基于熵權(quán)-TOPSIS模型的克拉瑪依市脆弱性評價

鞠小玉，劉俊豪，馬春愛

（1.中國石油大學(xué)（北京） 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102249；2.南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，南京 210023）

城市脆弱性主要是用來評價一座城市的可持續(xù)健康發(fā)展水平，是評估城市安全的一項重要指標(biāo)。[1-3]全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP）已經(jīng)把城市的脆弱性研究作為一項重點(diǎn)的研究內(nèi)容并提出了許多具有指導(dǎo)意義的觀點(diǎn)：對典型的城市進(jìn)行脆弱性綜合研究與評價，具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。[4]脆弱性研究最早是出現(xiàn)在自然災(zāi)害等問題的研究當(dāng)中，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和認(rèn)知的拓寬，脆弱性研究也逐漸從自然科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展到了社會科學(xué)領(lǐng)域。[5]White、Timmernan、Dow等早期學(xué)者先后對脆弱性的概念進(jìn)行了界定。[6-8]進(jìn)入21世紀(jì)以來，對脆弱性的研究呈現(xiàn)百花齊放的特征，形成了一批標(biāo)志性成果。城市是資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會的耦合系統(tǒng)，方創(chuàng)琳、王巖結(jié)合以往學(xué)者對城市脆弱性的探討，指出城市脆弱性是指城市抵抗生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展和資源開發(fā)利用等要素干擾的能力，當(dāng)這四種指標(biāo)低于某一臨界值時，城市便進(jìn)入脆弱狀態(tài)。[9]對城市脆弱性的研究是可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容之一，而資源型城市作為重要的城市類型，有著資源主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的鮮明特征，所以資源型城市的脆弱性普遍較高。[10-14]到現(xiàn)在為止，國內(nèi)對資源型城市脆弱性的研究也有不少，但是絕大部分都是探究煤炭資源型城市的脆弱性，而對石油資源型城市的研究相對較少，并且研究內(nèi)容大部分是涉及資源城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和城市轉(zhuǎn)型發(fā)展方面。[15]克拉瑪依市作為典型的因油而生的資源型城市，城市發(fā)展對油氣資源高度依賴，單一的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)使克拉瑪依市發(fā)展形成諸多脆弱性問題，轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。

本文結(jié)合石油資源型城市克拉瑪依市的特點(diǎn)，在指標(biāo)體系中加入了原油產(chǎn)量、能源自給率、資源綜合開發(fā)利用技術(shù)創(chuàng)新能力等資源型城市實際相關(guān)指標(biāo)，用熵權(quán)-TOPSIS模型進(jìn)行資源型城市評價研究，并通過客觀賦權(quán)的熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合TOPSIS模型進(jìn)行綜合評價，避免了人為主觀因素的影響，使評價結(jié)果更加客觀、科學(xué)，并力圖通過科學(xué)的指標(biāo)體系、合理的評價方法對克拉瑪依市近 10年的發(fā)展情況進(jìn)行綜合評價，助力克拉瑪依城市轉(zhuǎn)型和健康發(fā)展，也為我國其他類似的資源型城市的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

一、數(shù)據(jù)與方法

（一）數(shù)據(jù)來源

本文全部數(shù)據(jù)來自《克拉瑪依市統(tǒng)計年鑒（2008—2017）》《克拉瑪依市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報（2008—2017）》《中國能源統(tǒng)計年鑒》以及克拉瑪依市政府官網(wǎng)所公示的政府工作報告、公開信息等。對于缺失的個別年份數(shù)據(jù)則采用滑動平滑法或者趨勢外推法獲得。共搜集整理近10年的36個評價指標(biāo)，利用熵權(quán)-TOPSIS模型進(jìn)行實證分析與研究，根據(jù)分析結(jié)果對克拉瑪依市的和諧可持續(xù)發(fā)展之路提供建議。

（二）研究方法

C.L.Hwang 等人于 1981 年提出 TOPSIS 模型，可理解為優(yōu)劣解距離法。TOPSIS模型是較為常用的評價類模型，它能較為充分地利用原始數(shù)據(jù)信息，對原始數(shù)據(jù)的要求不高，并且評價結(jié)果也可以精確地反映各評價指標(biāo)之間的差距，形成較為客觀的評價結(jié)果。

TOPSIS法的基本過程是：先將原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行一般正向化處理，得到新的正向化矩陣，再對該矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。通過一定的方法從標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中找到有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案，最后分別計算各評價指標(biāo)與最優(yōu)方案和最劣方案之間的距離大小，獲得各評價指標(biāo)與最優(yōu)方案的接近程度，并以此作為評價優(yōu)劣的依據(jù)。具體步驟如下：

首先，標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣的構(gòu)建。設(shè)資源型城市脆弱性的原始評價矩陣為：

式（1）中，T為原始評價矩陣，Xij為第i個指標(biāo)第j年的原始數(shù)值，m為評價指標(biāo)，n為評價年份。

針對選取指標(biāo)的不同性質(zhì)，進(jìn)行不同的標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)主要分為正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)和居中指標(biāo)三大類，公式分別如下：

式（4）中，yij為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，Xij為指標(biāo)的初始值，p代表居中指標(biāo)在評價區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)值，max1≤i≤n(Xij)、min1≤i≤n(Xij)分別為指標(biāo)評價區(qū)域內(nèi)的最大值和最小值。n代表被評價的年份。

處理后的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為：

式子中，Yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的評價矩陣，βij表示第i個指標(biāo)第j年的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值。

其次，根據(jù)所確定的熵權(quán)構(gòu)建評價矩陣：

再次，利用TOPSIS模型確定正負(fù)理想解的距離。

到正理想解的距離：

到負(fù)理想解的距離：

最后，計算城市脆弱性評價得分mj（評價指數(shù)）。

mj代表第j年克拉瑪依市城市脆弱性的評價得分，取值區(qū)間為(0,1)，越接近于0代表評價得分越低，城市越脆弱；越接近于1表示評價得分越高，城市越健康。計算公式為：

二、構(gòu)建評價體系與模型

（一）評價指標(biāo)構(gòu)建的理論依據(jù)

石油城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對石油資源的儲量具有很高的依賴性，可采資源的儲量變化是影響城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主擾動因子?？死斠朗械馁Y源型特色十分明顯，石油和天然氣是克拉瑪依最重要的礦產(chǎn)資源，為了確切地反映克拉瑪依這座石油城市經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)脆弱性的特征，從可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)脆弱性的視角出發(fā)，結(jié)合城市對石油儲量的敏感性和資源日趨枯竭的應(yīng)對力，嘗試從克拉瑪依市在生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展和抵抗資源開發(fā)利用等四個方面的應(yīng)對能力，構(gòu)建城市脆弱性的評價指標(biāo)，進(jìn)而探討克拉瑪依市城市脆弱性特征，為降低和應(yīng)對城市脆弱性、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供保障。

（二）評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)克拉瑪依市的實際情況和特色，遵循評價指標(biāo)的可行性、可比性、代表性、科學(xué)性和系統(tǒng)性原則，本文構(gòu)建了以生態(tài)環(huán)境建設(shè)脆弱性、社會發(fā)展脆弱性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展脆弱性、資源開發(fā)利用脆弱性等4個一級指標(biāo)和36個二級指標(biāo)為基礎(chǔ)的評價指標(biāo)體系（見表 1），為克拉瑪依市打造世界石油城、文明和諧可持續(xù)的新型工業(yè)化城市提供重要的參考。其中：克拉瑪依市城市脆弱性評價為一級指標(biāo)（目標(biāo)層），生態(tài)環(huán)境建設(shè)脆弱性、社會發(fā)展脆弱性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展脆弱性、資源開發(fā)利用脆弱性為二級指標(biāo)（準(zhǔn)則層），所涵蓋的36個具體指標(biāo)包括萬元工業(yè)增加值廢水排放強(qiáng)度、二氧化硫排放強(qiáng)度、建成區(qū)綠化覆蓋率等為三級指標(biāo)（指標(biāo)層）。

表1 克拉瑪依市城市脆弱性評價指標(biāo)體系

C.E.Shannon 在 1984 年提出了信息熵的概念，并在其《通信的數(shù)學(xué)理論》一書中詳細(xì)介紹了信息熵的基本原理。通過計算各指標(biāo)的信息熵來反映不同指標(biāo)在評價體系中的重要性，信息熵的值與該指標(biāo)所含信息量的大小成反比，進(jìn)而與該指標(biāo)的權(quán)重成反比。也就是說，一個指標(biāo)的信息熵越大，其所含的信息量越小，在評價體系中所占的權(quán)重也就越小。熵權(quán)法為指標(biāo)賦予權(quán)重，其優(yōu)勢在于熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，可以減少人為主觀因素在賦權(quán)過程中的影響，且計算過程相對簡潔，對數(shù)據(jù)也無特殊的要求。

具體過程如下：

第一步：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。假設(shè)給定了i個指標(biāo)的j年的數(shù)據(jù)，計為Xij。假設(shè)對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后對值為Yij，那么有：

第二步：求各指標(biāo)的信息熵。確定第i個指標(biāo)第j年的數(shù)值權(quán)數(shù)：

確定第j個指標(biāo)的信息熵：

蕭飛羽悵然若失，他含糊呢喃：“不僅僅是蕭家人把光復(fù)家園的希望寄托在孩兒身上。孩兒去了，希望能有機(jī)會再承慈愛?！彼鹕硐蚝笸?，退得悵然，退得苦澀。

第三步：確定各指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)信息熵的計算公式，計算出各指標(biāo)的信息熵E1，E2，…，Ej。

通過信息熵計算各指標(biāo)權(quán)重：

（三）TOPSIS評價模型的構(gòu)建

1.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與指標(biāo)權(quán)重的確定

通過對原始數(shù)據(jù)的收集與整理并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的信息熵，并由此確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重（見表 1），二者相結(jié)合得到基于熵權(quán)法的克拉瑪依城市脆弱性評價指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果（見表2）。

表2 熵權(quán)法下克拉瑪依城市脆弱性評價指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

2.正負(fù)理想解與距離計算

利用上述標(biāo)準(zhǔn)化矩陣及熵權(quán)-TOPSIS相關(guān)模型方法，計算得出克拉瑪依2008—2017年城市綜合脆弱性評價得分到正理想解和負(fù)理想解的距離及其各子系統(tǒng)的脆弱性評價得分（見圖1）。

圖1 2008—2017年克拉瑪依市脆弱性評價結(jié)果

總體上克拉瑪依市城市脆弱性評價得分穩(wěn)中有升，升中有降，總體偏低。評價得分介于0～0.2的區(qū)間，均處于較低水平，表明克拉瑪依市目前的城市脆弱性依然處于高度預(yù)警階段?？死斠莱鞘锌傮w脆弱性得分在 2008—2015年間處于不斷上升的趨勢，2016—2017年有輕微下降。其中，2008—2010年城市脆弱性水平較低，2011—2015年城市脆弱性水平增速較緩，但保持穩(wěn)步提升，從2015年之后城市脆弱性出現(xiàn)下行的趨勢。

三、結(jié)果分析

（一）生態(tài)環(huán)境建設(shè)脆弱性

克拉瑪依市生態(tài)得分總體呈上升趨勢（見圖2），其中2008—2009年上升幅度較大，2011年增長放緩，到2013年呈現(xiàn)下降態(tài)勢，在2014年又出現(xiàn)大幅度提升，之后到2017年都處于一個十分穩(wěn)定的狀態(tài)。從生態(tài)脆弱性評價的相關(guān)指標(biāo)來看，綠化覆蓋率、生活垃圾無害化處理率、污水集中處理率、工業(yè)危險廢物處置率、工業(yè)固體廢物綜合利用率這五個指標(biāo)一直處于優(yōu)化提升的狀態(tài)，對生態(tài)脆弱性的縱向水平起著重要的貢獻(xiàn)作用，萬元工業(yè)增加值廢水排放強(qiáng)度、二氧化硫排放強(qiáng)度這兩者的逆向指標(biāo)，對生態(tài)脆弱性的橫向波動起著不利影響。

圖2 2008—2017年克拉瑪依市生態(tài)建設(shè)脆弱性評價結(jié)果

每年克拉瑪依市政府均將生態(tài)環(huán)境建設(shè)作為年度重點(diǎn)工作并投入大量的人力、物力、財力提升城市生態(tài)環(huán)境水平，并且獲得了“國家園林城市”榮譽(yù)稱號。但是從評價結(jié)果可以看出雖然克拉瑪依市的生態(tài)環(huán)境脆弱性在不斷改善，但是總體脆弱性指數(shù)依然處于較低水平，且存在著市區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)良好、郊區(qū)及其他區(qū)域生態(tài)環(huán)境極其脆弱的強(qiáng)烈對比。克拉瑪依市在生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面依然需要進(jìn)一步提質(zhì)增效、主攻薄弱環(huán)節(jié)，生態(tài)環(huán)境改善之路依然任重道遠(yuǎn)。

（二）社會發(fā)展脆弱性

克拉瑪依市社會得分總體上呈上升態(tài)勢（見圖3）。2008—2013年呈遞增趨勢，2014年經(jīng)歷了一個短暫的下行，主要是因為本階段城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)的不利表現(xiàn)拉低了社會得分。此后2015—2017年平穩(wěn)上升。通過對具體評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，過去10年克拉瑪依市的城鎮(zhèn)人均可支配收入、城市人均居住面積、城市人均道路面積等指標(biāo)數(shù)據(jù)均穩(wěn)步提升，其中變化最大的是城鎮(zhèn)人均可支配收入，從2008年的14 026.7元增長到了 2017年的39 000元，增長迅速，可見克拉瑪依市居民的生活水平不斷改善、幸福度穩(wěn)步提升。而與總評分比較可得克拉瑪依市社會發(fā)展評價指標(biāo)對于城市整體的脆弱性評價貢獻(xiàn)巨大，說明克拉瑪依市對社會發(fā)展的高度重視，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到有效提升，保障和改善民生的各項措施得到具體落實。

圖3 2008—2017年克拉瑪依市社會發(fā)展脆弱性評價結(jié)果

（三）經(jīng)濟(jì)發(fā)展脆弱性

克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)發(fā)展得分起伏較大，且整體上呈現(xiàn)下降趨勢（見圖4）：2008—2009 年經(jīng)歷了較大幅度下跌，隨后出現(xiàn)大幅度上漲，說明城市經(jīng)濟(jì)過度依賴石油產(chǎn)業(yè)。經(jīng)濟(jì)得分隨 2008—2009年金融危機(jī)期間國際油價暴跌而下降，又隨2010—2013年油價恢復(fù)性回升而逐步恢復(fù)上行態(tài)勢，由于2014年6月下旬開始的新一輪油價持續(xù)下跌，經(jīng)濟(jì)得分再次受到不利影響，直到2017年各產(chǎn)油國減產(chǎn)使油價回到每桶50美元以上，經(jīng)濟(jì)得分才得到恢復(fù)性上漲。由此可以看出克拉瑪依市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于石油產(chǎn)業(yè)的高度依賴，單一的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)使得克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)始終保持極高的脆弱性。國際油價的輕微變動就足以挑動克拉瑪依城市經(jīng)濟(jì)的敏感神經(jīng)。2010年克拉瑪依城市脆弱性得分達(dá)到最高點(diǎn)，通過對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)影響該年度脆弱性評價得分的最重要指標(biāo)是 GDP增速。2010年克拉瑪依市 GDP增速為17.4%，而 2009年為-1.2%?？死斠朗薪?jīng)濟(jì)增速的巨大波動使得該指標(biāo)在熵權(quán)法下的評價權(quán)重較高，成為影響克拉瑪依經(jīng)濟(jì)脆弱性評價結(jié)果的最重要指標(biāo)，克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

圖4 2008—2017年克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)建設(shè)脆弱性評價結(jié)果

（四）資源開發(fā)利用脆弱性

克拉瑪依市資源得分總體上呈現(xiàn)下降態(tài)勢（見圖5）。在2008—2015 年間緩慢遞減，隨后經(jīng)歷了兩次較大幅度下跌，并且逐漸成為影響克拉瑪依市脆弱性評價的最大不利子系統(tǒng)。根據(jù)資源脆弱性的內(nèi)部指標(biāo)來看，城市人均生活用水量、單位GDP能耗、單位GDP水耗、工業(yè)增加值能耗等關(guān)鍵指標(biāo)均呈現(xiàn)大幅度的下降態(tài)勢。其中單位GDP能耗從2008年的1.61噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元上升到了2017年的2.05噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元，單位GDP水耗從2008年的16.81噸/萬元急劇上升到了2017年的61.77噸/萬元。雖然克拉瑪依市在培育發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)能力、資源綜合利用技術(shù)創(chuàng)新能力等方面呈現(xiàn)穩(wěn)步上升態(tài)勢，但是速度緩慢。整體的城市資源得分處于一個不斷下探的過程，給城市的穩(wěn)健發(fā)展和石油石化資源的戰(zhàn)略開發(fā)的效益性敲響警鐘，石油石化資源利用效率以及可持續(xù)性問題亟待得到政府更多的關(guān)注和戰(zhàn)略重視。

圖5 2008—2017年克拉瑪依市資源開發(fā)利用脆弱性評價結(jié)果

四、結(jié)論與建議

近年來克拉瑪依市在加快經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時，注重打造文明美麗城市，強(qiáng)化減排、深化防治，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整趨向合理化，逐步改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提升了資源利用效率，加大環(huán)境保護(hù)力度，但是克拉瑪依市的城市脆弱性依舊處于高度預(yù)警階段。克拉瑪依市城市脆弱性對經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)的依賴性明顯，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展脆弱性的波動而起伏。克拉瑪依市社會系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)脆弱性得分均呈上升趨勢，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)脆弱性得分波動幅度較大、整體呈上升態(tài)勢，資源系統(tǒng)脆弱性得分呈下降態(tài)勢。主要源于克拉瑪依市為實現(xiàn)“打造世界石油城”發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，制定了具體的“632”工程，以加快產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型為主線，各子系統(tǒng)均有不同程度的促進(jìn)或減弱，但整體發(fā)展穩(wěn)中向好。克拉瑪依市城市脆弱性的主要障礙因素為：GDP增速、資源綜合利用技術(shù)創(chuàng)新能力和固定資產(chǎn)投資密度。目前阻礙克拉瑪依市協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的因素主要在經(jīng)濟(jì)和資源兩個方面，表現(xiàn)為克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)和資源的高度不穩(wěn)定性和敏感性。

建議克拉瑪依市積極探索城市轉(zhuǎn)型，堅持既重視石油石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，又重視綜合發(fā)展和多元發(fā)展；加強(qiáng)資源利用新型科技創(chuàng)新和石油資源勘探；促進(jìn)區(qū)域統(tǒng)籌發(fā)展，降低社會脆弱性；落實污染物總量控制制度，優(yōu)化城市環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施；促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)與利用、社會發(fā)展四個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。