基于耦合協調度模型的塑料污染國際化治理探析

朱家明，方 悅，疏萬雍

（安徽財經大學a.大數據學院；b.金融學院，安徽蚌埠 233030）

自從1950 年塑料被發明以來，全世界每年都要生產和使用大量的塑料產品，并從1950年的200 萬噸，逐漸增長至2015 年的7.8 億噸.雖然塑料的輕便、廉價為人類帶來了許多好處，但是經過使用后被隨意丟棄的塑料產品也給全世界的環境帶來很多的危害.因為塑料制品不容易被分解，處理起來也比較困難，全世界每年大約只有9%的塑料被回收，塑料垃圾對環境已經造成了嚴重的污染.據相關預測，每年約有400～1200 萬噸的塑料垃圾進入海洋，預計到2050 年海洋中塑料垃圾的數量將超過魚類.由此可見，各國應當重視塑料垃圾問題，必需制定相關政策減緩塑料垃圾的生產，提高塑料垃圾的處理能力.本文對目前全球塑料垃圾問題進行分析，以中國視角對相關指標具體分析并提出相關的政策建議，以期為加強塑料污染的治理提供參考.

1 基于灰色預測GM（1，1）模型對全球塑料垃圾處理能力的預測

1.1 研究思路

每年全球都會產生大量的塑料廢物，這些塑料廢物有三種處理方式：回收、焚燒或丟棄（包括填埋）.不妨將回收與焚燒都看作是一種能夠有效消化流通中的塑料廢物的手段.只要每年全球產生的塑料廢物總量不超出全球消化塑料廢物的能力，便不會對環境造成進一步傷害.因此，通過建立灰色預測GM（1，1）模型[1]來預測未來各個時間點全球消化塑料能力的變化，只要以此為上限生產塑料產品，便可以保證環境的安全.

我們通過查閱相關資料得到了2005—2015年全球塑料廢物總量以及這些廢物的回收率和處理率，將之定義為全球塑料廢物可消化量，如圖1 所示.

圖1 塑料廢物消化能力變化

通過圖1 可以清晰的看出塑料廢物可消化量隨著時間的變化關系.

1.2 研究方法

1.2.1 級比檢驗

建立全球塑料廢物年產量數據時間序列[2]

（1）求級比λ（k），有

（2）級比判斷

由于所有的λ（k）∈[0.9382，1.0094]（k=2，…，11），故可以用x（0）作令人滿意的GM（1.1）建模[3].

1.2.2 建立GM（1，1）模型

（1）對原始數據x（0）做一次累加；

（2）構造數據矩陣B及數據向量Y，有

（3）計算

（4）建立模型

求其解，得

1.3 結果分析

通過整理最終可以得到2020—2030 年全球塑料廢物吸收量的預測值[4]，即在不破壞環境的條件下所能生產塑料的最大值，預測如圖2 所示，預測值見表1.

圖2 塑料垃圾消化能力變化及預測圖

當前的塑料污染問題已經成為國際化問題，面臨嚴峻的形勢，各國均需要采取行動，制定相關政策.近年來中國塑料污染形勢也十分嚴峻，更需要加以有效解決.

表1 2020—2030 年全球塑料廢物吸收量的預測值

2 基于DPSIR 模型構建中國塑料處理能力評價指標體系

2.1 數據來源

為了進一步探索分析如何有效解決塑料垃圾污染問題，本文以中國為例選取2010—2017年的全國數據進行分析.所有分析數據均來源于國家統計局.

2.2 塑料處理能力評價指標體系

基于DPSIR 模型構建了塑料處理能力評價指標體系.該體系中的驅動力（D）指的是經濟發展對于一個國家塑料垃圾處理能力的驅動力，包含人口的增長、經濟發展和環保人員數量等驅動因素；壓力（P）指人類活動對于環境造成的負荷，包含人口增長、環境污染以及經濟增長的環境壓力.由于對環境造成破壞的不僅僅是塑料垃圾，還包括其他各類污染源，因此在考慮一個國家對于塑料垃圾的處理能力時，也要對于其所具有的其他污染壓力進行考慮.狀態（S）代表當前中國現有環境壓力下所呈現的資源水平以及塑料使用水平，包含資源數量、可以為塑料垃圾處理做出貢獻的勞動力效率和科學經濟狀態三大影響狀態；影響（I）代表一國塑料垃圾處理系統對經濟社會、資源、環境等結果的反應以及相關程度的呈現，主要在于突出經濟結構調整對于社會經濟的影響，包含經濟狀態的影響、環境影響和資源影響三大方面；響應（R）是指各個國家面臨環境污染，包括塑料垃圾處理在內的問題時所采取的相關措施，包括環境保護、資源節約、經濟結構和社會處理四大治理響應.

本文以中國為研究對象，DPSIR 模型最終形成5 項基準層指標、21 個指標層指標的評價體系.塑料垃圾處理能力驅動直接正向傳遞給生態環境壓力，生態環境壓力使得國家塑料垃圾的可處理狀態更加嚴峻，壓力累積傳遞給生態環境響應；響應承接上一層綜合反饋的結果，通過各種方式對于生態環境的壓力進行削弱.除此以外，系統還可以同時較為獨立地提高生態環境的影響以及狀態，最后生存環境響應通過層級式逆向進行生態環境危機狀態的改善，五大因素層通過指標相互影響，形成完整、多層級的中國生態環境系統的動態影響與評估體制.最終形成的基于DPSIR 的塑料處理能力評價指標體系如圖3 所示.

圖3 基于DPSIR 的塑料處理能力評價指標體系圖

2.3 運用熵權法的評價指標權重確定

熵權法能夠較為全面地展示出標準信息熵之間的價值，在進行有效的系統監測的同時可以考慮到各個指標變異程度，此方法能夠科學真實的計算出各指標的權重.具體過程如下：

表2 基于DPSIR 的塑料處理能力評價指標體系表

（1）根據所選取的指標，建立生態環境評價指標的原始數據矩陣

其中m 表示年份，n 表示指標，i∈m={1，2，…，m}，j∈n={1，2，…，n}；

（2）運用極值法對原始矩陣進行標準化處理，從而消除指標數量級，量綱等屬性所可能導致的偏差，得到的標準化矩陣

（3）對數據進行標準化處理之后會出現“0”值，對標準化數據進一步進行平移與歸一化處理，得到矩陣

其中zij=yij+1；

（4）依據矩陣Z計算信息熵與差異化系數，進而確定各個指標的權重，計算公式為

式中，ej表示第j 項指標的熵值，wj表示第j 項指標的熵權重值，k=1/lnm 表示波爾茨曼常量.

運用熵權法對于基于DPSIR 建立的指標體系的各變量進行熵權的確定，得到的結果如下表2 所示，權重以百分數的形式體現.

2.4 基于加權-TOPSIS 模型評價方法

再進行熵權確定后，進行TOPSIS 評價，從而得到綜合評分的排序.TOPSIS 模型又稱為逼近理想解的排序法，適用于多指標、多方案的比較選擇分析模型，通過對系統現實狀態和理想狀態之間的歐氏距離來研究和判斷系統的發展水平.TOPSIS 評價法對于樣本期內總體的聚焦情況較好，并且對于樣本數據要求不嚴格，因此具有較強的適用性.基于加權的TOPSIS 模型，國家生態環境承載力具體計算如下：

（1）構建加權評價矩陣.

通過熵權重值wj和標準化矩陣Y相乘，計算得到加權標準化矩陣

其中vij=wj×yij.

（2）確定正負理想值.

由加權標準化評價矩陣V確定正、負理想解，計算如下

式中，V+表示第j 個指標在i 年內的最大值，稱V+是正理想解，即可選擇的最佳理想方案；V-表示第j 個指標在i 年內的最小值，稱V-是負理想解，即可選擇的最差方案.

（3）計算歐氏距離.

計算各年份中評價指標的向量值到正負理想解之間的歐式距離，即

表3 指標體系的熵權TOPSIS 綜合評分排序表

（4）計算評價對象與理想解的貼近度.

評價對象與理想解的貼近度為

其中貼近度Tj表征第j 年塑料污染處理能力接近最優程度，Tj越大表示越接近最優水平.

由上可知前五位較為重要的指標為空氣中有害污染二氧化硫排放量、工業污染源治理投資、廢水排放量、農用塑料薄膜使用量、治理廢水項目完成投資.由此說明目前中國由于污水廢氣等污染源的增多，生態系統已經承受了較大的壓力，農業塑料薄膜的使用也是造成塑料污染的重要來源之一.但是中國的污染治理投資以及企業對于環保做出的舉措對于污染的處理具有明顯的積極效應，因此，為了進一步處理好現存的塑料垃圾污染，政府及相關部門應當加強對于塑料污染治理的投資，并且發動群眾的力量鼓勵群眾參與環保工作.另一方面企業也應當制定規章制度激發環保人員工作熱情，使得此行業得到較好的發展，更有效地為國家環保事業做出貢獻.

3 經濟社會與生態環境耦合協調度分析

由于一國不僅需要一個良好的對于塑料進行自行凈化處理的能力，同時國家的經濟能力、社會環境也需要考慮在內，只有進行綜合性分析才能夠得出更加公平公正的結果.因此，基于DPSIR 模型進行了指標的篩選與重新劃分[5]，將指標分為經濟社會類與生態環境類，其中社會經濟類7 個指標（A1-A7）、生態環境類12 個指標（B1-B12）.

表4 經濟社會與生態環境耦合協調度指標體系表

（1）數據標準化處理.

對于正負指標進行分類，再對數據標準化處理，這是問題處理的第一個步驟[6]，并為下一步驟奠定基礎.

（2）確定權重.

與上文相同，運用熵權法客觀真實確定權重，具體步驟上文已經詳細描述，此處不再贅述.

（3）經濟社會發展水平計算.

上式中，F（A）和G（B）分別表示一國經濟社會發展指數值和生態環境狀態指數值.

（4）構建經濟社會與生態環境耦合協調度模型.

根據相關參考文獻[7]，得到經濟社會—生態環境耦合模型

（5）耦合協調度模型下的發展水平.

基于耦合協調度模型[8]，確定耦合模型下經濟社會發展水平與生態環境狀態水平，進行相關系數的確定，計算如下：

上式中，C 表示協調程度，T 為綜合評價指數，經過計算的D 為經濟社會與生態系統耦合的協調程度系數.最終計算結果如表5 與表6.

根據數據調整選取2013—2017 年各項指標數據通過數據歸一化處理，對再分類指標熵權法算出權重分別計算社會經濟效益值與生態環境效益值，然后運用以上方法進行耦合協調度計算.由以上數據可知，中國2013—2017 年經濟社會與生態環境失調程度并不嚴重，但卻應該引起重視，需要繼續堅持并進行相關具體政策的針對性改善.

表5 耦合協調度表

表6 耦合協調度等級劃分標準表

4 結論與建議

當前形勢下塑料污染的治理迫在眉睫，中國應制定相關政策，有效治理塑料污染，保護人類生存的家園.本文根據大量數據分析，以中國為例進行塑料處理能力評價指標的建立，并且運用多組模型進行深入分析表明，雖然中國目前在正確的政策方針下，經濟環境協調度發展態勢較好，但是環境問題仍不容忽視.在塑料污染嚴重的世界形勢下，應該進一步采取更為有效的措施，使得生態環境更加穩定良好.參考前面加權-Topsis 綜合評分排序以及相關新聞、文獻資料等提出如下政策建議：

（1）建立完善我國塑料污染管理體系.國家環境監管部門、經濟監管部門和工業監管部門等均應加強對塑料制品生產和使用過程的全周期管理，加大塑料污染治理投資，擴招環保專職人員并且制定相關監測指標標準以及監測措施.與此同時，開展限制塑料產品生產與使用的相關調查.具體對于塑料垃圾的收集、再利用、回收或環境無害化處理的整個過程進行管理，群眾宣傳、概念滲透等舉措也需要跟進強化，逐步有序地建立和完善我國塑料污染管理體系.

（2）實施農業塑料的回收與循環利用政策.此方案的實施并不容易，但是考慮到其可對不同部門特定材料進行回收處理，具有其本身的優勢.國家應積極采取措施鼓勵回收廢棄材料進行循環利用，要在不產生新塑料的前提下，對于已產生的塑料進行最大限度的使用.這樣不僅能夠減緩已產生的塑料成為垃圾污染的進程，還能夠在一定程度上減少對于塑料的需求，從而對塑料垃圾的抑制產生一定的效果.

（3）加強生物塑料的探索研究政策.

生物塑料分為可生物降解與非可生物降解的兩大類.全球生物塑料市場增長非常迅速，可預見未來生物塑料具有巨大的潛力.我們應加強國際化技術交流以提高塑料替代品或者比普通塑料破壞性低的新材料.另外，還應注意替代材料降低成本的相關技術研發等.由于生物塑料耐腐性與耐久性優勢不明顯，且其生產成本一般明顯高于石油基塑料，加之生物塑料生產的數據相關記錄不夠全面等問題，生物塑料能夠在多大的程度上得到應用還不能夠確定，但是可以期待其為目前的塑料污染治理提供新的思路.

（4）與國際社會共同合作積極應對控制塑料污染.目前國內外學術界和媒體對于塑料污染問題均高度重視，中國應該以積極主動的態度面對當前形勢，宣傳我國在塑料污染治理等方面開展的工作和做出的貢獻，加強國際社會對中國治理政策的認可，通過國際環境公約談判的積極參與，實現為中國以及全球其他國家提供關于塑料污染處理相關政策的國際法律支持.