基于熵權(quán)—TOPSIS法的能源轉(zhuǎn)型成效評價及障礙度分析
——以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例

(內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，包頭 014010)

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，目前我國能源消費仍以煤炭、石油和天然氣為主，占國內(nèi)能源消費比重分別為60.4%、18.8%和7.0%[1]。盡管我國是礦產(chǎn)資源儲存大國，但“富煤、貧油、少氣”的國情始終沒有改變，據(jù)2018年《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》顯示，我國的煤炭資源剩余探明可采儲量為1 388億t，占世界煤炭總儲量的13.4%[2]，在世界各國中居第三位，而石油、天然氣等優(yōu)質(zhì)化石能源儲量較低，已探明可供采儲量僅占世界的1.1%和1.9%，考慮到我國巨大的人口基數(shù)，我國人均能源資源占有量更是極少，人均煤炭資源擁有量占國際平均水平的1/2，而石油、天然氣的人均水平不到國際平均水平的1/10[3]，若仍按以往粗放型用能模式發(fā)展,不僅社會經(jīng)濟難以為繼,我國的能源和環(huán)境承載都將面臨無解難題[4]。據(jù)預測，到2020年我國45種主要礦產(chǎn)資源，可滿足儲量保證的僅剩6種[5]，到2030年，我國石油需求量將達到7.4億t，而石油生產(chǎn)量僅為1.8億t[6]，到2040年，中國的能源需求總量將增加25%左右，對進口的依賴將上升到40%以上[7]，油氣礦產(chǎn)資源對外依賴程度大大增高，新型清潔能源的開發(fā)等能源轉(zhuǎn)型與升級問題迫在眉睫。

為進一步鞏固國家能源安全，我國近年來十分重視能源轉(zhuǎn)型問題，相繼出臺了各種政策，并在各個省份或地區(qū)推出了不同的能源措施，內(nèi)蒙古自治區(qū)(以下簡稱內(nèi)蒙古)作為我國重要能源的基地，是國家重點改革的對象，自上個世紀80年代，內(nèi)蒙古開始進行能源轉(zhuǎn)型的探索，經(jīng)過多年發(fā)展，轉(zhuǎn)型的成效值得研究，文中建立低碳評價體系及障礙度模型測度，對近年來內(nèi)蒙古能源轉(zhuǎn)型的成效作出評價判斷，并針對障礙因素提出針對性的建議。

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)能源發(fā)展優(yōu)勢及轉(zhuǎn)型歷程

內(nèi)蒙古是環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的重要腹地，是我國重要的能源保障基地，煤炭儲量超過8 000億t，天然氣儲量1.67萬億m3，煤層氣儲量10萬億m3，石油儲量6億t以上，其中煤炭和天然氣儲量分別居全國第一位和第三位，風能資源占全國一半以上，居全國第一位，光能資源僅次于西藏，居全國第二位，作為我國重要的能源保障基地，資源性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了國家的大力支持，內(nèi)蒙古資源性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要分為以下三個階段：

(1)礦產(chǎn)資源粗放式發(fā)展階段(1949-1990年)：新中國成立初期，內(nèi)蒙古響應國家號召，從“零”開始“大煉鋼鐵”及“大辦工業(yè)”，促進了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，并帶動了資源型產(chǎn)業(yè)和其他重工業(yè)的產(chǎn)生。這一階段的特征是工業(yè)的發(fā)展以消耗傳統(tǒng)能源為主，依靠資源的高投入、高消耗來拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)，對環(huán)境的污染較大。

(2)新能源開發(fā)探索起步階段(1990-2010年)：1989年12月底，中國第一批也是亞洲最早的風力發(fā)電場項目開始啟動，象征著內(nèi)蒙古開始進入探索新能源的時代，此后內(nèi)蒙古不斷探索和開發(fā)新型清潔能源。這一階段的特征是：煤炭、石油及天然氣等傳統(tǒng)能源形成的能源工業(yè)逐漸成為內(nèi)蒙古經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，風電、光伏及生物質(zhì)能等新型清潔能源的開發(fā)在探索中螺旋前進。

(3)能源轉(zhuǎn)型快速發(fā)展階段(2010-至今)：2009年鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的成立標志著內(nèi)蒙古新能源的開發(fā)進入快速發(fā)展階段，此后內(nèi)蒙古作為國家重要能源保障基地越來越受到國家的重視，2015年內(nèi)蒙古制定了 “8337”發(fā)展戰(zhàn)略，2017年內(nèi)蒙古西部成為我國首批老工業(yè)城市和資源型城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級示范區(qū)，2018年3月，十三屆人大一次會議確立構(gòu)建內(nèi)蒙古國家能源經(jīng)濟示范區(qū)，2018年8月，內(nèi)蒙古主持召開國際能源大會。在此期間內(nèi)蒙古資源性產(chǎn)業(yè)也得到長足發(fā)展，目前已基本形成以煤炭開發(fā)為主，火電為基礎(chǔ)，油氣資源和新能源全面開發(fā)的能源格局。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于2010-2018年《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》、《內(nèi)蒙古自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、《內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境狀況公報》及《內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況公報》等，個別缺失數(shù)據(jù)依據(jù)線性插補法及國內(nèi)外學者前期研究成果中得到。

2.2 研究方法

根據(jù)國內(nèi)外學者已有的研究基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展的實際情況，遵循系統(tǒng)全面、科學合理及操作可行的原則，選取能源、經(jīng)濟、環(huán)境及社會因素中23個重要影響指標，構(gòu)建城市低碳系統(tǒng)評價體系(見表1)，通過熵權(quán)法結(jié)合TOPSIS法判斷城市低碳發(fā)展水平與各單項指標間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，利用障礙度模型檢測阻礙低碳發(fā)展的障礙因子，從而根據(jù)研究成果提出可行性建議[8]。

2.3 指標權(quán)重的確定

熵權(quán)法是根據(jù)樣本評價指標的信息量大小程度來確定指標權(quán)重的客觀賦權(quán)法，在一定程度上能夠避免主觀因素引起的誤差，從而反映樣本數(shù)據(jù)的效用價值，具有較高的客觀性和可信度[9]，具體計算過程如下：

步驟1：建立原始數(shù)據(jù)的初始決策矩陣X=(xi j)23×8：

(1)

步驟2：數(shù)據(jù)非負化處理(為方便起見仍記非負化處理后的數(shù)據(jù)為xij)：

+1

(2)

步驟3：數(shù)據(jù)標準化處理，得到第i個指標的比重pij(0

(3)

步驟4:確定第i個指標的嫡值ei(0

(4)

步驟5：確定第i個指標的權(quán)重ωi(0<ωi<1):

(5)

式(1)至式(5)中：i=1,2,…,23;j=1,2,…,8。

表1 城市低碳發(fā)展水平評價指標體系

注：權(quán)重的數(shù)值計算步驟詳見2.3。

2.4 評價模型的構(gòu)建

2.4.1 改進的TOPSIS模型

TOPSIS法的基本原理是通過檢測評價對象與最優(yōu)解、最劣解的距離來進行排序，若評價對象最靠近最優(yōu)解同時又最遠離最劣解，則為最好，否則不為最優(yōu)，但是傳統(tǒng)的TOPSIS計算模型主觀性較強，影響結(jié)果的準確性，文中在傳統(tǒng)的TOPSIS方法基礎(chǔ)上，根據(jù)樣本指標的信息量大小程度，結(jié)合嫡權(quán)法對各評價指標進行賦權(quán)，利用加權(quán)改進的TOPSIS模型在一定程度上能夠避免主觀因素引起的誤差[10-12]，具體步驟如下:

步驟1:矩陣規(guī)范化處理。

正效應指標處理：

(6)

負效應指標處理：

(7)

步驟2:構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化決策矩陣Vij=(vij)23×8(將熵權(quán)法確定的權(quán)重與X各項指標相乘)：

(8)

步驟3:理想值的確定。(令V+表示最優(yōu)方案即正理想解，V-表示最劣方案即負理想解)：

(9)

(10)

步驟4:計算距離。(分別計算不同樣區(qū)評價向量到正理想解的距離D-和負理想解的距離D-)：

(11)

(12)

步驟5:計算不同用途與最優(yōu)方案的貼近度Cj:

(13)

式中,Cj越大，表示第j項越接近于最優(yōu)水平。貼近度Cj的取值范圍為0到1，其中，當Cj=1時，內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展水平最高，Cj=0時，內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展水平最差。

2.4.2 障礙度模型

為深入研究城市低碳發(fā)展機理，提高城市發(fā)展水平，需要進一步識別低碳發(fā)展制約因素，從而提出針對性建議，文中在完成城市低碳發(fā)展評價基礎(chǔ)上,對影響低碳發(fā)展主要障礙因子進行診斷,其方法是引入因子貢獻度Fi、指標偏離度Si、障礙度Ai對其影響機制進行分析[13-14]。障礙度模型為:

(14)

(15)

Uj=∑Aij

(16)

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)蒙古自治區(qū)低碳評價分析結(jié)果

依據(jù)公式(11)至公式(13)，得出2010年-2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)低碳發(fā)展水平綜合及單項指標貼近度，結(jié)果如圖1所示，綜合績效指數(shù)從2010年的0.2062提高到2017年的0.5185，總體呈現(xiàn)上升趨勢，增長幅度為151.45%。單項貼近度子系統(tǒng)中，經(jīng)濟、環(huán)境和社會績效均呈現(xiàn)出波動上升趨勢，能源績效趨勢與綜合績效態(tài)勢相近，呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升趨勢。其中：

2010—2012年，內(nèi)蒙古自治區(qū)低碳發(fā)展水平較低，且出現(xiàn)小幅下降趨勢，由0.206 1降低到0.202 8。在此期間，單項貼近度子系統(tǒng)中經(jīng)濟、社會、環(huán)境績效的變化趨勢出現(xiàn)不同程度的上升，而能源子系統(tǒng)則變化不大。其原因是：盡管近年來內(nèi)蒙古能源的開發(fā)和利用獲得長足的發(fā)展，但豐富的風能和太陽能等新型能源并沒有得到充分的開發(fā)和利用，因其主要集中于廣大的農(nóng)牧區(qū)和偏遠的山區(qū)，因此產(chǎn)業(yè)化程度不高，故在該時間段能源及低碳績效增幅較緩。

2012—2016年，內(nèi)蒙古自治區(qū)低碳發(fā)展出現(xiàn)回升，績效水平由0.202 8增加到0.260 0，其中單項子系統(tǒng)均出現(xiàn)不同程度的波動趨勢，而經(jīng)濟子系統(tǒng)在2013年-2015年下降較快，其原因是內(nèi)蒙古近年來經(jīng)濟出現(xiàn)放緩，生產(chǎn)總值增長率逐年下降，造成經(jīng)濟績效不斷下降。而能源子系統(tǒng)績效與綜合績效漲幅相同，呈現(xiàn)平穩(wěn)上漲的態(tài)勢。

2016—2017年，內(nèi)蒙古自治區(qū)低碳發(fā)展綜合水平出現(xiàn)了大幅的提升，由 2016年的0.284 6上漲到2017年的0.518 5，實現(xiàn)了從最低點以來績效水平的首次明顯提升，漲幅高達82.19%。其中能源及經(jīng)濟績效的提升是實現(xiàn)整體水平上升的關(guān)鍵性因素，其原因是隨著內(nèi)蒙古新能源的不斷開發(fā)和利用，新能源轉(zhuǎn)型達到快速發(fā)展階段，能源消費結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，環(huán)境治理工作隨之得到改善，低碳建設(shè)取得明顯的效果。據(jù)內(nèi)蒙古經(jīng)信委數(shù)據(jù)顯示：2017年全區(qū)6 000 kW及以上發(fā)電廠累計完成發(fā)電量4 422.3億kW·h，同比增長12.01%。其中風電550.82億kW·h，同比增長18.7%;太陽能112.44億kW·h，同比增長35.49%[15]。盡管清潔能源近年來得到快速發(fā)展，但清潔能源占總能源消費比重仍然不高，能源的優(yōu)化調(diào)整還有巨大的上升空間。

3.2 障礙度診斷結(jié)果

依據(jù)公式(14)至公式(16)，得出2010年-2017年內(nèi)蒙古低碳水平準則層指標障礙度及績效障礙因子障礙度。由表2可以看出，制約內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展障礙因素中，能源因素障礙度波動增長，經(jīng)濟和環(huán)境因素障礙度在不斷下降，而社會因素障礙度則呈現(xiàn)波動循環(huán)發(fā)展。

表2 2010-2017年內(nèi)蒙古低碳水平準則層指標障礙度

由表3可以看出：2010年，制約內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展障礙因素中能源因素障礙度最大，社會和環(huán)境因素障礙度次之。反映在指標層中，單位地區(qū)生產(chǎn)總值能耗、工業(yè)二氧化硫排放量、建成區(qū)綠化覆蓋率等因素對其障礙度影響較大。其原因是能源消耗隨著工業(yè)的發(fā)展而逐漸增大，工業(yè)廢氣排放隨之增多，值得注意的是，在內(nèi)蒙古工業(yè)發(fā)展過程中，產(chǎn)能過剩問題尤為突出，以煤炭為例：作為內(nèi)蒙古支柱性產(chǎn)業(yè)，煤炭儲量位居全國第一，煤炭及相關(guān)企業(yè)為搶占產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，紛紛爭奪開發(fā)煤礦，煤炭產(chǎn)量供過于求，產(chǎn)能過剩問題日益加劇，而部分企業(yè)為追求短期利益，缺少技術(shù)創(chuàng)新投資，核心裝備過于陳舊，造成礦產(chǎn)資源轉(zhuǎn)化率較低，使得“資源高消耗，污染高排放”模式成為內(nèi)蒙古發(fā)展普遍存在的問題，最終導致單位地區(qū)生產(chǎn)總值能耗及工業(yè)廢氣排放因素成為該時間段影響城市低碳發(fā)展的主要的障礙因子。

2011-2014年，制約內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展障礙因素中環(huán)境因素障礙度最大，而經(jīng)濟、社會和能源因素交替變化，成為影響內(nèi)蒙古低碳發(fā)展的第二大阻礙因素。反映在指標層中工業(yè)二氧化硫排放量、工業(yè)煙塵排放量、第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)生產(chǎn)總值比重等對低碳發(fā)展影響較大。其中工業(yè)煙塵排放量在該區(qū)間年段障礙度連年遞增，在2014年替代工業(yè)二氧化硫排放量成為影響低碳發(fā)展的最主要障礙因素，說明隨著工業(yè)化程度逐漸提高，工業(yè)二氧化硫排放量在不斷增加，成為主要的障礙因子。盡管近年來內(nèi)蒙古能源轉(zhuǎn)型產(chǎn)生取得了一定的發(fā)展成果，但在發(fā)展的過程中依然存在較大的問題，以現(xiàn)代煤化工為例：內(nèi)蒙古煤化工產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，但煤炭排放污染并無改善，首先現(xiàn)代煤化工技術(shù)仍處于試產(chǎn)階段，大規(guī)模發(fā)展在工程技術(shù)方面受到限制，工業(yè)廢物排放總量仍然巨大，其次煤化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率不高，一方面企業(yè)創(chuàng)新不足，缺少技術(shù)投資，產(chǎn)業(yè)技術(shù)落后，造成煤化工產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率較低，另一方面煤制烯烴、煤制油等新型煤化工項目技術(shù)難度較大，轉(zhuǎn)化率僅有40%左右，60%的煤轉(zhuǎn)化為二氧化物排放出去，對生態(tài)環(huán)境保護及實現(xiàn)減排目標帶來巨大的壓力，因此二氧化硫等排放物不斷增加成為影響低碳發(fā)展的主要因素。

2015-2017年，內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展過程中能源因素是最大的阻礙因素，社會和環(huán)境因素交替變化，成為影響內(nèi)蒙古低碳發(fā)展的第二大阻礙因素。反映在指標層中，單位地區(qū)生產(chǎn)總值電耗、居民人均耗電量、工業(yè)二氧化硫排放量、工業(yè)廢水排放量等是影響低碳發(fā)展較大的影響因子。其中在該時間段單位地區(qū)生產(chǎn)總值電耗及居民人均耗電量連年遞增成為低碳發(fā)展的主要障礙因子。其原因是，近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化和工業(yè)化進一步加快，基礎(chǔ)設(shè)施在不斷完善的同時，重工業(yè)也在蓬勃發(fā)展，因此導致電力消耗不斷增加，但是該區(qū)間段電力消耗的增長并不完全由經(jīng)濟、工業(yè)及城市的發(fā)展所引起，其中一部分是由能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化轉(zhuǎn)型所造成，根據(jù)《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》中的能源消費總量比重及電力平衡表可以看出，近年來能源結(jié)構(gòu)在不斷優(yōu)化調(diào)整，水電、風電和核電等清潔能源產(chǎn)生的電力替代了傳統(tǒng)能源的消耗，從而引起了電力消耗的增加。盡管內(nèi)蒙古在清潔能源發(fā)電方面取得了長足進步,但由于受到電網(wǎng)消納能力有限、可再生能源外送通道建設(shè)滯后、可再生能源遠距離外送經(jīng)濟性差等因素的制約,綠色清潔能源的外送受到阻礙,最終導致“棄光棄風”等問題日益突出。

表3 2010-2015年內(nèi)蒙古低碳水平績效障礙因子障礙度

4 結(jié)束語

文中根據(jù)內(nèi)蒙古近年來發(fā)展實際情況，結(jié)合熵權(quán)-TOPSIS法及障礙度模型對內(nèi)蒙古低碳發(fā)展水平及關(guān)鍵影響因素進行研究分析。熵權(quán)-TOPSIS法結(jié)果表明：內(nèi)蒙古城市低碳發(fā)展水平呈現(xiàn)出整體上升趨勢，能源子系統(tǒng)的單項績效指數(shù)變化趨勢與低碳發(fā)展的綜合績效指數(shù)變化最為接近。由障礙度結(jié)果可知能源障礙度波動增長，經(jīng)濟和環(huán)境障礙度不斷下降，而社會障礙度則呈現(xiàn)波動循環(huán)發(fā)展。綜上可知，能源因素對于城市低碳發(fā)展績效影響最大。在以上研究基礎(chǔ)上，針對低碳發(fā)展關(guān)鍵性因素的能源優(yōu)化與升級提出以下建議：

(1)提高能源高效發(fā)展

首先要淘汰能耗高、污染重、技術(shù)水平低的礦產(chǎn)開采等落后產(chǎn)能。其次要整合先進的礦產(chǎn)資源，加強優(yōu)勢企業(yè)兼并重組，促進優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)強強聯(lián)合，提高資源性產(chǎn)業(yè)整體水平。最后要推進礦產(chǎn)安全高效綠色智能化開采和智能化加工，加快“現(xiàn)代煤化工”等傳統(tǒng)資源的現(xiàn)代化建設(shè)。

(2)推進能源多元發(fā)展

首先要繼續(xù)穩(wěn)步推進可再生能源發(fā)展與研究。內(nèi)蒙古近年來能源轉(zhuǎn)型成效顯著，新型清潔能源占總能源消費比重連年提升，環(huán)境治理及低碳發(fā)展效果突出，但豐富的風能、太陽能等新型能源并沒有得到充分的開發(fā)利用，能源轉(zhuǎn)型潛力巨大。其次要創(chuàng)新能源利用方式。利用本地豐富的能源儲備，積極探索風能及太陽能等新型能源與農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)及工業(yè)的新型融合，大力推動“新能源，新產(chǎn)業(yè)”的全面發(fā)展。最后加快新能源探索與研究。內(nèi)蒙古不僅擁有豐富的風能及太陽能，還擁有豐富的頁巖油及頁巖氣等礦產(chǎn)資源，但由于技術(shù)落后等原因并沒有得到過多的開發(fā)，能源優(yōu)化升級的潛力巨大。

(3)構(gòu)建能源智能體系

首先要建立健全內(nèi)蒙古電網(wǎng)互補建設(shè)，將清潔能源電力產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模集中，形成以“清潔煤電為主，新型電力為輔”的互補型智能電網(wǎng)的建設(shè)。其次要大力提高農(nóng)牧區(qū)及偏遠山區(qū)電網(wǎng)消納能力，充分開發(fā)該地區(qū)豐富的風、光資源，以產(chǎn)業(yè)化形式并入城市主電網(wǎng)共同管理。最后要大力推進能源輸送通道網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提高能源向華北、華中、華東長距離、大容量、高電壓的輸送能力，做到“區(qū)內(nèi)能源互聯(lián)互通集中管理，區(qū)外風電打捆外送互利互補”的發(fā)展模式。