基于縣域尺度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的中國鋼鐵工業(yè)污染物排放預測研究

摘" 要：實現(xiàn)精細尺度的鋼鐵工業(yè)排放預測對我國的區(qū)域污染控制和產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整具有重要意義。該研究通過融合多源數(shù)據(jù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并實現(xiàn)2025—2060年的縣域尺度活動水平預測，建立中國鋼鐵工業(yè)的大氣污染物排放預測清單。結(jié)果表明，粗鋼產(chǎn)量將在2025年達到最高值，且隨后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。同時，未來中西部地區(qū)將形成大型縣域鋼鐵生產(chǎn)基地。2060年，我國粗鋼產(chǎn)量預計為7.6億t，較2015年下降4%，共排放SO2、NOX、PM2.5及CO2分別為10.6萬t、8.6萬t、25.5萬t和5.9億t，較2015年分別下降88%、89%、76%和52%。

關(guān)鍵詞：縣域尺度預測；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；鋼鐵排放；排放因子；區(qū)域污染

中圖分類號：TP274.2" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0009-04

Abstract： Realizing fine-scale emission prediction from the iron and steel industry is significant for regional pollution control and industrial policy adjustment in China. In this study， we calculate future air pollutant emission inventory from the iron and steel industry in China by using multi-source data to obtaining activity level predictions from 2025 to 2060 based on county-scale neural networks. The results show that crude steel production will peak in 2025 and then show a slow downward trend. Meanwhile， counties with large steel production will be formed in the Midwest in the future. The crude steel production in China is expected to be 760 million tons in 2060， with a decrease of 4% from 2015. The emission of SO2， NOX， PM2.5 and CO2 from the iron and steel industry will be 106 kilotons， 86 kilotons， 255 kilotons and 590 million tons， respectively， with a decrease of 88%， 89%， 76% and 52% from 2015.

Keywords： county-scale prediction; neural network model; steel emission; emission factor; regional pollution

鋼鐵工業(yè)是大氣污染物以及溫室氣體的重要排放源，對我國的空氣質(zhì)量改善造成較大的挑戰(zhàn)[1]。在長時間尺度下，鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)和排放發(fā)生了顯著改變[2]，這種長期的演變將影響區(qū)域大氣污染的形成過程與來源貢獻，進而導致空氣質(zhì)量及其人群健康暴露格局發(fā)生變化。同時，隨著中國進入后工業(yè)化階段，未來鋼鐵的需求可能會逐漸放緩甚至下降[3]。但現(xiàn)有研究未充分考慮未來產(chǎn)量下降背景下的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)活動的空間變遷，從而進一步影響化學傳輸模型對區(qū)域污染的模擬分析。

本研究以2015年為基準年，建立縣域尺度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動水平（即產(chǎn)品產(chǎn)量）預測模型，在精細空間尺度上捕捉鋼鐵工業(yè)的活動水平空間格局改變，進而準確刻畫其排放演化規(guī)律的時空差異性，為鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展提供決策依據(jù)。

1" 研究方法

1.1" 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

本研究利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史數(shù)據(jù)進行訓練學習，建立縣域尺度的活動水平（產(chǎn)品產(chǎn)量）預測模型，通過輸入變量的未來預測值獲得2025—2060年（每5年）鋼鐵工業(yè)縣域尺度的粗鋼活動水平預測值。

1.1.1" 指標選取

本研究融合工業(yè)選址理論[4]，以2005—2015年的地理信息、社會經(jīng)濟、土地利用和政策規(guī)劃4類多源數(shù)據(jù)信息共計15個變量作為輸入，以縣域尺度的活動水平作為單一因變量建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其中，地理信息包括公路里程、鐵路里程、港口數(shù)、地理位置、國家級工業(yè)園區(qū)及省級工業(yè)園區(qū)6個變量，社會經(jīng)濟包括人口、國民生產(chǎn)總值、城市化率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)4個變量；土地利用包括耕地面積、城鎮(zhèn)面積2個變量；政策規(guī)劃包括環(huán)境監(jiān)管、城市定位、市場規(guī)模3個變量。輸入變量數(shù)據(jù)源主要來源于國家和地方統(tǒng)計部門、中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心、工業(yè)和信息化部以及地方政府的規(guī)劃文件。水泥活動水平數(shù)據(jù)由微觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)（http：//microdata.sozdata.com/#/industry_index？year=201 5）、縣域及城市尺度的統(tǒng)計年鑒提供。

在模型實現(xiàn)活動水平的未來預測過程中，社會經(jīng)濟、土地利用和政策規(guī)劃的相關(guān)變量被放置在未來水平輸入，而地理信息指標則被固定在基準年2015年。本研究所利用的未來預測值來源于學者的已有研究結(jié)果[5]。

1.1.2" 模型訓練及驗證

將2005—2015年的歷史數(shù)據(jù)作為訓練庫用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練和驗證。其中，2015年的數(shù)據(jù)作為測試集，其余數(shù)據(jù)分別作為訓練集（80%）和驗證集（20%）用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練。應用平均絕對誤差（Mean Absolute Error， MAE）和R2作為評估模型性能的指標。在模型訓練過程中，可以觀察到正常的梯度下降。在3 000次迭代后，訓練集中的MAE和R2分別為0.12和0.89，驗證集中的MAE和R2可達到0.19和0.84。

將2015年鋼鐵工業(yè)縣級尺度的活動水平與模型預測結(jié)果進行線性擬合，R2相關(guān)性可達0.85，證明了本研究所建立的縣域尺度活動水平預測模型具有較好的模型表現(xiàn)和預測能力。

1.2" 排放清單建立

本研究采用傳統(tǒng)的“自下而上”排放因子法計算建立中國鋼鐵工業(yè)部門的大氣污染物和溫室氣體排放清單，基本公式如下

Ei，t=j，mAj，m，t×EFi，m（1-ηn）×R，

式中：E為污染物的年排放量；i代表大氣污染物和溫室氣體種類；t代表統(tǒng)計年份；j代表縣級行政區(qū)；m代表技術(shù)類型；A為活動水平（產(chǎn)品產(chǎn)量）；EF為排放因子；η為污染控制設(shè)備的去除效率；n代表末端污染控制技術(shù)；R為末端污染控制設(shè)施安裝比例。

鋼鐵行業(yè)排放量計算涵蓋了煉焦、燒結(jié)、煉鐵和煉鋼4個關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)。粗鋼產(chǎn)量由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型獲得，電爐煉鋼和轉(zhuǎn)爐煉鋼的產(chǎn)量根據(jù)電爐煉鋼比例分配獲得[4]，再按照鐵鋼比等系數(shù)計算燒結(jié)球團和生鐵產(chǎn)量。對于鋼材產(chǎn)量，本文假設(shè)其產(chǎn)量與粗鋼產(chǎn)量的比值保持在基準年不變。

基準年的排放因子主要來源于《城市排放清單編制技術(shù)手冊》[6]。在未來排放計算時，通過污染控制水平提升實現(xiàn)排放因子的動態(tài)改變。本研究假設(shè)2035年實現(xiàn)全國的超低排放改造，此后達到最佳控制水平。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 縣域尺度活動水平預測結(jié)果

表1為匯總到全國尺度的鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量的預測結(jié)果。結(jié)果表明，我國鋼鐵行業(yè)將在2025年達到產(chǎn)量的最高值，且隨后呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢。到2060年，我國粗鋼產(chǎn)量為7.6億t，較2015的8.0億t年下降5%。

從空間分布來看，2015年，我國的大型鋼鐵基地（產(chǎn)量大于1 000萬t的縣域）多分布于東部地區(qū)的沿?？扛凼》?，而中西部地區(qū)的鋼鐵生產(chǎn)以小型規(guī)模為主（產(chǎn)量小于100萬t的縣域）。同時，鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)活動多靠近省會城市中心，京津冀地區(qū)分布有大量鋼鐵工業(yè)，鋼鐵工業(yè)的整體空間布局更為協(xié)調(diào)，中西部地區(qū)將形成一批大型鋼鐵生產(chǎn)基地。例如內(nèi)蒙古、云南、江西和廣西等地都出現(xiàn)了具有大型鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模的縣域，特別是廣西的防城港地區(qū)，憑借其地理位置優(yōu)勢和政策扶持和廣東湛江成為我國南部最大的2個鋼鐵生產(chǎn)地區(qū)。河北作為工業(yè)大省，雖然到2060年仍具有大量的鋼鐵工業(yè)活動，但是其鋼鐵工業(yè)的空間位置將遠離北京、天津的城市中心。未來年份具有鋼鐵工業(yè)的縣域數(shù)量出現(xiàn)大幅削減。

2.2" 排放預測結(jié)果

表2為匯總到全國尺度的鋼鐵工業(yè)大氣污染物及溫室氣體CO2的排放量計算結(jié)果。受我國鋼鐵行業(yè)的超低排放改造以及污染控制水平上升的影響，雖然2025年鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量高于2015年，但是相關(guān)的大氣污染物排放量較2015年仍有所下降，反映了我國現(xiàn)行大氣污染控制手段的有效性。2060年，中國鋼鐵行業(yè)SO2、NOx、PM2.5及CO2的排放量分別為10.6萬 t、8.6萬t、25.5萬t和5.9億t，較2015年下降88%、89%、76%、77%和52%。溫室氣體排放量的降低由電爐煉鋼技術(shù)的推廣和粗鋼需求下降推動。

2.3" 結(jié)果驗證

圖1比較了本研究與其他研究的粗鋼產(chǎn)量及排放預測結(jié)果[1，3，7-8]。從粗鋼產(chǎn)量上看，其他研究的未來粗鋼產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度不大，與本研究具有較好的一致性，表明本研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)量預測具有一定的合理性與準確性。從排放量上來看，本研究2015年的鋼鐵工業(yè)SO2排放量介于Bo等[1]和多尺度排放清單（MEIC，http：//www.meicmodel.org/）的排放結(jié)果之間。2015年本研究的PM2.5比MEIC略高，可能是對于除塵設(shè)施安裝比例考慮較為保守造成的。未來污染物排放的預測結(jié)果總體上與其他研究結(jié)果較為相似。受污染控制水平設(shè)計影響，從趨勢上看本研究的排放量在2035年較其他研究下降較快?？傮w而言，本研究的排放計算結(jié)果較為合理。

3" 結(jié)論

本研究以2015年為基準年，通過多源數(shù)據(jù)融合利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建鋼鐵工業(yè)的活動水平預測模型，獲得2025—2060年縣域尺度的活動水平預測值以捕捉未來中國鋼鐵工業(yè)在精細尺度上的排放格局變化。我國的粗鋼產(chǎn)量將在2025年達到產(chǎn)量預測的最高值，隨后呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢。到2060年，我國粗鋼產(chǎn)量為7.6 億t，較2015年的8.0億t下降5%。雖然未來鋼鐵工業(yè)的粗鋼產(chǎn)量下降幅度不大，但是受未來污染控制水平提升的影響，2060年各污染物排放均呈大幅下降。2060年，中國鋼鐵行業(yè)SO2、NOx、PM2.5及CO2的排放量分別為10.6萬t、8.6萬t、25.5萬t和5.9億t，較2015年分別下降88%、89%、76%和52%。同時，鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)活動和排放的整體空間布局更為協(xié)調(diào)。隨著未來產(chǎn)業(yè)調(diào)整的持續(xù)推進，中西部地區(qū)將形成一批大型鋼鐵生產(chǎn)基地。特別是廣西的防城港地區(qū)，憑借其地理位置優(yōu)勢和政策扶持與廣東湛江成為我國南部最大的2個鋼鐵生產(chǎn)地區(qū)。河北雖然仍具有大量的鋼鐵工業(yè)活動，但是其空間布局將遠離北京、天津的城市中心。

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