詹長根, 吳鼎, 楊如軍

1. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079

2. 廣西壯族自治區(qū)國土資源廳信息中心, 南寧 530022

1 前言

能源是人們進行日常生產(chǎn)和生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。黨的十八大報告提出, 要推動能源生產(chǎn)和消費革命。當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展模式具有單一且不可持續(xù)的特點, 雖然近年來, 我國各行業(yè)的單位GDP能耗持續(xù)降低, 能源效率獲得了極大提升, 但是能源和環(huán)境仍是制約地方經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。各地能源環(huán)境均表現(xiàn)出多變的特性, 目前仍缺乏針對能源環(huán)境問題的有效解決辦法[1]。國內(nèi)學(xué)者針對能源相關(guān)問題開展了大量的研究工作, 取得了一系列實質(zhì)性的成果, 張鐘俊等采用定量與定性相結(jié)合的方法著重探討了能源(消費)系統(tǒng)模型化的現(xiàn)實意義, 并詳細(xì)論證了能源消費結(jié)構(gòu)特點以及能源子系統(tǒng)在社會經(jīng)濟大系統(tǒng)中處于重要地位[2]。肖仁俊等采用系統(tǒng)動力學(xué)方法, 分析了能源、經(jīng)濟與環(huán)境的運行機制和環(huán)境, 進而建立了關(guān)于能源資源可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學(xué)模型, 并通過調(diào)整模型系數(shù)與變量得到了一套相對穩(wěn)定的運行機制, 為能源資源可持續(xù)發(fā)展提供了可借鑒的示例[3]。李磊在選取GDP增長率、能源利用效率、進口能源依賴性、經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)、城市化水平、人均能源消費量等六個指標(biāo)的基礎(chǔ)上采用因子分析法對京津冀地區(qū)的能源承載力進行綜合評價, 并為京津冀能源承載力提升提出包括轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方法、調(diào)整能源利用結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的四點建議[4]。目前大部分學(xué)者研究的重點都在能源安全及能源可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域, 而關(guān)于能源資源承載力的研究仍較少, 這導(dǎo)致我國至今未形成成套的科學(xué)評價體系, 缺乏評價指標(biāo)及評價方法選取的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[4-9]?！俺休d力”這一概念由來已久, 最早出現(xiàn)在物理及生態(tài)領(lǐng)域, 隨后在其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 其相關(guān)評價方法多樣, 主要有多因素綜合評定法、主成分分析方法、生態(tài)足跡法、相對資源承載力方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[10-15]。能源作為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)支撐, 其承載力大小與經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)。但是目前針對能源資源承載力水平的研究還不夠深入, 本文旨在于構(gòu)建相對全面合理的能源資源承載力評價指標(biāo)體系, 通過多因素加權(quán)求和與主成分分析方法相結(jié)合, 對廣西能源資源承載水平進行綜合評價, 并對其時間演變規(guī)律及核心影響因素進行初步研究。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

能源資源是流動性相對較強的資源, 可在省域范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度, 且運輸成本相對較低, 因此不對地級市的能源資源承載力進行相關(guān)研究。本文以2000—2014年廣西壯族自治區(qū)能源資源承載力水平及其影響因子作為研究對象, 一方面對廣西能源資源體系進行合理性評價, 另一方面對能源資源承載力評價指標(biāo)體系及評價方法進行可靠性研究。

廣西自治區(qū)的礦產(chǎn)資源豐富, 是著名的有色金屬之鄉(xiāng), 但其能源資源卻較為匱乏。2013年, 廣西可供能源使用量為 9767.56萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤, 在全國(不包括部分能源數(shù)據(jù)獲取不全的省份)排名倒數(shù)第五;廣西可供能源總產(chǎn)量為 1889.82萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤, 只占到可供能源使用量的 19%。廣西能源稟賦欠佳, 目前能源資源大部分是依賴進口或從自治區(qū)外調(diào)入。根據(jù) 2013年廣西壯族自治區(qū)主要能源資源的生產(chǎn)和消費量, 廣西煤、石油和水電的生產(chǎn)量分別為365.25、62.5、1453.82萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤, 而能源消費量卻分別為5359.54、1867.86、1453.82萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。除水電的生產(chǎn)和消費基本持平外, 煤和石油的生產(chǎn)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其消費量。以國家平均能源消費水平為基準(zhǔn), 結(jié)合廣西歷年的能源可供量, 發(fā)現(xiàn)若按照全國平均能源消費水平, 則廣西實際人口遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了廣西的能源供應(yīng)能力, 能源資源始終供不應(yīng)求,但以人口為計量單位的廣西能源缺口總體上呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

本文所引用的數(shù)據(jù)資料主要來源于2000—2014年《廣西統(tǒng)計年鑒》、《廣西壯族自治區(qū)環(huán)境統(tǒng)計公報》以及廣西發(fā)改委能源局。主要數(shù)據(jù)包括能源相關(guān)的指標(biāo)統(tǒng)計量, 如能源可供量、能源消耗量、能源生產(chǎn)量、電能消耗量、分行業(yè)能源消耗量以及能源生產(chǎn)彈性系數(shù)和能源消費彈性系數(shù); 環(huán)境質(zhì)量以及環(huán)境污染相關(guān)的指標(biāo)統(tǒng)計量, 如三廢排放量、三廢存量以及污染源治理投資等。

3 指標(biāo)體系構(gòu)建

能源資源承載力評價指標(biāo)是指對能源資源承載力有重大影響, 并能體現(xiàn)時間及空間差異的經(jīng)濟、社會、自然條件等因素, 國內(nèi)外學(xué)者對能源資源問題進行了大量研究, 并分析對能源安全及其可持續(xù)發(fā)展具有顯著作用的因素[4-9]。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn), 并以各文獻(xiàn)中指標(biāo)出現(xiàn)頻率大小作為構(gòu)建評價指標(biāo)體系的主要依據(jù), 在此基礎(chǔ)上基于PSR模型建立能源資源承載力評價指標(biāo)體系。

PSR 概念模型由經(jīng)濟合作與開發(fā)組織(OECD)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)于1996年聯(lián)合提出[5]。其中, 壓力指標(biāo)表示對可持續(xù)發(fā)展造成負(fù)面影響的人類活動或經(jīng)濟發(fā)展模式, 就省域范圍內(nèi)的能源資源承載力而言其壓力主要表現(xiàn)在能源供給能力及能源利用效率兩個方面。忽略地緣政治的影響, 區(qū)域能源供給能力主要取決于能源自給能力; 單位 GDP能耗以及人均能耗一方面從側(cè)面反映了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平及居民生活水平; 另一方面更是直接體現(xiàn)了區(qū)域能源利用效率, 單位GDP能耗越小則表明單位能源資源產(chǎn)生的經(jīng)濟效益越高, 即能源利用效率越高; 在一定范圍內(nèi)人均能耗越高代表居民生活水平越高, 反之則反。狀態(tài)指標(biāo)表示社會經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展過程的狀態(tài), 區(qū)域系統(tǒng)在能源資源利用過程中的損耗及其造成的環(huán)境污染都是具有代表性的狀態(tài)指標(biāo),其中能源損耗與能源污染都是逆向指標(biāo), 其絕對量越大表示能源資源承載力越低。反應(yīng)指標(biāo)表示人類為達(dá)到社會、經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展所采取的對策,以可再生能源使用比例為例, 由于可再生能源資源一般具有可循環(huán)再生以及能源污染較小的特點, 因此可再生能源使用比例越高則區(qū)域能源資源的使用壓力越小。能源資源短缺、能源污染等等都可以理解為能源資源壓力, 增加環(huán)境保護投資力度對于污染治理和環(huán)境保護具有直接作用, 而加大可再生能源使用比例不僅可以減少污染物的排放還能緩解能源供給壓力。

通過統(tǒng)計分析各文獻(xiàn)內(nèi)的評價指標(biāo), 在充分考慮指標(biāo)體系獨立性及指標(biāo)數(shù)據(jù)可獲得性的基礎(chǔ)上,對各個指標(biāo)進行合并處理, 最終得到評價指標(biāo)體系如下(表 1)。

4 研究方法

4.1 能源資源承載力

表1 能源資源承載力評價指標(biāo)體系Tab. 1 Evaluation index system of the carrying capacity of energy resources

圖1 評價指標(biāo)頻次統(tǒng)計Fig. 1 Frequency statistics of evaluation index

能源又稱能量資源或能源資源, 是能產(chǎn)生各種能量(物理學(xué)中表現(xiàn)為可做功)并且能夠直接取得或通過加工轉(zhuǎn)換的物質(zhì), 通常包括天然氣、煤炭、太陽能、風(fēng)能等一次能源以及電力、熱力等二次能源。徐大富, 渠麗萍, 張均在《化石能源承載力評價綜述》一文中提出了礦產(chǎn)資源承載力的概念, 即： “在一個可預(yù)見的時期內(nèi), 在當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)和自然環(huán)境允許條件下, 礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟可采儲量(或其生產(chǎn)能力)對社會經(jīng)濟發(fā)展的支持能力”[4]。本文引用 “礦產(chǎn)資源承載力”這一概念, 結(jié)合能源資源的特性, 給出能源資源承載力的含義, 即： 設(shè)定各種能源資源間具有可替代性, 能源資源承載力即指在一定的能源開采技術(shù)、能源利用水平以及平均生活水平下,能源資源的可采儲量可支撐的人口量以及社會經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展年限。與礦產(chǎn)資源承載力相比, 能源資源能承載力的全面性使得其更能準(zhǔn)確的衡量經(jīng)濟、能源與環(huán)境三個系統(tǒng)間的作用機制與功能。本文將能源資源的這種支撐能力用具體的承載力分值P(公式1)的大小來表示。P＞1表示區(qū)域能源資源承載力較強, 超過全國平均水平;P=1表示區(qū)域能源資源承載力水平一般;P＜1則表示區(qū)域能源承載力較弱, 需要從各個方面加以提升。單純從能源資源稟賦或者能源需求力度的角度, 無法對能源資源承載力進行準(zhǔn)確評估, 承載力問題歸根到底是一個供需平衡發(fā)展的問題, 而能源需求往往是與社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r以及能源利用效率等緊密相關(guān)。能源資源承載力評價是根據(jù)影響能源生產(chǎn)、能源利用、能源流通的各個因素及其貢獻(xiàn)的大小, 采用同一標(biāo)準(zhǔn)對評價區(qū)域的能源資源承載力大小進行評定的過程[4]。

其中,xi及x’i小分別為評價區(qū)域及全國(平均)各評價指標(biāo)或主成分分值;fi及f’i分別為各評價指標(biāo)或主成分權(quán)重。

4.2 多因素綜合評價

多因素綜合評價法通過對能源資源在社會經(jīng)濟活動中所表現(xiàn)出的各種特征進行綜合考慮, 揭示能源資源的利用結(jié)構(gòu)及利用效率, 由此劃分出能源資源承載力等級[9]。熵值法適用于多個可比性評價對象的指標(biāo)權(quán)重確定, 本文建立基于熵值法確權(quán)的多因素綜合評價模型(如下所示), 并計算承載力分值：

①原始數(shù)據(jù)矩陣歸一化。設(shè)有m個評價指標(biāo)n個評價對象的原始數(shù)據(jù)矩陣為A=aij(m·n), 對其歸一化后得到R=rij(m·n)。

②定義熵。在有m個評價指標(biāo)、n個被評價對象時, 第i個指標(biāo)的熵為

③定義熵權(quán)。定義第i個指標(biāo)的熵后, 可得到第i個指標(biāo)的熵權(quán)

④加權(quán)求和。在權(quán)重確定基礎(chǔ)上對樣本數(shù)值進行加權(quán)求和

式中Fj為j年的綜合分值;fij為第j年i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值;wi為指標(biāo)i的權(quán)重值。采用比較常用且穩(wěn)定的層次分析確定各個指標(biāo)的權(quán)重值, 按照多因素加權(quán)求和計算承載力分值, 結(jié)果值域為[0,1], 數(shù)值越大代表其承載力能力越高, 反之則越小。

4.3 主成分分析方法

主成分分析(Principal Components Analysis)作為經(jīng)典的綜合評價分析方法, 由霍特林(Hotelling)于1933 年首先提出, 通過將原有指標(biāo)重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原有指標(biāo), 同時根據(jù)實際需要從中選取可充分反映原有指標(biāo)信息的綜合指標(biāo)[16]。主成分分析方法的核心步驟即建立相關(guān)系數(shù)矩陣與特征向量矩陣(公式5)。

其中,m為指標(biāo)數(shù),n為樣本數(shù);Fi為各個原始變量;a1i、a2i……ami(i=1, 2,…n)為F協(xié)方差矩陣特征值對應(yīng)的特征向量;X1i、X2i……Xmi(i = 1, 2, …n)為經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的原始變量數(shù)值。

rij(i、j=1、2……m)為標(biāo)準(zhǔn)化后xi與xj的相關(guān)系數(shù), 在本文中即各指標(biāo)歷年數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后的相關(guān)系數(shù)。

5 結(jié)果分析

5.1 時序特征分析及評價方法檢驗

本文采用多因素綜合評價與主成分分析相結(jié)合的方法對廣西歷年能源資源承載力進行綜合評價。下表2為兩種方法的測算結(jié)果, 其相對誤差平均值為 0.197＜0.2, 在容差范圍內(nèi)。結(jié)合兩種評價方法, 取其平均值作為最后的評價綜合得分, 從而計算能源資源承載力P值(表 3)。如圖2所示, 兩種方法計算得到的評價分值(絕對值)存在一定差異, 但在時間序列上的變化趨勢具有一致性。測算結(jié)果表現(xiàn)的一致性表明研究所采用的方法對于能源資源承載力評價具有一定適用性, 采用兩種方法進行對比研究更保證了結(jié)果的科學(xué)性。

根據(jù)以上兩種評價方法得到的廣西能源資源承載力評價結(jié)果, 運用構(gòu)筑趨勢線和三年移動平均線的方式剖析其承載力變化的趨勢和態(tài)勢?？傮w而言,廣西能源資源承載力水平偏低, 特別是煤、石油等礦產(chǎn)能源儲量有限且開發(fā)難度較大, 導(dǎo)致其能源承載水平難以獲得突破性提升。近幾年廣西能源資源承載力值均小于 1, 表明近些年來廣西能源資源承載力要低于全國平均水平。同時, 廣西在 2000—2013間有一半年份其P值大于1, 說明廣西在能源資源領(lǐng)域具有一定的發(fā)展?jié)摿ΑＨ鐖D2所示, 從14年整體趨勢來看, 廣西能源資源承載力水平呈現(xiàn)整體提高的趨勢, 推動這一趨勢的主要影響因素是能源政策、能源利用強度和能源污染治理程度, 科學(xué)技術(shù)進步是推動這一長期增長趨勢的主要原因。具體來看, 可以把 14年能源資源承載力變化劃分為“波動—增長—波動”三個階段： 第一個階段是 2000—2003年間的波動階段, 廣西的能源資源承載力在該期間沒有明顯的變化趨勢, 基本上是圍繞著一條水平線作上下波動; 第二個階段是2004—2009年間的增長階段, 該階段里能源資源承載力以較快的速度增長, 并具備較強的趨勢性, 這一階段的增長主要源于能源政策的完善, “十六大”把可持續(xù)發(fā)展能力不斷增強作為全面建設(shè)小康社會的重要目標(biāo), 這一目標(biāo)的提出使得環(huán)境問題得到高度重視。環(huán)境污染治理投資額度的增加有效抑制了能源污染的負(fù)面作用, 大大提高了生態(tài)環(huán)境的承載能力; 第三個階段是2010—2013年間的波動階段, 這一時期波動的趨勢主要受能源生產(chǎn)量的影響, 在此期間廣西能源生產(chǎn)量上下波動, 這對其能源資源承載力產(chǎn)生了重要影響。

5.2 能源資源承載力影響因素分析

上文中P值能直接體現(xiàn)研究區(qū)域的承載力水平高低, 實際上是研究區(qū)域綜合分值與理想值的比值,難以反映研究區(qū)域能源資源承載力的時序變化特征。因此, 本文采用中間評價結(jié)果即其能源資源承載力評價綜合分值F, 作為核心指標(biāo)分析與時序分析過程分析的依據(jù)。

特征向量表格中包含了各個主成分的主要信息(表4), 第一主成分中X5(環(huán)境污染治理率)、X6(環(huán)境保護投資力度)、X8(單位 GDP 能耗)、X9(人均能耗)、X10(生活能源消耗系數(shù))的系數(shù)較大, 主要包括廣西能源利用效率以及利用過程中造成的環(huán)境問題; 第二主成分主要包括X3(再生能源消耗比例)、X4(能源自給率)、X7(能源消費彈性系數(shù))、X11(工業(yè)能源消耗系數(shù))的主要信息, 可歸納為廣西能源資源利用結(jié)構(gòu)特征信息; 第三主成分中系數(shù)較大的只有X2(能源動態(tài)可持續(xù)性); 第四特征向量則較多的提取X1(能源生產(chǎn)彈性系數(shù))的信息。各主成分方差越大則其影響越大, 相應(yīng)的權(quán)重就越高, 結(jié)合主成分矩陣, 計算得到歷年廣西壯族自治區(qū)的能源資源承載力分值。

表2 廣西歷年能源資源承載力評價分值對比表Tab. 2 The comparison table of the evaluation of the energy resources carrying capacity of Guangxi in the past years

圖2 廣西歷年能源資源承載力評價結(jié)果對比圖Fig. 2 Comparison of the evaluation results of the energy resources carrying capacity of Guangxi in the past years

因子載荷矩陣中, 各個主成分的載荷系數(shù)從第一主成分往后逐次減少, 而第一主成分中X5 、X6、X8、X9四個指標(biāo)的系數(shù)要遠(yuǎn)大于其他指標(biāo), 可初步認(rèn)定為能源資源承載力評價的重要影響指標(biāo)。對各個評價指標(biāo)與測算分值進行相關(guān)性分析, 進一步確定核心指標(biāo)。如下圖2所示, 人均能耗、單位GDP能耗以及環(huán)保投資力度分別與能源資源承載力測算值呈顯著相關(guān),其在 0.01水平上的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為-0.869、0.916與0.906。變量間具有高度的線性相關(guān)性。

結(jié)果表明, 人均能耗、單位GDP能耗以及環(huán)保投資力度對區(qū)域能源資源承載力具有顯著影響, 隨著上述指標(biāo)變化, 區(qū)域能源資源承載力發(fā)生相應(yīng)的線性變化。三個指標(biāo)分別代表了影響能源資源承載力水平的社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境因素。人均能耗直接表現(xiàn)居民能源消耗強度, 從側(cè)面反映了評價區(qū)域內(nèi)居民生活質(zhì)量的高低; 單位GDP能耗則是表示單位能源資源產(chǎn)生的經(jīng)濟價值, 即能源利用經(jīng)濟效益的直接指標(biāo), 在同等條件下單位GDP能耗越低能源資源承載力就越高; 環(huán)保投資力度則是表現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效指標(biāo)。

6 結(jié)論與討論

本文結(jié)合廣西2000年至2014年間年度能源利用數(shù)據(jù)以及人口、GDP等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù), 采用多因素綜合評價與主成分分析相結(jié)合的方法對廣西歷年的能源資源承載力水平進行了綜合測度, 研究結(jié)果表明, 廣西能源資源承載能力水平雖然總體上存在不足, 供給能力有限, 其能源資源承載能力近年來更是低于全國平均水平; 但研究區(qū)域能源資源承載力在時間序列上呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢。核心指標(biāo)分析結(jié)果表明： 人均能耗、單位GDP能耗以及環(huán)保投資力度作為核心影響因素, 對能源資源承載力具有重要影響, 環(huán)保投資力度及單位GDP能耗與能源資源承載力分別具有顯著的正、負(fù)相關(guān)關(guān)系, 可作為能源系統(tǒng)的重要監(jiān)測目標(biāo)。

表3 廣西歷年能源資源承載力值(P值)Tab. 3 The value of energy resources in Guangxi over the years (p value)

表4 廣西能源資源承載力評價主成分矩陣Tab. 4 The principal component matrix of the evaluation of Guangxi’s energy resources carrying capacity

能源資源承載力沒有明確的分級標(biāo)準(zhǔn), 且由于能源資源系統(tǒng)影響因素繁多, 隨社會經(jīng)濟環(huán)境變化而不斷變化, 因此, 本文未能對研究區(qū)域能源承載力水平進行絕對的評價, 只是在時間尺度上對其發(fā)展趨勢進行探索性研究。在評價指標(biāo)體系構(gòu)建過程中, 綜合考慮了社會、經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境等各個方面的因素, 使得評價指標(biāo)體系相對全面完整。此外,研究采用兩種評價方法對廣西能源資源承載力進行了對比研究, 且兩種評價結(jié)果表現(xiàn)出時序上的一致性, 表明多因素綜合評價及主成分分析方法均適用于多指標(biāo)、多因素的綜合性評價。

圖3 單位GDP能耗、人均能耗、環(huán)保投資力度與測算值(F)間的相關(guān)關(guān)系圖Fig. 3 The correlation diagram between unit GDP energy consumption, per capita energy consumption, environmental investment and calculation value (F)

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