宋開慧,周景月,張培棟,闞士亮
(青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島 266042)
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中國省域生物質(zhì)發(fā)電潛力評價(jià)及規(guī)劃目標(biāo)配額分析
宋開慧,周景月,張培棟,闞士亮
(青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東青島266042)
摘要:利用2012年宏觀數(shù)據(jù),探究中國生物質(zhì)資源的省域分布及發(fā)電潛力閾值,構(gòu)建生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)(BPGI)指標(biāo)體系,評價(jià)各省(區(qū)、市)生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展水平及潛力,并結(jié)合省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度對各省規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)配額進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:2012年中國生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值為1.612×105MW/年;河南、黑龍江、山東位列前三,可承擔(dān)中國“十三五”期間24.10%的生物質(zhì)發(fā)電目標(biāo)裝機(jī)量;上海、北京、浙江等地可通過資金輸出間接承擔(dān)。為促進(jìn)中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的布局優(yōu)化、合理開發(fā)提供參考。
關(guān)鍵詞:生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù);目標(biāo)配額;財(cái)稅;上網(wǎng)電價(jià)
2014年,全社會(huì)電力生產(chǎn)量達(dá)55233億kWh,其中火力發(fā)電占67.32%[1]。電力構(gòu)成以煤電為主,排放大量CO2,環(huán)境壓力巨大。中國生物質(zhì)資源豐富,開發(fā)利用生物質(zhì)能具有良好的資源環(huán)境效益,但其市場驅(qū)動(dòng)不足,需要保護(hù)性的政策措施調(diào)控市場、規(guī)劃布局。根據(jù)發(fā)電方式不同,生物質(zhì)發(fā)電效率介于15%~60%之間,其環(huán)境效益主要體現(xiàn)在資源可再生和碳減排方面,其CO2排放系數(shù)分布均值為18g CO2eq/kWh[2-3]。根據(jù)中國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》,截至“十二五”和“十三五”時(shí)期末,中國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到1300萬kW和3000萬kW。
明晰生物質(zhì)資源發(fā)電的開發(fā)潛力及分布特征,是其戰(zhàn)略決策與最優(yōu)發(fā)展路徑甄選的重要基礎(chǔ)。明確各省(區(qū)、市)(下文對省級(jí)單位簡稱省,未包括臺(tái)灣、香港、澳門)可承擔(dān)的生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)額度,是把握整體布局、制定區(qū)域性政策與規(guī)劃、完善國家規(guī)劃目標(biāo)的重要參考和保障。2007年中國農(nóng)作物秸稈資源、薪柴資源、禽畜糞便可利用量分別為7.5億噸、1億噸、9億噸,作為能源利用前景較好[4];2011年中國9種主要農(nóng)作物秸稈及其加工廢棄物的最大發(fā)電潛力為68332.31MW[5]。目前生物質(zhì)利用潛力的研究多側(cè)重于對量的核算,尚缺乏生物質(zhì)相對發(fā)展水平及潛力的評價(jià)。本文通過探究中國農(nóng)業(yè)秸稈、林木薪柴和人畜糞便等生物質(zhì)資源的省域分布,估算其在各省的發(fā)電潛力閾值;通過構(gòu)建生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)(BPGI)指標(biāo)體系,評價(jià)各省生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展水平及潛力;利用BPGI將國家生物質(zhì)發(fā)電的規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)分配至各省,并結(jié)合省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度對規(guī)劃目標(biāo)配額進(jìn)行優(yōu)化;為中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的布局規(guī)劃及政策措施完善,提供理論參考。
1研究方法與數(shù)據(jù)來源
生物質(zhì)資源主要包括農(nóng)業(yè)秸稈、林木薪柴、人畜糞便、能源作物、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水。其中生活污水、工業(yè)有機(jī)廢水多作為污水進(jìn)行處理,基因工程生產(chǎn)能源作物尚未得到廣泛應(yīng)用,故不予計(jì)量。2010年全國秸稈平均可收集資源量約為理論資源量的83.33%,秸稈作為燃料使用量(含農(nóng)戶傳統(tǒng)炊事取暖、秸稈新型能源化利用)約為可收集資源量的17.43%;農(nóng)作物秸稈綜合利用的重點(diǎn)方向是肥料、飼料、基料、燃料,目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下用作燃料的綜合效益較次[6]。考慮到中國嚴(yán)峻的能源形勢,取生物質(zhì)資源的可收集資源量估算其發(fā)電潛力閾值。為便于估算,農(nóng)作物秸稈、林木薪柴、人畜糞便的整體能量轉(zhuǎn)換效率皆取為20%。
選取生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值(下文簡稱潛力閾值,BPPMax(i))、生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值密度(下文簡稱潛力密度,NPPAMax(i))、生物質(zhì)剩余發(fā)電潛力(下文簡稱剩余潛力,NPPT(i))作為生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)的二級(jí)指標(biāo),如公式(1)~(7)。利用BPGI將國家生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)分配到省,如公式(8)。
選取稻谷、小麥、玉米、棉花、豆類、花生、油菜籽、薯類、甘蔗9種主要農(nóng)作物進(jìn)行農(nóng)業(yè)秸稈資源發(fā)電潛力的估算。
(1)
ABPPMax(i):i省主要農(nóng)業(yè)秸稈資源的最大年發(fā)電量;
C(j):j種農(nóng)作物秸稈的低位發(fā)熱量[5],MJ/t;
P(i,j):j種農(nóng)作物在第i省的年產(chǎn)量,萬t;
R(j):j種農(nóng)作物的草谷比[5];
F(j):j種農(nóng)作物的可收集利用率[5];
T:年度持續(xù)運(yùn)行時(shí)間,s(5844[7]×3600)。
選取薪炭林、用材林、防護(hù)林及四旁樹,采用產(chǎn)柴率和取柴系數(shù)[8-9]來計(jì)算主要林木薪柴資源的發(fā)電潛力,并考慮每年森林撫育間伐量。
(2)
FBPPMax(i):第i省林木薪柴生物質(zhì)資源的最大年發(fā)電量,MW;
Fi:該年i省n種林地的造林面積,萬公頃;
xi:i種林地的產(chǎn)柴率,kg/hm2;
Qi:i種林地取柴系數(shù);
Xi:i省四旁樹植樹株樹,萬株;
yi:i省內(nèi)四旁樹產(chǎn)柴率,kg/株;
qi:i省四旁樹取柴系數(shù);
Ti:森林撫育面積,hm2;
ri:i省森林撫育的產(chǎn)柴率;
mi:i省森林撫育的折重系數(shù);
0.344:木材加工剩余物的比例[8];
W:地域范圍內(nèi)年木材產(chǎn)量;
ηi:薪柴低位發(fā)熱量,16726kJ/kg[10];
T:年度持續(xù)運(yùn)行時(shí)間,s(5844×3600)。
糞便來源為人以及牛、羊、豬、馬。人畜糞便資源發(fā)電潛力根據(jù)各地區(qū)人數(shù)、禽畜存欄數(shù)和人畜的年平均排泄量來進(jìn)行估算[4]。
(3)
EBPPMax(i):第i省人畜糞便資源的最大年發(fā)電量,MW;
P(i,j):第i省j類人畜的數(shù)量;
A(i,j):第i省j類人畜糞便排泄量中干物質(zhì)量[10];
μj:j類糞便低位發(fā)熱量[11],kJ/kg;
T:年度持續(xù)運(yùn)行時(shí)間,s(5844×3600)。
BPPMax(i)=ABPPMax(i)+FBPPMax(i)+
EBPPMax(i)
(4)
BPPMax(i):i省的生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值,MW/年;
(5)
NPPAMax(i):i省生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值的密度,MW/萬km2;
Area(i):i省的面積,萬km2;
(6)
NPPT(i):i省的生物質(zhì)剩余發(fā)電潛力,%;
BPPNow(i):i省的現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)量,MW/年;
(7)
BPGI(i):i省的生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù);
kMax(i):i省k類二級(jí)指標(biāo),k=BPP,NPPA,NPPT(下同),MW/年、MW/萬km2、%;
kMax(iMax):各省k類二級(jí)指標(biāo)的最大值,MW/年、MW/萬km2、%;
kMax(iMin):各省k類二級(jí)指標(biāo)的最小值,MW/年、MW/萬km2、%。
(8)
BPPIc(i)n:i省第n年的生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)配額,MW;
BPGI(i)n-1:i省第n-1年的生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù),BPGI(i)n-1≥0.4;
BPPIc,n:中國第n年的生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃裝機(jī)量目標(biāo),MW。
考慮歷年生物質(zhì)資源量總體變化不大及數(shù)據(jù)可獲得性,農(nóng)業(yè)秸稈和人畜糞便生物質(zhì)能源估算的原始數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2013》[12];林木薪柴生物質(zhì)資源估算數(shù)據(jù)來源于《中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒2011》[13]。生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)數(shù)據(jù)來源于可再生能源信息網(wǎng)[14],裝機(jī)量包括截止到2015年3月各省已建、在建及核準(zhǔn)的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)量,將該數(shù)據(jù)作為2015年底的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)量。
2結(jié)果分析
各省(區(qū)、市)生物質(zhì)發(fā)電潛力情況如表1所示。根據(jù)估算結(jié)果可知,中國生物質(zhì)資源發(fā)電潛力巨大,年理論裝機(jī)量閾值為1.612×105MW。其中農(nóng)業(yè)秸稈、林木薪柴和人畜糞便分別為1.062×105MW、1.852×104MW、3.642×104MW,分別占比65.91%、11.49%、22.60%。生物質(zhì)資源的分布契合中國農(nóng)產(chǎn)品“七區(qū)二十三帶”的戰(zhàn)略布局。
2015年生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)大于0.6的省區(qū)包括河南、黑龍江、山東、安徽、河北、江蘇、湖南、吉林、新疆;生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)在0.2~0.4之間的省市包括上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏、寧夏。
2015年各省(區(qū)、市)中,河南的生物質(zhì)發(fā)電潛力最大,其BPGI為0.9762;河南是農(nóng)業(yè)大省,生物質(zhì)資源密度和發(fā)電潛力閾值皆居于首位,后者達(dá)13949.08 MW/年,且河南現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模僅為其可開發(fā)潛力的4.55%,剩余開發(fā)潛力較大。黑龍江的生物質(zhì)發(fā)電潛力居于各省第二位,現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模為其可開發(fā)潛力的6.55%,剩余開發(fā)潛力較大。山東的BPGI為0.6707,居于各省市的第三位,其發(fā)電潛力閾值位列第三,資源密度位列第二,現(xiàn)有生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模為其可開發(fā)潛力的47.95%,剩余開發(fā)潛力相對較小。安徽、河北、江蘇、湖南、吉林等地BPGI均在0.6~0.7之間,其生物質(zhì)發(fā)電潛力閾值分布于6300~8300之間,潛力密度分布于350~630之間,剩余發(fā)電潛力分布于85%~95%之間,三項(xiàng)指標(biāo)在全國各省市中皆屬于中等水平。新疆的生物質(zhì)發(fā)電潛力密度僅為65.2 MW/萬km2,剩余發(fā)電潛力達(dá)99.45%,潛力閾值為10855.70 MW/年;其BPGI為0.6094,發(fā)電潛力較大卻難以開發(fā)。
表1 各省區(qū)生物質(zhì)資源發(fā)電潛力
生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)在0.2~0.4之間的省(區(qū)、市)包括上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏、寧夏。這8個(gè)省(區(qū)市)的發(fā)電潛力閾值皆在2100 MW/年以下,其中海南、北京、上海依次為664.11 MW/年、422.31 MW/年、373.50 MW/年,位列全國最小發(fā)電潛力閾值的前三位。潛力密度方面,上海為589.12 MW/萬km2,北京為251.25 MW/萬km2,其余6省(區(qū)市)潛力密度普遍低于205 MW/萬km2;青藏兩地則低于20 MW/萬km2,是全國潛力密度最小的兩個(gè)地域。剩余發(fā)電潛力方面,上海為36.30%,剩余發(fā)電潛力最?。槐本?、浙江、海南、福建等經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件較好的地域,生物質(zhì)剩余發(fā)電潛力皆在83%以下;寧夏的生物質(zhì)剩余發(fā)電潛力為89.85%,屬于生物質(zhì)發(fā)電發(fā)展中等水平的地域;青藏,受資源條件約束,其生物質(zhì)剩余發(fā)電潛力分別為99.85%、100.00%,屬于生物質(zhì)發(fā)電利用困難的地域。
2015年,中國生物質(zhì)裝機(jī)總?cè)萘繛?7628 MW,為完成到“十三五”末生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量30000 MW的目標(biāo),“十三五”期間需要新增12372 MW的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)。按國家整體年增長量不變進(jìn)行規(guī)劃預(yù)測,即2016—2020年每年增加生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)2474.4 MW。按公式(8)將國家規(guī)劃目標(biāo)逐年分配至各省,得出“十三五”期間各省生物質(zhì)發(fā)電可新增裝機(jī)的基礎(chǔ)值及“十三五”末各省的生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)基礎(chǔ)值。
將生物質(zhì)發(fā)電潛力密度小于100MW /萬km2的省區(qū)在規(guī)劃預(yù)測中承擔(dān)的非零新增裝機(jī)量配額,根據(jù)省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度進(jìn)行全額第二次分配。省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度在1000g CO2e/kW·h以上的省(區(qū)、市)包括內(nèi)蒙古、黑龍江、河北、山西、遼寧、寧夏、山東、吉林、陜西、天津、河南[15]。將1450.44 MW裝機(jī)量按省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度的比例,進(jìn)行第二次分配。修正后的“十三五”期間各省可新增生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)情況,以及“十三五”末各省生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)如表2所示。
“十三五”規(guī)劃配額的預(yù)測結(jié)果表明,河南、黑龍江、山東是可承擔(dān)裝機(jī)目標(biāo)最多的3個(gè)省,分別可承擔(dān)1206.14 MW(9.75%)、908.56 MW(7.34%)、867.08 MW(7.01%),與前文河南、黑龍江、山東3省生物質(zhì)發(fā)電潛力最大的分析相吻合。上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏等地不直接承擔(dān)“十三五”生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)配額;上述7個(gè)省域BPGI在0.2~0.4之間,發(fā)電潛力偏小。2015年寧夏的生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)為0.3789,在“十三五”生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃目標(biāo)第一次分配過程中亦不直接承擔(dān)裝機(jī)目標(biāo)配額,因其省級(jí)電網(wǎng)碳排放強(qiáng)度較大,經(jīng)修正調(diào)整,可考慮寧夏承擔(dān)117.57 MW的裝機(jī)配額(0.95%)。
表2 基于BPGI的生物質(zhì)發(fā)電“十三五”規(guī)劃目標(biāo)省域配額
河北、吉林、遼寧、安徽、江蘇可承擔(dān)的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)皆在700~900MW之間,湖南、湖北、四川可承擔(dān)的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)皆在600~700 MW之間;生物質(zhì)發(fā)電潛力從大到小分別是安徽、河北、江蘇、湖南、吉林,由于河北、遼寧、吉林省級(jí)電網(wǎng)的碳排放強(qiáng)度偏高,經(jīng)過裝機(jī)目標(biāo)的修正調(diào)整,上述省區(qū)的發(fā)展?jié)摿εc裝機(jī)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生了一定變化。2015年新疆的生物質(zhì)發(fā)電潛力指數(shù)為0.6094,發(fā)電潛力較高,潛力密度僅為65.2 MW/萬km2,剩余發(fā)電潛力達(dá)99.45%,說明其資源條件限制了生物質(zhì)的開發(fā)利用,在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下尚難以充分利用其生物質(zhì)資源,故對其裝機(jī)目標(biāo)進(jìn)行全額修正,調(diào)整后新疆可承擔(dān)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)配額為92.68 MW(0.75%)。
就“十三五”24個(gè)省完成生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃配額需保持的年均增長率來看,共有17個(gè)省高于全國平均年增長率11.22%,遼寧、廣西、重慶、云南、陜西、河南、天津、湖南、江西、新疆、河北高達(dá)20%以上,其中遼寧最大(46.78%)。上海、北京、浙江、福建等不直接承擔(dān)“十三五”生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)目標(biāo)配額,因其生物質(zhì)資源條件有限且開發(fā)程度較大;上述省市的經(jīng)濟(jì)條件較為優(yōu)越,可在生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃布局中作為資金輸出單位,在全國范圍內(nèi)根據(jù)生物質(zhì)發(fā)電的布局和區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行資金調(diào)配。青藏等地生物質(zhì)資源過于分散,解決秸稈等生物質(zhì)資源的難收集問題,是保障生物質(zhì)發(fā)電燃料供應(yīng)、促進(jìn)其發(fā)展的重要基礎(chǔ)。秸稈資源收集系統(tǒng)的建設(shè)完善需要緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,創(chuàng)新其收集作業(yè)鏈。
3結(jié)論與建議
生物質(zhì)發(fā)電規(guī)劃配額不是簡單的額度分配,是合理布局全國生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)中對各省所能承擔(dān)的建設(shè)規(guī)模的一種合理性評定;該規(guī)劃目標(biāo)配額的完成,不能行政強(qiáng)制,需要綱領(lǐng)性的規(guī)劃引導(dǎo),由市場推動(dòng)實(shí)現(xiàn)。促進(jìn)生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展,需要國家能源部門與農(nóng)業(yè)部門加強(qiáng)合作,制定與農(nóng)業(yè)發(fā)展模式高度契合的生物質(zhì)能源政策,積極促進(jìn)農(nóng)業(yè)增值,農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及政策措施努力配合生物質(zhì)資源的開發(fā)利用。著力引導(dǎo)生物質(zhì)利用科研投入的增加,突破核心技術(shù),提高發(fā)電工藝的效率,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源高效化利用。繼續(xù)推進(jìn)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。通過合理布局、資金調(diào)配、完善政策促進(jìn)中國生物質(zhì)發(fā)電的持續(xù)發(fā)展。
國家在制定生物質(zhì)發(fā)電的支持政策時(shí),需要考慮各區(qū)域的資源富集程度差異、發(fā)電技術(shù)差異、開發(fā)閾值等,完善財(cái)稅支持體系。國家調(diào)整對生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)及運(yùn)營的財(cái)稅補(bǔ)貼措施,可采用額度內(nèi)財(cái)稅支持政策。根據(jù)規(guī)劃目標(biāo),對各省配額內(nèi)的生物質(zhì)發(fā)電新增裝機(jī)施行梯度財(cái)稅補(bǔ)貼及獎(jiǎng)勵(lì)制度,對完成規(guī)劃的目標(biāo)裝機(jī),減額財(cái)稅進(jìn)行補(bǔ)貼;對超出目標(biāo)的新增裝機(jī),施行全額補(bǔ)貼及獎(jiǎng)勵(lì)。生物質(zhì)新增裝機(jī)的電價(jià)補(bǔ)貼制度,可按效率施行梯度上網(wǎng)電價(jià),單位裝機(jī)低效率內(nèi)的發(fā)電量按國家既定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)貼,單位裝機(jī)高效率范圍內(nèi)的發(fā)電量按高于標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)格補(bǔ)貼。
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(責(zé)任編輯沈蓉)
Assessment of Biomass Power Potential on Provincial Scale and Analysis on Plan Target Quota
Song Kaihui,Zhou Jingyue,Zhang Peidong,Kan Shiliang
(College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042,China)
Abstract:This paper explores the biomass resource distribution on provincial scale and its threshold for power generation in China,based on the macroscopic data of 2012.Biomass power development and potential are assessed on provincial scale by means of establishing Biomass Power Generation Index(BPGI)system,meanwhile the quota of national planned biomass power capacity target is adjusted and optimized,with consideration of provincial GHG emission factor for grid electricity.The results show that biomass has a huge potential for power capacity of 1.612×105MW annually in China,of which Henan,Heilongjiang and Shandong rank in top three.Furthermore,they are capable of sharing the planned quota for 24.10% during the 13thFive-year Plan period.Shanghai,Beijing and Zhejiang can play roles of capital export units and share the quota indirectly.Suggestions are put forward to provide reference for optimal layout and rational exploration in biomass power industry development.
Key words:Biomass Power Generation Index(BPGI);Target quota;Finance and taxation;On-grid price
中圖分類號(hào):F426
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
作者簡介:宋開慧(1993-),女,山東濟(jì)寧人,本科生;研究方向:能源政策與規(guī)劃分析。
收稿日期:2015-07-06
基金項(xiàng)目:國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“促進(jìn)新能源發(fā)展的運(yùn)營模式和政策創(chuàng)新研究”(14BJY064)。