煤炭生產、消費與工業SO2排放關系計量研究：以西部八省(區)為例

張 琦，李效順，王 狀,4，蔣冬梅，魏旭晨

(1.中國礦業大學中國資源型城市轉型發展與鄉村振興研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.江蘇賈汪資源枯竭礦區土地修復與生態演替教育部野外觀測研究站，江蘇 徐州 221116；4.河南省城鄉規劃設計研究總院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

改革開放以來，我國經濟取得巨大成就的同時，也引發了嚴重的污染問題[1]，硫酸鹽及其前體物二氧化硫(SO2)是我國目前面臨的主要大氣污染物之一[2]，已被列入大氣污染物總量控制指標[3]。與煙粉塵、廢氣排放量相比，我國SO2排放量與煤炭消費量呈現高度正相關，且90%的SO2來源于煤炭消費[4]。因此，為了實現綠色發展目標、保護人體健康，有必要對SO2排放與煤炭生產、消費在規模和空間上的關系開展相關研究[5]，對實現節能減排、構建資源節約型、環境友好型社會有重要意義。

目前現有國內外文獻，僅從規模或者空間單一視角分析了煤炭生產量、消費量與SO2排放量的關系。規模方面，多集中于分析煤炭消費量與SO2排放的關系[6-7]，并且借助經濟這一中間變量分析煤炭生產量和SO2排放量的關系，而非直接分析[8-9]。空間方面，主要利用重心模型分析三者或其中兩者的空間位置變動情況[10-11]。綜合考慮數量和空間兩個維度，煤炭生產量和消費量均會影響SO2排放，本文從兩個維度出發，運用經濟學相關分析方法和構建物理學重心模型探究煤炭從生產到消費全過程與SO2排放量的定量關系。同時，本文重新定義匹配度夾角，更科學地計算工業SO2排放量與煤炭生產量和煤炭消費量移動軌跡的匹配度，從數量和空間角度比較分析了煤炭生產量和煤炭消費量對工業SO2排放量變動影響作用強度。

我國煤炭資源的分布特征和各省(區)煤炭年產量數據顯示，陜西省、甘肅省、云南省、貴州省、四川省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區和新疆維吾爾自治區都具有煤炭儲量豐富、煤炭產量大、優質煤相對充足的特征。因此，選取其組成的整體為研究區具有較高的典型性和參考意義[12]。本文就1999～2016年煤炭生產、消費與工業SO2排放的定量影響進行深入探索，進而綜合分析數量和空間上二者對工業SO2排放的影響作用強度，以便為我國西部節能減排、生態環境治理深入研究提供決策參考和定量依據。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

研究區分布于“胡煥庸線”左側，介于74°～127°E、22°～55°N之間；地形以高原和盆地為主，溫帶大陸性氣候，干旱少雨，四季溫差變化較大。面積397.18萬km2，占全國面積的41.23%，人口數量占全國總人口的20.88%，國內生產總值僅占全國的15.73%，呈現明顯的“地廣人稀財少”的特征。研究區分布大量煤炭資源，其中，內蒙古、新疆均在10 000億t以上，總和占全國煤炭資源的60.42%。研究區也是我國主要煤炭供給區域，2016年煤炭總產量占全國的48.41%，工業SO2排放與其他地區相比將在更大程度上直接受到煤炭生產和消費的影響，因此迫切需要探索工業SO2排放量與煤炭生產量、消費量的定量關系。

1.2 數據來源

本文數據來源：①煤炭生產量、煤炭消費量數據來源于2000～2017年《中國能源統計年鑒》；②工業SO2排放量數據來源于2000～2017年《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》及各省(區)環境狀況公報。以ArcGIS獲取的省域幾何中心作為省(區)重心所在地，并將重心所在地經緯度坐標作為八省(區)坐標進行研究。

2 方 法

2.1 數量計量——相關分析方法

工業SO2是空氣污染主要成分之一，探究煤炭生產量、消費量分別對工業SO2排放量的定量影響十分必要。本文首先從數量角度分析煤炭生產量、消費量分別對工業SO2排放量的影響強度大小，相關分析是研究兩個變量之間數量關系較為常用的方法[13]。工業SO2排放量與煤炭生產量或煤炭消費量的相關系數計算公式見式(1)。

(1)

2.2 空間分析——重心移動模型

重心是物體內部各點所受重力的合力作用點，重心模型是一種類似平均、加權的定量方法，通過集成空間信息研究發展規律演變，可綜合反映時間和空間兩個維度上研究對象空間格局和演變軌跡的變動[10]。

1) 計算重心坐標。本文構建模型測度研究區煤炭生產、消費和工業SO2排放的“重心”空間演化，定量測算煤炭生產量、消費量和工業SO2排放量的空間演化規律見式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：X、Y為煤炭生產量、消費量和工業SO2排放量的經度和緯度；Xi、Yi對應ArcGIS獲取的各省(區)幾何中心；Mi為煤炭生產量、消費量及工業SO2排放量。

2) 計算移動距離。根據球面距離計算公式，重心移動距離表示見式(4)～(6)。

(4)

at=(Yt+1-Yt)×π/180

(5)

bt=(Xt+1-Xt)×π/180

(6)

式中：at和bt分別為t年重心移動的緯度差和經度差；R為地球半徑，距離移動單位為km。

3) 計算移動方向。重心的移動方向用角度θ來表示，具體見式(7)和式(8)。

Xt+1-Xt≥0

(7)

Xt+1-Xt<0

(8)

式中，θ=0為正北方向，0°、90°、180°、270°分別表示正北、正東、正南、正西方向。

4) 計算匹配度。計算出兩個要素在t時刻移動的角度θ1和θ2時，就可以用Δθ表示兩要素的夾角[14]，定義cosΔθ為匹配度指標，其取值范圍是[-1,1]，余弦值越大表示兩者的匹配度越強，具體計算公式見式(9)。

cosΔθ=cos(|θ1-θ2|)

(9)

3 結果與討論

3.1 現狀分析

《煤炭工業發展規劃》提出壓縮東部地區、限制中部地區和東北地區、優化西部地區的煤炭開發總體布局，有序推進西部地區大型煤炭基地建設。作為煤炭生產的主導力量，西部地區尤其內蒙古、陜西省、新疆是跨區調運的主要出口地區，且預計2020年達到全國總量的59.20%。西部地區第二產業的發展帶動煤炭消費量上升，工業SO2作為煤炭燃燒排放的主要產物，排放量也隨之上升。

圖1為1999～2016年煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量變化趨勢圖。由圖1可知，煤炭生產量由28 001.22萬t增長至186 537.21萬t，增長了566.18%；消費量上升幅度遠小于生產量，由25 584.60萬t增長至117 945.62萬t，增長了361.01%；工業SO2排放量呈波動趨勢，由373.10萬t下降至246.38萬t，下降了33.96%。

1999～2016年煤炭生產量與消費量變化趨勢較為一致，均于2004～2012年呈現快速增長，2012年之后，增長速度放緩，甚至出現“負增長”現象，這與我國實行供給側結構性改革、去煤化關閉礦山退出機制以及完善煤礦關閉退出相關標準，指導煤礦有序退出等相關政策措施密不可分。工業SO2排放量呈波動態勢，2006年前呈上升趨勢，2006年后，除2011年出現激增外，均呈下降趨勢，2016年多省工業SO2排放量更是呈現集中大幅下降，這與我國加大環境治理投資、重視環保事業以及居民環保意識提升相關。

圖2為1999～2016年煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量增長率變化趨勢圖。由圖2可知，除2007～2009年和2016年，工業SO2排放量增長率變動趨勢與煤炭生產、消費增長率變動趨勢保持一致，均呈現多波峰的“M”狀。2011年工業SO2排放量增長率達到峰值，煤炭消費量增長帶動工業SO2排放量增長是其達到峰值的主要原因。工業SO2排放量于兩個階段出現“負增長”：第一階段為2008年左右，主要與經濟危機影響工業企業生產，進而減少工業SO2排放和黨中央提出節能減排、抗擊自然災害、保障北京奧運會環境等因素相關；第二階段為2012年以后，尤其是2016年較為明顯，主要與關注環境問題、采取措施有效限制工業SO2排放、逐步推進重點耗煤行業節能減排和促進煤炭資源的清潔高效利用、有效減少了工業SO2排放量等政策相關。

圖1 1999～2016年煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量變化趨勢圖Fig.1 The changing trend of the coal production,consumption and the industrial sulfur dioxide emissions from 1999 to 2016

圖2 1999～2016年煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量增長率變化趨勢圖Fig.2 The growth rate trend of coal production,consumption and the industrial sulfur dioxide emissions from 1999 to 2016

煤炭生產量和煤炭消費量變動可分為1999～2012年的加速增長階段和2012～2016年的緩慢下降階段；工業SO2排放量大致分為：1999～2006年的加速增長階段、2007～2009年的緩慢下降階段、2010～2011年的異常增長階段和2012～2016年的加速下降階段。對比四個階段工業SO2排放量增長率可以看出，對生態環境的重視度在不斷增加，耗煤行業節能減排工作正在推進并取得一定成果，綠色發展理念已經構建并正在鞏固實施，地區正在實現協調與可持續發展。

3.2 相關分析

從經濟學角度看，煤炭生產與消費對工業SO2排放量具有明顯的正向驅動作用，但兩者對工業SO2排放量產生影響的強度大小、正向相關關系的強弱，還需要進一步分析。為確定煤炭生產、消費與工業SO2排放相關性的強弱，本文利用偏相關系數定量探究影響工業SO2排放數量的深層次原因。

表1為煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量相關系數矩陣。由表1可知，煤炭生產量與工業SO2排放量的相關系數為0.682 2，煤炭消費量與工業SO2排放量的相關系數為0.729 1。分析相關系數可知，相較于煤炭生產量，煤炭消費量與工業SO2排放量二者的正相關關系更強，說明煤炭消費量對工業SO2排放量的影響更為直接。

表1 煤炭生產量、消費量與工業SO2排放量相關系數矩陣Table 1 The correlation coefficient of the coal production,consumption and the industrial sulfur dioxide emissions

3.3 空間演變分析

3.3.1 空間變動

按照各省(區)煤炭年生產量、年消費量和工業SO2年排放量對八省(區)進行加權平均，得到歷年的煤炭生產、消費及工業SO2排放重心點位置，連接歷年重心點位置，得到重心移動軌跡如圖3所示。

煤炭生產、消費重心軌跡均呈現“J”型，整體由西南向東北移動，且重心出現拐點時間一致：1999～2005年煤炭生產、消費重心在南北波動的過程中向東移動；2005～2016年重心在東西波動的過程中向北移動。工業SO2排放重心軌跡大致呈現“M”型：1999～2005年工業SO2排放重心在東西波動的過程中向北移動；2005～2015年重心在南北波動的過程中向西移動；2015～2016年重心明顯向南移動。煤炭生產重心在甘肅省和陜西省波動，煤炭消費重心在甘肅省域內移動，工業SO2排放重心1999～2015年集中在甘肅省，隨后移至四川省。

移動距離說明重心波動情況，煤炭生產重心年平均移動距離大于煤炭消費，更大于工業SO2排放。煤炭生產重心年均移動距離為0.061 4 km，2003～2004年距離最長(0.410 4 km)，2005～2006年距離最短(0.003 2 km)；煤炭消費重心年均移動距離為0.047 3 km，2003～2004年移動距離最長(0.341 8 km),2012～2013年移動距離最短(0.001 9 km)；工業SO2排放重心年均移動距離為0.035 6 km，2015～2016年距離最長(0.240 5 km)，2009～2010年距離最短(0.002 5 km)。

3.3.2 匹配度分析

為了深入分析歷年煤炭生產、消費重心移動分別與工業SO2排放重心移動之間的定量關系，利用公式對匹配度進行計算(表2)。

就單個要素偏移角度而言，煤炭生產、煤炭消費、工業SO2排放重心總偏移角度相差較小，均在100°以上，但偏移角度出現節點時間存在較大差異。就兩者偏移夾角而言，煤炭生產與工業SO2排放重心總偏移夾角為28.05°，對應匹配度為0.882 5，呈強正相關性；煤炭消費與工業SO2排放重心總偏移夾角為21.67°，對應匹配度為0.929 3，呈強正相關性。比較歷年數據可知，煤炭生產和消費均影響工業SO2排放空間位置，其中消費影響更大。

圖3 煤炭生產、煤炭消費、工業SO2排放重心移動軌跡Fig.3 The barycenter migration sketch map of the coal production,the coal consumption and the industrial sulfur dioxide emissions in eight western provinces

表2 煤炭生產、消費與工業SO2排放重心偏移匹配度
Table 2 The gravity center migration matching-degree of the coal production,consumption and the industrial sulfur dioxide emissions in eight western provinces

年份煤炭生產重心偏移角度θ1煤炭消費重心偏移角度θ2工業SO2排放重心偏移角度θ3Δθ'匹配度cosΔθ'Δθ″匹配度cosΔθ″1999～200036.273.08214.99178.72-0.999 8211.91-0.848 92000～200142.9138.06321.56278.650.150 4283.500.233 52001～200281.37149.3537.4543.920.720 3111.90-0.373 02002～2003147.25162.363.11144.14-0.810 5159.25-0.935 1

續表2

年份煤炭生產重心偏移角度θ1煤炭消費重心偏移角度θ2工業SO2排放重心偏移角度θ3Δθ'匹配度cosΔθ'Δθ″匹配度cosΔθ″2003～200439.7933.6415.1724.620.909 118.470.948 52004～2005159.44142.5036.90122.53-0.537 8105.60-0.268 82005～200614.96294.65191.01176.05-0.997 6103.64-0.235 92006～200719.728.39297.61277.890.137 3289.220.329 12007～200823.4322.11325.96302.530.537 7303.850.557 02008～200913.53277.52299.36285.830.272 821.830.928 32009～201045.3933.35221.87176.49-0.998 1188.52-0.989 02010～201120.1526.34220.21200.06-0.939 3193.87-0.970 92011～2012260.89290.94308.8447.950.669 817.900.951 62012～2013144.78192.50311.95167.17-0.975 0119.44-0.491 52013～201420.352.20298.22277.870.137 0296.030.438 82014～2015246.27327.3057.25189.02-0.987 6270.050.000 92015～2016257.73283.52184.7073.030.291 998.82-0.153 3總偏移134.22127.84106.1728.050.882 521.670.929 3

4 結 論

1) 總結時序特征顯示：1999～2016年西部煤炭生產量、消費量和工業SO2排放量整體都呈現上升趨勢，三者增長率均呈現多波峰“M”狀波動，并于2006年和2011年達到兩次峰值,2014年后呈現下降趨勢；但西部煤炭產量遠遠大于消費數量，前者增長幅度大約為后者的2倍；由此說明西部地區為國家能源供應作出較大貢獻。

2) 重心軌跡分析表明：1999～2016年西部煤炭生產、消費重心移動軌跡均呈現“J”型，其拐點集中在2005年,且移動軌跡總長分別為1.043 8 km和0.804 1 km，工業SO2排放重心移動軌跡呈現“M”型，其拐點同樣集中在2005年,且移動軌跡總長為0.605 2 km；煤炭生產重心在甘肅省和陜西省來回波動，煤炭消費重心在甘肅省域內移動，工業SO2排放重心由甘肅省移至四川省。

3) 綜合對比分析發現：西部工業SO2排放量與煤炭消費量的相關性系數大于其與煤炭生產量的相關性系數，煤炭消費量對工業SO2排放量影響作用強度更大、效果更直接；工業SO2排放量與煤炭消費量的空間匹配度大于工業SO2排放量與煤炭生產量的匹配度，煤炭消費對工業SO2排放量空間移動影響強度更大。由此得出的政策啟示是無論從規模還是空間上，煤炭消費都直接影響工業SO2排放，為消減工業SO2排放，改善生態環境，必須優先減少煤炭消費，增加清潔能源的比重，同時也應該從根本上管控西部地區的煤炭生產過程。