基于熵值法的區域可持續發展指數對比分析

韓建南 張靜 張勁

摘 要：如何科學評估區域經濟發展與生態環境相協調程度是實現區域可持續發展的前提。以武漢市和神農架林區兩個區域為例，基于2009—2020年統計數據，利用熵值法和障礙度模型對社會、經濟、環境三個維度的可持續發展水平和障礙因素進行對比分析。結果表明：2009—2020年武漢可持續發展綜合評價指數呈現迅速的增長，在2018年進入較強可持續發展階段，在2012年以后超過神農架林區，神農架林區整體上也表現為增長趨勢，但增長幅度不明顯，目前處于中等可持續發展階段；社會子系統與經濟子系統方面，武漢市高于神農架林區，環境子系統方面，神農架林區則遠高于武漢市；農業的發展以及污染物的排放逐漸成為武漢市發展的障礙因子，而神農架林區則需要在經濟及科技發展方面加強。研究結果可為區域可持續發展程度評價提供技術支撐。

關鍵詞：熵值法；障礙度模型；可持續發展；武漢市；神農架林區

中圖分類號：F062.2；X22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

可持續發展是科學發展觀的基本要求之一，最早出現于1980年國際自然保護同盟的《世界自然資源保護大綱》中，隨后《我們的未來》《21世紀議程》等文件均對可持續發展的理論與實踐制定了各種方案，2015年聯合國建立可持續發展目標全球指標體系，包含17項可持續發展目標及169項具體目標來反映地區經濟、社會、環境等方面的可持續發展能力[1-2]，可持續發展理念逐漸被作為評價各個國家、各個城市發展的重要標準。學者們在可持續發展方面的研究主要集中于對可持續發展指標體系和區域可持續發展水平的研究[3]，通過建立可持續發展指標體系進行時間或空間序列分析，評判地區可持續發展情況。黃志燁等[4]基于系統分解的框架對北京市可持續發展水平展開了評價。孫湛等[5]對京津冀地區13個城市的4類子系統的城市可持續發展能力進行分析評價。曾慧敏[6]對湖北省17個地市的人口、生活、經濟、社會以及城市環境五個方面進行了評價。何嘉俊[7]依據聯合國可持續發展指標體系對粵港澳大灣區進行可持續發展評價。權重的確定對于評價地區可持續發展極為重要，目前主要有專家咨詢法、層次分析法、模糊數學評價法、主成分分析法和熵值法等[8-14]，其中專家咨詢法、層次分析法及模糊數學評價法屬于主觀賦值法，容易受到人為因素的影響[3，12-13]；主成分分析法是通過指標在主成分上的最大載荷確定權重，在提取成分時一定程度上會造成數據的損失[14]；熵值法依據指標變異程度的大小來確定權重，是一種相對客觀的評價方法，能夠較為合理地評價不同指標權重。

本研究依據2021年湖北省地區GDP排行，選取排名第一和排名最后的兩個地區——武漢市與神農架林區為研究對象，從社會、經濟、環境等方面探究可持續發展能力及潛力。基于社會、經濟、環境3個維度，利用熵值法確定各指標權重，構建了可持續發展評估指標體系，對兩地區2009—2020年可持續發展水平進行研究，并剖析兩地區在可持續發展進程中的差異及形成原因，為促進城市更協調、更高水平發展提供依據。

1 研究區概況

武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處，是長江經濟帶核心城市，屬于特大城市，總面積8 569.15 km2，2020年常住人口1 108.1萬，人口密度高。武漢是全國重要的工業基地，第二產業帶動經濟發展，2020年GDP為15 616.06億元，經濟發展水平高于省內其它城市。

神農架林區位于湖北省西部，總面積3 253 km2，2020年常住人口僅7.85萬，人口稀少，森林覆蓋率高。神農架林區是國家級自然保護區，經濟發展主要以第三產業為主，2020年GDP為30.8億元，省內經濟排名落后于其他各地區。具體情況見表1。

2 研究方法

2.1 指標選取及權重確定

城市是由社會、經濟、環境等方面的相互依賴、相互作用而構成的復雜生態系統，城市發展的評價體系構建也需以社會、經濟、環境各方面發展為依據。根據指標體系的系統性、科學性、完備性、普適性與可比性的原則[3]，參考聯合國可持續發展目標指標框架中符合國內地區發展的關鍵指標，并依據文獻[5]、文獻[16-23]有關城市可持續發展評價體系中社會、經濟、環境指標選取的研究結果，結合區域實際情況，對接當前城市層面可持續建設的考核需求[15]，并考慮到數據的可獲取性及完整性，構建了以社會、經濟、環境3個準則層，25個指標的可持續發展評價體系（見表2）。該體系涵蓋了社會科技水平和居民生活保障，經濟發展的結構、質量及潛力，環境質量及地區自然資源量，從多方面反映不同規模城市可持續發展能力。

采用熵值法對武漢市和神農架林區的可持續發展水平的指標進行賦權，有效避免了人為主觀的影響，更加客觀合理。

2.2 基于熵值法的可持續發展指數評價

2.2.1 數據標準化Yij的處理

各項原始數據之間量級差異較大，難以比較，所以首先對數據進行標準化處理。不同類型的指標采取不同的處理，

式中：i表示年份，j表示指標項，Xij表示第i年第j項指標原始數據，max（Xij）、min（Xij）表示同一指標中的最大值和最小值。

2.2.2 可持續發展指數Rij的計算

指標比重Pij的計算。由于計算信息熵時需要取自然對數，指標值不能為0，將標準化處理后的數據進行偏移可解決標準化后數據含0問題，參考文獻[3]、文獻[24-26]，盡可能地將偏移數值選小[27]，取值為0.001。

2.2.3 可持續發展水平分級

考慮中國城市可持續發展現狀，根據計算結果將城市綜合可持續發展水平分為5個等級[28-29]（見表3）。

2.3 障礙度模型

引入障礙度模型分析各子系統發展存在的障礙[3]，找出主要的影響因素，采取針對性措施以提升地區可持續發展能力。

式中：Hij表示各指標障礙度；Wj為通過熵值法計算出的指標權重；Vj表示指標偏離度，用單項指標標準化值與1的差距表示。

3 數據來源

數據來源于《武漢市統計年鑒（2010—2021）》《神農架林區統計年鑒（2010—2021）》、2009—2020年湖北省環境質量公報、2009—2020年湖北專利統計快報以及湖北統計局等政府官方網站。對于部分缺失值，則采用插值法計算得出。年鑒中存在爭議的數據以最新年份數據為準。

4 結果與討論

4.1 可持續發展指數綜合評價

基于可持續發展綜合評估方法計算得到武漢市與神農架林區綜合可持續發展指數，兩地區可持續發展指數歷年變化如圖1所示。

可知，武漢市可持續發展指數僅在2020年有下降，其余各年份均保持穩定高速增長趨勢，其中2009—2013年為較弱可持續發展階段，2014—2017年為中等可持續發展階段，2018—2020年為較強可持續發展階段。自中部崛起戰略實施以來，各地區發展均取得成效，武漢作為湖北省省會城市，經濟社會基礎較好，且在發展中處于優先地位[3]，2020年城市可持續發展綜合評價水平比2009年翻了兩番多，受新冠疫情影響，2020年可持續發展水平有所下降。神農架林區可持續發展指數整體呈波動上升趨勢，2009—2014年屬于較弱可持續發展階段，2014—2020年上升至中等可持續發展階段，但上升幅度不明顯。神農架林區多數指標均向較好態勢發展，環境狀況較好，但人口居住分散且數量較少，同時貧困人口占比高，貧困程度深，經濟基礎薄弱，規模小，產業單一，農民增收渠道較窄，社會和經濟發展較為困難。

2009—2020年武漢市與神農架林區的可持續發展指數呈“X”型趨勢，2009—2012年，神農架林區可持續發展指數略高于武漢市，兩地均處于較弱可持續發展階段，2013年以后，武漢市可持續發展指數持續升高，超過神農架林區，2014年進入中等可持續發展階段，2018年進入較強可持續發展階段，與神農架林區的差距進一步拉大。神農架林區森林覆蓋率達到90%以上，人口密度小，自然資源量豐富，污染排放量少，空氣質量優越，生態環境質量處于領先地位，環境可持續發展水平高，而經濟和社會可持續發展指數前期與武漢并未拉開差距，使得前期神農架林區綜合可持續發展水平高于武漢，但后期武漢市經濟和社會快速發展，推動綜合可持續發展水平提高，與神農架林區的差距縮小并逐漸超越。

4.2 子系統可持續發展指數評價

武漢市與神農架林區子系統可持續發展指數變化如圖2所示。

從時間序列上來看，武漢市在社會和經濟子系統中，可持續發展指數整體表現為上升趨勢，社會可持續發展指數較為明顯，從2009年的0.084 7升至2020年的0.318 1，增長了2.75倍；經濟可持續發展指數也接近翻了一番；在環境子系統中，呈現小幅度波動變化趨勢，整體未有明顯提升趨勢。十二年間，政府統籌城鄉發展，全面深化改革，調整產業結構，降低能耗，擴大內需，推動第三產業發展，GDP總額和人均收入不斷提高，同時政府加大科技教育方面的投入，保障人口就業，促進民生福祉，不斷提高居民生活質量，經濟和社會可持續發展水平不斷升高。同時，武漢政府加強對企業污染治理的監督，加大投入環境治理經費，開展“碧水工程”“藍天保衛戰”“三線一路”等措施，但隨著武漢的發展，外來人口不斷向武漢遷移，人均資源環境減少，為滿足居民生活品質需求，加大商品生產和各項基礎設施建設，導致污染物排放量增加，天氣優良率較低，使得環境可持續發展水平提升不明顯。

神農架林區社會和環境可持續發展水平整體上表現為增長趨勢，但增長趨勢不明顯，2009—2012年社會可持續發展指數有明顯下滑趨勢。后期逐漸上升，僅有小幅度波動；經濟可持續指數略有波動但整體處于穩定狀態。社會方面，前期政府在技術保障方面的投入減少，科技和教育的經費支出比重有所下降，衛生技術人員數也略有減少，導致社會可持續發展水平降低，后期對科研教育衛生方面的投入略有加大，人均可支配收入水平逐年提高，社會可持續發展水平也有所提升。經濟方面，神農架林區多數經濟指標均呈現良好發展趨勢，但由于財政增長率和GDP增長幅度在十二年間逐年下降，2020年甚至出現負增長，導致神農架林區經濟發展水平未有提升。環境方面，神農架林區林深人少，污染物排放少，近年來入選世界地質公園和世界自然遺產、全國首批國家公園體制試點和生態文明示范區，在發展過程中始終堅持綠色發展，可持續發展指數逐年穩定提升。

從兩地區橫向對比來看，2009—2020年，武漢市社會與經濟可持續發展指數均高于神農架林區，且隨著時間的發展，差距越來越大。武漢市多項社會經濟指標均高于神農架林區，經濟和社會兩子系統可持續發展水平不斷增長，而神農架林區多為大山和密林，經濟和社會發展較為困難，使得與武漢市經濟和社會可持續發展水平差距逐年增大。但在環境子系統中，神農架林區環境狀況遠高于武漢市，最高為武漢市的4.62倍，神農架污染物排放少，人均自然資源量多，森林覆蓋率高，空氣污染物凈化能力強，生態環境良好。

綜上所述，可知武漢市社會和經濟可持續發展水平較高，而神農架林區環境可持續發展指數較高，這與曾慧敏[6]研究結果一致。有研究表明規模大的城市，經濟和社會可持續發展優于環境可持續發展；規模小的城市，環境可持續發展優于經濟和社會可持續發展。張歡等[30]提出環境發展經濟社會發展與資源環境發展存在一定的矛盾關系。孫曉等[21]同樣認為城市規模越大，經濟和社會指數越高，但規模越小的城市，生態環境質量越高。楊豐潞等[31]也提及經濟社會發展程度高的城市生態環境質量較差。武漢市作為特大型城市，承載人口多，各類開發建設活動程度強，良好的基礎與眾多的人口帶動城市快速發展，勞動力、資本及技術的聚集促使產業發展和經濟繁榮，再加上在近年來的中部崛起戰略規劃中，政府出臺各種傾斜性政策，促使武漢快速發展，但過強的人口聚集也使得自然資源利用強度大，生活污染排放物多且集中，工業生產同樣也產生了大量廢棄物，導致城市環境污染問題突出，生態環境脆弱。神農架林區森林覆蓋率高，人口密度小，受地理環境阻隔，交通落后，道路蜿蜒曲折，同時通訊網絡建設困難，衛生醫療保障覆蓋率低，社會及經濟基礎差，快速發展存在困難，但人均自然資源較多，污染排放量少，空氣質量優越，生態環境質量處于領先地位。

4.3 障礙度分析

在所有障礙指標中，選取可持續發展障礙度位列前六項的指標進行分析，前六項障礙度總和大都在0.6以上，對可持續發展障礙評價具有較好的代表性。障礙度指標及障礙度結果見表4、表5。

從障礙性指標綜合排序來看，2009—2020年影響武漢市可持續發展水平的前六項指標為人均耕地面積（X20）、第一產業比率（X16）、森林覆蓋率（X19）、萬人有效發明專利擁有量（X2）、GDP （X13）、廢水排放量（X21）。其中人均耕地面積（X20）位居第一位，對武漢可持續發展障礙度最大。影響神農架林區可持續發展水平的前六項指標為GDP （X13） 、萬人有效發明專利擁有量（X2）、科學技術支出占本級財政支出比重（X3）、人均GDP （X12）、教育經費占本級財政支出比重（X4）、人均可支配收入（X11）。其中GDP（X13）位居第一位，對神農架林區可持續發展障礙度最大，2009—2020年科技和經濟的發展制約著神農架林區的發展。

從時間變化來看，武漢2009—2020年萬人有效發明專利擁有量（X2）、GDP （X13）障礙度逐漸下降，而人均耕地面積（X20） 、第一產業比率（X16）、森林覆蓋率（X19）、廢水排放量（X21）障礙度逐年增大，這表明科技和經濟對武漢發展的制約逐漸減小，農業環境資源和污染物的排放制約日漸突出，政府應進一步加大節能減排力度。對于神農架林區而言，2009—2020年，GDP（X10）、萬人有效發明專利擁有量（X2）、科學技術支出占本級財政支出比重（X3）、人均GDP（X9）一直是制約林區可持續發展的重要因素，說明未來神農架林區應加快經濟發展以及加大對科技的投入。

5 結論與建議

2009—2020年，武漢市與神農架林區綜合可持續發展水平均呈現上升趨勢，但子系統可持續發展水平存在較大的差異。武漢市可持續發展綜合水平高速穩步提升，2012年超越神農架林區，2018年進入較強可持續發展水平。作為特大城市，經濟和社會發展投入較多，可持續發展水平顯著提高，但環境可持續發展水平低，是武漢可持續發展的主要障礙。神農架林區綜合可持續發展水平呈緩慢上升趨勢，環境可持續發展水平較高，但經濟基礎薄弱，發展緩慢，居民社會生活保障水平較低，經濟和社會的發展存在障礙，綜合可持續發展水平從較弱發展階段上升至中等階段，仍有較大的提升空間。

在各地區的發展中，需堅持社會、經濟、環境共同發展，建立綠色可持續的發展目標。類似于武漢的特大城市及大城市應加強在環境質量提升方面的投入，加強新型能源開發以提高資源利用效率，加大對工業企業污染治理的監督，嚴懲違法排污企業；加強對農業用地的保護，并積極向公眾宣傳環境保護，提倡使用節能設備及新能源設施，減少污染排放。神農架林區類型的小城市應積極發展地區經濟與社會能力，利用自身環境優勢，將綠水青山轉化為金山銀山，創建綠色旅游、文化產業、生態農業的多方向發展格局，提高經濟發展能力，在民生保障和基礎設施建設方面加大投入力度，堅持科學技術是第一生產力，以科學技術帶動經濟發展，同時加大人才引進力度，把人力資源轉化為經濟資源，促進地區更好更快地可持續發展。

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Abstract：Evaluating the degree of coordination between regional economic development and ecological environment through scientific methods is a crucial prerequisite for achieving sustainable regional development. Taking Wuhan City and Shennongjia Forestry District as case studies，we analyze and compare the sustainable development levels and obstacles in social，economic，and environmental dimensions based on statistical data from 2009 to 2020 by using the entropy method and the obstacle degree model. Our results suggest that from 2009 to 2020，Wuhans comprehensive evaluation index for sustainable development grew rapidly，indicating that Wuhan has surpassed Shennongjia after 2012，and entered a strong sustainable development phase from 2018. Shennongjia also shows an overall growth trend while lacking significant increase，and presently remains in a moderate sustainable development phase. In terms of the social and economic subsystems，Wuhan outperforms Shennongjia. However，in the environmental subsystem，Shennongjia presents a far better performance than Wuhan. Agricultural development and pollutant emissions gradually become obstacles for Wuhans development，while Shennongjia needs to enhance its economic and technological development. This study serves as a technical support for evaluating the degree of sustainable regional development.

Key words：entropy method；obstacle degree model；sustainable development；Wuhan City；Shennongjia Forestry District