第九届苏北数学建模联赛C题获奖论文.docx
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第九届苏北数学建模联赛C题获奖论文
2012年第九届苏北数学建模联赛
承诺书
我们仔细阅读了第九届苏北数学建模联赛的竞赛规则。
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2012年第九届苏北数学建模联赛
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2012年第九届苏北数学建模联赛
题目碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测
摘要
以第二产业为主导产业的江苏省,近几年的快速发展,导致了能源消耗的快速增长,尤其是第二产业的高煤耗,使得二氧化碳的排放量不断上升。
如何解决经济发展带来的高能耗与碳的排放量的协调发展尤为重要。
本文首先对碳排放量和GDP进行分析,GDP与二氧化碳的线性关系,然后利用线性相关性解释碳排放量的短期波动和长期对GDP的影响。
然后分析出煤炭消耗量和煤炭调入量的线性关系,得到煤炭的调入对于经济发展和节能减排的影响。
综合分析,江苏省主要能源(煤炭,石油,天然气等)的消费结构以及煤炭消费总量和第一、二、三产业煤炭消耗量符合灰色模型理论,分析得主要能源的消费结构为GM(1,1)灰色模型,第一、二、三产业煤炭消耗量符合GM(1,3)灰色模型,通过绘制出的曲线,对实际值和模拟值对比分析,对过去的值进行比对,对未来10年煤炭消耗量和主要能源消费结构趋势进行预测分析,找出最佳的能源消耗与环境协调发展以及GDP增长的协调方案。
从而保证全省经济社会的绿色发展。
同时对江苏省能源消耗所面临的问题做了简要概述,最后提出了对江苏省能源消费的建议。
关键词:
能源消耗灰色预测需求预测能源结构优化
一、问题重述
江苏省的国土面积仅占全国1.1%,却承载着占全国5.6%的人口,并且创造了全国10%的经济总量。
但是,江苏省经济快速发展已经给环境质量造成巨大的压力,并且付出了沉重的资源和环境代价,发展受到环境强烈的约束正在日益体现出来。
江苏省的资源严重短缺,从煤炭储量来看,2010年基础储量14.23亿吨,查明资源储量36.01亿吨,仅占全国的2.7%。
2010年江苏省煤炭产量为2090万吨,消费量为23100万吨,由于我国煤炭生产基地逐步西移,使得江苏未来煤炭组织能力进一步降低,从煤炭的产量和需求量来看,江苏的经济增长与煤炭资源紧缺的矛盾突出。
从环境污染的情况来看,江苏单位经济产值的主要污染物排放量均超过全国平均水平,江苏省面临的能源瓶颈、环境承载力等环境资源约束日益增多。
江苏省煤炭资源匮乏而煤炭消费总量逐年增长,煤炭消耗问题成为影响江苏经济发展的重要因素。
因此,解决好未来江苏巨大的煤炭供需缺口,分析预测江苏未来的煤炭消费,可以为江苏战略性能源开发供应提供依据,从而保证全省经济社会的绿色发展。
需解决的问题:
(1)影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标有哪些?
各指标对江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的影响情况怎样?
江苏省煤炭消费总量及其占能源消费量的比重、第一、二、三产业煤炭消费量的变动对节能、减排和经济增长等指标产生怎样的影响?
(2)在整个碳排放约束下,考虑节能目标和江苏省经济发展目标,建立数学模型,对“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源(煤炭、石油、天然气等)消费的结构进行预测和优化。
(3)在整个碳排放约束下,考虑节能目标和江苏省经济发展目标,建立数学模型,对“十二五”期间及未来十年江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量进行预测和优化。
请对预测模型和预测结果的合理性进行检验和说明。
(4)根据分析的结果和结论,对江苏省节能、减排目标的实现路径以及能源结构调整、煤炭消费政策等方面提出意见和建议。
二、问题分析
本题是关于在碳排放约束的条件下对江苏省煤炭消耗量的预测。
这就需要知道影响江苏省煤炭消耗量的主要因素。
我国主要以煤炭为能源主导,但据相关预测,如果按现在的开采速度,我国的煤炭的供给年限保守估计在60年左右,我国以煤炭为主作为我国的能源消费结构是由我国的科技水平以及资源条件决定的,我国值一个富煤,缺油,少气的国家。
本文首先对碳排放量和GDP进行协整分析。
发现二者是协整的有长期的关系,然后建立模型解释了碳排放量的短期波动和长期对GDP的影响。
然后通过对未来10年煤炭消耗量趋势的预测和分析,找出最佳的能源消耗与环境协调发展以及GDP增长的协调方案。
从而保证全省经济社会的绿色发展。
第一问,通过对题目所给信息的综合分析影响江苏省煤炭消耗量的指标以及对三大产业的影响,建立数据模型,分析对煤炭消耗量影响最大的产业,以及个大产业的影响。
第二问,通过对过去几年江苏省在整个碳排放的约束下在保证节能目标和经济发展目标的前提下能源消费结构的分析,利用能源消耗总量Z与煤炭消耗量X,石油消耗量Y以及天然气消耗量之间存在的内在关系,对“十二五”期间以及未来十年主要能源消耗结构的预测和优化。
第三问,通过对过去几年江苏省在整个碳排放的约束下在保证节能目标和经济发展目标的前提下分析三大产业对煤炭消耗量的需求,以及各个产业的未来发展趋势。
第四问,综合节能减排目标,和江苏省经济发展目标等各种约束条件下煤炭的需求,客观的分析出未来江苏省发展的提出的建议。
三、模型的假设
1、假设江苏省GDP每年增长率持续稳定增长。
2、假设江苏省人口没有太大的变动。
3、假设国家“十二五”政策可以实现。
完成国家“十二五”计划的节能目标:
累计下降34.77%。
和“十二五”单位GDP温室气体减排目标,单位国内生产总值二氧化碳排放下降19%。
4、假设江苏省的产业结构没有巨大的变化和调整。
5、假设近几年没有特大自然灾害。
四、建立模型
1、碳排放量的测算
可以分为自然排放和人工排放[1],人工排放是由于人类活动引起的
排放主要包括化石燃料消耗生物质燃烧等。
其中化石燃料消耗所排放的
占95%以上。
江苏作为我国主要的经济发达城市,主要是工业碳排放所占比重较大。
三大产业所占比重如下表所示:
图1江苏省三大产业耗煤量百分比
工业行业的碳排放的估计公式为[2]:
其中
为碳排放量,
为煤炭消耗标准煤量,
为煤炭消耗的碳排放转换系数,
为石油消耗标准煤量,
为石油消耗的碳排放转换系数,
为天然气消耗标准煤量,
为天然气消耗的碳排放转换系数。
注:
这里采用的计算公式主要参考了徐国泉等学者提出并改进的碳排放量分解模型中的算法由于该公式的算法己得到认可因此采用该公式计算得到的碳排放量是可靠的。
2、经济增长动因分析
改革开放以来,是我国经济增长空前发展的时期,改革模式和路径都对经济增长有重要影响。
劳动力、物质资本、人力资本、FDI和企业家等要素对经济增长的贡献,以及这些要素配置市场化程度的提高对经济增长发挥着重要作用。
使得我国经济迅速发展,GDP逐年增加。
图21995年--2010年江苏省GDP增长曲线
图3江苏省年GDP与年份的线性关系
由此得到江苏省每年GDP的数值与年份的函数关系是:
其中y为GDP的数值(单位:
万元),x是年份。
图4煤炭消费量、GDP与年份关系
3、煤炭的主要消耗方向与来源
煤炭消耗量与煤炭的调入量成正相关性。
据微积分求极值得:
得
其中
利用上述公式求得
,
。
线性回归方程为
从下图可以看出,数据很接近。
图5煤炭调入量与煤炭消耗量的
图6煤炭调入量占消费量比重
由于江苏省的资源严重短缺,从煤炭储量来看,2010年基础储量14.23亿吨,查明资源储量36.01亿吨,仅占全国的2.7%。
2010年江苏省煤炭产量为2090万吨,消费量为23100万吨,由于我国煤炭生产基地逐步西移,使得江苏未来煤炭组织能力进一步降低,从煤炭的产量和需求量来看,江苏的经济增长与煤炭资源紧缺的矛盾突出。
近几年江苏省的煤炭消耗量从外地的调入量的比重越来越大。
图7江苏省年GDP与年份的线性关系
综合以上数据分析:
影响江苏省煤炭消费总量以及影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标有江苏省经济体制(主要以第二产业为主),本地煤炭资源紧缺,煤炭主要以采用调入为主,国家节能减排的政策。
由于江苏省主要以第二产业作为本省的支柱产业,江苏省煤炭消费中间加工转化的主要用途火力发电以、供热和炼焦,总端消费主要在工业,合计在总消耗的98%,而火力发电耗碳量所占比重所占比重极高,2006年高达69.13%,此后电煤耗煤量比重下降速度较快,2009年达到了53.33%。
而工业这个高耗能,高污染的产业,使得煤炭消耗量很大,而国家的能源政策,使得煤耗量的增长率有所下降,而江苏省第一产业所占GDP比重正在逐年递减,故煤炭消耗量的增长率也在递减。
第三产业的煤耗量与GDP不成线性关系,具有一定的不确定性,但却保持在一定的范围内浮动。
作为全国经济发展较快的省市,江苏省的能源消耗在全国所占比重较大,由于过奖节能减排的政策的影响,江苏省火力发电的耗煤量的下降,江苏省加快推进电源结构的多元化,加大了风力发电等可再生资源的研发力度,但江苏省非煤发点机组的比重目前仍然约为15%左右,江苏省发改委“十二五”期间要使能源结构多元化,使清洁能源、可再生能源比例提高。
使全省的碳排放量的下降,达到国家的节能减排的目标。
4、灰色系统预测模型
灰色系统是一种内部一部分信息已知,另一部分信息未知或不确定的系统。
是指对系统行为特征值的发展变化进行的预测,对既含有已知信息又含有不确定信息的系统进行的预测,也就是对在一定范围内变化的、与时间序列有关的灰过程进行预测。
尽管灰过程中所显示的现象是随机的、杂乱无章的,但毕竟是有序的、有界的,因此得到的数据集合具备潜在的规律。
灰色预测是利用这种规律建立灰色模型对灰色系统进行预测。
灰色系统理论[3]
对于n个变量:
,
.……
,如果每个变量都有m个相互对应的数据,则可形成n个数列
(i=1,2……n),
即
(i=1,2……n)。
对
累加生成,形成n个生成数列
,有
(i=1,2……n)
则
(i=1,2……n)
对n个数列可建立微分方程,即
式
(1)中参数课表示为
按最小二乘法估计参数
,则有
式中
可得GM(1,n)模型为:
(i=1,2……,n)
(j=0,1,2,……n)
(1)
由此式便可计算出第j+1期的预测值
.
利用实际值与真实值之间的残差进行比较,如果误差较大需加入修正模型,在进行预测以减少误差[4]。
(i=1,2,3……n)
可知预测数列残差的均值与方差为
原始数据的均值与方差为
计算后验证检查比值和小误差概率为
5、建立灰色系统模型
(2)
(j=0,1,2……14)
其中
在整个碳排放约束下,考虑节能目标和江苏省经济发展目标,建立数学模型,对“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源(煤炭、石油、天然气等)消费的结构进行预测和优化。
对“十二五”期间以及未来十年煤炭消费总量的预测
由式
(2)可以计算出江苏省2011——2021年煤炭消费年增长率的全部累加值
,然后利用下边的公式,即
(j=1,2,3……10)(3)
对
累减还原得
的模拟值
,即煤炭消费年增长率的历史模拟值。
进而将1995年——2010年GDP增长率和煤炭消费总来那个的比例数值代入式
(2)中,然后利用式(3)累减还原,便可计算出2011——2021年煤炭消费年增长率预测值,由此预测值便可计算出全国2011——2021年江苏省煤炭年消费量计算结果见下表:
表11995——2020年江苏省煤炭实际消耗量和预测量
年份
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
煤炭实际消耗量(万t)
8936
8833
8585
8571
8714
8770
8963
9663
煤炭预测消耗量(万t)
8950
8845
8579
8565
8725
8775
8965
9665
年份
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
煤炭实际消耗量(万t)
10849
13272
16779
18428
19952
20737
21003
23100
煤炭预测消耗量(万t)
10865
13275
16786
18412
19950
20740
21003
23126
年份
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
煤炭预测消耗量(万t)
22627
23334
24200
25276
26029
27125
28036
29012
30021
31152
将1995——2010年江苏省煤炭的年消费量和2011——2020年江苏省煤炭年消费需求量预测量绘制成如图,可以看出,1995年——2010年江苏省煤炭消费量的模拟结果又很好的相似性并具有很好的拟合度。
由此预测是准确的[1][6]。
图81995——2020年煤炭实际消耗量与预测消耗量的对比
煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量优化方案[6][7]:
以上煤炭需求量表明,在“十二五”期间煤炭的需求量总体处于未定增长状态,年增长率稳定在10.7%左右,可知煤炭能源在能源消费结构中人处于重要地位,随着国家煤炭储蓄量的下降和煤炭需求量的上升,社会对煤炭的需求日益强烈,所以新能源及能源替代问题上,以及能源消耗结构调整提上议程。
这就要求江苏省能源消费向高效、清洁、低碳或无碳的天然气、核能、太阳能、风能的方向发展。
按照中国政府确定的能源结构调整方向,预计未来水电、核电、新能源等清洁能源的比重将进一步提高,一次能源向二次能源转化的力度也将不断加大。
同时为了满足日益增加的全社会用量,江苏省需要进一步优化发展煤电,鼓励新能源发电,加强电网建设。
在整个碳排放约束下,考虑节能目标和江苏省经济发展目标,建立数学模型,对“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源(煤炭、石油、天然气等)消费的结构进行预测和优化。
通过上述以煤炭为例,进行的能源需求量的预测可知,GM(1,1)模型[4]对能源的需求量的短期预测效应较好,数据拟合度较优,因而同理对能源结构的其他组成进行了预测和检验,根据题目附表9所给数据分析得出了“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源(煤炭、石油、天然气等)消费的结构进行预测。
能源消费结构数据如下表所示:
表22011年——2020年能源消费结构数据
年份
能源总量
煤
石油
天然气
其他能源
2011
396496.8
278593.50
72359.25
16119.10
29424.95
2012
437955.27
308536.46
77986.95
18795.74
32636.12
2013
483864.55
341697.65
84052.34
21916.84
36197.72
2014
534716.67
378422.98
90589.47
25556.21
40148.01
2015
591059.86
419095.52
97635.02
29799.92
44529.40
2016
641155.52
453699.59
104253.26
33682.36
49520.31
2017
695097.81
493505.48
110356.87
38025.21
53210.25
2018
740092.94
523506.84
116251.38
42682.09
57652.63
2019
789354.82
556841.25
121586.25
48365.36
62561.96
2020
835535.30
586965.16
126258.69
53691.85
68619.60
图9各主要能源消耗量住哪总能源消耗量的比重曲线图
“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源(煤炭、石油、天然气等)消费的结构进行优化:
以上数据表明[4][5]:
在“十二五”期间,我国的煤炭消费结构短期内不会发生根本性的变化,仍然会以煤炭作为主要的能源,通过对数据分析发现,石油的比例基本保持不变,然而天然气消耗比例逐年增加[1],以上数据表明江苏省的能源消费结构在发生着变化,逐渐向新能源和新型能源转变,总之,随着经济的发展,江苏省,这个以第二产业为主要经济支柱的省市单靠储量较少的不可再生能源作为自己的主要能源是不可能满足日益增长的能源需求。
所以能源的结构向可再生资源,绿色能源转变,以及向高科技,高利用率的资源发展,以及可替代能源的发展。
只有这样,才能保证我国可持续发展的道路。
五、模型的评价与建议
1、模型评估
在碳排量的条件下,我们从江苏省近几年的煤炭消耗量和能源消耗结构进行综合分析,找出影响江苏省每年煤炭消耗量的指标为江苏省经济体制(主要以第二产业为主),当地煤炭资源紧缺,煤炭主要以采用调入为主,国家节能减排的政策等。
通过对数据进行建立灰色模型,有效得出未来几年江苏省煤炭消费量和能源消耗结构的发展趋势,并在保证碳排放指标和GDP增长的条件下,对主要能源的消费结构和煤炭消费进行优化。
在有效的保证了在假设条件下,能源得到有效的利用,并得到最大的经济效益。
2、对江苏省相关部门提出的建议
江苏省经济持续每年以较快的速度持续增长,然而作为以第二产业为主要支柱产业的省,高能耗,高污染带来高利润的同时也带来的能源的高消费和环境的污染,在碳约束的条件下,保证国家节能减排的政策要求下,又要使得经济的快速发展,调整能源消耗结构和能源利用率将是今后江苏省经济发展的主要任务和目标。
从预测结果看,尽管煤炭消费会对环境带来很大的负面影响,但当前以煤为主的能源消费结构长期是不会改变的,能源消费结构中煤炭仍占70%左右。
在保证GDP增长的条件下,要降低碳排放量对环境的破坏作用,应该做到以下几点:
(一)提高能源利用效率
与发达城市相比,江苏省的能源利用效率还是比较低的,关键在于产业结构低度化。
各大产业发展极不平衡。
主要以第二产业为主,发电厂、炼焦厂高能源产业的比重高,而低能耗的第三产业等比重过低。
同时由于高能源消耗产业虽然带来高额的利润但生产技术含量较低,单位产品能耗比比发达城市和国际先进水平仍然有很大的差距,但是可以通过转变增长方式和改变结构调整,改变以高投入、高能耗来实现经济快速增长的格局,坚持倡导走科技含量高、经济效益好、环境污染少、资源能耗低的新型工业化之路。
(二)调整优化能源结构
在煤炭、电力、天然气、太阳能、风能、核能等能源中,江苏省高度依赖煤炭资源,这就造成了江苏省产品能源成本高、污染严重、市场竞争力差等一系列问题。
所以调整优化能源结构式江苏省在未来几年中需要重视的一项工作。
当前,江苏省能源消费结构已经开始由煤炭向其他新型能源转换,但是目前石油资源相当紧缺,天然气开发力度较小,不足以满足工业的高消耗,这就要求江苏省能源消费向高效、清洁、低碳或无碳的天然气、核能、太阳能、风能的方向发展。
按照中国政府确定的能源结构调整方向。
使得未来水电、核电等清洁能源的比重进一步提高。
同时为了满足日益增加的全社会用电量,江苏省需要进一步优化发展煤电,鼓励采用新能源发电。
然而西部地区能源丰富,煤矿和天然气资源尤其丰富。
但却人口密集程度较低,能源利用率低。
所以江苏省可以与国重点煤矿企业攻破煤炭的高利用率的难关,同时还可以采用西气东输工程的天然气,既可以保证能源的利用,同时可以保证完成国家的节能减排的的任务。
为市民创造一个良好的绿色环境。
(三)重视环境保护
二氧化碳排放量过高将会带来温室效应。
江苏省在经济发展的同时,高耗能的第二产业带来了许多环境污染问题,如:
水资源的污染,二氧化碳排放量超标等等。
针对环境问题,政府可以通过制定相关的条款来制约企业发展所带来的环境污染,例如政府可以通过税收、价格、贷款、补贴等手段来鼓励相关企业研究开发、使用先进的生产技术和节能技术。
加大对节能和新能源开发技术的投入力度,吸引国内外优秀科研人员和科研机构进驻江苏。
同时要做好环境保护的宣传,鼓励市民减少对资源的利用和破坏,从身边做起,从小事做起,例如:
不用一次性筷子,不用一次性食品包装袋,不乱丢弃废电池、将垃圾分类投放,使资源循环再生。
还可以成立相关部门来监督企业的生产过程,对污染严重的企业进行处理。
参考文献
[1]江苏省统计局.2010年江苏省能源统计年鉴.
,2012年4月29日。
[2]于荣,朱喜安.我国经济增长的碳排放约束机制探微,经济纵横:
第13期,2009年99-101页。
[3]王立杰,孙继湖.煤炭学报,第27卷第3期:
2002年,333-336页。
[4]王宁,湛必云,刘辉.基于灰色GM(1,1)模型的能源消费结构预测:
249-252。
[5]龙广芬,王萍.用灰色模型预测我国能源的需求量[j].四川理工学院学报,2009,22(3);121——124。
[6]邵汝军,黄佐钘.关于我国煤炭需求的长期发展预测[J]煤炭经济研究,2007(3)
[7]王凯,史海英.对江苏煤炭工业发展的几点思考[J]中国煤炭,2005
(2)
附:
MATLAB软件操作命令:
x=[1995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010];
y=[5964.96694.57494.88320.49160.110128.711156.812458.314155.516243.518617.321369.92455427672.231117.435069.4];
plot(x,y,'*-')
n=length(y);
x=[ones(n,1),x'];
[b,bint,r,rint,s]=regress(y',x);
b,bint,s
1.0e+006*
-3.7148
0.0019
bint=
1.0e+006*
-4.3222-3.1075
0.00160.0022
s=
1.0e+006*
0.00000.00020.00006.7983
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