经济能源安全耦合模型

经济——能源安全耦合模型项目论证能源安全经济—能源安全耦合系统模型量化准则及量化指标体系123经济安全与能源安全主要内容4量化方法5应用实例能源安全1能源安全的概念及由来2经济—能源安全耦合系统模型经济—能源安全耦合系统在经济—能源安全耦合系统中，各部分的功能与关系如下：（1）经济系统和能源系统是一国经济—社会系统赖以存在和发展的物质基础，其为经济社会发展提供持续不断的自然能源。（2）经济—社会系统在发展的同时，通过消耗能源，降低经济系统和能源系统的承载能力。（3）能源系统在经济—社会系统和经济系统之间起到纽带作用。从能源利用的可持续性上能够直接反映出“人与自然”的协调关系。能源的可持续利用必须同经济社会的发展和经济保护相结合。（4）在经济—能源复合系统中，任一个子系统出现问题都会危机到其他子系统的发展，而且问题会通过反馈作用加以放大和扩展，最终导致整个大系统的衰退。经济—能源安全耦合系统关系图水资源系统社会经济系统生态环境系统人口经济社会水资源供给系统森林、草场、河湖、土地、大气、矿物资源…水资源生成系统资源、环境污染、补偿工程基础生态环境用水水文基础水资源经济系统经济—社会系统能源配置系统能源循环系统2耦合系统互动关系量化模型经济—能源安全耦合系统模型建模方法将经济安全系统模型和能源安全系统模型放在一起，进行耦合计算。其基本思路是：逐个箱体（计算单元）采用子模型循环迭代，直至误差小于某一预定值，终止迭代。耦合系统动力学模型（SEWED）（1）经济社会指标作为因变量的动力学方程人口：P)]()()()([4321trtrtrtrPdtdP00PPtttPPGGGPWPEtPtb),(,)(,)(min）（出入(初始条件）（在预定生活水平下（如小康水平、中等发达水平等），对人口的约束）式中，P—人口总数；t—时间变量（t=1，2，3，…）；—t时段出生率；—t时段死亡率；—t时段迁入率；—t时段迁出率；—时刻的人口总数；—生活可利用能源量；—t时段预定生活水平下的人均最小需水量；—粮食产量；—从外区域调入的粮食总量；—向外区域调出的粮食总量；—t时段预定生活水平下的人均粮食最低标准；—人口政策约束指标；—人均生活耗能约束指标。)(1tr)(2tr)(3tr)(4tr0P0tWPQ)(taPGW入GW出GW)(tbP)(tPPtE工业总产值：IY)(1tkYdtdYII00IttIYY)(taQYIWII（初始约束）（能源对工业增长的约束）式中，—工业总产值；—t时段工业增长率（减小率为负）；—时刻的工业总产值；—工业可利用能源量；—t时段工业万元产值利用能源量。IY)(1tk0IY0tWIQ)(taI农业总产值：AY)(2tkYdtdYAA00AttAYY)(,)(mintcAtaQYAAAWAA（初始条件）（能源对农业增长的约束）式中，—农业总产值；—t时段农业增长率（减小率为负）；—时刻的农业总产值；—农业可利用能源量；—t时段农业万元产值利用能源量；—耕地面积；—t时段单位耕地面积的产值。AY)(2tk0AY0tWAQ)(taAAA)(tcA（2）经济社会活动对能源系统影响的中间变量人口')(iiiPPPMtePdtdM（能源的消耗）式中，—第i种能源用于人的生活消耗量；—t时段人均消耗能源量；—能源可再生量（不可再生能源为0）；iPM)(teiP'iPM工业')(iiiIIIIMteYdtdM（能源的消耗）式中，—第i种能源用于工业消耗量；—t时段万元工业产值消耗能源量；—能源可再生量（不可再生能源为0）；iIM)(teiI'iIM农业')(iiiAAAAMteYdtdM（能源的消耗）式中，—第i种能源用于农业消耗量；—t时段万元农业产值消耗能源量；—能源可再生量（不可再生能源为0）；iAM)(teiA'iAM综合以上方程式，得到能源消耗总量方程为：iiiAIPiMMMM（3）经济系统模型与能源系统模型的耦合从以上模型方程可以看出：（1）在经济社会指标作因变量的动力学方程中，自变量含能源、经济指标（如能源利用量等）；（2）在经济社会活动对能源系统影响的中间变量方程中，表达了能源消耗因素。这些中间变量又是能源—经济系统模型的自变量。耦合计算与说明耦合计算的基本思路：利用计算机强大的计算功能，从t0时刻开始，采用逐个模型循环迭代计算，直至误差小于某一预定值，终止迭代，完成t0+1时刻计算，得到t0+1时刻状态变量计算结果。再按照同样方法，计算下一时刻结果。直至到目标时刻t终止。需要说明的是：①针对具体区域，选择的主要量化指标各异，需要具体对待，但相应的动力学方程基本形式相似；②模型参数的获得有多种途径，比如，预先人为确定、其他方程推算、系统识别等；③微分方程模型的计算有多种途径，一种是针对简单的微分方程，可以采用精确解计算；一种是采用数值方法近似计算。能源模型能源安全量化准则及量化指标体系能源安全准则能源安全量化研究需要考虑的基本准则：⑴可承载。⑵可持续。⑶1能源安全量化指标体系1.1指标体系的建立原则要在众多指标中选择那些最灵敏、可度量且内涵丰富的主导性指标作为评价因子，应遵守以下原则：（1）科学性原则；（2）完整性原则；（3）可操作性原则；（4）主导性原则；（5）独立性原则；（6）动态性原则。1.2指标体系的筛选方法指标体系的筛选方法有：（1）频度统计法、理论分析法和专家咨询法筛选指标。（2）主成分分析法和独立性分析法筛选指标。1.3能源安全指标体系能源安全的指标体系是一个多层次的复杂结构体系。根据系统结构关系，可将其分为三大类：经济社会指标、能源指标和综合性指标。能源安全指标体系结构框图能源安全的量化方法基于“社会净福利函数”的量化方法社会净福利函数，也称为净经济福利。其计算公式如下：TkCTkGTkW,,,——第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；——第T个时段选择第k个方案时所对应的GDP；TkW,TkG,TkC,——第T个时段选择第k个方案时恢复经济——能源系统良性循环所需的支出，其值包括能源系统破坏所造成的经济损失。根据能源安全的概念和基本目标，能源安全应遵循以下准则：效益最大化、可生存、可承载和可持续。其量化方法如下：（1）效益最大化。效益最大化用N时段内净福利最大表示。即：NTTrTkWMax11,式中：–––表示第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；T–––从现在到未来的一个时段（时段的大小主要依据研究系统的规模、复杂程度以及可预测期的长短而定）。T的取值为1,2,…N；N–––系统可有效预测的最大时段个数（如每5年为一个时段，30年预测期内N=6）；k–––第T个时段的第k个方案；r–––第T个时段的贴现率。TkW,（2）可生存。针对能源安全研究的问题，可生存的量化如下：min,gTkgmin,WlTkWl（对经济－社会系统的要求）（对能源系统的要求）式中：–––第T个时段选择第k个方案时所对应的人均GDP；–––满足当前人们最低生活标准所需的人均GDP；–––第T个时段选择第k个方案时所对应的生活总需求能源量；–––满足人们的生理与生活所需的最小能源需求量；Tkg,mingTkWl,minWl（3）可承载。其量化方法如下：maxWkWxWecTkW,（能源承载能力）（环境承载能力）式中：–––能源总需求量；–––最大可供能源量；–––对应环境承载能力阈值的净福利。WxmaxWkWec（4）可持续。各个子系统安全的量化方法如下：TkRTkWTkRTkW,,1,1,TkRTkRTkWTkW,1,,1,TkWTkWuse,,sup（经济－社会系统）（能源系统）式中：–––第T个时段选择第k个方案时所对应的人口总数；–––第T个时段选择第k个方案时系统能源总需求量；–––第T个时段选择第k个方案时系统总可供能源量；ε–––能源总需求量与总可供能源量两者之间的匹配调节值；TkR,TkWuse,TkW,sup将效益最大化作为能源安全的目标函数，可生存、可承载、可持续作为能源安全的约束条件，便可构造出能源安全的一般数学模型，如下：NTTrTkWMax11,min,gTkgmin,WlTkWlmin,EqTkEqmaxWkWxWecTkW,TkRTkRTkWTkW,1,,1,TkWTkWuse,,supTkEqTkEq,1,目标函数：约束条件：（效益最大化）（可生存）（可承载）（可持续）基于“发展综合指标测度”（DD）的量化方法（1）“可承载”程度的量化方法本文采用模糊数学中的隶属度对其进行量化。假如反映可承载能力的因子有多个。现考察任一指标e，其对应的隶属度为μ(e),称作单指标（或单因子）e可承载隶属度，它是对可承载程度的一种度量。为了无量纲化以及能使单因子间互相比较，采用下面的指标转换：对于单因子指标e，选定可承载限度e0，当e越大，可承载程度也越大时（如人均粮食产量），定义；当e越大，可承载程度越小时（如能源储量），定义。0exeeex0对于某单因子在T时刻指标，描述的可承载程度为（隶属函数可根据具体情况选定）。那么，由多个因子组成的整个系统的可承载隶属程度描述如下：)(TYi))((TYiLI11))(()(niiaLITYTLIi式中，n1——系统有n1个因子被考虑是否可承载；LI(T)——系统在T时段可承载隶属度；——第i个因子的指数权重。可根据因子的重要程度给赋值。iaia（2）“有效益”的量化方法首先要区分两个概念：经济增长和经济发展。经济增长是指一个国家或地区人均生产或人均收入的增加，是一个偏重于数量的概念。经济发展是一个既包括数量又包括质量提高的概念，即常说的发展的概念。①经济增长指标EG(T)取经济学指标（如，国民生产总值、工农业总产值、人均国民生产总值等）SP，设初始年SP值为基准值SP0。为了使数据无量纲化，可以将指标进行初始化，即令。0)(SPTSPx用下面的隶属函数（也可据具体情况另选）来量化表示经济增长指标：axaxTEG)(式中，为待定系数。关于系数的说明可参见有关文献（左其亭、陈曦，2003）。aa②经济发展指标——发展综合指标测度DD(T)发展综合指标测度DD(T)的量化方法为：21)()()(TLITEGTDD式中，是分别给定的经济增长EG(T)、可承载LI(T)的指数权重。可根据其重要程度给赋值。21,21,③能源安全的目标函数——效益最大(BTI)令BTI=，称BTI为目标函数值。能源安全要求发展给人类带来尽可能大的效益，可以用目标函数值最大来衡量。即：NTDDNT1)(Max(BTI)=NTNTDDMax1))((（3）“可持续”准则的量化及能源安全态势的判定对于发展综合指标测度DD(T)，“可持续”定义为：DD(T)≥DD(T-1)令（如果T=1，约定x=1）。)1()(TDDTDDx按照可持续定义，给出T时段相对T-1时段发展持续提高的隶属函数（也可据具体情况另选），如下式：111))((xxxTDDSU定义全时段发展相对可持续性的隶属度（简称态势隶属度）为：01(())NNNSUTDDTSDDT=式中，N——整个时段个数（如N年）；N0——是选定的常数（如5，10，……，N）。依据实际资料作出发展综合指标测度DD(T)曲线图。根据该图就可以判定发展是不是能源安全，发展的态势如何，以及研究区的发展水平，进而优选能源安全途径。能源安全判别曲线示意图DD(T)1.00.80.60.40.20123T1T能源安全优化模型目标函数要求表征发展的目标函数BTI值达到最大。即，在某一特定的时段，在满足一定条件下，使N个时段的总效益