上海市能源-经济-环境（3E）系统协调发展的实证研究

曹瑞瑞，蒋 震

（1.国家电网公司，北京100031；2.中国社科院 财经战略研究院，北京 100045）

0 引言

近年来我国东部发达省份普遍存在“电荒”问题，而全国大范围的雾霾等环境污染也引起公众对环境保护的广泛关注，因此能源、经济、环境的可持续协调发展成为当前亟需解决的难题。3E系统理论能将能源、经济和环境三者耦合形成相互影响和制约的大系统，以经济子系统为核心，能源和环境子系统服务于经济子系统，同时兼顾自身的协调发展。国外学者基于此思想利用多目标规划、因子分析、道格拉斯生产函数等定量方法发展了一系列模型[1～5]，如MARKAL模型、EFOM模型、PRED模型、CGE模型、Logistic模型等。国内学者较多采用层次分析法（AHP）研究3E系统的可协调发展的评价，将能源、经济、环境三个子系统分为若干准则层，将准则层再细分为若干指标层，利用主成分分析法（PCA）得到3E协调发展的综合指数[6～8]。

为了研究上海地区3E系统发展的协调性，本文利用层次分析法构建上海地区的3E系统协调发展的综合评价指标体系，利用主成分分析法建立3E子系统协调的综合指数，最后对3E系统发展的协调度进行定量分析。

1 能源-经济-环境系统发展评价指标体系的设计

遵循科学性、全面性、系统性和可操作性等原则，建立3E系统协调发展的二维评价指标体系，一维是能源、经济、环境子系统，二维是总量指标、结构指标、增长指标和效益指标。二维指标分别代表了发展规模、发展质量、发展速度和发展效率。参考国内外3E系统的相关研究成果[1～8]，同时利用层次分析法（AHP）将评价目标逐层阶梯细分，设计得到如表1所示的评价指标体系。表中指标层的指标按照对系统发展的贡献性质,分为正指标和逆指标。

2 能源—经济—环境系统发展综合指数的计算

2.1 数据来源及处理

本文选择上海地区2000～2012年的相关数据作为指标层数据，所有数据均来源于上海市历年的统计年鉴。

由于数据的单位和量纲存在较大差异，因此对数据进行标准化处理。首先将指标层中的逆指标取倒数，与正指标一起形成n年p指标的样本矩阵 X=[xij]n×p（此处n=13，p=35）；然后将矩阵X中的数据进行标准化变换，得到标准化样本矩阵Y=[yij]n×p，如下式所示：

2.2 主成分分析

为了得到样本矩阵Y的主成分，记样本矩阵的协方差矩阵和相关系数矩阵分别为：

依据累计贡献率大于0.90的原则，确定m个主成分，

则样本的m个主成分为：

式中，T'代表矩阵T的转置矩阵。将特征值的贡献率与相应的主成分Z相乘，即可得到样本Y的主成分得分：

表1 3E系统协调发展的评价指标体系

2.3 上海3E系统发展综合指数

综上，得到能源、经济、环境子系统的主成分矩阵U=[U1,U2,U3]，并将主成分得分单位化，得到子系统发展的综合指数：

绘制3E系统发展综合指数，如图1所示。从图中可以看出，2000～2012年间，上海市能源和经济总体上呈现良好发展的态势，尤其是经济子系统在2008年后持续大幅度发展，至2012年达到顶底，并依然保持增长的趋势。但是环境子系统的发展水平在2002～2010年间持续下降，至2010年达到最低水平；仅在近两年微幅上升，至2012年发展综合指数为0.05左右。由此可见，上海地区的能源和经济发展水平较好，而环境发展水平严重偏低。这是因为上海属于资源匮乏型城市，其原煤等一次能源依靠外省输入，而二次能源电力消费较高，促使其能源发展水平较高；而城内炼钢等高耗能产业较多，并且没有有利的清洁能源发展环境，工业废气、废水、废渣排放连年增长，虽然环保投资有一定的增加，但是依然难以遏制环境污染的恶化，造成环境子系统发展水平逐年下降。

3 能源-经济-环境系统发展协调性的评价

3.1 子系统发展协调度的评价

协调发展可以通过相应的模糊数学函数计算得到，选择离差系数法计算系统之间的发展协调程度[9]，计算公式如下：

式中，Z1和Z2分别为系统1和系统2的发展程度，可以用发展综合指数表示；Z12为系统1和系统2的综合评价指数，取Z12=0.5×（Z1+Z2）；k为调节系数，k≥2；D1-2即为系统1和系统2的协调发展程度，0≤D≤1，且值越大表明系统之间越协调。

3.2 总体发展协调度的评价

将子系统发展协调度的评价推广至总体发展协调度，设能源、经济、环境子系统发展程度分别为Z1、Z2和Z3，其三者的综合评价指数为Z123=1/3×（Z1+Z2+Z3），则总体发展协调度的公式如下：

3.3 上海3E系统协调性的评价

图1 能源、经济、环境发展综合指数

根据式（8）和（9），取调节系数k=10，计算能源、经济、环境三个子系统之间的两两协调度以及总体协调度，计算结果如图2和图3所示。从图中可以看出，受到环境子系统发展水平低下的影响，能源-环境、经济-环境两两发展的协调度都偏低，在2005～2006年以后持续下降，协调发展的形势严峻。而能源-经济两两发展的协调度较高，自2008年后迅速上升，2012年达到协调程度的最高点，这也说明了上海地区能源和经济发展的相互促进作用明显。综合而言，整个系统由于环境子系统发展水平偏低，导致总体协调发展水平也偏低，在2005年以后出现了较大幅度的下降，近期上海连续的污染天气也表明，上海地区能源、经济、环境发展的协调性严重不足。

图2 子系统发展协调度

图3 3E系统总体发展协调度

4 结论

利用层次分析法建立能源-经济-环境3E系统发展的评价指标体系，利用主成分分析法得到了上海地区3E发展综合指数（图1），利用离差系数法得到3E子系统发展协调度（图2）和总体发展协调度（图3）。从上述分析得到以下结论：

（1）上海地区的能源和经济发展水平较高，近年来呈现逐年上升趋势，至2012年达到所选样本的最高点；环境发展水平呈现持续下降的趋势，现阶段处于超低位的发展水平，在2012年的综合指数仅0.05左右，未来的环境发展趋势依然严峻。

（2）由于环境子系统发展的不协调，导致上海地区能源-环境、经济-环境两两发展的协调程度严重偏低，虽然能源-经济发展逐年上升，但是能源-经济-环境（3E）系统总体的发展协调程度今年呈现明显下降趋势，近期处于历史低位。

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