河南省能源、经济与环境(3E)系统绿色发展评价与分析

杨志清

(河南牧业经济学院，河南 郑州 450046)

近年来，生态承载能力日趋饱和、能源资源约束趋紧，成为制约中国可持续发展的重要瓶颈。在此背景下，科学发展观、“五位一体”总体布局、五大发展理念和“两山论”的提出，为绿色发展理念的形成奠定理论基础，为美丽中国的建设提供了行动指南[1]。绿色发展能够有效组织和协调能源、经济与环境三者之间的关系，使其长期处于一个动态平衡的过程之中。因此，合理构建一个能源、经济与环境(3E)系统，评价系统间的协调发展显得尤为重要。

长期以来，关于3E系统内在联系、相互作用逻辑关系，以及协调度测算与评析等方面，许多学者进行了相关研究并做出大量的工作。范慧平等[2]等研究了环境与经济的内在关系，长期来看经济增长利于生态环境的提升，而生态环境则是经济可持续发展的保障；短期内，经济增长将造成生态环境恶化，而生态环境改善会消耗经济利益。牟勇等[3]运用SDM模型分析能源、经济与环境之间的协同关系，发现经济与能源是环境的因，环境为果，能源与经济互为因果。李晓飞等[4]构建了河南省3E系统的VAR模型，同时利用脉冲响应函数和方差分解方法对3E系统间的动态关系进行了研究，表明三系统间存在着动态和长期稳定的协整关系。CHEN等[5]采用层次分析法与耦合协调模型结合对中国8个省份3E系统的协调度进行了实证分析，发现良好的能源利用对环境的保护和经济发展起促进作用，并且大部分3E系统相对协调的地区，环境评价也会较高。张黎鸣[6]使用熵值法与耦合协调模型结合对河南省3E系统的协调发展水平进行综合评价，得出2005—2014年3E系统中两两子系统间协调度呈上升趋势；YANG等[7]也采用相同的方法对内蒙古自治区3E系统进行评价，发现2007—2017年3E系统协调程度呈上升趋势，但整体仍处于不协调的发展状态。李力等[8]运用ESDA工具与PLS路径模型对中国省域3E系统耦合协调发展进行分析和探讨，得出了省域3E系统协调度整体呈现动态螺旋上升的趋势。逯进等[9]构建能源、经济与环境三系统耦合模型，测算了1995—2014年中国四大区域三系统间的耦合协调水平，结果表明,三系统耦合度保持不断递增的态势，耦合度整体呈现由东部向西部递减。主成分分析法与熵值法常被用于评价3E系统协调发展水平，2种方法各有特色，主成分分析法可以对大批量指标进行降维，使问题的处理简单化，但计算权重不够客观合理，而熵值法虽不能减少指标维数，但在指标赋权方面更有优势。为了规避2种方法的局限性，本研究采用主成分分析-熵值法组合分析法，选取河南省2005—2017年间相关数据，对河南省3E系统绿色发展水平进行测算，同时引入协调度模型对3E系统协调度进行评价与实证分析，进而提高评价结果的全面性与科学性，为促进河南省3E系统实现绿色协调发展提供理论依据。

1 河南省3E系统绿色发展评价指标体系的构建

为了能更好评估绿色发展背景下河南省3E系统发展水平，准确详实地描述河南省3E系统协调发展程度，本研究结合河南省能源、经济与环境发展现状，综合国内学者的研究成果，在遵循科学性、全面性、代表性和可操作性原则的基础上构建3E系统评价指标体系。在构建指标体系的过程中从能源结构、能源利用效率、环境污染与治理、经济产业结构、科技创新、经济投资与外贸等方面，选取对绿色发展可能造成影响，并能真实反映河南省能源、经济与环境发展现状的有关指标，共包含29个指标分别是能源子系统A1～A9，经济子系统B1～B11，环境子系统C1～C9，构建的评价指标体系如表1所示(其中正指标，指标值越大越好；逆指标，指标值越小越好)。

表1 河南省3E系统绿色发展评价指标体系 Table 1 The green development evaluation index system of 3E system in Henan Province

续表1 Continuing table 1

2 评价模型的构建

2.1 主成分分析-熵值法评价模型

鉴于指标数量较多的特点，选取主成分分析评价法进行降维，能有效去除各指标数据之间信息重复的部分，得到原始信息最多且具有明显代表性的主成分[10]，但在计算综合评价得分时，使用累计贡献率作为权重往往会导致第一主成分权重远高于其他主成分，不够客观和合理[11]。而熵值法赋权的信息直接来源于各项指标的原始数据，单纯通过信息量的大小来决定相应的指标权重[6]，从而使计算出的指标权重更具有客观性。基于以上分析构建主成分分析-熵值法评价模型，2种方法的互补使用能够充分发挥各自优点，有效避免人为判断的主观性和片面性[12]。主成分分析-熵值法评价模型具体步骤如下。

假设评价系统中评价对象有m个，每个评价对象对应的评价指标有n个，则构成矩阵Xij(其中i=1,2,…，m；j=1,2,…，n)。在主成分分析法中运用公式X′ij=max(Xij)-Xij对逆指标进行正向转换后，再使用Z-score法进行标准化处理，熵值法分析过程中使用极差法进行同向化与标准化处理。

(1)主成分分析法降维

①条件检验：对各项指标数据进行KMO检验和Bartlett球形度检验[13]，判断是否适合主成分分析。

②计算特征根与累计贡献率，选取特征根>1或累计贡献率>85%的前k个主成分，根据式(1)计算特征根对应的单位特征向量矩阵。

(1)

式中:Ekj为单位特征向量；fkj为因子载荷矩阵中第k个主成分的第j个指标对应的变量；

λk为第k个主成分对应的初始特征根。

③计算出各主成分得分，公式如下所示：

(2)

式中:Fik为第i年第k个主成分得分,ZXij为第i年第j项指标标准化后的值。

(2)熵值法确定指标权重

①计算第i年份第j项指标的比重Pij

(3)

式中：Yij为第i年第j项主成分得分

②计算第j项指标的信息熵ej和信息冗余度dj

(4)

dj=1-ej

(5)

③计算第j项指标权重：

(6)

(3)构建综合评价函数计算主成分分析-熵值法评价模型综合评价得分，公式如下：

(7)

式中：Qi为第i年主成分分析-熵值法模型绿色发展水平值。

2.2 协调度模型

协调水平反映的是两个及两个以上系统间相互制约和相互支持的关系[14]，然而，通过各系统绿色发展水平值无法直观看出系统间协调发展状况，因此本研究引入协调度模型与相关评价标准[15]：

(8)

式中:X与Y分别代表3E系统中任意两系统各自的绿色发展水平值；协调度C为X与Y系统间的协调度，其中C值为-1.414～1.414，与X、Y系统间的协调性基本呈正相关。根据计算出的协调度可将协调水平划分为6种类型，其相对应的特征如表2所示。

表2 协调类型分类标准Table 2 The classification criterion of coordination type

3 测算与分析

由于统计数据的延迟性，本研究选取河南省2005—2017年作为评价时间段，从《河南省统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和《中国统计年鉴》中获得各项评价指标数据后，基于构建的主成分分析-熵值法评价模型与协调度模型，利用SPSS统计软件与Excel软件进行统计计算，最终对结果进行分析与评价。为了消除价格因素的影响，本研究将所有货币单位的指标值换算为2005年不变价格值。

3.1 3E系统绿色发展水平值测算

3.1.1 能源子系统测算 运用SPSS软件中自带的Z-score标准化法对能源子系统指标数据进行标准化处理。在主成分分析之前需要利用SPSS软件中KMO检验和Bartlett球形度检验评价指标数据是否具有结构效度，检验结果如表3所示。

表3 能源子系统评价指标KMO和Bartlett检验 Table 3 The KMO and Bartlett’s test of energy subsystem indicators

从表中可以看出，检验结果显示KMO值为0.802>0.5，且Bartlett球形度检验值为0.000<0.005，认为适合分析。利用SPSS软件进行主成分分析法降维，从而提取主成分，计算结果如表4所示。

表4 能源子系统评价指标的总方差解释 Table 4 The total variance explained of energy subsystem indicators

由表4可知，前2个主成分f1与f2的特征值均>1且累计贡献率为93.587%，表明能源子系统A1～A9的指标数据经过主成分分析法降维后，由原始的9个指标转化为2个主成分f1与f2来代表原始变量中的绝大多数信息，主成分与原始变量间的相关系数如表5所示。

表5 因子荷载矩阵 Table 5 Component matrix

将因子荷载矩阵的f1、f2与初始特征值λ1、λ2代入式(1)中计算单位特征向量矩阵E1、E2，之后将标准化后的指标数据矩阵ZAj(j=1,2,…，9)代入式(2)中即可计算出主成分F1、F2得分矩阵(表6)，计算表达式为:

F1=0.342ZA1+0.369ZA2-0.173ZA3+0.356ZA4+

0.367ZA5+0.371ZA6+0.332ZA7+0.313ZA8+

0.332ZA9

F2=0.029ZA1-0.096ZA2+0.772ZA3+

0.154ZA4-0.017ZA5+0.005ZA6+0.361ZA7+

0.339ZA8-0.353ZA9

表6 能源子系统主成分得分矩阵 Table 6 The principal component score matrix of energy subsystem

根据熵值法原理，利用公式(3)—(6)计算主成分F1、F2矩阵的权重，结果如表7所示。

表7 能源子系统主成分权重 Table 7 The principal component weights of energy subsystem

将权重W1、W2与主成分得分矩阵F1、F2代入公式(7)中，计算得出能源子系统绿色发展水平值，表达式如下：

Q能源=0.575F1+0.425F2

3.1.2 经济子系统测算 根据能源子系统测算步骤，同理可得经济子系统绿色发展水平值的测算方法。指标正向化、标准化后进行结构效度检验，结果如表8所示。

检验结果显示KMO值为0.732>0.5，且Bartlett球形度检验值为0.000<0.005，认为适合进行分析。主成分提取结果如表9所示。

表8 经济子系统评价指标KMO和Bartlett球形度检验 Table 8 The KMO and Bartlett’s test of economic subsystem indicators

表9 经济子系统评价指标的总方差解释 Table 9 The total variance explaination of economic subsystem indicators

由表9可知，前2个主成分f1与f2的特征值均>1且累计贡献率为96.687%，表明经济子系统B1～B11的指标数据经过主成分分析法降维后，由原始的11个指标转化为2个主成分，主成分与原始变量间的相关系数如表10所示。

表10 因子荷载矩阵 Table 10 Component matrix

经济子系统主成分得分矩阵(表11)的表达式为：

F1=0.323ZB1+0.294ZB2+0.322ZB3+

0.314ZB4+0.259ZB5+0.271ZB6+0.314ZB7+

0.316ZB8+0.301ZB9-0.278ZB10+0.316ZB11

F2=0.063ZB1-0.333ZB2-0.096ZB3-

0.219ZB4+0.546ZB5+0.495ZB6+0.004ZB7+

0.078ZB8+0.201ZB9+0.450ZB10-0.187ZB11

表11 经济子系统主成分得分矩阵 Table 11 The principal component score matrix of economic subsystem

根据熵值法原理，计算主成分F1、F2矩阵的权重，结果如表12所示。

表12 经济子系统主成分权重 Table 12 The principal component weights of economic subsystem

经济子系统绿色发展水平值表达式为：

Q经济=0.461F1+0.539F2

3.1.3 环境子系统测算 根据能源和经济子系统测算步骤，同理可得环境子系统绿色发展水平值的测算方法。指标正向化、标准化后进行结构效度检验，结果如表13所示。

检验结果显示KMO值为0.645>0.5，且Bartlett球形度检验值为0.000<0.005，认为适合进行分析。主成分提取结果如表14所示。

表13 环境子系统评价指标KMO和Bartlett球形度检验 Table 13 The KMO and Bartlett’s test of environmental subsystem indicators

表14 环境子系统评价指标的总方差解释 Table 14 The total variance explaination of environmental subsystem indicators

由表14可知，前2个主成分f1与f2的特征值均>1且累计贡献率为87.789%，表明经济子系统C1～C9的指标数据经过主成分分析法降维后，由原始的9个指标转化为2个主成分，主成分与原始变量间的相关系数如表15所示。

表15 因子荷载矩阵 Table 15 Component matrix

环境子系统主成分得分矩阵(表16)的表达式为：

F1=-0.005ZC1-0.311ZC2-0.383ZC3+

0.396ZC4+0.229ZC5+0.384ZC6+0.389ZC7+

0.309ZC8+0.392ZC9

F2=0.665ZC1+0.109ZC2+0.074ZC3+

0.101ZC4+0.581ZC5+0.166ZC6-0.050ZC7-

0.397ZC8-0.074ZC9

表16 环境子系统主成分得分矩阵 Table 16 The principal component score matrix of environmental subsystem

根据熵值法原理，计算主成分F1、F2矩阵的权重，结果如表17所示。

环境子系统绿色发展水平值表达式为：

Q经济=0.588F1+0.412F2

3.2 3E系统绿色发展水平值评价与分析

将2005—2017年河南省能源、经济与环境各系统绿色发展水平值进行汇总，如表18所示。

表17 环境子系统主成分权重 Table 17 The principal component weights of environmental subsystem

表18 河南省能源、经济与环境绿色发展水平值 Table 18 The green development level value of energy,economy and environment in Henan Province

图1为表18中的数据绘制所得。可以看出河南省能源、经济与环境各系统绿色发展水平值在少数年份存在上下浮动的情况，但总体呈上升趋势。其中2005—2009年，经济绿色发展水平值基本位于能源和环境的上方，表明在发展过程中过分偏重经济，而忽视了能源和环境的绿色发展。

图1 河南省能源、经济与环境绿色发展水平值 Fig.1 The green development level value of energy,economy and environment in Henan Province

2011—2014年，河南省经济结构和增长方式不合理导致经济绿色发展水平值位于能源和环境的下方。从产业结构来看，传统行业与高耗能行业比重过高，战略新兴产业与高新技术产业比重偏低，第三产业发展质量不高，服务能力不足，经济增长延续粗放式的增长。虽然对经济调整后取得一定成效，但整体进展速度较为缓慢。

相较于2011年前，2011—2014年能源和环境系统的绿色发展水平获得了较大幅度的提升，经济与环境呈现出同向的变化趋势，这与经济转型和结构的稳步调整具有一定关联。从图1中可以看出，2011—2012年出现了一个跳跃，究其原因，一是河南省能源结构的优化调整，其中2012年煤炭的消费量相比2011年下降了11.0%，且煤炭消费占比有所降低，而天然气的占比有所提升；二是清洁能源的发展。2012年清洁能源的发电量大幅提高，较2011年提高30.9%；三是能源利用技术的改善。2012年单位GDP能耗和电耗相比于2011年分别下降了7.2%和6.2%，能源技术的革新加快了产业机构向节能型方向转变。

2014—2017年，经济绿色发展水平值迎来了量变到质变的过程。与2014年相比，2015、2016年第二产业贡献率分别下降12.7%、30.6%，第三产业贡献率分别增加了22.7%、58.3%，其中高耗能行业与传统行业的增加值逐步降低。除此之外，科技创新是绿色发展的根本动力和重要支撑[16]，科研创新投入的增大，引领了经济健康的发展，为未来绿色经济的可持续发展提供了强大支撑，经济的绿色发展对能源与环境系统的发展有着积极的影响，能源系统绿色发展水平稳步提升，而环境系统发展水平在2014—2016年遭遇停滞，但在2017年得到了较快的恢复，总体发展态势良好。

3.3 3E系统协调度评价与分析

根据协调度模型计算得出能源—经济、能源—环境与经济—环境各系统之间的协调度，从中可以看出系统之间的协调发展状况，结果如表19所示。

表19 河南省能源、经济与环境系统间协调度 Table 19 The degree of coordination among the energy,economic and environmental systems in Henan Province

总体来看，各系统之间协调发展基本可以划分为两个阶段，一是2005—2011年不协调发展阶段，协调度为负值；二是2012—2017年的基本协调发展阶段，协调度为正值。首先分析2005—2011年间发展状况，能源—经济两系统协调度为V类不协调发展状态，能源掠夺式的开发和不合理的消费支撑着河南省经济粗放式的发展，并且在开发和消费过程中技术手段落后、利用效率低下，导致了资源浪费，无法满足经济绿色可持续发展，从而造成两系统间不协调的现象。能源—环境两系统同样处于V类状态，甚至在2006年与2008年出现了Ⅵ类失调的发展状态，发展状况并不乐观。由于河南省受到自然资源禀赋的限制，能源消费以煤炭资源为主，能源利用与环境治理技术的不完善，导致污染物排放不合理且防治能力较低，最终造成了两系统间的不协调发展。经济—环境两系统2005年处于Ⅵ类失调的状态,2006—2011年间处于V类不协调发展状态。河南省处于粗放式的经济发展中，对环境治理投资力度与科技研发投入金额不高，创新发展能力不足，从而导致能源利用与环境治理相关工艺与技术路线难以突破、战略新兴产业发展较慢，一定程度上造成经济结构调整艰难和生态环境发展水平低下。因此，在实现经济增长质量和效益同步提高的同时，注重资源节约和环境保护，走高技术、低污染，全面、协调、可持续的绿色发展道路尤为重要[17]。

进一步分析2012—2017年各系统两两之间协调度与发展类型的变化。2012年能源—经济、能源—环境与经济—环境发展类型分别属于Ⅲ类弱协调、Ⅱ类基本协调与Ⅳ类欠协调。虽然在2005—2011年能源—环境系统是三者中发展最不乐观的，但其在2012年率先进入基本协调。2013—2017年各系统两两之间都达到了Ⅱ类基本协调，最终在2017年全都达到了Ⅰ类协调发展水平。从能源—经济的角度来看，主要是经济的结构发生了重要的转变，第二产业的比重逐渐压缩，而以服务业为主的第三产业作为“推动性产业”正在快速发展，对经济的发展具有积极的影响，经济的增长对能源消费的依赖程度降低。从能源—环境角度来看，能源的消费结构和产业结构发生转变，一是能源消费结构向清洁化发展，清洁能源的大力发展，为未来能源产业绿色发展奠定了基础，二是能源产业结构减少了高载能、高污染产业的比重，增加了高成长性、高技术性产业的比重，为节能减排做出了重要贡献。从经济—环境来看，经济发展到一定高度时，资金持续的投入能够解决环境治理和修复过程中的技术难题和所需费用，有利于环境高质量的发展。同时，将生态环境优势与当地产业布局相结合，产生的效益也可直接反哺于经济的发展，两者之间形成良性循环。

4 结论

为了将绿色发展理念更好地贯彻于河南省能源、经济与环境三者发展的过程中，有效提高河南省绿色发展水平，从而实现河南省高质量发展。本研究在构建指标体系的过程中，选取能源、经济与环境中对绿色发展具有影响的相关指标。基于主成分分析-熵值法评价模型与协调度模型分析了河南省2005—2017年3E系统的绿色发展水平与系统间的协调发展情况，结果如下。

(1)河南省2005—2017年能源、经济与环境各系统绿色发展水平值，在少数年份存在上下浮动的情况，但总体呈现上升的趋势。其中，经济绿色发展水平呈螺旋式上升，这是经济逐渐迈向高质量发展的规律使然。能源绿色发展水平总体呈现稳步上升趋势，环境绿色发展水平在后期逐渐发力，虽然在2014—2016年遭遇停滞，但2017年得到了较快的恢复，总体发展态势良好。

(2)河南省2005—2017年能源—经济、能源—环境与经济—环境系统间的协调发展状况可以明显分为两个阶段，一是2005—2011年不协调发展阶段；二是2012—2017年的基本协调发展阶段；其中2012年作为转折点，能源—经济、能源—环境与经济—环境发展类型分别从V类不协调相继转变为Ⅲ类弱协调、Ⅱ类基本协调与Ⅳ类欠协调。虽然2005—2011年间能源-环境系统在三者中发展最不乐观，但其在2012年率先进入基本协调，并在后期保持了优势状态；经济—环境系统的协调发展水平总体稍落后于能源—经济、能源—环境系统，应时刻保持关注。随着时间的推移，能源—经济、能源—环境与经济—环境系统两两间的协调度不断上升，河南省绿色发展水平趋势连年向好。