基于多主体与多层网络的钢铁生产全流程“矿-能-水”耦合关系及对碳排放影响模拟

With carbon emissions and climate change becoming the focus of international concern as well as China attaching great importance to the green sustainable development and the structural reform of the supply side, iron and steel industry, as an important part of economic, has been considered as the important governance target of building a resource saving and environment-friendly society. As a basic raw material industry , iron and steel industry is a system which contains multiple agents interacting with each other, and a whole process of production perspective is crucial to get the optimal scenario about effective control of carbon emissions. In this project, we will construct a multi-agent model based on multi-agent-based model, multi-layer complex network model, life cycle evaluation and input-output method, etc. The model can represent the coupled relations between material-energy-water flows and carbon emission of China's whole iron and steel industry chain. Based on the structural analysis of material-energy-water multi-layer network, we can get the hub nodes (agents) and edges (pathways) of carbon emission, and based on the scenario analysis and simulation, we can get the optimal scenario to fulfill the effective control of carbon emissions based on guaranteeing the development of economic and social development as well as saving resource and energy. This research can provide important references for green sustainable development of China's iron and steel industry.

随着全球对于碳排放与气候变化的关注以及中国对于绿色可持续发展和供给侧结构性改革等的重视，作为经济支柱的钢铁行业成为建设资源节约型、环境友好型社会的重要治理对象。钢铁行业作为基础原材料工业，是一个上中下游多主体联动交融系统，想要获取碳排放有效控制的优化情景，需要从钢铁生产全流程的视角进行系统研究。本项目旨在通过多主体模型、多层复杂网络模型、生命周期评价和投入产出等方法的交叉融合，构建表征钢铁生产全流程“矿-能-水”流动内在耦合关系及对碳排放影响的多主体模型，通过“矿-能-水”多层网络结构分析，识别影响碳排放的“矿-能-水”流关键主体和关键路径，采用情景模拟方法，获取在保障经济社会发展需求和实现节约资源、能源多重目标约束下的降低碳排放的优化策略，从而为中国钢铁行业绿色可持续发展提供政策建议和决策参考。

本项目聚焦“‘矿-能-水’在钢铁生产全流程多主体间流动的耦合关系及对碳排放的影响”科学问题展开研究，围绕研究目标，逐年分步完成了研究计划及涉及的研究内容。研究过程中，综合运用了多主体模型、多层复杂网络模型、生命周期评价、投入产出分析、能值分析、机器学习等相关模型方法，针对铁矿石到终端产业再到循环利用“从摇篮到坟墓”以及“从摇篮到摇篮”全过程的隐含资源流动、能源和水资源直接和间接消耗、碳排放和环境影响；构建了“矿-能-水”流动、碳排放及环境影响综合核算模型；分析了“矿-能-水”流动、碳排放及环境影响的关键主体和路径；研究了各国钢铁产业链各环节资源存量、经济收益、环境影响的耦合关系，以及“产业-公司-产品”不同尺度和不同主体的“矿-能-水”协调性；采用情景模拟方法，分析了在保障经济社会发展诉求和实现节能减排目标等多重约束下的“技术进步”、“产能置换”、“去产能”、“提高资源循环利用率”、“突发事件”等情景对“矿-能-水”流动及碳排放耦合关系的影响，并进行了策略情景组合优选。本研究为中国钢铁行业绿色可持续发展提供了决策依据和政策建议。与此同时，课题组在全球各部门间隐含资源流动、碳排放关键流动路径、多层网络和复杂系统建模、中国各部门间能水耦合、政策影响模拟等方面也开展了一系列研究，为钢铁产业链资源和环境协同管理和可持续发展提供了重要的数据基础、模型方法支撑和决策参考。项目执行期间，共有来自中国地质大学（北京）和中国钢铁工业协会的37名研究人员参与本项目，其中教授/研究员4名，副教授2名，博士生23名，硕士生8名，并完成了13名博士生和4名硕士生的培养。项目组围绕研究内容和研究方法在ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY、RESOURCES CONSERVATION AND RECYCLING、JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MANAGEMENT、ECOLOGICAL INDICATORS、《资源科学》等期刊上发表论文30篇（其中JCRQ1的SCI/SSCI检索期刊论文25篇）。此外，项目组负责人参与完成了5份矿产资源安全和可持续管理相关咨询报告，其中获得党和国家最高领导人批示2项，省部级领导人批示1项。