苏北数学建模第九届c题.docx
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苏北数学建模第九届c题
C题碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测
1978年改革开放以来，中国的经济发展取得了举世瞩目的成就。
2010年国内生产总值达到39.8万亿元，跃居世界第二位，国家财政收入达到8.3万亿元，“十一五”期间实现GDP年均增长11.2%。
但是中国经济的高速增长是建立在高投入、高消耗、低效益的粗放型生产方式上，对中国的能源消耗和环境保护产生了巨大的压力。
煤炭是我国经济发展不可缺少的基础能源，中国煤炭消费量呈现指数形式增长，从1953年的7145万吨到2010年的312236万吨，翻了近44倍。
2007年2月至11月间，联合国政府气候变化专门委员会（IPCC）陆续发布的第四次气候变化评估的四个部分指出地球表面气温在过去的一百年间上升了0.74℃，到2100年可能比1980~1999年时高出1.1℃~6.4℃；而且在过去50年间，全球气候变暖超过90%的可能性与人类使用的石油等化石燃料产生的温室气体有关。
现有研究表明，全球气候变暖危及能源、粮食、水资源、生态和公共卫生等，将直接影响人类的生存和发展，给全球的可持续发展带来了严峻的挑战，已经被国际社会公认为威胁人类生存安全的最重大环境问题。
目前，大气中温室气体的水平或存量相当于大约430ppm二氧化碳，这个浓度已经使全球变暖了0.5℃以上，而且由于气候系统的惯性，气温还在继续上升，到2035年温室气体在大气中的存量可能将达到550ppm二氧化碳当量。
未来几十年里，全球平均温度变化超过5℃的风险概率目前至少是50%，这将把人类带入未知的更可怕世界。
不断加剧的温室效应将会严重影响全球经济发展，其严重程度不亚于两次世界大战加上经济大萧条。
为了遏制全球气候变暖，联合国、国际性组织和世界各国政府展开了积极的努力。
1992年签署的《联合国气候变化框架公约》（简称《公约》），被认为是冷战结束后最重要的国际公约之一。
1997年12月，在日本京都召开的《公约》第三次缔约方大会上达成了《京都议定书》（简称《议定书》），《议定书》要求三十多个国家（包括发达国家和经济转型国家）在2008至2012年使温室气体的排放量平均比1990年减少5.2%以上。
在得到占发达国家1990年二氧化碳排放总量的55%以上的缔约发达国家批准后，《议定书》于2005年2月16日正式生效。
这标志着国际社会进入了一个实质性减排温室气体的阶段，人类发展史上首次具有了一个国际法律框架，用以限制人类活动对地球系统的碳循环和气候变化的干扰。
2005年启动的后定都谈判，2007年国际社会达成的“巴厘路线图”，2009年召开的哥本哈根会议等，都是国际社会所作出的具有标志性的努力。
在此背景下，以减少碳排放为核心内容的低碳经济应运而生。
20世纪90年代以来，中国始终把可持续发展战略作为基本国策，转变以浪费资源和牺牲环境为代价的传统经济发展模式，努力实现经济可持续发展、社会全面进步、资源永续利用、环境不断改善和生态良性循环的协调统一。
在“十一五”规划经济社会发展主要指标中，除了以往的环境指标，还新增了“十一五”末单位GDP能源消耗比“十五”期末降低20％左右这一约束性指标，而这个指标最终在“拉闸限电”等硬性措施下勉强完成19.1%。
中国已于2009年11月26日正式对外宣布控制温室气体排放的清晰量化目标，决定到2020年使单位国内生产总值二氧化碳排放强度在2005年的基础上下降40%～45%。
并且，在第十二个五年规划纲要中，中国新增单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%的指标，二氧化碳排放问题已成为我国参与国际竞争中不可回避的问题。
从节能指标到二氧化碳减排指标的确立，中国政府已经把能源环境问题上升到从未有过的高度，也证明中国努力推行实施低碳经济发展的决心。
2011年8月31日，国务院关于印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》的通知。
全国31个省市自治区被划分为5类地区，每类地区确定一个节能指标，分别为降低18%、17%、16%、15%和10%。
第一类地区包括天津、上海、江苏、浙江和广东，单位GDP能耗降低率最高，为18%；第二类地区包括北京、河北、辽宁和山东，单位GDP能耗降低率为17%；第三类地区包括山西、吉林、黑龙江、安徽、福建、江西、河南、湖北、湖南、重庆、四川和陕西，单位GDP能耗降低率为16%；第四类地区包括内蒙古、广西、贵州、云南、甘肃和宁夏，单位GDP能耗降低率为15%；第五类地区包括海南、西藏、青海和新疆，其单位GDP能耗降低率为10%。
2011年12月1日，国务印发了《“十二五”控制温室气体排放工作方案》的通知，方案对目标任务作了分解，明确了各地区单位生产总值二氧化碳排放下降指标，江苏省的下降目标是19%，略低于广东省的19.5%。
江苏省“十二五”规划中也给出了到2015年非化石能源占一次能源消费比重为7%左右的目标。
至于到2020年的减排目标，参考以及国务院在2009年公布的我国到2020年单位GDP二氧化碳排放减少40~45%的目标。
具体江苏省碳排放约束指标见表1。
表1江苏省碳排放约束指标
碳排放约束
指标名称
单位地区生产总值能耗降低（%）
单位地区生产总值二氧化碳排放减少（%）
非化石能源占一次能源消费比重（％）
指标值
2015年
18
19
7左右
2020年
50
注：
2015年指标值是以2010年为基期，2020年指标值是以2005年为基期。
根据2007年IPCC第四次评估报告，温室气体增加的主要来源是化石燃料燃烧。
其中化石燃料燃烧所导致的二氧化碳排放在2004年占总碳排放将近95.3%。
CO2排放量采用排放系数法，碳排放系数是指每一种能源燃烧或使用过程中单位能源所产生的碳排放数量。
排放系数法是一种由IPCC向各国推荐的温室气体排放的清单编制方法。
碳排放量到CO2排放量的转换系数为44/12，即单位质量碳排放相当于44/12质量的CO2排放。
对于每种能源的单位能耗碳排放系数，不同使用者采用的估计值是有差别的（见表2）。
表2各种能源的碳排放系数（单位：
万t/万t）
数据来源
煤炭
石油
天然气
水电、核电
DOE/EIA
0.7020
0.4780
0.3890
0
日本能源经济研究所
0.7560
0.5860
0.4490
0
国家发改委能源所
0.7476
0.5825
0.4435
0
国家科委气候变化项目
0.7260
0.5830
0.4090
0
以煤炭为主的化石能源的消费是引以温室气体排放的主要诱因。
一方面，经济的发展离不开煤炭为主的能源支撑；另一方面，环境承载力迫使煤炭为主的化石能源不能盲目的无限制利用，这是一个有能源开发利用的两难问题。
这个两难问题中的重点是未来煤炭能源的需求预测问题。
科学准确的预测未来地区煤炭消费状况，可以对国家和地区政府相关职能部门制定相关发展规划和政策起到关键性作用。
准确把握煤炭消费量的变化趋势，对煤炭未来需求量的精确预测，可及时指导煤炭生产供应工作，对保障我国煤炭安全供应具有重要的意义。
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。
基于此，请根据附录中的数据，结合你们收集到的相关资料，建立数学模型，完成以下问题：
（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。
附录
表31995-2010年江苏省煤炭调入量情况表
年份
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
煤炭消费量（万t）
8936
8833
8585
8571
8714
8770
8963
9663
煤炭调入量（万t）
6900
7338
6548
6791
7098
6763
7097
7678
煤炭调入量占消费量（%）
77.22
83.08
76.28
79.23
81.45
77.12
79.18
79.46
年份
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
煤炭消费量（万t）
10849
13272
16779
18428
19952
20737
21003
23100
煤炭调入量（万t）
8525
11020
14496
15811
17948
19467
18706
21655
煤炭调入量占消费量（%）
78.58
83.03
86.39
85.80
89.96
93.88
89.06
93.74
数据来源：
中国能源统计年鉴整理
表4各地区“十二五”节能目标及“十一五”完成情况
地区
单位国内生产总值能耗降低率（%）
地区
单位国内生产总值能耗降低率（%）
“十一五”时期
“十二五”时期
2006-2015年累计
“十一五”时期
“十二五”时期
2006-2015年累计
全国
19.06
16
32.01
河南
20.12
16
32.9
北京
26.59
17
39.07
湖北
21.67
16
34.2
天津
21
18
35.22
湖南
20.43
16
33.16
河北
20.11
17
33.69
广东
16.42
18
31.46
山西
22.66
16
35.03
广西
15.22
15
27.94
内蒙古
22.62
15
34.23
海南
12.14
10
20.93
辽宁
20.01
17
33.61
重庆
20.95
16
33.6
吉林
22.04
16
34.51
四川
20.31
16
33.06
黑龙江
20.79
16
33.46
贵州
20.06
15
32.05
上海
20
18
34.4
云南
17.41
15
29.8
江苏
20.45
18
34.77
西藏
12
10
20.8
浙江
20.01
18
34.41
陕西
20.25
16
33.01
安徽
20.36
16
33.1
甘肃
20.26
15
32.22
福建
16.45
16
29.82
青海
17.04
10
25.34
江西
20.04
16
32.83
宁夏
20.09
15
32.08
山东
22.09
17
35.33
新疆
8.91
10
18.02
数据来源：
《“十二五”节能减排综合性工作方案》。
表5各地区“十二五”单位GDP温室气体减排目标
地区
单位国内生产总值二氧化碳排放下降（%）
地区
单位国内生产总值二氧化碳排放下降（%）
北京
18
湖北
17
天津
19
湖南
17
河北
18
广东
19.5
山西
17
广西
16
内蒙古
16
海南
11
辽宁
18
重庆
17
吉林
17
四川
17.5
黑龙江
16
贵州
16
上海
19
云南
16.5
江苏
19
西藏
10
浙江
19
陕西
17
安徽
17
甘肃
16
福建
17.5
青海
10
江西
17
宁夏
16
山东
18
新疆
11
河南
17
数据来源：
《“十二五”控制温室气体排放工作方案》
表6江苏省主要年份地区生产总值（单位：
亿元）
年份
地区生产总值
第一产业
第二产业
第三产业
人均地区生产总值（元）
1952
48.41
25.49
8.53
14.39
131
1955
58.96
29.69
11.29
17.98
150
1957
65.11
29.94
14.40
20.77
157
1962
69.20
29.10
17.34
22.76
161
1965
95.10
41.20
30.26
23.64
208
1970
129.23
51.03
46.16
32.04
249
1975
184.16
67.59
79.61
36.96
329
1976
187.97
62.38
85.04
40.55
332
1977
202.40
53.22
105.35
43.83
353
1978
249.24
68.71
131.09
49.44
430
1979
298.55
104.04
141.14
53.37
509
1980
319.80
94.24
167.41
58.15
541
1981
350.02
109.39
178.01
62.62
586
1982
390.17
135.15
185.52
69.50
645
1983
437.65
150.41
210.81
76.43
716
1984
518.85
179.00
250.39
89.46
843
1985
651.82
195.66
339.56
116.60
1053
1986
744.94
224.26
376.32
144.36
1193
1987
922.33
246.86
493.69
181.78
1462
1988
1208.85
319.18
586.82
302.85
1891
1989
1321.85
324.18
657.06
340.61
2038
1990
1416.50
355.17
692.59
368.74
2109
1991
1601.38
345.14
793.92
462.32
2353
1992
2136.02
393.82
1119.26
622.94
3106
1993
2998.16
490.59
1598.05
909.52
4321
1994
4057.39
683.98
2186.77
1186.64
5801
1995
5155.25
866.24
2715.26
1573.75
7319
1996
6004.21
989.18
3074.12
1940.91
8471
1997
6680.34
1035.80
3411.86
2232.68
9371
1998
7199.95
1047.16
3640.10
2512.69
10049
1999
7697.82
1037.37
3920.15
2740.30
10695
2000
8553.69
1048.34
4435.89
3069.46
11765
2001
9456.84
1094.48
4907.46
3454.90
12879
2002
10606.85
1110.44
5604.49
3891.92
14369
2003
12442.87
1162.45
6787.11
4493.31
16743
2004
15003.60
1367.58
8437.99
5198.03
20031
2005
18598.69
1461.51
10524.96
6612.22
24616
2006
21742.05
1545.05
12282.89
7914.11
28526
2007
26018.48
1816.31
14471.26
9730.91
33837
2008
30981.98
2100.11
16993.34
11888.53
40014
2009
34457.30
2261.86
18566.37
13629.07
44253
2010
41425.48
2540.10
21753.93
17131.45
52840
说明：
本表按当年价格计算。
数据整理自《江苏统计年鉴2011》。
表7江苏省主要年份地区生产总值指数
年份
地区生产总值
指数
第一产业
第二产业
第三产业
人均地区生产总值指数
1955
111.1
114.7
101.7
107.0
108.6
1957
100.4
101.8
100.5
97.6
98.2
1962
93.2
101.5
73.5
94.0
91.9
1965
107.1
101.3
130.8
103.1
104.7
1970
114.9
107.1
136.5
110.1
112.3
1975
106.1
102.1
115.6
99.2
104.8
1976
101.0
87.3
112.0
111.3
99.8
1977
106.3
86.7
123.9
107.1
105.1
1978
124.6
132.1
124.6
113.9
123.2
1979
112.0
122.9
107.1
105.7
110.8
1980
104.8
89.5
118.2
101.6
103.9
1981
110.9
112.9
107.2
117.9
109.8
1982
109.8
115.9
105.8
110.4
108.5
1983
112.3
107.2
115.3
113.5
111.1
1984
115.7
112.9
117.9
114.6
114.9
1985
117.3
99.2
128.1
118.1
116.6
1986
110.4
105.4
109.6
119.3
109.5
1987
113.4
100.5
118.1
116.7
112.2
1988
119.6
104.3
117.8
140.1
118.0
1989
102.5
97.2
100.5
111.1
101.0
1990
105.0
101.0
105.4
106.9
101.4
1991
108.3
96.1
108.9
119.0
106.9
1992
125.6
110.6
131.9
126.2
124.3
1993
119.8
102.5
123.3
125.1
118.7
1994
116.5
105.2
122.8
111.4
115.6
1995
115.4
113.6
116.2
114.9
114.6
1996
112.2
107.7
112.3
114.3
111.5
1997
112.0
105.0
112.6
114.1
111.3
1998
111.0
102.1
112.1
112.9
110.5
1999
110.1
104.6
111.3
110.0
109.6
2000
110.6
103.9
111.6
111.2
109.5
2001
110.2
103.0
110.9
111.5
109.1
2002
111.7
102.8
113.7
111.6
111.1
2003
113.6
99.9
117.2
112.4
112.9
2004
114.8
106.0
117.1
113.4
113.9
2005
114.5
102.9
116.0
114.9
113.5
2006
114.9
105.0
116.0
115.5
113.9
2007
114.9
103.1
115.5
116.4
113.9
2008
112.7
104.0
113.2
113.4
111.9
2009
112.4
104.5
112.5
113.6
111.8
2010
112.7
104.9
113.1
113.3
112.0
说明：
本表按可比价计算，上年=100。
数据整理自《江苏统计年鉴2011》。
表8江苏省三次产业贡献率和拉动率（单位：
%）
年份
产业贡献率
GDP增长率
产业拉动率
第一产业
第二产业
第三产业
第一产业
第二产业
第三产业
1990
3.7
59.0
37.3
5.0
0.2
2.9
3.0
1991
-11.8
53.2
58.6
8.3
-1.0
4.4
4.0
1992
9.2
62.0
28.8
25.6
2.4
15.8
14.1
1993
2.6
61.5
35.9
19.8
0.5
12.2
11.0
1994
5.3
74.2
20.5
16.5
0.9
12.2
11.4
1995
13.3
59.4
27.3
15.4
2.1
9.1
7.9
1996
9.4
57.6
33.0
12.2
1.2
7.0
5.6
1997
5.9
60.3
33.8
12.0
0.7
7.2
5.8
1998
2.6
63.2
34.2
11.0
0.3
6.9
5.5
1999
5.6
64.9
29.5
10.1
0.6
6.5
5.8
2000
4.3
64.3
31.4
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