大气污染约束下的省域煤炭消费预测

张保留 罗 宏

(中国环境科学研究院,北京市朝阳区,100012)

大气污染约束下的省域煤炭消费预测

张保留 罗 宏

(中国环境科学研究院,北京市朝阳区,100012)

对历年来主要大气污染物排放量数据、煤炭消费量数据及经济数据进行数组拟合,建立煤炭消费与大气污染物之间的量化关系,并进行相关度分析。在不同的污染物约束条件下对全国以及省域煤炭总量控制目标进行预测,结果表明:全国煤炭消费总量应控制在40～60亿t左右,其中东部、中部及西部的煤炭消费量占比分别为40%、29%及31%左右,中东部比例较以前均有下降,西部占比则明显上升,未来煤炭资源还需进一步优化配置,实现省域内的合理消费。

大气污染约束 省域煤炭消费 总量预测

1 引言

煤炭作为我国的基础能源和主要能源,对人类生活和社会发展做出了重要贡献,而煤炭的大量消费也同时给国家带来了环境污染问题,以目前困扰社会的雾霾现象为首的大气污染物问题尤为严重,有关研究表明,我国烟尘排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%都来自于燃煤。因此怎样减轻煤炭消费所带来的大气污染,一直是备受关注的话题,且急需得到解决。

目前将煤炭消费与其他因素相联系起来的研究主要有煤炭消费与经济之间的关系研究,以及在碳排放约束下的煤炭消费研究。有关煤炭消耗与大气污染物之间关系的定性研究指出煤炭燃烧是大气污染物的主要来源,少量的定量研究则通过建立关系式继而进行系数验证。王淑娜建立火电行业SO2和煤炭消费之间的一元五次方程关系式,证明火电耗煤与大气污染之间存在直接的量化关系。郝吉明构建了PM2.5与煤炭消费之间的模型,并验证了煤炭是PM2.5的主要成因。陈军等则验证了区域煤炭消费与污染物排放之间的关系存在差异性。而这些研究仅从公式上证明煤炭消费与污染物之间存在关系,并未给出具体的污染物约束下的煤炭消费量控制目标。在国家及区域的煤炭消费预测研究上,申万等从治理雾霾政策对煤炭消费的影响出发,利用弹性系数模型预测了2020年的全国煤炭消费总量。朱法华从单位面积煤耗量的角度对比发达国家耗煤水平对各省区提出煤耗控制目标。薛文博对PM2.5达标下的区域煤炭消费总量做了预测。当前研究在煤炭消费的总量预测上,细化到区域的研究很少,涉及到区域研究的,或者未考虑环境容量,或者未考虑地区经济发展因素。所以制定出既考虑环境保护又考虑经济发展的区域煤炭总量控制方案,是煤炭消费所面临的当务之急。对此,本文将结合各省大气污染物控制目标及区域经济发展状况进行省域煤炭消费总量的预测,以求能为区域煤炭消费控制提供一定的政策建议。

2 研究思路与数据来源

本文将在大气污染物排放量和煤炭消费量之间,以及污染物排放强度和煤炭消耗强度之间建立量化关系式并进行相关度验证,以此明确两者之间的具体约束关系,通过污染物排放目标的设定,以及相应GDP的预测后,进行约束方程替代换算,最终得出煤炭的控制目标。由于建立关系需要大容量的数据样本,因此本文将全国31个省区的“十二五”国民经济纲要及“十二五”环保规划、重点区域大气污染物防治规划等等进行统计整理,以供大气污染物及GDP预测参考使用。此外,查阅2000－2014年的中国统计年鉴,对全国及各省大气污染物的历史排放数据、各省GDP产值及各省煤炭消费量进行统计,并以2000年价格为基准,对历年名义GDP做实际GDP的换算,以使污染物排放强度和煤耗强度的计算值具有可比对性,减小不必要的模拟误差。

3 大气污染物与煤炭消费之间的关系

3.1 全国大气污染物与煤炭消费之间的关系

利用1990－2013年的SO2排放量、2003－2013年的烟粉尘排放量及2006－2013年NOX排放量统计数据分别与相应年份的煤炭消费量数据构成面板数据集,以污染物排放量x(万t)为变量、煤炭消费量y(万t)为自变量,进行数据模拟尝试,绘制散点图,取出相关度系数最大也最能体现数据关系的模拟方程,可得到SO2、NOX、烟粉尘排放量和煤炭消费量之间的关系式,见表1。各污染物排放量与煤炭消费量之间的模拟关系表现出不同形式,SO2和煤炭消费量之间呈现一元二次关系,而烟粉尘和NOX与煤炭消费之间的关系式则表现为指数方程。

表1 全国大气污染物排放总量与煤炭消费总量的关系

3.2 各省区大气污染物与煤炭消费之间的关系模拟

为了明确各地区在考虑经济发展情况下的煤炭消费与大气污染物排放之间的量化关系,特选取全国30个省区(西藏无相关数据)2000－2012年SO2、烟粉尘的排放量、煤炭消耗及GDP,进行污染物排放强度及煤耗强度计算,分别以万元SO2排放量或万元烟粉尘排放强度(kg/万元)x为自变量,万元煤炭消耗量(t/万元)y为因变量做散点图,对数据组进行拟合,分别得到煤炭消费强度与SO2、烟粉尘之间的拟合关系式见表2、表3。经模拟,各省域两种污染物排放强度与煤炭消耗强度的关系式均为一元二次方程。

表2 2000－2012年各省区煤炭消费与SO2排放之间的关系式

省区模拟方程相关系数贵州y＝－0.0002x2＋0.0484x＋2.3466R2＝0.9679云南y＝－0.0192x2＋0.5818x－2.2698R2＝0.5361陕西y＝－0.0018x2＋0.0809x＋1.3537R2＝0.3619甘肃y＝0.0001x2＋0.0219x＋1.4835R2＝0.8719青海y＝0.0041x2－0.1334x＋2.823R2＝0.4436宁夏y＝－0.0018x2＋0.1658x＋3.7166R2＝0.3032新疆y＝－0.0004x2－0.0775x＋3.8094R2＝0.6067

表3 2000－2012年各省区煤炭消耗强度与烟粉尘排放强度的关系式

3.3 大气污染物与煤炭消费的相关关系分析

由上述模拟方程,可看出不同省域煤炭消费和SO2排放约束之间的相关关系有一定差别,这与各地的经济发展情况、能源消费结构以及煤炭种类等因素都有关系。对全国煤炭消费量与不同种类大气污染物排放量的关系模拟,是不考虑经济条件下对煤炭总量的粗略预测。考虑到本研究所采集数据经处理后的特殊性,对于省域SO2和烟粉尘与大气污染之间的关系式,仅从相关度R2上来区别不同省区的方程式解释变量关系,R2越大,说明拟合程度越高,方程式的解释能力越强;反之,方程式解释变量之间关系的能力越小。

按照传统的相关值划分方法,若把0.9＜R2＜1的地区定为显著相关区域、0.8＜R2＜0.9的地区定为高度相关区域、0.6＜R2＜0.8的地区定为中度相关区域、0＜R2＜0.6的地区定为低相关区域,那么全国煤炭消费排放量和污染物排放量之间的相关度均为高相关以上。若以煤炭消耗强度和SO2的相关关系为衡量指标,则除了海南、云南、陕西、青海、宁夏、新疆、广西为中低相关区域之外,其他的都处于高相关之列;若以煤炭消耗强度和烟粉尘的相关关系为衡量指标,则除了内蒙古、青海、云南、陕西、甘肃、宁夏、新疆、广西、四川为中低相关区域之外,其他省份都处于高相关之列。可见,绝大部分地区模拟关系式的相关度都为高相关,说明系列一元二次方程式基本可以作为大部分省区煤炭消耗和大气污染物之间关系的表达式。

4 煤炭消费总量预测结果

4.1 全国煤炭消费总量预测结果

煤炭消费受大气污染物约束,有研究提出要使2030年环境空气质量达标,SO2、NOx和烟尘的排放量应削减40%、45%和50%左右,那么考虑到阶段性减排力度,2020年应实现SO2、NOx和烟尘的排放量相比2010年分别下降20%、23%和25%左右,即排放量控制在1800万t、1575万t和900万t。若适当放松约束条件,为大气污染物减排设置低、中、高三类减排情景,则根据2020年大气污染物排放的设定值,可分别计算煤炭消耗目标,所得结果如表4,利用SO2,NOX和烟粉尘预测的煤炭消费总量区间范围分别为37～40亿t, 25～28亿t,38～45亿t。

可见若只考虑环境质量达标下阶段性减排目标,并不纳入经济考核指标,综合3种污染物的约束条件,预测2020年的煤炭消费量约在40亿t左右,和国家相关规划目标42亿t相差无几。但若考虑经济发展需求等综合因素,此自上而下的煤炭消费总量目标还有待和省域煤炭控制目标进行契合,因此最终的省域煤炭消费量还需另行核算。

表4 2020年全国煤炭消费总量预测结果

4.2 省域煤炭消费控制目标

省域煤炭消费控制目标预测,要涉及省域SO2和烟粉尘各自控制目标及各省GDP预测,研究根据各省有关污染物减排的“十二五”规划,联系重点区域污染物减排规划及国家“十二五”环保规划总体要求,采用以延续重点区域污染物减排规定为优先,其次按各省规划中的减排比例规定递减,最后按国家总体规划等比例减排的方法,经统计并计算,最终得到2020年各省大气污染物控制目标,而GDP预测则通过实际GDP增速在5%～7%的速度,分别对我国经济发达地区、经济中等发达地区及经济欠发达地区进行预测,最终将污染物减排目标及GDP预测数列代入上述关系式,可得到各省区的煤炭消费预测结果,见表5。利用SO2和烟粉尘对煤炭消费的预测总结果分别达58亿t和75亿t。省域煤炭消费量均有不同增加,煤炭消费占比发生变化。将中国各省区划分为东、西、中部3个地区,东部包括辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南11个省市;中部地区包括黑龙江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西8个省;其他为西部地区。这3个区域煤炭消费占比分别为40.29%、28.97%和30.74%,相较于过去,东部、中部煤炭消费比例均下降约1%,西部从过去徘徊在20%～30%之间的消费比例明显增加到30%。

表5 各省区2020年煤炭消费量预测结果

省区2012年煤炭消费量/万t 2020年GDP预测值/亿元SO2排放量/万t根据SO2预测的2020年煤炭消费量/万t烟粉尘排放量/万t根据烟粉尘预测的2020年煤炭消费量/万t贵州13328 7412.28 98.17 21885.05 26.4 24359.07云南9850 13365.34 62.64 470.60 33.9 16499.78陕西15774 14337.98 61.81 23930.12 0.6 27916.34甘肃6558 7101.19 44.67 11942.05 28.2 12099.4青海1859 2201.29 11.62 3971.80 20.7 3353.819宁夏8055 2041.15 25.16 9270.22 15.2 15123.07新疆12028 8926.12 45.57 24933.60 18.9 58359.84总计436454 701778.71 1691.4 583971.52 1047.5 754421.1

4.3 煤炭消费总量控制目标预测分析

(1)从全国煤炭消费总量预测结果对比来看,利用3种污染物排放的预测有差距,且与利用SO2和烟粉尘的预测所得的全国煤炭消费量结果相差也较大,当然前后两者的预测方法不同,前者未考虑经济因素,故有一定差别。而后者所采用的两种污染物下的预测结果之所以有差别,主要跟各省的能源消费结构及煤炭种类不同,以及煤炭消费对各大气污染物贡献度不同有关,因此存在一定的偏差。在SO2与煤炭消费关系上,处于高相关度的地区明显多于烟粉尘与煤炭消费的高相关地区,低相关度的区域相比于相关度较高的区域预测结果,误差会稍大些。相对来说,SO2预测的结果更为接近国家规划目标,更多代表了“十二五”规划的延续政策对污染物排放的约束,进而对煤炭消费产生了相关约束。若综合几种预测结果,全国煤炭总量的范围在40～60亿t左右可能更接近国家发展需求的目标值。

(2)从省域煤炭预测结果来看,若不考虑各种误差,区域之间煤炭消费比例变化趋势较之当前政策所主导的煤炭消费地区向西部转移趋势基本一致,证实中东部的经济发展对煤炭的依赖程度有所减轻,煤炭消费逐渐向西部偏移,符合当前大力发展西部的战略理念要求,因此预测结果有一定的合理性和可靠性。

当然,本预测方式还存在不足之处,从关系式本身来看,经数据组模拟的方程是对过去十余年的污染物排放及煤炭消费状况的总结,对于未来所可能遇到的各种诸如政策、技术等影响因素,并没有进行详尽考虑,故利用此关系式得到的预测值还有一定的局限性。

(3)预测结果存在不确定性的原因之一,与关系式内包含因子——GDP和污染物排放量的预测有关,未来的GDP增速是未知数,即使全国总经济产值处在一定范围,各省区以何种速度增加经济产值,还值得进一步考虑,且大气污染物排放量在各省的分配也一直是一个难以统一的问题,不同的省域经济产值预测及大气环境容量对煤炭消费预测的结果会产生很大影响。

5 结语

本文通过建立各省区大气污染物与煤炭消费之间的量化关系,希望以大气污染物排放控制目标为约束条件,在考虑经济发展需求的同时,对各省区提出煤炭消费控制目标,从而为全国的煤炭消费政策提供建议,促进煤炭的合理消费和配置。研究结果说明:煤炭消费控制不仅要从全国层面上把握,更需要从各省区乃至更具体的地方城市抓起。随着经济发展水平提高,经济发达的地区在耗煤比例上会削减,急需发展经济赶追东部的西部地区,会适当加强用煤比例。当然目前要实现按国家总体要求进行的自上而下的分配方案和按地方要求实行自下而上的总量控制方案相匹配还尚有难度。毕竟限制各省区的煤炭消费实际上也是对其经济发展的硬性约束。地方政府要发展经济,必然会抵制煤炭消费控制,煤炭总量控制政策就很难达到预期效果。最好的解决办法,可能不是一味压低煤炭消耗,而是寻求替代能源或者提高煤炭清洁利用方式等途径。因此,未来加强煤炭替代措施,强化煤炭污染控制技术,对于解决能源问题及环境污染问题,都会是极为重要的手段,只有找到既不影响经济产值增长,又不损害环境的方法,才是加强省域煤炭消费控制效果、促进煤炭合理消费的最好方式。

[1] 张炎涛,李伟.中国煤炭消费和经济增长的因果关系研究[J].中国煤炭,2006(11)[2] 薛黎明,侯运炳,蔡先锋,何广.中国煤炭消费与经济发展水平之间关系的协整分析[J].中国矿业,2011(1)

[3] 雷强.中国煤炭生产和消费与经济增长的关系研究[J].资源与产业,2014(1)

[4] 曲剑午.碳排放约束下的中国煤炭总量控制目标研究[D].中国矿业大学(北京),2012

[5] 李世祥,刘江宜,张莉等.煤炭消费、碳排放与区域经济绩效——基于13个煤炭消费大省的实证研究[J].资源科学,2013(8)

[6] 韩明霞,李华民.中国煤炭消费与大气污染物排放[J].煤炭工程,2006(3)

[7] 王淑娜.中国火电行业煤炭消耗、SO2排放的时空动态分析[D].陕西师范大学,2011

[8] 郝新东,刘菲.我国PM2.5污染与煤炭消费关系的面板数据分析[J].生产力研究,2013(2)

[9] 陈军,李世祥.中国煤炭消耗与污染排放的区域差异实证[J].中国人口·资源与环境,2011(8)

[10] 申万,张广军.雾霾治理情境下的中国煤炭消费总量研究[J].发展研究,2014(12)

[11] 吴文锋,周梅华,刘满芝.江苏省煤炭消费现状及“十二五”需求组合预测[J].中国煤炭,2011(6)

[12] 薛文博.空气质量约束下的煤炭消费总量控制目标确定技术方法[R].北京:环境保护部环境规划院,2014

[13] 薛文博,付飞,王金南.基于全国城市PM2.5达标约束的大气环境容量模拟[J].中国环境科学2014(10)

(责任编辑 张大鹏)

Provincial coal consumption prediction under the air pollution constraints

Zhang Baoliu,Luo Hong
(Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Chaoyang,Beijng 100012,China)

With conduct array fitting on the historical data of major air pollutants emissions, coal consumptions and economic data,to establish the quantitative relationship between coal consumption and air pollutants,and make the correlation analysis.Predict the total control targets of country＇s coal consumption and each province＇s goal,which is based on different scenarios of pollutants constraints,the result is:the country＇s total coal consumption should be controlled at about 4 to 6 billion tons,among which the eastern accounts for 40%,while the central area accounting 29%,and 31%in western,compared to the past,the eastern and median ratio were both decreased,the west had a marked increase,in the future,there is a need to optimize the allocation of coal resources,to achieve a reasonable consumption within the province.

air pollution constraints,provincial coal consumption,total consumption prediction

X51,F206

A

张保留(1989－),女,安徽蚌埠人,中国环境科学研究院硕士研究生,研究方向为能源与环境经济。