王默玉　喬 鑫　申曉留　劉瑞雪

北京市能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)度發(fā)展評(píng)價(jià)

王默玉喬 鑫申曉留劉瑞雪

本文以北京市為背景構(gòu)建了能源（energy）－經(jīng)濟(jì)（economy）－環(huán)境（environment）（簡稱3E）系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過主成份分析法計(jì)算出各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平值，用優(yōu)化的模糊協(xié)調(diào)系數(shù)法計(jì)算各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)度，并構(gòu)建了3E協(xié)調(diào)度的幾何模型。對北京市2003～2013年的3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果顯示近十年北京市3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)度波動(dòng)較大整體呈“M”型發(fā)展。通過對結(jié)果的評(píng)價(jià)分析分別從能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三個(gè)角度為北京市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提出了決策建議。

二十一世紀(jì)以來，北京市經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了前所未有的持續(xù)、迅猛增長。2003～2013年北京市GDP年平均增長率達(dá)到10.7%，遠(yuǎn)高于全國GDP年均增長速度。而能源消費(fèi)量由2003年的4648.2萬t標(biāo)煤增長到2013年的7354.18萬t標(biāo)煤，增長了將近兩倍。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，能源和資源消耗量過大，利用效率較低，使得污染排放嚴(yán)重，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和資源損失。能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、相互矛盾的復(fù)雜系統(tǒng)，不能單獨(dú)地考慮某一問題。因此，了解它們之間的相互作用關(guān)系，促進(jìn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境之間的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)北京市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

已有的對能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)度的研究中焦點(diǎn)大多集中在相互之間發(fā)展的一致性上，而沒有將綜合發(fā)展水平考慮在內(nèi)。實(shí)際上，能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境兩兩之間的協(xié)調(diào)度或三者之間的協(xié)調(diào)度在相互正向影響并保證各自綜合發(fā)展水平最優(yōu)的狀態(tài)下才算協(xié)調(diào)。所以本文考慮了綜合發(fā)展水平的因素，采用主成份分析法計(jì)算各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，整合幾種協(xié)調(diào)系數(shù)計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮3E系統(tǒng)的復(fù)雜多樣化，建立了基于回歸分析法的協(xié)調(diào)系數(shù)法。

3E系統(tǒng)指標(biāo)體系構(gòu)建

由于3E系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用單一的線性指標(biāo)難以真實(shí)的描述各個(gè)子系統(tǒng)的狀況。 因此，本文從廣度與深度兩個(gè)方向，從結(jié)構(gòu)、總量、質(zhì)量三個(gè)維度建立以北京市為層面的3E系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。能源系統(tǒng)指標(biāo)體系，如表1所示。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)指標(biāo)體系，如表2所示。環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)體系，如表3所示。

表1　能源子系統(tǒng)指標(biāo)體系

研究方法

數(shù)據(jù)無量綱化處理

在進(jìn)行綜合評(píng)估過程中，首先要對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用中心化（Z-Score）無量綱法對3E數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其計(jì)算公式如下：

主成份分析法

在計(jì)算3E各子系統(tǒng)發(fā)展水平時(shí)，本文采用主成份分析法。主成份分析法主要采用降維的思想，通過研究指標(biāo)體系內(nèi)在的結(jié)構(gòu)關(guān)系，把具有一定關(guān)聯(lián)的多指標(biāo)重新組合，融合成若干個(gè)包含原始指標(biāo)的大部分信息（≥90%）的超級(jí)指標(biāo)。計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

且rij的計(jì)算公式為：

（2）計(jì)算特征值與特征向量

（3）計(jì)算主成份貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率貢獻(xiàn)率：

累計(jì)貢獻(xiàn)率：

（4）計(jì)算主成份荷載

在完成上述主成份分析的計(jì)算步驟下，根據(jù)提取的各指標(biāo)權(quán)重可以計(jì)算出各子系統(tǒng)發(fā)展水平，如下計(jì)算公式：

基于回歸分析法的協(xié)調(diào)系數(shù)計(jì)算模型

本文考慮了3E多元問題的復(fù)雜性，總結(jié)協(xié)調(diào)系數(shù)法的優(yōu)缺點(diǎn)并對其進(jìn)行優(yōu)化。為了將定性的問題定量化，本文采用回歸分析法來計(jì)算兩系統(tǒng)之間的依賴程度。

模糊隸屬度函數(shù)公式為：

采用SPSS軟件對系統(tǒng)i和系統(tǒng)j進(jìn)行分析，建立回歸函數(shù)：

由此可以建立協(xié)調(diào)度算法：

w（ i， j ）表示系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調(diào)度。此時(shí)，若w（ i/j ）與w（ j/ i ）的值越相近，則系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)系數(shù)越高。比如當(dāng)w（ i/j ）=0.4，w（ j/ i）=0.4時(shí)，系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調(diào)系數(shù)為1；當(dāng)w（ i/j ）=0.9，w（ j/ i ）=0.9時(shí)，系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調(diào)系數(shù)也為1。由于沒有考慮綜合發(fā)展水平，致使兩者的協(xié)調(diào)系數(shù)都為1，顯然前者并不能定義為協(xié)調(diào)。因此，本文在計(jì)算協(xié)調(diào)度時(shí)也將子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平考慮在內(nèi)。定義如下：

Xi，τ表示系統(tǒng)i在第t年的得分，Xj ，τ表示系統(tǒng)j在第t年度的得分；α，β為權(quán)重，且α+β=1。對于存在負(fù)值的綜合發(fā)展水平可以利用“改進(jìn)的功效系數(shù)”作如下變換：

最后，建立如下函數(shù)關(guān)系式：

C=F（ Eec，Ecv，Eev）

因此得出3E協(xié)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型：

北京市能源經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)度評(píng)估

圖1　

本文選取北京市2003年～2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所采用的數(shù)據(jù)來自《國家統(tǒng)計(jì)年鑒》、《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《國家統(tǒng)計(jì)局》。

表4　協(xié)調(diào)系數(shù)區(qū)間

綜合發(fā)展水平評(píng)價(jià)

本文采用主成份分析法利用SPSS軟件，對北京市2003～2013年能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。下面以能源子系統(tǒng)的計(jì)算過程為例。

如表5所示，成份1和成份2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.147%＞90%，所以提取成份1和成份2為能源系統(tǒng)的主成份。

表5　總方差分解

表6　因子荷載矩陣

通過因子荷載矩陣可以得出成份1和成份2的特征向量，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣的特征向量可以得到主成份Y1 和Y2。通過主成份的得分可以計(jì)算出能源系統(tǒng)的發(fā)展水平。

經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展水平的計(jì)算步驟一樣。

最終計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7　能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境綜合發(fā)展水平

能源－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境協(xié)調(diào)度計(jì)算

本文將協(xié)調(diào)系數(shù)取值范圍劃分為以下幾個(gè)區(qū)間：

采用優(yōu)化的協(xié)調(diào)系數(shù)法首先對能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境二元的協(xié)調(diào)度進(jìn)行計(jì)算，然后對能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的協(xié)調(diào)度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如表8所示。

表8　北京市2003～2013年能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)度情況

圖2　北京市2003－2013年間能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)度折線圖

由表8和圖1可以看出北京市2003～2013年間3E協(xié)調(diào)度一直沒有達(dá)到良好協(xié)調(diào)和優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)，整體趨勢呈“M”型發(fā)展，說明近十年北京市的3E協(xié)調(diào)度在多種復(fù)雜因素的影響下波動(dòng)較大。首先，在2003年處于弱協(xié)調(diào)狀態(tài)，從2003年到2006年協(xié)調(diào)狀況逐漸好轉(zhuǎn)，2006年到達(dá)中度協(xié)調(diào)狀態(tài)。說明北京市為準(zhǔn)備2008年奧運(yùn)會(huì)制定各種政策從而改善了北京市的環(huán)境狀況，在奧運(yùn)會(huì)之前的這段時(shí)間北京市3E協(xié)調(diào)度達(dá)到中度協(xié)調(diào)狀態(tài)。從2007年3E協(xié)調(diào)系數(shù)開始不斷下滑，在2007年北京市3E協(xié)調(diào)度由中度協(xié)調(diào)變?yōu)槿鯀f(xié)調(diào)，在隨后的兩年，更是處于輕度不協(xié)調(diào)狀態(tài)。北京市舉辦奧運(yùn)會(huì)的這段時(shí)間外來人口急劇增多、能源消耗量加大且經(jīng)濟(jì)增長不明顯，給北京市資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來了一定的壓力。一直到2010年3E協(xié)調(diào)度又恢復(fù)到中度協(xié)調(diào)狀態(tài)。2011年開始執(zhí)行十二五規(guī)劃之后3E協(xié)調(diào)度一直處于中度協(xié)調(diào)，說明十二五規(guī)劃制定的一系列政策對北京市3E協(xié)調(diào)發(fā)展有促進(jìn)作用。

在能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境二元關(guān)系中，能源和環(huán)境協(xié)調(diào)度雖有變化，但是波動(dòng)相對不大，基本都在弱協(xié)調(diào)和中度協(xié)調(diào)。能源和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度整體走勢呈上升趨勢，2003年處于中度不協(xié)調(diào)狀態(tài)，在之后的三年期間能源和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)系數(shù)不斷上升，達(dá)到中度協(xié)調(diào)狀態(tài)。在2007年協(xié)調(diào)系數(shù)有較大幅度下降，隨后兩年期間雖有所上升，但是上升幅度并不大，三年期間一直處于弱協(xié)調(diào)狀態(tài)。在北京舉辦奧運(yùn)會(huì)期間能源的消耗和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不成比例，能源消費(fèi)量過多，經(jīng)濟(jì)的增長速度沒有達(dá)到相應(yīng)的水平，所以三年期間一直處于弱協(xié)調(diào)狀態(tài)。2010年以來，能源和經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系有所改善，能源和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)系數(shù)有大幅度上升，在隨后的幾年中一直處于良好協(xié)調(diào)狀態(tài)。而環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)度呈“三段式”發(fā)展，第一段在2003～2007年，這幾年期間環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)度屬于中度協(xié)調(diào)，說明環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呈基本協(xié)調(diào)狀態(tài)。第二段在2008～2009年，期間環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)系數(shù)急劇下降，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)呈中度不協(xié)調(diào)狀態(tài)。說明經(jīng)濟(jì)和環(huán)境有一方遭受到了巨大的挑戰(zhàn)導(dǎo)致環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展極為不平衡或者環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都處于低迷時(shí)期。到2010年環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度又有了很大的好轉(zhuǎn)，2010～2013年屬于第三段，在這段期間協(xié)調(diào)系數(shù)比前幾年有所上升，2010年和2011年處于中度協(xié)調(diào)，后兩年處于弱協(xié)調(diào)。環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度在第三時(shí)期雖然比第二時(shí)期發(fā)展?fàn)顟B(tài)好，但是也在下降，由中度協(xié)調(diào)到弱協(xié)調(diào)，情況仍然不容樂觀。

結(jié)語

本文主要研究北京市2003～2013年3E系統(tǒng)的協(xié)調(diào)狀況。利用主成份法對3E系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化篩選，通過優(yōu)化的模糊協(xié)調(diào)系數(shù)法對3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進(jìn)行測算。從計(jì)算的結(jié)果可以看出3E協(xié)調(diào)度整體趨勢呈“M”型。其中能源和環(huán)境協(xié)調(diào)度發(fā)展趨勢波動(dòng)較小，可見近十年北京市的能源結(jié)構(gòu)一直在不斷優(yōu)化，在每個(gè)時(shí)期都能和環(huán)境達(dá)到基本協(xié)調(diào)狀態(tài)。能源和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)度整體呈上升趨勢，說明隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，兩者在不斷磨合中曲折上升。而環(huán)境和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度波動(dòng)較大，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的問題是七個(gè)子問題中最嚴(yán)重的，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)之間的平衡發(fā)展仍然是未來北京市政府需要考慮的重大問題。3E系統(tǒng)的矛盾是客觀存在的，同時(shí)又是不可避免的矛盾，但是我們可以采取一些措施來促進(jìn)北京市可持續(xù)發(fā)展。

優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)新能源消費(fèi)。北京市煤炭消費(fèi)由2003年的41%到2013年的23%有較大幅度的下降。原油消費(fèi)占比一直在20%以上。天然氣消費(fèi)占比由2003年的5%到2013年16%。說明北京市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在向主要工業(yè)國家以油氣為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)靠近，但是對于清潔能源的開發(fā)利用還處于較低水平。因此，要加大科技創(chuàng)新，大力開發(fā)新能源和清潔能源。

不斷調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。北京市近幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，GDP總量不斷攀升。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，一方面要注重對環(huán)境的保護(hù)，另一方面要不斷調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后產(chǎn)能，以促進(jìn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

增加對環(huán)保的投入，加大對環(huán)境污染的治理力度和強(qiáng)度。2003年環(huán)境系統(tǒng)綜合發(fā)展水平值為3.25，2013年降低為-2.84，說明近幾年環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部已嚴(yán)重不協(xié)調(diào)。因此要提高能源利用率，通過建立綠色市場的策略來抑制能源消費(fèi)和能源浪費(fèi)。同時(shí)應(yīng)該加快轉(zhuǎn)移污染企業(yè)，鼓勵(lì)低碳化出行以減少汽車尾氣排放，緩解環(huán)境污染問題。

王默玉喬 鑫申曉留劉瑞雪

華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院

喬鑫，女，碩士，華北電力大學(xué)，主要研究方向：智能決策、能源互聯(lián)網(wǎng)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.004

1.北京市自然基金，項(xiàng)目名稱：北京市能源強(qiáng)度的演變機(jī)理及模擬規(guī)劃研究，編號(hào)：9122021；2.國家自然基金，項(xiàng)目名稱：節(jié)能減排目標(biāo)下發(fā)電績效置換交易優(yōu)化模型與方法研究，項(xiàng)目編號(hào)：71071053