系统动力学的碳排放系统仿真与优化方案研究论文

国内图书分类号：F 3 2 6 国际图书分类号：6 3 学校代码：1 0 0 7 9 密级：公开 专业硕士学位论文 基于系统动力学的碳排放系统仿真与优化方 案研究 硕士研究生：施婷 导师：王敬敏教授 申请学位：工程硕士 专业领域：工业工程 培养方式：全日制 所在学院：经济与管理学院 答辩日期：2 0 13 年3 月 授予学位单位：华北电力大学 C l a s s i f i e dI n d e x ：F 3 2 6 U D C ：6 3 T h e s i sf o rt h eM a s t e rD e g r e e S i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no fC a r b o nE m i s s i o n S y s t e mB a s e do nS y s t e mD y n a m i c s C a n d i d a t e ： S u p e r v i s o r ： S c h o o l ： D a t eo fD e f e n c e2 S h iT i n g P r o f W a n gJ i n g - m i n S c h o o lo fE c o n o m i ca n dM a n a g e m e n t M a r c h ，2 0 1 3 D e g r e e C o n f e r r i n g - I n s t i t u t i o n ： N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y 嘲嬲 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于系统动力学的碳排放系统 仿真与优化方案研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：多包乏手日期：弘房年弓月z 护 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 基于系统动力学的碳排放系统仿真与优化方案研究系本人在华北电力大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华 北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交 论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于( 请在以上相应方框内打“”) ： 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密函 作者签名： 导师签名： 旌媾 一 乡轰敏 日期：b f 年；月2 Z E 1 日期：沙侈年弓月ZZ E l 摘要 摘要 目前，为应对全球气候变化与资源环境相关问题，世界各国纷纷把发展低 碳经济作为自己国家的基本发展战略之一。论文选择国家首批低碳试点城市保 定市为研究对象，建立第一产业碳排放仿真模型，研究碳排放的发展趋势和优 化方案，具有重要的现实意义和理论价值。 在大量查阅国内外碳排放量估算方法和模型的相关文献基础上，分析了现 有估算方法和模型的局限性。选择保定市第一产业作为碳排放系统研究对象， 分析了该系统的排碳现状及碳排放影响因素，基于碳源和碳汇两个角度构建了 相应指标体系和计量模型，测算了该系统的碳排放总量；基于系统动力学理论 思想，构建了碳排放系统的动力学模型，绘制了系统的因果关系图和流程图， 通过对模型进行测试和检验，确认系统模型的有效性，并运用模型模拟了保定 市碳排放的动态变化趋势；基于节能、低碳和强化低碳三种情景，通过调整变 量参数，设计了三种方案对保定市第一产业碳排放趋势进行了的情景模拟。通 过模型预测及比较分析可得，强化低碳在理论上是较为理想的发展模式，保定 市的低碳城市建设应该积极向强化低碳情景靠拢。最后，针对保定市低碳农业、 低碳林业和低碳畜牧业的发展分别给出了相关政策建议。 关键词：低碳经济；碳排放；系统仿真；系统动力学；V e n s i m 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼! 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅I I 一。 A b s t r a c t A tp r e s e n t ，t oc o p ew i t hg l o b a lc l i m a t ec h a n g ea n dp r o b l e m sr e l a t e dw i t h e n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e a l lc o u n t r i e si nt h ew o r l dt r e a t l O Wc a r b o ne c o n o m y d e v e l o p m e n t a san a t i o n a lb a s i cd e v e l o p m e n t a ls t r a t e g y A so n eo fl o w c a r b o np i l o tc i t y , B a o d i n gi Sc h o s ea st h er e s e a r c ho b j e c t T h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef i r s ti n d u s t r i a lc a r b o n e m i s s i o ns i m u l a t i o nm o d e la n dt h er e s e a r c ho nd e v e l o p m e n tt r e n da n dt h eo p t i m i z a t i o n s c h e m eo fc a r b o ne m i s s i o n sh a v et h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h e o r e t i c a l v a l u e B ya n a l y z i n gt h es t a t u sq u oa n dc a r b o ne m i s s i o n si m p a c tf a c t o r so fB a o d i n g Sf i r s t i n d u s t r yc a r b o ne m i s s i o n s ，c o r r e s p o n d i n gi n d e xs y s t e ma n dm e a s u r e m e n tm o d e lw a s c o n s t r u c t e df r o mt w oa n g l e so fc a r b o ns o u r c e sa n ds i n k s T h et o t a lc a r b o ne m i s s i o n so f B a o d i n g Sf i r s ti n d u s t r yi se s t i m a t e d B a s e do ns y s t e md y n a m i c st h e o r y , t h i sp a p e rc o n s t r u c t sas y s t e md y n a m i c sm o d e lo f t h ef i r s ti n d u s t r i a lc a r b o ne m i s s i o n si nB a o d i n g T h es y s t e mm o d e li sc o n f i r m e df e a s i b l e a n de f f e c t i v et h r o u g hm o d e lt e s t i n ga n di n s p e c t i o n T h em a i nv a r i a b l e t r e n d so f B a o d i n g Sc a r b o ne m i s s i o n ss y s t e md y n a m i ca r es i m u l a t e d A f t e rt h em o d e li sv a l i d a t e d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e se n e r g y s a v i n gs c e n a r i o s ， l O W c a r b o ns c e n a r i O Sa n du l t r a l o w c a r b o ns c e n a r i O S S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t u l t r a l o w - c a r b o ns c e n a r i oi sam o r ei d e a ld e v e l o p m e n tm o d ei nt h e o r y B a o d i n g Sl o w c a r b o nc i t yc o n s t r u c t i o ns h o u l db ea c t i v e l yd r a w e dt ot h eu l t r a l o w - c a r b o ns c e n a r i o s F i n a l l y , s u g g e s t i o n sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l yi nd e v e l o p m e n to fB a o d i n g Sl o wc a r b o n a g r i c u l t u r e ，l o wc a r b o nf o r e s t r ya n d l o wc a r b o na n i m a lh u s b a n d r y K e y w o r d s ：l o w - c a r b o ne c o n o m y ；c a r b o ne m i s s i o n s ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；s y s t e m d y n a m i c s ；V e n s i m I I 目录 目录 摘 要I A b s t r a c t I I 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 基于碳排放总体特征及影响因素的研究现状2 1 2 2 基于排碳量估算方法的研究现状3 1 2 3 基于碳排量测算模型的研究现状3 1 2 4 基于系统动力学的碳排放研究现状4 1 3 研究目的及创新点5 1 3 1 研究目的5 1 3 2 主要创新点6 1 4 研究内容及研究思路6 1 4 1 研究内容6 1 4 2 研究思路7 第2 章系统动力学仿真建模理论基础一8 2 1 系统动力学概述8 2 1 1 系统及其分类8 2 1 2 系统动力学的基本概念9 2 2 系统动力学仿真建模的基本原理及特点，9 2 2 1 系统动力学仿真建模的基本原理9 2 2 2 系统动力学仿真建模的特点1 0 2 3 系统动力学仿真建模的方法1 0 2 4 系统动力学仿真建模的步骤n 2 5 本章小结1 2 第3 章保定市第一产业碳排放现状及排碳量的核算1 3 3 1 保定市第一产业发展现状及碳排放影响因素1 3 3 1 1 第一产业的界定1 3 目录 3 1 2 保定市第一产业发展概况1 3 3 1 3 保定市第一产业碳排放影响因素的分析1 4 3 2 保定市第一产业碳排放统计指标体系的构建1 6 3 2 1 碳源及碳汇的界定1 6 3 2 2 指标体系的框架1 7 3 2 3 计量方法1 8 3 2 4 活动水平数据及排放系数的来源19 3 3 保定市第一产业碳排放量的核算2 0 3 3 1 农业碳排放量的核算2 0 3 3 2 林业碳排放量的核算2 2 3 3 3 畜牧业碳排放量的核算2 2 3 3 4 保定市第一产业碳排放总量核算2 3 3 4 本章小结2 3 第4 章碳排放系统模型的结构分析与建立2 4 4 1 模型边界与建模目的2 4 4 2 系统建模2 4 4 2 1 问题的识别2 4 4 2 2 模型的系统结构分析2 4 4 2 3 模型的因果关系分析2 5 4 2 4 第一产业排放系统动力学模型2 7 4 3 模型变量及参数2 7 4 3 1 模型中的变量2 8 4 3 2 模型参数说明2 8 4 4 系统仿真及结果3 0 4 4 1 模型初始值3 0 4 4 2 系统仿真3 0 4 5 模型有效性检验3 3 4 5 1 直观检验3 3 4 5 2 运行检验3 4 4 5 3 历史性检验3 4 4 5 4 灵敏度检验3 5 4 6 本章小结3 6 第5 章碳排放系统优化方案及建议3 7 5 1 系统优化方案及分析3 7 目录 5 2 保定市第一产业低碳发展的建议4 0 5 2 1 发展低碳农业的建议4 0 5 2 2 发展低碳林业的建议4 1 5 2 3 发展低碳畜牧业的建议4 l 5 3 本章小结4 2 第6 章结论及展望4 3 6 。1 结论4 3 6 2 展望4 3 参考文献一4 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果4 8 致谢4 9 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，气候变化和温室气体减排问题持续升温。为应对全球气候变化与资源 环境相关问题，低碳经济议题已成为世界各国的政治和经济问题。 自工业革命以来，人类生活所排放的C 0 2 等温室气体浓度急剧加大，远远超出 了自然界的调节能力，以至全球平均气温明显升高。气候变化已经对生态安全、粮 食安全、水资源利用、人居环境和社会经济等多个领域产生深远影响【l 】。这种情况 下，各国之间协商减少温室气体排放量的相关谈判也逐渐开展起来，各国也已经开 始采取相关减排措施1 2 j 。1 9 9 7 年1 2 月，联合国制定京都议定书【3 】；2 0 0 3 年2 月，英国发表的能源白皮书我们能源的未来：创建低碳经济明确提出，到2 0 5 0 年，英国的C 0 2 排放量将消减6 0 左右 4 1 ；2 0 0 7 年6 月，中国正式发布了中国 应对气候变化国家方案【5 J ；2 0 0 7 年7 月11 日，美国参议院提出低碳经济法案， 把低碳经济提升到美国未来发展的重要战略选择地位【6 刁J ；2 0 0 9 年1 1 月2 5 日，中 国国家主席胡锦涛在哥本哈根全球气候峰会上向世界庄严承诺：到2 0 2 0 年，我国 单位G D P 二氧化碳排放将比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 ，将其作为约束性指标纳入国民 经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法加以落实【7 j 。 这一承诺使得中国从高能耗、高排放的传统工业化道路向低能耗、低排放、高产出、 高效益的新型工业化道路的迈进，同时，也是作为世界大国之一的中国积极应对国 际形势变化，掌握新一轮国际竞争主动的内在要求。 我国自改革开放以来经济发展取得了举世瞩目的成就，然而与经济发展同步， 我国也已然成为了世界性的碳排放大国，这不仅表现在工业方面，而且还表现在飞：速 发展的第一产业现代化进程中【8 母】。第一产业，作为我国三大产业之一的基础产业， 在碳排放与碳循环中起着重要作用【l o 】。我国第一产业现代化改造虽然沿用了与西方 发达国家相似的模式和路径，但在推动第一产业高速发展的过程中却表现出了十分 突出的高碳特征。我国是人口大国也是农业大国，现有的碳排放研究只关注于工! 业 等领域，如何对第一产业的碳排放发展趋势进行研究，进而达到有效控制碳排放， 是目前亟待解决的问题。 保定市有1 8 个县4 个区，是我国包含县市最多的城市之一。作为世界自然基 金会( W W F ) “中国低碳城市发展项目”的首批试点城市，保定市的碳排放领域和碳 华北电力大学坝士学位论文 减排的重点任务与其它城市有许多共性。同时，承担的“保定市碳排放信息统计、 管理和报告及监测体系建设研究”课题为本文的研究提供了一定的基础。因此，本 文的研究是以保定市为例，以第一产业为碳排放系统研究对象进行的。对保定市未 来第一产业碳排放的发展模式进行研究，不仅是保定经济发展过程中所面临的重大 课题，也是我国整个社会经济发展过程中所要迫切解决的问题之一。 1 1 2 研究意义 本文以第一产业作为碳排放系统研究对象，基于系统动力学理论，建立系统仿 真模型，模拟未来几年碳排量的发展趋势；基于节能、低碳和强化低碳三种情景进 行方案设计，通过调整变量参数进行方案的优化选择，试图寻找适合保定市第一产 业发展的、能够有效控制碳排放的发展模式。本文的选题在理论上对于研究第一产 业生态系统的发展，拓展系统动力学应用范围具有积极的现实意义。 保定市是我国县市最多的城市之一，也是我国低碳试点城市之一，具有代表性， 对它的研究具有较高的理论意义。同时，对保定市第一产业碳排放的研究可为其他 类似城市的相关研究提供参考，采取积极措施共同应对气候变化并实现中国的减排 目标。 1 2 国内外研究现状 通过研究可知，国内外碳排放研究主要集中在碳排放总体特征及影响因素的研 究、碳排量估算办法的研究、碳排量测算模型的研究和系统动力学模型的碳排放研 究四个方面。 1 2 1 基于碳排放总体特征及影响因素的研究现状 文献 11 N 算比较了2 0 1 0 年世界高、中、低三等收入国家的人均碳排放量，得 出碳排放不仅随收入的增长而增多，还受到当地土地利用变化的相关影响；文献1 2 1 分析了我国经济发展、能源消费结构、能源强度与碳排放的关系，指出能源消费结 构和能源强度是影响碳排放的重要因素；文献【1 3 基于两阶段迪氏因素分解法，对 C 0 2 的影响因素进行分析，引入产出结构效应，对几种经济增长方式进行了界定； 文献 1 4 1 运用平均分配余量分解方法和环境库兹涅茨曲线模型对中国碳排放的影响 因素进行分解，得出主要影响因素有C D P 、产业结构、碳排放强度；文献 1 5 1 基于 境库兹涅茨曲线模型，对我国碳排放趋势与经济发展之间的关系进行了研究，发现 这两者之间呈倒“U ”形或“N ”形关系；文献 1 6 1 通过建立人均碳排放模型，分析 了能源结构、能源效率、经济发展对我国人均碳排放的贡献值的变化；文献 1 7 1 分 华北电力大学硕士学位论文 析比较了我国东、中、西部三大地区的碳排放特征及其差异，指出经济发展对碳排 放有着至关重要的影响作用；文献 1 8 1 比较分析了发达国家和发展中国家的碳排放 情况，指出经济结构的多元化会导致能源需求降低；文献【1 9 】指出经济发展和人口 规模的扩大是二氧化碳排放增加的主要因素；文献 2 0 】采用投入产出法，对居民生 活与能源消费和碳排放之问的关系进行了研究，得出城镇居民人均碳排放大大高于 农村居民的人均碳排放。 通过以上文献分析发现，学者普遍采用E K C 模型、K a y a 恒等式或因素分解模 型等模型对我国碳排放特征和影响因素进行研究；影响碳排放的主要因素有经济发 展水平、能源消费结构、能源强度、人口规模、能源效益等。 1 2 2 基于排碳量估算方法的研究现状 通过广泛的查阅文献资料可知，现有的排碳量估算方法主要有六种：实测法、 物料衡算法、排放系数法、模型法、生命周期法和决策树法。 文献 2 1 通过监测手段和国家有关部门认定的连续计量设施，测量排放气体的 流速、流量和浓度，用环保部门认可的测量数据来计算C 0 2 的排放总量；文献 2 2 】 指出物料衡算法是大部分碳排碳量估算工作及数据的获取基本方法，即通过结合排 放源的排放量、资源的综合利用及环境治理等，研究生产过程中的碳排放量。目前 应用中主要采用能源消费量估算法1 2 3 J 和以详细的燃料分类为基础的排放量估算法 【2 4 】；文献【2 5 】采用排放系数法，通过排碳量和相应的排碳系数乘积对我国能源类碳 源碳排放进行了估算；文献 2 6 1 指出由于森林与土壤这类生态系统复杂，碳通量受 季节、地域、气候、人类与各种生物活动、社会发展等诸多因素的影响，而各因素 之间又是相互作用的，因此，对于森林与土壤的排碳量，国际上多数用生物地球化 学模型进行模拟；文献 2 7 】指出森林的碳排放量计量模型主要有：F 7 气候变化和热 带森林研究网络、C O M A P 模型、C 0 2 F I X 模型、B I O M E B G C 模型、C E N T U R Y 模型和T E M 模型和我国自己开发的F C A R B O N 模型；文献 2 8 】以生命周期法为依 据，认为每个活动的从资源开发到不同部门和过程中的原材料、能源所经历的所有 过程都会产生C 0 2 气体，应对每个环节的气体排放进行定量和定性的综合分析。 通过对以上文献综合分析可知，目前国内外主要采用物料衡算法对排碳量进行 估算。然而，该方法是一种单向且相对静态的计算方法，而与估算对象相关的经济 要素是相对变化的，导致无法反映对其产生的动态影响。 1 2 3 基于碳排量测算模型的研究现状 目前，国内外碳排放测算模型主要有以下几种：L o g i s t i c 模型、锅炉排碳模型 华北电力大学硕士学位论文 E R M A I M 模型、M A R K A L 模型、和系统动力学测算模型等。 文献 2 9 】基于M A R K A L M A C A O 模型研究碳税对中国碳排放和宏观经济的影 响；文献 3 0 1 推导出了锅炉C 0 2 排放量的计算公式，指出锅炉C 0 2 排放量与锅炉有 效热量、锅炉效率等之间的关系；文献 3 1 1 采用环境经济等式( I P A T ) ，揭示了不同 变量对环境的影响；文献 3 2 3 3 1 建立S T I R P A T 模型，测算了人1 5 、富裕程度和技 术条件的变化与环境的影响关系；文献 3 4 】利用环境负荷I P A T 控制方程构建了碳排 放总量计算模型，利用以上模型，假设了五种不同减排情境下我国的碳排放总量； 文献 3 5 】采用投入产出法，测算了各工业生产过程中潜在的碳排放量；文献 3 6 1 建立 了中国人均碳排放的因素分解模型，分析了中国人均碳排放和能源排放强度、能源 结构及经济发展间的影响关系；文献 3 7 】构建了能源消费排碳量模型，求出能源消 费排碳总量；文献 3 8 】以无锡市碳足迹系统为例，构建系统动力学模型并对无锡市 碳足迹系统进行了低碳情景和超低碳情景的模拟。文献 3 9 1 运用系统动力学、神经 网络模型与计算机仿真对江苏省建湖县区域可持续发展系统进行研究。根据可持续 发展原理和研究目的，对当地的可持续发展系统进行分析和描述，将此系统分解为 人口、经济、资源与环境3 大相互作用的子系统，运用系统动力学的语言对系统进 行分析该系统在不同的发展模式下的发展动态。 通过以上文献研究可知：大部分模型都是从宏观角度对排碳量进行分析的， L o g i s t i c 模型在测算碳排放量的过程中，由于仅考虑了时间因素，不够全面； E R M A I M 和M A R K A L 模型用于指导生产实践较为复杂，只适合于研究；锅炉排 碳模型仅从特定行业或该行业中各要素的相互关系进行研究，而缺乏对碳源本身的 考虑，只适用于某些特定场所。因此，在研究排碳量估算的通用模型上，急需在研 究排碳行业在整个经济系统变化情况下行业内部与排碳量直接相联系的能源和原 材料使用产生变化的基础上，采用系统综合动态分析与模型体系的系统仿真办法， 避免仅单向计算的静态估算法带来的不真实性，同时避免在采用动态建模时，只是 将排碳量作为单一变量而不能对估算对象内部变化进行描述的缺陷，从而达到了对 排碳量动态估算的目的。 1 2 4 基于系统动力学的碳排放研究现状 系统动力学模型作为一种综合的仿真模型，已广泛应用于国家、区域城市以及 行业等多尺度下能源消费、产业结构调整、温室气体排放与管理的综合研究中。 在国家层面上：文献 4 0 1 依据系统动力学原理对不同政策和技术条件下中国未 来二十年C 0 2 排放的变化趋势进行模拟。文献 4 1 1 建立分析人口消费塌排放的系 统动力学模型，通过动态仿真结果，分析未来人口发展与居民消费对碳排放的影响。 华北电力大学硕士学位论文 文献 4 2 等人运用系统动力学模型测算了中国能源需求和二氧化碳排放量。 区域城市层面：文献 4 3 以山西省为例，基于系统动力学原理建立了能源消费 的动力学模型，通过调控相关参数，找出适合该省能源消费发展的理想方案。文献 4 4 构建了能源规划利用与温室气体排放的动态系统模型，以反映不确定条件下能 源可持续利用与碳减排程度的综合实现效果。文献 4 5 】提出独立区域净碳排放的系 统动力学模型，并对天津滨海新区进行了实证分析。文献 4 6 1 通过构建碳足迹动力 学模型，研究甘南藏族自治州区域的累积碳足迹演替情况。 部门行业层面：文献 4 7 4 8 在综合考虑公寓节能、人口增长和水泥生产工艺结 构管理的相关政策制定对二氧化碳减排的影响，构建了印度水泥工业C 0 2 排放系统 动力学模型。文献 4 9 5 0 在综合考虑政策行动的直接反馈和复杂社会经济系统产生 间接影响的情景下，评估了美国交通部门温室气体减排政策的成效。 由此可以看出，系统动力学仿真对实现地区社会可持续发展具有重要意义。通 过仿真模拟有助于研究复杂的社会经济系统问的关系，测算二氧化碳等温室气体的 排放量，也有助于相关部门进行科学、合理的预测与保障能源供给、促进经济可持 续发展和制定温室气体减排。然而，目前碳排放的系统动力学模型研究还不够系统 全面，仅在城市和行业两个层面下考虑，对城市的碳排放只有通过进一步的细化到 产业的解析过程才能达到完整与接近现实，这也正是本文研究的出发点。 1 3 研究目的及创新点 1 3 1 研究目的 地球是一个非增长的、有限的、物质上封闭的巨大的碳容系统，其吸收碳排放 的能力是极其有限的。一个有限的环境要想满足无限的增长需求，就要求碳容系统 具备一个自我完善的再生过程的功能。因此，人类的行为须与基于碳容系统特征的 约束条件保持协调，进而在经济增长与环境恶化之间寻求平衡。 社会经济的发展已经使碳容系统显得捉襟见肘，第一产业碳排放是社会碳排放 的主要部分之一，对第一产业碳排放情况进行研究，减少第一产业碳排放量、改善 农业、林业和畜牧业生态环境势在必行。在这一背景推动下，论文积极研究保定市 第一产业碳排放现状，旨在总结并借鉴国外碳排放研究经验，通过对保定市第一产 业碳排放数据进行预测，探索保定市第一产业碳排放的有效发展模式，通过一系列 相关配套政策，找到适合保定发展的低碳可持续发展之路，为其他省市的低碳发展 提供借鉴。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 主要创新点 本文试图从以下几个方面进行创新： ( 1 ) 理论研究方面，在系统学、系统工程、系统动力学等理论的基础上构建 低碳经济发展的理论体系，在已有的碳排放量估算方法和模型的基础上，进一步分 析碳排放系统内部各要素的互动反馈机制，构建通用的碳排放量动态估算模型； ( 2 ) 实证研究方面，基于系统动力学等理论，运用系统动力学模拟手段对保 定市第一产业碳排放整体态势进行量化分析，用仿真软件v e n s i m 模拟运行 2 0 0 5 2 0 1 5 年碳排放的发展动态，并通过对保定市第一产业碳排放趋势的情景分析， 选出适合保定市低碳城市建设的发展模式，目前还没有人做这样的尝试，处于较前 沿水平； ( 3 ) 系统动力学自上世纪5 0 年代中期创立以来，基本都以大区域大体系为应 用研究对象来处理较为复杂的大系统。相对而言，系统动力学在小区域( 产业) 层 次方面的应用则较为鲜见，这也是本文的一个创新。 1 4 研究内容及研究思路 1 4 1 研究内容 本文以第一产业作为碳排放系统研究对象通过分析国内外碳排放量估算方法 和模型的研究现状，分析了现存估算方法和模型的不足。以保定市为例，针对保定 市第一产业碳源及排碳现状，测算2 0 0 5 2 0 0 9 年的碳排放量。同时，提出采用系统 动态分析和模型体系的系统仿真方法，对其排碳量进行系统仿真和模拟；基于节能、 低碳和强化低碳三种情景进行方案设计，通过调整变量参数进行方案的优化选择， 试图寻找适合保定市第一产业发展的、能够有效控制碳排放的发展模式。具体包括 以下五个部分： ( 1 ) 国内研究现状分析 回顾国内外相关研究动态，分析目前已有的碳排放量估算方法及模型存在的不 足。进而确立本文的研究对象和范围； ( 2 ) 保定市第一产业碳排放现状分析及碳排放量的测算 通过大量的实地调研，对保定第一产业碳排放现状及影响因素进行全面的分 析，分别从碳源、碳汇两个角度设计碳排放统计指标体系，提取保定年鉴等资 料中的数据，对保定市2 0 0 5 年到2 0 0 9 年的第一产业碳排放量进行测算。 ( 3 ) 保定市第一产业碳排放量系统模型的结构分析与建立 华北电力大学硕士学位论文 1 基于系统动力学相关理论的研究，对论文模型构建进行总体构思，确定模型主 要影响因子和系统边界，构建因果关系图和流程图；对模型进行测试和检验，确认 系统模型的有效性；在v e n s i m 软件平台上仿真2 0 0 5 2 0 1 5 年保定第一产业碳排放的 趋势动态；得到仿真结果后对运行结果进行分析。 ( 4 ) 保定市第一产业碳排放趋势的情景模拟 基于节能、低碳和强化低碳三种情景，通过调整变量参数，设计了三种方案对 保定市第一产业碳排放趋势进行情景模拟模拟保定市第一产业在不同发展模式下 未来的发展状态，进而确定适合保定市发展的、能够有效控制碳排放的发展模式。 ( 5 ) 政策建议。 基于以上研究，提出保定市发展低碳经济、控制碳排放的政策建议。 1 4 2 研究思路 论文研究思路及基本框架如图1 - 1 所示： 图l 一1 研究思路 华北电力大学硕士学位论文 第2 章系统动力学仿真建模理论基础 2 1 系统动力学概述 系统动力学S D ( S y s t e mD y n a m i c s ) 是- - I 3 以计算机模拟技术为手段，反馈控制 理论为基础，通过功能分析，分析和解决复杂动态信息反馈性系统问题，沟通自然 科学与社会科学的综合性学科。系统动力学自1 9 5 6 年由美国麻省理工学院的福雷斯 特教授创立以来，已成功地运用于企业、城市、地区、国家甚至世界规模的许多战 略与决策分析中，被誉为“战略与决策实验室”。系统动力学的一个突出优点是， 它能够处理高阶次、非线性、多重反馈复杂时变系统的问题。 系统动力学模型能够反映复杂系统结构功能与动态行为之间的相互作用关系， 适用于处理精度要求不高的复杂的社会经济及生态环境问题。目前国际上系统动力 学已广泛应用于生态环境研究领域。 我国引入系统动力学是在2 0 世纪8 0 年代初，当时只是用于处理复杂的社会经 济问题。到2 0 世纪9 0 年代，系统动力学己渗透到了我国自然科学、工程技术和社 会科学等领域。目前我国将系统动力学应用于碳排放研究领域的研究较少。 2 1 1 系统及其分类 系统是由相互联系、相互作用的信息、物质和运动三个要素组成的，具有一定 结构和功能的有机整体。信息是系统的结构基础。主要有两类反馈回路：负反馈回 路和正反馈回路。系统中的正负反馈回路之间相互影响使之处于相对平衡的状态。 对系统的划分有多种办法，一般按照系统的对象属性和结构属性进行划分。不同的 对象有不同的划分方法。比如，按照外部环境与系统的关系划分为孤立系统、开放 系统和封闭系统；按照人与自然的关系可以划分为人工系统和自然系统；按照物质 形态可以划分为抽象系统、事物系统和概念系统；按照学科门类可以划分为生态学 系统、物理学系统；按照系统研究对象可以划分为经济系统、社会系统、农业系统、 工程系统等各种专业对象系统。 根据系统的结构属性还可以把系统分为简单系统和复杂系统。把整个大的系统 划分为多个小的系统，以达到解决问题的目的。按照系统内部复杂程度还可以把系 统分为小型系统、中型系统、大型系统、巨型系。系统的分类是多样性的，则对系 统的研究方法也是多元化的。系统之间存在异性也存在共性，如系统性、整体性、 结构性、层次性、目的性、自组织性、相似性、稳定性和突变性等，由于这些特征 华北电力大学硕士学位论文 比较易懂，在此不对这些特征进行详细的解释。 2 1 2 系统动力学的基本概念 系统动力学主要用于研究复杂系统的反馈过程。 ( 1 ) 反馈 系统内部各要素间存在相互关系。包含正因果关系和负因果关系，例如系统要 素A ( 原因) 和B ( 结果) ，若A 的增加引起B 增加，则A B 构成正因果关系；反 之，则构成负因果关系。具体见图2 1 。 、 A BAB 图2 1 正负因果关系图 两个以上的因果链首尾相连称为因果反馈回路，如图2 2 所示。 图2 - 2 正负反馈叫路 ( 2 ) 反馈系统 包含反馈回路的系统被称为反馈系统。系统的历史行为影响反馈系统，历史行 为的结果回授给系统本身，能够影响系统未来的行为。 ( 3 ) 延迟 原因并非立即就能产生结果。延迟包括物质延迟和信息延迟。物质延迟指物质 流的传输和流通中，从一处到另一处的转移所需时间的现象。信息延迟即信息流中 存在信息的传送和接收延迟。 2 2 系统动力学仿真建模的基本原理及特点 2 2 1 系统动力学仿真建模的基本原理 系统动力学仿真建模应遵循一系列原则，包括系统因果关系原则、结构决定功 能原则、信息反馈原则、主导结构原则、参变量敏感性原则、动态定义问题原则、 系统抗干扰性原则等。在遵循这些原则的基础上，进行系统动力学模型构建。系统 动力学的基本原理如下：先通过观察实际系统采集有关系统状态的有用信息，然后 华北电力大学硕士学位论文 根据采集的有关信息进行行为决策。决策的结果是采取行动。行动反作用于实际系 统，使系统的状态发生变化，为观察者提供新的信息，从而形成反馈回路。 不同性质的变量对系统行为的影响是完全不同的，系统动力学常见变量有： ( 1 ) 状态变量( L ) 一用来描述系统的状态，反映动态系统变量的时间累积过程。 ( 2 ) 辅助变量( A ) 一用来描述水平变量和速率变量之间的中间变量。 ( 3 ) 速率变量( R ) 一用来描述系统中积累效应变化的快慢，反映系统状态的变 化速度。 ( 4 ) 常量( C ) 一用来描述相对不变化的系统参数。 2 2 2 系统动力学仿真建模的特点 系统动力学将系统论、信息论和控制论相结合，通过结构一功能分析和信息反 馈来认识和解决系统问题，克服了人们凭直觉和主观判断无法深入的认识大系统内 部的各个复杂关系的弊端。系统动力学建模具有以下几个特点： ( 1 ) 系统动力学作为一种从结构入手实现特定功能的研究方法，可在宏观和微 观层次上对大系统进行综合研究。 ( 2 ) 系统动力学以开放系统为主要研究对象。系统动力学主要强调系统的、发 展的与运动的观点。认为系统内部的动态结构和反馈机制决定了系统的行为模式与 特征。 ( 3 ) 系统动力学要求从系统整体角度出发来研究复杂系统问题，定性与定量相 结合、实际与推理相结合。 ( 4 ) 系统动力学的建模方法是规范的、相对标准的，能够处理高阶次、非线性、 多重反馈复杂时变系统的问题。对于某些难于量化的或者是高阶线性动态的问题， 系统动力学从宏观和微观双层次上对复杂系统进行综合研究。可凭借有限的数据和 一定的结构进行推算分析或者借助于计算机及仿真技术获得主要信息，一步步深入 的探索问题的内部，客观的反映问题的实质，使复杂的问题规律化和简单化。 ( 5 ) 强调有条件的预测。系统动力学模型采用“如果则”的形式，强 调产生结果的条件，对预测未来提供了新的手段。 2 3 系统动力学仿真建模的方法 系统包含单元、运动和信息三部分组成。单元是系统存在的现实基础，而信息 的反馈作用是单元运动的根源。系统动力学的基本方法包括因果关系图、流图、方 程和仿真平台。 ( 1 ) 因果关系图 华北电力大学硕士学位论文 因果关系是系统动力学建模的基础，是对系统内部要素关系的一种定性描述。 主要是为绘制流图和建立系统数学仿真模型打基础。 ( 2 ) 流图 流图在因果关系图的基础上进一步区分各要素变量的性质，主要用于描述系统 要素的性质和整体框架，使得系统要素间的关系更加明确。 ( 3 ) 方程 通过建立方程使得系统要素之间的局部关系得到量化，为进行计算机仿真模拟 提供数据基础。主要包括水平方程、速率方程和辅助方程。 ( 4 ) 仿真平台 仿真平台是将系统动力学模型输入计算机进行仿真研究的环境。本文采用 v e n s i m 系统动力学建模软件，可以对系统动力学模型进行构图、模拟、预测和优化， 最终形成文档。 2 4 系统动力学仿真建模的步骤 系统动力学是定性分析与定量分析的统一，在定性分析的基础上，以定量分析 作为支持，两者相辅相成，逐步寻求解决问题的办法。系统动力学解决问题可以分 为系统辩识、结构分析、模型建立、模型分析和模型检验与评估五个主要步骤，如 图2 - 4 所示： 图2 4 系统动力学建模过程 ( 1 ) 系统辩识 系统辩识是根据系统动力学的理论和方法对研究对象进行系统分析。调查收集 有关系统的基本情况和数据资料，明确要解决的主要问题：分析系统的主要问题和 影响因素，确定有关变量；划定系统边界，明确各个系统的研究范围；最后确定系 华北电力大学硕士学位论文 统行为的参考模式。 ( 2 ) 结构分析 结构分析是通过系统结构的分析，划分系统的各个层次与子块，然后分析系统 的变量及变量间的关系，画出相应的系统因果图。 ( 3 ) 模型建立 模型建立是把因果关系图转换成可以用计算机模拟的流程图和数学方程式，把 非正规的、概念性的构思“翻译“ 成规范的模型。主要内容包括确定反馈回路中的 水准变量和速率变量；确定并估计参数；阐明速率变量的子结构和完善、形成各个 决策函数，建立S D