煤炭作为我国的主体能源,是中国经济持续、快速发展的基本保障,在今后较长一段时间内,煤炭仍将是我国的能源安全的基本保障。随着经济的快速发展,对能源的需求仍将继续增加,煤炭的生产和消费量也将持续增长。与此同时,煤炭在开发和利用的过程中对资源和环境造成了破坏,随着我国可持续发展进程的加快,资源与环境问题日益受到社会各界人士的关注,我国煤炭资源虽然丰富,但是煤炭资源的分布与地区资源环境的禀赋不相适应,煤炭产业的未来不容乐观。国家能源局提出要通过大力调控煤炭总量,优化产业布局来推动煤炭行业脱困,也就是在实施总量控制的同时,不应该忽视产业布局优化所带来的综合效益。本文认为相对于煤炭生产和消费总量的控制,产业布局的优化在资源、环境、社会等方面都存在巨大的空间。产业布局优化应该根据区域间的资源环境禀赋差异,因地制宜的规划煤炭开采和利用的规模,合理的选择煤炭开采和利用过程中技术,以实现煤炭清洁高效可持续的开发和利用。基于以上分析,本文充分运用系统工程学、运筹学、经济学和环境学等理论知识,系统的分析了我国煤炭产业未来发展过程中资源和环境约束,建立了资源与环境约束下煤炭产业布局优化系统模型。在此基础之上,对模型中的不确定性因素进行了分析,并利用两阶段随机规划,区间规划等不确定性理论与方法对模型中的不确定性进行的处理,最后通过GAMS软件对模型进行了系统实现以及算例分析,利用经济学的生产可能性边界以及影子价格等理论对模型结果进行了解释,验证了模型的有效性。围绕系统模型的建立与实现,将全文分为7章进行研究,主要内容如下:第一章:绪论。首先从目前我国煤炭产业发展过程面临的资源与环境挑战以及我国对资源与环境问题日益重视入手,介绍了选题的背景,进而分别从理论和现实角度阐述了研究的意义。然后对研究内容与研究方法进行了详细的阐述和说明,在此基础之上确立了论文研究的技术路线以及拟完成的创新点。第二章:相关研究综述。由于本文的研究内容和方法涉及的学科领域较多,分别对国内外的相关的研究进行了综述,包括研究工具和方法方面,即能源系统模型的综述,研究内容方面,即煤炭产业布局、煤炭产业资源与环境约束以及能源、水、粮食跨领域研究的现状。通过对前人研究成果的梳理和分析,为模型的建立提供了思路。第三章:我国煤炭产业面临的资源与环境约束。分别从我国大气污染总量控制、水资源禀赋、粮食安全以及气候变化等四个方面对煤炭产业未来将面临的约束进行了详细阐述。在阐述的过程中,首先说明了煤炭开采、洗选、运输和转化环节与资源环境约束之间的相互作用关系,提出了资源与环境对煤炭产业的自然“红线”,然后总结了我国在相关资源环境领域的政策法规对煤炭产业的行政“红线”。最后提出了煤炭在开采、洗选、运输和转化环节的技术现状以及未来可供选择的绿色技术,同时介绍技术对相关资源环境的影响,为模型建立提供了现实依据。第四章:煤炭产业布局优化系统模型的建立。首先对模型建立的政策以及理论依据进行了分析,从国家的政策层面分析了煤炭产业优化布局的政策依据,从产业布局理论、环境生态学理论、空间均衡理论的角度分析了煤炭产业优化布局的理论依据。然后对系统模型的边界进行了界定,即煤炭的开采、洗选、运输和转化四个环节,借助参考能源系统的分析方法,构建了煤炭产业的系统网络图。通过网络图,建立了系统模型的架构,系统中的资源与环境约束包括水资源、耕地资源、大气污染控制、温室气体排放控制。水资源与耕地资源作为农业的基本生产资料,导致煤炭开采与转化过程中与农业生产部门产生对水资源以及耕地资源利用的竞争,进而引入了粮食安全的约束。同时,考虑到实际情况,具体的约束中还包括矿井设计产能的约束、煤炭调入调出的运输能力约束、原煤入选率的约束等。在耕地资源的约束中,介绍了利用概率积分法对煤炭开采过程中地表塌陷面积的计算方法,煤矸石占地面积的定量计算方法。在温室气体排放的约束中,介绍了煤炭在转化过程中的碳排放量的计算方法。系统模型的目标函数为系统总成本的最小化,包括煤炭开采、洗选、运输、转化的成本以及粮食生产和运输的成本。第五章:模型中的不确定性分析。能源系统的规划是一项非常复杂的系统工程,不仅要如实反映系统的复杂结构,还要能够解决诸如能源技术更新及投资分析等一系列的复杂性和不确定性问题。本章首先介绍了不确定的理论基础,包括随机规划理论、模糊规划和区间规划理论,紧接着分析了系统模型中不确定性的来源,分别从自然因素,政策因素,市场因素以及人们认知局限等四个方面分析了系统模型中的不确定性。基于此对约束条件以及目标函数的不确定性进行了分析和处理。在水资源约束中不确定性同时存在约束条件的左右两侧,表现形式分别为区间形式的不确定性和随机形式的不确定性,故采用区间规划和两阶段随机规划对其进行处理。在耕地资源的约束中,表现为约束条件左侧的区间不确定性,采用悲观主义原则对其进行处理。煤炭转化产品需求以及粮食需求的约束中,不确定性均表现为约束条件右侧的随机不确定性,利用两阶段随机规划对其进行处理。在大气污染控制以及温室气体排放约束中均考虑了利用了两阶段随机规划的方法对其进行了处理。第六章:模型的实现与算例分析。系统模型中参数,以及变量、约束条件的数量较大,必须借助计算机软件对其进行求解。本章在数学模型建立的基础上,利用GAMS软件对模型进行了实现,并通过算例验证了模型的有效性。首先对模型的实现的软件及硬件条件进行了说明,重点说明了系统模型的数据库建设,包括集合数据库、原始数据库、模型数据库、中间数据库、结果数据库。然后进行了算例的选择与实现。在算例选择前分别从模型的尺度、地理单元的界限、模型的精度以及模型的用途对模型的适用范围作了说明。选择了山西省作为算例,对山西省具体的资源环境进行了简要的介绍,通过行政边界来进行地理单元划分,最小地理单元为地级市。在情景设计中考虑了4种不同水资源情景,每种情景中设计了100种不同的需求组合。最后在对算例数据说明的基础上,对400情景进行了模拟分析,并对结果进行了可视化的处理,利用经济学的理论对模型的部分结果进行了分析。通过经济学理论的生产的可能性边界,分析了不同水资源情景下煤炭生产与粮食生产的可能性边界,为决策者提供系统全面的决策支持。以朔州市为例对模型技术选择功能的实现进行了验证,在指导煤炭产业优化布局以及技术选择的同时,模型利用水资源的影子价格为未来水权交易的水资源价格制定中提供非常重要的参考依据。同时系统提供水资源管理的决策支持,通过从水供给和水需求两端进行优化配置加以考虑,即对水资源供给的管控以及高耗水部门的优化布局,来减轻水资源的短缺的压力,实现水资源的优化配置。第七章:结论与展望。本章主要对本文的工作进行了总结,并指出了目前研究的不足,以及未来研究的空间和方向。论文的不足主要体现了对未来的预测和评估能力、煤质因素以及数据精度方面。未来的研究方向在也不局限于以下三个方面:时空模型的研究、约束条件的拓展、数据库的建设。综上所述,我国统一的政治体制为煤炭产业与环境和资源之间的优化配置提供了可能性。区域间自然条件以及资源禀赋上的差异性,加之我们煤炭分布与环境和资源分布之间的不对称性,为结合资源与环境对煤炭产业进行系统的优化布局研究提供了必要性。本文对煤炭产业布局进行了探索性的研究,为煤炭产业优化布局提供了定量分析的理论基础与决策工具。