能源-经济-环境系统耦合协调度分析
发布时间：2023-09-05 点击：
发布：《现代商业》杂志社
摘要：基于2006-2016年江苏省能源、经济和环境数据，运用主成分分析和耦合协调模型分析了江苏省能源、经济和环境的综合协调关系。结论如下:在此期间，江苏省能源、经济和环境的耦合度相对稳定，2007年均进入对抗性耦合阶段。协调度不断提高，2015年达到0.6以上的平均水平，进入协调发展阶段，但总体水平仍然较低。这一结论有助于理性分析江苏省能源、经济和环境的发展现状及其相互关系，为政府制定完整的经济和环境保护政策提供指导。
关键词:江苏省；3E系统；主成分分析；耦合协调度
十九大提出加快生态文明体制改革的目标，推动了对能源、经济、环境关系的深入思考。能源是经济发展的主要动力，日益增长的能源需求与能源稀缺之间的矛盾日益突出。能源系统的超负荷必然给生态环境建设带来巨大压力。生态环境建设、经济发展与能源供需相辅相成，存在着辩证统一的关系，存在着博弈与协调的关系2。只有三者互动，才能实现生态文明建设的可持续发展。
能源、经济与环境(3E体系)作为一个社会热点话题，引起了国内外学者的广泛关注。国外学者对能源和经济的研究较早。1978年，卡夫j和卡夫A3研究了美国GDP和能源消耗之间的因果关系。1985年，于和利用时间序列协整分析检验了GDP与能源消费之间的因果关系。格罗斯曼和Krueger5提出了“环境库兹涅茨曲线(EKC)”假说，并对环境污染与经济增长的关系进行了深入研究。在借鉴国外研究经验的基础上，国内对3E体系的研究侧重于数理统计的实证分析。林发现了从经济增长到能源消耗的单向因果关系。Mary等人通过建立评价指标体系和系统关联模型，发现中国经济与环境处于较低的关联度和协调性水平。基于主成分分析法，曹、、构建了评价上海市系统发展的指标体系，计算了2000-2012年上海市能源-经济-环境系统的综合发展指数，并对系统的协调度进行了评价分析。
运用主成分分析法构建江苏省3E系统的耦合协调模型，通过对2006-2016年相关数据的综合统计，分析江苏省能源、经济、环境耦合协调度的变化。
一、江苏省3E系统评价
(一)3E系统关联度评价指标体系的构建
为了对3E系统进行有效、专业的评价和分析，首先需要建立一套可信的3E系统评价指标体系。本文从总量指标、结构指标和质量指标三个方面，结合江苏省资源经济的特点，选取了能够反映江苏省能源、经济和环境状况的24个指标(见表1)，构建了评价指标体系。评价指标体系中的数据均来自2007-2017年江苏统计年鉴。
表1 3E系统评价指标体系
系统液位指示器液位单元
能源系统X1的能耗比上年增加了%。
X2的能源总产量是一万吨标准煤。
X3的能源消耗总量是一万吨标准煤。
X4总耗电量为10亿千瓦时。
X5电力消费弹性系数%
X6能源消费弹性系数%
X7人均生活能源消费万吨标准煤/人
X8能源加工转化损失为万吨标准煤。
经济体系Y1地区生产总值指数\
Y2工业总产值指数\
Y3居民消费水平元/人
Y4政府消费1亿元。
Y5第三产业贡献率%
Y6固定资产总投资1亿元。
Y7地区生产总值最终消费率%
Y8人均国内生产总值指数\
环境系统Z1工业废水排放量为万吨。
Z2万吨二氧化硫排放量。
Z3烟尘排放量为万吨。
Z4工业固体废物综合利用率%
Z5城市建成区绿化覆盖率%
Z6工业废水排放达标率为%
Z7人均公园绿地面积平方米/人
Z8节能环保财政投入1亿元
(二)运用主成分分析法对江苏3E系统的子系统进行分析。
主成分分析(PCA)是一种分析和简化数据集的技术。它主要是利用降维的思想，将多个指标转化为少数几个综合指标(即主成分)，这对于研究能源、经济和环境(3E)系统是全面而方便的。
根据表1选取的24个评价指标，统计了2006-2016年江苏省能源、经济、环境的相关数据。以能源系统为例，将统计数据用0-1标准化，然后用数据分析软件SPSS对处理后的数据进行主成分分析，得到能源系统的三个主成分表达式，使能源系统为A(x)，表达式如下:
a _ 1(x)=-0.187 x _ 1-0.158 x _ 2+0.2x _ 3+0.202 x _ 4+0.007 x _ 5+0.169 x _ 6+0.203 x _ 7-0.012 x _ 8(1)
a2(x)=-0.120 x1-0.31 x2-0.103 x3-0.01 x4+0.027 X5+0.369 X6-0.021 x7+0.651 x8(2)
a3(x)=-0.323 x 1-0.036 x 2-0.088 x 3-0.062 x 4+0.894 x 5+0.005 x 6-0.07 x 7+0.009 x 8(3)
然后，以特征值对主成分的累计贡献率为权重系数，计算主成分综合模型:
a(x)=-0.192 x1+0.032 x2+0.121 x3+0.138 x4+0.139 X5+0.188 X6+0.118 x7+0.129 x8(4)
同样，设经济系统的表达式为B(y)，环境系统的表达式为C(z)。基于相同的计算方法，经济和环境主成分综合模型如下:
b(y)= 0.132 y1+0.132 y2+0.132 y3+0.128 y4+0.125 y5+0.132 y6+0.118 y7+0.132 y8(5)
c(z)= 0.150 Z1+0.161 z2-0.114 z3+0.067 Z4+0.117 z5+0.094 z6+0.173 z7+0.155 z8(6)
最后，将能源、经济和环境的0-1标准化数据分别纳入主成分综合模型，得到3E系统的发展水平值。结果如图1所示:
图1能源、经济和环境综合发展水平
结果显示，2006-2016年，江苏省能源、经济、环境综合发展水平总体呈上升趋势。能源系统从2006年的0.033上升到2016年的0.626；经济系统从2006年的0.001上升到2016年的0.889；环境系统从2006年的0.007上升到2016年的0.772。其中，经济综合发展水平呈线性增长趋势，2006-2008年其综合发展水平低于能源和环境；2009-2011年低于能源发展水平，高于环境发展水平；2013-2016年，其发展水平明显高于能源和环境系统的整体发展水平。能源系统和环境系统呈下降增长趋势，二者波动基本一致，显示了能源与环境的制约和关系。
二、3E系统耦合协调度分析
(一)评价模式
能源、经济和环境之间存在很强的相互依赖性，3E系统之间的协调性不能完全用简单的加权平均来解释。通过构建耦合协调度模型，可以全面衡量3E系统的协调度。利用主成分分析法得到了3E系统各子系统的评价函数A(X)，B(Y)和C(Z ),进而得到了能源、经济和环境的耦合度O，其中O_1、O_2和O_3分别为能源-经济、能源-环境、经济-环境和能源-经济的耦合度。
o_1={a(x)b(x)/[a(x)+b(x)]^2 }^(1/2)(7)
复合系统的耦合度分为四个等级:当0 < C ≤ 0.3时，系统处于低耦合阶段；当0.3 < c ≤ 0.5时，系统处于对抗性耦合阶段；当0.5 < c ≤ 0.8时，系统处于良性耦合阶段；当0.8 < c ≤ 1.0时，系统处于高耦合阶段。然后通过耦合度得出耦合协调度，能源、经济、环境的耦合协调度分别为D1、D2、D3。以能源系统为例，得出公式:
D1 = O1×T(8)
T=aA(X)+bB(Y) (9)
其中，t为综合效益系数；a和b为待定系数，在公式中均设为0.5。3E系统耦合协调度的评价标准如下表所示:
表2 3E系统耦合协调评级标准
协调度d协调水平协调度d协调水平
0 ≤ d < 0.1极度紊乱0.5 ≤ d < 0.6勉强协调。
0.1 ≤ d < 0.2严重失调0.6 ≤ d < 0.7初级协调
0.2 ≤ d < 0.3中度障碍0.7 ≤ d < 0.8中度协调
0.3 ≤ D < 0.4轻度失调0.8 ≤ D < 0.9良好协调
0.4 ≤ d < 0.5濒临失调0.9 ≤ d < 1.0优质协调
(2)结果分析
根据2006-2016年的相关数据，利用公式(7)-(9)计算了江苏省能源-经济、能源-环境、经济-环境的耦合度、协调度和综合协调度。具体结果见表3:
表3 2006-2016年江苏省耦合协调度变化表
年能源-经济能源-环境经济-环境能源-经济-环境综合协调度
1D 2D三日游
0.02242, 0.01976, 0.37559, 0.02242, 2006, 0.37559.10000000505
在2007年，0.49508 0.20203 0.44425 0.4442536356
2008年，0.49709，0.25752，0.4975363676
在2009年，0.47027 0.27154 0.44498 0.27001 0.49974 0.49757877
0.48116 0.32690 0.4479 0.2010.48888888885
2011 0.48212 0.38362 0.4133 0.480 0.49999 0.49999.49999899994
在2012年，0.47166 0.40256 0.4051 0.4049 0.4565636656
在2013年，0.49743 0.50849 0.49996 0.50570 0.49997 0.4997975
2014年，0.49036 0.54918 0.4910 0.54702 0.4998 0.6993 0.549663966
0.49871 0.62923 0.49990 0.615 0.3333202006
0.49191 0.6239 0.426 0.5950 0.59550.5955000005
数据来源:作者计算。
结合表2和表3，对江苏省3E系统的耦合协调度进行分析，得出以下结论:
首先，根据能源经济系统的相关数据，能源经济耦合协调度系统在2006年处于极度失衡水平，2007-2009年处于中度失衡水平，2012年处于接近失衡水平，2013-2014年处于勉强协调水平，2015-2016年处于初级协调水平。从能源系统评价指标来看，2006-2014年江苏省能源生产总量逐年增加，在一定程度上促进了经济增长，2006-2014年能源经济协调度快速提高。由于资源储量减少和生态文明建设带来的环境压力，2015-2016年能源生产总量大幅下降，使得能源子系统综合评价值在2014年后呈现缓慢增长趋势。
根据能源-环境系统的相关数据，2006-2016年江苏省能源-环境耦合协调度经历了从快速上升到缓慢上升的发展过程，2008-2009年急剧下降，2010年开始上升，之后协调度增长进入平缓增长期。根据对能源与环境系统评价指标的分析，得出2006-2009年能源系统能源消费弹性系数倒数指数逐年下降，2009年达到最小值，与能源生产总量指数一致；在环境系统中，逆指标“工业废水排放量”、“二氧化硫排放量”、“烟(粉)尘排放量”总体呈下降趋势。在能源环境综合协调下，2015-2016年能源环境协调度将达到初级协调水平。
根据经济-环境系统的相关数据，经济-环境耦合协调度从2006年的0.0402上升到2016年的0.6153。2006-2014年，江苏省经济发展和人民生活水平提高，对生态文明建设的要求越来越高。同时，“财政对节能环保的投入”加大了生态环境建设力度，环境与经济增长的耦合度和协调性快速提升。但经济发展会给环境带来负外部性，2014年将超过环境的承载阈值，2014-2016年经济与环境的耦合协调度将缓慢增长。从协调度的时间演变轨迹来看，2014年经济-环境系统率先实现初步协调。
总体而言，2006年江苏省能源、经济、环境综合协调度处于极度不平衡阶段，2007-2009年处于中度不平衡阶段，2010年处于轻度不平衡阶段，2011-2012年处于接近不平衡阶段，2013-2014年处于勉强协调阶段，2015-2016年处于初步协调阶段。总体来看，各地经济格局与国家政策一致，2012年成为3E制度的转折点，是十八大“大力推进生态文明建设”战略决策的结果，对江苏省能源、经济、环境等政策调整起到了深远的指导作用。
三、结论
本文选取能源、经济和环境相关指标数据，运用主成分分析法进行权重分析，运用耦合协调模型对江苏省2006-2016年3E系统进行综合评价分析，得出结论:
①2006-2016年11年间，江苏省3E系统耦合协调度整体水平较低，能源、经济、环境平均综合协调度在0.4左右，处于评价标准体系失衡的边缘。但从纵向来看，能源、经济、环境综合耦合的总体协调度呈上升趋势，协调水平逐渐由失调向协调转变。
②从能源、经济和环境的比较分析来看，经济和环境的协调度要优于能源-经济和能源-环境。可以看出，江苏省的能源结构正在向能源密集型和节约型转变，但能源系统和经济系统的发展总体上滞后于环境系统。可见，江苏省协调型的能源-经济-环境(3E)系统仍然滞后于生态环境，严重阻碍了江苏省的生态文明建设。
关键词:江苏省；3E系统；主成分分析；耦合协调度
十九大提出加快生态文明体制改革的目标，推动了对能源、经济、环境关系的深入思考。能源是经济发展的主要动力，日益增长的能源需求与能源稀缺之间的矛盾日益突出。能源系统的超负荷必然给生态环境建设带来巨大压力。生态环境建设、经济发展与能源供需相辅相成，存在着辩证统一的关系，存在着博弈与协调的关系2。只有三者互动，才能实现生态文明建设的可持续发展。
能源、经济与环境(3E体系)作为一个社会热点话题，引起了国内外学者的广泛关注。国外学者对能源和经济的研究较早。1978年，卡夫j和卡夫A3研究了美国GDP和能源消耗之间的因果关系。1985年，于和利用时间序列协整分析检验了GDP与能源消费之间的因果关系。格罗斯曼和Krueger5提出了“环境库兹涅茨曲线(EKC)”假说，并对环境污染与经济增长的关系进行了深入研究。在借鉴国外研究经验的基础上，国内对3E体系的研究侧重于数理统计的实证分析。林发现了从经济增长到能源消耗的单向因果关系。Mary等人通过建立评价指标体系和系统关联模型，发现中国经济与环境处于较低的关联度和协调性水平。基于主成分分析法，曹、、构建了评价上海市系统发展的指标体系，计算了2000-2012年上海市能源-经济-环境系统的综合发展指数，并对系统的协调度进行了评价分析。
运用主成分分析法构建江苏省3E系统的耦合协调模型，通过对2006-2016年相关数据的综合统计，分析江苏省能源、经济、环境耦合协调度的变化。
一、江苏省3E系统评价
(一)3E系统关联度评价指标体系的构建
为了对3E系统进行有效、专业的评价和分析，首先需要建立一套可信的3E系统评价指标体系。本文从总量指标、结构指标和质量指标三个方面，结合江苏省资源经济的特点，选取了能够反映江苏省能源、经济和环境状况的24个指标(见表1)，构建了评价指标体系。评价指标体系中的数据均来自2007-2017年江苏统计年鉴。
表1 3E系统评价指标体系
系统液位指示器液位单元
能源系统X1的能耗比上年增加了%。
X2的能源总产量是一万吨标准煤。
X3的能源消耗总量是一万吨标准煤。
X4总耗电量为10亿千瓦时。
X5电力消费弹性系数%
X6能源消费弹性系数%
X7人均生活能源消费万吨标准煤/人
X8能源加工转化损失为万吨标准煤。
经济体系Y1地区生产总值指数\
Y2工业总产值指数\
Y3居民消费水平元/人
Y4政府消费1亿元。
Y5第三产业贡献率%
Y6固定资产总投资1亿元。
Y7地区生产总值最终消费率%
Y8人均国内生产总值指数\
环境系统Z1工业废水排放量为万吨。
Z2万吨二氧化硫排放量。
Z3烟尘排放量为万吨。
Z4工业固体废物综合利用率%
Z5城市建成区绿化覆盖率%
Z6工业废水排放达标率为%
Z7人均公园绿地面积平方米/人
Z8节能环保财政投入1亿元
(二)运用主成分分析法对江苏3E系统的子系统进行分析。
主成分分析(PCA)是一种分析和简化数据集的技术。它主要是利用降维的思想，将多个指标转化为少数几个综合指标(即主成分)，这对于研究能源、经济和环境(3E)系统是全面而方便的。
根据表1选取的24个评价指标，统计了2006-2016年江苏省能源、经济、环境的相关数据。以能源系统为例，将统计数据用0-1标准化，然后用数据分析软件SPSS对处理后的数据进行主成分分析，得到能源系统的三个主成分表达式，使能源系统为A(x)，表达式如下:
a _ 1(x)=-0.187 x _ 1-0.158 x _ 2+0.2x _ 3+0.202 x _ 4+0.007 x _ 5+0.169 x _ 6+0.203 x _ 7-0.012 x _ 8(1)
a2(x)=-0.120 x1-0.31 x2-0.103 x3-0.01 x4+0.027 X5+0.369 X6-0.021 x7+0.651 x8(2)
a3(x)=-0.323 x 1-0.036 x 2-0.088 x 3-0.062 x 4+0.894 x 5+0.005 x 6-0.07 x 7+0.009 x 8(3)
然后，以特征值对主成分的累计贡献率为权重系数，计算主成分综合模型:
a(x)=-0.192 x1+0.032 x2+0.121 x3+0.138 x4+0.139 X5+0.188 X6+0.118 x7+0.129 x8(4)
同样，设经济系统的表达式为B(y)，环境系统的表达式为C(z)。基于相同的计算方法，经济和环境主成分综合模型如下:
b(y)= 0.132 y1+0.132 y2+0.132 y3+0.128 y4+0.125 y5+0.132 y6+0.118 y7+0.132 y8(5)
c(z)= 0.150 Z1+0.161 z2-0.114 z3+0.067 Z4+0.117 z5+0.094 z6+0.173 z7+0.155 z8(6)
最后，将能源、经济和环境的0-1标准化数据分别纳入主成分综合模型，得到3E系统的发展水平值。结果如图1所示:
图1能源、经济和环境综合发展水平
结果显示，2006-2016年，江苏省能源、经济、环境综合发展水平总体呈上升趋势。能源系统从2006年的0.033上升到2016年的0.626；经济系统从2006年的0.001上升到2016年的0.889；环境系统从2006年的0.007上升到2016年的0.772。其中，经济综合发展水平呈线性增长趋势，2006-2008年其综合发展水平低于能源和环境；2009-2011年低于能源发展水平，高于环境发展水平；2013-2016年，其发展水平明显高于能源和环境系统的整体发展水平。能源系统和环境系统呈下降增长趋势，二者波动基本一致，显示了能源与环境的制约和关系。
二、3E系统耦合协调度分析
(一)评价模式
能源、经济和环境之间存在很强的相互依赖性，3E系统之间的协调性不能完全用简单的加权平均来解释。通过构建耦合协调度模型，可以全面衡量3E系统的协调度。利用主成分分析法得到了3E系统各子系统的评价函数A(X)，B(Y)和C(Z ),进而得到了能源、经济和环境的耦合度O，其中O_1、O_2和O_3分别为能源-经济、能源-环境、经济-环境和能源-经济的耦合度。
o_1={a(x)b(x)/[a(x)+b(x)]^2 }^(1/2)(7)
复合系统的耦合度分为四个等级:当0 < C ≤ 0.3时，系统处于低耦合阶段；当0.3 < c ≤ 0.5时，系统处于对抗性耦合阶段；当0.5 < c ≤ 0.8时，系统处于良性耦合阶段；当0.8 < c ≤ 1.0时，系统处于高耦合阶段。然后通过耦合度得出耦合协调度，能源、经济、环境的耦合协调度分别为D1、D2、D3。以能源系统为例，得出公式:
D1 = O1×T(8)
T=aA(X)+bB(Y) (9)
其中，t为综合效益系数；a和b为待定系数，在公式中均设为0.5。3E系统耦合协调度的评价标准如下表所示:
表2 3E系统耦合协调评级标准
协调度d协调水平协调度d协调水平
0 ≤ d < 0.1极度紊乱0.5 ≤ d < 0.6勉强协调。
0.1 ≤ d < 0.2严重失调0.6 ≤ d < 0.7初级协调
0.2 ≤ d < 0.3中度障碍0.7 ≤ d < 0.8中度协调
0.3 ≤ D < 0.4轻度失调0.8 ≤ D < 0.9良好协调
0.4 ≤ d < 0.5濒临失调0.9 ≤ d < 1.0优质协调
(2)结果分析
根据2006-2016年的相关数据，利用公式(7)-(9)计算了江苏省能源-经济、能源-环境、经济-环境的耦合度、协调度和综合协调度。具体结果见表3:
表3 2006-2016年江苏省耦合协调度变化表
年能源-经济能源-环境经济-环境能源-经济-环境综合协调度
1D 2D三日游
0.02242, 0.01976, 0.37559, 0.02242, 2006, 0.37559.10000000505
在2007年，0.49508 0.20203 0.44425 0.4442536356
2008年，0.49709，0.25752，0.4975363676
在2009年，0.47027 0.27154 0.44498 0.27001 0.49974 0.49757877
0.48116 0.32690 0.4479 0.2010.48888888885
2011 0.48212 0.38362 0.4133 0.480 0.49999 0.49999.49999899994
在2012年，0.47166 0.40256 0.4051 0.4049 0.4565636656
在2013年，0.49743 0.50849 0.49996 0.50570 0.49997 0.4997975
2014年，0.49036 0.54918 0.4910 0.54702 0.4998 0.6993 0.549663966
0.49871 0.62923 0.49990 0.615 0.3333202006
0.49191 0.6239 0.426 0.5950 0.59550.5955000005
数据来源:作者计算。
结合表2和表3，对江苏省3E系统的耦合协调度进行分析，得出以下结论:
首先，根据能源经济系统的相关数据，能源经济耦合协调度系统在2006年处于极度失衡水平，2007-2009年处于中度失衡水平，2012年处于接近失衡水平，2013-2014年处于勉强协调水平，2015-2016年处于初级协调水平。从能源系统评价指标来看，2006-2014年江苏省能源生产总量逐年增加，在一定程度上促进了经济增长，2006-2014年能源经济协调度快速提高。由于资源储量减少和生态文明建设带来的环境压力，2015-2016年能源生产总量大幅下降，使得能源子系统综合评价值在2014年后呈现缓慢增长趋势。
根据能源-环境系统的相关数据，2006-2016年江苏省能源-环境耦合协调度经历了从快速上升到缓慢上升的发展过程，2008-2009年急剧下降，2010年开始上升，之后协调度增长进入平缓增长期。根据对能源与环境系统评价指标的分析，得出2006-2009年能源系统能源消费弹性系数倒数指数逐年下降，2009年达到最小值，与能源生产总量指数一致；在环境系统中，逆指标“工业废水排放量”、“二氧化硫排放量”、“烟(粉)尘排放量”总体呈下降趋势。在能源环境综合协调下，2015-2016年能源环境协调度将达到初级协调水平。
根据经济-环境系统的相关数据，经济-环境耦合协调度从2006年的0.0402上升到2016年的0.6153。2006-2014年，江苏省经济发展和人民生活水平提高，对生态文明建设的要求越来越高。同时，“财政对节能环保的投入”加大了生态环境建设力度，环境与经济增长的耦合度和协调性快速提升。但经济发展会给环境带来负外部性，2014年将超过环境的承载阈值，2014-2016年经济与环境的耦合协调度将缓慢增长。从协调度的时间演变轨迹来看，2014年经济-环境系统率先实现初步协调。
总体而言，2006年江苏省能源、经济、环境综合协调度处于极度不平衡阶段，2007-2009年处于中度不平衡阶段，2010年处于轻度不平衡阶段，2011-2012年处于接近不平衡阶段，2013-2014年处于勉强协调阶段，2015-2016年处于初步协调阶段。总体来看，各地经济格局与国家政策一致，2012年成为3E制度的转折点，是十八大“大力推进生态文明建设”战略决策的结果，对江苏省能源、经济、环境等政策调整起到了深远的指导作用。
三、结论
本文选取能源、经济和环境相关指标数据，运用主成分分析法进行权重分析，运用耦合协调模型对江苏省2006-2016年3E系统进行综合评价分析，得出结论:
①2006-2016年11年间，江苏省3E系统耦合协调度整体水平较低，能源、经济、环境平均综合协调度在0.4左右，处于评价标准体系失衡的边缘。但从纵向来看，能源、经济、环境综合耦合的总体协调度呈上升趋势，协调水平逐渐由失调向协调转变。
②从能源、经济和环境的比较分析来看，经济和环境的协调度要优于能源-经济和能源-环境。可以看出，江苏省的能源结构正在向能源密集型和节约型转变，但能源系统和经济系统的发展总体上滞后于环境系统。可见，江苏省协调型的能源-经济-环境(3E)系统仍然滞后于生态环境，严重阻碍了江苏省的生态文明建设。
