上海市能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境（3E）系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)證研究

曹瑞瑞，蔣 震

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京100031；2.中國(guó)社科院 財(cái)經(jīng)戰(zhàn)略研究院，北京 100045）

0 引言

近年來我國(guó)東部發(fā)達(dá)省份普遍存在“電荒”問題，而全國(guó)大范圍的霧霾等環(huán)境污染也引起公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的廣泛關(guān)注，因此能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展成為當(dāng)前亟需解決的難題。3E系統(tǒng)理論能將能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三者耦合形成相互影響和制約的大系統(tǒng)，以經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為核心，能源和環(huán)境子系統(tǒng)服務(wù)于經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，同時(shí)兼顧自身的協(xié)調(diào)發(fā)展。國(guó)外學(xué)者基于此思想利用多目標(biāo)規(guī)劃、因子分析、道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)等定量方法發(fā)展了一系列模型[1～5]，如MARKAL模型、EFOM模型、PRED模型、CGE模型、Logistic模型等。國(guó)內(nèi)學(xué)者較多采用層次分析法（AHP）研究3E系統(tǒng)的可協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)價(jià)，將能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)分為若干準(zhǔn)則層，將準(zhǔn)則層再細(xì)分為若干指標(biāo)層，利用主成分分析法（PCA）得到3E協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合指數(shù)[6～8]。

為了研究上海地區(qū)3E系統(tǒng)發(fā)展的協(xié)調(diào)性，本文利用層次分析法構(gòu)建上海地區(qū)的3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用主成分分析法建立3E子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的綜合指數(shù)，最后對(duì)3E系統(tǒng)發(fā)展的協(xié)調(diào)度進(jìn)行定量分析。

1 能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

遵循科學(xué)性、全面性、系統(tǒng)性和可操作性等原則，建立3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的二維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，一維是能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境子系統(tǒng)，二維是總量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、增長(zhǎng)指標(biāo)和效益指標(biāo)。二維指標(biāo)分別代表了發(fā)展規(guī)模、發(fā)展質(zhì)量、發(fā)展速度和發(fā)展效率。參考國(guó)內(nèi)外3E系統(tǒng)的相關(guān)研究成果[1～8]，同時(shí)利用層次分析法（AHP）將評(píng)價(jià)目標(biāo)逐層階梯細(xì)分，設(shè)計(jì)得到如表1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。表中指標(biāo)層的指標(biāo)按照對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的貢獻(xiàn)性質(zhì),分為正指標(biāo)和逆指標(biāo)。

2 能源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展綜合指數(shù)的計(jì)算

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文選擇上海地區(qū)2000～2012年的相關(guān)數(shù)據(jù)作為指標(biāo)層數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均來源于上海市歷年的統(tǒng)計(jì)年鑒。

由于數(shù)據(jù)的單位和量綱存在較大差異，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先將指標(biāo)層中的逆指標(biāo)取倒數(shù)，與正指標(biāo)一起形成n年p指標(biāo)的樣本矩陣 X=[xij]n×p（此處n=13，p=35）；然后將矩陣X中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，得到標(biāo)準(zhǔn)化樣本矩陣Y=[yij]n×p，如下式所示：

2.2 主成分分析

為了得到樣本矩陣Y的主成分，記樣本矩陣的協(xié)方差矩陣和相關(guān)系數(shù)矩陣分別為：

依據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于0.90的原則，確定m個(gè)主成分，

則樣本的m個(gè)主成分為：

式中，T'代表矩陣T的轉(zhuǎn)置矩陣。將特征值的貢獻(xiàn)率與相應(yīng)的主成分Z相乘，即可得到樣本Y的主成分得分：

表1 3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 上海3E系統(tǒng)發(fā)展綜合指數(shù)

綜上，得到能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境子系統(tǒng)的主成分矩陣U=[U1,U2,U3]，并將主成分得分單位化，得到子系統(tǒng)發(fā)展的綜合指數(shù)：

繪制3E系統(tǒng)發(fā)展綜合指數(shù)，如圖1所示。從圖中可以看出，2000～2012年間，上海市能源和經(jīng)濟(jì)總體上呈現(xiàn)良好發(fā)展的態(tài)勢(shì)，尤其是經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)在2008年后持續(xù)大幅度發(fā)展，至2012年達(dá)到頂?shù)?，并依然保持增長(zhǎng)的趨勢(shì)。但是環(huán)境子系統(tǒng)的發(fā)展水平在2002～2010年間持續(xù)下降，至2010年達(dá)到最低水平；僅在近兩年微幅上升，至2012年發(fā)展綜合指數(shù)為0.05左右。由此可見，上海地區(qū)的能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較好，而環(huán)境發(fā)展水平嚴(yán)重偏低。這是因?yàn)樯虾儆谫Y源匱乏型城市，其原煤等一次能源依靠外省輸入，而二次能源電力消費(fèi)較高，促使其能源發(fā)展水平較高；而城內(nèi)煉鋼等高耗能產(chǎn)業(yè)較多，并且沒有有利的清潔能源發(fā)展環(huán)境，工業(yè)廢氣、廢水、廢渣排放連年增長(zhǎng)，雖然環(huán)保投資有一定的增加，但是依然難以遏制環(huán)境污染的惡化，造成環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平逐年下降。

3 能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)

3.1 子系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)度的評(píng)價(jià)

協(xié)調(diào)發(fā)展可以通過相應(yīng)的模糊數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算得到，選擇離差系數(shù)法計(jì)算系統(tǒng)之間的發(fā)展協(xié)調(diào)程度[9]，計(jì)算公式如下：

式中，Z1和Z2分別為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的發(fā)展程度，可以用發(fā)展綜合指數(shù)表示；Z12為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，取Z12=0.5×（Z1+Z2）；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，k≥2；D1-2即為系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，0≤D≤1，且值越大表明系統(tǒng)之間越協(xié)調(diào)。

3.2 總體發(fā)展協(xié)調(diào)度的評(píng)價(jià)

將子系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)度的評(píng)價(jià)推廣至總體發(fā)展協(xié)調(diào)度，設(shè)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展程度分別為Z1、Z2和Z3，其三者的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為Z123=1/3×（Z1+Z2+Z3），則總體發(fā)展協(xié)調(diào)度的公式如下：

3.3 上海3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)

圖1 能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展綜合指數(shù)

根據(jù)式（8）和（9），取調(diào)節(jié)系數(shù)k=10，計(jì)算能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)之間的兩兩協(xié)調(diào)度以及總體協(xié)調(diào)度，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，受到環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平低下的影響，能源-環(huán)境、經(jīng)濟(jì)-環(huán)境兩兩發(fā)展的協(xié)調(diào)度都偏低，在2005～2006年以后持續(xù)下降，協(xié)調(diào)發(fā)展的形勢(shì)嚴(yán)峻。而能源-經(jīng)濟(jì)兩兩發(fā)展的協(xié)調(diào)度較高，自2008年后迅速上升，2012年達(dá)到協(xié)調(diào)程度的最高點(diǎn)，這也說明了上海地區(qū)能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互促進(jìn)作用明顯。綜合而言，整個(gè)系統(tǒng)由于環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平偏低，導(dǎo)致總體協(xié)調(diào)發(fā)展水平也偏低，在2005年以后出現(xiàn)了較大幅度的下降，近期上海連續(xù)的污染天氣也表明，上海地區(qū)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展的協(xié)調(diào)性嚴(yán)重不足。

圖2 子系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)度

圖3 3E系統(tǒng)總體發(fā)展協(xié)調(diào)度

4 結(jié)論

利用層次分析法建立能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境3E系統(tǒng)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用主成分分析法得到了上海地區(qū)3E發(fā)展綜合指數(shù)（圖1），利用離差系數(shù)法得到3E子系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)度（圖2）和總體發(fā)展協(xié)調(diào)度（圖3）。從上述分析得到以下結(jié)論：

（1）上海地區(qū)的能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，近年來呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，至2012年達(dá)到所選樣本的最高點(diǎn)；環(huán)境發(fā)展水平呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，現(xiàn)階段處于超低位的發(fā)展水平，在2012年的綜合指數(shù)僅0.05左右，未來的環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)依然嚴(yán)峻。

（2）由于環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致上海地區(qū)能源-環(huán)境、經(jīng)濟(jì)-環(huán)境兩兩發(fā)展的協(xié)調(diào)程度嚴(yán)重偏低，雖然能源-經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐年上升，但是能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境（3E）系統(tǒng)總體的發(fā)展協(xié)調(diào)程度今年呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，近期處于歷史低位。

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