基于熵權法的中國省級環境績效指數研究*

董戰峰 郝春旭 劉倩倩 嚴小東 葛察忠

(環境保護部環境規劃院,北京 100012)

隨著環境問題的日益突出，以及公眾環保意識的提升，人們迫切要求政府解釋其在環境管理中的績效表現。環境績效評估則是解決該問題的有效技術手段，在國內外已經獲得了廣泛應用。其中，環境績效指數是最具代表性的評價方法，是在評價指標體系基礎上，進一步對區域綜合環境績效進行量化比較的方法。國際上，主要的環境績效評估研究組織有經濟合作與發展組織(OECD)、聯合國歐洲經濟委員會(UN-ECE)、耶魯大學環境法律與政策中心和哥倫比亞大學國際地球科學信息網絡中心、世界銀行(WB)、歐洲環境署(EEA)、亞洲發展銀行(ADB)等。目前，國際上有關環境績效評估的研究，主要集中在指標選取原則和指標概念框架研究上。我國對企業環境績效評估研究較多，政府環境績效評估尚處于起步階段，已經開展了一些由不同部門主導、不同層面(國家、省級、城市)的政府環境績效評估。

指標權重賦值是評價過程的關鍵，主要有主觀賦權法和客觀賦權法兩種，最常用的主觀賦權法為德爾菲法[1]和層次分析法[2]，客觀賦權法為等比重法、主成分分析法[3]和加權相關系數法[4]等。但是，上述方法中主觀賦權法缺乏客觀標準和權重的科學分配，以上客觀賦權法又過于簡單，無法真實反映指標重要信息。

熵是用于表示物質系統中能量衰竭程度的量度，由德國物理學家CLAUSIUS于1865年提出，可以用于度量已知數據所包含的有效信息量和確定權重，熵權法現已廣泛應用于城鎮化質量評價[5]、可持續發展[6-7]、水質評價系統[8-10]、土地集約利用[11-12]及信息預測決策[13-14]等多個領域。用熵權表示評價指標的相對重要程度，能夠將原本不可比的多重屬性以熵為權重最終計算出綜合得分，在很大程度上克服了現階段的評價方法存在指標的賦權過程受人為因素影響較大的問題，使結果更符合研究現狀。因此，本研究將熵概念引入到環境績效評估領域，構建基于熵權法的環境績效評估體系，分析省級環境績效指數(EPI)變化特征，為引導我國環境可持續性發展提供有力的工具。

1 研究方法

針對國內環境資源領域關鍵問題現狀，選取環境健康、生態保護、資源與能源可持續利用以及環境治理4個維度作為二級指標，利用EEA開發出的DPSIR模型選取具體環境績效評價指標，在指標權重賦值上引入熵權法理論，以此構建了4個二級指標、13個三級指標、43個四級指標的中國省級環境績效評估體系。

假設環境績效評價對象集合Xi為：

Xi=(x1,x2,x3,…,xm),i∈[1,m]

(1)

假設環境績效評價系統的指標集合Xj為：

Xj=(x1,x2,x3,…,xn),j∈[1,n]

(2)

于是得到環境績效評價系統的初始數據矩陣X：

X=(xij)m×n

(3)

式中：xij為第i個省份第j項評價指標的數值；m為評價對象省份個數，i∈[1,m]，m=30；j為四級指標個數，j∈[1,n]，n=43。

用目標漸近法對四級指標進行標準化處理，將指標觀測值xij轉換成0～100之間的標準化值rij(若計算值大于100，確定為100)。

對于正向指標：

(4)

式中：xmin、xmax分別為指標觀測值中最小值和最大值；x目標值為指標目標值，采用規劃目標值法、理論目標值法、國際對比目標值法以及實際最高(最低)水平替代目標值法等方法確定x目標值。

對于負向指標：

(5)

得到數據的標準化矩陣R為：

R=(rij)m×n

(6)

在有m個評價對象、n個評價指標的環境績效評估系統中，第j項指標的信息熵值Ej為：

(7)

(8)

對于確定的第j個指標，若該指標對環境績效影響越小，則該指標下的數據列接近完全無序狀態，Ej越大，該指標的偏差度應越小，則說明績效指標j的信息量與其熵值成反比關系。j指標的信息熵效用價值取決于該指標的Ej與1之間的差值dj(見式(9))。

dj=1-Ej

(9)

用熵值估算各指標的權重，其本質是利用該指標信息的價值系數來計算，其價值系數越高，對評價的重要性就越大。計算各指標客觀權重Wj公式為：

(10)

最后，由四級指標開始，經過逐級加權求和得到綜合環境績效指數(EPC-EPI)和單項環境績效指數。環境績效指數越高，反映各地區的環境績效越好。計算公式如下：

(11)

利用SPSS軟件對原指標體系的三級指標下的四級指標進行相關性分析，然后采用區分度分析法，剔除變異系數較小的指標，最終形成的指標框架及權重見表1。

2 數據來源

為了保證評估的公信力，所有數據均來自官方公布的數據。以2009年為評價基準年，評估對象為30個省市(因為數據缺失過大，暫不考慮西藏和港澳臺)。SO2年平均濃度、NO2年平均濃度、城市用水普及率、道路交通噪聲、區域環境噪聲、工業固體廢物排放強度、生活垃圾無害化處理率以及工業固體廢物綜合利用率等數據來自中國統計年鑒；農村改水收益率、工業廢水中有害物質排放當量數、工業用水重復利用率以及城市再生水利用率等數據來自中國環境統計年鑒；工業危險廢物安全處置率、環保機構人員占地區總人口的比重、環境信訪比重以及環境事故發生指數等數據來自中國環境年鑒；生物豐度指數來自中國生態環境質量報告；單位GDP CO2排放強度中GDP數據來自中國統計年鑒；根據中國新能源與可再生能源年鑒統計數據和相關折算系數，得到非化石能源消費量占能源消費量的比重。

3 結果與討論

3.1 指標權重分析

由我國省級環境績效評估指標權重可知(見表1)，二級指標比重大小依次為：資源與能源可持續利用(38.08%)>環境健康(30.58%)>生態保護(18.19%)>環境治理(13.15%)。資源與能源可持續利用的比重最大，說明各省份在資源與能源可持續利用上變異程度大，是影響績效的關鍵二級指標。環境健康指標權重較大，其中廢物管理和環境衛生、有毒物質權重分別為18.77%和10.32%，說明需要加強重點地區工業有毒物質控制和環境衛生管理。生態保護指標權重較小，其中生物多樣性、農業與土地管理、空氣質量與生態系統權重較大，說明其變異度較大，而環境治理所占比重最小，說明全國在環境治理取得的環保投入、環境工作能力、環保工作效果等方面差異較小，但各地區需要加強環境治理能力建設。

3.2 環境績效指數得分

計算得到2009年我國30個省份綜合環境績效指數，見圖1。

從圖1可知，除山西、黑龍江、上海、浙江、江西、湖南、廣西、重慶、貴州、云南、陜西、甘肅、寧夏和新疆 14個省份外，其他省份環境績效綜合指數均在全國平均值(76.15分)以上。排在前10位的省份分別是江蘇、北京、天津、河北、青海、內蒙古、福建、四川、湖北、山東，其中江蘇和北京綜合環境績效指數分別是全國平均水平指數的 1.15倍和1.14倍。排在第11～20位的省份包括遼寧、安徽、河南、海南、吉林、廣東、浙江、云南、廣西和江西，地理位置較為分散，接近平均水平的省份有云南、廣西和浙江。環境績效排名在后5位的是新疆、湖南、上海、重慶和寧夏，與全國環境績效平均水平差距較大，差距分別為9.53%、9.53%、11.28%、13.43%和14.69%

尤其是寧夏地區，僅是全國平均水平的0.85倍，是北京地區環境績效指數的0.74倍。

3.3 省級環境績效空間格局分析

按照ArcGIS的Natural Breaks分級方法劃分綜合環境績效指數等級，分為優秀(>80)、良好(60～80)、一般(40～<60)、較差(20～<40)和極差(0～<20)5類。

我國省級綜合環境績效分級結果(見圖2)顯示，省級綜合環境績效均處于優秀和良好狀態，其中江蘇、北京、天津、河北、青海、內蒙古、福建和四川地區環境績效表現優秀。

表1 中國省級環境績效評估指標框架及權重

從圖2可知，全國綜合環境績效呈現一定的地域性，總體上，東部地區綜合環境績效平均指數(79.72)普遍高于中部(74.78)和西部地區(72.92)。 西部地區的新疆、寧夏、貴州表現相對較差，與全國均值(76.15)相差8～12分，而同處于西部地區的青海和四川地區屬于優秀狀態；中部地區環境績效總體屬于良好狀態，相對于全國來講，湖南(68.90)得分較差，湖北得分較高(79.73)；東部地區除上海環境績效(67.56)處于較差水平外，其他城市環境績效都相對較好。

圖1 我國省級綜合環境績效指數Fig.1 Provincial comprehensive environmental performance index in China

圖2 我國省級綜合環境績效分級結果Fig.2 The classification results of provincial comprehensive environmental performance in China

從圖3可知，東部沿海地區環境健康績效屬于較好水平，內陸地區總體較差一些；全國處于一般水平的有山西、重慶、貴州和新疆4個省份；其余省份均屬于良好和優秀水平。對空氣質量、水質與人體健康績效分析，大部分東部地區呈現一般水平以上，特別是東部沿海地區水質健康績效屬于優秀、良好水平，相比于東部地區，西部地區大部分呈現較差和極差水平，這與西部地區水資源短缺以及供水系統難鋪設有很大關系。對于噪聲環境績效，東部地區噪聲環境績效普遍屬于較差或極差水平，河北噪聲環境績效處于優秀水平，新疆、甘肅、安徽、浙江、湖南、江西、福建噪聲環境績效極差，需要加強預防控制。在有毒物質管控方面，大部分地區環境績效屬于較好或一般水平，黑龍江、甘肅和湖南屬于極差水平，這與當地經濟發展和產業結構類型有較大關系。廢物管理和環境衛生是關鍵性指標，在中西部地區仍處于大力發生工業生產時期，東部地區已在工業固廢、廢水污染、生活污水污染和垃圾處理等方面進行治理投資，因此東部地區較西部地區環境管理成效明顯。

圖3 我國省級環境健康績效分級結果Fig.3 The classification results of provincial environmental health performance in China

從圖4可知，我國生態保護環境績效指數表現優秀的地方大多數處于北方地區，其中包括青海、黑龍江、吉林、四川、天津、新疆、內蒙古和甘肅等地區，東部地區的上海表現較差，北京、海南、寧夏和陜西地區處于一般水平，其余省份處于良好狀態?？諝赓|量、水質與生態系統環境績效方面，東部沿海經濟發達地區績效顯著，西部經濟較落后地區相對較差，特別是新疆、內蒙古、寧夏、山西和貴州屬于極差水平，這與區域產業布局和能源結構有較大關系。北方地區和廣東地區的農業與土地管理指標績效較差。東北和南部地區生物多樣性保護績效優秀，與當地的自然環境條件關系密切，新疆、寧夏、山西和陜西屬于極差水平，與當地環境條件艱苦，土地資源條件較差有關。

圖4 我國省級生態保護績效分級結果Fig.4 The classification results of provincial level ecological protection performance in China

資源與能源可持續利用績效考慮了經濟社會發展對資源與能源的消耗強度和利用程度，直接關系到我國社會經濟的可持續發展，圖5表明大部分地區屬于良好水平，北京、江蘇、湖北和貴州資源與能源可持續利用績效相對較為顯著，黑龍江屬于一般區域，寧夏屬于較差地區。對于各省級地區氣候變化績效而言，南方地區在氣候變化控制方面比北方地區績效顯著。對于能源利用績效而言，北京、天津、山西、寧夏和上?？冃O差，一方面是由于其自身能源稟賦限制，另一方面是能耗效率低所致。對于資源利用績效而言，北京、山西、江蘇和貴州資源利用環境績效屬于優秀水平，寧夏屬于極差水平。

圖5 我國省級資源與能源可持續利用績效分級結果Fig.5 The classification results of provincial sustainable use of resources and energy performance in China

圖6結果顯示，環境治理績效表現最優的為中部地區，東部沿海地區最差。其中，上海環境治理績效屬于極差水平，主要由于2009年上海一般環境事故發生數量較多，造成環境事故發生指數較大，但上海較大、重大和特級重大環境事故沒有發生過，需要進一步提高其環境事故預防管理能力。

圖6 我國省級環境治理績效分級結果Fig.6 The classification results of provincial environmental governance performance in China

4 結 語

本研究將熵權法引入環境績效領域，對省級環境績效進行評估，結果表明熵權法克服了以往環境績效評估中主觀因素干擾的缺點，較準確反映環境績效評價指標所含的信息量，可解決省級環境績效評價中指標信息量大且量化難的問題，可以為評價各省份環境政策效果提供一個可供比較的統一標尺，通過對不同維度和層次的指標體系的分析，有助于各省份發現自身在環境管理中存在的優勢與不足、與其他省份的差距，從而更好的實現環境績效的改進。

但是在研究中發現，少部分評價結果與實際不相符甚至發生相悖的情況，如世界衛生組織發布報告[15]顯示空氣污染已成為全球最大的單一環境健康風險，但是按照熵權法賦權得到的環境健康指標中，空氣質量與人體健康指標權重僅占到1.42%，而廢物管理和環境衛生權重占到18.77%，這與實際情況有較大差距，也直接影響各省市的環境績效指數評價結果。存在與實際情況不符的原因可能是，由于在評價系統中某指標的觀測值分布離散程度過大或過小，該指標對總體評價影響程度越大或越小，有可能會出現次要信息所占權重大，而所占權重小的信息卻是重要信息，導致與人的主觀愿望或實際情況不一致。另外，由于熵權法所得到的權重是各指標基于一組特定數據下的相對競爭程度的結果，權重依賴于原始數據狀況，也會引起不確定性結果。指標賦權是環境績效評價的核心，按照熵權法賦值環境績效指標權重，盡管評價權重總體上與實際相符，但是一些指標權重的合理性有待進一步驗證，在今后的研究中，應進一步加強該方面的理論研究，促進環境績效指數評估的合理性。

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