基于環(huán)境熵模型的呼和浩特經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)同性分析

徐德生 于麗平 王志偉

摘要：針對目前經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)評價研究中的主觀性評價的缺陷，借鑒熱力學(xué)熵理論和?分析方法，探討了經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性內(nèi)涵，提出了經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性評價的環(huán)境熵定量計算模型。并通過對呼和浩特市2006-2015年經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境的協(xié)同性研究，結(jié)果表明2006-2015年呼和浩特市經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于良好或優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)水平，但從2012年至2015年環(huán)境熵值逐年增加，需要呼和浩特市應(yīng)進(jìn)一步加大環(huán)保投入和加強污染治理力度。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)；環(huán)境；環(huán)境熵；協(xié)同性

中圖分類號：X196 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0009-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.004

Abstract：For the shortcoming of the subjective evaluation in the present economic-environmental system， based on the thermodynamic entropy theory and exergy analytical method， the connotation of economy-environment synergy was discussed and the environment entropy quantitative calculation model for the evaluation of economy-environment synergy was proposed in this paper. Also， the synergy of economic development and environment in Hohhot city from 2006 to 2015 has been investigated. The results indicates that the economic-environmental system of Hohhot is at a good or high quality level from 2006 to 2015. However， the environmental entropy increased year by year from 2012 to 2015， indicating that the investment in environmental protection and pollution control efforts should be further increased in Hohhot.

Keywords： Economy；Environment；Environmental entropy；Synergy

經(jīng)濟(jì)—環(huán)境是一個復(fù)雜系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩個系統(tǒng)通過各自的耦合元素產(chǎn)生相互作用彼此影響的現(xiàn)象定義為經(jīng)濟(jì)—環(huán)境耦合。經(jīng)濟(jì)對環(huán)境具有脅迫效應(yīng)，環(huán)境惡化對經(jīng)濟(jì)增長具有約束效應(yīng)。[1]如何對這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)的運行效果進(jìn)行評價，進(jìn)而提出改善建議是目前學(xué)術(shù)研究的熱點之一。目前，Agras J等學(xué)者從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)[2]、科技進(jìn)步[3]、國際貿(mào)易[4]、環(huán)境需求[5]等方面論證了EKC曲線形成的主要原因。金春雨應(yīng)用索羅模型驗證了經(jīng)濟(jì)增長和工業(yè)結(jié)構(gòu)對環(huán)境的影響機(jī)制[6]。但是，目前鮮有學(xué)者基于能量損耗的角度分析經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)同關(guān)系。本文嘗試借鑒熱力學(xué)熵及“?”[7-8]損原理，構(gòu)建環(huán)境熵模型[9-10]，對呼和浩特市經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的協(xié)同性進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 背景

20世紀(jì)60年代以來，?分析方法已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于能源科學(xué)中。Stepanov[11]分析了化工工業(yè)生產(chǎn)排放的廢棄物對環(huán)境造成的影響；Rosen[12]指出：工業(yè)生產(chǎn)排到環(huán)境的廢棄物中含有物理?和化學(xué)?等，能夠引起環(huán)境的變化而造成環(huán)境污染；到目前為止，許多學(xué)者對基本物質(zhì)?進(jìn)行了研究，并獲得了數(shù)百種物質(zhì)的?值，部分?值如表所示[13]。Owen學(xué)者提出污水中有機(jī)物總的分子式為C10H18O3N，細(xì)菌細(xì)胞分子式為C5H7O2N，將兩種物質(zhì)的燃燒值與理論上算出的兩物質(zhì)的COD相聯(lián)系，可得出污水的化學(xué)能量式為13.9kJ/g COD，細(xì)菌細(xì)胞為14.8kJ/g COD，Loll學(xué)者測定污泥穩(wěn)定的熱產(chǎn)量為每分解1gCOD產(chǎn)熱14.7kJ[14]。目前，?分析方法正在向自然科學(xué)和社會科學(xué)的各門學(xué)科滲透[15]。

1.2 環(huán)境熵模型構(gòu)建

1.2.1 序參量選擇

本文依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、可比性原則，考慮到資料的可得性和連續(xù)性，及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境系統(tǒng)中主要污染物等因素，確定各系統(tǒng)描述經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)性的序參量。

（1）經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)序參量主要包括：呼和浩特市人均GDP、呼和浩特市工業(yè)增加值占GDP比重、呼和浩特市二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP的比值、呼和浩特市二三產(chǎn)業(yè)勞動力占比、呼和浩特市城鎮(zhèn)化率。

（2）環(huán)境系統(tǒng)序參量主要包括：水體污染物COD排放量、空氣污染物SO2排放量、空氣污染物煙（粉）塵排放量。

1.2.2 “環(huán)境熵”的定義及其物理意義

根據(jù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)同性分析內(nèi)涵，本文借鑒熵及?研究成果[11-15]，將環(huán)境熵定義為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量變化的同步狀態(tài)函數(shù)（用“EE”表示），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Q為污染損失?；K為工業(yè)化水平綜合指數(shù)，n為時間，為環(huán)境系統(tǒng)第n年第i種序參量的?值，為環(huán)境系統(tǒng)第i種序參量的危害系數(shù)權(quán)重，為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)第n年第j種序參量的數(shù)值，為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)第j種序參量的權(quán)重。環(huán)境熵的物理意義：當(dāng)環(huán)境熵為正值時，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展對環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量變化同步過程中和諧程度差；當(dāng)環(huán)境熵為負(fù)值時，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展對環(huán)境質(zhì)量改善產(chǎn)生了積極影響，可以提高環(huán)境質(zhì)量水平。當(dāng)環(huán)境熵為零時，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，環(huán)境質(zhì)量水平趨于穩(wěn)定，具體經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)程度劃分見表2。

當(dāng)EE>1時，經(jīng)濟(jì)增量小于環(huán)境系統(tǒng)中污染損失?增量，經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量快速下降，表明經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于極度失調(diào)水平；當(dāng)1≥EE>0時，經(jīng)濟(jì)增量大于環(huán)境系統(tǒng)中染損失?增量，經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量緩慢下降，表明經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于嚴(yán)重失調(diào)水平；當(dāng)EE=0時，雖然經(jīng)濟(jì)增長，但是環(huán)境系統(tǒng)中污染損失?增量為零，經(jīng)濟(jì)增長沒有導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量變化，表明經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于良好協(xié)調(diào)水平；當(dāng)EE<0時，經(jīng)濟(jì)增長，但環(huán)境系統(tǒng)中污染損失?增量為負(fù)值，經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量變好，表明經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)水平。

2 呼和浩特市經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文中經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)序參量數(shù)據(jù)主要通過對2006-2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計年鑒整理得到；環(huán)境系統(tǒng)序參量數(shù)據(jù)主要來源于2006-2015年呼和浩特市環(huán)境質(zhì)量公報和內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計公報。其中，對于2013和2014年缺失的SO2和COD的數(shù)據(jù)采用缺失外推的方法獲得。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為了是數(shù)據(jù)具有可比性，本文以2000年為基期，通過物價指數(shù)將人均GDP調(diào)整為可比值。

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除數(shù)據(jù)單位的影響，本文首先通過公式（2）對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)序參量值進(jìn)行了無量綱化處理。

（2）

式中：Xin為第i項序參量第n年標(biāo)準(zhǔn)值，Xin為第i項序參量第n年數(shù)值，為第i項序參量平均值，Si為第i項序參量標(biāo)準(zhǔn)差。

然后為了消除負(fù)項，令Zin=Xin+A，本文根據(jù)數(shù)據(jù)情況，令A(yù)=1，通過消除負(fù)項，可以解決一些極端值問題。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)序參量權(quán)重確定

本文借鑒信息熵原理，采用熵權(quán)法確定經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各序參量的權(quán)重。具體權(quán)重見表5。

2.2.3 環(huán)境系統(tǒng)序參量危害系數(shù)權(quán)重確定

由于?值本身不能表達(dá)物質(zhì)的生物毒性，因而不足以全面表征環(huán)境序參量的環(huán)境影響效應(yīng)，因此，本文通過引入反應(yīng)化學(xué)物質(zhì)的生物毒性效應(yīng)的危害系數(shù)，確定環(huán)境序參量危害系數(shù)權(quán)重。本文選擇美國國家環(huán)保局（EAP）的潛在危害系數(shù)作為排放物的環(huán)境危害系數(shù)，并借鑒EPA的潛在危害系數(shù)處理方法確定SO2的危害系數(shù)為15[16]。

由于呼和浩特市工業(yè)主要以煤炭為主要能源，在確定煙塵危害系數(shù)時，借鑒高申等人的研究成果[17]，判定粉塵組分中的主要物質(zhì)為As、Zn、Cu和Cd，依據(jù)粉塵組分中主要物質(zhì)的濃度及環(huán)境評價數(shù)據(jù)手冊[15]確定粉塵的綜合危害系數(shù)為26，確定COD的危害系數(shù)為13。根據(jù)公式（3）確定環(huán)境序參量危害系數(shù)權(quán)重，具體結(jié)果見表4。

公式（3）中ai代表第i中序參量危害系數(shù)。

由表6所示，環(huán)境系統(tǒng)序參量中，煙（粉）塵的對自然環(huán)境和人體的綜合危害性最大，其次為SO2，再次為COD。

2.3 結(jié)果分析

對2006-2015年呼和浩特市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用熵權(quán)法確定經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)各序參量權(quán)重。然后通過公式（1）確定工業(yè)化水平綜合指數(shù)、污染損失?和環(huán)境熵。

2.3.1 工業(yè)化水平

從圖1所示，2006-2015年呼和浩特市工業(yè)化水平一直處于上升趨勢，2006-2007年呼和浩特市快速推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程，2007-2015年呼和浩特市工業(yè)化水平上升趨勢放緩，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式，二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重從94.36%進(jìn)一步上升到95.92%，二三產(chǎn)業(yè)勞動力占比從71.1%上升到79.6%。

2.3.2 內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性分析

通過對表3、表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算各序參量權(quán)重，最后根據(jù)公式（1）計算得出2007年-2015年環(huán)境熵，具體結(jié)果如圖2所示。

2007-2015年期間，2007年、2014年和2015年3年的環(huán)境熵值為正值，其他年時間均為負(fù)值。根據(jù)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，呼和浩特市在2007年、2014年和2015年的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于嚴(yán)重失調(diào)水平，此時的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對環(huán)境質(zhì)量造成負(fù)面影響；其他時間均為良好或優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)水平；但值得注意的是，從2012年至2015年環(huán)境熵值逐年增加，此時呼和浩特市應(yīng)進(jìn)一步加大環(huán)保投入和加強污染治理力度，使COD、SO2、煙（粉）塵排放量下降，使經(jīng)濟(jì)-環(huán)境優(yōu)質(zhì)協(xié)同性持續(xù)保持。

3 結(jié)論與討論

（1）本文借鑒熱力學(xué)熵原理，結(jié)合?分析，分析經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性內(nèi)涵，引入工業(yè)化水平和污染損失?，構(gòu)建評價經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性的環(huán)境熵模型，并以呼和浩特市為研究對象進(jìn)行實證檢驗。本文以呼和浩特市2006-2015年經(jīng)濟(jì)、環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用熵權(quán)法確定各序參量權(quán)重，最后得到2007-2015年呼和浩特市環(huán)境熵值。通過對結(jié)果分析，本文認(rèn)為2006-2015年期間，除2007年、2014年和2015年外，呼和浩特市經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)水平，但從2012年至2015年環(huán)境熵值逐年增加，需要呼和浩特市應(yīng)進(jìn)一步加大環(huán)保投入和加強污染治理力度。

（2）呼和浩特市大部分工業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈延伸不夠充分，循環(huán)經(jīng)濟(jì)效果不夠明顯。建議工業(yè)園區(qū)在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)規(guī)劃時，應(yīng)該借鑒原子經(jīng)濟(jì)理論，從化學(xué)反應(yīng)設(shè)計階段進(jìn)行考慮，選擇那些污染排放少的產(chǎn)業(yè)或者對化學(xué)反應(yīng)設(shè)計階段進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)從源頭控制污染排放，改變以往先排放后治理的局面。

（3）2012-2015年，呼和浩特市環(huán)境熵值逐年增加，經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性變差，建議在經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時，加強環(huán)保投入，鼓勵企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，加大環(huán)保違法成本。

（4）通過實證檢驗，以環(huán)境熵模型評價經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性的評價結(jié)果更加客觀，符合實際，環(huán)境熵模型對于評價其它地區(qū)經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)同性具有一定借鑒意義。

（5）由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏，本文在環(huán)境序參量中沒有考慮氮氧化物、氨氮和固體廢棄物是本文不足之處。

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收稿日期：2018-02-09

作者簡介：徐德生（1980-），男，博士生，講師，研究方向為系統(tǒng)動力學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。