北京市能源、经济与环境系统协调度发展评价

王默玉　乔 鑫　申晓留　刘瑞雪

北京市能源、经济与环境系统协调度发展评价

王默玉乔 鑫申晓留刘瑞雪

本文以北京市为背景构建了能源（energy）－经济（economy）－环境（environment）（简称3E）系统综合评价指标体系，通过主成份分析法计算出各子系统的综合发展水平值，用优化的模糊协调系数法计算各子系统之间的协调度，并构建了3E协调度的几何模型。对北京市2003～2013年的3E系统协调度进行了实例验证，结果显示近十年北京市3E系统协调度波动较大整体呈“M”型发展。通过对结果的评价分析分别从能源、经济和环境三个角度为北京市实现可持续发展提出了决策建议。

二十一世纪以来，北京市经济经历了前所未有的持续、迅猛增长。2003～2013年北京市GDP年平均增长率达到10.7%，远高于全国GDP年均增长速度。而能源消费量由2003年的4648.2万t标煤增长到2013年的7354.18万t标煤，增长了将近两倍。在经济发展的过程中，能源和资源消耗量过大，利用效率较低，使得污染排放严重，也造成了巨大的经济和资源损失。能源、经济和环境是一个相互关联、相互矛盾的复杂系统，不能单独地考虑某一问题。因此，了解它们之间的相互作用关系，促进能源、经济、环境之间的优质协调发展是实现北京市可持续发展的关键。

已有的对能源、经济、环境协调度的研究中焦点大多集中在相互之间发展的一致性上，而没有将综合发展水平考虑在内。实际上，能源、经济、环境两两之间的协调度或三者之间的协调度在相互正向影响并保证各自综合发展水平最优的状态下才算协调。所以本文考虑了综合发展水平的因素，采用主成份分析法计算各子系统的综合发展水平，整合几种协调系数计算方法的优缺点，考虑3E系统的复杂多样化，建立了基于回归分析法的协调系数法。

3E系统指标体系构建

由于3E系统的复杂性，采用单一的线性指标难以真实的描述各个子系统的状况。 因此，本文从广度与深度两个方向，从结构、总量、质量三个维度建立以北京市为层面的3E系统综合评价指标体系。能源系统指标体系，如表1所示。经济系统指标体系，如表2所示。环境系统指标体系，如表3所示。

表1　能源子系统指标体系

研究方法

数据无量纲化处理

在进行综合评估过程中，首先要对指标数据进行标准化处理。本文采用中心化（Z-Score）无量纲法对3E数据进行处理，其计算公式如下：

主成份分析法

在计算3E各子系统发展水平时，本文采用主成份分析法。主成份分析法主要采用降维的思想，通过研究指标体系内在的结构关系，把具有一定关联的多指标重新组合，融合成若干个包含原始指标的大部分信息（≥90%）的超级指标。计算步骤如下：

（1）计算相关系数矩阵

且rij的计算公式为：

（2）计算特征值与特征向量

（3）计算主成份贡献率和累计贡献率贡献率：

累计贡献率：

（4）计算主成份荷载

在完成上述主成份分析的计算步骤下，根据提取的各指标权重可以计算出各子系统发展水平，如下计算公式：

基于回归分析法的协调系数计算模型

本文考虑了3E多元问题的复杂性，总结协调系数法的优缺点并对其进行优化。为了将定性的问题定量化，本文采用回归分析法来计算两系统之间的依赖程度。

模糊隶属度函数公式为：

采用SPSS软件对系统i和系统j进行分析，建立回归函数：

由此可以建立协调度算法：

w（ i， j ）表示系统i与系统j的协调度。此时，若w（ i/j ）与w（ j/ i ）的值越相近，则系统之间协调系数越高。比如当w（ i/j ）=0.4，w（ j/ i）=0.4时，系统i与系统j的协调系数为1；当w（ i/j ）=0.9，w（ j/ i ）=0.9时，系统i与系统j的协调系数也为1。由于没有考虑综合发展水平，致使两者的协调系数都为1，显然前者并不能定义为协调。因此，本文在计算协调度时也将子系统的综合发展水平考虑在内。定义如下：

Xi，τ表示系统i在第t年的得分，Xj ，τ表示系统j在第t年度的得分；α，β为权重，且α+β=1。对于存在负值的综合发展水平可以利用“改进的功效系数”作如下变换：

最后，建立如下函数关系式：

C=F（ Eec，Ecv，Eev）

因此得出3E协调度的数学模型：

北京市能源经济环境协调度评估

图1　

本文选取北京市2003年～2013年的数据进行计算，所采用的数据来自《国家统计年鉴》、《北京市统计年鉴》和《国家统计局》。

表4　协调系数区间

综合发展水平评价

本文采用主成份分析法利用SPSS软件，对北京市2003～2013年能源、经济、环境系统的数据进行分析。下面以能源子系统的计算过程为例。

如表5所示，成份1和成份2的累计贡献率为91.147%＞90%，所以提取成份1和成份2为能源系统的主成份。

表5　总方差分解

表6　因子荷载矩阵

通过因子荷载矩阵可以得出成份1和成份2的特征向量，根据相关系数矩阵的特征向量可以得到主成份Y1 和Y2。通过主成份的得分可以计算出能源系统的发展水平。

经济和环境发展水平的计算步骤一样。

最终计算结果如表7所示。

表7　能源、经济、环境综合发展水平

能源－经济－环境协调度计算

本文将协调系数取值范围划分为以下几个区间：

采用优化的协调系数法首先对能源、经济和环境二元的协调度进行计算，然后对能源-经济-环境的协调度进行计算。结果如表8所示。

表8　北京市2003～2013年能源、经济和环境系统协调度情况

图2　北京市2003－2013年间能源、经济和环境系统协调度折线图

由表8和图1可以看出北京市2003～2013年间3E协调度一直没有达到良好协调和优质协调状态，整体趋势呈“M”型发展，说明近十年北京市的3E协调度在多种复杂因素的影响下波动较大。首先，在2003年处于弱协调状态，从2003年到2006年协调状况逐渐好转，2006年到达中度协调状态。说明北京市为准备2008年奥运会制定各种政策从而改善了北京市的环境状况，在奥运会之前的这段时间北京市3E协调度达到中度协调状态。从2007年3E协调系数开始不断下滑，在2007年北京市3E协调度由中度协调变为弱协调，在随后的两年，更是处于轻度不协调状态。北京市举办奥运会的这段时间外来人口急剧增多、能源消耗量加大且经济增长不明显，给北京市资源、环境和经济带来了一定的压力。一直到2010年3E协调度又恢复到中度协调状态。2011年开始执行十二五规划之后3E协调度一直处于中度协调，说明十二五规划制定的一系列政策对北京市3E协调发展有促进作用。

在能源、经济、环境二元关系中，能源和环境协调度虽有变化，但是波动相对不大，基本都在弱协调和中度协调。能源和经济协调度整体走势呈上升趋势，2003年处于中度不协调状态，在之后的三年期间能源和经济协调系数不断上升，达到中度协调状态。在2007年协调系数有较大幅度下降，随后两年期间虽有所上升，但是上升幅度并不大，三年期间一直处于弱协调状态。在北京举办奥运会期间能源的消耗和经济的发展不成比例，能源消费量过多，经济的增长速度没有达到相应的水平，所以三年期间一直处于弱协调状态。2010年以来，能源和经济之间的关系有所改善，能源和经济协调系数有大幅度上升，在随后的几年中一直处于良好协调状态。而环境和经济的协调度呈“三段式”发展，第一段在2003～2007年，这几年期间环境和经济的协调度属于中度协调，说明环境和经济的发展呈基本协调状态。第二段在2008～2009年，期间环境和经济协调系数急剧下降，环境和经济呈中度不协调状态。说明经济和环境有一方遭受到了巨大的挑战导致环境和经济的发展极为不平衡或者环境和经济都处于低迷时期。到2010年环境和经济协调度又有了很大的好转，2010～2013年属于第三段，在这段期间协调系数比前几年有所上升，2010年和2011年处于中度协调，后两年处于弱协调。环境和经济协调度在第三时期虽然比第二时期发展状态好，但是也在下降，由中度协调到弱协调，情况仍然不容乐观。

结语

本文主要研究北京市2003～2013年3E系统的协调状况。利用主成份法对3E系统进行优化筛选，通过优化的模糊协调系数法对3E系统协调度进行测算。从计算的结果可以看出3E协调度整体趋势呈“M”型。其中能源和环境协调度发展趋势波动较小，可见近十年北京市的能源结构一直在不断优化，在每个时期都能和环境达到基本协调状态。能源和经济的协调度整体呈上升趋势，说明随着能源结构的不断优化，也带来了巨大的经济效益，两者在不断磨合中曲折上升。而环境和经济系统的协调度波动较大，环境和经济的问题是七个子问题中最严重的，环境和经济之间的平衡发展仍然是未来北京市政府需要考虑的重大问题。3E系统的矛盾是客观存在的，同时又是不可避免的矛盾，但是我们可以采取一些措施来促进北京市可持续发展。

优化能源消费结构，鼓励新能源消费。北京市煤炭消费由2003年的41%到2013年的23%有较大幅度的下降。原油消费占比一直在20%以上。天然气消费占比由2003年的5%到2013年16%。说明北京市能源消费结构正在向主要工业国家以油气为主的消费结构靠近，但是对于清洁能源的开发利用还处于较低水平。因此，要加大科技创新，大力开发新能源和清洁能源。

不断调整和优化产业结构。北京市近几年经济发展较快，GDP总量不断攀升。在经济发展的同时，一方面要注重对环境的保护，另一方面要不断调整和优化产业结构，淘汰落后产能，以促进能源、经济、环境协调发展。

增加对环保的投入，加大对环境污染的治理力度和强度。2003年环境系统综合发展水平值为3.25，2013年降低为-2.84，说明近几年环境系统内部已严重不协调。因此要提高能源利用率，通过建立绿色市场的策略来抑制能源消费和能源浪费。同时应该加快转移污染企业，鼓励低碳化出行以减少汽车尾气排放，缓解环境污染问题。

王默玉乔 鑫申晓留刘瑞雪

华北电力大学控制与计算机工程学院

乔鑫，女，硕士，华北电力大学，主要研究方向：智能决策、能源互联网。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.004

1.北京市自然基金，项目名称：北京市能源强度的演变机理及模拟规划研究，编号：9122021；2.国家自然基金，项目名称：节能减排目标下发电绩效置换交易优化模型与方法研究，项目编号：71071053