一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法

1.本发明属于适宜发展生物质能的最佳人口密度领域；具体涉及一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法。


背景技术：

2.现阶段，随着能源需求量的不断加大，能源短缺问题日渐严重，依靠现有的能源结构难以满足发展的需求，生物质能作为可再生且可储存的能源形式，是代替传统能源结构的极佳选择，所以确定生物质能的供给与人口需求的关系就变得十分必要。


技术实现要素：

3.本发明提供一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法，为解决未来的传统能源对人类生活所带来的压力问题。
4.本发明通过以下技术方案实现：
5.一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法，所述最佳人口密度确定方法具体包括以下步骤：
6.步骤1：确定生物质热电厂的最佳选址，依据运输成本经济性原则，确定生物质热电厂的供能范围；
7.步骤2：基于步骤1的供能范围，确定其与城市的相交区域，并依据区域内的人口总量及地理分布状态，分别计算人口密度；
8.步骤3：基于步骤2的相交区域及人口总量，确定区域内热能及电能总需求量；
9.步骤4：基于步骤3的热能及电能总需求量，计算相交区域内不同人口密度下的生物质能适宜性；
10.步骤5：基于步骤1-步骤4，将不同区域内的人口密度及其对应的生物质能适宜性建立关系，得出能够满足生物质能完全自给自足的情况下的人口密度数值。
11.进一步的，所述步骤1确定生物质热电厂的供能范围具体为，
12.步骤1.1：利用城市规划部门测绘矢量地图、远红外遥感图纸和无人机航拍照片，基于所选地区路网结构及运输成本，结合用地性质图，避开水域、林地、耕地及城市区域，来确定生物质热电厂的选址地；
13.步骤1.2：以确定的步骤1.1的选址地点为圆心，90km为半径画圆，圆内区域即为拟划分的此选址地的生物质热电厂供能范围。
14.进一步的，所述步骤2计算人口密度分包括两种计算情况，分别是第一种计算情况：基于城市图底关系的新型人口密度计算方法；
15.第二种计算情况：利用传统人口密度计算方法；按照第一种的五种情况进行计算，分别得出人口密度数值；
16.第一种情况又分为以下情况，
17.假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，且大型或中型城市的市区包含
或不包含在范围内；
18.假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市全部包含或部分包含或不包含在范围内。
19.进一步的，所述假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，且大型或中型城市的市区包含在范围内具体为，
20.步骤2.a1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h1)；计算该区域的人口密度(ρ1)，乡村人口密度计算模型为：
[0021][0022]
其中，参数i为乡村城镇行政单元数；参数m1、m2、m3、m4行政区域内河流、林区、沙滩、荒地的个数；参数j为行政区域内河流、林区、沙滩、荒地用地编号；ρi为行政区域内人口密度；hi为行政区域内人口总数；si为行政区域总面积；rj、fj、bj、wj分别为河流、林区、沙滩、荒地对应的面积；
[0023]
步骤2.a2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h2)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ2)；
[0024]
步骤2.a3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h3)。计算该区域的人口密度(ρ3)，县市及整个区域人口密度模型为：
[0025][0026][0027]
其中，参数f为县市行政单元数；参数n为县市区域内行政单元个数；参数g为县市区域内行政单元用地编号；cg′
为县市区域内建筑物平均层数；cg为每个行政单元相对应建筑物的平均层数；ag为每个行政单元面积；hf为县市区域内人口总数；ρf为区域内县市人口密度；
[0028][0029]
其中，ρc为区域内人口密度；ρi为区域内乡村及城镇人口密度；ρf为区域内县市人口密度；
[0030]
所述假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，但大型或中型城市的市区不包含在范围内具体为，
[0031]
步骤2.b1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h4)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ4)；
[0032]
步骤2.b2：若范围内包含城镇，则进行以下计算，若不包含，此步可以忽略；依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h5)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ5)。
[0033]
进一步的，所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市全部包含在范围内具体为，
[0034]
步骤2.c1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h6)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ6)
[0035]
步骤2.c2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h7)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ7)；
[0036]
步骤2.c3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h8)；依据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算该区域的人口密度(ρ8)；
[0037]
所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市部分包含在范围内具体为，
[0038]
步骤2.d1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h9)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ9)；
[0039]
步骤2.d2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
10
)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
10
)；
[0040]
步骤2.d3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
11
)；依据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算该区域的人口密度(ρ
11
)；
[0041]
所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市不包含在范围内具体为，
[0042]
步骤2.e1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
12
)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
12
)；
[0043]
步骤2.e2：若范围内包含城镇，则进行以下计算，若不包含，此步可以忽略；依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
13
)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
13
)。
[0044]
进一步的，所述利用传统人口密度计算方法计算具体为，再次分别计算上述五种情况下的人口密度值(y
1-13
)，所述传统人口密度计算模型为：
[0045]
[0046]
其中，参数r为区域内行政单元数；yr为行政区域内人口密度；hr为行政区域内人口总数；sr为行政区域总面积。
[0047]
进一步的，所述步骤3计算热能及电能需求总量的具体过程包括：
[0048]
步骤3.1：查阅研究区域历年统计年鉴，获得居民总人数及年人均用电量、年人均用热量，所述年总用电量及年总用热量模型为：
[0049]eap
＝k
p
·ap
...................................................(6)
[0050]ebp
＝k
p
·bp
...................................................(7)
[0051]
其中，参数p为各个区域编号；e
ap
为研究区域内年用电量；k
p
为居民总人数；a
p
为年人均用电量；e
bp
为研究区域内年用热量；b
p
为年人均用热量；
[0052]
步骤3.2：依据年总用电量及年总用热量，所述该年区域内能源需求总量模型为：
[0053]ep
＝3.6
×
103e
ap
·
c e
bp
·
d........................(8)
[0054]
其中，参数p为各个区域编号；e
p
为能源需求总量，单位为kj；c为用电波动系数，d为热量损耗系数；
[0055]
步骤3.3：依据步骤2所获得的每个区域人口数据(h
1-13
)，带入到公式(5)、(6)、(7)中，得出相对应的能源需求重量(e
1-13
)。
[0056]
进一步的，所述步骤4计算生物质能适宜性的具体过程包括：
[0057]
步骤4.1：由于林业剩余物不利于收集，且储量较小，所以生物质潜能的计算主要指的是农业剩余物的计算。所述各区域生物质潜能模型为：
[0058][0059]
其中，参数p为各个区域编号；参数q为绿化编号；参数x为农作物秸秆总数量；b
p
为区域内生物质潜能；wq为秸秆含水率；tq为秸秆可收集率；eq为秸秆可能源划率；h为燃烧百分比；aq为某一种农作物的年产量；ηq为某一种农作物地面茎秆草谷比；qq为某一种农作物秸秆的热值；
[0060]
步骤4.2：计算生物质能提供的总量与总需求量的百分比，所述区域内生物质能源的可供给率模型为：
[0061][0062]
上式中，g
p
为生物质供能百分比，若g
p
≥100％则该地区可以全部利用生物质能供能，若g
p
＜100％，则需要其他能源进行补充；
[0063]
步骤4.3：依据公式(8)分别计算步骤2所述的生物质潜能(b
1-13
)，同时，将第三步得出的能源需求量(e
1-13
)带入公式(9)中，得出步骤2所述的生物质能源可供给率(g
1-13
)。
[0064]
进一步的，所述步骤5确定最佳人口密度的具体过程包括：
[0065]
步骤5.1：将步骤2中第一种计算情况得出的人口密度及步骤4中得出的生物质能源可供给率分别输入arcgis软件中，建立人口密度与生物质能源可供给率的可视化关系；
[0066]
步骤5.2：再将步骤2中第二种计算情况得出的人口密度及步骤4中得出的生物质能源可供给率形成可视化关系，与步骤2中第一种计算情况形成的可视化关系进行比较；
[0067]
步骤5.3：运用多元回归方法对两者进行分析，得出适宜发展生物质能的最佳人口密度。
[0068]
本发明的有益效果是：
[0069]
本发明依据运输成本以90km为半径的画圆，确定生物质热电厂的供能范围。分别计算大中型城市及小型城市的人口密度和生物质供能百分比，明确区域内生物质潜能与人口密度的关系，使区域内开发生物质能源具有详细的量化数据。
[0070]
本发明由于同一城市的不同地区的生物质存量及人口密度依然存在很大差异，所以将城市内部再次划分为乡村、乡村及城镇和乡村城镇及县市三个人口密度等级，以此来使研究具有更精细的量化分析基础。
[0071]
本发明引入新的人口密度的计算方法，并将其与传统的人口密度计算方法比较分析，使研究能够得出更准确的适宜建设生物质发电厂所对应的人口密度值，为未来城市发展生物质能提供指导。
附图说明
[0072]
图1为本发明的方法流程图。
[0073]
图2为本发明大中型城市的生物质热电厂供能范围与城市关系的示意图。
[0074]
图3为本发明小型城市的生物质热电厂供能范围与城市关系的示意图。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法，所述最佳人口密度确定方法具体包括以下步骤：
[0077]
步骤1：确定生物质热电厂的最佳选址，依据运输成本经济性原则，确定生物质热电厂的供能范围；
[0078]
步骤2：基于步骤1的供能范围，确定其与城市的相交区域，并依据区域内的人口总量及地理分布状态，分别计算人口密度；
[0079]
步骤3：基于步骤2的相交区域及人口总量，确定区域内热能及电能总需求量；
[0080]
步骤4：基于步骤3的热能及电能总需求量，计算相交区域内不同人口密度下的生物质能适宜性；
[0081]
步骤5：基于步骤1-步骤4，将不同区域内的人口密度及其对应的生物质能适宜性建立关系，得出能够满足生物质能完全自给自足的情况下的人口密度数值。
[0082]
进一步的，所述步骤1确定生物质热电厂的供能范围具体为，
[0083]
步骤1.1：利用城市规划部门测绘矢量地图、远红外遥感图纸和无人机航拍照片，基于所选地区路网结构及运输成本，结合用地性质图，避开水域、林地、耕地及城市区域，来确定生物质热电厂的选址地；
[0084]
由于生物质热电厂存在一定程度的污染，所以建设应避开水域，考虑到为不破坏林地及耕地的斑块，影响生活、生产及生态，选址时也应避开。同时结合关于运输成本的研究，确定的更为合理的生物质热电厂选址。(加粗字体为具体实施方式独有的部分)
[0085]
步骤1.2：以确定的步骤1.1的选址地点为圆心，由于当运输距离超过90km会造成较大的经济负担；90km为半径画圆，圆内区域即为拟划分的此选址地的生物质热电厂供能范围。
[0086]
进一步的，所述步骤2计算人口密度分包括两种计算情况，分别是第一种计算情况：基于城市图底关系的新型人口密度计算方法；
[0087]
第二种计算情况：利用传统人口密度计算方法；按照第一种的五种情况进行计算，分别得出人口密度数值；
[0088]
第一种情况又分为以下情况，
[0089]
假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，且大型或中型城市的市区包含或不包含在范围内；
[0090]
假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市全部包含或部分包含或不包含在范围内。
[0091]
进一步的，所述假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，且大型或中型城市的市区包含在范围内具体为，
[0092]
步骤2.a1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h1)。计算该区域的人口密度(ρ1)，所述乡村人口密度计算模型为：
[0093][0094]
其中，参数i为乡村城镇行政单元数；参数m1、m2、m3、m4行政区域内河流、林区、沙滩、荒地的个数；参数j为行政区域内河流、林区、沙滩、荒地用地编号；ρi为行政区域内人口密度(单位为人/m2)；hi为行政区域内人口总数(单位为人)；si为行政区域总面积(单位为m2)；rj、fj、bj、wj分别为河流、林区、沙滩、荒地对应的面积(单位为m2)；
[0095]
步骤2.a2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h2)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ2)；
[0096]
步骤2.a3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积；查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h3)。计算该区域的人口密度(ρ3)，所述县市及整个区域人口密度模型为：
[0097][0098][0099]
其中，参数f为县市行政单元数；参数n为县市区域内行政单元个数；参数g为县市区域内行政单元用地编号；cg′
为县市区域内建筑物平均层数；cg为每个行政单元相对应建筑物的平均层数；ag为每个行政单元面积(单位为m2)；hf为县市区域内人口总数(单位为
人)；ρf为区域内县市人口密度(单位为人/m2)。
[0100][0101]
其中，ρc为区域内人口密度(单位为人/m2)；ρi为区域内乡村及城镇人口密度(单位为人/m2)；ρf为区域内县市人口密度(单位为人/m2)；
[0102]
所述假设生物质热电厂供能范围包含大型或中型城市，但大型或中型城市的市区不包含在范围内具体为，
[0103]
步骤2.b1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h4)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ4)；
[0104]
步骤2.b2：若范围内包含城镇，则进行以下计算，若不包含，此步可以忽略。依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h5)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ5)。
[0105]
进一步的，所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市全部包含在范围内具体为，
[0106]
步骤2.c1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h6)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ6)
[0107]
步骤2.c2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h7)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ7)。
[0108]
步骤2.c3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h8)。依据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算该区域的人口密度(ρ8)；
[0109]
所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市部分包含在范围内具体为，
[0110]
步骤2.d1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h9)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ9)
[0111]
步骤2.d2：依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
10
)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
10
)。
[0112]
步骤2.d3：依据行政范围划分出相交范围内乡村、城镇及县市的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
11
)。依据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算该区域的人口密度(ρ
11
)；
[0113]
所述假设生物质热电厂供能范围包含小型城市，且小型城市不包含在范围内具体为，
[0114]
步骤2.e1：依据行政范围划分出相交范围内乡村的区域，利用城市规划部门测绘
地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
12
)。依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
12
)；
[0115]
步骤2.e2：若范围内包含城镇，则进行以下计算，若不包含，此步可以忽略。依据行政范围划分出相交范围内乡村及城镇的区域，利用城市规划部门测绘地图得到该区域的面积。查阅统计年鉴，得到每年该区域人口数量(h
13
)；依据公式(1)计算该区域的人口密度(ρ
13
)。
[0116]
进一步的，所述利用传统人口密度计算方法计算具体为，再次分别计算上述五种情况下的人口密度值(y
1-13
)，所述传统人口密度计算模型为：
[0117][0118]
其中，参数r为区域内行政单元数；yr为行政区域内人口密度(单位为人/m2)；hr为行政区域内人口总数(单位为人)；sr为行政区域总面积(单位为m2)。
[0119]
7.根据权利要求1所述一种适宜发展生物质能的最佳人口密度确定方法，其特征在于，所述步骤3计算热能及电能需求总量的具体过程包括：
[0120]
步骤3.1：查阅研究区域历年统计年鉴，获得居民总人数及年人均用电量、年人均用热量，所述年总用电量及年总用热量模型为：
[0121]eap
＝k
p
·ap
...................................................(6)
[0122]ebp
＝k
p
·bp
...................................................(7)
[0123]
其中，参数p为各个区域编号；e
ap
为研究区域内年用电量(单位为kw
·
h)；k
p
为居民总人数(单位为人)；a
p
为年人均用电量(单位为kw
·
h/人)；e
bp
为研究区域内年用热量(单位为kj)；b
p
为年人均用热量(kj/人)。
[0124]
步骤3.2：依据年总用电量及年总用热量，所述该年区域内能源需求总量模型为：
[0125]ep
＝3.6
×
103e
ap
·
c e
bp
·
d........................(8)
[0126]
其中，参数p为各个区域编号；e
p
为能源需求总量，单位为kj；c为用电波动系数，d为热量损耗系数；
[0127]
步骤3.3：依据步骤2所获得的每个区域人口数据(h
1-13
)，带入到公式(5)、(6)、(7)中，得出相对应的能源需求重量(e
1-13
)。
[0128]
进一步的，所述步骤4计算生物质能适宜性的具体过程包括：
[0129]
步骤4.1：由于林业剩余物不利于收集，且储量较小，所以生物质潜能的计算主要指的是农业剩余物的计算。所述各区域生物质潜能模型为：
[0130][0131]
其中，参数p为各个区域编号；参数q为绿化编号；参数x为农作物秸秆总数量；b
p
为区域内生物质潜能(单位为kj)；wq为秸秆含水率；tq为秸秆可收集率；eq为秸秆可能源划率；h为燃烧百分比；aq为某一种农作物的年产量(单位为kg)；ηq为某一种农作物地面茎秆草谷比；qq为某一种农作物秸秆的热值(单位kj/kg)。
[0132]
步骤4.2：计算生物质能提供的总量与总需求量的百分比，所述区域内生物质能源的可供给率模型为：
[0133][0134]
上式中，g
p
为生物质供能百分比，若g
p
≥100％则该地区可以全部利用生物质能供能，若g
p
＜100％，则需要其他能源进行补充。
[0135]
步骤4.3：依据公式(8)分别计算第二步所述(情况一到情况五)的生物质潜能(b
1-13
)，同时，将第三步得出的能源需求量(e
1-13
)带入公式(9)中，得出二步所述(情况一到情况五)的生物质能源可供给率(g
1-13
)。
[0136]
进一步的，所述步骤5确定最佳人口密度的具体过程包括：
[0137]
步骤5.1：将步骤2中第一种计算情况得出的人口密度及步骤4中得出的生物质能源可供给率分别输入arcgis软件中，建立人口密度与生物质能源可供给率的可视化关系；
[0138]
步骤5.2：再将步骤2中第二种计算情况得出的人口密度及步骤4中得出的生物质能源可供给率形成可视化关系，与步骤2中第一种计算情况形成的可视化关系进行比较；
[0139]
步骤5.3：运用多元回归方法对两者进行分析，得出适宜发展生物质能的最佳人口密度。