面向协同减排的城市能流-碳流系统分析模型及实例研究

摘要

大气污染防治工作不仅是环境保护的需要，也是经济发展转型升级的需要，更是一项民生工程。面向我国社会经济发展战略转型、新空气质量标准实施和区域大气复合污染防治的迫切需求，以大气污染物总量控制和低碳发展为出发点和落脚点，开展面向协同减排的城市能流-碳流系统分析模型及实例研究，为提供清新空气，优化城市产业结构和能源结构，转变生活消费方式，提供科学、准确、量化、有效的模型工具和决策依据，为加速城市空气质量达标和持续改善进程，保障公众健康和生态安全，提供全面的科技支撑。
　　本论文深入挖掘城市能流-碳流系统的内在运行机理，描绘城市能量流动和碳流动的过程，以及在此过程中的大气污染物排放，辨识影响排放的因素，并确定关键性影响因素，建立系统优化方案，并建立模拟实验室，通过系统仿真模拟预测大气污染治理调控措施对减排效果的响应机理。
　　首先，为直观体现城市系统中能量的输入、加工转换、输出过程，本文研究了城市能流-碳流图的绘制方法，在能流图的基础上，加入低碳发展的要求，依据温室气体排放清单中提供的CO2排放量的计算方法，绘制了能流-碳流图，清晰地表现碳在工业行业中的流动过程。
　　其次，通过对SO2、NOX、CO2三种污染物排放的源和汇的分析，从经济、社会、环境方面，本文列出了经济发展、产业结构、能源消费、能源结构、人口、绿化共6方面21项影响因素，通过人工神经网络方法和主成分回归分析法，相互弥补，相互验证，获得内在影响机理的网络构成，由此建立辨识关键性影响因素的通用模型。同时，依托人工神经网络模型，通过函数逼近方法，获得关键性影响因素对三种污染物排放量影响的灵敏度。
　　再次，采用多目标规划方法，确定了环境目标函数、投资目标函数、总能耗目标函数共8个目标函数，以及需求约束、资源约束共2个约束条件，建立了城市能流-碳流系统协同减排优化模型，并根据我国实际情况设定了模型的参数。该模型可为大气环境污染治理措施提供简单、易操作、可视性强的决策工具，通过非劣解集空间的确定，获得治理投资成本与排放量之间的最优空间。
　　第四，本文采用系统动力学方法，构建了城市能流-碳流系统协同减排决策模拟实验室。在系统动力学模型中，根据城市系统中能源输入、输出过程中产业结构调整、能源结构调整、机动车保有量调整行为对大气污染物排放的影响机理，建立了城市能流-碳流系统，其中包括产业子系统、能源子系统、环境子系统和生活消费子系统四部分，并通过煤炭占能源消费的比例、天然气占能源消费的比例、电力热力行业天然气消费的比例、第三产业占GDP的比例、冶金行业占工业的比例、石化行业占工业的比例、电力行业占工业的比例、机动车保有量等控制变量的调控，仿真模拟系统中SO2、NOX、CO2三种大气污染物排放的演变趋势，以此为城市产业结构优化和能源系统优化调整提出最优调控方案，以及措施方案的环境绩效评估的工具。
　　最后，以天津市为例，绘制了天津市能流-碳流图，并构建了天津市大气主要污染物排放影响机理分析模型；通过多目标规划方法，得到天津市SO2、NOX、CO2排放量控制的最优决策空间；采用系统动力学构建了天津市城市能流-碳流系统协同减排决策模型模拟实验室，并开展了天津市能流-碳流系统仿真模拟。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 研究目标

1.4 研究内容

1.5 技术路线

1.6 本章小结

第二章 国内外研究与实践

2.1国外关于大气污染物与温室气体协同减排的研究与实践

2.2国内关于大气污染物与温室气体协同减排的研究与实践

2.3 能流图的研究与实践

2.4当前研究中存在的问题

2.5本章小结

第三章 理论基础与研究方法

3.1基本概念

3.2相关理论

3.3技术方法

3.4 本章小结

第四章 城市能流-碳流系统分析模型构建

4.1城市能流-碳流系统分析模型框架

4.2 城市能流-碳流图的绘制

4.3 影响SO2、NOX、CO2排放的因素分析

4.4 影响因素辨识方法选择

4.5大气主要污染物排放影响机理分析方法

4.6 本章小结

第五章 城市能流-碳流系统协同减排优化方案研究

5.1 多目标规划方法的适用性分析

5.2 多目标规划方法模型建立

5.3 模型的计算方法

5.4 本章小结

第六章 能流-碳流系统仿真模型的构建

6.1系统动力学仿真适用性分析

6.2城市能流-碳流系统分析

6.3 城市能流-碳流系统仿真模型的构建

6.4 本章小结

第七章 实例研究——以天津市为例

7.1 天津市经济、社会及能源概况

7.2 天津市能流-碳流图

7.3 天津市SO2、NOX与CO2协同减排影响机理分析

7.4 天津市大气污染物与CO2协同减排优化方案

7.5协同减排优化方案与大气污染治理效果响应仿真分析

7.6 本章小结

第八章 结论

8.1 论文结论

8.2 创新与贡献

8.3 进一步展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢