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基于熵权TOPSIS法的云南省农村大中型沼气工程建设适宜性区别
时间 : 2019-04-02 浏览量 : 18

沼气是一种优质再生能源,发展农村沼气工程对于解决农村能源问题、推动农业发展方式转变促进农村生态文明建设等具有重要意义。自本世纪初以来,云南省户用沼气得到了迅速发展,至2015年底,户用沼气池保有量达到306.53万户,为云南省经济社会发展及生态文明建设作出了巨大的贡献。但是,近年来户用沼气使用率不断下降,据有关研究显示,已建户用沼气池的使用率只有约55%


1,笔者在实地调研过程中也发现,部分村寨已建户用沼气池的使用率只有20%-30%,如此低的使用率不仅导致国家建设资金的浪费、大量的有机废弃物无用武之地,而且使云南省农村环境问题难以缓解。而云南省农村具有发展沼气项目的很多适宜性。首先,云南省农村具有发展沼气项目的最适宜气温。陈豫2对中国农村沼气发酵温度适宜性进行了区划,结果表明,云南省是全国五个农村沼气发


酵温度最适官区域之一。其次,云南省具有发展农

村沼气的原料适宜性。云南省农村秸秆与人畜粪使

等生物质资源潜在产气能力为每户1146m3,属于

沼气发酵原料适宜区。《全国农村沼气发展“十

三五”规划》的统计数据显示,云南省属于资源中等

的Ⅱ类地区。第三,云南省具有发展农村沼气的

t会经济适宣性。2015年云南省常住人口城镇化

率为43.33%,尚有56.67%的人口居住在农村。且

云南省农村人均收人低,贫困人口多,2015年农村

常住居民人均可支配收入8242元,比同时期全国平

均水平低3180元。在全国的14个连片集中特困

区中,云南省占了4个,且都集中在山区农村。贫困

的农村人口更需要沼气项目增加收入、节约生活与

生产费用,可见,云南省仍然是全国发展农村沼气项

目的主要区域。第四,云南省具有发展农村沼气的

远景适宜性。云南省城镇化水平处于不断推进之  中,随着城镇化水平的提高,一方面原来分散养殖的  农户数量减少,为满足人们对禽畜产品的消费需求

农村养殖将逐渐转向专业化,基于处理农村养殖场  废弃物的需要,对沼气项目的需求将增加;另一方  面,城镇化将使能源消费量增加,根据国务院发展研  究中心的研究,城镇化率每提高1%,能源消费至少  增长6000吨标准煤,“发展农村沼气能有效减缓  未来能源压力。此外,云南省未来农村人口数量无  论在绝对量上还是相对数上仍占优势,并在短期内  无法改变。

虽然云南省农村是沼气项目发展的适宜区域但是由于种种原因户用沼气使用率很低。2015年中央调整了对农村沼气发展的投资方向,重点支持  日产1万m3以上规模化生物体天然气工程试点项目与厌氧消化装置总体容积500m以上的规模化大型沼气工程项目4。反思户用沼气发展现状,云南省应主动适应农村沼气发展的“四个转变”,由主要发展户用沼气向规模化沼气转变,在有条件的农村发展大中型联户甚至联村有机沼气工程,配备专门的技术人员进行管理与维护,克服由单个农户管理与维护难的问题。由于云南省16个州市具体情况各异,农村大中型沼气项目如何布局还需要综合考虑各种因素,因此,文章通过构建指标体系与评估模型对全省农村大中型沼气项目建设的适宜性进行区划,为云南省未来农村大中型沼气项目建设布局提供参考


1.1采用 TOPSIS模型及用熵权法确定指标的短重  


Toss法的全称为“通近于理想值的  法”,是由 Hwang等在1981年提出的一种适用于多  指标、对多项目进行比较的方法,其基本原理是首为  确定各指标的正理想值、负理想值,再求出各方案  正理想值、负理想值之间的加权欧氏距离,得出各方  案的优劣排序。在使用 TOPSIS法进行评价时,其  中重要的一个步骤是确定指标的权重,主观权法  客观赋权法以及组合赋权法(主客观综合赋权法  是确定权重的3种方层与家意见  届于主观赋权,具有较的性客观  然有自身的缺点,但能克服主观赋权法的不O  此,本文采用熵权法确定各指标的权重  摘是物理上的一个概念,最先由申农引入信  论,用于度量不确定性的一种方法,目前在社会经  与工程技术等领域广泛运用。通常,信息量越大,不  角定越小,熵值也就越小,反之越大。在多指标评  中,某指标值变异程度越大,信息搞越小,该指标提供的信息量就越大,在方案评价中的作用也越大因此指标权重也就越大;反之则权重越小6。

本文将TOSS模型与熵权法相结合,用于云南省各州市农村大中型沼气项目建设适宜性区划及评价。1.2指标体系的构建

现有研究主要集中于户用沼气项目的适宜性分析,对大中型沼气项目建设适宜性评价的研究几乎没有。而对户用沼气项目的研究主要表现在技术分析方面及对其经济社会效益与可持续发展评价,鸦建适宜性指标体系的研究极少。在现有研究中,包风霞认为户用沼气建设的适宜性包括气候适宜性资源适宜性、经济适宜性、社会适宜性,评价指标体系包括平均气温、乡村人口数、主要农作物产量牲畜年末存栏数农民人均纯收入、地方财政收入村劳动力、人口自然增长率等12个具体指标  豫认为户用沼气区域适宜性评价包括气候条件源状况社会经济3个因素,指标体系中包含平均  度,≥10℃持续天数,生物质资源量,户年均收人  农民平均文化水平等7个具体评价指标。本  认为,云南省各州市农村大中型沼气项目建设的宜性由多个因素共同决定,具体包括温度适宣性  料适宜性、经济适宜性、社会适宜性与远景适应差


在借鉴现有研究的基础上,结合云南省农村现状,构  建包含5个评价指标的指标体系。第一,由于云南  省整体上冬无严寒夏无酷暑,绝大部分州市各月无  极端天气,因此采用各州市年平均气温作为温度适  宜性指标;第二,云南省农业虽不发达,但农业增加  值占国民经济比重较大,2015年云南省第一产业增  加值占国民经济比重为15.5%,高出全国平均值的  6.5%3,农业在云南省国民经济中占有非常重要  地位,这也决定了发展农村大中型沼气项目的原料  丰裕度,因此原料适宣性指标采用各地州农村有机  废弃物的人均潜在沼气产气量(即理论最大产气  量)作为评价指标;第三,云南省农村居民人均纯收  低,对于低收入人群,少量的收入提高或者成本节约所产生的效用远大于高收入人群或者较高收入人  群。沼气项目能提高农村家庭收入与节约生活、生产成本,因此,对于云南省大部分农村人口来说,其经济效应是较高的,此处选用农村居民纯收入作为经济适宜性指标;第四,由于农村人口数量大,对农村能源需求以及生态环境压力较大,也加大了对沼气项目的需求,因此采用农村人口所占比重作为社

适宜性指标;第五,远景适宜性主要表现为随着收入水平的提高及城镇化的推进,养殖户与养殖场增多,对大中型沼气池的需求增加。由于养殖场逐年发展的数据不可得,此处采用肉产品年均增长率作为衡量未来养殖户与养殖场数量发展指标


1.3数据来源


本文使用2015年数据进行分析,各州市年平均气温、农村居民纯收入、云南省农村人口所占比重来源于《云南省统计年鉴2016》;肉产品年均增长率根据200年及2016年《云南省统计年鉴》相关数据计算得出;各地州农村人均潜在沼气产气量根据各


州市秸秤年产量、人畜粪便年产量、有机废弃物原料

产气率等计算得出,其分析过程如下。  1.3.1确定各州市农村人畜粪便潜在产气量

各种沼气原料能转变成沼气的最大数量称为  潜在产气量”,也即为理论产气量。要估计出云南  省各州市农村人畜粪便潜在产气量,首先须估算出  人畜粪便总量。根据《云南省统计年鉴2016》,获取云南省农村人口、禽畜总量,然后测算出各州市全年禽畜粪便总量。


1.3.1.1禽畜数量确定方法


猪的平均饲养期一般为180天9,因此猪的饲养数量以当年的出栏数计算;牛按用途分类,主要有  用作役畜的水牛和黄牛,以及肉牛和奶牛。水牛、黄牛和奶牛一般当年不出栏,各自的年末存栏数即可视为当年饲养数量,肉牛的饲养期也在一年以上,因此年末存栏数也可视为当年饲养量;家禽主要以鸡为主鸡分为肉鸡与蛋鸡,也分为养殖场饲养与家庭散养,肉鸡饲养期为55天”,蛋鸡饲养期可以超过一年,肉禽总量以出栏数计算,蛋禽总量以存栏数计,由于数据的可得性,家禽均以出栏数计算当年饲养量


1.3.1.2各州市人畜粪便排放量估算


根据各类禽畜每日粪便产生量和禽畜的饲养周期估算禽畜粪便排放量,估算公式如下

年粪便排放量=个体日产粪便量×饲养期x饲养数

+个体日产尿液量×饲养期x饲养数

关于畜禽粪便排泄系数中国目前尚无相应的国家标准,文章中猪、牛、禽采用国家环境保护总局《关于减免家禽业排污费等有关问题的通知(环发2004]43号)》中的排放标准,其它数据采用同属于西南地区的重庆市研究成果,以此确定各类畜禽日产废物量。


1.3.1.3人畜粪便潜在产气量的估计方法


关于潜在产气量的计算,希腊的 F A Batzias等在2005年提出了 ABEPE模型,以各类农业有机废弃物的TS质量与原料产气率为基础估算相应有机废弃物的产气量,并最终估计出产气总量。


1.3.2云南各州市农村秸秆资源潜在产气量估计  


云南省的秸秆资源十分丰富,对秸秆添加生物  菌剂,并进行预处理,3~7d可以进入沼气池,其产  气量与粪便产气量相当,即使农户不养殖禽畜,只要种植庄稼同样拥有丰富的沼气发酵原料。

此处采用张无敌的研究方法,估算云南省秸  秆总量以及潜在产气总量。秸秆年产量的估算与农作物种类及农作物产量密切相关。


秸秆年产量=农作物年产量×草谷比  草谷比是指秸秆与农作物产量的比例关系、  据作物种类不同而异,各作物的草谷比见表4。  根据张无敌的研究,云南省农村40%的秸杆被用作饲料和其他工业原料,尚有60%可用做沼气原料。

表5农村各类秸秆原料在3C时产气率(m3kgs


各类秸秆在不同的贮藏方式下含水量各异,在  我国,黄贮是主要的秸秆贮藏方式。黄贮方式下,玉  米秸秆的干物质率为70%~90%,麦秸为80%  90%,水稻秸秆为80%~90%5,因此,本研究将各  类秸秆的干物质率统一取80%。根据各州市秸杆  总量及各类秸秆原料产气率(表5),概算出秸秆潜  在产气总量。


1.3.3估计云南省各州市农村人均潜在沼气拥有量


将各州市人畜粪便潜在产气量和秸秆潜在产气  量加总,便得到各州市有机废弃物潜在产气总量,用  潜在产气总量对农村人口总量进行人均,就能获得  农村人均潜在沼气拥有量。  根据《云南省统计年鉴2016》第18部分一各州  县主要经济指标以及按照上文方法计算得出的农村  人均潜在沼气拥有量,获取各指标值见表6。


2实证结果与分析


2.1数据处理与实证结果


利用熵权法原理对表6中数据进行处理,得出各指标的信息熵与权重,指标的信息熵越小,权重越大,信息熵的越大,权重越小。5个指标的信息熵值和权重值见表7。


利用TPSS法对标准化决策矩阵进行加权,计算出正理想解和负理想解,估算各州市综合适宜度与正理想解、负理想解的欧氏距离,最后测算各州市综合适宜度与正理想解的贴近度即综合适宜度,由此获得各州市农村大中型沼气工程项目建设适宜性排序,见表8。


2.2结果分析


2.2.1各指标对16州市农村大中型沼气工程项目建设适宜性综合结果的重要性分析


基于熵权法确定各指标权重并进行排序,即为n3>3>2>4>1,此不等式能较好的反映指


标体系中各指标对云南省各州市农村大中型沼气项  目建设综合适宜性的贡献。肉产品的年均增长率  即养殖场与养殖户发展速度及规模对综合适宜性的  贡献最大,是影响农村大中型沼气工程项目建设适宜性  的首要因素;第二大影响因素是各州市农村人均潜  在沼气拥有量,说明沼气原料的丰裕度对各州市大中型沼气工程项目的发展至关重要;第三是农村居民人  均纯收入的影响,这是一个逆指标,人均纯收入越高,沼气工程项目对农户的经济功能越低,因此,各州市  可以考虑在低收入县及乡镇布局大中型沼气工程项目;第四是农村人口所占比重以及各州市平均气温,这两个指标的权重小且在数值上相差不大,在指标体系中对农村大中型沼气工程项目建设综合适宜性的贡献最小

熵权法确定的指标权重大小与指标值的变异程度有关,指标值变异程度越大,提供的信息越多,权重越大。标准差系数能衡量指标值变异程度,通过  对以上5个指标值的标准差系数进行分析发现,农  村人口所占比重的标准差系数(0.1693)<各州市平均气温标准差系数(0.175)<农村居民纯收入标准差系数(0.1936)<农村人均潜在沼气拥有量标准差系数(0.2563)<肉产品年均增长率标准差系数(0.3799),农村人口所占比重的指标值离散程度最小,权重也最小,而肉产品年均增长率指标的指标值离散程度最大,权重也最大。因此,指标值的离散程度决定了其权重的大小以及对各州市综合适宜度的贡献程度。


2.2.2各州市农村大中型沼气工程项目建设适宜性区划及评价


根据表8分析数据,云南省各州市农村大中型沼气工程项目综合适宜性排序由高到低依次为临沧市红河州、曲靖市、保山市、文山州、丽江市、德宏州、迪  庆州、普洱市、昭通市、楚雄州、怒江州、大理州、西双版纳州、玉溪市、昆明市。虽然,云南省整体上是发展农村大中型沼气工程项目的适宜区,但各州市在原材  料的丰裕程度、养殖业发展程度、城镇化率、农村居民人均纯收入等方面存在显著差异,因此有必要根据综合适宜度对16个州市发展农村大中型沼气工程项目的适宜性做一个区划。适宜度越接近1,适宜程度越高,否则越低。根据综合适宜度大小,拟将云南省划分最适宜区、适宜区与次适宜3个区域。为了分区的客观性,文章运用统计软件SPSS对16个州市的综合适宜度进行聚类分析,分析结果表明,临沧


市、红河州、曲靖市、保山市、文山州5个州市是发展

农村大中型沼气工程项目的最适宜区域,丽江市、德宏

州、迪庆州、普洱市、楚雄州、昭通市、怒江州、大理州

8个州市为适宜区,西双版纳州、玉溪市、昆明市3

个州市为次适官区

综合以上分析不难发现,指标值权重的大小决

定了各州市综合适官性排序,综合适宣性排在前五

位的州市要么是肉产品年增长率高,要么是农村人  均潜在沼气拥有量大。总体来说,云南省具有得天

独厚的气候条件,各州市农村人口所占比重高,云南

省应该在农村居民人均纯收入低、沼气发酵原料丰  富以及养殖场数量多且发展快的州市优先建设大中

型沼气工程项目,优化项目布局,充分发挥沼气工程项目的经

齐效应、生态效应与社会效应


3结论与讨论


首先,通过指标权重排序,在5个指标中,最重

要的指标是各州市养殖场发展速度与规模以及农村  人均潜在沼气拥有量,其次是农村居民纯收入,这3  个指标基本决定了各州市大中型沼气工程项目建设的综

合适宜性排序


其次,将熵权法与 TOPSIS模型相结合应用于

云南省农村大中型沼气工程项目建设适宜性区划,根据适宜性综合得分,全省可以分为3个区域:最适宜区、适宜区与次适宜区。最适宜区的5个州市沼气发酵原料丰富、养殖业发展快、农村居民人均纯收入处于中低水平,虽然温度是沼气原料发酵必不少的因素,由于全省绝大部分州市气温适宜,因此,在5个指标中气温并非是适宜性评价的最主要因素。次适宜区的3个州市农村居民人均纯收入高,养殖业发展速度位于全省后列,农村人均潜在沼气拥有量水平低,因此适宜性排序也处于最后3位

云南省具有得天独厚的发展大中型沼气工程项目的条件,但沼气工程项目的布局需要考虑综合适宜性,希望本文研究对于云南省农村大中型沼气工程项目布局有定的启示作用。各州市大中型沼气工程项目建设需要立足于各州市实际,同时借鉴全国其他省市的发展经验与实践模式,切实利用好云南省独特的发展农村沼气工程项目的优越的自然条件,丰富的原料基础,优化


项目布局,以大中型沼气工程项目建设带动全省农业产  业结构现代转型,提高农民收入,促进农村经济发展。


摘自《中国沼气》2018第二期 袁红辉


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