城市低碳發(fā)展的熵值-灰色系統(tǒng)評判模型

安 果，李 青

（四川大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，成都 610064）

0 引言

面對日趨嚴(yán)峻的能源供應(yīng)危機(jī)與氣候變化難題，低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)拉開帷幕。低碳經(jīng)濟(jì)是一種新型的發(fā)展模式，是對傳統(tǒng)的工業(yè)化發(fā)展模式的摒棄，從而由“高能耗、高污染、低效益”的發(fā)展模式向“低能耗、低污染、高效益”的新型發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。低碳發(fā)展模式所涉及的范圍異常廣泛，包括政府、企事業(yè)單位以及公眾等相關(guān)利益群體，是政策與制度安排、生產(chǎn)與經(jīng)營方式、消費模式方面的一次大范圍變革，也是對社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的重組。而城市作為人類經(jīng)濟(jì)活動的中心和各種商品與勞務(wù)的集散地，是能源消耗和溫室氣體排放的重心。因此，要走低碳發(fā)展道路，實現(xiàn)既定的節(jié)能減排目標(biāo)，就必須著力提升城市低碳發(fā)展水平，為此，研究如何對城市低碳發(fā)展水平作出客觀、公正的評價對于推進(jìn)城市低碳發(fā)展來說具有重大意義。

1 城市低碳發(fā)展評判指標(biāo)體系的構(gòu)建

城市低碳發(fā)展具有豐富的內(nèi)涵，因而對城市低碳發(fā)展的評判是一個復(fù)雜而又系統(tǒng)的工程，選取正確、合理評價指標(biāo)成為評判的關(guān)鍵。低碳經(jīng)濟(jì)作為一種新型、有效的發(fā)展模式，是在滿足人文發(fā)展需求的基礎(chǔ)上尋求氣候與能源問題的突破口，最終實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。所以城市低碳發(fā)展必須一方面通過各種手段著力實現(xiàn)碳減排，而另一方面不損害人類追求人文發(fā)展的權(quán)利[1][2]。在此，我們將城市低碳發(fā)展評判指標(biāo)體系分成三個維度，一是城市碳排放水平維度，二是城市碳減排支持維度，三是城市人文發(fā)展維度。城市碳排放水平維度描述了城市碳排放現(xiàn)狀；城市碳減排支持維度描述了城市碳減排的支撐體系，包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、城市交通以及技術(shù)水平等等；城市人文發(fā)展維度描述了城市人文發(fā)展水平。鑒于指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性以及指標(biāo)的代表性，在此，我們將碳排放強(qiáng)度作為描述城市碳排放水平的衡量指標(biāo)，這也符合我國政府于2009年提出碳減排目標(biāo)[3]；城市碳減排支持維度包括煤炭占總能源結(jié)構(gòu)比、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比、萬人擁有公共汽車數(shù)、人均道路面積、R&D占GDP比、環(huán)保投資占GDP比、綠化覆蓋率等。其中煤炭占總能源結(jié)構(gòu)比作為能源結(jié)構(gòu)衡量指標(biāo)；第三產(chǎn)業(yè)占GDP比與第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)衡量指標(biāo)；萬人擁有公共汽車數(shù)與人均道路面積作為城市交通衡量指標(biāo)；R&D占GDP比與環(huán)保投資占GDP比作為技術(shù)水平衡量指標(biāo)；綠化覆蓋率作為城市碳匯能力衡量指標(biāo)；城市人文發(fā)展維度包括人口自然增長率、人均可支配收入以及平均預(yù)期壽命等[4]。

由于碳排放強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)不能直接獲取，在此，我們通過碳排放系數(shù)、能源消耗量以及GDP總額對這一指標(biāo)進(jìn)行折算。折算公式如下：

其中，CIt為第t年碳排放強(qiáng)度，Ei為第i種能源第t年的消耗量，emfi為第i種能源碳排放系數(shù)，GDPt為第t年的國內(nèi)生產(chǎn)總值。

一般認(rèn)為，除電力碳排放系數(shù)以外，其他各類型能源碳排放系數(shù)不因部門以及時間的變化而變化，這些碳排放系數(shù)是固定不變的[5]，除電力以外的碳排放系數(shù)源于（IPCC 2006）[6]。電力碳排放系數(shù)會因上游發(fā)電行業(yè)不同電力結(jié)構(gòu)以及發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)差異而出現(xiàn)變化，我國發(fā)電行業(yè)主要包括火電、水電、核電等類型，其中，火電是碳排放的源泉，水電、核電等基本屬于零碳能源。在此，我們根據(jù)下面的公式對電力碳排放系數(shù)進(jìn)行折算：

2 熵值理論在城市低碳發(fā)展灰色系統(tǒng)評判模型中的應(yīng)用

在信息論中熵值反映了信息的無序化程度，可以用來度量信息量的大小。根據(jù)各指標(biāo)所含信息有序度的差異性，也就是信息的效用價值來確定該指標(biāo)的權(quán)重?；谛畔⒄撝行畔㈧乇硎鞠到y(tǒng)的有序程度，一個系統(tǒng)有序程度越高則信息熵越小，其效用值越大，對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重也就越大（反之亦然）。因而可以用信息熵評價所獲信息的有序度及其效用，從而盡量避免評價指標(biāo)權(quán)重的人為因素干擾，使得評價結(jié)果更符合實際。所以我們將信息論中的熵值理論引入城市低碳發(fā)展灰色系統(tǒng)評判模型，從而對指標(biāo)體系進(jìn)行有效賦權(quán)。在此，本文采用上海20年時間序列數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對這十二項指標(biāo)用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，然后再利用灰色系統(tǒng)評判法對城市低碳發(fā)展水平進(jìn)行評價。

（1）首先構(gòu)建多指標(biāo)判斷矩陣e=1。

在此，上海市1990年不變GDP（元）、環(huán)保投資占GDP比（百分比）、第三產(chǎn)業(yè)增加值（元）、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比例（百分比）、R&D占GDP比（百分比）、平均預(yù)期壽命（歲）、人均可支配收入（元）、人均道路面積（平方米）、萬人擁有公共汽車數(shù)（輛）、綠化覆蓋率（百分比）、人口自然增長率（千分比）等數(shù)據(jù)源于1991～2010年的《上海統(tǒng)計年鑒》[7]、上海市的各類型能源消耗量（噸標(biāo)煤）、上海市能源消耗總量（噸標(biāo)煤）、中國火電燃料（噸標(biāo)煤）以及電力生產(chǎn)總量（噸標(biāo)煤）數(shù)據(jù)源于 1991～1996、1997～1999、 2001～2002、2003～2009年《中國能源統(tǒng)計年鑒》[8]。值得注意的是，鑒于中國能源統(tǒng)計年鑒中上海市各類型能源消耗量、上海市能源消耗總量、中國火電燃料以及電力生產(chǎn)總量的2009年數(shù)據(jù)至2010年7月尚未公布，在此，文章運用二次移動平均法得到2009年的相關(guān)指標(biāo)的預(yù)測數(shù)據(jù)。其中，碳排放強(qiáng)度是在求出電力碳排放系數(shù)的基礎(chǔ)上依據(jù)公式（1）計算得出，其他指標(biāo)直接源于年鑒數(shù)據(jù)或經(jīng)簡單相除得到。由于指標(biāo)數(shù)據(jù)對應(yīng)的單位不統(tǒng)一，不具有可比性，為了便于后面的分析，在此對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而得到城市低碳發(fā)展評判模型標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B=(bij)m×n，如表1所示。

（2）定義熵

熵概念可定義第j個評價指標(biāo)的熵為：

（3）定義熵權(quán)

定義第j個指標(biāo)的熵之后，可得到第j個指標(biāo)的熵權(quán)：

根據(jù)式（3）可以得出這12項指標(biāo)的熵權(quán)為：

3 城市低碳發(fā)展的灰色系統(tǒng)評價模型

表1 城市低碳發(fā)展評判模型標(biāo)準(zhǔn)矩陣

表2 城市低碳發(fā)展灰類及其對應(yīng)的灰數(shù)集

城市低碳發(fā)展熵權(quán)灰色系統(tǒng)評判是在利用信息論中的熵技術(shù)計算各評價指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的灰色系統(tǒng)評判法對城市低碳發(fā)展水平進(jìn)行評判[9]，其基本步驟如下：

（1）確定樣本評判矩陣

構(gòu)建評判對象的樣本評判矩陣A={a1,a2,...,an}。對應(yīng)的因素就是參與評判的n個評判指標(biāo)的數(shù)值。

（2）確定評價灰類

確定評價灰類就是要確定評價灰類的等級、灰數(shù)以及灰類的白化權(quán)函數(shù)。對低碳城市發(fā)展評判指標(biāo)的等級劃分必須在考慮我國城市發(fā)展的資源、人口、空間以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等現(xiàn)實條件的基礎(chǔ)上參照相應(yīng)國內(nèi)或國際標(biāo)準(zhǔn)，并通過專家評價進(jìn)行調(diào)整，從而得到對應(yīng)城市低碳發(fā)展價指標(biāo)的灰類與灰數(shù)集（如表2所示）。在此采用4個評價灰類，其中1級灰類表示高城市低碳發(fā)展水平，4級灰類表示低城市低碳發(fā)展水平，2、3級灰類處于城市低碳發(fā)展的中間水平。碳排放強(qiáng)度的四個灰數(shù)集參照1998年IEA對世界各國碳排放強(qiáng)度劃分的四個層次：51.2噸碳/萬美元以上為極高碳排放強(qiáng)度國家，22.4～51.2噸碳/萬美元為高碳排放強(qiáng)度國家，4.4～22.4噸碳/萬美元為中等碳排放強(qiáng)度國家，4.4～2.08噸碳/萬美元及以下為低碳排放強(qiáng)度國家。在此，我們按照1:8的匯率將美元折算成人民幣，從而得到碳排放強(qiáng)度的四個灰數(shù)集，即e=1，時，?1∈[0，0.26，0.55]；e=2時，?2∈[0,0.55,2.8]；e=3時，?3∈[0,2.8,6.4]；e=4時，?4∈[0,6.4,∞]。其他指標(biāo)同樣參照國際與國內(nèi)實際狀況或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，由于評價灰類與灰數(shù)集的確定更多參照我國各城市發(fā)展的實際狀況，因而依照該標(biāo)準(zhǔn)計算得出的評價結(jié)果更多地反映出該城市在國內(nèi)城市比較中的低碳發(fā)展水平。

從滿足人文約束條件下低碳城市發(fā)展的角度將此十二項指標(biāo)分成兩類，第一類為正向指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越大越優(yōu)；第二類為負(fù)向指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越小越優(yōu)（如表2所示）。

在此，負(fù)向指標(biāo)以碳排放強(qiáng)度為例，依據(jù)其對應(yīng)的灰類與灰數(shù)集，構(gòu)造其白化權(quán)函數(shù)如下：

正向指標(biāo)以環(huán)保投資占GDP比為例，依據(jù)其對應(yīng)的灰類的灰數(shù)集，構(gòu)造其白化權(quán)函數(shù)如下：

同理，對應(yīng)類型指標(biāo)可按照上面同樣的方法，依據(jù)其對應(yīng)的灰類的灰數(shù)集，構(gòu)造其相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)。

（3）計算灰色評價系數(shù)

由此得到上海市2009年十二項評判指標(biāo)的總灰類評價權(quán)為：

（4）綜合評價

城市低碳發(fā)展水平的十二項評判指標(biāo)在評價中重要程度有所不同，因此需要對每個因素賦予不同的權(quán)重，在此將已經(jīng)計算好的熵權(quán)重賦予每個指標(biāo)，得到綜合評價結(jié)果Bt=A°Rt，式中t為年份。

則根據(jù)該原理，可以得到上海市2009年的城市低碳發(fā)展的綜合評價結(jié)果:

根據(jù)1990～2009年的灰色系統(tǒng)評判結(jié)果，可以繪制出1990～2009年20年間的上?；疑到y(tǒng)評判中各灰類等級隸屬度的變化軌跡，如圖1所示。

圖1 1990～2009年上海城市低碳發(fā)展灰類等級隸屬度趨勢圖

從圖1中所描述的城市低碳發(fā)展灰類等級隸屬度趨勢上來看，上海市城市低碳發(fā)展趨勢上出現(xiàn)了小幅波動，但是城市低碳發(fā)展水平的總趨勢是上升的。在1990～1995年六年的時間中，上海市的城市低碳發(fā)展中灰類4的隸屬度較高，低碳發(fā)展水平較差；而在1996～1998年三年的時間中處于調(diào)整狀態(tài)中，這三年中灰類1與灰類2的隸屬度以及灰類3與灰類4的隸屬度從交織狀態(tài)中逐步分離上升。在1999年后，灰類1和灰類2的隸屬度不斷上升，灰類3和灰類4的隸屬度逐步下降，且灰類1的隸屬度較灰類2明顯較高，所以1999年后上海市在滿足人文約束條件下的城市低碳發(fā)展水平較高。

4 熵值-灰色系統(tǒng)評判模型的實證檢驗

利用熵值-灰色系統(tǒng)評價模型對全國其他三個直轄市進(jìn)行城市低碳發(fā)展評價，將四個直轄市的城市低碳發(fā)展水平做一個比較，并對四個直轄市的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析以驗證熵值-灰色系統(tǒng)評判模型對城市低碳發(fā)展水平評價的有效性。在此，文章依據(jù)本文計算出的權(quán)重，以四個直轄市2009年的截面數(shù)據(jù)為評判對象，對其進(jìn)行灰色系統(tǒng)評判。四個直轄市2009年的灰色系統(tǒng)評判結(jié)果如表3所示。

表3 四個直轄市2009年城市低碳發(fā)展灰色系統(tǒng)評價

從表3可知，北京與上海城市低碳發(fā)展在灰類等級1上的隸屬度最高，處于一級灰類等級，天津與重慶城市低碳發(fā)展在灰類等級2上的隸屬度最高，處于二級灰類等級。從表中我們還可以看出，雖然北京與上海城市低碳發(fā)展處于一級灰類等級，但是北京在一級灰類等級上的隸屬度所占比重高于上海，因而北京的城市低碳發(fā)展水平最高，同屬第一層次的還有上海，天津與重慶屬于第二層次。

根據(jù)熵值法所求權(quán)重我們知道，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比、人均道路面積、煤炭占總能源結(jié)構(gòu)比、碳排放強(qiáng)度在前四的位置，其次是R&D占GDP比例、萬人擁有公共汽車數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比等等。這就要求在城市低碳發(fā)展的過程中，著力加強(qiáng)城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及城市交通升級改造，降低城市能源消費中的煤炭結(jié)構(gòu)比例；在城市低碳發(fā)展中，優(yōu)先從城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市交通領(lǐng)域以及城市能源消費結(jié)構(gòu)等方面著手，努力將城市低碳水平提升到一個新的臺階。

通過利用SPSS15.0分析軟件對四個直轄市2009年的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析以驗證熵值灰色系統(tǒng)評價方法的有效度，聚類分析冰狀圖如2。

圖2 聚類分析冰狀圖

從冰狀圖中我們可知，當(dāng)聚類數(shù)為2時，上海與北京同屬一類，而重慶與天津?qū)儆诘诙?，這與熵值灰色系統(tǒng)評判的結(jié)果一致，因而認(rèn)為熵值灰色系統(tǒng)評判方法對城市低碳發(fā)展的評價具有一定的可信度，評價是有效的。

5 研究結(jié)論

隨著低碳經(jīng)濟(jì)浪潮的席卷而來，人們對低碳發(fā)展的關(guān)注度越來越高，城市作為人類生產(chǎn)與生活的集聚中心，其在低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中處在十分重要的位置，因而對城市低碳發(fā)展水平評價模型研究具有重要現(xiàn)實意義。本文以上海市1990～2009年的時間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入熵值法對各個城市低碳發(fā)展評價指標(biāo)賦予權(quán)重，避免了指標(biāo)權(quán)重確定的人為干擾。同時，本文將熵值法與灰色理論相結(jié)合，構(gòu)建城市低碳發(fā)展評價模型，對上海市1990～2009年的城市低碳發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行評價，并以全國四個直轄市（北京、上海、重慶、天津）2009年的截面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對模型進(jìn)行檢驗，評判結(jié)果顯示，北京與上海的城市低碳發(fā)展水平處在第一灰類等級，天津與重慶處在第二灰類等級，這與城市發(fā)展現(xiàn)狀基本相符。在此基礎(chǔ)上本文利用聚類分析法對四個直轄市的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，聚類結(jié)果與熵值灰色系統(tǒng)評判模型基本相符，這證明本文構(gòu)建的熵值灰色系統(tǒng)評價模型是一個科學(xué)、公正、合理的評價方法。

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