基于環境承載力的京津冀霧霾治理政策效果評估

石敏俊+李元杰+張曉玲+相楠

摘要 霧霾污染治理是京津冀協同發展需要解決的重大問題。2013年9月頒布的“大氣污染防治行動計劃（大氣國十條）”明確提出了京津冀地區霧霾治理目標，各地區也制定了霧霾污染治理的政策措施。本文旨在環境承載力分析的基礎上評估霧霾治理的政策效果。首先，分析了京津冀地區大氣環境污染特征，并結合相關文獻確定京津冀地區霧霾治理的主要影響因素為污染物排放、風力以及相鄰地區的傳輸效應等；其次，將影響PM2.5濃度主要因素進行統計建模，并采用分位數回歸模型進行矯正，大大提高模型的擬合精度；再次，基于大氣國十條規定的京津冀各地區的PM2.5年均濃度目標計算各地區的大氣環境承載力；最后，在假定風力等氣象條件不變的情況下，根據大氣國十條規定的京津冀地區的污染物排放量利用統計模型模擬2017年的霧霾污染水平，模擬除張家口、承德和秦皇島以外其余10個地區年均濃度60 μg/m3和70 μg/m3目標下PM2.5日均濃度發生頻率的變化情況，評估和討論大氣國十條提出的京津冀霧霾治理目標。結果表明：按照大氣國十條減排計劃的京津冀地區污染物排放量普遍高于其PM2.5濃度目標下的大氣環境容量（邯鄲市除外），即大氣國十條所規定的減排措施難以實現既定的PM2.5濃度目標；PM2.5年均濃度目標從60 μg/m3上升到70 μg/m3，重污染天氣發生頻率上升有限，大氣污染物的減排量卻顯著下降。因此，要實現既定的霧霾濃度控制目標，天津和河北需要進一步加大污染物減排力度；霧霾治理應注重減少重污染天氣的發生頻率，治理重點應轉向重度霧霾發生頻率較高的冬季污染物排放控制；在科學確定環境承載力的基礎上，確定切實可行的PM2.5濃度控制目標，制定具有可操作性的污染物減排計劃。

關鍵詞 環境承載力；京津冀；霧霾污染；分位數回歸；PM2.5濃度目標

中圖分類號 X196；F061.5文獻標識碼 A文章編號 1002-2104（2017）09-0066-10DOI：10.12062/cpre.20170722

近年來，京津冀地區面臨嚴重的霧霾污染，霧霾污染治理是京津冀協同發展需要解決的重大問題。“大氣污染防治行動計劃（大氣國十條）”提出了2017年北京的PM2.5年均濃度達到60 μg/m3、天津和河北的PM2.5年均濃度比2013年降低25%的目標，制定了霧霾污染治理的政策措施[1-2]。霧霾污染是社會經濟系統與自然生態環境之間復雜的相互作用下形成的產物，霧霾治理政策評估需要深刻認識社會經濟系統與自然生態環境之間的相互作用。環境承載力是指自然生態環境對社會經濟系統的承載能力，體現了社會經濟系統與自然生態環境之間的相互作用。本文的目的是在環境承載力分析的基礎上評估霧霾治理的政策效果。

長期以來，在可持續發展理念上存在弱可持續性和強可持續性兩種不同的發展理念。弱可持續性認為自然資本的減少可以用人工資本來替代，只要自然資本和人工資本的總和不減少，就可以使得自然生態系統為人類提供服務流量的能力保持不變，因此技術進步和創新可以使人類社會不斷突破資源環境的約束。強可持續性則認為有些自然資本是不可替代的，譬如地球的生命支持系統、環境健康、食品安全等是無法用人工資本來替代的，因此人類社會的發展不能超越資源環境承載力的硬約束。當代中國的快速經濟增長付出沉重的資源環境代價，未來中國的經濟社會發展面臨深刻的資源環境約束。近年來，生態紅線、水資源三條紅線等政策的陸續出臺，表明中國已經進入了強可持續性發展理念的時期，經濟社會發展不能超越資源環境承載力的硬約束，環境政策的制定必須考慮資源環境承載力，環境政策的實施效果也需要在科學認識資源環境承載力的基礎上才能做出科學的評估。

1 環境承載力的概念內涵及其測度方法

資源環境承載力是指一定的生產力水平下、某一區域的資源環境要素所能承載的符合可持續發展需要的社會經濟活動的能力。區域資源環境承載力具有極限性、動態性、開放性和短板效應等特征。資源環境承載力是各種資源環境要素對社會經濟活動的承載能力的綜合體現，但不同的資源環境要素的承載能力存在差異，而一個區域的資源環境承載力往往是由最稀缺要素的承載能力決定的。而資源環境承載力要素的空間流動性差異，決定了開放性對區域資源環境承載力的影響存在差異。對于空間上不可以流動的資源環境要素而言，承載能力取決于當地的資源環境稟賦條件。對于空間上可以流動的資源環境要素而言，可以通過區際交換和要素流動改變當地資源環境要素的承載能力。環境要素在空間上是不能流動的，環境承載力主要取決于當地的環境容量，一個區域只能通過調整產業結構和產業布局，改變環境負荷，去適應環境承載力。環境政策是調整產業結構和產業布局的重要政策抓手，也是使區域經濟系統適應環境承載力要求的主要政策手段。

由于資源環境承載力的動態性和開放性，如何測度資源環境承載力并非一件容易的事。FAO組織的土地資源承載力研究是最早提出的資源環境承載力概念，以耕地資源可以承載的人口數量來測度[3-5]。后來出現的資源環境承載力的研究主要是關于水資源承載力[6]，大多采用無量綱的指數評價方法，有的采用綜合指數[7]，有的則采用多指標[8]，但無量綱的指數難以體現資源承載力的物理內涵，只能用相對量及其變化來刻畫資源承載力的變化；也有的學者仍然采用可以承載人口的數量作為水資源承載力測度指標[9-12]，但在單位人口所需水資源數量時遇到了困難，石敏俊等曾采用人均水足跡來表征單位人口所需的水資源數量[13]。

就環境承載力而言，狹義的概念內涵一般是指環境容量，也就是自然環境所能接納的污染物的最大排放量，廣義的概念則把人類活動對環境施加的負荷與環境容量的關系理解為環境承載力。實際上，前者是指環境承載能力，后者是指環境承載的狀態。本文認為環境承載力應當界定為環境承載能力，因而采用污染物的允許排放量來測度環境承載力。一個區域的自然環境的污染物允許排放量，一方面受到自然環境容量的制約，另一方面也與環境質量目標有關，受到環境政策的影響。因此，本文所指的環境承載力是指在現行環境政策所規定的環境質量目標下自然環境的污染物允許排放量。endprint

2 京津冀地區大氣環境污染現狀與環境承載力評估

2.1 京津冀地區大氣環境污染特征

2013年京津冀地區大部分區域PM2.5年均濃度遠超過國家二級標準，對人體健康和生活構成了威脅[14]。通過分析，京津冀地區霧霾有以下特征：

（1）污染物排放對PM2.5濃度有重要影響。從表1可以看出，京津冀地區大氣污染物濃度與PM2.5濃度在時間和空間上呈現出高度趨同性，大氣污染物濃度高的區域往往也是霧霾污染的嚴重區域。因此，大氣污染物排放量過大是霧霾污染的根本原因[15-16]。

（2）PM2.5濃度受到風力等氣象條件的影響十分顯著。通過對京津冀地區滯后一期的日均風速與PM2.5日均濃度的分析（表2），發現風力對PM2.5濃度降低具有顯著的作用。當日均風速為1.5 m/s以下時，PM2.5濃度高于120 μg/m3，但日均風速大于2.5 m/s時，PM2.5濃度可降至81 μg/m3左右，日均風速達到3.5 m/s時，PM2.5濃度能夠降到60 μg/m3。然而，風力是不可控的外在因素，霧霾污染

治理不能只是依靠天幫忙，而是要立足于人努力，從減少污染物排放量著手，才能從根本上解決霧霾污染問題。

（3）霧霾污染的季節性特征顯著，供暖季和非供暖季的空氣質量差距明顯。京津冀地區地處北方，受取暖能源消耗和冬季污染物擴散條件不利的共同影響，供暖季和非供暖季的PM2.5日均濃度存在顯著差異。從表3可以看出，京津冀地區供暖季的PM2.5濃度普遍超過國家標準，也明顯高于非供暖季水平；霧霾污染嚴重的區域多為污染物排放量大、擴散條件差的區域，如石家莊、邢臺、保定和邯鄲，供暖季PM2.5濃度超標問題尤為顯著。污染物擴散條件相對較好的張家口、承德、唐山、滄州等地，霧霾污染相對較輕。

2.2 大氣環境承載力評估模型

2.2.1 大氣污染物排放量的估算

本文重點對PM2.5的一次污染物、也是霧霾污染的前體物質——SO2、NOx和煙（粉）塵這三種大氣污染物的日排放量進行估算[17-20]。污染物排放量數據來源于各地區2013年環境統計年鑒和環境公報。污染物日排放量估算的具體步驟如下：

（1）區分供暖季和非供暖季的大氣污染物排放量。依據各個區域冬季供暖用的能源消費量，測算各個區域供暖能源消費帶來的大氣污染物排放量，將大氣污染物年排放量數據按供暖季和非供暖季進行區分。

（2）參考工業生產景氣指標，估算各個區域的月度社會經濟活動波動情況，據此推算各個區域大氣污染物質的月排放量，從而將大氣污染物年排放量分解為月排放量。

（3）依據工作日和非工作日的社會經濟運營情況，將污染物月排放量分解為日排放量?；谏鐣洕顒拥娜粘Ｖ笜耍▍^分為雙休日、工作日和法定節假日），將雙休

日和法定節假日按全社會用電量折算成若干單位的標準工作日。參考國泰君安提供的經驗值，雙休日約等于0.92個工作日，法定節假日約等于0.75個工作日。由此，可以將污染物月排放量數據細分到日排放量，從而得到工作日、雙休日和法定節假日的污染物日排放量數據。

（4）對污染物日排放量數據進行矯正。北京作為大都市，機動車帶來的大氣污染物排放量占比較高，并由于北京的交通擁堵嚴重，交通擁堵導致的車輛低速行駛會使得車用燃料燃燒不充分，造成更多的污染物排放。因此，針對北京市，利用2013年北京的交通擁堵系數，區分平日和周末、中小學假日等，對污染物日排放量進行矯正。

2.2.2 統計建模及估計結果

基于PM2.5濃度的主要影響因素分析，就污染物排放量、風力、周邊區域污染物傳輸效應等因素對PM2.5濃度的影響進行統計建模[21-25]。

Y=f（X，LY，lNY，W）（1）

其中，Y為各個區域的PM2.5日均濃度。

X為排放因子。為了便于區域之間的比較，將上述估算的SO2、NOx和煙（粉）塵三種污染物的日排放量轉換為單位面積的排放量，即排放密度。但由于SO2、NOx、煙（粉）塵的排放源均來自化石燃料的燃燒，同一個區域的SO2、NOx、煙（粉）塵的日排放量之間存在共生關系，將三種污染物排放密度同時放入模型會引起多重共線性，因此，采用因子分析法對其進行降維處理，提取出主成分，作為區域的排放因子X放入模型。

lY為滯后一期的PM2.5日均濃度值，表征污染物在空氣中的累積效應。

lNY為北部相鄰地區的滯后一期的PM2.5日均濃度值，表征相鄰區域之間污染物傳輸作用的影響?；诰┙蚣降貐^的溫帶季風氣候因素，在霧霾多發的冬春季節，北部地區PM2.5的濃度受偏北風的影響對于南部地區有較為顯著的影響，而南部相鄰地區對于北部地區的影響并不顯著，因此，本文只考慮北部相鄰地區對于南部地區的傳輸效應。

W為各地區日均風速，數據來源于世界氣象數據庫。

考慮到京津冀各區域的污染物排放量、排放結構、污染物擴散能力以及受周邊區域影響的差異，對13個區域分別進行統計建模，各地區域將采用的具體模型也有所不同。例如，張家口由于自身的風力擴散條件好，周邊地區的影響較弱，模型將忽略來自周邊地區的污染物傳輸的影響。污染物排放因子、風力、周邊地區污染物傳輸等因素對PM2.5日均濃度的影響的模型估計結果如表4所示。通過對模型結果分析，可以得出如下結果：

（1）本地污染物排放量對PM2.5濃度具有顯著的影響，減少污染物排放量可以有效減輕空氣污染程度。如果每萬平方公里的污染物日排放量（因子分析合成的新變量）減少1噸，各區域PM2.5日均濃度下降幅度約為0.03—0.21 μg/m3。

（2）本地滯后一期PM2.5濃度的系數顯著為正，反映出大氣中污染物累積效應對PM2.5濃度有顯著的影響。經過數據分析，發現滯后一期以上的PM2.5濃度的影響并不顯著，這可能是因為滯后一期的PM2.5濃度已經包含了前幾天排放的污染物在大氣中的累積效應。endprint

（3）相鄰區域的滯后一期PM2.5濃度的系數統計顯著，表明來自周邊地區的污染物傳輸效應對PM2.5濃度具有顯著的影響。由于各個區域的地理位置各異，氣象條件不同，各個區域的PM2.5濃度受到周邊區域污染物排放的影響也不盡相同。

（4）日平均風速顯著為負，且系數的絕對值較大。這說明在當前的污染物排放量條件下，風力是影響霧霾污染程度的關鍵因素。南部區域的平均風速系數的絕對值明顯高于北部地區，表明南部區域霧霾消散對風力的依賴更深。

2.2.3 模型擬合和模型矯正

基于上述估計結果進行PM2.5日均濃度的預測，總體來看，預測值與2013年實際值在逐日變化趨勢上具有很好的一致性。但是，北京、天津、保定、廊坊、唐山、秦皇島、滄州、邯鄲、石家莊等地區，在PM2.5日均濃度超過200 μg/m3或低于50 μg/m3的情況下，預測值與實際值之間有較為明顯的偏差。這種偏差反映出模型對于PM2.5日均濃度極值的捕捉效果較差。因此，本文采用分位數回歸模型，基于不同分位的回歸結果，對上述區域PM2.5日均濃度極值預測的系數進行矯正。根據各地區的回歸預測結果與實際值之間的實際情況，確定各地區的PM2.5日均濃度極值范圍，進而采用不同分位的回歸結果進行校正（表5和表6）。

經過矯正，京津冀13個地市PM2.5日均濃度的預測值和實際值的擬合效果有明顯的改進，通過比較模型預測值和實際值（見表7），發現矯正后模型預測值的誤差顯著下降，即矯正后的模型對PM2.5日均濃度預測的可信度明顯提高。

2.3 “大氣國十條”濃度目標下的京津冀大氣環境承載力計算

將“大氣國十條”的PM2.5年均濃度要求具體量化到京津冀各個城市，采用上述所建模型計算得出實現“大氣國十條”濃度目標所允許的污染物排放量，即京津冀地區大氣環境承載力（見表8）。

從表8可以看出，京津冀各地區污染物排放已經嚴重超過大氣環境承載力，各地區均面臨著嚴峻的減排壓力。總體來看，京津冀地區大氣污染物排放量需要減少49%，從不同污染物來看，SO2、NOx和煙粉塵的排放量分別需要減少50%，51%和45%。從不同地區來看，各地市的減排任務差距較大，綜合減排率在30%—85%之間不等，其中張家口、承德和秦皇島的霧霾污染程度較低，污染物排放量的減少對于PM2.5的降低影響不大?？梢姲凑誔M2.5濃度降低25%的要求，京津冀減排任務十分艱巨。此外，北京市要實現PM2.5年均濃度60 μg/m3的目標，任務相當艱巨，減排率達78%。

3 基于環境承載力的京津冀霧霾治理政策效果評估

3.1 大氣國十條的政策效果評估

依據大氣污染防治行動計劃（國十條）確定的污染物減排量，并將其與PM2.5濃度目標下的大氣環境承載力進行對比（表9）可知，大氣國十條的減排措施難以實現其確定的PM2.5濃度目標。表9中可以看出，按照大氣國十條減排計劃的各地區污染物排放量高于大氣國十條既定PM2.5濃度目標下的環境承載力，污染物排放量是大氣環境容量的1.44倍，其中SO2、NOx、煙粉塵的排放量分別是對應的大氣環境容量的1.18倍、1.52倍和1.19倍，可以看出NOx環境容量差距最大，也是霧霾治理的關鍵。

具體到各地區來看，除邯鄲污染物排放量未超過規定的環境承載力外，其余城市均超過環境承載力。原因在于邯鄲地處河北南部、全年風力較低，而且以鋼鐵為代表的高污染行業比重大，污染減排對于霧霾的治理效果相對于京津冀其它地區明顯，加之2013年邯鄲市PM2.5年均濃度高達127 μg/m3，按減排計劃削減25%，邯鄲市的目標濃度是95 μg/m3，水平較高，所以其環境容量較高，略高于大氣國十條標準下的污染物排放量。北京、張家口、秦皇島和承德四個城市的污染物排放量大大高于其PM2.5濃度目標下的環境容量。其中北京市要求PM2.5年均濃度降低到60 μg/m3，目標較高，而北京市的工業排放較少，主要是居民生活和機動車排放，減排成本較高，相應的環境容量較低。張家口、秦皇島和承德的空氣質量相比其它地區要好，污染物排放較低，如果按照大氣國十條要求，三地的PM2.5年均濃度降低至30 μg/m3、48 μg/m3和38 μg/m3，較高的濃度目標使其環境容量遠低于大氣國十條目標下的排放量。

大氣污染防治行動計劃確定的污染物減排行動計劃難以實現PM2.5年均濃度控制目標。如果要實現PM2.5年均濃度下降25%的濃度控制目標，天津和河北需要進一步加大污染物減排力度。具體來講，石家莊、保定、唐山、邢臺、衡水等區域不能滿足于PM2.5年均濃度下降25%的目標，更重要的是盡可能把PM2.5年均濃度降得更低，減少重污染天氣發生頻率。在60 μg/m3的濃度目標下，北京的減排任務非常艱巨，可能需要考慮調整濃度目標。

3.2 霧霾治理政策目標：從年均濃度到重污染天氣發生頻率

環境空氣質量改善不能僅有PM2.5年均濃度目標，還需要考慮PM2.5日均濃度的頻率分布，尤其是重污染天氣的出現頻率，這是公眾可以直接感知、也是公眾更加關注的環境質量指標。隨著PM2.5年均濃度下降，重污染物天氣出現頻率也會降低，但重污染天氣出現頻率和PM2.5年均濃度之間并非線性的對應關系。本文假設風力等級頻率分布維持在2013年水平，模擬了京津冀10個地區60 μg/m3和70 μg/m3年均濃度目標下PM2.5日均濃度的發生頻率，張家口、承德、秦皇島的PM2.5年均濃度較低，沒有進行模擬分析。將70 μg/m3和60 μg/m3年均濃度目標下模擬結果相減得到表10。

總體上看，PM2.5年均濃度目標越高，較低PM2.5日均濃度天氣出現的頻率下降，高PM2.5日均濃度天氣的出現頻率上升。但是，PM2.5年均濃度由60 μg/m3上升到70 μg/m3時，PM2.5日均濃度變化主要體現在小于35 μg/m3、35—75 μg/m3區間的天數減少，>75—150區間的天數增加；在>150—200 μg/m3和大于200 μg/m3區間的變化不大。分區域來看，在>150—200 μg/m3和大于200 μg/m3區間除北京分別增加8 d和4 d外，其他地區增加的天數均不超過5 d，廊坊、衡水等地幾乎沒有變化。endprint

上述分析表明，PM2.5年均濃度目標從60 μg/m3上升表10 PM2.5年均濃度60—70 μg/m3目標下PM2.5日均濃度頻率差異到70 μg/m3，重污染天氣發生頻率的上升有限，大氣污染物的減排要求卻顯著下降?？紤]到京津冀地區霧霾污染的現狀以及區域經濟和民生保障的現實需要，將PM2.5年均濃度70 μg/m3設定為京津冀地區霧霾污染治理的過渡目標，60 μg/m3作為中遠期目標，是較為現實的政策選擇。作為霧霾污染治理的政策目標，更為重要的是減少重污染天氣的發生頻率，霧霾污染治理政策重點應轉向重度霧霾發生頻率較高的冬季靜穩天氣條件下的污染物排放控制。

如果將PM2.5年均濃度70 μg/m3作為霧霾污染治理目標，張家口、承德、秦皇島三地PM2.5年均濃度遠低于70 μg/m3，故采用國十條濃度目標下的環境承載力。各地區的污染物允許排放量（大氣環境容量）如表11所示。

表11顯示，即使京津冀霧霾治理的濃度目標設為PM2.5年均濃度70 μg/m3，京津冀各地的污染物減排壓力依然相當嚴峻。京津冀地區大氣污染物排放量需減少56.4%，SO2、NOx和煙粉塵的減排率分別為57.5%，56.1%和54.5%。不同地區的減排任務存在差異，綜合減排率在27%—80%之間不等。

與大氣國十條濃度目標的減排率相比，新的濃度目標下北京市的減排率有所降低，天津和河北等地的減排率上升。

4 結論與啟示

本文的研究結論歸納起來主要有以下幾點：

（1）大氣國十條的減排措施難以實現既定的PM2.5濃度目標。因為大氣國十條排放標準下的各地區污染排放京津冀地區的污染物排放量高于大氣國十條所規定的PM2.5濃度目標下的環境承載力，污染物排放量是大氣環境承載力的1.44倍，其中SO2、NOx、煙粉塵的排放量分別是對應的大氣環境承載力的1.18倍、1.52倍和1.19倍，NOx環境承載力的差別最大。

（2）要實現PM2.5年均濃度下降25%的濃度控制目標，天津和河北需要進一步加大污染物減排力度。石家莊、保定、唐山、邢臺、衡水等地不能滿足于PM2.5年均濃度下降25%的目標，因為即使實現了這一目標，PM2.5年均濃度仍然超過90 μg/m3甚至100 μg/m3。這些區域應當減少更多的污染物排放量，把PM2.5年均濃度降得更低。

（3）霧霾治理應更加注重減少重污染天氣的發生頻率，治理重點應轉向重度霧霾發生頻率較高的冬季靜穩天氣條件下的污染物排放控制。PM2.5年均濃度目標從60 μg/m3上升到70 μg/m3，重污染天氣發生頻率的上升有限，大氣污染物的減排要求卻顯著下降。考慮到京津冀地區霧霾污染的現狀以及區域經濟和民生保障的現實需要，將PM2.5年均濃度70 μg/m3設定為京津冀地區霧霾污染治理的過渡目標，PM2.5年均濃度達到60 μg/m3作為中遠期目標，是較為現實的政策選擇。

由于污染物減排行動涉及到區域經濟和民生保障，霧霾治理不可能一蹴而就，而是一個漫長的攻堅過程。京津冀霧霾治理應當在科學確定環境承載力的基礎上，確定現實可行的PM2.5濃度控制目標，并制定具有可操作性的相應的污染物減排計劃。

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