基于環境熵模型的呼和浩特經濟與環境協同性分析

徐德生 于麗平 王志偉

摘要：針對目前經濟-環境系統評價研究中的主觀性評價的缺陷，借鑒熱力學熵理論和?分析方法，探討了經濟-環境協同性內涵，提出了經濟-環境協同性評價的環境熵定量計算模型。并通過對呼和浩特市2006-2015年經濟發展與環境的協同性研究，結果表明2006-2015年呼和浩特市經濟-環境系統處于良好或優質協調水平，但從2012年至2015年環境熵值逐年增加，需要呼和浩特市應進一步加大環保投入和加強污染治理力度。

關鍵詞：經濟；環境；環境熵；協同性

中圖分類號：X196 文獻標識碼：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

經濟—環境是一個復雜系統。經濟與環境兩個系統通過各自的耦合元素產生相互作用彼此影響的現象定義為經濟—環境耦合。經濟對環境具有脅迫效應，環境惡化對經濟增長具有約束效應。[1]如何對這樣一個復雜系統的運行效果進行評價，進而提出改善建議是目前學術研究的熱點之一。目前，Agras J等學者從經濟結構[2]、科技進步[3]、國際貿易[4]、環境需求[5]等方面論證了EKC曲線形成的主要原因。金春雨應用索羅模型驗證了經濟增長和工業結構對環境的影響機制[6]。但是，目前鮮有學者基于能量損耗的角度分析經濟與環境的協同關系。本文嘗試借鑒熱力學熵及“?”[7-8]損原理，構建環境熵模型[9-10]，對呼和浩特市經濟-環境的協同性進行分析。

1 研究方法

1.1 背景

20世紀60年代以來，?分析方法已經被國內外學者廣泛應用于能源科學中。Stepanov[11]分析了化工工業生產排放的廢棄物對環境造成的影響；Rosen[12]指出：工業生產排到環境的廢棄物中含有物理?和化學?等，能夠引起環境的變化而造成環境污染；到目前為止，許多學者對基本物質?進行了研究，并獲得了數百種物質的?值，部分?值如表所示[13]。Owen學者提出污水中有機物總的分子式為C10H18O3N，細菌細胞分子式為C5H7O2N，將兩種物質的燃燒值與理論上算出的兩物質的COD相聯系，可得出污水的化學能量式為13.9kJ/g COD，細菌細胞為14.8kJ/g COD，Loll學者測定污泥穩定的熱產量為每分解1gCOD產熱14.7kJ[14]。目前，?分析方法正在向自然科學和社會科學的各門學科滲透[15]。

1.2 環境熵模型構建

1.2.1 序參量選擇

本文依據科學性、系統性、可比性原則，考慮到資料的可得性和連續性，及經濟系統發展水平、產業結構和環境系統中主要污染物等因素，確定各系統描述經濟環境協調性的序參量。

（1）經濟系統序參量主要包括：呼和浩特市人均GDP、呼和浩特市工業增加值占GDP比重、呼和浩特市二三產業產值占GDP的比值、呼和浩特市二三產業勞動力占比、呼和浩特市城鎮化率。

（2）環境系統序參量主要包括：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 “環境熵”的定義及其物理意義

根據經濟環境協同性分析內涵，本文借鑒熵及?研究成果[11-15]，將環境熵定義為經濟發展與環境質量變化的同步狀態函數（用“EE”表示），其數學表達式為：

式中，Q為污染損失?；K為工業化水平綜合指數，n為時間，為環境系統第n年第i種序參量的?值，為環境系統第i種序參量的危害系數權重，為經濟系統第n年第j種序參量的數值，為經濟系統第j種序參量的權重。環境熵的物理意義：當環境熵為正值時，說明經濟發展對環境產生了負面影響，導致環境質量下降，經濟發展與環境質量變化同步過程中和諧程度差；當環境熵為負值時，表明經濟發展對環境質量改善產生了積極影響，可以提高環境質量水平。當環境熵為零時，說明經濟發展過程中，環境質量水平趨于穩定，具體經濟-環境協調程度劃分見表2。

當EE>1時，經濟增量小于環境系統中污染損失?增量，經濟增長導致環境質量快速下降，表明經濟-環境系統處于極度失調水平；當1≥EE>0時，經濟增量大于環境系統中染損失?增量，經濟增長導致環境質量緩慢下降，表明經濟-環境系統處于嚴重失調水平；當EE=0時，雖然經濟增長，但是環境系統中污染損失?增量為零，經濟增長沒有導致環境質量變化，表明經濟-環境系統處于良好協調水平；當EE<0時，經濟增長，但環境系統中污染損失?增量為負值，經濟發展導致環境質量變好，表明經濟-環境系統處于優質協調水平。

2 呼和浩特市經濟-環境協同性分析

2.1 數據來源

本文中經濟系統序參量數據主要通過對2006-2015年內蒙古自治區統計年鑒整理得到；環境系統序參量數據主要來源于2006-2015年呼和浩特市環境質量公報和內蒙古自治區環境質量統計公報。其中，對于2013和2014年缺失的SO2和COD的數據采用缺失外推的方法獲得。

2.2 數據處理

為了是數據具有可比性，本文以2000年為基期，通過物價指數將人均GDP調整為可比值。

2.2.1 數據標準化

為了消除數據單位的影響，本文首先通過公式（2）對經濟系統和環境系統序參量值進行了無量綱化處理。

（2）

式中：Xin為第i項序參量第n年標準值，Xin為第i項序參量第n年數值，為第i項序參量平均值，Si為第i項序參量標準差。

然后為了消除負項，令Zin=Xin+A，本文根據數據情況，令A=1，通過消除負項，可以解決一些極端值問題。

2.2.2 經濟系統序參量權重確定

本文借鑒信息熵原理，采用熵權法確定經濟系統各序參量的權重。具體權重見表5。

2.2.3 環境系統序參量危害系數權重確定

由于?值本身不能表達物質的生物毒性，因而不足以全面表征環境序參量的環境影響效應，因此，本文通過引入反應化學物質的生物毒性效應的危害系數，確定環境序參量危害系數權重。本文選擇美國國家環保局（EAP）的潛在危害系數作為排放物的環境危害系數，并借鑒EPA的潛在危害系數處理方法確定SO2的危害系數為15[16]。

由于呼和浩特市工業主要以煤炭為主要能源，在確定煙塵危害系數時，借鑒高申等人的研究成果[17]，判定粉塵組分中的主要物質為As、Zn、Cu和Cd，依據粉塵組分中主要物質的濃度及環境評價數據手冊[15]確定粉塵的綜合危害系數為26，確定COD的危害系數為13。根據公式（3）確定環境序參量危害系數權重，具體結果見表4。

公式（3）中ai代表第i中序參量危害系數。

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

2.3 結果分析

對2006-2015年呼和浩特市經濟系統、環境系統數據進行標準化處理，采用熵權法確定經濟系統和環境系統各序參量權重。然后通過公式（1）確定工業化水平綜合指數、污染損失?和環境熵。

2.3.1 工業化水平

從圖1所示，2006-2015年呼和浩特市工業化水平一直處于上升趨勢，2006-2007年呼和浩特市快速推進工業化進程，2007-2015年呼和浩特市工業化水平上升趨勢放緩，加快產業結構調整，轉變經濟增長方式，二三產業產值占GDP比重從94.36%進一步上升到95.92%，二三產業勞動力占比從71.1%上升到79.6%。

2.3.2 內蒙古經濟-環境協同性分析

通過對表3、表4的數據進行標準化處理，計算各序參量權重，最后根據公式（1）計算得出2007年-2015年環境熵，具體結果如圖2所示。

2007-2015年期間，2007年、2014年和2015年3年的環境熵值為正值，其他年時間均為負值。根據經濟-環境協調程度劃分標準，呼和浩特市在2007年、2014年和2015年的經濟-環境系統處于嚴重失調水平，此時的經濟發展對環境質量造成負面影響；其他時間均為良好或優質協調水平；但值得注意的是，從2012年至2015年環境熵值逐年增加，此時呼和浩特市應進一步加大環保投入和加強污染治理力度，使COD、SO2、煙（粉）塵排放量下降，使經濟-環境優質協同性持續保持。

3 結論與討論

（1）本文借鑒熱力學熵原理，結合?分析，分析經濟-環境協同性內涵，引入工業化水平和污染損失?，構建評價經濟-環境協同性的環境熵模型，并以呼和浩特市為研究對象進行實證檢驗。本文以呼和浩特市2006-2015年經濟、環境數據為基礎，通過對數據標準化處理，采用熵權法確定各序參量權重，最后得到2007-2015年呼和浩特市環境熵值。通過對結果分析，本文認為2006-2015年期間，除2007年、2014年和2015年外，呼和浩特市經濟-環境系統處于優質協調水平，但從2012年至2015年環境熵值逐年增加，需要呼和浩特市應進一步加大環保投入和加強污染治理力度。

（2）呼和浩特市大部分工業園區產業鏈延伸不夠充分，循環經濟效果不夠明顯。建議工業園區在進行產業規劃時，應該借鑒原子經濟理論，從化學反應設計階段進行考慮，選擇那些污染排放少的產業或者對化學反應設計階段進行調控，實現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，呼和浩特市環境熵值逐年增加，經濟-環境協同性變差，建議在經濟發展同時，加強環保投入，鼓勵企業進行技術改造，加大環保違法成本。

（4）通過實證檢驗，以環境熵模型評價經濟-環境協同性的評價結果更加客觀，符合實際，環境熵模型對于評價其它地區經濟-環境協同性具有一定借鑒意義。

（5）由于統計數據缺乏，本文在環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。

參考文獻

[1]柴莎莎，延軍平，楊謹菲.山西經濟增長與環境污染水平耦合協調度[J].干旱區資源與環境，2011，25（1）：130-134.

[2]Agras J，Chapman D. A Dynamic Approach to the Environmental Kuznets Curve Hypothesis [J]. Ecological Economics， 1999，28（2）：267.

[3] Lindmark M. An EKC-pattern in historical perspective： carbon dioxide emissions，technology [J]. Fuel prices and growth in Sweden（1870-1997）， Ecological Economics，2002，42（2）：333-347.

[4] Pasche M. Technical Progress， Structural Change and the Environmental Kuznets Curve [J]. Ecological Economics， 2002，42（3）：381-389.

[5] Roldan M， Joan M A. Trade and the Environment from A “Southern” Perspective [J].Ecological Economics，2001，36（2）：281.

[6] 金春雨， 吳安兵. 工業經濟結構、經濟增長對環境污染的非線性影響[J]. 中國人口·資源與環境， 2017，27（10）：64-73.

[7] 高執棣，郭國霖.統計熱力學導論[M].北京：北京大學出版社，2004.

[8] 鄭宏飛（?）.一種新的方法論[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[9] 徐德生， 穆東， 長青. 共生視角下煤炭資源型區域科技創新能力與經濟發展協同性研究[J]. 科學管理研究，2016，（4）：64-67.

[10] DESHENG XU， DONG MU. The Cooperativity Analysis of Economy and Environment Based on Environmental Entropy Model. International Journal of Simulation Systems， Science & Technology.2016，17，（38）：12.1-12.7.

[11] Stefanov V S. Energy efficiencies and environmental impact of complex industrial technologies [J].Energy，1998，23（12）：1083-1008.

[12] Rosen M A， Dincer I. On energy and environmental impact [J]. International Journal of Energy Research， 1997，（21）：643-654.

[13] Marcio.M.C， Roberto， Ernst. Exergy accounting of energy and materials flows in steel production systems [J].Energy，2001，26：363-384.

[14] 潘自強主編.環境危害評價：公眾健康危害評價方法及其應用[M].北京：原子能出版社，1991.

[15] 項新耀.工程?分析方法[M].北京：石油工業出版社，1990.

[16] 汪晶編譯.環境評價數據手冊[M].北京：化學工業出版社.1988.

[17] 高申，潘小川.包頭市東河區春季大氣可吸入顆粒物和細顆粒物源解析初探[J].環境衛生學雜志.2014，4（1）：69-72.

收稿日期：2018-02-09

作者簡介：徐德生（1980-），男，博士生，講師，研究方向為系統動力學、復雜系統、區域可持續發展。