基于环境熵模型的呼和浩特经济与环境协同性分析
徐德生 于丽平 王志伟
摘要：针对目前经济-环境系统评价研究中的主观性评价的缺陷，借鉴热力学熵理论和?分析方法，探讨了经济-环境协同性内涵，提出了经济-环境协同性评价的环境熵定量计算模型。并通过对呼和浩特市2006-2015年经济发展与环境的协同性研究，结果表明2006-2015年呼和浩特市经济-环境系统处于良好或优质协调水平，但从2012年至2015年环境熵值逐年增加，需要呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度。
关键词：经济；环境；环境熵；协同性
中图分类号：X196 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0009-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.004
Abstract：For the shortcoming of the subjective evaluation in the present economic-environmental system， based on the thermodynamic entropy theory and exergy analytical method， the connotation of economy-environment synergy was discussed and the environment entropy quantitative calculation model for the evaluation of economy-environment synergy was proposed in this paper. Also， the synergy of economic development and environment in Hohhot city from 2006 to 2015 has been investigated. The results indicates that the economic-environmental system of Hohhot is at a good or high quality level from 2006 to 2015. However， the environmental entropy increased year by year from 2012 to 2015， indicating that the investment in environmental protection and pollution control efforts should be further increased in Hohhot.
Keywords： Economy；Environment；Environmental entropy；Synergy
经济—环境是一个复杂系统。经济与环境两个系统通过各自的耦合元素产生相互作用彼此影响的现象定义为经济—环境耦合。经济对环境具有胁迫效应，环境恶化对经济增长具有约束效应。[1]如何对这样一个复杂系统的运行效果进行评价，进而提出改善建议是目前学术研究的热点之一。目前，Agras J等学者从经济結构[2]、科技进步[3]、国际贸易[4]、环境需求[5]等方面论证了EKC曲线形成的主要原因。金春雨应用索罗模型验证了经济增长和工业结构对环境的影响机制[6]。但是，目前鲜有学者基于能量损耗的角度分析经济与环境的协同关系。本文尝试借鉴热力学熵及“?”[7-8]损原理，构建环境熵模型[9-10]，对呼和浩特市经济-环境的协同性进行分析。
1 研究方法
1.1 背景
20世纪60年代以来，?分析方法已经被国内外学者广泛应用于能源科学中。Stepanov[11]分析了化工工业生产排放的废弃物对环境造成的影响；Rosen[12]指出：工业生产排到环境的废弃物中含有物理?和化学?等，能够引起环境的变化而造成环境污染；到目前为止，许多学者对基本物质?进行了研究，并获得了数百种物质的?值，部分?值如表所示[13]。Owen学者提出污水中有机物总的分子式为C10H18O3N，细菌细胞分子式为C5H7O2N，将两种物质的燃烧值与理论上算出的两物质的COD相联系，可得出污水的化学能量式为13.9kJ/g COD，细菌细胞为14.8kJ/g COD，Loll学者测定污泥稳定的热产量为每分解1gCOD产热14.7kJ[14]。目前，?分析方法正在向自然科学和社会科学的各门学科渗透[15]。
1.2 环境熵模型构建
1.2.1 序参量选择
本文依据科学性、系统性、可比性原则，考虑到资料的可得性和连续性，及经济系统发展水平、产业结构和环境系统中主要污染物等因素，确定各系统描述经济环境协调性的序参量。
（1）经济系统序参量主要包括：呼和浩特市人均GDP、呼和浩特市工业增加值占GDP比重、呼和浩特市二三产业产值占GDP的比值、呼和浩特市二三产业劳动力占比、呼和浩特市城镇化率。
（2）环境系统序参量主要包括：水体污染物COD排放量、空气污染物SO2排放量、空气污染物烟（粉）尘排放量。
1.2.2 “环境熵”的定义及其物理意义
根据经济环境协同性分析内涵，本文借鉴熵及?研究成果[11-15]，将环境熵定义为经济发展与环境质量变化的同步状态函数（用“EE”表示），其数学表达式为：
式中，Q为污染损失?；K为工业化水平综合指数，n为时间，为环境系统第n年第i种序参量的?值，为环境系统第i种序参量的危害系数权重，为经济系统第n年第j种序参量的数值，为经济系统第j种序参量的权重。环境熵的物理意义：当环境熵为正值时，说明经济发展对环境产生了负面影响，导致环境质量下降，经济发展与环境质量变化同步过程中和谐程度差；当环境熵为负值时，表明经济发展对环境质量改善产生了积极影响，可以提高环境质量水平。当环境熵为零时，说明经济发展过程中，环境质量水平趋于稳定，具体经济-环境协调程度划分见表2。
当EE>1时，经济增量小于环境系统中污染损失?增量，经济增长导致环境质量快速下降，表明经济-环境系统处于极度失调水平；当1≥EE>0时，经济增量大于环境系统中染损失?增量，经济增长导致环境质量缓慢下降，表明经济-环境系统处于严重失调水平；当EE=0时，虽然经济增长，但是环境系统中污染损失?增量为零，经济增长没有导致环境质量变化，表明经济-环境系统处于良好协调水平；当EE<0时，经济增长，但环境系统中污染损失?增量為负值，经济发展导致环境质量变好，表明经济-环境系统处于优质协调水平。
2 呼和浩特市经济-环境协同性分析
2.1 数据来源
本文中经济系统序参量数据主要通过对2006-2015年内蒙古自治区统计年鉴整理得到；环境系统序参量数据主要来源于2006-2015年呼和浩特市环境质量公报和内蒙古自治区环境质量统计公报。其中，对于2013和2014年缺失的SO2和COD的数据采用缺失外推的方法获得。
2.2 数据处理
为了是数据具有可比性，本文以2000年为基期，通过物价指数将人均GDP调整为可比值。
2.2.1 数据标准化
为了消除数据单位的影响，本文首先通过公式（2）对经济系统和环境系统序参量值进行了无量纲化处理。
（2）
式中：Xin为第i项序参量第n年标准值，Xin为第i项序参量第n年数值，为第i项序参量平均值，Si为第i项序参量标准差。
然后为了消除负项，令Zin=Xin+A，本文根据数据情况，令A=1，通过消除负项，可以解决一些极端值问题。
2.2.2 经济系统序参量权重确定
本文借鉴信息熵原理，采用熵权法确定经济系统各序参量的权重。具体权重见表5。
2.2.3 环境系统序参量危害系数权重确定
由于?值本身不能表达物质的生物毒性，因而不足以全面表征环境序参量的环境影响效应，因此，本文通过引入反应化学物质的生物毒性效应的危害系数，确定环境序参量危害系数权重。本文选择美国国家环保局（EAP）的潜在危害系数作为排放物的环境危害系数，并借鉴EPA的潜在危害系数处理方法确定SO2的危害系数为15[16]。
由于呼和浩特市工业主要以煤炭为主要能源，在确定烟尘危害系数时，借鉴高申等人的研究成果[17]，判定粉尘组分中的主要物质为As、Zn、Cu和Cd，依据粉尘组分中主要物质的浓度及环境评价数据手册[15]确定粉尘的综合危害系数为26，确定COD的危害系数为13。根据公式（3）确定环境序参量危害系数权重，具体结果见表4。
公式（3）中ai代表第i中序参量危害系数。
由表6所示，环境系统序参量中，烟（粉）尘的对自然环境和人体的综合危害性最大，其次为SO2，再次为COD。
2.3 结果分析
对2006-2015年呼和浩特市经济系统、环境系统数据进行标准化处理，采用熵权法确定经济系统和环境系统各序参量权重。然后通过公式（1）确定工业化水平综合指数、污染损失?和环境熵。
2.3.1 工业化水平
从图1所示，2006-2015年呼和浩特市工业化水平一直处于上升趋势，2006-2007年呼和浩特市快速推进工业化进程，2007-2015年呼和浩特市工业化水平上升趋势放缓，加快产业结构调整，转变经济增长方式，二三产业产值占GDP比重从94.36%进一步上升到95.92%，二三产业劳动力占比从71.1%上升到79.6%。
2.3.2 内蒙古经济-环境协同性分析
通过对表3、表4的数据进行标准化处理，计算各序参量权重，最后根据公式（1）计算得出2007年-2015年环境熵，具体结果如图2所示。
2007-2015年期间，2007年、2014年和2015年3年的环境熵值为正值，其他年时间均为负值。根据经济-环境协调程度划分标准，呼和浩特市在2007年、2014年和2015年的经济-环境系统处于严重失调水平，此时的经济发展对环境质量造成负面影响；其他时间均为良好或优质协调水平；但值得注意的是，从2012年至2015年环境熵值逐年增加，此时呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度，使COD、SO2、烟（粉）尘排放量下降，使经济-环境优质协同性持续保持。
3 结论与讨论
（1）本文借鉴热力学熵原理，结合?分析，分析经济-环境协同性内涵，引入工业化水平和污染损失?，构建评价经济-环境协同性的环境熵模型，并以呼和浩特市为研究对象进行实证检验。本文以呼和浩特市2006-2015年经济、环境数据为基础，通过对数据标准化处理，采用熵权法确定各序参量权重，最后得到2007-2015年呼和浩特市环境熵值。通过对结果分析，本文认为2006-2015年期间，除2007年、2014年和2015年外，呼和浩特市经济-环境系统处于优质协调水平，但从2012年至2015年环境熵值逐年增加，需要呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度。
（2）呼和浩特市大部分工业园区产业链延伸不够充分，循环经济效果不够明显。建议工业园区在进行产业规划时，应该借鉴原子经济理论，从化学反应设计阶段进行考虑，选择那些污染排放少的产业或者对化学反应设计阶段进行调控，实现从源头控制污染排放，改变以往先排放后治理的局面。
（3）2012-2015年，呼和浩特市环境熵值逐年增加，经济-环境协同性变差，建议在经济发展同时，加强环保投入，鼓励企业进行技术改造，加大环保违法成本。
（4）通过实证检验，以环境熵模型评价经济-环境协同性的评价结果更加客观，符合实际，环境熵模型对于评价其它地区经济-环境协同性具有一定借鉴意义。
（5）由于统计数据缺乏，本文在环境序参量中没有考虑氮氧化物、氨氮和固体废弃物是本文不足之处。
参考文献
[1]柴莎莎，延军平，杨谨菲.山西经济增长与环境污染水平耦合协调度[J].干旱区资源与环境，2011，25（1）：130-134.
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[3] Lindmark M. An EKC-pattern in historical perspective： carbon dioxide emissions，technology [J]. Fuel prices and growth in Sweden（1870-1997）， Ecological Economics，2002，42（2）：333-347.
[4] Pasche M. Technical Progress， Structural Change and the Environmental Kuznets Curve [J]. Ecological Economics， 2002，42（3）：381-389.
[5] Roldan M， Joan M A. Trade and the Environment from A “Southern” Perspective [J].Ecological Economics，2001，36（2）：281.
[6] 金春雨， 吳安兵. 工业经济结构、经济增长对环境污染的非线性影响[J]. 中国人口·资源与环境， 2017，27（10）：64-73.
[7] 高执棣，郭国霖.统计热力学导论[M].北京：北京大学出版社，2004.
[8] 郑宏飞（?）.一种新的方法论[M].北京：北京理工大学出版社，2004.
[9] 徐德生， 穆东， 长青. 共生视角下煤炭资源型区域科技创新能力与经济发展协同性研究[J]. 科学管理研究，2016，（4）：64-67.
[10] DESHENG XU， DONG MU. The Cooperativity Analysis of Economy and Environment Based on Environmental Entropy Model. International Journal of Simulation Systems， Science & Technology.2016，17，（38）：12.1-12.7.
[11] Stefanov V S. Energy efficiencies and environmental impact of complex industrial technologies [J].Energy，1998，23（12）：1083-1008.
[12] Rosen M A， Dincer I. On energy and environmental impact [J]. International Journal of Energy Research， 1997，（21）：643-654.
[13] Marcio.M.C， Roberto， Ernst. Exergy accounting of energy and materials flows in steel production systems [J].Energy，2001，26：363-384.
[14] 潘自强主编.环境危害评价：公众健康危害评价方法及其应用[M].北京：原子能出版社，1991.
[15] 项新耀.工程?分析方法[M].北京：石油工业出版社，1990.
[16] 汪晶编译.环境评价数据手册[M].北京：化学工业出版社.1988.
[17] 高申，潘小川.包头市东河区春季大气可吸入颗粒物和细颗粒物源解析初探[J].环境卫生学杂志.2014，4（1）：69-72.
收稿日期：2018-02-09
作者简介：徐德生（1980-），男，博士生，讲师，研究方向为系统动力学、复杂系统、区域可持续发展。
摘要：针对目前经济-环境系统评价研究中的主观性评价的缺陷，借鉴热力学熵理论和?分析方法，探讨了经济-环境协同性内涵，提出了经济-环境协同性评价的环境熵定量计算模型。并通过对呼和浩特市2006-2015年经济发展与环境的协同性研究，结果表明2006-2015年呼和浩特市经济-环境系统处于良好或优质协调水平，但从2012年至2015年环境熵值逐年增加，需要呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度。
关键词：经济；环境；环境熵；协同性
中图分类号：X196 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0009-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.004
Abstract：For the shortcoming of the subjective evaluation in the present economic-environmental system， based on the thermodynamic entropy theory and exergy analytical method， the connotation of economy-environment synergy was discussed and the environment entropy quantitative calculation model for the evaluation of economy-environment synergy was proposed in this paper. Also， the synergy of economic development and environment in Hohhot city from 2006 to 2015 has been investigated. The results indicates that the economic-environmental system of Hohhot is at a good or high quality level from 2006 to 2015. However， the environmental entropy increased year by year from 2012 to 2015， indicating that the investment in environmental protection and pollution control efforts should be further increased in Hohhot.
Keywords： Economy；Environment；Environmental entropy；Synergy
经济—环境是一个复杂系统。经济与环境两个系统通过各自的耦合元素产生相互作用彼此影响的现象定义为经济—环境耦合。经济对环境具有胁迫效应，环境恶化对经济增长具有约束效应。[1]如何对这样一个复杂系统的运行效果进行评价，进而提出改善建议是目前学术研究的热点之一。目前，Agras J等学者从经济結构[2]、科技进步[3]、国际贸易[4]、环境需求[5]等方面论证了EKC曲线形成的主要原因。金春雨应用索罗模型验证了经济增长和工业结构对环境的影响机制[6]。但是，目前鲜有学者基于能量损耗的角度分析经济与环境的协同关系。本文尝试借鉴热力学熵及“?”[7-8]损原理，构建环境熵模型[9-10]，对呼和浩特市经济-环境的协同性进行分析。
1 研究方法
1.1 背景
20世纪60年代以来，?分析方法已经被国内外学者广泛应用于能源科学中。Stepanov[11]分析了化工工业生产排放的废弃物对环境造成的影响；Rosen[12]指出：工业生产排到环境的废弃物中含有物理?和化学?等，能够引起环境的变化而造成环境污染；到目前为止，许多学者对基本物质?进行了研究，并获得了数百种物质的?值，部分?值如表所示[13]。Owen学者提出污水中有机物总的分子式为C10H18O3N，细菌细胞分子式为C5H7O2N，将两种物质的燃烧值与理论上算出的两物质的COD相联系，可得出污水的化学能量式为13.9kJ/g COD，细菌细胞为14.8kJ/g COD，Loll学者测定污泥稳定的热产量为每分解1gCOD产热14.7kJ[14]。目前，?分析方法正在向自然科学和社会科学的各门学科渗透[15]。
1.2 环境熵模型构建
1.2.1 序参量选择
本文依据科学性、系统性、可比性原则，考虑到资料的可得性和连续性，及经济系统发展水平、产业结构和环境系统中主要污染物等因素，确定各系统描述经济环境协调性的序参量。
（1）经济系统序参量主要包括：呼和浩特市人均GDP、呼和浩特市工业增加值占GDP比重、呼和浩特市二三产业产值占GDP的比值、呼和浩特市二三产业劳动力占比、呼和浩特市城镇化率。
（2）环境系统序参量主要包括：水体污染物COD排放量、空气污染物SO2排放量、空气污染物烟（粉）尘排放量。
1.2.2 “环境熵”的定义及其物理意义
根据经济环境协同性分析内涵，本文借鉴熵及?研究成果[11-15]，将环境熵定义为经济发展与环境质量变化的同步状态函数（用“EE”表示），其数学表达式为：
式中，Q为污染损失?；K为工业化水平综合指数，n为时间，为环境系统第n年第i种序参量的?值，为环境系统第i种序参量的危害系数权重，为经济系统第n年第j种序参量的数值，为经济系统第j种序参量的权重。环境熵的物理意义：当环境熵为正值时，说明经济发展对环境产生了负面影响，导致环境质量下降，经济发展与环境质量变化同步过程中和谐程度差；当环境熵为负值时，表明经济发展对环境质量改善产生了积极影响，可以提高环境质量水平。当环境熵为零时，说明经济发展过程中，环境质量水平趋于稳定，具体经济-环境协调程度划分见表2。
当EE>1时，经济增量小于环境系统中污染损失?增量，经济增长导致环境质量快速下降，表明经济-环境系统处于极度失调水平；当1≥EE>0时，经济增量大于环境系统中染损失?增量，经济增长导致环境质量缓慢下降，表明经济-环境系统处于严重失调水平；当EE=0时，虽然经济增长，但是环境系统中污染损失?增量为零，经济增长没有导致环境质量变化，表明经济-环境系统处于良好协调水平；当EE<0时，经济增长，但环境系统中污染损失?增量為负值，经济发展导致环境质量变好，表明经济-环境系统处于优质协调水平。
2 呼和浩特市经济-环境协同性分析
2.1 数据来源
本文中经济系统序参量数据主要通过对2006-2015年内蒙古自治区统计年鉴整理得到；环境系统序参量数据主要来源于2006-2015年呼和浩特市环境质量公报和内蒙古自治区环境质量统计公报。其中，对于2013和2014年缺失的SO2和COD的数据采用缺失外推的方法获得。
2.2 数据处理
为了是数据具有可比性，本文以2000年为基期，通过物价指数将人均GDP调整为可比值。
2.2.1 数据标准化
为了消除数据单位的影响，本文首先通过公式（2）对经济系统和环境系统序参量值进行了无量纲化处理。
（2）
式中：Xin为第i项序参量第n年标准值，Xin为第i项序参量第n年数值，为第i项序参量平均值，Si为第i项序参量标准差。
然后为了消除负项，令Zin=Xin+A，本文根据数据情况，令A=1，通过消除负项，可以解决一些极端值问题。
2.2.2 经济系统序参量权重确定
本文借鉴信息熵原理，采用熵权法确定经济系统各序参量的权重。具体权重见表5。
2.2.3 环境系统序参量危害系数权重确定
由于?值本身不能表达物质的生物毒性，因而不足以全面表征环境序参量的环境影响效应，因此，本文通过引入反应化学物质的生物毒性效应的危害系数，确定环境序参量危害系数权重。本文选择美国国家环保局（EAP）的潜在危害系数作为排放物的环境危害系数，并借鉴EPA的潜在危害系数处理方法确定SO2的危害系数为15[16]。
由于呼和浩特市工业主要以煤炭为主要能源，在确定烟尘危害系数时，借鉴高申等人的研究成果[17]，判定粉尘组分中的主要物质为As、Zn、Cu和Cd，依据粉尘组分中主要物质的浓度及环境评价数据手册[15]确定粉尘的综合危害系数为26，确定COD的危害系数为13。根据公式（3）确定环境序参量危害系数权重，具体结果见表4。
公式（3）中ai代表第i中序参量危害系数。
由表6所示，环境系统序参量中，烟（粉）尘的对自然环境和人体的综合危害性最大，其次为SO2，再次为COD。
2.3 结果分析
对2006-2015年呼和浩特市经济系统、环境系统数据进行标准化处理，采用熵权法确定经济系统和环境系统各序参量权重。然后通过公式（1）确定工业化水平综合指数、污染损失?和环境熵。
2.3.1 工业化水平
从图1所示，2006-2015年呼和浩特市工业化水平一直处于上升趋势，2006-2007年呼和浩特市快速推进工业化进程，2007-2015年呼和浩特市工业化水平上升趋势放缓，加快产业结构调整，转变经济增长方式，二三产业产值占GDP比重从94.36%进一步上升到95.92%，二三产业劳动力占比从71.1%上升到79.6%。
2.3.2 内蒙古经济-环境协同性分析
通过对表3、表4的数据进行标准化处理，计算各序参量权重，最后根据公式（1）计算得出2007年-2015年环境熵，具体结果如图2所示。
2007-2015年期间，2007年、2014年和2015年3年的环境熵值为正值，其他年时间均为负值。根据经济-环境协调程度划分标准，呼和浩特市在2007年、2014年和2015年的经济-环境系统处于严重失调水平，此时的经济发展对环境质量造成负面影响；其他时间均为良好或优质协调水平；但值得注意的是，从2012年至2015年环境熵值逐年增加，此时呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度，使COD、SO2、烟（粉）尘排放量下降，使经济-环境优质协同性持续保持。
3 结论与讨论
（1）本文借鉴热力学熵原理，结合?分析，分析经济-环境协同性内涵，引入工业化水平和污染损失?，构建评价经济-环境协同性的环境熵模型，并以呼和浩特市为研究对象进行实证检验。本文以呼和浩特市2006-2015年经济、环境数据为基础，通过对数据标准化处理，采用熵权法确定各序参量权重，最后得到2007-2015年呼和浩特市环境熵值。通过对结果分析，本文认为2006-2015年期间，除2007年、2014年和2015年外，呼和浩特市经济-环境系统处于优质协调水平，但从2012年至2015年环境熵值逐年增加，需要呼和浩特市应进一步加大环保投入和加强污染治理力度。
（2）呼和浩特市大部分工业园区产业链延伸不够充分，循环经济效果不够明显。建议工业园区在进行产业规划时，应该借鉴原子经济理论，从化学反应设计阶段进行考虑，选择那些污染排放少的产业或者对化学反应设计阶段进行调控，实现从源头控制污染排放，改变以往先排放后治理的局面。
（3）2012-2015年，呼和浩特市环境熵值逐年增加，经济-环境协同性变差，建议在经济发展同时，加强环保投入，鼓励企业进行技术改造，加大环保违法成本。
（4）通过实证检验，以环境熵模型评价经济-环境协同性的评价结果更加客观，符合实际，环境熵模型对于评价其它地区经济-环境协同性具有一定借鉴意义。
（5）由于统计数据缺乏，本文在环境序参量中没有考虑氮氧化物、氨氮和固体废弃物是本文不足之处。
参考文献
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[8] 郑宏飞（?）.一种新的方法论[M].北京：北京理工大学出版社，2004.
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[10] DESHENG XU， DONG MU. The Cooperativity Analysis of Economy and Environment Based on Environmental Entropy Model. International Journal of Simulation Systems， Science & Technology.2016，17，（38）：12.1-12.7.
[11] Stefanov V S. Energy efficiencies and environmental impact of complex industrial technologies [J].Energy，1998，23（12）：1083-1008.
[12] Rosen M A， Dincer I. On energy and environmental impact [J]. International Journal of Energy Research， 1997，（21）：643-654.
[13] Marcio.M.C， Roberto， Ernst. Exergy accounting of energy and materials flows in steel production systems [J].Energy，2001，26：363-384.
[14] 潘自强主编.环境危害评价：公众健康危害评价方法及其应用[M].北京：原子能出版社，1991.
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[16] 汪晶编译.环境评价数据手册[M].北京：化学工业出版社.1988.
[17] 高申，潘小川.包头市东河区春季大气可吸入颗粒物和细颗粒物源解析初探[J].环境卫生学杂志.2014，4（1）：69-72.
收稿日期：2018-02-09
作者简介：徐德生（1980-），男，博士生，讲师，研究方向为系统动力学、复杂系统、区域可持续发展。
