煤炭工業資源—環境—經濟耦合協調分析
——以榆林市為例

李妍林，阮久莉，王藝博，李曉晗，郭玉文*

1.國家環境保護生態工業重點實驗室,中國環境科學研究院清潔生產與循環經濟研究中心

2.西南交通大學地球科學與環境學院

煤炭是我國目前最主要的能源，在一次能源的生產和消費中分別占76%和66%[1]。2018 年全國煤炭產量達36.83 億t，其中黃河流域為21.63 億t，占全國的58.73%[2]，而榆林市為4.56 億t，占全國的12.37%，是名副其實的煤炭資源型城市。2001—2018 年，榆林市煤炭工業產值從16.63 億元增長到2 095.22 億元（數據來自《2019 年榆林統計年鑒》），在工業總產值中所占比例逐年遞增且越來越接近50%，為當地經濟社會發展做出非常重要的貢獻。但隨著煤炭開采規模的不斷擴大，其所帶來的環境負荷問題越來越突出，造成資源、環境、經濟發展失衡。在國家“黃河流域生態保護和高質量發展”戰略的推進下，如何實現煤炭工業資源—環境—經濟協調發展，是擺在黃河中游煤炭資源型城市面前的重要課題，開展相關研究具有十分重要的意義。

近年來，有學者利用格蘭杰因果檢驗[3-4]、脫鉤分析[5-6]等來探討煤炭資源、環境、經濟的關系。雷強[7]發現，增加煤炭生產比增加消費更有利于經濟增長；Irwandi[8]發現，煤炭消費與經濟增長之間沒有因果關系；而Zhang 等[9]發現，經濟增長與煤炭消費存在弱解耦關系；安瑤等[10]發現，污染排放強度和煤炭供需結構比例呈正相關關系，且煤炭生產的環境負面影響遠超煤炭消費。這些研究指出煤炭與環境、經濟的相互作用關系，尤其是煤炭生產對環境和經濟有明顯影響，但沒有給出三者的協調發展程度，而耦合協調度模型彌補了這一不足。耦合協調度模型將耦合度和協調度聯系起來，共同量化系統之間的一致性和協調性。目前，資源、環境、經濟間的耦合協調研究多集中在全國[11-12]、城市群[13]和省級層面[14]，缺乏對具體的資源型城市或資源富集地區的研究。逯進等[15]發現，中國能源—經濟—環境耦合協調水平較低，需建立有序的配合提高發展能力；趙文亮等[16]實證中原經濟區經濟—資源—環境處于中度耦合的中等發展水平并呈穩步上升狀態，發現資源環境對整體協調影響小；Sun 等[17]發現河南社會經濟和資源環境的協調發展程度不斷優化，應以綠色發展為重點促進可持續發展。將耦合協調度模型引入微觀行業中，研究內容涉及農牧業[18-19]、旅游服務業[20-21]、礦業[22-23]等，如Lai 等[24]發現我國旅游業經濟發展和生態環境之間存在矛盾，有21 個省份過度利用生態環境，制約旅游業的可持續發展；高清等[25]發現四川省礦產資源開發與經濟發展整體處于良好的耦合協調狀態，證實四川省礦產資源工作取得成效，但忽略了資源開發與環境保護的協調，應考慮礦產資源開發對環境的影響。

對于煤炭工業的相關研究也逐步從資源、環境、經濟中的雙系統向多系統轉變，但相關研究較少。薛黎明等[26]從資源、經濟、社會、環境、科技系統構建煤炭資源可持續發展評價體系，分析25 個原煤省份的煤炭資源可持續力，結果顯示省份差異逐漸減小，但并非原煤省份下屬的地市都生產煤炭，如若針對煤炭資源型城市展開研究將更具針對性；宋梅等[27]通過測算新疆經濟發展、能源開發和生態環境的協調發展程度，對煤炭開發提出生態補償機制和排污收費等建議，但在測算協調發展程度時卻同時考慮石油、天然氣等資源，而未納入煤炭開發的典型指標，即煤炭產量，對煤炭開發的評價有所削弱；王雪芹等[28]選取煤炭工業增加值、煤炭產量、工業廢水排放量等分別作為經濟、資源、環境系統評價指標，指出山西省煤炭工業資源—環境—經濟耦合協調發展狀況大多處于瀕臨失調狀態，但因其環境子系統指標不是煤炭工業的污染物排放量，對環境子系統真實情況反映不足，所以無法客觀體現三者的耦合協調度，而將煤炭工業的污染物排放量納入會更符合實際。總體來說，針對煤炭資源型城市的煤炭工業資源—環境—經濟協調關系的研究很少。因此，筆者以陜西省榆林市為研究對象，評估煤炭工業的資源—環境—經濟耦合協調關系，以期為煤炭工業協調發展提供依據。

1 煤炭工業資源—環境—經濟耦合協調機理

煤炭資源型城市依靠煤炭工業而興起，對城市經濟發展起著決定性作用，同時煤炭開采存在的環境風險在一定程度上制約了行業發展，因此要實現煤炭工業的可持續發展，應確保煤炭資源開采、環境保護、經濟發展在適宜范圍內相互協調、相互作用（圖1）。煤炭作為經濟活動的主要能源和原料，為經濟系統發展提供物質基礎。煤炭的開采、洗選等也提供了大量的就業機會，更加有利于經濟活動的運作，同時，煤炭、洗煤作為產品進行外運銷售等創造經濟價值。但存在于自然環境中的煤炭，在開采、運輸、洗選等過程中會對環境系統產生危害，如產生煤矸石、排放含COD 的廢水和煙粉塵等，造成廢物堆積、水資源消耗與大氣環境污染。這些環境危害制約煤炭開采，不利于資源系統發展。然而只有當煤炭工業獲得更多的投資和經濟效益時，才能為資源系統和環境系統提供更多的資金，用于提高煤炭開采技術和污染治理技術，降低相關污染物的排放量，滿足人們對美好生活環境的需求。

圖1 煤炭工業資源—環境—經濟耦合機制Fig.1 Coupling and coordination mechanism of REE system in coal industry

因此，煤炭工業中煤炭資源、環境、經濟是相互關聯的3 個系統，通過三者之間的協調機制，建立煤炭工業資源—環境—經濟的耦合模型，評價煤炭工業的協調發展水平，對煤炭工業與生態環境協調發展具有重要意義。在參考有關文獻[23,28-30]的基礎上，構建煤炭工業資源、環境、經濟3 個子系統指標體系。其中資源子系統選擇煤炭產量、洗煤產量、工業煤炭消費量、工業企業年末煤炭庫存量來表征煤炭工業產品增量、減少量、剩余量；對于環境子系統，選擇煤炭工業廢水排放量、顆粒物排放量、固體廢物產生量表征煤炭開采造成的水、氣、固3 個方面的環境污染；對于經濟子系統選擇煤炭工業總產值、固定資產投資額、煤炭工業資產占工業總資產的比例等表征煤炭工業的經濟總量、經濟投入以及工業結構。

2 研究方法

由耦合度和協調度計算得到的耦合協調度，既反映系統間相互作用強弱，又能反映發展狀況的優劣。首先通過熵權法與逼近理想解排序法（TOPSIS 法）結合計算得到資源—環境—經濟系統的各項指標權重和評價值，再通過耦合協調度模型評估系統間耦合協調狀況。

2.1 資源—環境—經濟系統的綜合評價值計算

熵權法是一種客觀賦權的方法，根據評價指標的差異大小來確定指標的權重，基于原始數據得到的權重值更具有實際意義[31]。設樣本數據為X=為樣本個數，p為指標數。

（1）計算熵值ej：

（2）確定權重wj：

（3）數據標準化處理。采用TOPSIS 法進一步計算評價值，根據不同功效將指標分為正、負指標，通過極值法對指標數據進行標準化處理。

（4）計算加權矩陣Z并確定正負理想解。由每列最大值構成正理想解z+，由每列最小值構成負理想解z—。

（5）計算被評價對象與正負理想解的距離：

（6）計算得到各對象與正理想解的距離，即評價值Ui（0≤Ui≤1）：

通過式（1）～（10）計算得到資源、環境、經濟子系統評價值及資源—環境—經濟系統綜合評價值。

2.2 資源—環境—經濟系統的耦合協調度計算

基于前述子系統評價值計算結果，計算耦合協調度模型的耦合度、協調度及耦合協調度。借鑒傳統的耦合協調度模型[32]，公式如下：

式中：D為耦合協調度，衡量協同發展水平；C為耦合度，C越大，耦合度越高，協同性越強；q為子系統個數；Uy為各子系統評價值；T為協調度；αy為第y子系統的重要程度的度量，當各子系統重要性一致時，αy=1/q。此時耦合協調度的公式可推導為：

參考相關研究成果[28]，本文耦合協調度等級劃分如表1 所示。

表1 耦合協調度等級劃分Table 1 Classification of coupling coordination degree

3 榆林市煤炭工業資源—環境—經濟關系評價研究

3.1 評價指標體系及權重

指標數據直接或間接來源于2008—2019 年《榆林統計年鑒》《榆林市國民經濟和社會發展統計公報》《陜西省統計年鑒》《中國城市統計年鑒》等，對于仍無法獲取的數據，采取相近年份回歸擬合法進行補缺。參考有關文獻[33]，污染物數據采用煤炭工業產值乘以單位工業產值排放量的方法進行估算。煤炭工業總產值以2008 年為基期用陜西省煤炭工業生產者出廠價格指數進行平減，固定資產投資以2008年為基期用陜西固定投資價格指數進行平減。基于上述內容和前述計算方法，得到評價指標體系及權重如表2 所示。從表2 可以看出，洗煤產量、煤炭工業顆粒物排放量、煤炭工業產值分別是資源子系統、環境子系統、經濟子系統的關鍵因子，權重分別為0.62、0.66、0.25。

表2 榆林市煤炭工業資源—環境—經濟耦合協調評價指標及權重Table 2 Evaluation index and weight of REE coupling coordination of coal industry in Yulin City

3.2 資源—環境—經濟系統綜合評價

根據前述方法計算得到2008—2018 年榆林市煤炭工業資源—環境—經濟系統綜合評價值及其各子系統的評價值如圖2 所示，評價值越高，表明綜合系統或子系統發展狀況越好。由圖2 可見，2008—2018 年，資源子系統的評價值呈短暫下降后逐年增加趨勢，表明煤炭開采和洗選規模逐步擴大。除2013 年外，2008—2018 年經濟子系統整體平穩，之后呈增加趨勢。2008—2018 年，環境子系統的評價值呈U 字型，2008—2010 年、2016—2018 年，環境子系統的評價值分別為0.91～0.95、0.74～0.83，而2011—2015 年，環境子系統的評價值為0.20～0.23。2008—2018 年，榆林市煤炭工業資源—環境—經濟系統的綜合評價值變化趨勢呈U 字型。通過SPSS 軟件分別對資源子系統、環境子系統、經濟子系統的評價值與資源—環境—經濟系統綜合評價值進行相關性分析，結果表明環境子系統的評價值與資源—環境—經濟系統綜合評價值相關系數為0.766，呈顯著正相關。這充分表明環境子系統的優劣直接帶動資源—環境—經濟系統的變化，是實現資源—環境—經濟系統良好發展的關鍵。

圖2 榆林市煤炭工業資源—環境—經濟系統綜合評價值時序圖Fig.2 Time sequence diagram of comprehensive evaluation value of coal industry REE system in Yulin City

受2008 年全球金融危機影響，煤炭需求量降低，其開采和洗選量減少，但是2011 年以后，全球經濟復蘇帶動耗煤行業如火電、煤化工等行業的煤炭需求，拉動固定資產投資和新增產能，資源子系統的評價值變化趨勢與其基本相符。榆林市2013 年經濟子系統評價值出現的1 次峰值可能與全國煤炭價格和庫存量有關，煤炭工業利潤超過工業總利潤的80%，成為榆林市工業經濟的主要來源，使其當年的經濟子系統評價值突出。2011—2015 年環境子系統的評價值大幅度降低，表明在擴大煤炭工業產能的同時，其末端治理技術落后，或者是污染治理能力與產能不匹配，污染物（尤其是顆粒物）排放量劇增。

隨著國家《大氣污染防治行動計劃》（2013 年）、《水污染防治行動計劃》（2015 年）的發布實施，煤炭工業污染防治日趨嚴格。2015 年國家能源局等公布的《關于促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》要求大力推行煤礦綠色開采，提高煤炭產品質量和利用標準；2015 年陜西省發布的《充分發揮環境保護優化經濟增長的指導意見》要求重視環境保護以推動發展模式轉變，堅持綠色發展。政策驅動效應下，2016 年后環境子系統的評價值較“十二五”期間有大幅度提升，資源—環境—經濟系統綜合評價值也相應地得以提高。2018 年，綜合評價值達到0.75，榆林市煤炭工業發展達到較高水平。

3.3 資源—環境—經濟系統耦合協調評價

綜合評價值雖然可以反映資源、環境、經濟系統或子系統之間的協調關系，但不能量化彼此之間的耦合程度。基于上述綜合評價值的計算結果，利用耦合模型可以計算出資源—環境—經濟系統以及二元子系統的耦合協調度。2008—2018 年榆林市煤炭工業資源—環境—經濟系統的耦合協調度如圖3所示。

圖3 榆林市煤炭工業資源—環境—經濟系統耦合協調度時序圖Fig.3 Time sequence diagram of coupling coordination degree of coal industry REE system in Yulin City

2008—2018 年，榆林市煤炭工業的資源—環境—經濟系統及其子系統的耦合協調度均大于0.5，對比耦合協調度等級劃分表（表1），判斷得出該期間榆林市煤炭工業總體處于協調水平，但是不同時期耦合協調水平差異較大，最突出的是2011—2015年，耦合協調水平偏低。榆林市生產的長煙煤、不黏煤和弱黏煤，具有特低灰、特低硫、特低磷、中高發熱量等特點，可通過洗選進一步降低雜質提升煤炭品質，因此其資源—經濟系統的耦合協調等級一直都處于較好水平。從圖3 可以看出，2008—2018 年榆林市資源—經濟耦合協調度總體呈增長趨勢，2013 年前耦合協調度增加緩慢，之后增速較快。2008—2018 年，榆林市資源—環境、環境—經濟、資源—環境—經濟系統的耦合協調度變化趨勢基本相同，均呈U 字型，環境子系統是引起U 字型變化的根本原因。

榆林市從2008 年起持續開展煤炭資源整合，關小上大，實施清潔生產審核和污染治理，加強開采、加工中的節能減排管理，促進煤炭工業協調發展。2012 年要求煤礦推行壁式采煤方法，禁止使用巷柱式、以掘代采等采煤方法。2014 年化解產能嚴重過剩的實施意見中，要求煤礦數量控制在500 處左右，礦井采煤機械化程度達到95%以上。機械化開采不僅提高開采效率和安全性，也有利于污染收集和治理，減少資源浪費。榆林煤炭企業眾多，但大多是露天煤場，顆粒物污染嚴重。值得關注的是，“十三五”以來榆林市狠抓煤塵污染，投入大量資金，建成環保儲煤場、全封閉儲煤棚。有企業修建2 座鋼結構儲煤棚，內置降塵噴淋、灑水等設施，實現煤炭從開采到儲存、裝卸的全過程封閉。另外，推進礦井水、煤矸石等綜合利用，關停重污染小企業，建立煤炭產業可持續發展基金制度等措施，從源頭上減少煤炭開采帶來的污染，使得環境子系統發展良好。2016 年以后榆林市煤炭工業整體呈良好協調發展狀態，這離不開榆林市對煤炭工業綠色發展的重視，加快建設一流能源基地有效促進了資源—環境—經濟的協調發展。

4 結論

（1）洗煤產量、顆粒物排放量、煤炭工業產值是促進資源—環境—經濟系統協調發展的關鍵因子。圍繞這3 個關鍵因子采取相關措施，將有力推動煤炭工業綠色發展。

（2）榆林市煤炭工業資源—環境—經濟綜合評價值2008—2018 年變化趨勢為平穩—下降—上升—下降—上升，受環境子系統影響較大。榆林市煤炭工業前期以犧牲環境為代價，持續煤炭生產及深加工，屬于粗放式發展。因此，煤炭工業必須加強政策引導，落實高效節能減排，嚴格控制開采規模，加強煤炭開發環境影響評價管理，向綠色開采的方向發展。

（3）2008—2018 年榆林市煤炭工業資源—環境—經濟耦合協調關系經歷中級協調—勉強協調—初級協調—良好協調的變化過程，與三元系統一樣，二元系統的耦合協調狀況也均處于協調范圍，且不斷改善，實現煤炭工業資源、環境、經濟協調發展。今后應繼續維持煤炭工業資源—環境—經濟協調發展，建成國家級一流煤炭基地，成為黃河流域煤炭生產典范，以推進黃河流域煤炭工業生態保護和高質量發展。