北京市能源、經濟與環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度發(fā)展評價

王默玉　喬 鑫　申曉留　劉瑞雪

北京市能源、經濟與環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度發(fā)展評價

王默玉喬 鑫申曉留劉瑞雪

本文以北京市為背景構建了能源（energy）－經濟（economy）－環(huán)境（environment）（簡稱3E）系統(tǒng)綜合評價指標體系，通過主成份分析法計算出各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平值，用優(yōu)化的模糊協(xié)調系數(shù)法計算各子系統(tǒng)之間的協(xié)調度，并構建了3E協(xié)調度的幾何模型。對北京市2003～2013年的3E系統(tǒng)協(xié)調度進行了實例驗證，結果顯示近十年北京市3E系統(tǒng)協(xié)調度波動較大整體呈“M”型發(fā)展。通過對結果的評價分析分別從能源、經濟和環(huán)境三個角度為北京市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提出了決策建議。

二十一世紀以來，北京市經濟經歷了前所未有的持續(xù)、迅猛增長。2003～2013年北京市GDP年平均增長率達到10.7%，遠高于全國GDP年均增長速度。而能源消費量由2003年的4648.2萬t標煤增長到2013年的7354.18萬t標煤，增長了將近兩倍。在經濟發(fā)展的過程中，能源和資源消耗量過大，利用效率較低，使得污染排放嚴重，也造成了巨大的經濟和資源損失。能源、經濟和環(huán)境是一個相互關聯(lián)、相互矛盾的復雜系統(tǒng)，不能單獨地考慮某一問題。因此，了解它們之間的相互作用關系，促進能源、經濟、環(huán)境之間的優(yōu)質協(xié)調發(fā)展是實現(xiàn)北京市可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

已有的對能源、經濟、環(huán)境協(xié)調度的研究中焦點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。實際上，能源、經濟、環(huán)境兩兩之間的協(xié)調度或三者之間的協(xié)調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。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算各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，整合幾種協(xié)調系數(shù)計算方法的優(yōu)缺點，考慮3E系統(tǒng)的復雜多樣化，建立了基于回歸分析法的協(xié)調系數(shù)法。

3E系統(tǒng)指標體系構建

由于3E系統(tǒng)的復雜性，采用單一的線性指標難以真實的描述各個子系統(tǒng)的狀況。 因此，本文從廣度與深度兩個方向，從結構、總量、質量三個維度建立以北京市為層面的3E系統(tǒng)綜合評價指標體系。能源系統(tǒng)指標體系，如表1所示。經濟系統(tǒng)指標體系，如表2所示。環(huán)境系統(tǒng)指標體系，如表3所示。

表1　能源子系統(tǒng)指標體系

研究方法

數(shù)據(jù)無量綱化處理

在進行綜合評估過程中，首先要對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理。本文采用中心化（Z-Score）無量綱法對3E數(shù)據(jù)進行處理，其計算公式如下：

主成份分析法

在計算3E各子系統(tǒng)發(fā)展水平時，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，通過研究指標體系內在的結構關系，把具有一定關聯(lián)的多指標重新組合，融合成若干個包含原始指標的大部分信息（≥90%）的超級指標。計算步驟如下：

（1）計算相關系數(shù)矩陣

且rij的計算公式為：

（2）計算特征值與特征向量

（3）計算主成份貢獻率和累計貢獻率貢獻率：

累計貢獻率：

（4）計算主成份荷載

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

基于回歸分析法的協(xié)調系數(shù)計算模型

本文考慮了3E多元問題的復雜性，總結協(xié)調系數(shù)法的優(yōu)缺點并對其進行優(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進行分析，建立回歸函數(shù)：

由此可以建立協(xié)調度算法：

w（ i， j ）表示系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調度。此時，若w（ i/j ）與w（ j/ i ）的值越相近，則系統(tǒng)之間協(xié)調系數(shù)越高。比如當w（ i/j ）=0.4，w（ j/ i）=0.4時，系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調系數(shù)為1；當w（ i/j ）=0.9，w（ j/ i ）=0.9時，系統(tǒng)i與系統(tǒng)j的協(xié)調系數(shù)也為1。由于沒有考慮綜合發(fā)展水平，致使兩者的協(xié)調系數(shù)都為1，顯然前者并不能定義為協(xié)調。因此，本文在計算協(xié)調度時也將子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平考慮在內。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為權重，且α+β=1。對于存在負值的綜合發(fā)展水平可以利用“改進的功效系數(shù)”作如下變換：

最后，建立如下函數(shù)關系式：

C=F（ Eec，Ecv，Eev）

因此得出3E協(xié)調度的數(shù)學模型：

北京市能源經濟環(huán)境協(xié)調度評估

圖1　

本文選取北京市2003年～2013年的數(shù)據(jù)進行計算，所采用的數(shù)據(jù)來自《國家統(tǒng)計年鑒》、《北京市統(tǒng)計年鑒》和《國家統(tǒng)計局》。

表4　協(xié)調系數(shù)區(qū)間

綜合發(fā)展水平評價

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

如表5所示，成份1和成份2的累計貢獻率為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算出能源系統(tǒng)的發(fā)展水平。

經濟和環(huán)境發(fā)展水平的計算步驟一樣。

最終計算結果如表7所示。

表7　能源、經濟、環(huán)境綜合發(fā)展水平

能源－經濟－環(huán)境協(xié)調度計算

本文將協(xié)調系數(shù)取值范圍劃分為以下幾個區(qū)間：

采用優(yōu)化的協(xié)調系數(shù)法首先對能源、經濟和環(huán)境二元的協(xié)調度進行計算，然后對能源-經濟-環(huán)境的協(xié)調度進行計算。結果如表8所示。

表8　北京市2003～2013年能源、經濟和環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度情況

圖2　北京市2003－2013年間能源、經濟和環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調度折線圖

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

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

結語

本文主要研究北京市2003～2013年3E系統(tǒng)的協(xié)調狀況。利用主成份法對3E系統(tǒng)進行優(yōu)化篩選，通過優(yōu)化的模糊協(xié)調系數(shù)法對3E系統(tǒng)協(xié)調度進行測算。從計算的結果可以看出3E協(xié)調度整體趨勢呈“M”型。其中能源和環(huán)境協(xié)調度發(fā)展趨勢波動較小，可見近十年北京市的能源結構一直在不斷優(yōu)化，在每個時期都能和環(huán)境達到基本協(xié)調狀態(tài)。能源和經濟的協(xié)調度整體呈上升趨勢，說明隨著能源結構的不斷優(yōu)化，也帶來了巨大的經濟效益，兩者在不斷磨合中曲折上升。而環(huán)境和經濟系統(tǒng)的協(xié)調度波動較大，環(huán)境和經濟的問題是七個子問題中最嚴重的，環(huán)境和經濟之間的平衡發(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，同時又是不可避免的矛盾，但是我們可以采取一些措施來促進北京市可持續(xù)發(fā)展。

優(yōu)化能源消費結構，鼓勵新能源消費。北京市煤炭消費由2003年的41%到2013年的23%有較大幅度的下降。原油消費占比一直在20%以上。天然氣消費占比由2003年的5%到2013年16%。說明北京市能源消費結構正在向主要工業(yè)國家以油氣為主的消費結構靠近，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。

不斷調整和優(yōu)化產業(yè)結構。北京市近幾年經濟發(fā)展較快，GDP總量不斷攀升。在經濟發(fā)展的同時，一方面要注重對環(huán)境的保護，另一方面要不斷調整和優(yōu)化產業(yè)結構，淘汰落后產能，以促進能源、經濟、環(huán)境協(xié)調發(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)內部已嚴重不協(xié)調。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和能源浪費。同時應該加快轉移污染企業(yè)，鼓勵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

華北電力大學控制與計算機工程學院

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.004

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