中国工业水污染排放的空间格局及结构演变研究

石敏俊 郑丹++雷平 袁静沛

摘要 我国工业企业污染物排放的空间格局正在发生变化。现有的统计数据不能提供区分区域和行业层面的工业企业污染物排放数据，无法刻画地市尺度上各个工业部门污染排放的空间格局及其演变。工业企业污染物排放的空间认知是制定环境污染控制和区域产业发展规划的科学基础。本文聚焦于工业水污染，构建了新的工业企业水污染排放的空间估算方法，估算分行业分区域的工业水污染排放量，来分析地市尺度上中国工业水污染排放的空间格局及其演变。本文构建的空间估算方法首先将全国分行业污染排放量依据产值分解到省级和地市层面，再依据企业规模校正系数、生产工艺校正系数和环境管制能力校正系数对未考虑区域差异的排放强度进行校正，最后采用适时修正法对污染物排放量的估算结果进行部门和区域的平衡调整。以基于空间估算方法估算的工业COD为例，剔除个别异常值后，2010年省级尺度重点行业工业COD排放量估算结果的平均误差为12.7%，数据质量优良，显示本估算方法较强的适用性。根据本文的结果，发现2005年至2010年间我国工业COD的减排主要由造纸及纸制品业的技术效应贡献，其中又以西部地区造纸及纸制品业贡献突出，其次是东部地区，中部地区略有贡献，东北部地区贡献为负值。其他对工业COD减排作出较大贡献的行业包括食品加工业和化学原料及化学品制造业，但不同产业的区域差异显著。基于可持续性发展的视角，技术效应与规模效应同样显著的产业应当作为区域的主导产业予以重点发展。

关键词工业水污染；空间格局；工业COD；技术效应；规模效应

中图分类号X24

文献标识码A文章编号1002-2104（2017）05-0001-07DOI：10.12062/cpre.20170309

工业企业污染物排放超标是水环境恶化的主要原因。水环境的主要污染指标为化学需氧量（COD）、五日生化需氧量和总磷。近年来，工业企业污染物排放格局正在发生变化。一方面，“十一五”期间我国大力推进环境治理，二氧化硫、化学需氧量等污染物排放总量趋于减少；另一方面，随着部分制造业企业开始从沿海地区向中西部地区转移[1-4]，制造业分布格局正在发生变化，这也直接影响到工业企业污染物排放的空间格局。据國家环保部统计，2002年至2010年，西部地区工业废气排放量占全国的比例从22%上升到28%，工业固体废弃物产生量的比例从26%上升到31%，工业COD排放量的比例从21%上升到27%。工业企业污染物排放的空间认知是环境污染控制和区域产业发展规划制定的科学基础，然而，目前的环境统计尚不能提供分区域和分行业的工业企业污染物排放数据，无法刻画地市尺度上各个工业部门污染物排放的空间格局及其演变。据此，本文聚焦于工业水污染，在对分行业分区域的工业水污染物排放量进行空间估算的基础上，构建地市尺度分行业工业水污染排放强度数据库，并应用于分区域工业水污染排放的空间格局及结构演变的分析。本研究拓展的数据挖掘技术，可为微观尺度的环境政策制定和区域环境规划提供科学参考。

1工业水污染排放空间估算方法

已有的空间估算方法大多是通过挖掘可获得数据变量和估算对象之间的内在联系，构建数学模型，据此在有限的数据限制下对未知变量的空间分布进行估算[5-8]。由于工业企业污染物排放的空间格局既与工业企业生产能力的空间分布密切相关，也受到工业企业的工艺设备和技术水平、污染物处理能力、区域环境管治政策等因素的影响，后者主要是影响工业企业的污染物排放强度，因此，基于特定变量的空间分布来估算工业企业污染物排放的空间格局存在较大的困难。

因此，本文根据可获取的有限信息，构建了一种新的空间估算方法，尽可能准确地估算分行业分区域的工业水污染物排放量。以中国环境统计年鉴提供的全国范围的分行业工业水污染物排放量和省区或地市尺度的工业水污染物排放总量为控制点，通过估算工业企业污染物排放强度的区域差异，分解得到分行业分地市的工业企业水污染物排放量。

1.1工业水污染排放估算步骤

工业企业污染物排放强度区域差异的影响因素主要有企业规模差异、生产工艺差异、环境管治能力差异三个方面[9-12]。因此，本文首先将全国分行业的工业污染物排放总量根据各省或各地市的分行业产值，分解到各省或各地市的各行业。其次，从企业规模差异、生产工艺差异和环境管治能力差异三个方面，分别构建企业规模校正系数、投产时间校正系数和环境管治能力校正系数，对未考虑排放强度的区域差异、按照产值分解的污染物排放量初始值进行校正。最后，对污染物排放量的估算结果进行平衡调整，以保证估算得到的分行业污染物排放量加和与分地区污染物排放量加和相等。平衡调整采用R.A.S.法（适时修正法）进行。R.A.S.法是通过构造行比例和列比例，使得行和与列和等于控制量。

在控制产品种类、原料和工艺等污染排放影响因素的条件下，不同规模的企业具有不同的排污系数。每个地区不同规模企业的占比存在差异，基于不同规模企业的排污系数比值和各类规模企业的比例，可构建企业规模校正系数。投产时间早晚可以反映生产工艺水平差异，污染物排放国家标准中对不同投产时间的企业规定不同排污限值，因此基于不同投产时间的排污限值比值和不同投产时间企业的比例，可构建投产时间校正系数。环境管治能力与区域经济发展水平、污染物集中处理能力、产业集聚程度密切相关[13-14]。因此，环境管治能力校正系数由污水处理厂集中处理能力、经济发展水平和产业集聚程度三部分组成。污染物集中处理能力采用污水处理厂集中处理所去除的工业污染量占工业污染物总去除量的比率，经济发展水平采用人均GDP，产业集聚程度采用从业人员占比指标。每个指标采用与全国（全省）平均水平的比值来体现区域差异。根据产业集聚程度指标比重略轻、污染物集中处理能力指标和经济发展水平指标比重较高的原则赋予不同的指标权重，将校正后的估算结果与测试集反复比较，确定相关指标权重和参数。

在具体估算过程中，先是省区尺度的空间估算，然后是地市尺度的空间估算。地市尺度的空间估算以省级尺度的分行业估算结果作为控制点，这样可以将地市尺度的估算误差控制在本省范围之内。为保证估算结果与实测数据一致，在进行估算有效性检验后，对于存在实测数据的地市以实测数据替换估算数据，并再次进行平衡调整。

我国工业污染物排放主要集中在少数污染密集型行业。2010年，农副食品加工业、食品制造业、饮料制造业、纺织业、造纸及纸制品业和化学原料及化学制品制造业6个行业合计排放了69.45%的工业COD。为简化估算工作量，工业COD的空间估算以农副食品加工业、食品制造业、饮料制造业、纺织业、造纸及纸制品业和化学原料及化学制品制造业6个行业作为重点行业，其余行业归并为其他行业。因此，省级尺度上估算了大陆地区31个省级行政单元6个重点行业和其他行业的污染排放，地市尺度上估算了332个地级行政单元6个重点行业和其他行业的污染排放，4个直辖市、海南省和西藏自治区作为一个空间单元进行估算。

1.2数据来源

工业污染物排放量和污水处理的相关数据来自《中国环境年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《中国城市发展报告》、各省区统计年鉴和环保统计资料；区域经济的相关数据来自《中国区域经济统计年鉴》；工业企业的相关数据来自中国工业企业数据库，其中2010年工业企业产值根据2009年工业企业产值结构和价格指数推算而来；工业企业分行业污染物排放国家标准来自环保部[15]；工业企业分行业排污系数来自《第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册》[16]。基于已有的数据，可以得到分产业的COD排放量（见表1）。

1.3估算结果的有效性检验

借鉴数据挖掘方法的思路，以公布的部分省份分行业工业水污染物排放量和部分地市工业水污染物排放量的实测数据作为测试集，对估算结果进行了有效性检验。

在2010年工业COD排放量估算结果有效性检验中，省级单元的测试集样本量为30个，地市单元的测试集样本量为144个。剔除浙江的纺织业、新疆的纺织业和山东的化学原料及化学制品制造业3个异常值，2010年省级尺度重点行业工业COD排放量估算结果的平均误差为12.70%。2010年地市尺度重点行业工业COD排放量估算结果，剔除异常值后，排放强度低、经济发达区域的加权平均误差为26.7%，中等排放强度区域的加权平均误差为22.1%，高排放强度区域的加权平均误差为23.5%。

在2005年工业COD排放量估算结果有效性检验中，省级单元的测试集样本量为18个，地市单元的测试集样本量为134個。剔除山东的农副食品制造业和新疆的饮料制造业2个异常值，2005年省级尺度重点行业工业

COD排放量估算结果的平均误差为7.85%。2005年地市尺度重点行业工业COD排放量估算结果，剔除异常值后，排放强度低、经济发达区域的加权平均误差为28.32%，中等排放强度区域的加权平均误差为27.29%，高排放强度区域的加权平均误差为19.76%。

2工业水污染排放的空间格局及结构演变：以工业COD为例

2.1基础研究模型

区域环境质量的影响因素主要有规模效应、技术效应和结构效应三个方面[13]。其中，规模效应是指在其他条件不变的情况下，经济规模扩大或缩小将伴随着污染物排放的增加或减少。技术效应是指经济发展和研发支出增加推动技术进步，从而产生两方面的影响：一是在其他条件不变时，技术进步提高生产率，改善资源利用效率，降低单位产出的要素投入；二是清洁技术不断开发并取代旧技术，可以有效地循环利用资源，降低单位产出的污染排放。规模效应导致污染负荷加剧，技术效应则会抵消污染负荷。

基于污染排放恒等式，可构建方程如方程1。

其中COD为工业COD排放总量，下标指不同区域或产业的COD排放量。i、j分别代表区域和产业；GDP为区域地区生产总值，SGDP为单位地区生产总值排放强度；GP为工业总产值，SGP为单位工业总产值排放强度。

根据现有的统计数据发布，现在仅有全国层面分行业的COD排放量，即仅有方程1a有数据基础。更加深入的分区域经济增长环境效益研究1c和分区域经济结构环境效益研究只有在本文数据的基础上才有可能。由于没有公布可比较的分区域COD排放数据，甚至1b的区域COD排放比较都较困难。

全微分方程1d，可得COD排放的时间微分方程2，并进而推导方程3，即COD排放演变贡献模型。

方程3中d代表差分，反映了不同时期变量的变化量。右侧第一式反映的区域i产业j的COD排放规模效应，第二式反映了区域i产业j的COD排放技术效应。在第二部分本文推导了332个城市的7个行业（6个细分行业和“其他”），因此我们可以在地级城市层面研究332×7=2 324组4 648个规模效应和技术效应对总COD贡献指标，但这显然太繁琐且偏离了本文的主题。基于以上，下文首先介绍基于本文数据开展的COD排放空间格局与产业结构演变，其次讨论影响COD排放空间格局与产业结构演变的规模效应和技术效应。

2.2工业水污染的空间格局与产业结构演变

根据公布的全国行业数据，2005年至2010年，我国COD排放量从556万t下降到435万t，降幅21.8%。在减排总量中，本文研究的6个行业减排贡献率超过85%（见表1），证明了本文选择的重点行业的合理性。值得说明的是，模型3计算出来的减排贡献率指标符号与COD排放量变动方向一致，即本文提到的减排贡献概念是一个正向概念，某领域COD减排量在减排总量中比重越大，贡献率越高。

表1显示，6个产业中，造纸及纸制品业贡献了最多的COD减排量，贡献率达到60.70%，其次是食品加工业（16.56%）以及化学原料及化学品制造业（10.58%）。表1的数据还显示饮料制造业与纺织业的COD排放与大势相反，2005年至2010年间减排贡献率分别为-3.72%和-1.07%。分产业COD减排总量研究离开行业规模的变化是没有意义的，因为无法判断究竟是排放规模还是排放强度的变化造成了这一差异。当引入行业规模后，我们发现，从2005年至2010年，所有研究行业的规模都在扩张，减排的规模效应贡献全部为负值，真正推动COD减排的是排放强度所反映的技术效应，尤其是造纸及纸制品业，在规模扩张超过1倍的背景下，其技术效应造成的COD减排贡献率达到191.99%，不仅抵消了规模效应造成的增排，还卓有余裕。2005年至2010年间，食品加工业和化学原料与化学制品制造业的技术效应也贡献了较高的COD减排，贡献率分别达到73.13%和57.04%。表1的数据显示，饮料制造业和纺织业的COD排放变动趋势差异不仅是行业规模扩张带来的规模效应的原因，也是研究年份期间排放强度下降缓慢、技术效应贡献有限的原因。类似的行业还有食品制造业，这些行业的共同特征为低技术效应和低规模效应共存，二者的内在联系，值得进一步的探究。

虽然基于全国行业数据能得出一些有意思的结论，但这些结论的实践指导意义仍然值得商榷，原因不僅在中国巨大的空间差异，还在中国产业空间布局处于不断重构之中。尤其是近十年来，中国制造业在沿海和内陆间的空间转移是否与环境规制有关，产业空间重构是否同步带来了污染物排放的空间重构？什么样的污染企业从沿海迁往了中西部？这些企业是采用了更加消耗资源环境的技术？还是借助搬迁机会，在一个更高的平台生产？这些问题才是更加值得关心的问题。应用本文拓展的分行业分区域数据，我们可以开展更深入的研究。〖JP〗

表2描述了COD排放的空间结构演变，表3分行业描述了COD减排的空间差别化贡献。表2的数据证实中国2005年至2010年的COD减排中，东部地区发挥了巨大的作用，东部地区的企业实现了超过40%的减排。从产业占全国的比重看，东部地区的减排效率似乎还有待于进一步的提高。表2的数据也缓解了社会各界对西部经济发展中的环境污染担心。至少从COD排放视角，2005年至2010年全国的COD减排西部的贡献率达到31.93%，相比西部地区的工业总产值比重，其环境效率表现在四大板块中堪称首位。中部和东北地区的COD空间排放结构基本与产业结构变动一致。

表3提供了进一步的事实。如前文所述，COD减排最大的动力来自造纸及纸制品业。分区域、分产业的数据显示，造纸和纸制品在COD减排中的良好表现主要是西部地区和东部地区，在东北，造纸及纸制品业的COD减排贡献甚至是负值。在减排贡献排名第二的食品加工业，西部地区也表现优良。东部地区在化学原料及化学制品制造业COD减排表现优良，而同期西部地区减排贡献率为负值。此外，西部地区饮料制造业COD排放贡献率为-4.93%，显著影响了本阶段COD减排的成绩。

总体看，基于数据挖掘技术，本部分重点讨论了COD污染的空间格局与产业结构演变，发现西部地区表现优良，造纸及纸制品业表现优良，但也存在区域和产业例外。造成这些现象的原因究竟是区域层面的产业技术效应还是规模效应，将在下文继续讨论。

2.3工业水污染空间格局与产业结构演变的规模与技术效应

从可持续性发展的视角看，一个地区的主导产业应当至少具备两种特征，首先该产业应当具有良好的资源环境效率，其次还应当有良好的成长性。2005年至2010年，在本文所研究的6个行业中，东部地区符合以上两个特征的是造纸及纸制品业以及化学原料及化学制品制造业（见表4）。虽然东部地区造纸及纸制品业期间规模急剧扩张，规模效应的COD排放贡献率为-40.07%，但排放强度的迅速下降使得其技术效应的COD排放贡献率高达59.67%，从而该行业的东部COD排放不增反减，表现突出。经济与环境效益表现更加突出的是西部地区的造纸及纸制品业和食品加工业。与这两个产业相比，饮料制造业与化学原料及化学品制造业虽然也得到高速增长，但从技术效应的同比变化相比，至少从COD排放角度，饮料制造业和化

注：2005年山东、新疆的各行业COD排放强度以及黑龙江的农副食品制造业、造纸及纸制品业和化学原料及化学制品制造业COD排放强度为实测数据，其余为估算结果；2010年黑龙江、浙江、山东、广西和新疆的各行业工业COD排放强度为实测数据，其余为估算结果。“-”表示该省份该行业没有规模以上企业。

学原料及化学品制造业不是西部地区的环境优势产业。与东部和西部相比，中部地区和东北地区相关产业都无突出表现。

整体看，不同产业在不同区域的技术效应和规模效应差异显著，尤其是技术效应。同一产业在不同区域显著差异的资源环境利用效率利用本研究的数据拓展技术得到充分展示。基于这一技术，在表4中，我们可以比较直观地判断各地的环境优势产业，从而得出直观的政策建议。这一技术的价值不仅体现在实践中，更可以为理论界所用，为探讨诸如不同行业的资源环境利用效率空间差异等热点问题提供数据基础。

表3的数据来自地市级城市的汇总数据，因此，相关的研究还可以深入到省际层面和地市级层面。表5提供了分省分行业排放强度。根据表5，结合相关行业发展情况，我们可以得出比表2—表4更加丰富、微观的结论。

3结论与启示

由于分行业分区域的环境污染物排放未见统计数据发布，因此我国分行业污染物排放的空间格局及其演变一直是研究的难点。本文基于工业企业水污染物排放量的空间估算方法，在地市级层面估算了分行业分区域的COD排放数据。这一数据挖掘技术及其形成的数据可以为相关实证分析和政策研究提供新的数据基础，并推动环境经济研究的深化。

基于本文估算方法估算得到的数据，分析了分区域工业水污染排放的空间格局及结构演变，估算了2005年和2010年分区域分行业的工业企业COD排放的空间格局及其结构演变，重点研究了我国工业COD排放的6个主要行业，得到如下结论。

第一，2005—2010年间我国工业COD减排主要是依赖西部和东部地区造纸及纸制品业的技术效应，其中西部地区尤为显著。同期为我国工业COD减排做出较大贡献的还有东部地区的化学原料及化学品制造业、食品加工业；西部地区的食品加工业；中部地区的造纸及纸制品制造业。从可持续发展的视角，这些产业部门无论从增长速度还是减排技术方面，都可以确立为所在区域的主导产业。同期东北没有技术效应和规模效应都表现突出的产业。

第二，从整体上看，同一产业在不同区域的资源环境效率差异显著，其原因值得深入研究。

第三，本文基于数据挖掘技术的污染排放空间估算方法可以在更加微观的空间尺度和更广泛的行业与污染物种类层面得到进一步运用。（编辑：李琪）

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作者简介：石敏俊，教授，博导，主要研究方向为区域经济、绿色发展。Email： mjshi@ruc.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目“资源环境约束下中国经济中长期发展前景与绿色发展模式”（批准号：71173212），“环境规制政策对产业空间分布的影响研究：基于环境便利性的视角”（批准号：71503241），“产业空间布局的资源环境效应”（批准号：41471112）；国家社会科学基金重大项目“中国经济绿色发展的理论内涵、实现路径与政策创新”（批准号：15ZDC006）。