背景,進(jìn)而分別從理論和現(xiàn)實(shí)角度闡述了研究的意義。然后對研究內(nèi)容與研究方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和說明,在此基礎(chǔ)之上確立了論文研究的技術(shù)路線以及擬完成的創(chuàng)新點(diǎn)。第二章:相關(guān)研究綜述。由于本文的研究內(nèi)容和方法涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多,分別對國內(nèi)外的相關(guān)的研究進(jìn)行了綜述,包括研究工具和方法方面,即能源系統(tǒng)模型的綜述,研究內(nèi)容方面,即煤炭產(chǎn)業(yè)布局、煤炭產(chǎn)業(yè)資源與環(huán)境約束以及能源、水、糧食跨領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀。通過對前人研究成果的梳理和分析,為模型的建立提供了思路。第三章:我國煤炭產(chǎn)業(yè)面臨的資源與環(huán)境約束。分別從我國大氣污染總量控制、水資源稟賦、糧食安全以及氣候變化等四個方面對煤炭產(chǎn)業(yè)未來將面臨的約束進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在闡述的過程中,首先說明了煤炭開采、洗選、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)與資源環(huán)境約束之間的相互作用關(guān)系,提出了資源與環(huán)境對煤炭產(chǎn)業(yè)的自然“紅線”,然后總結(jié)了我國在相關(guān)資源環(huán)境領(lǐng)域的政策法規(guī)對煤炭產(chǎn)業(yè)的行政“紅線”。最后提出了煤炭在開采、洗選、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的技術(shù)現(xiàn)狀以及未來可供選擇的綠色技術(shù),同時介紹技術(shù)對相關(guān)資源環(huán)境的影響,為模型建立提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。第四章:煤炭產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化系統(tǒng)模型的建立。首先對模型建立的政策以及理論依據(jù)進(jìn)行了分析,從國家的政策層面分析了煤炭產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局的政策依據(jù),從產(chǎn)業(yè)布局理論、環(huán)境生態(tài)學(xué)理論、空間均衡理論的角度分析了煤炭產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局的理論依據(jù)。然后對系統(tǒng)模型的邊界進(jìn)行了界定,即煤炭的開采、洗選、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化四個環(huán)節(jié),借助參考能源系統(tǒng)的分析方法,構(gòu)建了煤炭產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。通過網(wǎng)絡(luò)圖,建立了系統(tǒng)模型的架構(gòu),系統(tǒng)中的資源與環(huán)境約束包括水資源、耕地資源、大氣污染控制、溫室氣體排放控制。水資源與耕地資源作為農(nóng)業(yè)的基本生產(chǎn)資料,導(dǎo)致煤炭開采與轉(zhuǎn)化過程中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門產(chǎn)生對水資源以及耕地資源利用的競爭,進(jìn)而引入了糧食安全的約束。同時,考慮到實(shí)際情況,具體的約束中還包括礦井設(shè)計產(chǎn)能的約束、煤炭調(diào)入調(diào)出的運(yùn)輸能力約束、原煤入選率的約束等。在耕地資源的約束中,介紹了利用概率積分法對煤炭開采過程中地表塌陷面積的計算方法,煤矸石占地面積的定量計算方法。在溫室氣體排放的約束中,介紹了煤炭在轉(zhuǎn)化過程中的碳排放量的計算方法。系統(tǒng)模型的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)總成本的最小化,包括煤炭開采、洗選、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化的成本以及糧食生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)某杀�。第五�?模型中的不確定性分析。能源系統(tǒng)的規(guī)劃是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅要如實(shí)反映系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),還要能夠解決諸如能源技術(shù)更新及投資分析等一系列的復(fù)雜性和不確定性問題。本章首先介紹了不確定的理論基礎(chǔ),包括隨機(jī)規(guī)劃理論、模糊規(guī)劃和區(qū)間規(guī)劃理論,緊接著分析了系統(tǒng)模型中不確定性的來源,分別從自然因素,政策因素,市場因素以及人們認(rèn)知局限等四個方面分析了系統(tǒng)模型中的不確定性�；诖藢s束條件以及目標(biāo)函數(shù)的不確定性進(jìn)行了分析和處理。在水資源約束中不確定性同時存在約束條件的左右兩側(cè),表現(xiàn)形式分別為區(qū)間形式的不確定性和隨機(jī)形式的不確定性,故采用區(qū)間規(guī)劃和兩階段隨機(jī)規(guī)劃對其進(jìn)行處理。在耕地資源的約束中,表現(xiàn)為約束條件左側(cè)的區(qū)間不確定性,采用悲觀主義原則對其進(jìn)行處理。煤炭轉(zhuǎn)化產(chǎn)品需求以及糧食需求的約束中,不確定性均表現(xiàn)為約束條件右側(cè)的隨機(jī)不確定性,利用兩階段隨機(jī)規(guī)劃對其進(jìn)行處理。在大氣污染控制以及溫室氣體排放約束中均考慮了利用了兩階段隨機(jī)規(guī)劃的方法對其進(jìn)行了處理。第六章:模型的實(shí)現(xiàn)與算例分析。系統(tǒng)模型中參數(shù),以及變量、約束條件的數(shù)量較大,必須借助計算機(jī)軟件對其進(jìn)行求解。本章在數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)上,利用GAMS軟件對模型進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),并通過算例驗(yàn)證了模型的有效性。首先對模型的實(shí)現(xiàn)的軟件及硬件條件進(jìn)行了說明,重點(diǎn)說明了系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)庫建設(shè),包括集合數(shù)據(jù)庫、原始數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、中間數(shù)據(jù)庫、結(jié)果數(shù)據(jù)庫。然后進(jìn)行了算例的選擇與實(shí)現(xiàn)。在算例選擇前分別從模型的尺度、地理單元的界限、模型的精度以及模型的用途對模型的適用范圍作了說明。選擇了山西省作為算例,對山西省具體的資源環(huán)境進(jìn)行了簡要的介紹,通過行政邊界來進(jìn)行地理單元劃分,最小地理單元為地級市。在情景設(shè)計中考慮了4種不同水資源情景,每種情景中設(shè)計了100種不同的需求組合。最后在對算例數(shù)據(jù)說明的基礎(chǔ)上,對400情景進(jìn)行了模擬分析,并對結(jié)果進(jìn)行了可視化的處理,利用經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論對模型的部分結(jié)果進(jìn)行了分析。通過經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的生產(chǎn)的可能性邊界,分析了不同水資源情景下煤炭生產(chǎn)與糧食生產(chǎn)的可能性邊界,為決策者提供系統(tǒng)全面的決策支持。以朔州市為例對模型技術(shù)選擇功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,在指導(dǎo)煤炭產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局以及技術(shù)選擇的同時,模型利用水資源的影子價格為未來水權(quán)交易的水資源價格制定中提供非常重要的參考依據(jù)。同時系統(tǒng)提供水資源管理的決策支持,通過從水供給和水需求兩端進(jìn)行優(yōu)化配置加以考慮,即對水資源供給的管控以及高耗水部門的優(yōu)化布局,來減輕水資源的短缺的壓力,實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。第七章:結(jié)論與展望。本章主要對本文的工作進(jìn)行了總結(jié),并指出了目前研究的不足,以及未來研究的空間和方向。論文的不足主要體現(xiàn)了對未來的預(yù)測和評估能力、煤質(zhì)因素以及數(shù)據(jù)精度方面。未來的研究方向在也不局限于以下三個方面:時空模型的研究、約束條件的拓展、數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。綜上所述,我國統(tǒng)一的政治體制為煤炭產(chǎn)業(yè)與環(huán)境和資源之間的優(yōu)化配置提供了可能性。區(qū)域間自然條件以及資源稟賦上的差異性,加之我們煤炭分布與環(huán)境和資源分布之間的不對稱性,為結(jié)合資源與環(huán)境對煤炭產(chǎn)業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化布局研究提供了必要性。本文對煤炭產(chǎn)業(yè)布局進(jìn)行了探索性的研究,為煤炭產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局提供了定量分析的理論基礎(chǔ)與決策工具。
【圖文】：
圖 4.1 參考能源系統(tǒng)簡圖Fig. 4.1 Diagram of energy reference system4.2 系統(tǒng)模型的邊界與架構(gòu)4.2.1 系統(tǒng)模型的邊界
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：F426.21
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本文編號：
2575736
