北京市能源、經濟與環境系統協調度發展評價

王默玉　喬 鑫　申曉留　劉瑞雪

北京市能源、經濟與環境系統協調度發展評價

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）－環境（environment）（簡稱3E）系統綜合評價指標體系，通過主成份分析法計算出各子系統的綜合發展水平值，用優化的模糊協調系數法計算各子系統之間的協調度，并構建了3E協調度的幾何模型。對北京市2003～2013年的3E系統協調度進行了實例驗證，結果顯示近十年北京市3E系統協調度波動較大整體呈“M”型發展。通過對結果的評價分析分別從能源、經濟和環境三個角度為北京市實現可持續發展提出了決策建議。

二十一世紀以來，北京市經濟經歷了前所未有的持續、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、經濟和環境是一個相互關聯、相互矛盾的復雜系統，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、環境之間的優質協調發展是實現北京市可持續發展的關鍵。

已有的對能源、經濟、環境協調度的研究中焦點大多集中在相互之間發展的一致性上，而沒有將綜合發展水平考慮在內。實際上，能源、經濟、環境兩兩之間的協調度或三者之間的協調度在相互正向影響并保證各自綜合發展水平最優的狀態下才算協調。所以本文考慮了綜合發展水平的因素，采用主成份分析法計算各子系統的綜合發展水平，整合幾種協調系數計算方法的優缺點，考慮3E系統的復雜多樣化，建立了基于回歸分析法的協調系數法。

3E系統指標體系構建

由于3E系統的復雜性，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系統綜合評價指標體系。能源系統指標體系，如表1所示。經濟系統指標體系，如表2所示。環境系統指標體系，如表3所示。

表1　能源子系統指標體系

研究方法

數據無量綱化處理

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

主成份分析法

在計算3E各子系統發展水平時，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，根據提取的各指標權重可以計算出各子系統發展水平，如下計算公式：

基于回歸分析法的協調系數計算模型

本文考慮了3E多元問題的復雜性，總結協調系數法的優缺點并對其進行優化。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之間的依賴程度。

模糊隸屬度函數公式為：

采用SPSS軟件對系統i和系統j進行分析，建立回歸函數：

由此可以建立協調度算法：

w（ i， j ）表示系統i與系統j的協調度。此時，若w（ i/j ）與w（ j/ i ）的值越相近，則系統之間協調系數越高。比如當w（ i/j ）=0.4，w（ j/ i）=0.4時，系統i與系統j的協調系數為1；當w（ i/j ）=0.9，w（ j/ i ）=0.9時，系統i與系統j的協調系數也為1。由于沒有考慮綜合發展水平，致使兩者的協調系數都為1，顯然前者并不能定義為協調。因此，本文在計算協調度時也將子系統的綜合發展水平考慮在內。定義如下：

Xi，τ表示系統i在第t年的得分，Xj ，τ表示系統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展水平可以利用“改進的功效系數”作如下變換：

最后，建立如下函數關系式：

C=F（ Eec，Ecv，Eev）

因此得出3E協調度的數學模型：

北京市能源經濟環境協調度評估

圖1　

本文選取北京市2003年～2013年的數據進行計算，所采用的數據來自《國家統計年鑒》、《北京市統計年鑒》和《國家統計局》。

表4　協調系數區間

綜合發展水平評價

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、環境系統的數據進行分析。下面以能源子系統的計算過程為例。

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，根據相關系數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的發展水平。

經濟和環境發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、環境綜合發展水平

能源－經濟－環境協調度計算

本文將協調系數取值范圍劃分為以下幾個區間：

采用優化的協調系數法首先對能源、經濟和環境二元的協調度進行計算，然后對能源-經濟-環境的協調度進行計算。結果如表8所示。

表8　北京市2003～2013年能源、經濟和環境系統協調度情況

圖2　北京市2003－2013年間能源、經濟和環境系統協調度折線圖

由表8和圖1可以看出北京市2003～2013年間3E協調度一直沒有達到良好協調和優質協調狀態，整體趨勢呈“M”型發展，說明近十年北京市的3E協調度在多種復雜因素的影響下波動較大。首先，在2003年處于弱協調狀態，從2003年到2006年協調狀況逐漸好轉，2006年到達中度協調狀態。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境狀況，在奧運會之前的這段時間北京市3E協調度達到中度協調狀態。從2007年3E協調系數開始不斷下滑，在2007年北京市3E協調度由中度協調變為弱協調，在隨后的兩年，更是處于輕度不協調狀態。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、環境和經濟帶來了一定的壓力。一直到2010年3E協調度又恢復到中度協調狀態。2011年開始執行十二五規劃之后3E協調度一直處于中度協調，說明十二五規劃制定的一系列政策對北京市3E協調發展有促進作用。

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

結語

本文主要研究北京市2003～2013年3E系統的協調狀況。利用主成份法對3E系統進行優化篩選，通過優化的模糊協調系數法對3E系統協調度進行測算。從計算的結果可以看出3E協調度整體趨勢呈“M”型。其中能源和環境協調度發展趨勢波動較小，可見近十年北京市的能源結構一直在不斷優化，在每個時期都能和環境達到基本協調狀態。能源和經濟的協調度整體呈上升趨勢，說明隨著能源結構的不斷優化，也帶來了巨大的經濟效益，兩者在不斷磨合中曲折上升。而環境和經濟系統的協調度波動較大，環境和經濟的問題是七個子問題中最嚴重的，環境和經濟之間的平衡發展仍然是未來北京市政府需要考慮的重大問題。3E系統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發展。

優化能源消費結構，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利用還處于較低水平。因此，要加大科技創新，大力開發新能源和清潔能源。

不斷調整和優化產業結構。北京市近幾年經濟發展較快，GDP總量不斷攀升。在經濟發展的同時，一方面要注重對環境的保護，另一方面要不斷調整和優化產業結構，淘汰落后產能，以促進能源、經濟、環境協調發展。

增加對環保的投入，加大對環境污染的治理力度和強度。2003年環境系統綜合發展水平值為3.25，2013年降低為-2.84，說明近幾年環境系統內部已嚴重不協調。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，鼓勵低碳化出行以減少汽車尾氣排放，緩解環境污染問題。

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劃研究，編號：9122021；2.國家自然基金，項目名稱：節能減排目標下發電績效置換交易優化模型與方法研究，項目編號：71071053