基于耗散結構理論低碳城市發(fā)展水平評價研究

楊笠

[摘要]基于信息熵理論，結合低碳城市系統(tǒng)的耗散結構特征，建立低碳城市發(fā)展的熵變模型以及評價指標體系，通過相應的熵變分析和指數分析，進而對低碳城市系統(tǒng)的有序度和發(fā)展水平進行量化研究。研究結果表明，上海低碳城市系統(tǒng)的熵流和總熵逐年變小，城市發(fā)展的有序度逐漸增加；綜合發(fā)展指數緩慢穩(wěn)步增長，協(xié)調發(fā)展指數圍繞著某一特定值附近波動并略有下降的趨勢，說明社會經濟單方面的高速發(fā)展并不能為低碳城市系統(tǒng)的可持續(xù)健康發(fā)展提供相應的保障。在此基礎上提出提升上海市低碳發(fā)展水平的相關對策與建議。

[關鍵詞]耗散結構；低碳城市；熵變模型

[中圖分類號]F299.27 [文獻標識碼]A

1 引言

20世紀80年代以來，世界經濟飛速發(fā)展、科技創(chuàng)新日新月異，城市化作為國家重要的發(fā)展政策，是促進經濟增長的內生動力之一。而在城市化進程中，不斷面臨著日趨嚴峻的能源供應危機與氣候惡化難題，我國經濟發(fā)展方式迫切需要加快轉變，探求一種“低能耗、低污染、高效益”的新型發(fā)展模式。2015年3月5日，國務院總理李克強在政府工作報告中明確提出二氧化碳的排放強度至少下降3.1%，以達到環(huán)境治理與節(jié)能減排的更高要求，這無疑使得“低碳城市”再次成為研究的熱點。

上海市作為國家發(fā)改委第二批確定的低碳試點城市之一，在探求解決氣候惡化問題實現城市可持續(xù)發(fā)展過程中，就如何控制碳的排放等方面已達成了一致意見，但針對怎樣更加客觀公正地監(jiān)測與評價低碳城市的發(fā)展狀況，還沒有一個完全統(tǒng)一的標準和較為成熟的實踐方案。城市作為一個復雜的動態(tài)運行系統(tǒng)，這些無疑是實現低碳城市的發(fā)展亟待解決的問題?；诖?，本文擬從低碳城市的耗散結構出發(fā)，深刻描繪低碳城市的演化路徑，動態(tài)監(jiān)測上海市低碳發(fā)展狀態(tài)，定量分析并綜合評價上海市低碳化發(fā)展水平。

2 低碳城市耗散結構的理論分析

基于耗散結構原理，可將城市視作為一個較為龐大的開放性系統(tǒng)，進而對其在低碳條件約束下城市發(fā)展的演變路徑進行深入剖析，亦可將低碳城市這一復雜系統(tǒng)細分為資源、環(huán)境、社會、經濟等四個子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)之間相互依存、相互影響、相互制約，促使整個城市系統(tǒng)歷經碳的“排放——吸收——排放”的較穩(wěn)定的生態(tài)循環(huán)。在城市逐步發(fā)展和碳排放量不斷擴大的過程中，如果城市系統(tǒng)中的某一子系統(tǒng)受到過度破壞性人為干涉的影響，那么城市系統(tǒng)的碳循環(huán)就會被嚴重地打破，各個子系統(tǒng)也會隨之出現顯著性的變化，極有可能導致諸如“溫室效應”、“熱島效應”等問題的出現。而在低碳條件的約束下，城市系統(tǒng)內外諸多要素之間具備著非線性作用機制，促進城市系統(tǒng)演變至有序的安全狀態(tài)，形成具有穩(wěn)定性的耗散結構，推動著整個城市系統(tǒng)向穩(wěn)定有序的低碳方向發(fā)展。故低碳城市系統(tǒng)具有典型的耗散結構性質，而且是一種有人類參與并作為中心主體的高級形式的系統(tǒng)。

3 低碳城市耗散結構熵變評價模型的構建

3.1 低碳城市系統(tǒng)的信息熵

信息的容量大小是一個難以量化的指標。20世紀中葉，信息論的創(chuàng)始者香農提出了“信息熵”的概念，用以描述信息源的不確定度。系統(tǒng)的信息熵越高那么就表明系統(tǒng)的無序度越高。

低碳城市系統(tǒng)具有典型的耗散結構特征，其演化過程可以利用系統(tǒng)的熵變模型來加以詮釋，進而可以采取“信息熵”的方法來綜合討論分析低碳城市系統(tǒng)演化的過程及方向。低碳城市系統(tǒng)的熵變是由熵流和內部熵增加兩個部分共同決定。故可建立關于低碳城市系統(tǒng)的熵變模型：

模型（1）中，表示低碳城市系統(tǒng)內部熵產生，即低碳城市系統(tǒng)內部環(huán)境質量下降及生態(tài)環(huán)境建設產生的熵變，其值只能為正?？梢赃M一步用損耗型代謝熵和再生型代謝熵表征。損耗型代謝熵表示系統(tǒng)內部有效資源的使用和浪費，是對環(huán)境產生的負面影響；再生型代謝熵表示系統(tǒng)內部通過自身原有物質資源創(chuàng)造出來的可供自身使用的有效資源，是環(huán)境保護和污染物治理能力的體現。表示低碳城市系統(tǒng)與經濟、環(huán)境等其他系統(tǒng)進行能量的相互傳遞而產生的熵流，熵流的值可正可負當然也可以為零，當時稱之為負熵流。也可以用他系統(tǒng)支持型輸入熵和他系統(tǒng)壓力輸出熵來表征。他系統(tǒng)支持型輸入熵表示其他諸如社會經濟系統(tǒng)、自然資源系統(tǒng)等對低碳城市系統(tǒng)的在資金和資源方面的支持作用；他系統(tǒng)壓力輸出熵表示低碳城市系統(tǒng)對其他經濟社會系統(tǒng)或自然資源系統(tǒng)所產生的壓力輸出。表征系統(tǒng)的總熵變，即低碳城市系統(tǒng)內部熵產生與外部系統(tǒng)之間的熵流之和。

根據耗散結構理論可知，要使得城市系統(tǒng)在低碳條件的約束下能夠處于穩(wěn)定有序的發(fā)展狀態(tài)，那么系統(tǒng)就必須地獲得足夠的負熵流，并使其在抵消系統(tǒng)內部熵產生的同時，還能夠存有富余的負熵流。而作為復雜程度較高的低碳城市系統(tǒng)，該如何源源不斷地獲取有效的負熵流呢？這種有效的負熵流的獲取可分為兩大部分：一部分來源于城市系統(tǒng)的還原性代謝功能，即由系統(tǒng)內外自適應協(xié)調功能進行物質、能量和信息等的交換而產生；另一部分則是人類對城市系統(tǒng)進行偏向性地干預（如節(jié)能減排制度、扶持環(huán)保型企業(yè)政策等）以獲得負熵流。這兩部分之和是形成有效負熵流的基礎。

3.2 低碳城市熵變指標體系的構建

由于低碳城市系統(tǒng)是一個經濟、資源、社會、環(huán)境復合的系統(tǒng)，需要用多個指標來描述系統(tǒng)的狀態(tài)和變化。故基于低碳城市系統(tǒng)總體的特征，結合耗散結構理論和系統(tǒng)熵產生的原理，借鑒辛玲、劉欽普等學者的研究成果，按照科學性、綜合性、系統(tǒng)性以及可操作性等原則，從他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力、損耗和再生這四個維度作為一級指標建立低碳城市系統(tǒng)熵變指標體系（見表1）。他系統(tǒng)支持指標和他系統(tǒng)壓力指標和他系統(tǒng)壓力指標包含經濟、資源、環(huán)境等方面的影響因素，表明了低碳城市系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的熵流；損耗指標和再生指標包含了系統(tǒng)內部資源的消耗和再生對環(huán)境產生的影響等因素，表明了系統(tǒng)的熵產生。

3.3 低碳城市耗散結構熵變評價模型的構建

3.3.1 指標的無量綱化。由于指標體系中各指標有正、逆指標之分，而且各指標之間的數值大小和量綱也存在差異，不便于進行比較，故將這些指標值進行歸一化處理?，F采用閥值法將各指標值進行無量綱化處理，用公式表達為：

3.3.2 低碳城市系統(tǒng)年份序列的信息熵值的計算?；谛畔㈧卦械挠嬎愎剑ㄟ^公式的替換，低碳城市耗散結構的四個類型因子的年份的信息熵表達為：

3.3.3 低碳城市系統(tǒng)指標權重的確定和分值的計算。計算各指標信息熵的得分值，是測算低碳城市系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展和綜合發(fā)展指數的前提。其具體的計算公式如下：

上式中分別為他系統(tǒng)支持指標、他系統(tǒng)壓力指標、損耗指標、再生指標這四個一級指標的得分值，為各個指標所占的權重，為原始數據歸一化處理后的值。

3.3.4 低碳城市系統(tǒng)模型指數的計算。用T來表示模型的綜合發(fā)展指數，表明他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力等各類型的要素在低碳城市系統(tǒng)運行時起到的作用大小，體現出低碳城市系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，其計算模型如下：

用D來表示協(xié)調發(fā)展指數，它表征著他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力、損耗、再生等因素之間協(xié)調發(fā)展的狀況的好壞。其數值越大意味著協(xié)調度越好，反之則越差。其表達式為：

4 實證研究

4.1 熵值分析

根據上海市2007～2015年的統(tǒng)計資料和構建的評價模型，計算出上海低碳城市系統(tǒng)的各類熵值及指數值（見表2）。表2中，熵流是他系統(tǒng)支持輸入熵與他系統(tǒng)壓力輸出熵的矢量和，熵產生為損耗型代謝熵和再生型代謝熵的矢量和。由表2數據擬合生成的趨勢曲線圖（見圖1）更直觀地反映出，自2007年至2015年期間，上海市低碳城市系統(tǒng)總熵變均為負值，熵流和總熵在動態(tài)趨勢走向上保持相對一致性，并且整體上表現出逐年下降的趨勢，說明上海市總體上向著低碳、健康、有序的方向發(fā)展。而在這期間熵產生大致表現出平穩(wěn)并伴有小幅波動的趨勢，說明上海低碳城市系統(tǒng)內部的無序度增加的速率不斷減弱，整個低碳城市系統(tǒng)逐步趨向于穩(wěn)定。這些主要得益于上海市經濟高質量的發(fā)展和人均收入水平的穩(wěn)步提升。但與此同時也不能對2013年因低碳城市系統(tǒng)熵流的突變而引起總熵值的突變的狀況加以忽視，其主要原因在于隨著低碳試點城市政策的不斷深化和推進，國家對城市系統(tǒng)的低碳化要求逐漸提升，城市綠化、公共交通以及廢水廢棄物處理等方面問題亟待解決。綜上所述，低碳城市系統(tǒng)的熵流在低碳城市建設中起到至關重要的作用，它是系統(tǒng)有序發(fā)展的保證，加大財政投入與支持、提高經濟發(fā)展的生態(tài)效率、削減低碳城市壓力源、調控壓力傳遞將會是日后的重中之重。

4.2 指數分析

由表2中綜合發(fā)展指數和協(xié)調發(fā)展指數序列擬合生成的曲線圖（見圖2）可知，從2007～2015年，上海市低碳城市系統(tǒng)的綜合發(fā)展度指數由2007年的0.18增長到2015年的0.238，呈現出小幅度穩(wěn)步增長的趨勢，說明隨著低碳城市建設的加強，上海市的社會經濟和環(huán)境得到了更好的發(fā)展。另一方面，上海市低碳城市系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展指數大體上圍繞著0.28上下波動，但是在2011年之后，由于上海市經濟持續(xù)過熱的增長給自然資源與環(huán)境造成沉重壓力，導致協(xié)調度略有降低，從側面反映出今自2011年以后生態(tài)環(huán)境建設將成為上海市低碳城市建設的重點和關鍵。換言之，社會經濟單方面的高速發(fā)展并不能為低碳城市系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供相應的保障，只有加強低碳環(huán)境建設的投入力度，與環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展才是實現上海低碳城市建設的動力。

5 結論與建議

上海市低碳城市系統(tǒng)的信息熵值在時間上的動態(tài)演化規(guī)律表明，上海市低碳城市系統(tǒng)的熵產生表現出平穩(wěn)并伴有小幅波動的趨勢，熵流和總熵均呈現出下降趨勢，系統(tǒng)的有序度逐漸增加。上海市應該在現有的良好發(fā)展態(tài)勢的基礎上，著重關注低碳城市的壓力源，調整優(yōu)化能源消費結構，提高清潔能源使用比例與效率，提倡廢水廢棄物循環(huán)利用等，從而為低碳城市建設打下堅實的基礎。

在形成熵流的他系統(tǒng)支持型輸入指標和他系統(tǒng)壓力型輸出指標中，森林覆蓋率、環(huán)境治理投資占比、生活垃圾無害化處理率以及城鎮(zhèn)居民人均可支配收入這幾個指標的權重相對較高。因此，在低碳城市的建設中，環(huán)境的保護與治理應當和社會經濟的發(fā)展同等重要，經濟的穩(wěn)步增長將會給環(huán)境保護治理帶來更多的資金投入，同樣一個良好的低碳環(huán)境更能夠為社會經濟的發(fā)展營造一個友好、和諧的氛圍，兩者相輔相成。上海市未來應充分提升低碳環(huán)境治理功能，加快經濟發(fā)展模式的轉變，做到低碳環(huán)境建設與社會經濟發(fā)展齊頭并進，開辟一條更加節(jié)能、環(huán)保、可循環(huán)的低碳經濟之路。

基于耗散結構和信息熵理論構建的低碳城市系統(tǒng)熵變指標體系，包括他系統(tǒng)支持輸入指標、他系統(tǒng)壓力型輸出指標、損耗型代謝指標和再生型代謝指標，為低碳城市系統(tǒng)發(fā)展的評價研究提供了量化方法。另外，根據實證分析得到的各參數結果，在一定程度上也能夠良好地展現出上海市低碳城市發(fā)展的整體水平，和實際情況較為符合，為上海市低碳城市發(fā)展的動態(tài)統(tǒng)計監(jiān)測與評價提供一定的指導作用。

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