基于熵權TOPSIS法的我國區域能源安全評價研究

孫貴艷,王 勝

(1.重慶社會科學院 重慶 400020;2.西南大學 重慶 400715)

1 引言

我國提出，推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系。一般而論,能源安全作為能源體系的狀態,直接影響到國家或地區的可持續發展與社會穩定,成為全世界關注的重要議題[1]。我國“缺油、少氣、富煤”的資源稟賦,經濟發展帶來的能源消費總量的剛性增長,以及國際能源價格走低的發展態勢等,導致我國以煤炭為主的能源消費結構沒有得到明顯改善。我國原油、天然氣的對外依存度較高,2017年分別達

到67.4%、39%。同時,由于經濟發展需求、能源資源空間分布、生態環境要求之間的空間不匹配,棄風、棄光、棄水電現象仍較嚴重,導致我國供應不足與粗放式利用矛盾明顯。鑒于此,對我國不同省市的能源安全狀況進行研究,有利于把握我國各區域的能源安全形勢,促進國家與地區的可持續發展。

能源安全的提出與20世紀70年代后期的石油危機是緊密相關的。隨著全球化進程的加快,能源需求、價格調整和環境問題日益突出,能源安全的重要性和內涵都在發生變化,擴展為涵蓋能源、經濟與環境等多維度的概念[2,3]。如亞太能源研究中心[4,5]對能源安全概述為：保證能源資源可持續供應和能源價格維持在合理的水平,不對經濟發展產生不利影響的經濟能力,不會受到可利用性、可獲得性、可接受性、可承受性等方面的影響。隨著能源安全涉及維度的不斷延伸,學者們提出了一系列能源安全的度量標準：Von Hippel[6]從環境、技術、需求管理和社會文化政治4個方面建立了亞洲各國的能源安全評價框架;Vivoda[7]在Von Hippel研究的基礎上,增加了人類安全、國際關系、政策3個因素,但未在國家或地區進行實證分析;Sovacool[8]認為Vivoda研究的涵蓋維度不夠全面,部分指標不具有普適性,因此在對64個國際權威能源機構進行半結構化訪談的基礎上,構建了由可利用性、依存度、多樣性等20個維度、200個指標構成的指標體系。同年,Sovacool、Mukherjee[9]又進一步歸納出300個單一指標與52個復雜指標的能源安全評價指標。除學者們的研究外,國際上的能源研究機構和部門也進行了相關研究,如英國能源安全聯合研究小組[10]圍繞英國的天然氣、電力供應安全,從能源供需預測、市場信號、市場響應3個維度構建了能源安全評價體系。

在關注國家層面的能源安全外,學者們也加強了對區域層面的能源安全的研究,如劉立濤等[11]從可獲得性、經濟效率、社會福利、環境保護4個維度構建了區域能源安全評價體系;Zhang等[12]從可用性和多樣性、可承受性和公平性、技術和效率、環境可持續性、管理和創新5個維度對我國不同省市的能源安全狀況進行了分析;孫涵等[13]從能源供應、使用、經濟與環境安全4個方面對我國區域能源安全保障水平進行了研究。總體來說,早期的能源安全強調能源供應穩定、經濟價格合理,多是從影響供應穩定的政治、資源稟賦、運輸等因素,以及影響經濟運行的價格因素角度構建能源安全指標體系。隨著能源安全內涵的豐富,近幾年增加了能源使用安全、環境安全等方面的評價指標。不容忽視的是,國家層面的能源安全研究成果較豐富,而區域層面的能源安全評價研究偏少,且評價指標多側重能源供應側、能源使用,以及存在重指標構建、輕使用等問題。鑒于此,考慮到能源的供應側、需求側、使用情況,本文從區域能源供應、能源需求、能源使用3個維度構建了區域能源安全評價指標體系。考慮到熵權TOPSIS法具有獲得權重客觀真實、模型計算簡單、可進行橫向對比分析等優點,所以本文采用熵權TOPSIS法對我國不同省市的能源安全水平進行分析,以便為制定能源環境方面的政策提供參考。

2 研究方法

2.1 熵權TOPSIS法

TOPSIS法是一種基于評價對象與理想化目標的距離進行排序的評價方法[14]。為了有效消除評價的內外部環境發生變化產生的影響,在此運用熵值法來確定各評價指標的客觀權重,使評價結果更具有可比性。考慮到各指標的量綱、數量級、指標的正負取向有差異,采用極差法對數據進行標準處理,計算公式為:

正向指標:

(1)

負向指標:

(2)

在能源安全指標體系的測度中,權重的確立是非常重要的內容。目前確定權重有主觀賦值法、客觀賦值法,其中客觀賦值法是根據各指標提供的信息來決定權重。在此采用客觀賦值法中的熵值法,根據熵值大小,即各指標的變異程度,確定權重。

計算第i個地區第j項指標值的比重:

(3)

計算信息熵:

(4)

計算信息熵冗余度:

dj=1-ej

(5)

確定指標的權重:

(6)

最后得到單項指標評價得分:

(7)

確定正理想解和負理想解:

(8)

(9)

各評價對象到正理想解和負理想解的歐式距離,計算公式為:

(10)

(11)

各評價對策與最優解的相對接近度Ci:

(12)

2.2 評判標準

參考相關學者的研究成果[15,16],將接近度劃分為5個評判等級,見表1。

表1 區域能源安全評判標準

3 區域能源安全評價

3.1 區域能源安全評價體系構建

借鑒已有的研究成果,按照全面性、普適性、可比性等原則,從區域能源供應安全、能源需求安全、能源使用安全3個維度來構建區域能源安全評價體系。考慮到能源供應安全可能會受到資源稟賦、資源可獲得性、技術和管理水平等影響,因此選擇從資源稟賦、可獲得程度、技術發展、能源管理4個方面來度量,主要選擇能源總儲量、能源生產多元化指數、對外依存度、市場流動性、地質勘查投入強度、能源工業投資等指標。能源需求安全則從經濟社會發展、普惠程度兩方面來度量,主要選擇人均GDP增速、人口增長率、城鎮化率、產業結構、能源消費彈性系數、農村人均用電量、能源價格等指標。能源使用安全從消費結構、利用效率、環境影響、環境保護4個方面來度量,主要選擇多元化指數、非化石能源消費比例、單位GDP能耗、人均碳耗、人均廢水排放量、廢氣排放強度、節能環保投入強度等指標,具體的指標體系見表2。

表2 區域能源安全評價體系及權重

3.2 評價結果

本文根據上述構建的區域能源安全評價指標體系,同時借助2017年的《中國統計年鑒》、《中國能源統計年鑒》及各省、自治區、直轄市的統計年鑒,利用熵權TOPSIS法對我國的區域能源安全狀況進行了分析,結果見表3(因數據缺失，未包括香港特別行政區、澳門特別行政區、臺灣地區、西藏自治區)。

表3 我國區域能源安全水平

從表3可見:①我國的區域能源安全程度普遍較低。我國大部分省市的能源安全值在0.3以下,約1/2的省市的能源安全值處在0.2以下。其中,上海、山西、青海、新疆、海南、寧夏、甘肅、內蒙古、北京、黑龍江的能源安全值高于全國的平均水平。特別是上海、山西、青海、新疆的能源安全值在0.3以上。就C值來看,上海、山西處于臨界安全狀態,寧夏、新疆、青海、內蒙古、海南、甘肅、北京處于較不安全狀態,其他地區都處于不安全狀態。②在能源供應安全方面,新疆、山西的能源供應安全狀況相對較好。就我國的三大區域而論,能源供應安全的平均值為西部地區>中部地區>東部地區,呈現“西高東低”的變化態勢。對我國區域內不同省市能源安全的差異狀況而論,通過變異系數分析可知,中部地區>西部地區>東部地區,這表明我國中部地區內不同地區間的供應安全差異性較大。對我國東部地區而言,海南的能源供應安全值最高,主要是由于海南以旅游業為主,能源消費量處于全國最低水平,山東的能源供應狀況居第二。分析發現,雖然山東的能源消費量居全國第一,但其能源基礎儲量相對較大,能源工業投資居全國首位;浙江省的能源供應安全值最低。總體來說,我國東部地區總體上能源基礎儲量較少,導致對外的能源依賴程度較高,地質勘查投入與能源工業投資相對偏低。對我國中部地區而言,山西的能源供應狀況最好,這是由于山西能源基礎儲量豐富,占到全國基礎儲量的34.91%,可滿足本地區的能源消費需求,因此能源對外依存度較低。同時,山西的能源開發利用也導致了該省能源投資量居全國前列;黑龍江、吉林作為我國的老工業基地,石油、煤炭、天然氣較豐富,因此能源生產的多樣化水平較高。但隨著不間斷地開采引起儲量減少,為尋找新的能源儲量基地的地質勘查投入強度有所加大。此外,我國其他省市的能源供應安全水平都較低。對我國西部地區而言,能源供應安全水平普遍相對較高,特別是新疆、寧夏、內蒙古、青海、陜西等西北地區的能源供應安全值都在0.1以上。其中,除青海的能源基礎儲量與能源消費量偏少、地質勘查投入相對較大外,其他地區均是由于能源儲量非常豐富,主要是原因這些地區的地質勘查投入強度較大和能源工業投資較高。我國西南地區的省市雖有一定的能源儲量,但受地質環境的影響,開發難度較大,能源工業投資相對較少。③在能源需求安全方面,我國東部地區的水平普遍較高,省市間的差異性較大。上海的能源需求安全居全國首位,山東的能源需求安全居全國倒數第二。其中,雖然上海的城鎮化水平是全國最高的,達到87.9%,但農村人均用電量也居全國首位,達到33576.94kW·h,工業占地區生產總值的比重偏低,僅26.81%。其次是海南、遼寧、北京等,其中海南主要是由于工業占地區生產總值的比重是全國最低的,僅為11.90%,北京的工業占比也只有15.69%,遼寧則主要是由于人口呈現增長。我國中部地區省市間的能源需求安全差異性較小,其中黑龍江的能源需求安全水平最高,究其原因是黑龍江的人口增長率呈現負增長,人均GDP增速也偏低,加上以裝備、石化、能源、食品等傳統工業為主,工業占比偏高。我國西部地區省市的能源需求安全值差異較小,其中甘肅的能源安全最高,主要是由于甘肅的城鎮化水平較低,僅為44.69%,工業占地區生產總值的比重也只有24.41%,同時能源消費呈現負增長。內蒙古的能源需求安全水平是我國西部最低的。通過分析發現,雖然內蒙古人口增長率僅有0.36%,居西部倒數第一,農村人均用電量也僅此于居西部首位的新疆,達726.98kW·h,但其城鎮化水平是西部地區最高的,達到61.19%,工業占地區生產總值的比重達到39.90%,居西部首位。④在能源使用安全方面,我國東部地區普遍較低,且省市間的差異性較小,其中北京的能源使用安全水平最高,居全國第二,這主要是由于北京的非化石能源消費比重較高,節能環保投入較大,以及能源消費多樣化水平與能源消費利用效率較高。其次是海南,究其原因是工業企業較少,人均廢水排放量與人均碳排放量偏少,以及節能環保支出強度較高。總體來說,我國東部地區風能、水能等非化石能源消費比重、人均廢水排放量、能源利用效率都高于中西部地區,且注重節能環保的投入來改善能源消費結構與生態環境。我國中部地區的能源使用安全水平偏低,其中山西最低,主要是因為以煤炭消費為主,導致廢氣、碳排放量較高和能源利用效率偏低。此外,我國其他省市間存在較小的差異性。總體來說,相比于東部地區,受產業承接的影響,我國中部地區廢水、廢氣、碳排放量偏高,節能環保的投入力度偏低,同時受到經濟發展水平的限制,人口增長緩慢,所以能源使用安全狀況稍微好于東部地區。我國西部地區能源使用安全水平總體較高,其中青海最高,這主要是由于青海實施“以電代煤、以電代油、以電代糞”等工程,光伏、風電等非化石能源消費比重居全國第一,廢水、廢氣、碳排放量等偏低,以及節能環保支出強度較大造成的。內蒙古、寧夏的能源使用偏低,主要是由以煤炭為主,棄電現象較嚴重,廢水、廢氣、碳排放量偏高,以及能源利用效率低造成的。此外,貴州、陜西主要是受能源資源稟賦的影響。重慶、四川、廣西、云南的水資源及西北地區甘肅、新疆的光伏、風電雖然都很豐富,但由于本地消納困難,棄風、棄水、棄光電現象非常嚴重。總體來說,我國西部地區水、光、風等資源豐富,加上重工業企業較少,能源消費量少于中東部地區,廢水、廢氣、碳排放量低等,使西部地區的能源使用安全水平明顯高于中東部地區。

4 結論與建議

在從能源供應、需求、使用三個維度構建區域能源安全評價模型的基礎上,本文主要運用熵權TOPSIS法對我國區域的能源安全狀況進行了實證研究。結果顯示,我國的能源安全普遍較低。其中,上海、山西、青海、新疆、海南、寧夏、甘肅、內蒙古、北京、黑龍江的能源安全值高于全國平均水平,且呈現西北向東南逐漸降低的趨勢。此外,除上海、山西處于臨界安全狀態外,寧夏、新疆、青海、內蒙古、海南、甘肅、北京處于較不安全狀態,我國其他地區都處于不安全狀態。

就能源供應、需求、使用三個維度的全國狀況而論,山西與新疆的能源供應安全水平、上海的能源需求安全水平、青海與北京的能源使用安全水平較高。對我國三大區域而言,西部地區能源供應安全水平、東部地區能源需求安全水平、西部地區能源使用安全水平相對較高。通過分析發現,受能源基礎儲量相對豐富、地質勘查投入相對較高和能源消費量、污染排放量偏少等原因,我國西部地區能源安全水平明顯好于中東部地區。

基于以上研究,本文提出以下建議:①在能源供應方面,加大航空物探、遙感等技術的利用,持續優化礦產勘查結構;各地區應因地制宜地推進水能、核能、風能、太陽能等新能源的開發與利用,提高能源供應的多樣化,優化能源供給結構。②在能源需求方面,繼續實施農村電網升級改造工程,提高我國特別是中西部地區農村的人均用電量。同時,緊抓“中國制造2025”、“互聯網+”等發展機遇,大力推進信息化與工業化的深度融合,并通過加大智能化、自動化等來改造提升傳統產業，培育壯大電子信息、新材料等戰略性新興產業。③在能源使用方面,持續優化能源消費結構,改變我國西部地區能源粗放式利用方式,完善可再生能源的開發利用機制,增強水電、光電、風電的能源消納能力;工業生產中選擇環保原料,從源頭控制工業的碳排放量,嚴格監管污染源的達標排放,對產生的廢水、廢氣、廢渣等進行循環利用;加大新技術、新設備的研究開發與引進,提高能源利用效率。