基于熵權—TOPSIS法的能源轉型成效評價及障礙度分析
——以內蒙古自治區為例

(內蒙古科技大學 土木工程學院，包頭 014010)

0 引 言

根據國家統計局數據，目前我國能源消費仍以煤炭、石油和天然氣為主，占國內能源消費比重分別為60.4%、18.8%和7.0%[1]。盡管我國是礦產資源儲存大國，但“富煤、貧油、少氣”的國情始終沒有改變，據2018年《BP世界能源統計年鑒》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、天然氣等優質化石能源儲量較低，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，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展,不僅社會經濟難以為繼,我國的能源和環境承載都將面臨無解難題[4]。據預測，到2020年我國45種主要礦產資源，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]，油氣礦產資源對外依賴程度大大增高，新型清潔能源的開發等能源轉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型問題，相繼出臺了各種政策，并在各個省份或地區推出了不同的能源措施，內蒙古自治區(以下簡稱內蒙古)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，內蒙古開始進行能源轉型的探索，經過多年發展，轉型的成效值得研究，文中建立低碳評價體系及障礙度模型測度，對近年來內蒙古能源轉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 內蒙古自治區能源發展優勢及轉型歷程

內蒙古是環渤海經濟區的重要腹地，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，資源性產業的發展受到了國家的大力支持，內蒙古資源性產業的發展主要分為以下三個階段：

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

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

(3)能源轉型快速發展階段(2010-至今)：2009年鄂爾多斯新能源產業示范區的成立標志著內蒙古新能源的開發進入快速發展階段，此后內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年內蒙古制定了 “8337”發展戰略，2017年內蒙古西部成為我國首批老工業城市和資源型城市產業轉型升級示范區，2018年3月，十三屆人大一次會議確立構建內蒙古國家能源經濟示范區，2018年8月，內蒙古主持召開國際能源大會。在此期間內蒙古資源性產業也得到長足發展，目前已基本形成以煤炭開發為主，火電為基礎，油氣資源和新能源全面開發的能源格局。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本研究數據主要來源于2010-2018年《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《內蒙古統計年鑒》、《內蒙古自治區國民經濟和社會發展統計公報》、《內蒙古自治區環境狀況公報》及《內蒙古自治區生態環境狀況公報》等，個別缺失數據依據線性插補法及國內外學者前期研究成果中得到。

2.2 研究方法

根據國內外學者已有的研究基礎，結合內蒙古自治區發展的實際情況，遵循系統全面、科學合理及操作可行的原則，選取能源、經濟、環境及社會因素中23個重要影響指標，構建城市低碳系統評價體系(見表1)，通過熵權法結合TOPSIS法判斷城市低碳發展水平與各單項指標間的相互協調關系，利用障礙度模型檢測阻礙低碳發展的障礙因子，從而根據研究成果提出可行性建議[8]。

2.3 指標權重的確定

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

步驟1：建立原始數據的初始決策矩陣X=(xi j)23×8：

(1)

步驟2：數據非負化處理(為方便起見仍記非負化處理后的數據為xij)：

+1

(2)

步驟3：數據標準化處理，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 城市低碳發展水平評價指標體系

注：權重的數值計算步驟詳見2.3。

2.4 評價模型的構建

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解、最劣解的距離來進行排序，若評價對象最靠近最優解同時又最遠離最劣解，則為最好，否則不為最優，但是傳統的TOPSIS計算模型主觀性較強，影響結果的準確性，文中在傳統的TOPSIS方法基礎上，根據樣本指標的信息量大小程度，結合嫡權法對各評價指標進行賦權，利用加權改進的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:矩陣規范化處理。

正效應指標處理：

(6)

負效應指標處理：

(7)

步驟2:構建加權規范化決策矩陣Vij=(vij)23×8(將熵權法確定的權重與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方案的貼近度Cj:

(13)

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

2.4.2 障礙度模型

為深入研究城市低碳發展機理，提高城市發展水平，需要進一步識別低碳發展制約因素，從而提出針對性建議，文中在完成城市低碳發展評價基礎上,對影響低碳發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 結果與分析

3.1 內蒙古自治區低碳評價分析結果

依據公式(11)至公式(13)，得出2010年-2017年內蒙古自治區低碳發展水平綜合及單項指標貼近度，結果如圖1所示，綜合績效指數從2010年的0.2062提高到2017年的0.5185，總體呈現上升趨勢，增長幅度為151.45%。單項貼近度子系統中，經濟、環境和社會績效均呈現出波動上升趨勢，能源績效趨勢與綜合績效態勢相近，呈現出穩步上升趨勢。其中：

2010—2012年，內蒙古自治區低碳發展水平較低，且出現小幅下降趨勢，由0.206 1降低到0.202 8。在此期間，單項貼近度子系統中經濟、社會、環境績效的變化趨勢出現不同程度的上升，而能源子系統則變化不大。其原因是：盡管近年來內蒙古能源的開發和利用獲得長足的發展，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和利用，因其主要集中于廣大的農牧區和偏遠的山區，因此產業化程度不高，故在該時間段能源及低碳績效增幅較緩。

2012—2016年，內蒙古自治區低碳發展出現回升，績效水平由0.202 8增加到0.260 0，其中單項子系統均出現不同程度的波動趨勢，而經濟子系統在2013年-2015年下降較快，其原因是內蒙古近年來經濟出現放緩，生產總值增長率逐年下降，造成經濟績效不斷下降。而能源子系統績效與綜合績效漲幅相同，呈現平穩上漲的態勢。

2016—2017年，內蒙古自治區低碳發展綜合水平出現了大幅的提升，由 2016年的0.284 6上漲到2017年的0.518 5，實現了從最低點以來績效水平的首次明顯提升，漲幅高達82.19%。其中能源及經濟績效的提升是實現整體水平上升的關鍵性因素，其原因是隨著內蒙古新能源的不斷開發和利用，新能源轉型達到快速發展階段，能源消費結構不斷優化，環境治理工作隨之得到改善，低碳建設取得明顯的效果。據內蒙古經信委數據顯示：2017年全區6 000 kW及以上發電廠累計完成發電量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展，但清潔能源占總能源消費比重仍然不高，能源的優化調整還有巨大的上升空間。

3.2 障礙度診斷結果

依據公式(14)至公式(16)，得出2010年-2017年內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，制約內蒙古城市低碳發展障礙因素中，能源因素障礙度波動增長，經濟和環境因素障礙度在不斷下降，而社會因素障礙度則呈現波動循環發展。

表2 2010-2017年內蒙古低碳水平準則層指標障礙度

由表3可以看出：2010年，制約內蒙古城市低碳發展障礙因素中能源因素障礙度最大，社會和環境因素障礙度次之。反映在指標層中，單位地區生產總值能耗、工業二氧化硫排放量、建成區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的發展而逐漸增大，工業廢氣排放隨之增多，值得注意的是，在內蒙古工業發展過程中，產能過剩問題尤為突出，以煤炭為例：作為內蒙古支柱性產業，煤炭儲量位居全國第一，煤炭及相關企業為搶占產業優勢，紛紛爭奪開發煤礦，煤炭產量供過于求，產能過剩問題日益加劇，而部分企業為追求短期利益，缺少技術創新投資，核心裝備過于陳舊，造成礦產資源轉化率較低，使得“資源高消耗，污染高排放”模式成為內蒙古發展普遍存在的問題，最終導致單位地區生產總值能耗及工業廢氣排放因素成為該時間段影響城市低碳發展的主要的障礙因子。

2011-2014年，制約內蒙古城市低碳發展障礙因素中環境因素障礙度最大，而經濟、社會和能源因素交替變化，成為影響內蒙古低碳發展的第二大阻礙因素。反映在指標層中工業二氧化硫排放量、工業煙塵排放量、第三產業占地區生產總值比重等對低碳發展影響較大。其中工業煙塵排放量在該區間年段障礙度連年遞增，在2014年替代工業二氧化硫排放量成為影響低碳發展的最主要障礙因素，說明隨著工業化程度逐漸提高，工業二氧化硫排放量在不斷增加，成為主要的障礙因子。盡管近年來內蒙古能源轉型產生取得了一定的發展成果，但在發展的過程中依然存在較大的問題，以現代煤化工為例：內蒙古煤化工產業正在快速發展，但煤炭排放污染并無改善，首先現代煤化工技術仍處于試產階段，大規模發展在工程技術方面受到限制，工業廢物排放總量仍然巨大，其次煤化工產品的轉化率不高，一方面企業創新不足，缺少技術投資，產業技術落后，造成煤化工產品轉化率較低，另一方面煤制烯烴、煤制油等新型煤化工項目技術難度較大，轉化率僅有40%左右，60%的煤轉化為二氧化物排放出去，對生態環境保護及實現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展的主要因素。

2015-2017年，內蒙古城市低碳發展過程中能源因素是最大的阻礙因素，社會和環境因素交替變化，成為影響內蒙古低碳發展的第二大阻礙因素。反映在指標層中，單位地區生產總值電耗、居民人均耗電量、工業二氧化硫排放量、工業廢水排放量等是影響低碳發展較大的影響因子。其中在該時間段單位地區生產總值電耗及居民人均耗電量連年遞增成為低碳發展的主要障礙因子。其原因是，近年來隨著經濟的發展，城市化和工業化進一步加快，基礎設施在不斷完善的同時，重工業也在蓬勃發展，因此導致電力消耗不斷增加，但是該區間段電力消耗的增長并不完全由經濟、工業及城市的發展所引起，其中一部分是由能源結構的優化轉型所造成，根據《內蒙古統計年鑒》中的能源消費總量比重及電力平衡表可以看出，近年來能源結構在不斷優化調整，水電、風電和核電等清潔能源產生的電力替代了傳統能源的消耗，從而引起了電力消耗的增加。盡管內蒙古在清潔能源發電方面取得了長足進步,但由于受到電網消納能力有限、可再生能源外送通道建設滯后、可再生能源遠距離外送經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年內蒙古低碳水平績效障礙因子障礙度

4 結束語

文中根據內蒙古近年來發展實際情況，結合熵權-TOPSIS法及障礙度模型對內蒙古低碳發展水平及關鍵影響因素進行研究分析。熵權-TOPSIS法結果表明：內蒙古城市低碳發展水平呈現出整體上升趨勢，能源子系統的單項績效指數變化趨勢與低碳發展的綜合績效指數變化最為接近。由障礙度結果可知能源障礙度波動增長，經濟和環境障礙度不斷下降，而社會障礙度則呈現波動循環發展。綜上可知，能源因素對于城市低碳發展績效影響最大。在以上研究基礎上，針對低碳發展關鍵性因素的能源優化與升級提出以下建議：

(1)提高能源高效發展

首先要淘汰能耗高、污染重、技術水平低的礦產開采等落后產能。其次要整合先進的礦產資源，加強優勢企業兼并重組，促進優勢產業強強聯合，提高資源性產業整體水平。最后要推進礦產安全高效綠色智能化開采和智能化加工，加快“現代煤化工”等傳統資源的現代化建設。

(2)推進能源多元發展

首先要繼續穩步推進可再生能源發展與研究。內蒙古近年來能源轉型成效顯著，新型清潔能源占總能源消費比重連年提升，環境治理及低碳發展效果突出，但豐富的風能、太陽能等新型能源并沒有得到充分的開發利用，能源轉型潛力巨大。其次要創新能源利用方式。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業、城鎮及工業的新型融合，大力推動“新能源，新產業”的全面發展。最后加快新能源探索與研究。內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資源，但由于技術落后等原因并沒有得到過多的開發，能源優化升級的潛力巨大。

(3)構建能源智能體系

首先要建立健全內蒙古電網互補建設，將清潔能源電力產業化大規模集中，形成以“清潔煤電為主，新型電力為輔”的互補型智能電網的建設。其次要大力提高農牧區及偏遠山區電網消納能力，充分開發該地區豐富的風、光資源，以產業化形式并入城市主電網共同管理。最后要大力推進能源輸送通道網絡的建設，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“區內能源互聯互通集中管理，區外風電打捆外送互利互補”的發展模式。