基于熵權(quán)法的中國省級環(huán)境績效指數(shù)研究*

董戰(zhàn)峰 郝春旭 劉倩倩 嚴(yán)小東 葛察忠

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012)

隨著環(huán)境問題的日益突出，以及公眾環(huán)保意識的提升，人們迫切要求政府解釋其在環(huán)境管理中的績效表現(xiàn)。環(huán)境績效評估則是解決該問題的有效技術(shù)手段，在國內(nèi)外已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。其中，環(huán)境績效指數(shù)是最具代表性的評價方法，是在評價指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，進一步對區(qū)域綜合環(huán)境績效進行量化比較的方法。國際上，主要的環(huán)境績效評估研究組織有經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UN-ECE)、耶魯大學(xué)環(huán)境法律與政策中心和哥倫比亞大學(xué)國際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心、世界銀行(WB)、歐洲環(huán)境署(EEA)、亞洲發(fā)展銀行(ADB)等。目前，國際上有關(guān)環(huán)境績效評估的研究，主要集中在指標(biāo)選取原則和指標(biāo)概念框架研究上。我國對企業(yè)環(huán)境績效評估研究較多，政府環(huán)境績效評估尚處于起步階段，已經(jīng)開展了一些由不同部門主導(dǎo)、不同層面(國家、省級、城市)的政府環(huán)境績效評估。

指標(biāo)權(quán)重賦值是評價過程的關(guān)鍵，主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種，最常用的主觀賦權(quán)法為德爾菲法[1]和層次分析法[2]，客觀賦權(quán)法為等比重法、主成分分析法[3]和加權(quán)相關(guān)系數(shù)法[4]等。但是，上述方法中主觀賦權(quán)法缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重的科學(xué)分配，以上客觀賦權(quán)法又過于簡單，無法真實反映指標(biāo)重要信息。

熵是用于表示物質(zhì)系統(tǒng)中能量衰竭程度的量度，由德國物理學(xué)家CLAUSIUS于1865年提出，可以用于度量已知數(shù)據(jù)所包含的有效信息量和確定權(quán)重，熵權(quán)法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)化質(zhì)量評價[5]、可持續(xù)發(fā)展[6-7]、水質(zhì)評價系統(tǒng)[8-10]、土地集約利用[11-12]及信息預(yù)測決策[13-14]等多個領(lǐng)域。用熵權(quán)表示評價指標(biāo)的相對重要程度，能夠?qū)⒃静豢杀鹊亩嘀貙傩砸造貫闄?quán)重最終計算出綜合得分，在很大程度上克服了現(xiàn)階段的評價方法存在指標(biāo)的賦權(quán)過程受人為因素影響較大的問題，使結(jié)果更符合研究現(xiàn)狀。因此，本研究將熵概念引入到環(huán)境績效評估領(lǐng)域，構(gòu)建基于熵權(quán)法的環(huán)境績效評估體系，分析省級環(huán)境績效指數(shù)(EPI)變化特征，為引導(dǎo)我國環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展提供有力的工具。

1 研究方法

針對國內(nèi)環(huán)境資源領(lǐng)域關(guān)鍵問題現(xiàn)狀，選取環(huán)境健康、生態(tài)保護、資源與能源可持續(xù)利用以及環(huán)境治理4個維度作為二級指標(biāo)，利用EEA開發(fā)出的DPSIR模型選取具體環(huán)境績效評價指標(biāo)，在指標(biāo)權(quán)重賦值上引入熵權(quán)法理論，以此構(gòu)建了4個二級指標(biāo)、13個三級指標(biāo)、43個四級指標(biāo)的中國省級環(huán)境績效評估體系。

假設(shè)環(huán)境績效評價對象集合Xi為：

Xi=(x1,x2,x3,…,xm),i∈[1,m]

(1)

假設(shè)環(huán)境績效評價系統(tǒng)的指標(biāo)集合Xj為：

Xj=(x1,x2,x3,…,xn),j∈[1,n]

(2)

于是得到環(huán)境績效評價系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)矩陣X：

X=(xij)m×n

(3)

式中：xij為第i個省份第j項評價指標(biāo)的數(shù)值；m為評價對象省份個數(shù)，i∈[1,m]，m=30；j為四級指標(biāo)個數(shù)，j∈[1,n]，n=43。

用目標(biāo)漸近法對四級指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將指標(biāo)觀測值xij轉(zhuǎn)換成0～100之間的標(biāo)準(zhǔn)化值rij(若計算值大于100，確定為100)。

對于正向指標(biāo)：

(4)

式中：xmin、xmax分別為指標(biāo)觀測值中最小值和最大值；x目標(biāo)值為指標(biāo)目標(biāo)值，采用規(guī)劃目標(biāo)值法、理論目標(biāo)值法、國際對比目標(biāo)值法以及實際最高(最低)水平替代目標(biāo)值法等方法確定x目標(biāo)值。

對于負(fù)向指標(biāo)：

(5)

得到數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R為：

R=(rij)m×n

(6)

在有m個評價對象、n個評價指標(biāo)的環(huán)境績效評估系統(tǒng)中，第j項指標(biāo)的信息熵值Ej為：

(7)

(8)

對于確定的第j個指標(biāo)，若該指標(biāo)對環(huán)境績效影響越小，則該指標(biāo)下的數(shù)據(jù)列接近完全無序狀態(tài)，Ej越大，該指標(biāo)的偏差度應(yīng)越小，則說明績效指標(biāo)j的信息量與其熵值成反比關(guān)系。j指標(biāo)的信息熵效用價值取決于該指標(biāo)的Ej與1之間的差值dj(見式(9))。

dj=1-Ej

(9)

用熵值估算各指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)是利用該指標(biāo)信息的價值系數(shù)來計算，其價值系數(shù)越高，對評價的重要性就越大。計算各指標(biāo)客觀權(quán)重Wj公式為：

(10)

最后，由四級指標(biāo)開始，經(jīng)過逐級加權(quán)求和得到綜合環(huán)境績效指數(shù)(EPC-EPI)和單項環(huán)境績效指數(shù)。環(huán)境績效指數(shù)越高，反映各地區(qū)的環(huán)境績效越好。計算公式如下：

(11)

利用SPSS軟件對原指標(biāo)體系的三級指標(biāo)下的四級指標(biāo)進行相關(guān)性分析，然后采用區(qū)分度分析法，剔除變異系數(shù)較小的指標(biāo)，最終形成的指標(biāo)框架及權(quán)重見表1。

2 數(shù)據(jù)來源

為了保證評估的公信力，所有數(shù)據(jù)均來自官方公布的數(shù)據(jù)。以2009年為評價基準(zhǔn)年，評估對象為30個省市(因為數(shù)據(jù)缺失過大，暫不考慮西藏和港澳臺)。SO2年平均濃度、NO2年平均濃度、城市用水普及率、道路交通噪聲、區(qū)域環(huán)境噪聲、工業(yè)固體廢物排放強度、生活垃圾無害化處理率以及工業(yè)固體廢物綜合利用率等數(shù)據(jù)來自中國統(tǒng)計年鑒；農(nóng)村改水收益率、工業(yè)廢水中有害物質(zhì)排放當(dāng)量數(shù)、工業(yè)用水重復(fù)利用率以及城市再生水利用率等數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒；工業(yè)危險廢物安全處置率、環(huán)保機構(gòu)人員占地區(qū)總?cè)丝诘谋戎亍h(huán)境信訪比重以及環(huán)境事故發(fā)生指數(shù)等數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境年鑒；生物豐度指數(shù)來自中國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量報告；單位GDP CO2排放強度中GDP數(shù)據(jù)來自中國統(tǒng)計年鑒；根據(jù)中國新能源與可再生能源年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)折算系數(shù)，得到非化石能源消費量占能源消費量的比重。

3 結(jié)果與討論

3.1 指標(biāo)權(quán)重分析

由我國省級環(huán)境績效評估指標(biāo)權(quán)重可知(見表1)，二級指標(biāo)比重大小依次為：資源與能源可持續(xù)利用(38.08%)>環(huán)境健康(30.58%)>生態(tài)保護(18.19%)>環(huán)境治理(13.15%)。資源與能源可持續(xù)利用的比重最大，說明各省份在資源與能源可持續(xù)利用上變異程度大，是影響績效的關(guān)鍵二級指標(biāo)。環(huán)境健康指標(biāo)權(quán)重較大，其中廢物管理和環(huán)境衛(wèi)生、有毒物質(zhì)權(quán)重分別為18.77%和10.32%，說明需要加強重點地區(qū)工業(yè)有毒物質(zhì)控制和環(huán)境衛(wèi)生管理。生態(tài)保護指標(biāo)權(quán)重較小，其中生物多樣性、農(nóng)業(yè)與土地管理、空氣質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)權(quán)重較大，說明其變異度較大，而環(huán)境治理所占比重最小，說明全國在環(huán)境治理取得的環(huán)保投入、環(huán)境工作能力、環(huán)保工作效果等方面差異較小，但各地區(qū)需要加強環(huán)境治理能力建設(shè)。

3.2 環(huán)境績效指數(shù)得分

計算得到2009年我國30個省份綜合環(huán)境績效指數(shù)，見圖1。

從圖1可知，除山西、黑龍江、上海、浙江、江西、湖南、廣西、重慶、貴州、云南、陜西、甘肅、寧夏和新疆 14個省份外，其他省份環(huán)境績效綜合指數(shù)均在全國平均值(76.15分)以上。排在前10位的省份分別是江蘇、北京、天津、河北、青海、內(nèi)蒙古、福建、四川、湖北、山東，其中江蘇和北京綜合環(huán)境績效指數(shù)分別是全國平均水平指數(shù)的 1.15倍和1.14倍。排在第11～20位的省份包括遼寧、安徽、河南、海南、吉林、廣東、浙江、云南、廣西和江西，地理位置較為分散，接近平均水平的省份有云南、廣西和浙江。環(huán)境績效排名在后5位的是新疆、湖南、上海、重慶和寧夏，與全國環(huán)境績效平均水平差距較大，差距分別為9.53%、9.53%、11.28%、13.43%和14.69%

尤其是寧夏地區(qū)，僅是全國平均水平的0.85倍，是北京地區(qū)環(huán)境績效指數(shù)的0.74倍。

3.3 省級環(huán)境績效空間格局分析

按照ArcGIS的Natural Breaks分級方法劃分綜合環(huán)境績效指數(shù)等級，分為優(yōu)秀(>80)、良好(60～80)、一般(40～<60)、較差(20～<40)和極差(0～<20)5類。

我國省級綜合環(huán)境績效分級結(jié)果(見圖2)顯示，省級綜合環(huán)境績效均處于優(yōu)秀和良好狀態(tài)，其中江蘇、北京、天津、河北、青海、內(nèi)蒙古、福建和四川地區(qū)環(huán)境績效表現(xiàn)優(yōu)秀。

表1 中國省級環(huán)境績效評估指標(biāo)框架及權(quán)重

從圖2可知，全國綜合環(huán)境績效呈現(xiàn)一定的地域性，總體上，東部地區(qū)綜合環(huán)境績效平均指數(shù)(79.72)普遍高于中部(74.78)和西部地區(qū)(72.92)。 西部地區(qū)的新疆、寧夏、貴州表現(xiàn)相對較差，與全國均值(76.15)相差8～12分，而同處于西部地區(qū)的青海和四川地區(qū)屬于優(yōu)秀狀態(tài)；中部地區(qū)環(huán)境績效總體屬于良好狀態(tài)，相對于全國來講，湖南(68.90)得分較差，湖北得分較高(79.73)；東部地區(qū)除上海環(huán)境績效(67.56)處于較差水平外，其他城市環(huán)境績效都相對較好。

圖1 我國省級綜合環(huán)境績效指數(shù)Fig.1 Provincial comprehensive environmental performance index in China

圖2 我國省級綜合環(huán)境績效分級結(jié)果Fig.2 The classification results of provincial comprehensive environmental performance in China

從圖3可知，東部沿海地區(qū)環(huán)境健康績效屬于較好水平，內(nèi)陸地區(qū)總體較差一些；全國處于一般水平的有山西、重慶、貴州和新疆4個省份；其余省份均屬于良好和優(yōu)秀水平。對空氣質(zhì)量、水質(zhì)與人體健康績效分析，大部分東部地區(qū)呈現(xiàn)一般水平以上，特別是東部沿海地區(qū)水質(zhì)健康績效屬于優(yōu)秀、良好水平，相比于東部地區(qū)，西部地區(qū)大部分呈現(xiàn)較差和極差水平，這與西部地區(qū)水資源短缺以及供水系統(tǒng)難鋪設(shè)有很大關(guān)系。對于噪聲環(huán)境績效，東部地區(qū)噪聲環(huán)境績效普遍屬于較差或極差水平，河北噪聲環(huán)境績效處于優(yōu)秀水平，新疆、甘肅、安徽、浙江、湖南、江西、福建噪聲環(huán)境績效極差，需要加強預(yù)防控制。在有毒物質(zhì)管控方面，大部分地區(qū)環(huán)境績效屬于較好或一般水平，黑龍江、甘肅和湖南屬于極差水平，這與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)類型有較大關(guān)系。廢物管理和環(huán)境衛(wèi)生是關(guān)鍵性指標(biāo)，在中西部地區(qū)仍處于大力發(fā)生工業(yè)生產(chǎn)時期，東部地區(qū)已在工業(yè)固廢、廢水污染、生活污水污染和垃圾處理等方面進行治理投資，因此東部地區(qū)較西部地區(qū)環(huán)境管理成效明顯。

圖3 我國省級環(huán)境健康績效分級結(jié)果Fig.3 The classification results of provincial environmental health performance in China

從圖4可知，我國生態(tài)保護環(huán)境績效指數(shù)表現(xiàn)優(yōu)秀的地方大多數(shù)處于北方地區(qū)，其中包括青海、黑龍江、吉林、四川、天津、新疆、內(nèi)蒙古和甘肅等地區(qū)，東部地區(qū)的上海表現(xiàn)較差，北京、海南、寧夏和陜西地區(qū)處于一般水平，其余省份處于良好狀態(tài)?？諝赓|(zhì)量、水質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境績效方面，東部沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)績效顯著，西部經(jīng)濟較落后地區(qū)相對較差，特別是新疆、內(nèi)蒙古、寧夏、山西和貴州屬于極差水平，這與區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局和能源結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系。北方地區(qū)和廣東地區(qū)的農(nóng)業(yè)與土地管理指標(biāo)績效較差。東北和南部地區(qū)生物多樣性保護績效優(yōu)秀，與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件關(guān)系密切，新疆、寧夏、山西和陜西屬于極差水平，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件艱苦，土地資源條件較差有關(guān)。

圖4 我國省級生態(tài)保護績效分級結(jié)果Fig.4 The classification results of provincial level ecological protection performance in China

資源與能源可持續(xù)利用績效考慮了經(jīng)濟社會發(fā)展對資源與能源的消耗強度和利用程度，直接關(guān)系到我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，圖5表明大部分地區(qū)屬于良好水平，北京、江蘇、湖北和貴州資源與能源可持續(xù)利用績效相對較為顯著，黑龍江屬于一般區(qū)域，寧夏屬于較差地區(qū)。對于各省級地區(qū)氣候變化績效而言，南方地區(qū)在氣候變化控制方面比北方地區(qū)績效顯著。對于能源利用績效而言，北京、天津、山西、寧夏和上?？冃O差，一方面是由于其自身能源稟賦限制，另一方面是能耗效率低所致。對于資源利用績效而言，北京、山西、江蘇和貴州資源利用環(huán)境績效屬于優(yōu)秀水平，寧夏屬于極差水平。

圖5 我國省級資源與能源可持續(xù)利用績效分級結(jié)果Fig.5 The classification results of provincial sustainable use of resources and energy performance in China

圖6結(jié)果顯示，環(huán)境治理績效表現(xiàn)最優(yōu)的為中部地區(qū)，東部沿海地區(qū)最差。其中，上海環(huán)境治理績效屬于極差水平，主要由于2009年上海一般環(huán)境事故發(fā)生數(shù)量較多，造成環(huán)境事故發(fā)生指數(shù)較大，但上海較大、重大和特級重大環(huán)境事故沒有發(fā)生過，需要進一步提高其環(huán)境事故預(yù)防管理能力。

圖6 我國省級環(huán)境治理績效分級結(jié)果Fig.6 The classification results of provincial environmental governance performance in China

4 結(jié) 語

本研究將熵權(quán)法引入環(huán)境績效領(lǐng)域，對省級環(huán)境績效進行評估，結(jié)果表明熵權(quán)法克服了以往環(huán)境績效評估中主觀因素干擾的缺點，較準(zhǔn)確反映環(huán)境績效評價指標(biāo)所含的信息量，可解決省級環(huán)境績效評價中指標(biāo)信息量大且量化難的問題，可以為評價各省份環(huán)境政策效果提供一個可供比較的統(tǒng)一標(biāo)尺，通過對不同維度和層次的指標(biāo)體系的分析，有助于各省份發(fā)現(xiàn)自身在環(huán)境管理中存在的優(yōu)勢與不足、與其他省份的差距，從而更好的實現(xiàn)環(huán)境績效的改進。

但是在研究中發(fā)現(xiàn)，少部分評價結(jié)果與實際不相符甚至發(fā)生相悖的情況，如世界衛(wèi)生組織發(fā)布報告[15]顯示空氣污染已成為全球最大的單一環(huán)境健康風(fēng)險，但是按照熵權(quán)法賦權(quán)得到的環(huán)境健康指標(biāo)中，空氣質(zhì)量與人體健康指標(biāo)權(quán)重僅占到1.42%，而廢物管理和環(huán)境衛(wèi)生權(quán)重占到18.77%，這與實際情況有較大差距，也直接影響各省市的環(huán)境績效指數(shù)評價結(jié)果。存在與實際情況不符的原因可能是，由于在評價系統(tǒng)中某指標(biāo)的觀測值分布離散程度過大或過小，該指標(biāo)對總體評價影響程度越大或越小，有可能會出現(xiàn)次要信息所占權(quán)重大，而所占權(quán)重小的信息卻是重要信息，導(dǎo)致與人的主觀愿望或?qū)嶋H情況不一致。另外，由于熵權(quán)法所得到的權(quán)重是各指標(biāo)基于一組特定數(shù)據(jù)下的相對競爭程度的結(jié)果，權(quán)重依賴于原始數(shù)據(jù)狀況，也會引起不確定性結(jié)果。指標(biāo)賦權(quán)是環(huán)境績效評價的核心，按照熵權(quán)法賦值環(huán)境績效指標(biāo)權(quán)重，盡管評價權(quán)重總體上與實際相符，但是一些指標(biāo)權(quán)重的合理性有待進一步驗證，在今后的研究中，應(yīng)進一步加強該方面的理論研究，促進環(huán)境績效指數(shù)評估的合理性。

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