遼河流域遼寧段水環境演變與流域經濟發展的關系

杜 鑫, 許 東, 付 曉, 吳 鋼

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 沈陽師范大學, 沈陽 110034

遼河流域遼寧段水環境演變與流域經濟發展的關系

杜 鑫1,2, 許 東3, 付 曉1,*, 吳 鋼1

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 沈陽師范大學, 沈陽 110034

以流域為單元進行社會經濟發展與環境保護調控，是實現可持續發展的有效途徑，因此以流域為單元開展社會經濟發展與水環境變化相互作用的研究方興未艾。運用多元線性回歸分析，選取社會經濟指標(第一產業生產總值、第二產業生產總值、年末總人口)為自變量，水質指標(化學需氧量、氨氮濃度)為因變量定量研究了2001—2010年遼河水環境演變與流域內社會經濟發展之間的關系；并采用經濟增長指標(人均GDP)、水環境指標(化學需氧量、氨氮濃度)作為模型中指標，進行了環境庫茲涅茨曲線模擬與分析。根據研究結果推斷：第二產業生產總值、人口是影響遼河水質化學需氧量濃度變化的社會經濟重要因素，影響氨氮濃度變化的因素眾多；遼河流域經濟增長與水環境之間的關系曲線不完全符合典型的庫茲涅茨曲線特征。隨著經濟快速增長，應在開展工業點源污染達標排放控制的同時，加強農業面源污染的治理力度。

遼河流域; 水環境演變; 經濟發展; 多元回歸分析; 環境庫茲涅茨曲線

隨著社會經濟的快速發展，人類對資源利用與環境保護之間的矛盾日趨尖銳。環境變化與社會經濟之間的關系日益受到重視[1-3]，國外學者經常通過對不同地區、不同污染物的實證研究來檢驗環境庫茲涅茨曲線(EKC)是否存在，并將經濟增長與生態環境之間是否存在EKC曲線作為論證工業化、經濟增長與生態環境能否協調發展的依據[4-6]。而流域水環境作為人類生存和發展的重要依托，自20世紀90年代以來，以流域為單元開展社會經濟發展與水環境變化相互作用的研究方興未艾[7]。

國內學者近年來也開始關注水環境的研究。部分學者從戰略的高度提出了我國流域水環境保護與社會經濟協調發展等問題[8-9]；大量學者對于水環境的演變規律進行了分析[10-15]，部分學者對于水環境的演變成因進行了定性[10-12,14]或是定量[4,7,13,16-18]探討。從國內研究現狀來看，應加強研究方法的多元化以及研究的多視角化，從水環境的社會經濟影響機制、發展趨勢全方位進行探討。

遼河流域是我國七大流域之一，位于我國重工業發達的東北地區，流域內城市群集中、人口密集、工農業發達，該區域曾為全國的經濟發展作出過重大貢獻，多年的工農業生產導致流域水環境嚴重受損，遼河被列為我國重點治理的“三湖三河”之一[19]，其所面臨的人口、資源、環境與發展問題比其它區域更加深刻而復雜。近年來，針對遼河流域水環境的研究日益增多。特別是在水環境演變趨勢、水環境承載力、生態影響以及管理對策方面出現了較多成果[19-28]。從總體來看，這些研究工作對遼河流域水環境保護及水污染治理起到了重要作用，但未能將各類社會經濟活動與流域的污染壓力結合起來，沒有考慮流域內社會經濟分布與污染產生的關系。而這些都是流域水環境管理中不可忽視的視角。

基于以上原因，本文以遼河遼寧省段為例，嘗試運用多元線性回歸分析和環境庫茲涅茨曲線模擬，定量研究分析遼河流域自2001—2010年10年間水環境演變與流域內社會經濟發展之間的關系，并作出一定的發展判斷和分析。

1 研究區概況

遼河流域是我國七大流域之一，包括遼河水系和大遼河水系。遼河全長1390公里，流域面積21.9萬平方公里，由西遼河、東遼河以及發源于吉林、內蒙古的招蘇臺河、條子河等支流在遼寧省境內匯合而成，于盤錦市入海，河流干流主要在遼寧省境內。

本文研究范圍為遼寧省境內的遼河流域，主要由遼河、太子河、渾河、大遼河4條干流和40多條一級支流組成，流經沈陽、鞍山、撫順、本溪、盤錦、營口、遼陽、鐵嶺八地市，其干流由遼河水系和大遼河水系組成，分別由盤錦的雙臺子河和營口的大遼河入海。

1.1 社會經濟發展背景

遼河流域遼寧省境內是經濟較發達的工業集聚區和都市密集區。流域內社會經濟密度較大，社會經濟相對活躍，遼河流域承載了超過全省半數以上的社會經濟產值。以沈陽為核心的“五帶十群”發展規劃指出至 2015 年地區生產總值年均增長達14%以上，規模以上工業增加值年均增長16%，城鎮化率要達到80%以上，要支撐如此大規?？焖俚牡貐^發展，環境壓力巨大[22]。

2001年至今，遼河流域遼寧省段內經濟高速增長。2010年全流域地區生產總值達12284.41億元，是2001年的3.93倍，人均國內生產總值是2001年的將近4倍。三次產業發展中，2010年生產總值分別是2001年的3.06、4.48、3.82倍(圖1)，由此可以看出，區域發展過程中，二產增長速度較快，尤以工業增長速度明顯，為4.53倍。同時，2001—2010年遼河流域人口與GDP發展趨勢類似，也呈現增長趨勢，由2247.25萬人增長到2302.15萬人(圖2)。

圖1 遼河流域內2001—2010年各產業總產值 Fig.1 Total production value of industries 2001—2010 in Liaohe River watershed

圖2 遼河流域內2001—2010年人口變化 Fig.2 Population sorts of 1990—2000 in Liaohe River watershed

1.2 水環境現狀

圖3 遼河水體2001—2010年平均水質結果 Fig.3 Annual average on water quality of 2001—2010 in Liaohe river (mg/L)

在最近的10a中，遼河流域水環境質量變化較大(圖3)。遼河水系遼寧省段內包括遼河、渾河、太子河和大遼河4條主要河流。2002年遼河鐵嶺、沈陽、盤錦3個河段均為劣Ⅴ類水質，污染嚴重。主要污染物是化學需氧量、生化需氧量和氨氮，分別超過國家Ⅴ類水質標準0.8倍、0.1倍和0.8倍。由于境外污水排入，對遼河鐵嶺段水質影響較大，渾河、太子河和大遼河的18個監測斷面中，Ⅳ類和劣Ⅴ類水質分別占27.7%和66.7%。其中渾河撫順段為Ⅳ類，沈陽段為劣Ⅴ類；太子河本溪段為Ⅴ類，遼陽段為Ⅳ類，鞍山段為劣Ⅴ類；大遼河盤錦段、營口段均為劣Ⅴ類水質。氨氮污染突出，最高斷面超過國家Ⅴ類水質標準6.9倍。各斷面中，沈陽七臺子、于家房、本溪興安和盤錦三岔河斷面污染嚴重。大凌河水系大凌河是全省水質污染最重的河流。全河段化學需氧量、生化需氧量濃度均值分別超國家Ⅴ類水質標準3.6倍和7.4倍。

2010年，遼河流域水質相對好轉，26個干流斷面的化學需氧量平均濃度為18mg/L，遼河、渾河、太子河化學需氧量年均濃度在12—24 mg/L之間，為2001年來最低值。干流斷面化學需氧量年均濃度全部符合Ⅴ類水質標準。但是氨氮污染仍然較重，57.7%的干流和59.5%的支流斷面氨氮超Ⅴ類水質標準。

2 研究方法

2.1 多元線性回歸分析

運用多元線性回歸分析方法，建立遼河流域內2001—2010年經濟發展與水質之間的相關關系模型。其中，社會經濟指標為自變量，水質指標為因變量。選用的社會經濟指標包括第一產業生產總值(FDP)、第二產業生產總值(SDP)、年末總人口(POP)，數據資源來源于遼寧省統計年鑒；考慮到遼河現有資料的實際情況，選擇研究期間逐年的化學需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)等年平均值作為水質評價指標，數據來源于環境統計報表。

多元線性回歸是研究多個變量之間關系的回歸分析方法，根據多個自變量的最優組合建立方程來預測因變量。多元回歸分析的模型可以表達為：

Y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn+e

(1)

式中,Y為根據自變量計算出的估算值，b0為常數項，b1，b2，…,bn為的偏回歸系數，e為隨機誤差。多元線性回歸分析中常用復相關系數R和R2作為判定指標。R介于0—1之間，越接近1，表示線性關系越強；反之表示線性關系越差。R2經常被用來作為多元回歸中的判定系數，來解釋回歸模型中自變量的變化在因變量變化中所占的比率。為了避免自變量的個數對判定系數產生影響，回歸分析中經常使用修正的R2進行判定，以便可以較為確切的反應擬合情況[29]。

2.2 環境庫茲涅茨曲線模擬

環境庫茲涅茨曲線是通過人均收入與環境污染指標之間的演變模擬，說明經濟發展對環境污染程度的影響，環境庫茲涅茨曲線的含義是沿著一個國家的發展軌跡，尤其是在工業化的起飛階段，不可避免地會出現一定程度的環境惡化；在人均收入達到一定水平后，經濟發展會有利于環境質量的改善[30]。

本研究對遼河流域的水環境與社會經濟之間的關系進行EKC曲線模擬。

這里采用經濟增長指標(x)：考慮指標的代表性，選取人均GDP作為模型中經濟增長指標。

水環境指標(y)：根據遼河流域遼寧段區域目前發展階段和生態環境問題的突出表現，分別選取CODMn、NH3-N作為模型中環境污染指標。

3 結果分析

3.1 多元回歸結果分析

將數據輸入到模型中，得到CODMn多元回歸模型結果表1—表3。

表1 CODMn模型匯總Table 1 Model summary

表2 ANOVA方差分析Table 2 Analysis of Variance

表3 回歸系數分析Table 3 Regression coefficient analysis

由表1中的R2以及修正的R2值可以看出回歸關系較好。表2方差分析結果表明，當回歸方程中包含自變量第一產業生產總值與第二產業生產總值時，其顯著性概率值Sig．小于0.05，拒絕總體回歸系數均為0的原假設，因此回歸方程應該包含這兩個自變量(年末總人口由于Sig．大于0.05，因此舍棄)。

同樣的方法可以得到氨氮的方差分析和回歸分析表。但由于Sig．大于0.05，表明氨氮與各指標間的關系不顯著，因此略掉。

根據以上CODMn的多元回歸分析結果，建立的線性相關關系如下：

CODMn=116.08-0.13FDP+0.002SDP

模型的輸出結果表明：①2001—2010年期間第一產業總產值、第二產業總產值對水質污染因子CODMn的影響效果是顯著的。可以推斷流域內社會經濟所帶來的污染壓力可能還會逐年增加，應加強管理與治理；② 氨氮與社會經濟因子間建立多元回歸方程時R2較小，表明其與各因子間的關系相對較弱，這可能與影響氨氮的因子眾多有關，這也是遼河流域近年來氨氮指標一直居高不下的重要原因。

3.2 環境庫茲涅茨曲線模擬結果分析

根據上文分析，利用2001—2010年的人均GDP以及CODMn、NH3-N數據，可以得到CODMn、NH3-N與人均GDP之間擬合方程，各個方程所描述的經濟增長與水環境環境污染之間關系曲線圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 遼河流域CODMn濃度與人均GDP關系 Fig.4 Relationship between per capita GDP and thickness of CODMn in Liaohe River watershed

圖5 遼河流域NH3-N濃度與人均GDP關系Fig.5 Relationship between per capita GDP and thickness of NH3-N in Liaohe River watershed

模擬結果表明：

(1)遼河遼寧段的CODMn濃度與流域人均GDP存在N型函數關系，曲線經歷下降、上升、再下降的多個階段；但趨勢線呈現出一定的庫茲涅茨曲線倒U型特征，在人均GDP達到27716元時出現拐點。總的來說，遼河流域在COD排放控制上已經開始逐步越過這個拐點位置，目前正處于由上升向下降轉化的階段。這表明伴隨著經濟的不斷增長，環保技術的應用、產業結構的變化，水環境質量開始呈現出局部改善的趨勢。

(2)遼河遼寧段的NH3-N濃度與流域人均GDP之間，沒有顯示存在典型EKC曲線倒U型的特征。目前，隨著人均GDP的增長，NH3-N濃度呈現出逐步下降的趨勢，但下降趨勢不大，結合遼寧省近年來發布的水環境公報，綜合分析其原因，主要是由于造成面源污染的因素眾多，較難控制。

4 結論與討論

以流域為單元開展社會經濟發展與環境演變相互作用及調控研究，是實現可持續發展的有效途徑[7]。遼河流域水環境問題的發生與發展同流域內經濟發展階段及產業結構的調整有很大的關系。通過遼河流域遼寧段的社會經濟指標與水質指標的多元線性回歸分析，可以發現，遼河的水環境質量的演變，同流域內以工業為主的產業結構和流域人口的增加有關。

環境庫茲涅茨曲線模擬研究表明：在遼河流域經濟增長與水環境環境質量變遷關系的曲線中，隨著區域經濟水平的提高，CODMn、NH3-N污染在綜合治理下開始出現一定程度的改善，但不完全符合典型庫茲涅茨曲線特征，特別是氨氮變化趨勢不明顯。

由2001—2010年流域內經濟發展與水環境演變的關系，并結合前人的研究成果可以推斷，未來遼河流域的污染物來源中，農業及農村生活污水所占的比重可能將持續增加，并成為主要的污染來源[13]。因此，在開展針對工業點源污染而采取的達標排放的同時，還必須加強農業面源污染的治理力度，“點源與面源相結合”，以利于遼河水環境的改善。

本文運用多元回歸分析、環境庫茲涅茨曲線模擬分析了遼河水環境演變與流域內社會經濟發展的相關關系，為遼河流域水環境污染控制與治理提供一定的科學依據。流域水環境及其治理問題，受多種因素綜合作用，在本研究中僅僅考慮了流域內社會經濟的發展狀況對遼河水質的影響，對氣候變化、流域土地利用類型改變、政府行為及環境保護政策等方面的作用沒有探討，這可能導致研究結果的分析不夠全面。此外，環境庫茲涅茨曲線僅反映了多種環境-收入理論關系的一種形態，且更適用于流量污染物和短期的情況，其多形態的環境-收入關系的理論基礎還需要深入研究和探討。

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An empirical research on the relationship between water environment and economic development in liaohe river watershed

DU Xin1,2, XU Dong3, FU Xiao1,*, WU Gang1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049,China3ShenyangNormalUniversity,Shenyang110034,China

Taking a river watershed as a unit to regulate socio-economic development and environmental protection, is an effective way to achieve sustainable development. And therefore it is unfolding to carry out a study of the interaction between the socio-economic development and the changes in the water environment in a river watershed. Using multiple linear regression analysis, selecting socio-economic indicators (the primary industry GDP, the secondary industry GDP, the end of the total population of one year) as the independent variable, water quality indicators (concentration of CODMnand NH3-N) as the dependent variable, quantitative research of the relationship between the socio-economic development and water environment was carried out from 2001 to 2010 in Liaohe River watershed. And the environmental Kuznets curve was simulated by taking water environment indicators (concentration of CODMnand NH3-N) and economic growth indicators (per capita GDP) as indicators. And the results showed that the secondary industry GDP, population are important factors to affect the changes of the concentration of CODMn, and there are many factors to influence NH3-N concentration. And relationship curve between the economic growth and water environment is not fully consistent with the typical Kuznets Curve in Liaohe River Watershed. Accompanied rapid economic growth, industrial point source pollution discharge control should carry out, and agricultural nonpoint source pollution control efforts should be strengthened at the same time.

Liaohe River watershed; evolution of the water environment; economic development; multivariate regression analysis; environmental Kuznets curve

中國科學院項目(STSN-13-07); 國家重點實驗室項目(SKLURE2010-1-6)

2013-11-101;

日期:2014-07-18

10.5846/stxb201311011519

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xiaofu@rcees.ac.cn

杜鑫, 許東, 付曉 吳鋼.遼河流域遼寧段水環境演變與流域經濟發展的關系.生態學報,2015,35(6):1955-1960.

Du X, Xu D, Fu X, Wu G.An empirical research on the relationship between water environment and economic development in liaohe river watershed.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1955-1960.