基于耗散結(jié)構(gòu)理論低碳城市發(fā)展水平評價(jià)研究

楊笠

[摘要]基于信息熵理論，結(jié)合低碳城市系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)特征，建立低碳城市發(fā)展的熵變模型以及評價(jià)指標(biāo)體系，通過相應(yīng)的熵變分析和指數(shù)分析，進(jìn)而對低碳城市系統(tǒng)的有序度和發(fā)展水平進(jìn)行量化研究。研究結(jié)果表明，上海低碳城市系統(tǒng)的熵流和總熵逐年變小，城市發(fā)展的有序度逐漸增加；綜合發(fā)展指數(shù)緩慢穩(wěn)步增長，協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)圍繞著某一特定值附近波動(dòng)并略有下降的趨勢，說明社會(huì)經(jīng)濟(jì)單方面的高速發(fā)展并不能為低碳城市系統(tǒng)的可持續(xù)健康發(fā)展提供相應(yīng)的保障。在此基礎(chǔ)上提出提升上海市低碳發(fā)展水平的相關(guān)對策與建議。

[關(guān)鍵詞]耗散結(jié)構(gòu)；低碳城市；熵變模型

[中圖分類號(hào)]F299.27 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、科技創(chuàng)新日新月異，城市化作為國家重要的發(fā)展政策，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的內(nèi)生動(dòng)力之一。而在城市化進(jìn)程中，不斷面臨著日趨嚴(yán)峻的能源供應(yīng)危機(jī)與氣候惡化難題，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式迫切需要加快轉(zhuǎn)變，探求一種“低能耗、低污染、高效益”的新型發(fā)展模式。2015年3月5日，國務(wù)院總理李克強(qiáng)在政府工作報(bào)告中明確提出二氧化碳的排放強(qiáng)度至少下降3.1%，以達(dá)到環(huán)境治理與節(jié)能減排的更高要求，這無疑使得“低碳城市”再次成為研究的熱點(diǎn)。

上海市作為國家發(fā)改委第二批確定的低碳試點(diǎn)城市之一，在探求解決氣候惡化問題實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展過程中，就如何控制碳的排放等方面已達(dá)成了一致意見，但針對怎樣更加客觀公正地監(jiān)測與評價(jià)低碳城市的發(fā)展?fàn)顩r，還沒有一個(gè)完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和較為成熟的實(shí)踐方案。城市作為一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)，這些無疑是實(shí)現(xiàn)低碳城市的發(fā)展亟待解決的問題。基于此，本文擬從低碳城市的耗散結(jié)構(gòu)出發(fā)，深刻描繪低碳城市的演化路徑，動(dòng)態(tài)監(jiān)測上海市低碳發(fā)展?fàn)顟B(tài)，定量分析并綜合評價(jià)上海市低碳化發(fā)展水平。

2 低碳城市耗散結(jié)構(gòu)的理論分析

基于耗散結(jié)構(gòu)原理，可將城市視作為一個(gè)較為龐大的開放性系統(tǒng)，進(jìn)而對其在低碳條件約束下城市發(fā)展的演變路徑進(jìn)行深入剖析，亦可將低碳城市這一復(fù)雜系統(tǒng)細(xì)分為資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等四個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)之間相互依存、相互影響、相互制約，促使整個(gè)城市系統(tǒng)歷經(jīng)碳的“排放——吸收——排放”的較穩(wěn)定的生態(tài)循環(huán)。在城市逐步發(fā)展和碳排放量不斷擴(kuò)大的過程中，如果城市系統(tǒng)中的某一子系統(tǒng)受到過度破壞性人為干涉的影響，那么城市系統(tǒng)的碳循環(huán)就會(huì)被嚴(yán)重地打破，各個(gè)子系統(tǒng)也會(huì)隨之出現(xiàn)顯著性的變化，極有可能導(dǎo)致諸如“溫室效應(yīng)”、“熱島效應(yīng)”等問題的出現(xiàn)。而在低碳條件的約束下，城市系統(tǒng)內(nèi)外諸多要素之間具備著非線性作用機(jī)制，促進(jìn)城市系統(tǒng)演變至有序的安全狀態(tài)，形成具有穩(wěn)定性的耗散結(jié)構(gòu)，推動(dòng)著整個(gè)城市系統(tǒng)向穩(wěn)定有序的低碳方向發(fā)展。故低碳城市系統(tǒng)具有典型的耗散結(jié)構(gòu)性質(zhì)，而且是一種有人類參與并作為中心主體的高級形式的系統(tǒng)。

3 低碳城市耗散結(jié)構(gòu)熵變評價(jià)模型的構(gòu)建

3.1 低碳城市系統(tǒng)的信息熵

信息的容量大小是一個(gè)難以量化的指標(biāo)。20世紀(jì)中葉，信息論的創(chuàng)始者香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，用以描述信息源的不確定度。系統(tǒng)的信息熵越高那么就表明系統(tǒng)的無序度越高。

低碳城市系統(tǒng)具有典型的耗散結(jié)構(gòu)特征，其演化過程可以利用系統(tǒng)的熵變模型來加以詮釋，進(jìn)而可以采取“信息熵”的方法來綜合討論分析低碳城市系統(tǒng)演化的過程及方向。低碳城市系統(tǒng)的熵變是由熵流和內(nèi)部熵增加兩個(gè)部分共同決定。故可建立關(guān)于低碳城市系統(tǒng)的熵變模型：

模型（1）中，表示低碳城市系統(tǒng)內(nèi)部熵產(chǎn)生，即低碳城市系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量下降及生態(tài)環(huán)境建設(shè)產(chǎn)生的熵變，其值只能為正。可以進(jìn)一步用損耗型代謝熵和再生型代謝熵表征。損耗型代謝熵表示系統(tǒng)內(nèi)部有效資源的使用和浪費(fèi)，是對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響；再生型代謝熵表示系統(tǒng)內(nèi)部通過自身原有物質(zhì)資源創(chuàng)造出來的可供自身使用的有效資源，是環(huán)境保護(hù)和污染物治理能力的體現(xiàn)。表示低碳城市系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等其他系統(tǒng)進(jìn)行能量的相互傳遞而產(chǎn)生的熵流，熵流的值可正可負(fù)當(dāng)然也可以為零，當(dāng)時(shí)稱之為負(fù)熵流。也可以用他系統(tǒng)支持型輸入熵和他系統(tǒng)壓力輸出熵來表征。他系統(tǒng)支持型輸入熵表示其他諸如社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、自然資源系統(tǒng)等對低碳城市系統(tǒng)的在資金和資源方面的支持作用；他系統(tǒng)壓力輸出熵表示低碳城市系統(tǒng)對其他經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)或自然資源系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力輸出。表征系統(tǒng)的總熵變，即低碳城市系統(tǒng)內(nèi)部熵產(chǎn)生與外部系統(tǒng)之間的熵流之和。

根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論可知，要使得城市系統(tǒng)在低碳條件的約束下能夠處于穩(wěn)定有序的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，那么系統(tǒng)就必須地獲得足夠的負(fù)熵流，并使其在抵消系統(tǒng)內(nèi)部熵產(chǎn)生的同時(shí)，還能夠存有富余的負(fù)熵流。而作為復(fù)雜程度較高的低碳城市系統(tǒng)，該如何源源不斷地獲取有效的負(fù)熵流呢？這種有效的負(fù)熵流的獲取可分為兩大部分：一部分來源于城市系統(tǒng)的還原性代謝功能，即由系統(tǒng)內(nèi)外自適應(yīng)協(xié)調(diào)功能進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息等的交換而產(chǎn)生；另一部分則是人類對城市系統(tǒng)進(jìn)行偏向性地干預(yù)（如節(jié)能減排制度、扶持環(huán)保型企業(yè)政策等）以獲得負(fù)熵流。這兩部分之和是形成有效負(fù)熵流的基礎(chǔ)。

3.2 低碳城市熵變指標(biāo)體系的構(gòu)建

由于低碳城市系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、資源、社會(huì)、環(huán)境復(fù)合的系統(tǒng)，需要用多個(gè)指標(biāo)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)和變化。故基于低碳城市系統(tǒng)總體的特征，結(jié)合耗散結(jié)構(gòu)理論和系統(tǒng)熵產(chǎn)生的原理，借鑒辛玲、劉欽普等學(xué)者的研究成果，按照科學(xué)性、綜合性、系統(tǒng)性以及可操作性等原則，從他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力、損耗和再生這四個(gè)維度作為一級指標(biāo)建立低碳城市系統(tǒng)熵變指標(biāo)體系（見表1）。他系統(tǒng)支持指標(biāo)和他系統(tǒng)壓力指標(biāo)和他系統(tǒng)壓力指標(biāo)包含經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等方面的影響因素，表明了低碳城市系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的熵流；損耗指標(biāo)和再生指標(biāo)包含了系統(tǒng)內(nèi)部資源的消耗和再生對環(huán)境產(chǎn)生的影響等因素，表明了系統(tǒng)的熵產(chǎn)生。

3.3 低碳城市耗散結(jié)構(gòu)熵變評價(jià)模型的構(gòu)建

3.3.1 指標(biāo)的無量綱化。由于指標(biāo)體系中各指標(biāo)有正、逆指標(biāo)之分，而且各指標(biāo)之間的數(shù)值大小和量綱也存在差異，不便于進(jìn)行比較，故將這些指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。現(xiàn)采用閥值法將各指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理，用公式表達(dá)為：

3.3.2 低碳城市系統(tǒng)年份序列的信息熵值的計(jì)算。基于信息熵原有的計(jì)算公式，通過公式的替換，低碳城市耗散結(jié)構(gòu)的四個(gè)類型因子的年份的信息熵表達(dá)為：

3.3.3 低碳城市系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重的確定和分值的計(jì)算。計(jì)算各指標(biāo)信息熵的得分值，是測算低碳城市系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展和綜合發(fā)展指數(shù)的前提。其具體的計(jì)算公式如下：

上式中分別為他系統(tǒng)支持指標(biāo)、他系統(tǒng)壓力指標(biāo)、損耗指標(biāo)、再生指標(biāo)這四個(gè)一級指標(biāo)的得分值，為各個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重，為原始數(shù)據(jù)歸一化處理后的值。

3.3.4 低碳城市系統(tǒng)模型指數(shù)的計(jì)算。用T來表示模型的綜合發(fā)展指數(shù)，表明他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力等各類型的要素在低碳城市系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)起到的作用大小，體現(xiàn)出低碳城市系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，其計(jì)算模型如下：

用D來表示協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)，它表征著他系統(tǒng)支持、他系統(tǒng)壓力、損耗、再生等因素之間協(xié)調(diào)發(fā)展的狀況的好壞。其數(shù)值越大意味著協(xié)調(diào)度越好，反之則越差。其表達(dá)式為：

4 實(shí)證研究

4.1 熵值分析

根據(jù)上海市2007～2015年的統(tǒng)計(jì)資料和構(gòu)建的評價(jià)模型，計(jì)算出上海低碳城市系統(tǒng)的各類熵值及指數(shù)值（見表2）。表2中，熵流是他系統(tǒng)支持輸入熵與他系統(tǒng)壓力輸出熵的矢量和，熵產(chǎn)生為損耗型代謝熵和再生型代謝熵的矢量和。由表2數(shù)據(jù)擬合生成的趨勢曲線圖（見圖1）更直觀地反映出，自2007年至2015年期間，上海市低碳城市系統(tǒng)總熵變均為負(fù)值，熵流和總熵在動(dòng)態(tài)趨勢走向上保持相對一致性，并且整體上表現(xiàn)出逐年下降的趨勢，說明上海市總體上向著低碳、健康、有序的方向發(fā)展。而在這期間熵產(chǎn)生大致表現(xiàn)出平穩(wěn)并伴有小幅波動(dòng)的趨勢，說明上海低碳城市系統(tǒng)內(nèi)部的無序度增加的速率不斷減弱，整個(gè)低碳城市系統(tǒng)逐步趨向于穩(wěn)定。這些主要得益于上海市經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量的發(fā)展和人均收入水平的穩(wěn)步提升。但與此同時(shí)也不能對2013年因低碳城市系統(tǒng)熵流的突變而引起總熵值的突變的狀況加以忽視，其主要原因在于隨著低碳試點(diǎn)城市政策的不斷深化和推進(jìn)，國家對城市系統(tǒng)的低碳化要求逐漸提升，城市綠化、公共交通以及廢水廢棄物處理等方面問題亟待解決。綜上所述，低碳城市系統(tǒng)的熵流在低碳城市建設(shè)中起到至關(guān)重要的作用，它是系統(tǒng)有序發(fā)展的保證，加大財(cái)政投入與支持、提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)效率、削減低碳城市壓力源、調(diào)控壓力傳遞將會(huì)是日后的重中之重。

4.2 指數(shù)分析

由表2中綜合發(fā)展指數(shù)和協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)序列擬合生成的曲線圖（見圖2）可知，從2007～2015年，上海市低碳城市系統(tǒng)的綜合發(fā)展度指數(shù)由2007年的0.18增長到2015年的0.238，呈現(xiàn)出小幅度穩(wěn)步增長的趨勢，說明隨著低碳城市建設(shè)的加強(qiáng)，上海市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境得到了更好的發(fā)展。另一方面，上海市低碳城市系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)大體上圍繞著0.28上下波動(dòng)，但是在2011年之后，由于上海市經(jīng)濟(jì)持續(xù)過熱的增長給自然資源與環(huán)境造成沉重壓力，導(dǎo)致協(xié)調(diào)度略有降低，從側(cè)面反映出今自2011年以后生態(tài)環(huán)境建設(shè)將成為上海市低碳城市建設(shè)的重點(diǎn)和關(guān)鍵。換言之，社會(huì)經(jīng)濟(jì)單方面的高速發(fā)展并不能為低碳城市系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供相應(yīng)的保障，只有加強(qiáng)低碳環(huán)境建設(shè)的投入力度，與環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展才是實(shí)現(xiàn)上海低碳城市建設(shè)的動(dòng)力。

5 結(jié)論與建議

上海市低碳城市系統(tǒng)的信息熵值在時(shí)間上的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律表明，上海市低碳城市系統(tǒng)的熵產(chǎn)生表現(xiàn)出平穩(wěn)并伴有小幅波動(dòng)的趨勢，熵流和總熵均呈現(xiàn)出下降趨勢，系統(tǒng)的有序度逐漸增加。上海市應(yīng)該在現(xiàn)有的良好發(fā)展態(tài)勢的基礎(chǔ)上，著重關(guān)注低碳城市的壓力源，調(diào)整優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提高清潔能源使用比例與效率，提倡廢水廢棄物循環(huán)利用等，從而為低碳城市建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在形成熵流的他系統(tǒng)支持型輸入指標(biāo)和他系統(tǒng)壓力型輸出指標(biāo)中，森林覆蓋率、環(huán)境治理投資占比、生活垃圾無害化處理率以及城鎮(zhèn)居民人均可支配收入這幾個(gè)指標(biāo)的權(quán)重相對較高。因此，在低碳城市的建設(shè)中，環(huán)境的保護(hù)與治理應(yīng)當(dāng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展同等重要，經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長將會(huì)給環(huán)境保護(hù)治理帶來更多的資金投入，同樣一個(gè)良好的低碳環(huán)境更能夠?yàn)樯鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)I造一個(gè)友好、和諧的氛圍，兩者相輔相成。上海市未來應(yīng)充分提升低碳環(huán)境治理功能，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，做到低碳環(huán)境建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展齊頭并進(jìn)，開辟一條更加節(jié)能、環(huán)保、可循環(huán)的低碳經(jīng)濟(jì)之路。

基于耗散結(jié)構(gòu)和信息熵理論構(gòu)建的低碳城市系統(tǒng)熵變指標(biāo)體系，包括他系統(tǒng)支持輸入指標(biāo)、他系統(tǒng)壓力型輸出指標(biāo)、損耗型代謝指標(biāo)和再生型代謝指標(biāo)，為低碳城市系統(tǒng)發(fā)展的評價(jià)研究提供了量化方法。另外，根據(jù)實(shí)證分析得到的各參數(shù)結(jié)果，在一定程度上也能夠良好地展現(xiàn)出上海市低碳城市發(fā)展的整體水平，和實(shí)際情況較為符合，為上海市低碳城市發(fā)展的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測與評價(jià)提供一定的指導(dǎo)作用。

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