基于熵权—TOPSIS法的能源转型成效评价及障碍度分析——以内蒙古自治区为例

(内蒙古科技大学 土木工程学院，包头 014010)

0 引 言

根据国家统计局数据，目前我国能源消费仍以煤炭、石油和天然气为主，占国内能源消费比重分别为60.4%、18.8%和7.0%[1]。尽管我国是矿产资源储存大国，但“富煤、贫油、少气”的国情始终没有改变，据2018年《BP世界能源统计年鉴》显示，我国的煤炭资源剩余探明可采储量为1 388亿t，占世界煤炭总储量的13.4%[2]，在世界各国中居第三位，而石油、天然气等优质化石能源储量较低，已探明可供采储量仅占世界的1.1%和1.9%，考虑到我国巨大的人口基数，我国人均能源资源占有量更是极少，人均煤炭资源拥有量占国际平均水平的1/2，而石油、天然气的人均水平不到国际平均水平的1/10[3]，若仍按以往粗放型用能模式发展,不仅社会经济难以为继,我国的能源和环境承载都将面临无解难题[4]。据预测，到2020年我国45种主要矿产资源，可满足储量保证的仅剩6种[5]，到2030年，我国石油需求量将达到7.4亿t，而石油生产量仅为1.8亿t[6]，到2040年，中国的能源需求总量将增加25%左右，对进口的依赖将上升到40%以上[7]，油气矿产资源对外依赖程度大大增高，新型清洁能源的开发等能源转型与升级问题迫在眉睫。

为进一步巩固国家能源安全，我国近年来十分重视能源转型问题，相继出台了各种政策，并在各个省份或地区推出了不同的能源措施，内蒙古自治区(以下简称内蒙古)作为我国重要能源的基地，是国家重点改革的对象，自上个世纪80年代，内蒙古开始进行能源转型的探索，经过多年发展，转型的成效值得研究，文中建立低碳评价体系及障碍度模型测度，对近年来内蒙古能源转型的成效作出评价判断，并针对障碍因素提出针对性的建议。

1 内蒙古自治区能源发展优势及转型历程

内蒙古是环渤海经济区的重要腹地，是我国重要的能源保障基地，煤炭储量超过8 000亿t，天然气储量1.67万亿m3，煤层气储量10万亿m3，石油储量6亿t以上，其中煤炭和天然气储量分别居全国第一位和第三位，风能资源占全国一半以上，居全国第一位，光能资源仅次于西藏，居全国第二位，作为我国重要的能源保障基地，资源性产业的发展受到了国家的大力支持，内蒙古资源性产业的发展主要分为以下三个阶段：

(1)矿产资源粗放式发展阶段(1949-1990年)：新中国成立初期，内蒙古响应国家号召，从“零”开始“大炼钢铁”及“大办工业”，促进了钢铁工业的发展，并带动了资源型产业和其他重工业的产生。这一阶段的特征是工业的发展以消耗传统能源为主，依靠资源的高投入、高消耗来拉动相关产业，对环境的污染较大。

(2)新能源开发探索起步阶段(1990-2010年)：1989年12月底，中国第一批也是亚洲最早的风力发电场项目开始启动，象征着内蒙古开始进入探索新能源的时代，此后内蒙古不断探索和开发新型清洁能源。这一阶段的特征是：煤炭、石油及天然气等传统能源形成的能源工业逐渐成为内蒙古经济发展的重要支柱，风电、光伏及生物质能等新型清洁能源的开发在探索中螺旋前进。

(3)能源转型快速发展阶段(2010-至今)：2009年鄂尔多斯新能源产业示范区的成立标志着内蒙古新能源的开发进入快速发展阶段，此后内蒙古作为国家重要能源保障基地越来越受到国家的重视，2015年内蒙古制定了 “8337”发展战略，2017年内蒙古西部成为我国首批老工业城市和资源型城市产业转型升级示范区，2018年3月，十三届人大一次会议确立构建内蒙古国家能源经济示范区，2018年8月，内蒙古主持召开国际能源大会。在此期间内蒙古资源性产业也得到长足发展，目前已基本形成以煤炭开发为主，火电为基础，油气资源和新能源全面开发的能源格局。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

本研究数据主要来源于2010-2018年《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《内蒙古统计年鉴》、《内蒙古自治区国民经济和社会发展统计公报》、《内蒙古自治区环境状况公报》及《内蒙古自治区生态环境状况公报》等，个别缺失数据依据线性插补法及国内外学者前期研究成果中得到。

2.2 研究方法

根据国内外学者已有的研究基础，结合内蒙古自治区发展的实际情况，遵循系统全面、科学合理及操作可行的原则，选取能源、经济、环境及社会因素中23个重要影响指标，构建城市低碳系统评价体系(见表1)，通过熵权法结合TOPSIS法判断城市低碳发展水平与各单项指标间的相互协调关系，利用障碍度模型检测阻碍低碳发展的障碍因子，从而根据研究成果提出可行性建议[8]。

2.3 指标权重的确定

熵权法是根据样本评价指标的信息量大小程度来确定指标权重的客观赋权法，在一定程度上能够避免主观因素引起的误差，从而反映样本数据的效用价值，具有较高的客观性和可信度[9]，具体计算过程如下：

步骤1：建立原始数据的初始决策矩阵X=(xi j)23×8：

(1)

步骤2：数据非负化处理(为方便起见仍记非负化处理后的数据为xij)：

+1

(2)

步骤3：数据标准化处理，得到第i个指标的比重pij(0

(3)

步骤4:确定第i个指标的嫡值ei(0

(4)

步骤5：确定第i个指标的权重ωi(0<ωi<1):

(5)

式(1)至式(5)中：i=1,2,…,23;j=1,2,…,8。

表1 城市低碳发展水平评价指标体系

注：权重的数值计算步骤详见2.3。

2.4 评价模型的构建

2.4.1 改进的TOPSIS模型

TOPSIS法的基本原理是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好，否则不为最优，但是传统的TOPSIS计算模型主观性较强，影响结果的准确性，文中在传统的TOPSIS方法基础上，根据样本指标的信息量大小程度，结合嫡权法对各评价指标进行赋权，利用加权改进的TOPSIS模型在一定程度上能够避免主观因素引起的误差[10-12]，具体步骤如下:

步骤1:矩阵规范化处理。

正效应指标处理：

(6)

负效应指标处理：

(7)

步骤2:构建加权规范化决策矩阵Vij=(vij)23×8(将熵权法确定的权重与X各项指标相乘)：

(8)

步骤3:理想值的确定。(令V+表示最优方案即正理想解，V-表示最劣方案即负理想解)：

(9)

(10)

步骤4:计算距离。(分别计算不同样区评价向量到正理想解的距离D-和负理想解的距离D-)：

(11)

(12)

步骤5:计算不同用途与最优方案的贴近度Cj:

(13)

式中,Cj越大，表示第j项越接近于最优水平。贴近度Cj的取值范围为0到1，其中，当Cj=1时，内蒙古城市低碳发展水平最高，Cj=0时，内蒙古城市低碳发展水平最差。

2.4.2 障碍度模型

为深入研究城市低碳发展机理，提高城市发展水平，需要进一步识别低碳发展制约因素，从而提出针对性建议，文中在完成城市低碳发展评价基础上,对影响低碳发展主要障碍因子进行诊断,其方法是引入因子贡献度Fi、指标偏离度Si、障碍度Ai对其影响机制进行分析[13-14]。障碍度模型为:

(14)

(15)

Uj=∑Aij

(16)

3 结果与分析

3.1 内蒙古自治区低碳评价分析结果

依据公式(11)至公式(13)，得出2010年-2017年内蒙古自治区低碳发展水平综合及单项指标贴近度，结果如图1所示，综合绩效指数从2010年的0.2062提高到2017年的0.5185，总体呈现上升趋势，增长幅度为151.45%。单项贴近度子系统中，经济、环境和社会绩效均呈现出波动上升趋势，能源绩效趋势与综合绩效态势相近，呈现出稳步上升趋势。其中：

2010—2012年，内蒙古自治区低碳发展水平较低，且出现小幅下降趋势，由0.206 1降低到0.202 8。在此期间，单项贴近度子系统中经济、社会、环境绩效的变化趋势出现不同程度的上升，而能源子系统则变化不大。其原因是：尽管近年来内蒙古能源的开发和利用获得长足的发展，但丰富的风能和太阳能等新型能源并没有得到充分的开发和利用，因其主要集中于广大的农牧区和偏远的山区，因此产业化程度不高，故在该时间段能源及低碳绩效增幅较缓。

2012—2016年，内蒙古自治区低碳发展出现回升，绩效水平由0.202 8增加到0.260 0，其中单项子系统均出现不同程度的波动趋势，而经济子系统在2013年-2015年下降较快，其原因是内蒙古近年来经济出现放缓，生产总值增长率逐年下降，造成经济绩效不断下降。而能源子系统绩效与综合绩效涨幅相同，呈现平稳上涨的态势。

2016—2017年，内蒙古自治区低碳发展综合水平出现了大幅的提升，由 2016年的0.284 6上涨到2017年的0.518 5，实现了从最低点以来绩效水平的首次明显提升，涨幅高达82.19%。其中能源及经济绩效的提升是实现整体水平上升的关键性因素，其原因是随着内蒙古新能源的不断开发和利用，新能源转型达到快速发展阶段，能源消费结构不断优化，环境治理工作随之得到改善，低碳建设取得明显的效果。据内蒙古经信委数据显示：2017年全区6 000 kW及以上发电厂累计完成发电量4 422.3亿kW·h，同比增长12.01%。其中风电550.82亿kW·h，同比增长18.7%;太阳能112.44亿kW·h，同比增长35.49%[15]。尽管清洁能源近年来得到快速发展，但清洁能源占总能源消费比重仍然不高，能源的优化调整还有巨大的上升空间。

3.2 障碍度诊断结果

依据公式(14)至公式(16)，得出2010年-2017年内蒙古低碳水平准则层指标障碍度及绩效障碍因子障碍度。由表2可以看出，制约内蒙古城市低碳发展障碍因素中，能源因素障碍度波动增长，经济和环境因素障碍度在不断下降，而社会因素障碍度则呈现波动循环发展。

表2 2010-2017年内蒙古低碳水平准则层指标障碍度

由表3可以看出：2010年，制约内蒙古城市低碳发展障碍因素中能源因素障碍度最大，社会和环境因素障碍度次之。反映在指标层中，单位地区生产总值能耗、工业二氧化硫排放量、建成区绿化覆盖率等因素对其障碍度影响较大。其原因是能源消耗随着工业的发展而逐渐增大，工业废气排放随之增多，值得注意的是，在内蒙古工业发展过程中，产能过剩问题尤为突出，以煤炭为例：作为内蒙古支柱性产业，煤炭储量位居全国第一，煤炭及相关企业为抢占产业优势，纷纷争夺开发煤矿，煤炭产量供过于求，产能过剩问题日益加剧，而部分企业为追求短期利益，缺少技术创新投资，核心装备过于陈旧，造成矿产资源转化率较低，使得“资源高消耗，污染高排放”模式成为内蒙古发展普遍存在的问题，最终导致单位地区生产总值能耗及工业废气排放因素成为该时间段影响城市低碳发展的主要的障碍因子。

2011-2014年，制约内蒙古城市低碳发展障碍因素中环境因素障碍度最大，而经济、社会和能源因素交替变化，成为影响内蒙古低碳发展的第二大阻碍因素。反映在指标层中工业二氧化硫排放量、工业烟尘排放量、第三产业占地区生产总值比重等对低碳发展影响较大。其中工业烟尘排放量在该区间年段障碍度连年递增，在2014年替代工业二氧化硫排放量成为影响低碳发展的最主要障碍因素，说明随着工业化程度逐渐提高，工业二氧化硫排放量在不断增加，成为主要的障碍因子。尽管近年来内蒙古能源转型产生取得了一定的发展成果，但在发展的过程中依然存在较大的问题，以现代煤化工为例：内蒙古煤化工产业正在快速发展，但煤炭排放污染并无改善，首先现代煤化工技术仍处于试产阶段，大规模发展在工程技术方面受到限制，工业废物排放总量仍然巨大，其次煤化工产品的转化率不高，一方面企业创新不足，缺少技术投资，产业技术落后，造成煤化工产品转化率较低，另一方面煤制烯烃、煤制油等新型煤化工项目技术难度较大，转化率仅有40%左右，60%的煤转化为二氧化物排放出去，对生态环境保护及实现减排目标带来巨大的压力，因此二氧化硫等排放物不断增加成为影响低碳发展的主要因素。

2015-2017年，内蒙古城市低碳发展过程中能源因素是最大的阻碍因素，社会和环境因素交替变化，成为影响内蒙古低碳发展的第二大阻碍因素。反映在指标层中，单位地区生产总值电耗、居民人均耗电量、工业二氧化硫排放量、工业废水排放量等是影响低碳发展较大的影响因子。其中在该时间段单位地区生产总值电耗及居民人均耗电量连年递增成为低碳发展的主要障碍因子。其原因是，近年来随着经济的发展，城市化和工业化进一步加快，基础设施在不断完善的同时，重工业也在蓬勃发展，因此导致电力消耗不断增加，但是该区间段电力消耗的增长并不完全由经济、工业及城市的发展所引起，其中一部分是由能源结构的优化转型所造成，根据《内蒙古统计年鉴》中的能源消费总量比重及电力平衡表可以看出，近年来能源结构在不断优化调整，水电、风电和核电等清洁能源产生的电力替代了传统能源的消耗，从而引起了电力消耗的增加。尽管内蒙古在清洁能源发电方面取得了长足进步,但由于受到电网消纳能力有限、可再生能源外送通道建设滞后、可再生能源远距离外送经济性差等因素的制约,绿色清洁能源的外送受到阻碍,最终导致“弃光弃风”等问题日益突出。

表3 2010-2015年内蒙古低碳水平绩效障碍因子障碍度

4 结束语

文中根据内蒙古近年来发展实际情况，结合熵权-TOPSIS法及障碍度模型对内蒙古低碳发展水平及关键影响因素进行研究分析。熵权-TOPSIS法结果表明：内蒙古城市低碳发展水平呈现出整体上升趋势，能源子系统的单项绩效指数变化趋势与低碳发展的综合绩效指数变化最为接近。由障碍度结果可知能源障碍度波动增长，经济和环境障碍度不断下降，而社会障碍度则呈现波动循环发展。综上可知，能源因素对于城市低碳发展绩效影响最大。在以上研究基础上，针对低碳发展关键性因素的能源优化与升级提出以下建议：

(1)提高能源高效发展

首先要淘汰能耗高、污染重、技术水平低的矿产开采等落后产能。其次要整合先进的矿产资源，加强优势企业兼并重组，促进优势产业强强联合，提高资源性产业整体水平。最后要推进矿产安全高效绿色智能化开采和智能化加工，加快“现代煤化工”等传统资源的现代化建设。

(2)推进能源多元发展

首先要继续稳步推进可再生能源发展与研究。内蒙古近年来能源转型成效显著，新型清洁能源占总能源消费比重连年提升，环境治理及低碳发展效果突出，但丰富的风能、太阳能等新型能源并没有得到充分的开发利用，能源转型潜力巨大。其次要创新能源利用方式。利用本地丰富的能源储备，积极探索风能及太阳能等新型能源与农业、城镇及工业的新型融合，大力推动“新能源，新产业”的全面发展。最后加快新能源探索与研究。内蒙古不仅拥有丰富的风能及太阳能，还拥有丰富的页岩油及页岩气等矿产资源，但由于技术落后等原因并没有得到过多的开发，能源优化升级的潜力巨大。

(3)构建能源智能体系

首先要建立健全内蒙古电网互补建设，将清洁能源电力产业化大规模集中，形成以“清洁煤电为主，新型电力为辅”的互补型智能电网的建设。其次要大力提高农牧区及偏远山区电网消纳能力，充分开发该地区丰富的风、光资源，以产业化形式并入城市主电网共同管理。最后要大力推进能源输送通道网络的建设，提高能源向华北、华中、华东长距离、大容量、高电压的输送能力，做到“区内能源互联互通集中管理，区外风电打捆外送互利互补”的发展模式。