基于耦合协调度模型的塑料污染国际化治理探析

朱家明，方 悦，疏万雍

（安徽财经大学a.大数据学院；b.金融学院，安徽蚌埠 233030）

自从1950 年塑料被发明以来，全世界每年都要生产和使用大量的塑料产品，并从1950年的200 万吨，逐渐增长至2015 年的7.8 亿吨.虽然塑料的轻便、廉价为人类带来了许多好处，但是经过使用后被随意丢弃的塑料产品也给全世界的环境带来很多的危害.因为塑料制品不容易被分解，处理起来也比较困难，全世界每年大约只有9%的塑料被回收，塑料垃圾对环境已经造成了严重的污染.据相关预测，每年约有400～1200 万吨的塑料垃圾进入海洋，预计到2050 年海洋中塑料垃圾的数量将超过鱼类.由此可见，各国应当重视塑料垃圾问题，必需制定相关政策减缓塑料垃圾的生产，提高塑料垃圾的处理能力.本文对目前全球塑料垃圾问题进行分析，以中国视角对相关指标具体分析并提出相关的政策建议，以期为加强塑料污染的治理提供参考.

1 基于灰色预测GM（1，1）模型对全球塑料垃圾处理能力的预测

1.1 研究思路

每年全球都会产生大量的塑料废物，这些塑料废物有三种处理方式：回收、焚烧或丢弃（包括填埋）.不妨将回收与焚烧都看作是一种能够有效消化流通中的塑料废物的手段.只要每年全球产生的塑料废物总量不超出全球消化塑料废物的能力，便不会对环境造成进一步伤害.因此，通过建立灰色预测GM（1，1）模型[1]来预测未来各个时间点全球消化塑料能力的变化，只要以此为上限生产塑料产品，便可以保证环境的安全.

我们通过查阅相关资料得到了2005—2015年全球塑料废物总量以及这些废物的回收率和处理率，将之定义为全球塑料废物可消化量，如图1 所示.

图1 塑料废物消化能力变化

通过图1 可以清晰的看出塑料废物可消化量随着时间的变化关系.

1.2 研究方法

1.2.1 级比检验

建立全球塑料废物年产量数据时间序列[2]

（1）求级比λ（k），有

（2）级比判断

由于所有的λ（k）∈[0.9382，1.0094]（k=2，…，11），故可以用x（0）作令人满意的GM（1.1）建模[3].

1.2.2 建立GM（1，1）模型

（1）对原始数据x（0）做一次累加；

（2）构造数据矩阵B及数据向量Y，有

（3）计算

（4）建立模型

求其解，得

1.3 结果分析

通过整理最终可以得到2020—2030 年全球塑料废物吸收量的预测值[4]，即在不破坏环境的条件下所能生产塑料的最大值，预测如图2 所示，预测值见表1.

图2 塑料垃圾消化能力变化及预测图

当前的塑料污染问题已经成为国际化问题，面临严峻的形势，各国均需要采取行动，制定相关政策.近年来中国塑料污染形势也十分严峻，更需要加以有效解决.

表1 2020—2030 年全球塑料废物吸收量的预测值

2 基于DPSIR 模型构建中国塑料处理能力评价指标体系

2.1 数据来源

为了进一步探索分析如何有效解决塑料垃圾污染问题，本文以中国为例选取2010—2017年的全国数据进行分析.所有分析数据均来源于国家统计局.

2.2 塑料处理能力评价指标体系

基于DPSIR 模型构建了塑料处理能力评价指标体系.该体系中的驱动力（D）指的是经济发展对于一个国家塑料垃圾处理能力的驱动力，包含人口的增长、经济发展和环保人员数量等驱动因素；压力（P）指人类活动对于环境造成的负荷，包含人口增长、环境污染以及经济增长的环境压力.由于对环境造成破坏的不仅仅是塑料垃圾，还包括其他各类污染源，因此在考虑一个国家对于塑料垃圾的处理能力时，也要对于其所具有的其他污染压力进行考虑.状态（S）代表当前中国现有环境压力下所呈现的资源水平以及塑料使用水平，包含资源数量、可以为塑料垃圾处理做出贡献的劳动力效率和科学经济状态三大影响状态；影响（I）代表一国塑料垃圾处理系统对经济社会、资源、环境等结果的反应以及相关程度的呈现，主要在于突出经济结构调整对于社会经济的影响，包含经济状态的影响、环境影响和资源影响三大方面；响应（R）是指各个国家面临环境污染，包括塑料垃圾处理在内的问题时所采取的相关措施，包括环境保护、资源节约、经济结构和社会处理四大治理响应.

本文以中国为研究对象，DPSIR 模型最终形成5 项基准层指标、21 个指标层指标的评价体系.塑料垃圾处理能力驱动直接正向传递给生态环境压力，生态环境压力使得国家塑料垃圾的可处理状态更加严峻，压力累积传递给生态环境响应；响应承接上一层综合反馈的结果，通过各种方式对于生态环境的压力进行削弱.除此以外，系统还可以同时较为独立地提高生态环境的影响以及状态，最后生存环境响应通过层级式逆向进行生态环境危机状态的改善，五大因素层通过指标相互影响，形成完整、多层级的中国生态环境系统的动态影响与评估体制.最终形成的基于DPSIR 的塑料处理能力评价指标体系如图3 所示.

图3 基于DPSIR 的塑料处理能力评价指标体系图

2.3 运用熵权法的评价指标权重确定

熵权法能够较为全面地展示出标准信息熵之间的价值，在进行有效的系统监测的同时可以考虑到各个指标变异程度，此方法能够科学真实的计算出各指标的权重.具体过程如下：

表2 基于DPSIR 的塑料处理能力评价指标体系表

（1）根据所选取的指标，建立生态环境评价指标的原始数据矩阵

其中m 表示年份，n 表示指标，i∈m={1，2，…，m}，j∈n={1，2，…，n}；

（2）运用极值法对原始矩阵进行标准化处理，从而消除指标数量级，量纲等属性所可能导致的偏差，得到的标准化矩阵

（3）对数据进行标准化处理之后会出现“0”值，对标准化数据进一步进行平移与归一化处理，得到矩阵

其中zij=yij+1；

（4）依据矩阵Z计算信息熵与差异化系数，进而确定各个指标的权重，计算公式为

式中，ej表示第j 项指标的熵值，wj表示第j 项指标的熵权重值，k=1/lnm 表示波尔茨曼常量.

运用熵权法对于基于DPSIR 建立的指标体系的各变量进行熵权的确定，得到的结果如下表2 所示，权重以百分数的形式体现.

2.4 基于加权-TOPSIS 模型评价方法

再进行熵权确定后，进行TOPSIS 评价，从而得到综合评分的排序.TOPSIS 模型又称为逼近理想解的排序法，适用于多指标、多方案的比较选择分析模型，通过对系统现实状态和理想状态之间的欧氏距离来研究和判断系统的发展水平.TOPSIS 评价法对于样本期内总体的聚焦情况较好，并且对于样本数据要求不严格，因此具有较强的适用性.基于加权的TOPSIS 模型，国家生态环境承载力具体计算如下：

（1）构建加权评价矩阵.

通过熵权重值wj和标准化矩阵Y相乘，计算得到加权标准化矩阵

其中vij=wj×yij.

（2）确定正负理想值.

由加权标准化评价矩阵V确定正、负理想解，计算如下

式中，V+表示第j 个指标在i 年内的最大值，称V+是正理想解，即可选择的最佳理想方案；V-表示第j 个指标在i 年内的最小值，称V-是负理想解，即可选择的最差方案.

（3）计算欧氏距离.

计算各年份中评价指标的向量值到正负理想解之间的欧式距离，即

表3 指标体系的熵权TOPSIS 综合评分排序表

（4）计算评价对象与理想解的贴近度.

评价对象与理想解的贴近度为

其中贴近度Tj表征第j 年塑料污染处理能力接近最优程度，Tj越大表示越接近最优水平.

由上可知前五位较为重要的指标为空气中有害污染二氧化硫排放量、工业污染源治理投资、废水排放量、农用塑料薄膜使用量、治理废水项目完成投资.由此说明目前中国由于污水废气等污染源的增多，生态系统已经承受了较大的压力，农业塑料薄膜的使用也是造成塑料污染的重要来源之一.但是中国的污染治理投资以及企业对于环保做出的举措对于污染的处理具有明显的积极效应，因此，为了进一步处理好现存的塑料垃圾污染，政府及相关部门应当加强对于塑料污染治理的投资，并且发动群众的力量鼓励群众参与环保工作.另一方面企业也应当制定规章制度激发环保人员工作热情，使得此行业得到较好的发展，更有效地为国家环保事业做出贡献.

3 经济社会与生态环境耦合协调度分析

由于一国不仅需要一个良好的对于塑料进行自行净化处理的能力，同时国家的经济能力、社会环境也需要考虑在内，只有进行综合性分析才能够得出更加公平公正的结果.因此，基于DPSIR 模型进行了指标的筛选与重新划分[5]，将指标分为经济社会类与生态环境类，其中社会经济类7 个指标（A1-A7）、生态环境类12 个指标（B1-B12）.

表4 经济社会与生态环境耦合协调度指标体系表

（1）数据标准化处理.

对于正负指标进行分类，再对数据标准化处理，这是问题处理的第一个步骤[6]，并为下一步骤奠定基础.

（2）确定权重.

与上文相同，运用熵权法客观真实确定权重，具体步骤上文已经详细描述，此处不再赘述.

（3）经济社会发展水平计算.

上式中，F（A）和G（B）分别表示一国经济社会发展指数值和生态环境状态指数值.

（4）构建经济社会与生态环境耦合协调度模型.

根据相关参考文献[7]，得到经济社会—生态环境耦合模型

（5）耦合协调度模型下的发展水平.

基于耦合协调度模型[8]，确定耦合模型下经济社会发展水平与生态环境状态水平，进行相关系数的确定，计算如下：

上式中，C 表示协调程度，T 为综合评价指数，经过计算的D 为经济社会与生态系统耦合的协调程度系数.最终计算结果如表5 与表6.

根据数据调整选取2013—2017 年各项指标数据通过数据归一化处理，对再分类指标熵权法算出权重分别计算社会经济效益值与生态环境效益值，然后运用以上方法进行耦合协调度计算.由以上数据可知，中国2013—2017 年经济社会与生态环境失调程度并不严重，但却应该引起重视，需要继续坚持并进行相关具体政策的针对性改善.

表5 耦合协调度表

表6 耦合协调度等级划分标准表

4 结论与建议

当前形势下塑料污染的治理迫在眉睫，中国应制定相关政策，有效治理塑料污染，保护人类生存的家园.本文根据大量数据分析，以中国为例进行塑料处理能力评价指标的建立，并且运用多组模型进行深入分析表明，虽然中国目前在正确的政策方针下，经济环境协调度发展态势较好，但是环境问题仍不容忽视.在塑料污染严重的世界形势下，应该进一步采取更为有效的措施，使得生态环境更加稳定良好.参考前面加权-Topsis 综合评分排序以及相关新闻、文献资料等提出如下政策建议：

（1）建立完善我国塑料污染管理体系.国家环境监管部门、经济监管部门和工业监管部门等均应加强对塑料制品生产和使用过程的全周期管理，加大塑料污染治理投资，扩招环保专职人员并且制定相关监测指标标准以及监测措施.与此同时，开展限制塑料产品生产与使用的相关调查.具体对于塑料垃圾的收集、再利用、回收或环境无害化处理的整个过程进行管理，群众宣传、概念渗透等举措也需要跟进强化，逐步有序地建立和完善我国塑料污染管理体系.

（2）实施农业塑料的回收与循环利用政策.此方案的实施并不容易，但是考虑到其可对不同部门特定材料进行回收处理，具有其本身的优势.国家应积极采取措施鼓励回收废弃材料进行循环利用，要在不产生新塑料的前提下，对于已产生的塑料进行最大限度的使用.这样不仅能够减缓已产生的塑料成为垃圾污染的进程，还能够在一定程度上减少对于塑料的需求，从而对塑料垃圾的抑制产生一定的效果.

（3）加强生物塑料的探索研究政策.

生物塑料分为可生物降解与非可生物降解的两大类.全球生物塑料市场增长非常迅速，可预见未来生物塑料具有巨大的潜力.我们应加强国际化技术交流以提高塑料替代品或者比普通塑料破坏性低的新材料.另外，还应注意替代材料降低成本的相关技术研发等.由于生物塑料耐腐性与耐久性优势不明显，且其生产成本一般明显高于石油基塑料，加之生物塑料生产的数据相关记录不够全面等问题，生物塑料能够在多大的程度上得到应用还不能够确定，但是可以期待其为目前的塑料污染治理提供新的思路.

（4）与国际社会共同合作积极应对控制塑料污染.目前国内外学术界和媒体对于塑料污染问题均高度重视，中国应该以积极主动的态度面对当前形势，宣传我国在塑料污染治理等方面开展的工作和做出的贡献，加强国际社会对中国治理政策的认可，通过国际环境公约谈判的积极参与，实现为中国以及全球其他国家提供关于塑料污染处理相关政策的国际法律支持.