海洋风能资源开发利用合理度评价研究——基于WSR系统方法论和三角模糊数

于谨凯，亢亚倩

（中国海洋大学 经济学院，山东 青岛 266100）

引 言

2016年，李克强总理在政府工作报告中多次强调“新旧动能转换”，即依靠新技术、新业态、新模式、新能源实现传统产业的改造升级，缓解经济增长阵痛。在此背景下，国家能源战略进一步强调新能源的开发利用，海洋作为21世纪经济发展的主战场，为此提供了巨大的可持续、可再生新型能源资源。作为一种新型清洁能源，海洋风能为缓解我国沿海地区能源短缺、建设生态文明和“海洋强国”提供了新的动能。联合国环境计划署与美国可再生能源实验室的一份联合研究报告指出，中国海上风能资源为600 GW。中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要、全国海洋经济发展“十三五”规划中将海洋风能产业作为国家战略型新兴产业；2017年，《海洋可再生能源发展“十三五”规划》《海洋气象发展规划（2016-2025年）》也将海洋风能作为我国近期的发展重点。因此，研究我国目前海洋风能资源开发利用合理度，明确问题所在，对提高海洋风能资源开发程度、优化海上风电布局，从而加快新旧动能转换有重要现实意义。

海洋风能因其资源丰富、分布广泛和成本低等特征，在世界海洋可再生能源资源利用中获得了巨大发展。国外学者对海洋风能的研究起步较早，主要从海上风电场经济效益评估、选址及综合治理三方面展开。在经济效益评估方面，北欧和美洲国家率先发展海洋风能产业，不仅解决了能源短缺与气候变化问题，还促进了当地经济增长、提供了就业机会[1]。海洋风能的选址是一个复杂问题，一方面，涉及海洋资源环境的适应性；另一方面，又必须考虑到其对海洋生态的影响以及与其他海洋活动之间的用海冲突[2]。在建立海洋风电场之前，首先要对海洋空间、资源做适宜性评估，其中包括海洋风能的客观条件——风速、深度、海底基础条件，并测验其对海洋生物栖息地的影响；其次进行技术经济环境风险（TERA）分析，评估安装项目的可行性及投入—收益分析，最后通过公众接受程度的调查，做好利益相关者协调[3-5]。对于选址问题分析，国际上通常借助GIS进行空间数据整合，并利用 SCP、TERA、LCA、混合 logit、意愿调查等方法决定风场的最优位置[6-8]。海洋风能产业的发展带来了诸如生态压力增大、养殖、海运区位挤占等负面影响，超出了原有海洋空间规划的版图，因此，未来必须将海洋风电作为整体利益的一部分去调整海洋空间规划，提高海洋风电场的多功能利用，从而实现海域使用的集约、协调[9-11]。另外，在治理框架中，要做好公共机构（组织）、政府、海洋风电企业之间的决策联盟与任务分工，通过完善市场机制促进海洋风电业的商业化发展[12-13]。

相比而言，国内学者对海洋风能的研究起步较晚且研究较少，主要从资源评估、发展现状和政策支持三方面来展开。从风速、风时、有效风密度等评估海洋风能资源及其空间分布[14]。我国近海可开发利用风能约7.5亿千瓦，而在实际中海洋风能的利用率较低，开发技术落后[15]。新能源发展战略下，我国应更加完善政府职能，加大财政支出，从市场机制、技术、产业政策等方面落实能源规划，从而促进海洋风能产业发展[16-17]。

WSR 系统论（“物理（W）—事理（S）—人理（R）”）是由顾基发教授和朱志昌博士于1995年提出来的，它不仅是一种系统的方法论，还是管理和解决大而复杂的问题的一项工具[18]。在WSR方法论中，“物理”（W）指的是涉及物质运动的原则和理论，一般是用自然科学的相关知识来答复“物”是什么[19]。“事理”（S）是解决事的方法，主要是如何去安排所有的物体和人员，一般是运用管理科学和运筹学等知识来说明“如何做”[19]。“人理”（R）是指如何做人的事理，一般要用到人文与社会科学方面的知识去答复“理当如何做”与“最应该怎么做”的问题[19]。把WSR当作一个系统，达到知物理、明事理、通人理，从而系统、完整、分条理地来对庞大的问题进行分析和研究。该方法被广泛运用到环境系统安全评估、基础设施系统管理评价、油气、水电项目系统管理与评估等领域[20-23]。

回顾已有文献可以发现，国内学者对海洋风能的研究处于起步阶段，并且相比国外学者，研究内容稍显基础，研究方法比较单一。而国外学者的研究虽然内容丰富，但都是基于本国发展情况，研究方法在我国目前情境中的适应性更待进一步去验证。因此，本文基于海洋风能资源开发的复杂系统问题，采用具有东方思辨特色的WSR——物理、事理、人理系统方法论构建我国海洋风能资源开发利用的合理度评价指标体系，利用层次分析法求出指标权重，并运用三角模糊数法对中国沿海11个省市海洋风能开发利用合理度进行评价，以期为提高我国海洋风能资源开发程度、优化海上风电布局，从而加快新旧动能转换提供决策参考。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 海洋风能资源开发利用合理度评价的WSR框架

海洋风能资源开发利用是一个复杂开放系统问题，从资源评估、项目分析、设施建设、电力服务等到与之相匹配的经济、社会、生态等事业，构成了一个统一的有机整体。海洋风能资源开发利用有赖于很多行业和部门的支持，必须协调好它们之间的关系。另外，海洋风能开发利用具有地域上和功能上的完整性，一般而言，在地域空间表现形式上，海洋风能资源开发利用是由电力需求地与海上（近海）风电场通过一系列电路网络和其他支持保障、管理等系统相互作用的一个空间网络系统。因此，在海洋风能资源开发利用合理度评价过程中，应用WSR系统方法论，利用人的理性思维的逻辑性和形象思维的综合性与创造性，从物理—事理—人理三方面系统、完整、分层次地对这一复杂问题进行研究是完全可行的。

将WSR系统方法论应用于海洋风能资源开发利用合理度评价过程中，物理层面上，评价海洋风能资源开发利用的客观情况，根据所收集原始海洋气象数据，辨析海洋风能的资源、能力禀赋，评价研究区域的海洋风能储备、发电设备、投入资金等；事理层面上，评价海洋风能资源开发利用的实现机制，根据海洋风能资源开发利用的相关政策，评价研究区域的所具备的方针政策、战略规划、法律制度及其实施效果；人理层面上，评价海洋风能资源开发利用的主体协调状况，根据海上风电场项目的相关调研，评价其对居民生活、生态环境的影响，以及社会公众的认知、接受程度。基于WSR系统方法论的海洋风能资源开发利用合理度评价的框架图，如图1。

图1 海洋风能资源开发利用合理度评价的WSR框架图Fig.1 The WSR framework for evaluating the rationality of marine wind energy development and utilization

1.1.2 基于WSR系统方法的评价指标体系构建

基于上述分析，从物理—事理—人理三个层面选取指标来建立我国海洋风能资源开发利用合理度评价指标体系，见表1。

表1 指标体系Tab.1 The index system

（1）物理层面上，借鉴相关研究结果，选取滩涂地区年平均风速C1来衡量海洋风能储备；鉴于数据可获得性，选取风力发电机数量C2、风电装机容量C3来判断各省海洋风能发电设备的发展现状况；海洋风能发展的客观情况还包括投入方面，选取海洋风能发展专项资金（万元）C4、海洋风能开发技术水平C5两项指标替代。

（2）事理层面上，以面对海洋风能资源开发利用的政策实施效果为依据，借鉴Gonzalez对海洋风能开发管理的政策绩效评价指标[24]，海洋风电企业数能体现政府政策的实施效果；选取政策支持力度C7、布局与规划一致程度C8来衡量国家宏观层面上的扶持状况以及国家规划与实际布局中的出入。

（3）人理层面上，主要从对居民生活的正向、负向影响指标、风电场海域水环境、鸟类生存环境、水产养殖活动以及公众的认可程度几方面选取8项指标。

1.1.3 基于三角模糊数方法的评价过程

第一步，以11个沿海省市为评价对象，假设每个省份有m个B级指标，分别用Ci（i=1，2，···，m）表示；p 个 C 级指标，分别用Cij（j=1，2，···，p）表示；假设有n个评价专家，分别用Ek（k=1，2，···，n）表示。

第二步，定义语言变量和对应的三角模糊数。语言变量用来确定省市不同指标下的评价值。三角模糊数用集合 A=（a，b，c），其中a＜b＜c。三角模糊A对应的隶属度函数fA（x）为：

设 A=（a1，b1，c1）、B=（a2，b2，c2），运用三角模糊数的加、减、乘、除、倒数的计算规则，并利用[0，10]区间确定海洋风能资源开发利用的语言变量和对应的三角模糊数，见表2。

表2 语言变量和三角模糊数Tab.2 The language variables and triangular fuzzy numbers

第三步，假设xij是第k个专家用三角模糊数表示的第B级指标下的第j个C级指标的模糊平均值，其计算公式为：

第四步，利用中心值法对C级指标的模糊矩阵进行去模糊化，其计算公式如下：

第五步，利用层次分析法确定指标权重，Wi=（wi1，wi2，···，wip），

第六步，计算待评价省市海洋风能开发利用的B级指标加权得分，其计算公式为：

第七步，计算各个省市海洋开发利用合理度的综合加权得分，并确定其等级。综合加权得分计算公式如下：

等级划分如表3所示。

表3 合理度等级划分表Tab.3 Grading table of degree of rationality

1.2 数据来源

本文研究对象主要涉及沿海11个省市，包括上海、天津、河北、辽宁、江苏、浙江、福建、山东、广东、广西、海南。根据可得性与科学性原则，本文所使用的数据来源于两方面：

（1）行业报告。所使用的客观数据根据以下年鉴和公报整理所得：《中国气象监测数据》、《2015年风电装机容量报告》，其中主要是对海洋风能资源量、开发装备等数据，部分缺失值通过拟合预测和周围地区近似值替代的方法进行处理。

（2）项目调研及专家问卷。通过参与国家自然基金课题，于2016年7-9月与2017年5月在沿海18个城市进行项目调研。过程中收集专家问卷调查，其中主要包括了海洋风能资源开发利用的相关规划及公民认知等，作为主观评价数据的一部分。

表4 指标权重Tab.4 The index weight

2 结果与分析

2.1 指标权重确定及分析

按照三角模糊数的评价过程，得出我国海洋风能资源开发利用合理度评价指标体系权重，见表4。

由表4可以看出，（1）物理层面的权重最高，占0.387，这表明在我国目前海洋风能资源开发利用过程中，解决海洋风能设备安装，资源转换、电力储存等客观的物理层面的问题是重点，其中海洋风能开发技术水平权重最大，占0.324，其次是滩涂地区年平均风速，占0.238，说明海洋风能资源开发受自然条件的影响较大，尤其是风速，那么在开发利用过程中要不断改进技术，提高发电的稳定性。（2）事理层面的权重为0.329，其中权重最大的是政策支持力度。就我国目前的发展现状而言，海洋风能资源的开发利用由政策主导，其规划布局的重点项目则会激励当地政府与企业进行投入实施，这点不同于国外。（3）人理层面的权重最小，占0.284，这与我国发展处于初级阶段有关，专家认为目前亟需解决的技术和组织层面的问题，而国外相关研究表明，海洋风电场的建设并不影响水产养殖的环境[5]，而项目建设过程中的建筑材料废弃物是污染海域环境的主要因素。海洋风能发电过程产生的辐射会影响鸟类迁徙，对其栖息地有一定伤害。另外，海洋风能建设一般远离居民区，所以噪声污染相对较小。

2.2 合理度求解及等级划分

根据上述求得的指标权重，得出沿海11省市海洋风能资源开发利用合理度的综合加权值及等级划分，见表5。

根据表5的结果，按照等级结果，将11个沿海省市的海洋风能资源开发利用的合理度水平分为三类，见表6。

从表6中可以看出，我国11个沿海省市中，属于海洋风能资源开发利用合理度第一类的有海南省、广西省、辽宁省、河北省、天津市，这5个省市海洋风能资源开发利用合理度最差；第二类省市包括山东省、上海市、广东省、浙江省，4个省市合理度评价结果均处于一般及一般偏好水平；第三类别包括福建省、江苏省两个省份，其合理度评价值均在7以上，接近好。

表5 合理度结果及等级划分Tab.5 The result of rationality and grade division

表6 合理度等级类别Tab.6 The grade division of rational degree solution

2.3 结果分析

根据表5、表6，可以看出我国海洋风能资源开发利用的合理度水平整体偏低，各个省份之间的差距也较大，具体呈现出以下特征：

（1）海洋风能开发利用合理度水平整体偏低。沿海11省市海洋风能开发利用合理度水平最高的是福建省，综合加权值为7.237，在按照等级划分标准，处于一般与好之间，接近好。山东、上海、广东、浙江处于一般偏好水平，其余省市处于差等级。就具体指标得分的整体情况而言，我国海洋风能资源开发利用的物理整体得分较低，相比资源存量，开发利用水平较低。在风电设备方面，目前建成和在建的海上风电项目的电力稳定与电力供应设备技术水平较低，产生的废电无法满足沿海城市的用电需求。

（2）重点布局省份的优势不显著。按照我国可再生能源发展规划，要重点开发江苏、山东、广东、浙江的海洋风电，而根据评价结果，除江苏省外，其余三个省的开发合理度均处于较差等级，说明在实际的开发利用中，存在布局不合理之处。从分项评价指标得分可以看出，山东省海洋风电与养殖、海运之间的沿用使用矛盾较为突出；浙江省海域水质受污染的程度较高；江苏省风电项目较多，之间的资源与资金冲突问题较突出；广东省海洋风电总装机容量较规划的目标差距甚远。总之，重点布局的省份没有达到规划的预期，合理开发利用水平有待进一步提高。

（3）不同合理度等级类别之间存在显著的差异。海南、广西、辽宁、河北、天津属于第一类别，合理度处于较差的水平。不同省份在不同的方面具有发展劣势。海南省的海岸线较短，以发展旅游业为主，因此风电项目较少，所受政策支撑力度较弱；广西省公众对海洋风能开发利用的认可度比较差，结果显示其了解和接受程度的指标得分最低；辽宁省的事理层面和人理层面的问题都比较突出，分析结果显示出其现实布局与规划在一定程度上不吻合，沿海居民对海洋风电的结构度较弱，普遍认为影响了正常的生活；河北省、天津市在政策实施评价方面的得分较低，主要表现在海洋风场集中布局，但是聚集效应较差，反而带来了局部的水动力受损问题。山东、上海、广东、浙江属于第二类别，合理度处于一般水平。这四个省份在物理层面的得分较高，说明其在解决“是什么”问题上较为完善，除了有丰富的资源资金，其规划起步早，正在逐步走向有序。福建、江苏属于第三类别，合理度处于偏好水平。

3 结语

（1）影响海洋风能开发利用合理度水平的因素中，物理层面的权重最高，占0.387，解决海洋风能设备安装，资源转换、电力储存等客观的物理层面的问题是重点；事理层面的权重为0.329，海洋风能资源的开发利用由政策主导，其规划布局的重点项目则会激励当地政府与企业进行投入实施；人理层面的权重最小，占0.284，我国发展处于初级阶段，亟需解决技术和组织层面的问题。

（2）海洋风能开发利用合理度水平整体偏低，沿海11省市海洋风能开发利用合理度水平最高的是福建省，综合加权值为7.237；水平最低的是海南省，综合加权值为4.613；其余省市均处于5~6水平之间，整体来说，开发利用合理度水平低。

（3）重点布局省份的优势不显著，除江苏省外，重点开发的山东、广东、浙江的海洋风电开发合理度均处于较差等级，没有达到规划的预期，合理开发利用水平有待进一步提高。

（4）不同合理度等级类别之间存在显著的差异。海南、广西、辽宁、河北、天津属于第一类别，合理度处于较差的水平。山东、上海、广东、浙江属于第二类别，合理度处于一般水平。福建、江苏属于第三类别，合理度处于偏好水平。

总的来说，我国对于海洋风能资源开发利用还处于初级阶段，合理度水平整体偏低，加强海洋风能合理布局十分必要。海洋风能资源开发利用是一个复杂问题，需要做好物理—事理—人理方面的协调。