湖北农村生物质能源资源潜力分析与评价

鲍宏礼+田苗

摘要:以湖北农村为研究对象,运用相关数学方法对湖北农村生物质能源资源蕴藏量进行计算;运用灰色预测理论对湖北农村秸秆等资源产量进行预测评估｡结果表明,湖北农村生物质能源资源丰富,农业生物质能源资源存在巨大发展潜力｡

关键词:湖北农村;生物质能源资源;潜力;分析与评价

中图分类号:S216.2;X712;F323.21文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2703-04

Analysis and Assessment of Potential of the Rural Biomass Energy Resource

in Hubei Province

BAO Hong-li,TIAN Miao

(Huanggang Normal University,Huanggang 438000,Hubei,China)

Abstract: Hubei rural areas and relevant mathematical methods were used to calculate the biomass energy resource reserve. The straw yield was forecasted and evaluated with gray prediction theory. The results showed that the development of biomass energy resource was potential because of its abundant reserves rural areain Hubei province.

Key words:Hubei rural area;biomass energy resource; potential; analysis and assessment

基金项目:2013年湖北省科技支撑计划(软科学研究类)重点项目(2013BDF081)

近年来,由于低碳经济发展的需要,生物质能源等可再生能源在能源供应结构中的比重不断提高,仅次于煤炭､石油､天然气居世界能源消费总量第四位,在世界能源总消费中占14%[1]｡发展生物质能源能缓解能源危机,改善能源结构不合理状况,是避免生态环境恶化､降低碳排放､调节经济发展与能源短缺矛盾的必经之路｡目前湖北省人口5 700多万,其中乡村人口近2 800万人,占全省总人口的50%左右｡随着农村经济发展,能源短缺､环境污染等问题日益凸显,生物质能等新兴能源在农村市场的开发利用成为新农村建设的一项重要任务[2]｡本文以湖北农村为研究对象,对湖北农村生物质能源资源发展潜力进行了分析,以期探讨湖北农村低碳经济的发展模式,并为湖北农村生物质能源资源相关研究提供借鉴｡

1湖北农村生物质能源资源地理分布格局

农村生物质能源资源主要有农作物秸秆､农村禽畜粪便､农村生活垃圾等｡由于农村生物质能源资源具有地域性特点,一般不进行地区间贸易,同时能源作物种植受到土地面积､气候资源等多方面环境因素的影响,具有不易计算的特点,而生活垃圾资源主要和人口数量有关,人口数量越多,生活垃圾资源量越大｡因此,进行农业生物质能源资源量计算时,还必须考虑地理分布及人口等因素,为了方便论证,本文以湖北省各市､州为单位,通过对湖北省各市､州农村生物质能源资源蕴藏量的统计分析,比较并绘制出2010年湖北省各市､州农业生物质能源资源统计表(主要以秸秆实物量为例),以直观地体现湖北农村生物质资源的地区差异(表1)｡

由表1可知,湖北省农村剩余生物质资源储量大,约合2 032.27万t标准煤,但各市､州不平衡,最多的襄阳市达到315.63万t标准煤,而神农架林区只有1.64万t标准煤,存在着较大的地区性差异｡因此,各地应因地制宜地发展农村剩余生物质能源资源｡

从总量分布来看,湖北省农作物秸秆资源主要集中分布于襄阳､荆州､黄冈市,这3个市的秸秆总量占全省的41.17%｡从排名上看,襄阳市位居榜首,达到646.776万t;荆州市排名第二,达到611.885万t;黄冈市名列第三,达到488.083万t｡

2湖北农业生物质能源资源潜力灰色预测

目前已有学者对生物质能源资源潜力进行预测研究[3-6],本研究采用对GM(1,1)背景值优化和以x(1)(n)为初始条件的优化GM(1,1)模型[7]对湖北省2011-2020年间主要农作物产量进行预测｡按照谷草比系数,计算农业剩余物潜在蕴藏量,以此分析湖北农村农业生物质能源资源的发展潜力｡

2.1灰色理论的选取

灰色系统理论是由我国学者邓聚龙于1982年最初提出的,它着重研究概率统计和模糊数学难以解决的“小样本(运用灰色系统理论进行预测研究一般以3~8个数据为最佳选择),贫信息”不确定性问题,针对“外延明确,内涵不明确”的对象,通过对表征灰色系统离乱原始数据的挖掘和生成处理,弱化其随机性,使其蕴含的内在规律凸显出来,尤其是在无法寻求到系统的概率特征或隶属特征时,其优越性更加明显｡灰色系统理论认为,通过对灰色原始序列数据处理构建时间序列GM(1,1)模型,可以更加逼真地描述客观事物的运行规律｡

在对湖北农村主要农作物(可用做农村生物质能源资源的农作物)产量的预测中,主要考虑湖北农村主要农作物的生产能力｡通过对近5年来湖北农村主要农作物产量的数据分析(表2),可以看出近5年来湖北农村地区主要农作物的产量趋势｡

基于预测时期与历史的连贯性与一致性,以及灰色系统建模预测的“小样本”和“新息优先”的建模思想,选用2006~2010年湖北省10种主要农作物的产量数据,采用能够弱化农作物产量随机性的灰色预测模型进行预测分析｡

2.2灰色理论预测

2.2.1事前检验进行灰色系统的事前检验｡n=5,因此建模序列x(0)的级比的覆盖区间为(0.716 531,1.395 612),分别计算2006~2010年湖北10种主要农作物产量的级比(表3)｡

由表3可见,所有级比均落在级比区间内,因此,可以判定选用2006~2010年湖北主要农作物产量来构建灰色预测模型具有可行性｡

2.2.2数据处理引入二阶平均弱化缓冲算子D2对湖北主要农作物产量原始数据序列进行弱化,消除众多不确定因素对10种农作物产量的冲击干扰｡假设2006~2010年湖北主要农作物产量为非负的原始系统行为数据序列｡

则有:

X(0)=x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)(1)

令X(0)(D)=x(0)(1)d,x(0)(2)d,x(0)(3)d,x(0)(4)d,x(0)(5)d(2)

其中,

x(0)(k)d=[x(0)(k)+x(0)(k-1)+L+x(0)(n)]

=x(0)(i),k=1,2,3,4,5,其中n=5

以及X(0)(D)2={x(0)(1)d2,x(0)(2)d2,x(0)(3)d2,x(0)(4)d2,x(0)(5)d2}(3)

其中x(0)(k)d2=[x(0)(k)d+x(0)(k-1)d+L+x(0)(n)d]

=x(0)(i)d,k=1,2,3,4,5,其中n=5

引入一阶算子X(0)D,得:

X(0)=x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)(4)

引入二阶算子X(0)D2得出结果｡(注:弱化后的数据与X(0)是等价的,在后面的计算步骤中直接采用弱化后的数据,但符号还是用X(0)表示｡)

2.2.3灰色建模对X(0)作一次累加生成序列(1-AGO),得

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),x(1)(4),x(1)(5)}(5)

其中X(1)(k)=x(0)(i),k=1,2,3,4,5

构建数据矩阵｡灰色微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=x的最小二乘估计参数序列为

=(a,x)T =(BTB)-1BTY(6)

其中,新构造的背景值Z(1)k为

Z(1)k=+

(7)

其中X(0)(K)≠X(0)(K-1),k=2,3,4,5

分别依据矩阵B和Y得出BT､BTB､(BTB)-1､BTY､(BTB)-1BTY

得到灰色预测模型为:

(1)(k)=[X(1)(5)-]e-a(k-5)+

依据预测值(0)(K+1)=(1)(K+1)-(1)(k)

得出湖北省各市､州农村主要农作物的未来产量预测值(表4)｡

结合谷草比系数,计算湖北农村主要农作物秸秆产量(表5)｡

标准煤(coal equivalent),又称折标准煤系数,是指按照标准煤的热当量值计算各种能源量时所用的综合换算指标｡我国的《煤质及煤质分析有关术语》GB/T3715规定,凡能产生29.27 MJ的热量(低位)的任何数量的燃料折合为1 kg标准煤｡即规定每千克标准煤的热值为29.27 MJ(低位),用 29.27 MJ 除各种能源每千克的热值测得各种能源的折标准煤系数｡各种生物质折合标煤系数见表6｡

由此推算出湖北农村主要农作物秸秆折算标煤产量(表7)｡

3结论与建议

1)湖北农村生物质能源资源产量呈增长趋势,开发潜力巨大｡依据2006~2010年统计数据,运用灰色预测理论测算得出的结果表明,2011~2015年,湖北农村生物质能源资源在理想状态下可折算标煤量9 106.9万t(依据表7计算得出),基本可以替代由化石能源所提供的日常消费｡在农业技术水平不断提高的情况下,湖北农村生物质能源资源的产量也将不断增加,充分利用好湖北农村生物质能源资源将会在很大程度上满足农民日益增长的用能需求｡

2)湖北农村生物质能源资源蕴藏量地区分布不均,应因地制宜开发｡采取GIS技术绘制了2010年湖北省各市､州农业秸秆产量(表1),可以看出,由于地理位置､气候条件的限制,湖北省各市､州农业秸秆产量地区分布不均｡秸秆产量较大的地区分别为襄阳､荆州､黄冈市｡神农架林区､鄂州市､潜江市产量较小｡由于农业秸秆具有地域性特点,不宜实行区域间贸易和运输,在农业秸秆密集度低的地方使用,其收集成本将占总成本很大的一部分｡按照要素禀赋理论,应因地制宜利用适合本地实际的农业生物质能源｡

3)发展并综合利用生物质能源资源是湖北农村低碳经济发展的有效模式之一｡农村低碳经济转型的核心要素包括资源禀赋､技术进步､消费模式及发展阶段[8]｡“十二五”期间湖北农村生物质能源资源产量9 106.9万t,这为湖北农村低碳经济转型提供了巨大的资源禀赋和低碳经济发展的物质基础｡

参考文献:

[1] 肖波,周英彪,李建芬.生物质能循环经济技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 曹辉,廖秋阳.几种新兴能源在我国农村的应用[J].福建建材,2010(6):103-104.

[3] 陈娟,王雅鹏.基于ARIMA模型的湖北省农村生物质资源潜力评估[J].林业经济,2012(6):97-101.

[4] 刘刚,沈镭.中国生物质能源的定量评价及其地理分布[J]. 自然资源学报,2007,22(1):9-19.

[5] 刘敏.甘肃省农村地区生物质能源环境经济效益研究[D].兰州:兰州大学,2010.

[6] 聂飞,王宇波.咸宁市秸秆资源潜力估算及能源化利用分析[J].湖北农业科学,2011,50(24):5075-5078.

[7] 党耀国,刘思峰,王正新,等.灰色预测与决策模型研究[M].北京:科学出版社,2009.

[8] 庄贵阳,潘家华,朱守先.低碳经济的内涵及综合评价指标体系的构建[J].经济学动态,2011(1):132-136.

引入一阶算子X(0)D,得:

X(0)=x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)(4)

引入二阶算子X(0)D2得出结果｡(注:弱化后的数据与X(0)是等价的,在后面的计算步骤中直接采用弱化后的数据,但符号还是用X(0)表示｡)

2.2.3灰色建模对X(0)作一次累加生成序列(1-AGO),得

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),x(1)(4),x(1)(5)}(5)

其中X(1)(k)=x(0)(i),k=1,2,3,4,5

构建数据矩阵｡灰色微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=x的最小二乘估计参数序列为

=(a,x)T =(BTB)-1BTY(6)

其中,新构造的背景值Z(1)k为

Z(1)k=+

(7)

其中X(0)(K)≠X(0)(K-1),k=2,3,4,5

分别依据矩阵B和Y得出BT､BTB､(BTB)-1､BTY､(BTB)-1BTY

得到灰色预测模型为:

(1)(k)=[X(1)(5)-]e-a(k-5)+

依据预测值(0)(K+1)=(1)(K+1)-(1)(k)

得出湖北省各市､州农村主要农作物的未来产量预测值(表4)｡

结合谷草比系数,计算湖北农村主要农作物秸秆产量(表5)｡

标准煤(coal equivalent),又称折标准煤系数,是指按照标准煤的热当量值计算各种能源量时所用的综合换算指标｡我国的《煤质及煤质分析有关术语》GB/T3715规定,凡能产生29.27 MJ的热量(低位)的任何数量的燃料折合为1 kg标准煤｡即规定每千克标准煤的热值为29.27 MJ(低位),用 29.27 MJ 除各种能源每千克的热值测得各种能源的折标准煤系数｡各种生物质折合标煤系数见表6｡

由此推算出湖北农村主要农作物秸秆折算标煤产量(表7)｡

3结论与建议

1)湖北农村生物质能源资源产量呈增长趋势,开发潜力巨大｡依据2006~2010年统计数据,运用灰色预测理论测算得出的结果表明,2011~2015年,湖北农村生物质能源资源在理想状态下可折算标煤量9 106.9万t(依据表7计算得出),基本可以替代由化石能源所提供的日常消费｡在农业技术水平不断提高的情况下,湖北农村生物质能源资源的产量也将不断增加,充分利用好湖北农村生物质能源资源将会在很大程度上满足农民日益增长的用能需求｡

2)湖北农村生物质能源资源蕴藏量地区分布不均,应因地制宜开发｡采取GIS技术绘制了2010年湖北省各市､州农业秸秆产量(表1),可以看出,由于地理位置､气候条件的限制,湖北省各市､州农业秸秆产量地区分布不均｡秸秆产量较大的地区分别为襄阳､荆州､黄冈市｡神农架林区､鄂州市､潜江市产量较小｡由于农业秸秆具有地域性特点,不宜实行区域间贸易和运输,在农业秸秆密集度低的地方使用,其收集成本将占总成本很大的一部分｡按照要素禀赋理论,应因地制宜利用适合本地实际的农业生物质能源｡

3)发展并综合利用生物质能源资源是湖北农村低碳经济发展的有效模式之一｡农村低碳经济转型的核心要素包括资源禀赋､技术进步､消费模式及发展阶段[8]｡“十二五”期间湖北农村生物质能源资源产量9 106.9万t,这为湖北农村低碳经济转型提供了巨大的资源禀赋和低碳经济发展的物质基础｡

参考文献:

[1] 肖波,周英彪,李建芬.生物质能循环经济技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 曹辉,廖秋阳.几种新兴能源在我国农村的应用[J].福建建材,2010(6):103-104.

[3] 陈娟,王雅鹏.基于ARIMA模型的湖北省农村生物质资源潜力评估[J].林业经济,2012(6):97-101.

[4] 刘刚,沈镭.中国生物质能源的定量评价及其地理分布[J]. 自然资源学报,2007,22(1):9-19.

[5] 刘敏.甘肃省农村地区生物质能源环境经济效益研究[D].兰州:兰州大学,2010.

[6] 聂飞,王宇波.咸宁市秸秆资源潜力估算及能源化利用分析[J].湖北农业科学,2011,50(24):5075-5078.

[7] 党耀国,刘思峰,王正新,等.灰色预测与决策模型研究[M].北京:科学出版社,2009.

[8] 庄贵阳,潘家华,朱守先.低碳经济的内涵及综合评价指标体系的构建[J].经济学动态,2011(1):132-136.

引入一阶算子X(0)D,得:

X(0)=x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)(4)

引入二阶算子X(0)D2得出结果｡(注:弱化后的数据与X(0)是等价的,在后面的计算步骤中直接采用弱化后的数据,但符号还是用X(0)表示｡)

2.2.3灰色建模对X(0)作一次累加生成序列(1-AGO),得

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),x(1)(4),x(1)(5)}(5)

其中X(1)(k)=x(0)(i),k=1,2,3,4,5

构建数据矩阵｡灰色微分方程x(0)(k)+az(1)(k)=x的最小二乘估计参数序列为

=(a,x)T =(BTB)-1BTY(6)

其中,新构造的背景值Z(1)k为

Z(1)k=+

(7)

其中X(0)(K)≠X(0)(K-1),k=2,3,4,5

分别依据矩阵B和Y得出BT､BTB､(BTB)-1､BTY､(BTB)-1BTY

得到灰色预测模型为:

(1)(k)=[X(1)(5)-]e-a(k-5)+

依据预测值(0)(K+1)=(1)(K+1)-(1)(k)

得出湖北省各市､州农村主要农作物的未来产量预测值(表4)｡

结合谷草比系数,计算湖北农村主要农作物秸秆产量(表5)｡

标准煤(coal equivalent),又称折标准煤系数,是指按照标准煤的热当量值计算各种能源量时所用的综合换算指标｡我国的《煤质及煤质分析有关术语》GB/T3715规定,凡能产生29.27 MJ的热量(低位)的任何数量的燃料折合为1 kg标准煤｡即规定每千克标准煤的热值为29.27 MJ(低位),用 29.27 MJ 除各种能源每千克的热值测得各种能源的折标准煤系数｡各种生物质折合标煤系数见表6｡

由此推算出湖北农村主要农作物秸秆折算标煤产量(表7)｡

3结论与建议

1)湖北农村生物质能源资源产量呈增长趋势,开发潜力巨大｡依据2006~2010年统计数据,运用灰色预测理论测算得出的结果表明,2011~2015年,湖北农村生物质能源资源在理想状态下可折算标煤量9 106.9万t(依据表7计算得出),基本可以替代由化石能源所提供的日常消费｡在农业技术水平不断提高的情况下,湖北农村生物质能源资源的产量也将不断增加,充分利用好湖北农村生物质能源资源将会在很大程度上满足农民日益增长的用能需求｡

2)湖北农村生物质能源资源蕴藏量地区分布不均,应因地制宜开发｡采取GIS技术绘制了2010年湖北省各市､州农业秸秆产量(表1),可以看出,由于地理位置､气候条件的限制,湖北省各市､州农业秸秆产量地区分布不均｡秸秆产量较大的地区分别为襄阳､荆州､黄冈市｡神农架林区､鄂州市､潜江市产量较小｡由于农业秸秆具有地域性特点,不宜实行区域间贸易和运输,在农业秸秆密集度低的地方使用,其收集成本将占总成本很大的一部分｡按照要素禀赋理论,应因地制宜利用适合本地实际的农业生物质能源｡

3)发展并综合利用生物质能源资源是湖北农村低碳经济发展的有效模式之一｡农村低碳经济转型的核心要素包括资源禀赋､技术进步､消费模式及发展阶段[8]｡“十二五”期间湖北农村生物质能源资源产量9 106.9万t,这为湖北农村低碳经济转型提供了巨大的资源禀赋和低碳经济发展的物质基础｡

参考文献:

[1] 肖波,周英彪,李建芬.生物质能循环经济技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 曹辉,廖秋阳.几种新兴能源在我国农村的应用[J].福建建材,2010(6):103-104.

[3] 陈娟,王雅鹏.基于ARIMA模型的湖北省农村生物质资源潜力评估[J].林业经济,2012(6):97-101.

[4] 刘刚,沈镭.中国生物质能源的定量评价及其地理分布[J]. 自然资源学报,2007,22(1):9-19.

[5] 刘敏.甘肃省农村地区生物质能源环境经济效益研究[D].兰州:兰州大学,2010.

[6] 聂飞,王宇波.咸宁市秸秆资源潜力估算及能源化利用分析[J].湖北农业科学,2011,50(24):5075-5078.

[7] 党耀国,刘思峰,王正新,等.灰色预测与决策模型研究[M].北京:科学出版社,2009.

[8] 庄贵阳,潘家华,朱守先.低碳经济的内涵及综合评价指标体系的构建[J].经济学动态,2011(1):132-136.