基于自底向上方法的京津冀工业系统水-能-污染物协同效应研究

This study aims to explore the Nexus of Water, Energy and Emission (WEEMI) within Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration. First, the study will analyze the effect of industrial spatial distribution and technology innovation on WEEMI (including micro mechanism, key unit or node, transmission mechanism, amplification pathway and macro pathway, etc) from micro perspectives, using the theories and methods of environmental science, geoscience, technical economics and other related disciplines comprehensively. Second, this study will apply theories and methods of complex system analysis to develop a comprehensive bottom-up computational system for regional WEEMI simulation, integrating technology units and industry units based on a land plot scale, which will be capable of systemly simulating the whole process of ‘state of industrial spatial distribution and technology innovation - response on water, energy and emission’. Subsequently, the integrated model will be operationalized using the historical data of Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration. Lastly, typical urban growth scenarios under different strategies related to productivity distribution, structural adjustment and technology innovation in Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration will be constructed and responsive changes in regional WEEMI will be assessed quantitatively. This study will provide valuable insights to the complex relations and evolution tendencies of WEEMI from a scientific perspective and support coordinated control of WEEMI. This study is therefore believed to facilitate a rational decision-making process of cooperation development of Beijing-Tianjin-Hebei Urban Agglomeration considering key resources and environmental constraints.

本课题综合运用地学、技术经济学、环境系统分析等相关学科理论和方法，从生产选址、技术选择等微观角度入手，研究工业布局和技术进步对水资源利用 -能源消耗-污染物排放复杂系统（WEEMI）的微观影响机理、关键单元/节点、影响传递和放大途径与宏观效应；在此基础上，利用复杂系统建模方法，在地市/区县/工业集聚区等空间尺度耦合工业单元、技术单元，构建自底向上的工业WEEMI复杂系统模拟模型，系统识别WEEMI系统中“工业变化—资源环境响应”从微观到宏观的关键机理与特征规律，定量分析和评估京津冀城市群产业转移、结构调整、技术升级等战略驱动下WEEMI系统结构、规模和空间格局的演变趋势及潜在的重大资源环境影响。本研究成果将从机理上科学认识、定量刻画WEEMI复杂巨系统耦合关系及演变规律，为京津冀城市群协同控制产业发展的资源环境影响提供研究支撑，促进京津冀城市群在水能关键约束条件下实现环境质量改善。

研究构建了京津冀城市群基础信息数据库，包括基于单元技术的钢铁和火电两个典型行业的水-能-污染排放(water energy-pollution-emission, WEEMI)数据库、基于空间单元的工业水-能-污染物排放数据清单，识别了技术选择和产业格局对京津冀城市群WEEMI的影响机制，结合案例地区环境政策要求设置情景，分析了各政策情景下WEEMI的影响作用并提出了京津冀城市群水-能-污染物协同控制的对策建议。.本研究基于单元技术构建了自底向上的工业WEEMI复杂系统模拟模型，量化了案例地区钢铁和火电行业各工序、各类污染物处理技术相关的WEEMI系统水耗、能耗和污染物排放/去除量。模型模拟结果发现粉尘控制技术是制约进一步减排的关键因素，结合《钢铁工业调整升级规划（2016-2020）》要求、综合考虑WEEMI系统要素的情况下，提出36种最佳技术组合方案，可使污染物排放量比现状降低36%以上，总水耗和总能耗分别减少8%和1%。火电行业满足“超低排放”要求及综合考虑WEEMI系统要素的情况下，研究提出12种最佳技术组合方案，其SO2、NOx和粉尘排放量分别为现状的15%，6%和18%，总水耗减少2%，总能耗增加1%。.本研究从地块、园区、区县、地市尺度分别计算了WEEMI耦合特征，研究发现空间尺度越大，工业水-能消耗和污染物排放量之间的差异越小，呈现出更理想的水-能-污染物耦合状态。对案例地区的土地利用变化进行预测，基准情景结果显示水、能、污染排放增加19.5%以上。空间约束情景、产业准入情景、分区管控情景、“三线一单”管控情景四个更严格环境管控情景下，水、能、污染物排放均有所降低，其中“三线一单”管控情景下京津中心城区及周边水、能及污染物较2017年下降最为显著，达20%以上。研究识别出京津冀协同发展战略和实施“三线一单”生态环境分区管控方案的背景下，工业水-能-污染物将总体大幅削减，但不同区域协同推进节能减排的形势十分严峻，工业能耗量控制难度较大，特别是河北省工业城市实现减污降碳协同的压力巨大，需在不同地区采取实施差异化的管控手段。.