基于河北省工業能源消費的河北省和北京市大氣環境關聯度研究

任繼勤,殷 悅,祁士偉,劉 嘉(北京化工大學 經濟管理學院,北京 100029)

基于河北省工業能源消費的河北省和北京市大氣環境關聯度研究

任繼勤,殷 悅,祁士偉,劉 嘉
(北京化工大學 經濟管理學院,北京 100029)

以河北省各工業行業為研究對象,選用灰色關聯度模型研究了各工業行業能源消費對河北省和北京市大氣環境的關聯度。結果表明:工業污染具有空間傳遞效應;京津冀大氣環境指標呈慢速波動式增長;原料和化學制品制造業、煤炭開采和洗選業對北京和河北兩地的環境影響顯著。為引導北京市和河北省工業和環境的協調發展,應加快建立高效的區域大氣環境聯防聯控機制,制定區域工業行業環境治理標準,調整產業結構并進行產業的轉移升級。

能源消費;工業行業;大氣環境;灰色關聯度

我國大氣環境問題日益突出，環境保護部官方網站公布的數據顯示,全國空氣污染最嚴重的區域為京津冀及周邊地區。2016年,在全國338個地級以上城市中有254個城市環境空氣質量超標,且呈現出以京津冀為主的區域污染特征。北京是我國的政治文化中心,資源高度依賴外省市供應,隨著需求的不斷增加,北京市的可持續發展將面臨更加嚴峻的挑戰[1]。

為了推動環境污染治理,學術界關于經濟—環境關系的研究主要集中在兩方面:一方面,論證環境庫茲涅茨曲線的存在與否。李飛等[2]、楊林等[3]分別通過運用面板協整工具和動態最小二乘法構建環境綜合污染指數進行了實證研究,得出經濟與環境變量均呈現出顯著的環境庫茲涅茨曲線;王飛成等[4]通過建立省際面板數據模型進行實證研究,得出我國目前已處于倒“U”型環境庫茲涅茨曲線的下降部分;李治國等[5]、王敏等[6]分別通過構建經濟增長和環境污染的VAR模型、計量回歸模型進行實證研究,得出經濟增長與環境污染的庫茲涅茨倒“U”型曲線是否受地區的數據和衡量環境污染水平指標選取的影響。另一方面,論證經濟—環境之間是否具有相互關系。康凱等[7]、聶飛等[8]分別通過運用BP神經網絡優化算法和構建含滯后項的動態聯立方程模型進行了實證研究,證明環境污染和經濟發展之間存在雙向作用機制,經濟發展對環境污染起著關鍵作用。研究表明,我國短期內社會經濟的快速增長對環境質量產生了負面影響。究其原因，主要是目前我國產業結構布局不合理,造成局部地區環境污染嚴重。

為了進一步探索環境污染的原因,學者們從產業結構和能源消費結構視角展開了研究。韓楠[9]用VAR模型,通過構建經濟增長、產業結構和環境污染空間計量模型,得出在人均GDP不變的情況下,第二產業占比與環境污染呈負相關關系,第二產業比重增加對環境影響較大;許正松等[10]運用主成分分析法構造了環境污染綜合指數模型,得出環境污染綜合指數隨著工業產值占GDP比重的增高而增加,而第三產業占GDP比重的變化對環境影響不大;馬麗梅等[11]通過庫茲涅茨曲線回歸模型,發現環境污染和能源消費結構與產業結構密切相關;楊旭等[12]通過構建向量誤差修正模型,應用Johansen協整檢驗和Granger因果關系檢驗方法,表明能源消費增長是造成環境污染的根本原因;任繼勤等[13]通過關聯度分析,證明了北京市各工業行業的能源消費量與大氣環境密切相關,產業結構優化與轉移升級是環境治理的重要手段。

我國環境污染呈現出復雜的區域分布格局,學者們論證了環境污染具有空間傳遞效應。張可等[14]通過建立空間聯立方程模型進行實證研究,得出環境污染存在明顯的空間傳遞效應;劉慧[15]在構建面板數據聯立方程的基礎上,以長三角16個核心城市2002—2013年的數據為分析樣本進行研究,得出城市環境污染與周邊地區密切相關;馬麗梅等[16]運用空間計量模型,得出霧霾污染存在著顯著的空間正相關性,隨后探討了我國31個省(直轄市、自治區)本地與異地之間PM10的交互影響,表明它們之間存在著空間效應。

綜上所述,目前的研究文獻多集中在經濟—環境、產業結構—環境、能源—環境關系和環境空間效應研究方面。基于京津冀地區的工業行業能源消費與環境污染問題,特別是針對河北省工業能源消費對北京市大氣環境的空間傳遞效應進行微觀研究的相對較少，本文將圍繞京津冀區域環境污染的空間傳遞效應,對河北省工業能源消費與北京市大氣環境的關聯度進行定性和定量分析,明確河北省工業生產對京津地區大氣環境的影響,從而促進京津冀區域對環境污染的高效治理。

1 京津冀地區經濟發展現狀分析

我國工業能源消費量約占能源消費總量的70%,是構成大氣環境污染的主要因素之一。大氣環境質量與產業結構、能源消費和空間分布緊密相關,對京津冀地區的產業結構、能源消費情況及空間分布進行研究,有助于厘清京津冀地區環境污染的空間源頭。

1.1 產業結構分析

京津冀地區的產業結構特點鮮明：北京經濟發展以第三產業為主,且第三產業占比穩定增長;河北長期處于以第二產業構成為主的經濟增長方式,雖然近年來第三產業占比有所增加,但第二產業仍是該省主要的經濟支柱;天津經濟發展正處于逐漸由第二產業主導向第三產業主導發展模式轉變階段。2006—2015年京津冀地區三次產業結構和工業占比見圖1—3。河北省生產總值和第二產業增加值分別約占京津冀地區總值的高位,雖然近年有所下降,但2015年河北省生產總值和第二產業增加值分別約占京津冀地區總值的46%和56%[17],見圖4。京津冀地區工業增加值約占全國的1/3,而河北的工業增加值約占京津冀地區的60%,表明京津冀地區的產業結構不合理。

注:數據來源于相關年份的《河北經濟年鑒》、《天津統計年鑒》、《北京統計年鑒》和北京市統計局網站,下同。

圖1 2006—2015年北京市三次產業結構及工業占比

圖2 2006—2015年河北省三次產業結構及工業占比

圖3 2006—2015年天津市三次產業結構及工業占比

圖4 2006—2015年河北省生產總值、第二產業增加值占京津冀的比重

1.2 能源消費走勢

2006—2015年,京津冀地區能源消費總量呈總體上升趨勢,只有北京市能源消費總量在2012年之后略有下降,而河北能源消費量遠高于北京和天津(圖5)。京津冀地區萬元生產總值能耗均呈下降趨勢,年均降幅分別為8.4%、6.11%、7.35%。雖然河北省的萬元生產總值能耗年均降幅相對較高,但其萬元生產總值能耗卻遠遠高于京津地區(圖6)。

圖5 2006—2015年京津冀能源消費總量

圖6 2005—2015年京津冀萬元生產總值能耗

2006—2015年,京津冀地域能源消費結構逐步發生變化。北京市能源消費結構變化顯著,煤炭、焦炭的消費比例持續快速下降,液化石油氣、天然氣、熱力及電力快速上漲,汽油、煤油、柴油及燃料油則穩步增長(圖7)。

圖7 2006—2015年北京市能源消費結構

河北省的煤炭、焦炭在能源消費中占有絕對比重,2006—2015年雖然有所下降,但仍在80%—90%之間,液化石油氣、天然氣、熱力及電力緩慢上漲,汽油、煤油、柴油和燃料油保持平穩(圖8)。天津市長期以煤炭為主要消費能源,但近幾年煤炭消費總量有所下降,呈現出向天然氣和電力為主的能源消費結構方式轉變的趨勢(圖9)。河北省能源消費及單位產值能耗遠高于京津兩地,且能源消費結構以重污染源的煤炭和焦炭為主。由于河北省以工業生產為主,存在能源消費量巨大、工業結構不合理等問題,導致環境污染嚴重,影響被其包圍的京津兩地。

圖8 2006—2015年河北省能源消費結構

圖9 2006—2015年天津市能源消費結構

1.3 京津冀的地理空間現狀

大氣污染空間傳遞效應主要受地理位置和氣象條件影響,京津冀所處的“弧狀山脈”地形對冷空氣活動起到了阻擋和削弱作用,造成空氣流動性較弱,由此導致區域內污染物滯留,區域外污染物入侵,形成大氣環境重度污染。京津冀土地面積21.6萬km2[18],北京僅占7.6%,而河北占86.9%,且緊緊包圍著北京,京津冀的地理位置關系極大地加強了污染物區域傳遞效應。

2 河北省和北京市能源與環境現狀

由于研究對象能選取的統計數據樣本量較小,且不具備嚴格的規律性,所以本文選擇灰色關聯分析法計算各指標的綜合關聯度,對河北省、北京市的能源消費和GDP及空氣質量狀況進行了相關研究。

2.1 河北省工業能源消費情況分析

本文選擇河北省工業能源消費的6大高耗能行業的能源消費量作為能源消費指標,分別是石油加工、煉焦和核燃料加工業,化學原料和化學制品制造業,煤炭開采和洗選業,非金屬礦物制品業,電力、熱力生產和供應業,黑色金屬冶煉及壓延加工業。同時，考慮到化工和鋼鐵行業對環境的影響程度較高,汽車制造業和計算機行業的發展勢頭強勁,在指標選取時加入化學纖維制造業、橡膠和塑料制品業、金屬制造業、汽車制造業、計算機和其他電子設備制造業這五個行業,共11個行業構成河北省的能源消費指標,2005—2015的能源消費情況見表1。從表1可見,在能源消費量上黑色金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力生產供應業能源消費量遠遠高于其他行業；其次是化學原料化學制品制造業,煤炭開采和洗選業,非金屬礦物制品業,石油加工、煉焦和核燃料加工業的年能源消費量較大。

表1 河北省2005—2015年各工業行業能源消費趨勢(萬t標準煤/年)

注:數據來源于相關年份的《河北經濟年鑒》和《河北省環境公報》。

在能源消費量走勢上看,2005—2015年河北省的黑色金屬冶煉及壓延加工業,石油加工、煉焦和核燃料加工業,金屬制品業的能源消耗量一直處于較快速的上升趨勢,在2013年達到峰值之后開始波動并小幅下降；電力、熱力生產和供應業的能源消耗量一直處于平穩的上升趨勢,到2013年達到峰值之后小幅下降；化學原料化學制品制造業、煤炭開采和洗選業的能源消費量一直處于相對較平穩的波動狀態,化學原料化學制品制造業的能源消費量在2014年達到1300萬t標準煤峰值之后小幅下降;煤炭開采和洗選業于2012年達到峰值之后在900萬t標準煤以上小幅波動；非金屬礦物制品業的能源消費量一直在1000萬t標準煤以上小幅波動,在2011年達到1300萬t標準煤以上峰值之后小幅下降,但仍然在1000萬t標準煤以上；化學纖維制造業、橡膠和塑料制品業、汽車制造業、計算機和其他電子設備制造業4個行業的能源消費量相比與其他幾個行業的數值較小,并且分別在2005年、2010年、2011年、2010年達到峰值后都呈現能源消費量的下降趨勢。綜上所述,河北省的各個工業行業的能源消費量基本上都是在2010年之后分別達到峰值,之后都呈現小幅下降趨勢,并沒有出現明顯的大幅度下降態勢。

2.2 河北省能源消費總量、GDP和大氣環境

河北省能源消費總量一直呈現出增長趨勢,并于2013年達到峰值之后開始小幅下降,但基本上維持在近3萬萬t標準煤的穩定水平上。河北省GDP持續增長,到2012年開始增速放緩,總體上維持在穩定增長的水平上。在大氣環境指標中,河北省PM2.5年日均值數據從2013起有統計值,之后每年都有所下降。2001年河北省SO2、NO2、PM10指標同時達到最低點,2013年又同時達到峰值;SO2持續下降,在2012—2013年開始上升,2013年之后下降,到2015年下降到2011年的水平;NO2呈現波動態勢,于2012年開始上升,2013年達到最高值,之后稍有下降,但仍然高于2005—2012年來的歷年值;PM10從2006年開始持續下降,到2012年開始上升,2013年達到最高值,之后稍有下降,但仍高于2005—2012年來的歷年值。可見,除SO2外,其他兩個指標依然居高不下(圖10)。

注:數據來源相關年份的《河北經濟年鑒》和《河北省環境公報》。

圖10 2005—2015年河北省能源消費總量、GDP和大氣環境趨勢

注:數據來源于相關年份的《北京統計年鑒》和北京市統計局網站。

圖11 2005—2015年北京市能源消費總量、GDP及大氣環境趨勢

2.3 北京市能源消費總量、GDP和大氣環境

北京市能源消費總量長期以來呈現波動增長態勢,在2012年達到峰值之后,近年的增長趨勢放緩,總體上維持在7000萬t標準煤以下的穩定水平上；GDP則表現出強勁的增長態勢,2015年已達到2.3萬億元人民幣。在大氣環境指標中,北京市PM2.5年日均值從2013年有數據,一直處于上升的狀態。就SO2、NO2、PM10大氣環境評價指標而言,北京市的NO2排放量逐年下降;2013年SO2達到最低值之后保持上升態勢,一直持續到2014年后穩定;PM10在2008年最低,之后呈逐年波動式上升到平穩態勢,可見北京市大氣環境質量依然嚴峻,亟待解決(圖11)。

3 評價指標體系構建與模型選取

評級指標體系構建的科學與否直接影響模型的評價結果,因此本文在進行評價指標體系構建時,選取河北省工業能源消費、大氣環境指標和北京市大氣環境指標。指標選取遵循以下原則:一是可操作性原則,便于使用和科學計算;二是科學性原則,符合科學發展規律;三是可評價性原則,能客觀地進行系統評價;四是簡明性原則,簡單明了易于理解[18]。

3.1 大氣環境評價指標體系的確定

在進行空氣質量監測時,一般應根據當地的具體情況,將區域內的主要污染物作為評價指標,常用指標有SO2、TSP、VOC、NO2、CO、PM2.5、PM10等。根據國家環境空氣質量標準,鑒于數據的可獲取性與相關性,考慮到PM2.5年日均值是從2013年之后才有可使用的官方數據,所以剔除該指標值。結合環境污染特征和數據的可獲得性,大氣環境指標選取為PM10、SO2和NO2三者的年日均值。

3.2 能源消費指標體系確定

本文根據河北省的能源消費情況,分析發現該省各工業行業能源消費量具有明顯的差異性特征。2005—2015年河北省的化學纖維制造業、橡膠和塑料制品業、汽車制造業、計算機和電子設備制造業的能源消費總量與煤炭開采和洗選業、黑色金屬冶煉及壓延加工業等相比,總量較小(圖10),因此在后文的關聯度分析中不做考慮。本文選取石油加工、煉焦和核燃料加工業,金屬制造業,化學原料和化學制品制造業,煤炭開采和洗選業,非金屬礦物制品業,電力、熱力生產和供應業,黑色金屬冶煉及壓延加工業7個工業行業的能源消費量作為本文的能源消費指標，這7個工業行業的能源消費總量之和占規模以上工業企業能源消費量的90%左右,基于“二八”原則,能源消費指標體系選取合理。

3.3 灰色關聯度模型的構建和運用

關聯度分析方法的使用是分別設置參考數列X0(k)和比較數列Xi(k)對原始數據進行無量綱化處理,求絕對差Δi(k)并分別找出絕對差的最大Δmax、最小值Δmin,計算關聯系數ri、關聯度ρi及綜合關聯度ρ[19]。我們對2005—2015年河北省大氣環境指標、GDP、能源消費總量及7個工業行業能源消費量的統計數據進行整理,以變量X0(k)表示大氣環境和GDP指標的參考序列,以變量Xi(k)表示7個工業行業能源消費量比較數列。通過構建灰色關聯模型,分別考察河北省不同工業行業的能源消費量與河北省、北京市GDP和大氣環境之間的關聯度,并計算出各指標的綜合關聯度,最終對結果加以分析。

4 實證研究及相關分析

4.1 河北省能源消費與環境關聯分析

基于河北省各工業行業能源消費指標和河北省的大氣環境指標,采用2001—2015的數據,對河北省各行業能源消費量與其大氣環境的關聯度和綜合關聯度進行分析,見表2。

表2 河北省各工業能源消費量與其大氣環境的關聯度

綜合關聯度分析:基于各工業行業的性質不同,分別進行分析。綜合關聯度在0.83以上,化學原料和化學制品制造業,石油加工、煉焦和核燃料加工業對河北省的空氣質量影響最大。綜合關聯度在0.8—0.83以上,煤炭開采和洗選業、非金屬礦物制品業、金屬制品業處于中等位置；綜合關聯度在0.8以下,電力、熱力生產和供應業,黑色金屬冶煉及壓延加工業對河北省的空氣質量影響相對較小。

關聯度分析:對PM10年日均值影響較大的工業行業是金屬制品業、石油加工、煉焦和核燃料加工業、化學原料和化學制品制造業、煤炭開采和洗選業。對SO2年日均值影響較大的工業行業是石油加工煉焦和核燃料加工業、化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業和煤炭開采和洗選業。對NO2年日均值影響較大的工業行業是煤炭開采和洗選業、化學原料和化學制品制造業、石油加工煉焦和核燃料加工業;黑色金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力生產和供應業與其大氣環境各指標關聯度相對偏低。綜上所述,黑色金屬冶煉及壓延加工業,電力、熱力生產和供應業與其大氣環境各指標關聯度相對偏低。石油加工、煉焦和核燃料加工業,化學原料和化學制品制造業,煤炭開采和洗選業對大氣環境指標的影響最大,需要各級部門給予關注并采取相應的措施。

4.2 北京市的大氣環境關聯度分析

基于河北省各工業行業能源消費指標和北京市的大氣環境指標,采用2001—2015的數據,根據灰色關聯分析模型,對河北省各行業能源消費量與北京市大氣環境的關聯度和綜合關聯度進行分析，見表3。

表3 河北省工業能源消費量與北京市大氣環境的關聯度

綜合關聯度分析:河北省各個工業行業的能源消費量與北京大氣環境顯著相關。基于各行業性質,分別進行分析。綜合關聯度在0.8以上工業行業是化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業，對北京市空氣質量影響較大；綜合關聯度在0.7—0.8之間的是煤炭開采和洗選業,石油加工煉焦和核燃料加工業,電力、熱力生產和供應業的影響中等。

關聯度分析:對PM10年日均值影響最大的行業是非金屬礦物制品業、化學原料和化學制品制造業、煤炭開采和洗選業;對SO2年日均值影響最大的工業行業是化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業;對NO2年日均值影響最大的工業行業是非金屬礦物制品業、化學原料和化學制品制造業、石油加工煉焦和核燃料加工業、煤炭開采和洗選業。綜上所述,金屬制品與黑色金屬冶煉及壓延加工業與北京市大氣環境各指標的關聯度相對偏低、關聯度相對較弱。化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業、煤炭開采和洗選業對大氣環境指標的日均值影響最大,需要各級部門給予關注并采取相應的措施,加大治理力度。

4.3 結果討論

通過構建指標體系和關聯度分析,結果為:①河北各個工業行業能源消費對河北省大氣環境影響較大的分別是石油加工、煉焦和核燃料加工業,化學原料和化學制品制造業，煤炭開采和洗選業;河北各個工業行業的能源消費與北京大氣環境影響較大的分別是非金屬礦物制品業、化學原料和化學制品制造業、煤炭開采和洗選業。在進行京津冀地區環境綜合治理時,首選的行業就是化學原料和化學制品制造業以及煤炭開采和洗選業,這兩個行業同時對河北和北京的大氣環境有較大的影響。

5 結論及對策建議

通過構建能源消費和大氣環境的指標體系,選擇灰色關聯度模型,采用2006—2015年的連續數據,對河北省各個工業行業的能源消費對河北省和北京市的大氣環境的影響情況進行了定量分析,結論為:①河北省生產總值、第二產業和工業增加值分別約占京津冀的50%。雖然京津冀地區萬元生產總值能耗持續下降,但能源消費總量卻呈現緩慢上升趨勢。基于區域角度,京津冀三地的地理位置相鄰,河北土地面積是京津冀土地面積的87%,且緊緊包圍著北京,河北省的工業污染具有空間傳遞效應,影響到北京市的大氣環境。②河北省和北京市的能源消費總量和GDP總量持續穩步增長,且大氣環境指標呈慢速波動式增長。河北省大氣環境評價的各個指標在2011年達到最低點,2013年同時達到峰值。北京市的NO2排放量逐年下降;2013年SO2達到最低值,然后處于增長狀態持續，到2014年后趨于穩定;PM10在2008年最低,之后逐年上升并趨于一個穩定值。③河北省各個工業行業的能源消費量對河北省和北京市的大氣環境產生顯著影響。④石油加工、煉焦和核燃料加工業,化學原料和化學制品制造業,煤炭開采和洗選業對河北省大氣環境影響較大;化學原料和化學制品制造業、非金屬礦物制品業、煤炭開采和洗選業對北京大氣環境影響較大。

為了促進京津冀地區大氣環境協同治理,本文提出以下建議:①加快建立高效的區域大氣環境聯防聯控機制。在京津冀地區要提高大氣環境的治理效率,對河北省典型的工業行業分別進行污染源治理將具有顯著的減排效應,所以要重點突破河北省的工業污染。②制定區域工業行業的環境治理標準。對PM10、SO2、NO2影響的行業不同,對不同的工業行業分別進行治理,針對性地降低大氣環境的三個指標。③調整產業結構并進行產業轉移升級。河北省化學原料和化學制品制造業、煤炭開采和洗選業對北京和河北兩地的環境影響嚴重,因此應作為環境治理的重點。從兩個方面進行綜合治理,一方面調整產業結構,降低河北省的工業比例,提高第三產業比重;另一方面進行產業轉移和升級,合理優化行業結構,降低這兩個典型工業行業的過程污染和終端污染，并重新進行產業布局,通過提高技術和推進清潔生產工藝或轉移到其他地區,降低京津冀地區的源頭污染。

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StudyonAtmosphericEnvironmentofHebeiandBeijingBasedonIndustrialEnergyConsumptioninHebeiProvince

REN Ji-qin,YIN Yue,QI Shi-wei,LIU Jia
(School of Economics and Management,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

In various industrial sectors in Hebei Province as the research object,this paper used the grey correlation model to calculate the relevance of that the various industry energy consumption with Hebei and Beijing′s atmospheric environment.The results showed that industrial pollution had spatial transfer action,Beijing and Hebei′s atmospheric environment index slowed growth with a wave′s frequency,Beijing and Hebei atmospheric environment what matters most was raw materials and chemical products manufacturing and coal mining and processing.It was proposed that the balance between the atmospheric environment of Beijing and industry of Hebei called for the coordinated policies to establish an effective joint prevention and control mechanism,to formulate standards for environmental governance in regional industry,to adjust the industrial structure and upgrade and transfer the industry.

energy consumption;industry;atmospheric environment;grey relational grade

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.10.012

X823.3

A

1005-8141(2017)10-1214-06

2017-08-25；

2017-09-14

國家社會科學基金面上項目“碳排放視角下超大城市綠色低碳發展路徑研究”(編號：16BGL007);中央高校基本科研業務費專項項目“基于綠色發展視角的城市生態系統碳吸收及政策研究”(編號：PT1620)；國家電網公司科技項目“含大規模新能源發電的電力系統規劃技術模型及綜合評估方法研究”。

及通訊作者簡介：任繼勤(1963-),女,黑龍江省哈爾濱人,管理學博士,副教授,碩士生導師,研究方向為資源與環境管理、能源政策。