中國工業水污染排放的空間格局及結構演變研究

石敏俊 鄭丹++雷平 袁靜沛

摘要 我國工業企業污染物排放的空間格局正在發生變化。現有的統計數據不能提供區分區域和行業層面的工業企業污染物排放數據，無法刻畫地市尺度上各個工業部門污染排放的空間格局及其演變。工業企業污染物排放的空間認知是制定環境污染控制和區域產業發展規劃的科學基礎。本文聚焦于工業水污染，構建了新的工業企業水污染排放的空間估算方法，估算分行業分區域的工業水污染排放量，來分析地市尺度上中國工業水污染排放的空間格局及其演變。本文構建的空間估算方法首先將全國分行業污染排放量依據產值分解到省級和地市層面，再依據企業規模校正系數、生產工藝校正系數和環境管制能力校正系數對未考慮區域差異的排放強度進行校正，最后采用適時修正法對污染物排放量的估算結果進行部門和區域的平衡調整。以基于空間估算方法估算的工業COD為例，剔除個別異常值后，2010年省級尺度重點行業工業COD排放量估算結果的平均誤差為12.7%，數據質量優良，顯示本估算方法較強的適用性。根據本文的結果，發現2005年至2010年間我國工業COD的減排主要由造紙及紙制品業的技術效應貢獻，其中又以西部地區造紙及紙制品業貢獻突出，其次是東部地區，中部地區略有貢獻，東北部地區貢獻為負值。其他對工業COD減排作出較大貢獻的行業包括食品加工業和化學原料及化學品制造業，但不同產業的區域差異顯著。基于可持續性發展的視角，技術效應與規模效應同樣顯著的產業應當作為區域的主導產業予以重點發展。

關鍵詞工業水污染；空間格局；工業COD；技術效應；規模效應

中圖分類號X24

文獻標識碼A文章編號1002-2104（2017）05-0001-07DOI：10.12062/cpre.20170309

工業企業污染物排放超標是水環境惡化的主要原因。水環境的主要污染指標為化學需氧量（COD）、五日生化需氧量和總磷。近年來，工業企業污染物排放格局正在發生變化。一方面，“十一五”期間我國大力推進環境治理，二氧化硫、化學需氧量等污染物排放總量趨于減少；另一方面，隨著部分制造業企業開始從沿海地區向中西部地區轉移[1-4]，制造業分布格局正在發生變化，這也直接影響到工業企業污染物排放的空間格局。據國家環保部統計，2002年至2010年，西部地區工業廢氣排放量占全國的比例從22%上升到28%，工業固體廢棄物產生量的比例從26%上升到31%，工業COD排放量的比例從21%上升到27%。工業企業污染物排放的空間認知是環境污染控制和區域產業發展規劃制定的科學基礎，然而，目前的環境統計尚不能提供分區域和分行業的工業企業污染物排放數據，無法刻畫地市尺度上各個工業部門污染物排放的空間格局及其演變。據此，本文聚焦于工業水污染，在對分行業分區域的工業水污染物排放量進行空間估算的基礎上，構建地市尺度分行業工業水污染排放強度數據庫，并應用于分區域工業水污染排放的空間格局及結構演變的分析。本研究拓展的數據挖掘技術，可為微觀尺度的環境政策制定和區域環境規劃提供科學參考。

1工業水污染排放空間估算方法

已有的空間估算方法大多是通過挖掘可獲得數據變量和估算對象之間的內在聯系，構建數學模型，據此在有限的數據限制下對未知變量的空間分布進行估算[5-8]。由于工業企業污染物排放的空間格局既與工業企業生產能力的空間分布密切相關，也受到工業企業的工藝設備和技術水平、污染物處理能力、區域環境管治政策等因素的影響，后者主要是影響工業企業的污染物排放強度，因此，基于特定變量的空間分布來估算工業企業污染物排放的空間格局存在較大的困難。

因此，本文根據可獲取的有限信息，構建了一種新的空間估算方法，盡可能準確地估算分行業分區域的工業水污染物排放量。以中國環境統計年鑒提供的全國范圍的分行業工業水污染物排放量和省區或地市尺度的工業水污染物排放總量為控制點，通過估算工業企業污染物排放強度的區域差異，分解得到分行業分地市的工業企業水污染物排放量。

1.1工業水污染排放估算步驟

工業企業污染物排放強度區域差異的影響因素主要有企業規模差異、生產工藝差異、環境管治能力差異三個方面[9-12]。因此，本文首先將全國分行業的工業污染物排放總量根據各省或各地市的分行業產值，分解到各省或各地市的各行業。其次，從企業規模差異、生產工藝差異和環境管治能力差異三個方面，分別構建企業規模校正系數、投產時間校正系數和環境管治能力校正系數，對未考慮排放強度的區域差異、按照產值分解的污染物排放量初始值進行校正。最后，對污染物排放量的估算結果進行平衡調整，以保證估算得到的分行業污染物排放量加和與分地區污染物排放量加和相等。平衡調整采用R.A.S.法（適時修正法）進行。R.A.S.法是通過構造行比例和列比例，使得行和與列和等于控制量。

在控制產品種類、原料和工藝等污染排放影響因素的條件下，不同規模的企業具有不同的排污系數。每個地區不同規模企業的占比存在差異，基于不同規模企業的排污系數比值和各類規模企業的比例，可構建企業規模校正系數。投產時間早晚可以反映生產工藝水平差異，污染物排放國家標準中對不同投產時間的企業規定不同排污限值，因此基于不同投產時間的排污限值比值和不同投產時間企業的比例，可構建投產時間校正系數。環境管治能力與區域經濟發展水平、污染物集中處理能力、產業集聚程度密切相關[13-14]。因此，環境管治能力校正系數由污水處理廠集中處理能力、經濟發展水平和產業集聚程度三部分組成。污染物集中處理能力采用污水處理廠集中處理所去除的工業污染量占工業污染物總去除量的比率，經濟發展水平采用人均GDP，產業集聚程度采用從業人員占比指標。每個指標采用與全國（全省）平均水平的比值來體現區域差異。根據產業集聚程度指標比重略輕、污染物集中處理能力指標和經濟發展水平指標比重較高的原則賦予不同的指標權重，將校正后的估算結果與測試集反復比較，確定相關指標權重和參數。

在具體估算過程中，先是省區尺度的空間估算，然后是地市尺度的空間估算。地市尺度的空間估算以省級尺度的分行業估算結果作為控制點，這樣可以將地市尺度的估算誤差控制在本省范圍之內。為保證估算結果與實測數據一致，在進行估算有效性檢驗后，對于存在實測數據的地市以實測數據替換估算數據，并再次進行平衡調整。

我國工業污染物排放主要集中在少數污染密集型行業。2010年，農副食品加工業、食品制造業、飲料制造業、紡織業、造紙及紙制品業和化學原料及化學制品制造業6個行業合計排放了69.45%的工業COD。為簡化估算工作量，工業COD的空間估算以農副食品加工業、食品制造業、飲料制造業、紡織業、造紙及紙制品業和化學原料及化學制品制造業6個行業作為重點行業，其余行業歸并為其他行業。因此，省級尺度上估算了大陸地區31個省級行政單元6個重點行業和其他行業的污染排放，地市尺度上估算了332個地級行政單元6個重點行業和其他行業的污染排放，4個直轄市、海南省和西藏自治區作為一個空間單元進行估算。

1.2數據來源

工業污染物排放量和污水處理的相關數據來自《中國環境年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《中國城市發展報告》、各省區統計年鑒和環保統計資料；區域經濟的相關數據來自《中國區域經濟統計年鑒》；工業企業的相關數據來自中國工業企業數據庫，其中2010年工業企業產值根據2009年工業企業產值結構和價格指數推算而來；工業企業分行業污染物排放國家標準來自環保部[15]；工業企業分行業排污系數來自《第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊》[16]。基于已有的數據，可以得到分產業的COD排放量（見表1）。

1.3估算結果的有效性檢驗

借鑒數據挖掘方法的思路，以公布的部分省份分行業工業水污染物排放量和部分地市工業水污染物排放量的實測數據作為測試集，對估算結果進行了有效性檢驗。

在2010年工業COD排放量估算結果有效性檢驗中，省級單元的測試集樣本量為30個，地市單元的測試集樣本量為144個。剔除浙江的紡織業、新疆的紡織業和山東的化學原料及化學制品制造業3個異常值，2010年省級尺度重點行業工業COD排放量估算結果的平均誤差為12.70%。2010年地市尺度重點行業工業COD排放量估算結果，剔除異常值后，排放強度低、經濟發達區域的加權平均誤差為26.7%，中等排放強度區域的加權平均誤差為22.1%，高排放強度區域的加權平均誤差為23.5%。

在2005年工業COD排放量估算結果有效性檢驗中，省級單元的測試集樣本量為18個，地市單元的測試集樣本量為134個。剔除山東的農副食品制造業和新疆的飲料制造業2個異常值，2005年省級尺度重點行業工業

COD排放量估算結果的平均誤差為7.85%。2005年地市尺度重點行業工業COD排放量估算結果，剔除異常值后，排放強度低、經濟發達區域的加權平均誤差為28.32%，中等排放強度區域的加權平均誤差為27.29%，高排放強度區域的加權平均誤差為19.76%。

2工業水污染排放的空間格局及結構演變：以工業COD為例

2.1基礎研究模型

區域環境質量的影響因素主要有規模效應、技術效應和結構效應三個方面[13]。其中，規模效應是指在其他條件不變的情況下，經濟規模擴大或縮小將伴隨著污染物排放的增加或減少。技術效應是指經濟發展和研發支出增加推動技術進步，從而產生兩方面的影響：一是在其他條件不變時，技術進步提高生產率，改善資源利用效率，降低單位產出的要素投入；二是清潔技術不斷開發并取代舊技術，可以有效地循環利用資源，降低單位產出的污染排放。規模效應導致污染負荷加劇，技術效應則會抵消污染負荷。

基于污染排放恒等式，可構建方程如方程1。

其中COD為工業COD排放總量，下標指不同區域或產業的COD排放量。i、j分別代表區域和產業；GDP為區域地區生產總值，SGDP為單位地區生產總值排放強度；GP為工業總產值，SGP為單位工業總產值排放強度。

根據現有的統計數據發布，現在僅有全國層面分行業的COD排放量，即僅有方程1a有數據基礎。更加深入的分區域經濟增長環境效益研究1c和分區域經濟結構環境效益研究只有在本文數據的基礎上才有可能。由于沒有公布可比較的分區域COD排放數據，甚至1b的區域COD排放比較都較困難。

全微分方程1d，可得COD排放的時間微分方程2，并進而推導方程3，即COD排放演變貢獻模型。

方程3中d代表差分，反映了不同時期變量的變化量。右側第一式反映的區域i產業j的COD排放規模效應，第二式反映了區域i產業j的COD排放技術效應。在第二部分本文推導了332個城市的7個行業（6個細分行業和“其他”），因此我們可以在地級城市層面研究332×7=2 324組4 648個規模效應和技術效應對總COD貢獻指標，但這顯然太繁瑣且偏離了本文的主題。基于以上，下文首先介紹基于本文數據開展的COD排放空間格局與產業結構演變，其次討論影響COD排放空間格局與產業結構演變的規模效應和技術效應。

2.2工業水污染的空間格局與產業結構演變

根據公布的全國行業數據，2005年至2010年，我國COD排放量從556萬t下降到435萬t，降幅21.8%。在減排總量中，本文研究的6個行業減排貢獻率超過85%（見表1），證明了本文選擇的重點行業的合理性。值得說明的是，模型3計算出來的減排貢獻率指標符號與COD排放量變動方向一致，即本文提到的減排貢獻概念是一個正向概念，某領域COD減排量在減排總量中比重越大，貢獻率越高。

表1顯示，6個產業中，造紙及紙制品業貢獻了最多的COD減排量，貢獻率達到60.70%，其次是食品加工業（16.56%）以及化學原料及化學品制造業（10.58%）。表1的數據還顯示飲料制造業與紡織業的COD排放與大勢相反，2005年至2010年間減排貢獻率分別為-3.72%和-1.07%。分產業COD減排總量研究離開行業規模的變化是沒有意義的，因為無法判斷究竟是排放規模還是排放強度的變化造成了這一差異。當引入行業規模后，我們發現，從2005年至2010年，所有研究行業的規模都在擴張，減排的規模效應貢獻全部為負值，真正推動COD減排的是排放強度所反映的技術效應，尤其是造紙及紙制品業，在規模擴張超過1倍的背景下，其技術效應造成的COD減排貢獻率達到191.99%，不僅抵消了規模效應造成的增排，還卓有余裕。2005年至2010年間，食品加工業和化學原料與化學制品制造業的技術效應也貢獻了較高的COD減排，貢獻率分別達到73.13%和57.04%。表1的數據顯示，飲料制造業和紡織業的COD排放變動趨勢差異不僅是行業規模擴張帶來的規模效應的原因，也是研究年份期間排放強度下降緩慢、技術效應貢獻有限的原因。類似的行業還有食品制造業，這些行業的共同特征為低技術效應和低規模效應共存，二者的內在聯系，值得進一步的探究。

雖然基于全國行業數據能得出一些有意思的結論，但這些結論的實踐指導意義仍然值得商榷，原因不僅在中國巨大的空間差異，還在中國產業空間布局處于不斷重構之中。尤其是近十年來，中國制造業在沿海和內陸間的空間轉移是否與環境規制有關，產業空間重構是否同步帶來了污染物排放的空間重構？什么樣的污染企業從沿海遷往了中西部？這些企業是采用了更加消耗資源環境的技術？還是借助搬遷機會，在一個更高的平臺生產？這些問題才是更加值得關心的問題。應用本文拓展的分行業分區域數據，我們可以開展更深入的研究。〖JP〗

表2描述了COD排放的空間結構演變，表3分行業描述了COD減排的空間差別化貢獻。表2的數據證實中國2005年至2010年的COD減排中，東部地區發揮了巨大的作用，東部地區的企業實現了超過40%的減排。從產業占全國的比重看，東部地區的減排效率似乎還有待于進一步的提高。表2的數據也緩解了社會各界對西部經濟發展中的環境污染擔心。至少從COD排放視角，2005年至2010年全國的COD減排西部的貢獻率達到31.93%，相比西部地區的工業總產值比重，其環境效率表現在四大板塊中堪稱首位。中部和東北地區的COD空間排放結構基本與產業結構變動一致。

表3提供了進一步的事實。如前文所述，COD減排最大的動力來自造紙及紙制品業。分區域、分產業的數據顯示，造紙和紙制品在COD減排中的良好表現主要是西部地區和東部地區，在東北，造紙及紙制品業的COD減排貢獻甚至是負值。在減排貢獻排名第二的食品加工業，西部地區也表現優良。東部地區在化學原料及化學制品制造業COD減排表現優良，而同期西部地區減排貢獻率為負值。此外，西部地區飲料制造業COD排放貢獻率為-4.93%，顯著影響了本階段COD減排的成績。

總體看，基于數據挖掘技術，本部分重點討論了COD污染的空間格局與產業結構演變，發現西部地區表現優良，造紙及紙制品業表現優良，但也存在區域和產業例外。造成這些現象的原因究竟是區域層面的產業技術效應還是規模效應，將在下文繼續討論。

2.3工業水污染空間格局與產業結構演變的規模與技術效應

從可持續性發展的視角看，一個地區的主導產業應當至少具備兩種特征，首先該產業應當具有良好的資源環境效率，其次還應當有良好的成長性。2005年至2010年，在本文所研究的6個行業中，東部地區符合以上兩個特征的是造紙及紙制品業以及化學原料及化學制品制造業（見表4）。雖然東部地區造紙及紙制品業期間規模急劇擴張，規模效應的COD排放貢獻率為-40.07%，但排放強度的迅速下降使得其技術效應的COD排放貢獻率高達59.67%，從而該行業的東部COD排放不增反減，表現突出。經濟與環境效益表現更加突出的是西部地區的造紙及紙制品業和食品加工業。與這兩個產業相比，飲料制造業與化學原料及化學品制造業雖然也得到高速增長，但從技術效應的同比變化相比，至少從COD排放角度，飲料制造業和化

注：2005年山東、新疆的各行業COD排放強度以及黑龍江的農副食品制造業、造紙及紙制品業和化學原料及化學制品制造業COD排放強度為實測數據，其余為估算結果；2010年黑龍江、浙江、山東、廣西和新疆的各行業工業COD排放強度為實測數據，其余為估算結果。“-”表示該省份該行業沒有規模以上企業。

學原料及化學品制造業不是西部地區的環境優勢產業。與東部和西部相比，中部地區和東北地區相關產業都無突出表現。

整體看，不同產業在不同區域的技術效應和規模效應差異顯著，尤其是技術效應。同一產業在不同區域顯著差異的資源環境利用效率利用本研究的數據拓展技術得到充分展示。基于這一技術，在表4中，我們可以比較直觀地判斷各地的環境優勢產業，從而得出直觀的政策建議。這一技術的價值不僅體現在實踐中，更可以為理論界所用，為探討諸如不同行業的資源環境利用效率空間差異等熱點問題提供數據基礎。

表3的數據來自地市級城市的匯總數據，因此，相關的研究還可以深入到省際層面和地市級層面。表5提供了分省分行業排放強度。根據表5，結合相關行業發展情況，我們可以得出比表2—表4更加豐富、微觀的結論。

3結論與啟示

由于分行業分區域的環境污染物排放未見統計數據發布，因此我國分行業污染物排放的空間格局及其演變一直是研究的難點。本文基于工業企業水污染物排放量的空間估算方法，在地市級層面估算了分行業分區域的COD排放數據。這一數據挖掘技術及其形成的數據可以為相關實證分析和政策研究提供新的數據基礎，并推動環境經濟研究的深化。

基于本文估算方法估算得到的數據，分析了分區域工業水污染排放的空間格局及結構演變，估算了2005年和2010年分區域分行業的工業企業COD排放的空間格局及其結構演變，重點研究了我國工業COD排放的6個主要行業，得到如下結論。

第一，2005—2010年間我國工業COD減排主要是依賴西部和東部地區造紙及紙制品業的技術效應，其中西部地區尤為顯著。同期為我國工業COD減排做出較大貢獻的還有東部地區的化學原料及化學品制造業、食品加工業；西部地區的食品加工業；中部地區的造紙及紙制品制造業。從可持續發展的視角，這些產業部門無論從增長速度還是減排技術方面，都可以確立為所在區域的主導產業。同期東北沒有技術效應和規模效應都表現突出的產業。

第二，從整體上看，同一產業在不同區域的資源環境效率差異顯著，其原因值得深入研究。

第三，本文基于數據挖掘技術的污染排放空間估算方法可以在更加微觀的空間尺度和更廣泛的行業與污染物種類層面得到進一步運用。（編輯：李琪）

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作者簡介：石敏俊，教授，博導，主要研究方向為區域經濟、綠色發展。Email： mjshi@ruc.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目“資源環境約束下中國經濟中長期發展前景與綠色發展模式”（批準號：71173212），“環境規制政策對產業空間分布的影響研究：基于環境便利性的視角”（批準號：71503241），“產業空間布局的資源環境效應”（批準號：41471112）；國家社會科學基金重大項目“中國經濟綠色發展的理論內涵、實現路徑與政策創新”（批準號：15ZDC006）。