基于熵权TOPSIS法的我国区域能源安全评价研究

孙贵艳,王 胜

(1.重庆社会科学院 重庆 400020;2.西南大学 重庆 400715)

1 引言

我国提出，推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。一般而论,能源安全作为能源体系的状态,直接影响到国家或地区的可持续发展与社会稳定,成为全世界关注的重要议题[1]。我国“缺油、少气、富煤”的资源禀赋,经济发展带来的能源消费总量的刚性增长,以及国际能源价格走低的发展态势等,导致我国以煤炭为主的能源消费结构没有得到明显改善。我国原油、天然气的对外依存度较高,2017年分别达

到67.4%、39%。同时,由于经济发展需求、能源资源空间分布、生态环境要求之间的空间不匹配,弃风、弃光、弃水电现象仍较严重,导致我国供应不足与粗放式利用矛盾明显。鉴于此,对我国不同省市的能源安全状况进行研究,有利于把握我国各区域的能源安全形势,促进国家与地区的可持续发展。

能源安全的提出与20世纪70年代后期的石油危机是紧密相关的。随着全球化进程的加快,能源需求、价格调整和环境问题日益突出,能源安全的重要性和内涵都在发生变化,扩展为涵盖能源、经济与环境等多维度的概念[2,3]。如亚太能源研究中心[4,5]对能源安全概述为：保证能源资源可持续供应和能源价格维持在合理的水平,不对经济发展产生不利影响的经济能力,不会受到可利用性、可获得性、可接受性、可承受性等方面的影响。随着能源安全涉及维度的不断延伸,学者们提出了一系列能源安全的度量标准：Von Hippel[6]从环境、技术、需求管理和社会文化政治4个方面建立了亚洲各国的能源安全评价框架;Vivoda[7]在Von Hippel研究的基础上,增加了人类安全、国际关系、政策3个因素,但未在国家或地区进行实证分析;Sovacool[8]认为Vivoda研究的涵盖维度不够全面,部分指标不具有普适性,因此在对64个国际权威能源机构进行半结构化访谈的基础上,构建了由可利用性、依存度、多样性等20个维度、200个指标构成的指标体系。同年,Sovacool、Mukherjee[9]又进一步归纳出300个单一指标与52个复杂指标的能源安全评价指标。除学者们的研究外,国际上的能源研究机构和部门也进行了相关研究,如英国能源安全联合研究小组[10]围绕英国的天然气、电力供应安全,从能源供需预测、市场信号、市场响应3个维度构建了能源安全评价体系。

在关注国家层面的能源安全外,学者们也加强了对区域层面的能源安全的研究,如刘立涛等[11]从可获得性、经济效率、社会福利、环境保护4个维度构建了区域能源安全评价体系;Zhang等[12]从可用性和多样性、可承受性和公平性、技术和效率、环境可持续性、管理和创新5个维度对我国不同省市的能源安全状况进行了分析;孙涵等[13]从能源供应、使用、经济与环境安全4个方面对我国区域能源安全保障水平进行了研究。总体来说,早期的能源安全强调能源供应稳定、经济价格合理,多是从影响供应稳定的政治、资源禀赋、运输等因素,以及影响经济运行的价格因素角度构建能源安全指标体系。随着能源安全内涵的丰富,近几年增加了能源使用安全、环境安全等方面的评价指标。不容忽视的是,国家层面的能源安全研究成果较丰富,而区域层面的能源安全评价研究偏少,且评价指标多侧重能源供应侧、能源使用,以及存在重指标构建、轻使用等问题。鉴于此,考虑到能源的供应侧、需求侧、使用情况,本文从区域能源供应、能源需求、能源使用3个维度构建了区域能源安全评价指标体系。考虑到熵权TOPSIS法具有获得权重客观真实、模型计算简单、可进行横向对比分析等优点,所以本文采用熵权TOPSIS法对我国不同省市的能源安全水平进行分析,以便为制定能源环境方面的政策提供参考。

2 研究方法

2.1 熵权TOPSIS法

TOPSIS法是一种基于评价对象与理想化目标的距离进行排序的评价方法[14]。为了有效消除评价的内外部环境发生变化产生的影响,在此运用熵值法来确定各评价指标的客观权重,使评价结果更具有可比性。考虑到各指标的量纲、数量级、指标的正负取向有差异,采用极差法对数据进行标准处理,计算公式为:

正向指标:

(1)

负向指标:

(2)

在能源安全指标体系的测度中,权重的确立是非常重要的内容。目前确定权重有主观赋值法、客观赋值法,其中客观赋值法是根据各指标提供的信息来决定权重。在此采用客观赋值法中的熵值法,根据熵值大小,即各指标的变异程度,确定权重。

计算第i个地区第j项指标值的比重:

(3)

计算信息熵:

(4)

计算信息熵冗余度:

dj=1-ej

(5)

确定指标的权重:

(6)

最后得到单项指标评价得分:

(7)

确定正理想解和负理想解:

(8)

(9)

各评价对象到正理想解和负理想解的欧式距离,计算公式为:

(10)

(11)

各评价对策与最优解的相对接近度Ci:

(12)

2.2 评判标准

参考相关学者的研究成果[15,16],将接近度划分为5个评判等级,见表1。

表1 区域能源安全评判标准

3 区域能源安全评价

3.1 区域能源安全评价体系构建

借鉴已有的研究成果,按照全面性、普适性、可比性等原则,从区域能源供应安全、能源需求安全、能源使用安全3个维度来构建区域能源安全评价体系。考虑到能源供应安全可能会受到资源禀赋、资源可获得性、技术和管理水平等影响,因此选择从资源禀赋、可获得程度、技术发展、能源管理4个方面来度量,主要选择能源总储量、能源生产多元化指数、对外依存度、市场流动性、地质勘查投入强度、能源工业投资等指标。能源需求安全则从经济社会发展、普惠程度两方面来度量,主要选择人均GDP增速、人口增长率、城镇化率、产业结构、能源消费弹性系数、农村人均用电量、能源价格等指标。能源使用安全从消费结构、利用效率、环境影响、环境保护4个方面来度量,主要选择多元化指数、非化石能源消费比例、单位GDP能耗、人均碳耗、人均废水排放量、废气排放强度、节能环保投入强度等指标,具体的指标体系见表2。

表2 区域能源安全评价体系及权重

3.2 评价结果

本文根据上述构建的区域能源安全评价指标体系,同时借助2017年的《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》及各省、自治区、直辖市的统计年鉴,利用熵权TOPSIS法对我国的区域能源安全状况进行了分析,结果见表3(因数据缺失，未包括香港特别行政区、澳门特别行政区、台湾地区、西藏自治区)。

表3 我国区域能源安全水平

从表3可见:①我国的区域能源安全程度普遍较低。我国大部分省市的能源安全值在0.3以下,约1/2的省市的能源安全值处在0.2以下。其中,上海、山西、青海、新疆、海南、宁夏、甘肃、内蒙古、北京、黑龙江的能源安全值高于全国的平均水平。特别是上海、山西、青海、新疆的能源安全值在0.3以上。就C值来看,上海、山西处于临界安全状态,宁夏、新疆、青海、内蒙古、海南、甘肃、北京处于较不安全状态,其他地区都处于不安全状态。②在能源供应安全方面,新疆、山西的能源供应安全状况相对较好。就我国的三大区域而论,能源供应安全的平均值为西部地区>中部地区>东部地区,呈现“西高东低”的变化态势。对我国区域内不同省市能源安全的差异状况而论,通过变异系数分析可知,中部地区>西部地区>东部地区,这表明我国中部地区内不同地区间的供应安全差异性较大。对我国东部地区而言,海南的能源供应安全值最高,主要是由于海南以旅游业为主,能源消费量处于全国最低水平,山东的能源供应状况居第二。分析发现,虽然山东的能源消费量居全国第一,但其能源基础储量相对较大,能源工业投资居全国首位;浙江省的能源供应安全值最低。总体来说,我国东部地区总体上能源基础储量较少,导致对外的能源依赖程度较高,地质勘查投入与能源工业投资相对偏低。对我国中部地区而言,山西的能源供应状况最好,这是由于山西能源基础储量丰富,占到全国基础储量的34.91%,可满足本地区的能源消费需求,因此能源对外依存度较低。同时,山西的能源开发利用也导致了该省能源投资量居全国前列;黑龙江、吉林作为我国的老工业基地,石油、煤炭、天然气较丰富,因此能源生产的多样化水平较高。但随着不间断地开采引起储量减少,为寻找新的能源储量基地的地质勘查投入强度有所加大。此外,我国其他省市的能源供应安全水平都较低。对我国西部地区而言,能源供应安全水平普遍相对较高,特别是新疆、宁夏、内蒙古、青海、陕西等西北地区的能源供应安全值都在0.1以上。其中,除青海的能源基础储量与能源消费量偏少、地质勘查投入相对较大外,其他地区均是由于能源储量非常丰富,主要是原因这些地区的地质勘查投入强度较大和能源工业投资较高。我国西南地区的省市虽有一定的能源储量,但受地质环境的影响,开发难度较大,能源工业投资相对较少。③在能源需求安全方面,我国东部地区的水平普遍较高,省市间的差异性较大。上海的能源需求安全居全国首位,山东的能源需求安全居全国倒数第二。其中,虽然上海的城镇化水平是全国最高的,达到87.9%,但农村人均用电量也居全国首位,达到33576.94kW·h,工业占地区生产总值的比重偏低,仅26.81%。其次是海南、辽宁、北京等,其中海南主要是由于工业占地区生产总值的比重是全国最低的,仅为11.90%,北京的工业占比也只有15.69%,辽宁则主要是由于人口呈现增长。我国中部地区省市间的能源需求安全差异性较小,其中黑龙江的能源需求安全水平最高,究其原因是黑龙江的人口增长率呈现负增长,人均GDP增速也偏低,加上以装备、石化、能源、食品等传统工业为主,工业占比偏高。我国西部地区省市的能源需求安全值差异较小,其中甘肃的能源安全最高,主要是由于甘肃的城镇化水平较低,仅为44.69%,工业占地区生产总值的比重也只有24.41%,同时能源消费呈现负增长。内蒙古的能源需求安全水平是我国西部最低的。通过分析发现,虽然内蒙古人口增长率仅有0.36%,居西部倒数第一,农村人均用电量也仅此于居西部首位的新疆,达726.98kW·h,但其城镇化水平是西部地区最高的,达到61.19%,工业占地区生产总值的比重达到39.90%,居西部首位。④在能源使用安全方面,我国东部地区普遍较低,且省市间的差异性较小,其中北京的能源使用安全水平最高,居全国第二,这主要是由于北京的非化石能源消费比重较高,节能环保投入较大,以及能源消费多样化水平与能源消费利用效率较高。其次是海南,究其原因是工业企业较少,人均废水排放量与人均碳排放量偏少,以及节能环保支出强度较高。总体来说,我国东部地区风能、水能等非化石能源消费比重、人均废水排放量、能源利用效率都高于中西部地区,且注重节能环保的投入来改善能源消费结构与生态环境。我国中部地区的能源使用安全水平偏低,其中山西最低,主要是因为以煤炭消费为主,导致废气、碳排放量较高和能源利用效率偏低。此外,我国其他省市间存在较小的差异性。总体来说,相比于东部地区,受产业承接的影响,我国中部地区废水、废气、碳排放量偏高,节能环保的投入力度偏低,同时受到经济发展水平的限制,人口增长缓慢,所以能源使用安全状况稍微好于东部地区。我国西部地区能源使用安全水平总体较高,其中青海最高,这主要是由于青海实施“以电代煤、以电代油、以电代粪”等工程,光伏、风电等非化石能源消费比重居全国第一,废水、废气、碳排放量等偏低,以及节能环保支出强度较大造成的。内蒙古、宁夏的能源使用偏低,主要是由以煤炭为主,弃电现象较严重,废水、废气、碳排放量偏高,以及能源利用效率低造成的。此外,贵州、陕西主要是受能源资源禀赋的影响。重庆、四川、广西、云南的水资源及西北地区甘肃、新疆的光伏、风电虽然都很丰富,但由于本地消纳困难,弃风、弃水、弃光电现象非常严重。总体来说,我国西部地区水、光、风等资源丰富,加上重工业企业较少,能源消费量少于中东部地区,废水、废气、碳排放量低等,使西部地区的能源使用安全水平明显高于中东部地区。

4 结论与建议

在从能源供应、需求、使用三个维度构建区域能源安全评价模型的基础上,本文主要运用熵权TOPSIS法对我国区域的能源安全状况进行了实证研究。结果显示,我国的能源安全普遍较低。其中,上海、山西、青海、新疆、海南、宁夏、甘肃、内蒙古、北京、黑龙江的能源安全值高于全国平均水平,且呈现西北向东南逐渐降低的趋势。此外,除上海、山西处于临界安全状态外,宁夏、新疆、青海、内蒙古、海南、甘肃、北京处于较不安全状态,我国其他地区都处于不安全状态。

就能源供应、需求、使用三个维度的全国状况而论,山西与新疆的能源供应安全水平、上海的能源需求安全水平、青海与北京的能源使用安全水平较高。对我国三大区域而言,西部地区能源供应安全水平、东部地区能源需求安全水平、西部地区能源使用安全水平相对较高。通过分析发现,受能源基础储量相对丰富、地质勘查投入相对较高和能源消费量、污染排放量偏少等原因,我国西部地区能源安全水平明显好于中东部地区。

基于以上研究,本文提出以下建议:①在能源供应方面,加大航空物探、遥感等技术的利用,持续优化矿产勘查结构;各地区应因地制宜地推进水能、核能、风能、太阳能等新能源的开发与利用,提高能源供应的多样化,优化能源供给结构。②在能源需求方面,继续实施农村电网升级改造工程,提高我国特别是中西部地区农村的人均用电量。同时,紧抓“中国制造2025”、“互联网+”等发展机遇,大力推进信息化与工业化的深度融合,并通过加大智能化、自动化等来改造提升传统产业，培育壮大电子信息、新材料等战略性新兴产业。③在能源使用方面,持续优化能源消费结构,改变我国西部地区能源粗放式利用方式,完善可再生能源的开发利用机制,增强水电、光电、风电的能源消纳能力;工业生产中选择环保原料,从源头控制工业的碳排放量,严格监管污染源的达标排放,对产生的废水、废气、废渣等进行循环利用;加大新技术、新设备的研究开发与引进,提高能源利用效率。