中国能源消耗和环境空气质量问题.docx
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中国能源消耗和环境空气质量问题
中国能源消耗和环境空气质量问题
摘要
能源消费所排放的二氧化硫和烟尘等废气严重影响了空气质量,这一问题若处理不当,就会使人类赖以生存的环境遭到破坏。
因此,研究能源结构对空气质量的影响,并预测未来的空气质量,在此基础上,合理评价我国节能减排取得的成效,具有十分重要的意义。
对于问题一,我们用层次分析法,建立环境空气质量与能源消费结构的各个权重关系,以此量化能源消费与环境的关系。
我们得出结论:
煤炭对空气质量占有0.5353的影响权重,石油权重为0.23,天然气权重为0.1102,其他的权重为0.1246。
对于问题二,参照DEA的方法,建立效益模型,以三种污染的排放为输入量,而三种污染每年的排放减少量作为输出量,计算输出与输入的比值,我们认为比值越大,则说明节能减排的效果越好,通过观察比值的变化,我们认为08年达到效益最佳的峰值。
对于问题三,建立灰色GM模型,我们得到的能源消耗预测结果如下:
单位万吨标准煤
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
消耗
321682
351520
384126
419756
458690
501237
547730
598535
654053
714720
以二氧化硫为例,得到二氧化硫排放量预测结果如下:
单位万吨
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
排放量
2210
2096
1988
1885
1788
1696
1608
1525
1447
1372
对于问题四,根据本文建立的模型分析,对于我国未来优化能源消费结构,改善环境空气质量提出建设性意见和建议。
一.问题重述
能源消费所排放的烟尘和二氧化硫等废气严重污染大气,这一问题如处理不当,就会使人类赖以生存的环境受到破坏和污染。
为了更好得解决这一问题,建立能源消费结构对环境空气质量的影响的定量数学模型,分析能源结构对空气质量的影响。
十一五计划中,制定了节能减排的政策,通过对减排成绩的分析,为下一步制定计划提出建设性的建议。
进一步统计分析,预测未来能源消费总量以及空气质量,掌握基本的发展趋势。
基于以上的建模求解以及分析的过程,为我国未来优化能源消费结构,改善环境空气质量提出意见和建议。
问题一,建立能源消费结构对环境空气质量的影响的定量数学模型。
问题二,定量分析评价十一五期间我国节能减排取得的成绩。
问题三,根据附件中提供的相关数据,预测未来十年能源消费量和环境空气质量。
问题四,根据以上问题的求解结果,优化我国能源消费的结构。
二.问题假设
1.题目给出的数据真实可信。
2.废气中主要污染物为题目中给出的三样,解题过程中忽略其他污染物。
3.污染物排放量与能源消耗成正比。
4.前一年污染物排放对下一年无关。
5.能源消耗总量随年份呈线性增长。
三.问题分析
问题一分析,要量化能源消费结构与环境空气质量的影响,我们理解为量化煤炭、石油、天然气、其他能源消费与二氧化硫、烟尘、粉尘排放量的关系,以环境空气质量为目标层,二氧化硫、烟尘、粉尘的排放作为准则层,煤炭、石油、天然气、其他作为方案层,建立层次分析法模型。
根据生活和工业的污染排放量比例来确定他们在判断矩阵中的比值,根据四种能源占总能源消耗的比重以及他们产生污染物的能力来大致确定判断矩阵中两两比值,这样可以使判断矩阵更加的客观。
然后利用层次分析法专用软件得出一致性矩阵和各个因素间的两两比重,最后得出四种能源消耗对三种污染物的排放量的影响程度。
问题二分析,建立效益模型,利用问题一的结论,即三种污染物二氧化硫、烟尘、工业粉尘对环境空气质量的影响比重,以各自排放量乘以各自比重再求和,得到模型中总输入的数值,总输出也同样由各自污染物排放量的减少量乘以权重再相加得到,分别计算出00年到09年的总输入和总输出,对每一年都作出总输出对总输入的比值hj,比值越大,说明节能减排的效果越好。
画出hj折线图,来观察十一五期间节能减排的效益的大小。
问题三分析,由于数据较少,不宜用线性拟合。
用灰色GM模型预测较适合,对原数列x0进行累加得到累加生成数列x1,在计算均值数列z1,得到灰微分方程x0(k)+az1(k)=b,利用软件求出结果a和b的值,得到得到X1的序列的时间响应方程:
x1(k+1)=(x0
(1)-a/b)e-ak+b/a,由此求出以后十年的累加数列,在进行累减计算,得到未来十年的数据,完成预测。
问题四分析,基于本文研究的问题,给出对我国能源结构的改进,节能减排等方面的建议和意见。
四.符号说明
CI
一致性比值
RI
随机性一致性比值
CR
一致性比率
λ
最大特征根
Wi
最大特征向量
X0
00年至09年能源消费总量的原始数据列
x0
00年至09年能源消费总量的原始初始值
X1
将X0累加后得到的累加生成数列
x1
累加数列里的元素
b
灰色作用量
a
发展系统
YN
数据向量
B
数据矩阵
u
参数向量
xij
第j年对第i种输入变量的投入总量
yrj
第j年对第r种输出变量的产出总量
vi
对第i种类型输入的一种度量(权重)
ur
对第r种类型输出的一种度量(权重)
hj
总输出对总输入的比值
c
方差比
p
小概率误差
五.模型建立与求解
5.1问题一:
层次分析法解题【1】
(1)建立模型
我们查阅相关资料,发现煤炭燃烧产生的二氧化硫、粉尘和工业粉尘要远远大于石油和天然气,而石油的危害要大于天然气,天然气是其中最环保的燃料。
为建立层次分析法的方案层,我们查阅了资料,得出目前我国的能源消费结构:
图一能源消费结构比重
计算原始数据中工业和生活的不同比重:
表1二氧化硫排放量比例
00年
01年
02年
03年
04年
05年
06年
07年
08年
09年
工业
0.81
0.8
0.81
0.83
0.84
0.85
0.86
0.87
0.86
0.84
生活
0.19
0.2
0.19
0.17
0.16
0.15
0.14
0.13
0.14
0.16
表2烟尘排放量比例
00年
01年
02年
03年
04年
05年
06年
07年
08年
09年
工业
0.82
0.8
0.79
0.81
0.81
0.8
0.79
0.78
0.74
0.71
生活
0.18
0.2
0.21
0.19
0.19
0.2
0.21
0.22
0.26
0.29
通过分析能源消费结构、工业和生活的比重,在确立判断矩阵时,令工业和生活的比值为4:
1,而煤炭、石油、天然气、其他两两之间的比重同样根据能源消费结构来确定,这样更加准确。
下面建立层次模型:
图二层次结构模型
(2)由ahp软件生成一致性矩阵:
环境空气质量工业生活Wi
工业1.00002.71830.7311
生活0.36791.00000.2689CI=0,λ=2,RI查表
工业二氧化硫烟尘工业粉尘Wi
二氧化硫1.00001.00001.00000.3333
烟尘1.00001.00001.00000.3333
工业粉尘1.00001.00001.00000.3333CI=0,λ=3,RI查表
生活二氧化硫烟尘Wi
二氧化硫1.00001.00000.5000
烟尘1.00001.00000.5000CI=0,λ=2,RI查表
二氧化硫煤炭石油天然气其他Wi
煤炭1.00002.22554.95304.05520.5325
石油0.44931.00001.82211.49180.2165
天然气0.20190.54881.00000.81870.1130
其他0.24660.67031.22141.00000.1380CI=0,λ=4,RI查表
烟尘煤炭石油天然气其他Wi
煤炭1.00002.22554.95304.05520.5165
石油0.44931.00002.71832.71830.2996
天然气0.20190.36791.00001.00000.1043
其他0.24660.36791.00001.00000.1096CI=0,λ=4.1,RI查表
工业粉尘煤炭石油天然气其他Wi
煤炭1.00003.32014.95304.05520.5689
石油0.30121.00001.49181.82210.1894
天然气0.20190.67031.00000.81870.1149
其他0.24660.54881.22141.00000.1269CI=0,λ=4,RI查表
以上为所有模块的判断矩阵,CI均等于0,CR=CI/RI=0,均小于0.1,说明此判断矩阵可信,则由(3)软件计算出最后的权重:
表3能源种类权重表
能源种类
煤炭
石油
天然气
其他
对环境空气权重
0.5353
0.2300
0.1102
0.1246
对二氧化硫权重
0.5325
0.2165
0.1130
0.1380
对粉尘权重
0.5165
0.2696
0.1043
0.1096
对工业粉尘权重
0.5689
0.1894
0.1149
0.1269
权值相加和为1。
(4)验证模型准确性:
题目给出了00至09年能源消费总量,由图一比例算出各种能源的消费量,由假设三自定义能源消耗与二氧化硫排放量比例为38:
1,与粉尘排放量比值为68:
1,与工业粉尘的比值为78:
1,再利用表3权重分别算出二氧化硫、粉尘、工业粉尘三种污染的排放量,与题目给出数据进行对比:
图三二氧化硫排放量对比
图四烟尘排放量对比
图五工业粉尘排放量对比
通过对比,06年以前基本吻合,06年以后实际值明显下降,因为十一五计划的节能减排效果良好,与实际相符合,说明层次分析法得出的结果比较可信。
5.2问题二:
因为要评价十一五期间我国节能减排取得的成绩,除了十一五期间的比较,我们认为2000到2005的数据也有比较价值,对2000到2009的数据。
参照DEA模型【3】,我们引入输入和输出指标,我们知道在输入最少而输出最大的情况下则认为成绩最好,所以,将输出与输入的比值作为标准进行评价,此题中,我们将各年二氧化硫排放量,烟尘排放量,工业粉尘排放量作为输入变量。
二氧化硫,烟尘,工业粉尘排放量各自与前一年相比的削减量作为输出量,具体见表1:
表4输入和输出指标
总输入
输入变量
总输出
输出变量
环境容纳资源
二氧化硫排放量
环境空气质量
二氧化硫削减量
烟尘排放量
烟尘削减量
工业粉尘排放量
工业粉尘削减量
建立模型:
我们设xij是第j年对第i种输入变量的投入总量.xij〉0,yrj是第j年对第r种输出变量的产出总量.yrj〉0,vi是对第i种类型输入的一种度量(权重),ur是对第r种类型输出的一种度量(权重),(这里可以利用第一题所得各种排放物对环境空气质量的权重,而且输入和输出变量的种类并没有改变,所以权重应该也没有变,u1=v1=0.3782,u2=v2=0.3782,u3=v3=0.2437)i=1,2,…,m,r=1,2,…,s,j=1,2,…,n。
(这题中,m=3,s=3,j=5)。
有公式(比值公式):
我们根据中国统计年鉴数据进行相关的整理得到表5的数据:
表5投入产出数据
项目
年度
二氧化硫排放量
烟尘排放量
工业粉尘排放量
二氧化硫削减量
烟尘削减量
工业粉尘削减量
2001
1947.8
1069.8
990.6
47.3
95.6
101.4
2002
1926.6
1012.7
941
21.2
57.1
49.6
2003
2158.7
1048.7
1021
-232.1
-36
-80
2004
2254.9
1095
904.8
-96.2
-46.3
116.2
2005
2549.3
1182.5
911.2
-294.4
-87.5
-6.4
2006
2588.8
1088.8
808.4
-39.5
93.7
102.8
2007
2468.1
986.6
698.7
120.7
102.2
109.7
2008
2321.2
901.6
584.9
146.9
85
113.8
2009
2214.4
847.2
523.6
106.8
54.4
61.3
根据权重算出的总输入,总输出,及比值hj见表6:
表6总输入、总输出以及比值
年份
总输入
总输出
比值(hj)
2001
1382.666
78.7560
0.05696
2002
1340.965
41.7
0.031097
2003
1461.856
-120.891
-0.0827
2004
1487.432
-25.5756
-0.01719
2005
1633.426
-145.994
-0.08938
2006
1587.875
45.5508
0.02869
2007
1476.841
111.0347
0.07518
2008
1361.403
115.4376
0.08479
2009
1285.498
75.9047
0.05905
为了直观,画出了各年比值hj的折线图:
图六比值折线图
由折线图可知,从2001年到2005年前也就是实行十一五计划前,我国节能减排效率不是很高而且逐年下降,节能减排势在必行。
从06年开始比值开始上升,即效率增高,而十一五计划正是从06年开始的,说明十一五期间节能减排效率整体较高而且相比没事实行十一五前有较明显变化,污染物的输出得到有效控制,从06年到08年的比值hj都在升高,而十一五后期有所下降,说明十一五前期的节能减排工作做的颇有成效,而后期虽然有成效,但效益有所下降。
5.3问题三:
5.3.1用灰色GM模型【2】预测未来十年中国能源消耗:
对于短观测数据序列,由于获取的信息量少,难以发现数据变化规律,若用统计分析方法建模,所作出的预测将不准确。
灰色理论是处理少数据、不确定性问题的理论。
对此问题,建立灰色预测模型可以得到比较准确的结果。
定义2000至2009十年的能源消费总量为原始观测值序列:
X0={x0(i)}(i=1,2,……,n)(6.1.1)
累加生成操作是灰色系统理论中重要的数据处理方法,通过累加生成,任意非负数列、摆动数列都可以转化为非减的递增数列,从而削弱原始数据的随机性,突出其趋势性,累加式如下:
x1(k)=
(k=1,2,……,n)(6.1.2)
生成累加数列为X1={x1(i)}(i=1,2,……,n)(6.1.3)
令Z1为X1的均值数列,即z1(k)=0.5x1(k)+0.5x1(k-1),(k=2,3,……,n)(6.1.4)
由此定义灰微分方程模型GM(1,1)为
x0(k)+az1(k)=b(6.1.5)
令YN=(x0
(2),x0(3),……,x0(n))T,u=(a,b)T,B=
,
则GM(1,1)模型可以表示为矩阵方程YN=Bu,参数向量u可用最小二乘法确定。
如果BTB非奇异,则u=(BTB)-1BTYN。
(6.1.6)
解得a、b的值之后,可以得到X1的序列的时间响应方程:
x1(k+1)=(x0
(1)-a/b)e-ak+b/a(6.1.7)
式中:
参数a为发展系数,b为灰色作用量。
如时间响应方程能通过精度检验,则可通过累减运算还原进行预测:
x0(k+1)=(x1(k+1)-x1(k))(k=n,n+1,n+2,……)(6.1.8)
我们用以上模型,代入题目给出的数据,得出结果:
a=-0.0887,b=138390,x1(k+1)=145531*e0.887k-1560157,得到00年至09年的计算结果,与真实数据对比:
图七能源消耗预测与实际对比图
从图中我们看出此预测模型非常准确,可以用来预测未来十年的能源消耗量:
表7未来十年能源消耗预测
单位:
万吨标准煤
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
消耗
321682
351520
384126
419756
458690
501237
547730
598535
654053
714720
图八能源消耗预测图
从图中看出能源消耗逐年上升,但是上升速度并没有发生明显变化。
5.3.2对未来十年二氧化硫排放量的预测:
以05年至09年的二氧化硫排放量作为原始数据,运用灰色GM模型预测,求得a=0.053,b=2795,作出预测图表,
表8未来十年二氧化硫排放量预测
单位:
万吨
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
排放量
2210
2096
1988
1885
1788
1696
1608
1525
1447
1372
图九二氧化硫排放量预测
图中看出节能减排效果明显,但是效果缓缓变差。
5.3.3对未来十年烟尘排放量的预测:
以05至09年的数据作为原数据,用以上模型做预测,求得a=0.0853,b=1228,作预测图表:
表9未来十年烟尘排放量预测
单位:
万吨
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
排放量
836
768
705
647
594
546
501
460
422
388
图十烟尘排放量预测
节能减排效果显著。
5.3.4未来十年工业粉尘预测:
以05至09年为原数据,用以上模型,得a=0.1499,b=1004,做出如下预测:
表10未来十年工业粉尘排放量预测
单位:
万吨
年份
2010年
2011年
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
2017年
2018年
2019年
排放量
513
442
380
327
282
242
209
179
154
133
图十一工业粉尘排放量预测
节能减排效果显著。
5.4问题四:
为我国未来优化能源消费结构,改善环境空气质量提出意见和建议:
1.各级政府及有关部门应认真贯彻落实大气污染防治法,扎实推进环境保护工作,全民环境意识应进一步提高;各地区、各部门应强化目标责任考核,加大工程减排、结构减排、管理减排的工作力度,出台脱硫优惠电价等政策,推动减排工作深入开展。
国家出台相关政策,有效减少煤炭的使用量,开发新技术,提倡使用太阳能,天然气,风能等清洁能源;企业引进先进设备,提高煤炭的利用率。
2.城市燃气和发电是天然气的主要应用方向。
目前,我国燃气发电仅占2%左右,今后,发电燃料结构仍然以煤为主,但国家应同时积极推进天然气和核能的应用。
3.由第一题的分析可知,工业上产生的大气污染物远远多于生活中所产生的大气污染物。
因此,国家应加大工业上排放污染物的管理力度,与此同时,个人在生活中应树立节约能源的意识,崇尚地碳绿色生活,应从小事做起,为改善空气质量贡献自己的力量
4.控制增量,调整和优化结构。
要控制高耗能、高污染行业过快增长,加快淘汰落后生产能力,完善促进产业结构调整的政策措施,积极推进能源结构调整,促进服务业和高技术产业加快发展。
通过污染现状和控制目标的分析,要使长春市空气质量保持在满足国家二级标准要求范围内,满足长春市2010年空气质量控制目标要求,为人民群众提供良好的生存环境,必须改变能源结构、积极开发太阳能和生物质能等可再生资源、扩大天然气清洁能源的比例、发展城市集中供热、加快产业结构调整、推广清洁生产和洁净煤技术是当前一项重任务。
5.全面规划,合理布局。
合理布局循环经济项目,拉长产业链条,降低企业节能减排成本。
坚持资源化、无害化并重的治理思路,改变单一为治污而治污的局限,探索跨行业、区域性的循环经济发展模式。
建立全市循环经济重点企业、项目库,促进关联企业、项目适度向专业园区集中,实现集群发展,使节能减排的产业链条环环相扣、首尾相连、良性循环,并使企业开展项目合作的成本尽量降低。
大气污染防治,必须从协调地区经济发展和保护环境之间的关系出发,对该地区各污染源所排放的各类污染物质的种类、数量、时空分布作全面的调查研究,并在此基础上,制定控制污染的最佳方案。
6.改善能源结构,提高能源利用率。
煤炭在燃烧过程中排放大量的SO2、NOX、CO以及悬浮颗粒等污染物。
因此,从根本上解决大气污染问题,必须从改善能源结构入手,推广清洁能源,实行集中供热,治理煤烟型和机动车尾气复合型污染。
例如使用天然气及二次能源,如煤气、液化石油气、电等,还应重视太阳能、风能、地热、生物质能等所谓清洁能源的利用。
我国以煤炭为主的能源结构在短时间内不会有根本的改变。
对此,应推广型煤及洗选煤的生产和使用,以降低烟尘和SO2的排放量。
全面实施清洁能源改造工程,逐步实现以气代煤及使用型煤。
加快建设成区燃煤炉、窑、灶改用清洁能源的步伐,减少燃煤量和烟尘排放量。
通过能源结构调整,推广清洁能源,有效减少燃煤使用量,使生活SO2排放量逐步下降;加强SO2污染防治宣传和培训工作。
转换思路视角,通过循环经济模式“变废为宝”,可实现“节能”、“减排”的双赢。
7.推广使用洁净煤,减少污染物排放。
解决这些问题的重要技术途径之一是发展洁净煤技术,发展洁煤技术是我国能源工业的战略性选择。
因此,研究和应用适合我国国情的洁净煤利用势在必行。
洁净煤技术是指从煤炭开发到利用全过程中,旨在减少污染物排放和提高利用效率的煤炭加工、转化、燃烧及污染控制等一系列新技术的总称。
是使煤作为一种能源应达到最大限度潜能的利用,而释放的污染控制在最低水平,达到煤的高效、洁净利用的目的技术体系。
8.循环再利用,节约资源。
靠循环再利用的方
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