基于河北省工业能源消费的河北省和北京市大气环境关联度研究

任继勤,殷 悦,祁士伟,刘 嘉(北京化工大学 经济管理学院,北京 100029)

基于河北省工业能源消费的河北省和北京市大气环境关联度研究

任继勤,殷 悦,祁士伟,刘 嘉
(北京化工大学 经济管理学院,北京 100029)

以河北省各工业行业为研究对象,选用灰色关联度模型研究了各工业行业能源消费对河北省和北京市大气环境的关联度。结果表明:工业污染具有空间传递效应;京津冀大气环境指标呈慢速波动式增长;原料和化学制品制造业、煤炭开采和洗选业对北京和河北两地的环境影响显著。为引导北京市和河北省工业和环境的协调发展,应加快建立高效的区域大气环境联防联控机制,制定区域工业行业环境治理标准,调整产业结构并进行产业的转移升级。

能源消费;工业行业;大气环境;灰色关联度

我国大气环境问题日益突出，环境保护部官方网站公布的数据显示,全国空气污染最严重的区域为京津冀及周边地区。2016年,在全国338个地级以上城市中有254个城市环境空气质量超标,且呈现出以京津冀为主的区域污染特征。北京是我国的政治文化中心,资源高度依赖外省市供应,随着需求的不断增加,北京市的可持续发展将面临更加严峻的挑战[1]。

为了推动环境污染治理,学术界关于经济—环境关系的研究主要集中在两方面:一方面,论证环境库兹涅茨曲线的存在与否。李飞等[2]、杨林等[3]分别通过运用面板协整工具和动态最小二乘法构建环境综合污染指数进行了实证研究,得出经济与环境变量均呈现出显著的环境库兹涅茨曲线;王飞成等[4]通过建立省际面板数据模型进行实证研究,得出我国目前已处于倒“U”型环境库兹涅茨曲线的下降部分;李治国等[5]、王敏等[6]分别通过构建经济增长和环境污染的VAR模型、计量回归模型进行实证研究,得出经济增长与环境污染的库兹涅茨倒“U”型曲线是否受地区的数据和衡量环境污染水平指标选取的影响。另一方面,论证经济—环境之间是否具有相互关系。康凯等[7]、聂飞等[8]分别通过运用BP神经网络优化算法和构建含滞后项的动态联立方程模型进行了实证研究,证明环境污染和经济发展之间存在双向作用机制,经济发展对环境污染起着关键作用。研究表明,我国短期内社会经济的快速增长对环境质量产生了负面影响。究其原因，主要是目前我国产业结构布局不合理,造成局部地区环境污染严重。

为了进一步探索环境污染的原因,学者们从产业结构和能源消费结构视角展开了研究。韩楠[9]用VAR模型,通过构建经济增长、产业结构和环境污染空间计量模型,得出在人均GDP不变的情况下,第二产业占比与环境污染呈负相关关系,第二产业比重增加对环境影响较大;许正松等[10]运用主成分分析法构造了环境污染综合指数模型,得出环境污染综合指数随着工业产值占GDP比重的增高而增加,而第三产业占GDP比重的变化对环境影响不大;马丽梅等[11]通过库兹涅茨曲线回归模型,发现环境污染和能源消费结构与产业结构密切相关;杨旭等[12]通过构建向量误差修正模型,应用Johansen协整检验和Granger因果关系检验方法,表明能源消费增长是造成环境污染的根本原因;任继勤等[13]通过关联度分析,证明了北京市各工业行业的能源消费量与大气环境密切相关,产业结构优化与转移升级是环境治理的重要手段。

我国环境污染呈现出复杂的区域分布格局,学者们论证了环境污染具有空间传递效应。张可等[14]通过建立空间联立方程模型进行实证研究,得出环境污染存在明显的空间传递效应;刘慧[15]在构建面板数据联立方程的基础上,以长三角16个核心城市2002—2013年的数据为分析样本进行研究,得出城市环境污染与周边地区密切相关;马丽梅等[16]运用空间计量模型,得出雾霾污染存在着显著的空间正相关性,随后探讨了我国31个省(直辖市、自治区)本地与异地之间PM10的交互影响,表明它们之间存在着空间效应。

综上所述,目前的研究文献多集中在经济—环境、产业结构—环境、能源—环境关系和环境空间效应研究方面。基于京津冀地区的工业行业能源消费与环境污染问题,特别是针对河北省工业能源消费对北京市大气环境的空间传递效应进行微观研究的相对较少，本文将围绕京津冀区域环境污染的空间传递效应,对河北省工业能源消费与北京市大气环境的关联度进行定性和定量分析,明确河北省工业生产对京津地区大气环境的影响,从而促进京津冀区域对环境污染的高效治理。

1 京津冀地区经济发展现状分析

我国工业能源消费量约占能源消费总量的70%,是构成大气环境污染的主要因素之一。大气环境质量与产业结构、能源消费和空间分布紧密相关,对京津冀地区的产业结构、能源消费情况及空间分布进行研究,有助于厘清京津冀地区环境污染的空间源头。

1.1 产业结构分析

京津冀地区的产业结构特点鲜明：北京经济发展以第三产业为主,且第三产业占比稳定增长;河北长期处于以第二产业构成为主的经济增长方式,虽然近年来第三产业占比有所增加,但第二产业仍是该省主要的经济支柱;天津经济发展正处于逐渐由第二产业主导向第三产业主导发展模式转变阶段。2006—2015年京津冀地区三次产业结构和工业占比见图1—3。河北省生产总值和第二产业增加值分别约占京津冀地区总值的高位,虽然近年有所下降,但2015年河北省生产总值和第二产业增加值分别约占京津冀地区总值的46%和56%[17],见图4。京津冀地区工业增加值约占全国的1/3,而河北的工业增加值约占京津冀地区的60%,表明京津冀地区的产业结构不合理。

注:数据来源于相关年份的《河北经济年鉴》、《天津统计年鉴》、《北京统计年鉴》和北京市统计局网站,下同。

图1 2006—2015年北京市三次产业结构及工业占比

图2 2006—2015年河北省三次产业结构及工业占比

图3 2006—2015年天津市三次产业结构及工业占比

图4 2006—2015年河北省生产总值、第二产业增加值占京津冀的比重

1.2 能源消费走势

2006—2015年,京津冀地区能源消费总量呈总体上升趋势,只有北京市能源消费总量在2012年之后略有下降,而河北能源消费量远高于北京和天津(图5)。京津冀地区万元生产总值能耗均呈下降趋势,年均降幅分别为8.4%、6.11%、7.35%。虽然河北省的万元生产总值能耗年均降幅相对较高,但其万元生产总值能耗却远远高于京津地区(图6)。

图5 2006—2015年京津冀能源消费总量

图6 2005—2015年京津冀万元生产总值能耗

2006—2015年,京津冀地域能源消费结构逐步发生变化。北京市能源消费结构变化显著,煤炭、焦炭的消费比例持续快速下降,液化石油气、天然气、热力及电力快速上涨,汽油、煤油、柴油及燃料油则稳步增长(图7)。

图7 2006—2015年北京市能源消费结构

河北省的煤炭、焦炭在能源消费中占有绝对比重,2006—2015年虽然有所下降,但仍在80%—90%之间,液化石油气、天然气、热力及电力缓慢上涨,汽油、煤油、柴油和燃料油保持平稳(图8)。天津市长期以煤炭为主要消费能源,但近几年煤炭消费总量有所下降,呈现出向天然气和电力为主的能源消费结构方式转变的趋势(图9)。河北省能源消费及单位产值能耗远高于京津两地,且能源消费结构以重污染源的煤炭和焦炭为主。由于河北省以工业生产为主,存在能源消费量巨大、工业结构不合理等问题,导致环境污染严重,影响被其包围的京津两地。

图8 2006—2015年河北省能源消费结构

图9 2006—2015年天津市能源消费结构

1.3 京津冀的地理空间现状

大气污染空间传递效应主要受地理位置和气象条件影响,京津冀所处的“弧状山脉”地形对冷空气活动起到了阻挡和削弱作用,造成空气流动性较弱,由此导致区域内污染物滞留,区域外污染物入侵,形成大气环境重度污染。京津冀土地面积21.6万km2[18],北京仅占7.6%,而河北占86.9%,且紧紧包围着北京,京津冀的地理位置关系极大地加强了污染物区域传递效应。

2 河北省和北京市能源与环境现状

由于研究对象能选取的统计数据样本量较小,且不具备严格的规律性,所以本文选择灰色关联分析法计算各指标的综合关联度,对河北省、北京市的能源消费和GDP及空气质量状况进行了相关研究。

2.1 河北省工业能源消费情况分析

本文选择河北省工业能源消费的6大高耗能行业的能源消费量作为能源消费指标,分别是石油加工、炼焦和核燃料加工业,化学原料和化学制品制造业,煤炭开采和洗选业,非金属矿物制品业,电力、热力生产和供应业,黑色金属冶炼及压延加工业。同时，考虑到化工和钢铁行业对环境的影响程度较高,汽车制造业和计算机行业的发展势头强劲,在指标选取时加入化学纤维制造业、橡胶和塑料制品业、金属制造业、汽车制造业、计算机和其他电子设备制造业这五个行业,共11个行业构成河北省的能源消费指标,2005—2015的能源消费情况见表1。从表1可见,在能源消费量上黑色金属冶炼及压延加工业,电力、热力生产供应业能源消费量远远高于其他行业；其次是化学原料化学制品制造业,煤炭开采和洗选业,非金属矿物制品业,石油加工、炼焦和核燃料加工业的年能源消费量较大。

表1 河北省2005—2015年各工业行业能源消费趋势(万t标准煤/年)

注:数据来源于相关年份的《河北经济年鉴》和《河北省环境公报》。

在能源消费量走势上看,2005—2015年河北省的黑色金属冶炼及压延加工业,石油加工、炼焦和核燃料加工业,金属制品业的能源消耗量一直处于较快速的上升趋势,在2013年达到峰值之后开始波动并小幅下降；电力、热力生产和供应业的能源消耗量一直处于平稳的上升趋势,到2013年达到峰值之后小幅下降；化学原料化学制品制造业、煤炭开采和洗选业的能源消费量一直处于相对较平稳的波动状态,化学原料化学制品制造业的能源消费量在2014年达到1300万t标准煤峰值之后小幅下降;煤炭开采和洗选业于2012年达到峰值之后在900万t标准煤以上小幅波动；非金属矿物制品业的能源消费量一直在1000万t标准煤以上小幅波动,在2011年达到1300万t标准煤以上峰值之后小幅下降,但仍然在1000万t标准煤以上；化学纤维制造业、橡胶和塑料制品业、汽车制造业、计算机和其他电子设备制造业4个行业的能源消费量相比与其他几个行业的数值较小,并且分别在2005年、2010年、2011年、2010年达到峰值后都呈现能源消费量的下降趋势。综上所述,河北省的各个工业行业的能源消费量基本上都是在2010年之后分别达到峰值,之后都呈现小幅下降趋势,并没有出现明显的大幅度下降态势。

2.2 河北省能源消费总量、GDP和大气环境

河北省能源消费总量一直呈现出增长趋势,并于2013年达到峰值之后开始小幅下降,但基本上维持在近3万万t标准煤的稳定水平上。河北省GDP持续增长,到2012年开始增速放缓,总体上维持在稳定增长的水平上。在大气环境指标中,河北省PM2.5年日均值数据从2013起有统计值,之后每年都有所下降。2001年河北省SO2、NO2、PM10指标同时达到最低点,2013年又同时达到峰值;SO2持续下降,在2012—2013年开始上升,2013年之后下降,到2015年下降到2011年的水平;NO2呈现波动态势,于2012年开始上升,2013年达到最高值,之后稍有下降,但仍然高于2005—2012年来的历年值;PM10从2006年开始持续下降,到2012年开始上升,2013年达到最高值,之后稍有下降,但仍高于2005—2012年来的历年值。可见,除SO2外,其他两个指标依然居高不下(图10)。

注:数据来源相关年份的《河北经济年鉴》和《河北省环境公报》。

图10 2005—2015年河北省能源消费总量、GDP和大气环境趋势

注:数据来源于相关年份的《北京统计年鉴》和北京市统计局网站。

图11 2005—2015年北京市能源消费总量、GDP及大气环境趋势

2.3 北京市能源消费总量、GDP和大气环境

北京市能源消费总量长期以来呈现波动增长态势,在2012年达到峰值之后,近年的增长趋势放缓,总体上维持在7000万t标准煤以下的稳定水平上；GDP则表现出强劲的增长态势,2015年已达到2.3万亿元人民币。在大气环境指标中,北京市PM2.5年日均值从2013年有数据,一直处于上升的状态。就SO2、NO2、PM10大气环境评价指标而言,北京市的NO2排放量逐年下降;2013年SO2达到最低值之后保持上升态势,一直持续到2014年后稳定;PM10在2008年最低,之后呈逐年波动式上升到平稳态势,可见北京市大气环境质量依然严峻,亟待解决(图11)。

3 评价指标体系构建与模型选取

评级指标体系构建的科学与否直接影响模型的评价结果,因此本文在进行评价指标体系构建时,选取河北省工业能源消费、大气环境指标和北京市大气环境指标。指标选取遵循以下原则:一是可操作性原则,便于使用和科学计算;二是科学性原则,符合科学发展规律;三是可评价性原则,能客观地进行系统评价;四是简明性原则,简单明了易于理解[18]。

3.1 大气环境评价指标体系的确定

在进行空气质量监测时,一般应根据当地的具体情况,将区域内的主要污染物作为评价指标,常用指标有SO2、TSP、VOC、NO2、CO、PM2.5、PM10等。根据国家环境空气质量标准,鉴于数据的可获取性与相关性,考虑到PM2.5年日均值是从2013年之后才有可使用的官方数据,所以剔除该指标值。结合环境污染特征和数据的可获得性,大气环境指标选取为PM10、SO2和NO2三者的年日均值。

3.2 能源消费指标体系确定

本文根据河北省的能源消费情况,分析发现该省各工业行业能源消费量具有明显的差异性特征。2005—2015年河北省的化学纤维制造业、橡胶和塑料制品业、汽车制造业、计算机和电子设备制造业的能源消费总量与煤炭开采和洗选业、黑色金属冶炼及压延加工业等相比,总量较小(图10),因此在后文的关联度分析中不做考虑。本文选取石油加工、炼焦和核燃料加工业,金属制造业,化学原料和化学制品制造业,煤炭开采和洗选业,非金属矿物制品业,电力、热力生产和供应业,黑色金属冶炼及压延加工业7个工业行业的能源消费量作为本文的能源消费指标，这7个工业行业的能源消费总量之和占规模以上工业企业能源消费量的90%左右,基于“二八”原则,能源消费指标体系选取合理。

3.3 灰色关联度模型的构建和运用

关联度分析方法的使用是分别设置参考数列X0(k)和比较数列Xi(k)对原始数据进行无量纲化处理,求绝对差Δi(k)并分别找出绝对差的最大Δmax、最小值Δmin,计算关联系数ri、关联度ρi及综合关联度ρ[19]。我们对2005—2015年河北省大气环境指标、GDP、能源消费总量及7个工业行业能源消费量的统计数据进行整理,以变量X0(k)表示大气环境和GDP指标的参考序列,以变量Xi(k)表示7个工业行业能源消费量比较数列。通过构建灰色关联模型,分别考察河北省不同工业行业的能源消费量与河北省、北京市GDP和大气环境之间的关联度,并计算出各指标的综合关联度,最终对结果加以分析。

4 实证研究及相关分析

4.1 河北省能源消费与环境关联分析

基于河北省各工业行业能源消费指标和河北省的大气环境指标,采用2001—2015的数据,对河北省各行业能源消费量与其大气环境的关联度和综合关联度进行分析,见表2。

表2 河北省各工业能源消费量与其大气环境的关联度

综合关联度分析:基于各工业行业的性质不同,分别进行分析。综合关联度在0.83以上,化学原料和化学制品制造业,石油加工、炼焦和核燃料加工业对河北省的空气质量影响最大。综合关联度在0.8—0.83以上,煤炭开采和洗选业、非金属矿物制品业、金属制品业处于中等位置；综合关联度在0.8以下,电力、热力生产和供应业,黑色金属冶炼及压延加工业对河北省的空气质量影响相对较小。

关联度分析:对PM10年日均值影响较大的工业行业是金属制品业、石油加工、炼焦和核燃料加工业、化学原料和化学制品制造业、煤炭开采和洗选业。对SO2年日均值影响较大的工业行业是石油加工炼焦和核燃料加工业、化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业和煤炭开采和洗选业。对NO2年日均值影响较大的工业行业是煤炭开采和洗选业、化学原料和化学制品制造业、石油加工炼焦和核燃料加工业;黑色金属冶炼及压延加工业,电力、热力生产和供应业与其大气环境各指标关联度相对偏低。综上所述,黑色金属冶炼及压延加工业,电力、热力生产和供应业与其大气环境各指标关联度相对偏低。石油加工、炼焦和核燃料加工业,化学原料和化学制品制造业,煤炭开采和洗选业对大气环境指标的影响最大,需要各级部门给予关注并采取相应的措施。

4.2 北京市的大气环境关联度分析

基于河北省各工业行业能源消费指标和北京市的大气环境指标,采用2001—2015的数据,根据灰色关联分析模型,对河北省各行业能源消费量与北京市大气环境的关联度和综合关联度进行分析，见表3。

表3 河北省工业能源消费量与北京市大气环境的关联度

综合关联度分析:河北省各个工业行业的能源消费量与北京大气环境显著相关。基于各行业性质,分别进行分析。综合关联度在0.8以上工业行业是化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业，对北京市空气质量影响较大；综合关联度在0.7—0.8之间的是煤炭开采和洗选业,石油加工炼焦和核燃料加工业,电力、热力生产和供应业的影响中等。

关联度分析:对PM10年日均值影响最大的行业是非金属矿物制品业、化学原料和化学制品制造业、煤炭开采和洗选业;对SO2年日均值影响最大的工业行业是化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业;对NO2年日均值影响最大的工业行业是非金属矿物制品业、化学原料和化学制品制造业、石油加工炼焦和核燃料加工业、煤炭开采和洗选业。综上所述,金属制品与黑色金属冶炼及压延加工业与北京市大气环境各指标的关联度相对偏低、关联度相对较弱。化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业、煤炭开采和洗选业对大气环境指标的日均值影响最大,需要各级部门给予关注并采取相应的措施,加大治理力度。

4.3 结果讨论

通过构建指标体系和关联度分析,结果为:①河北各个工业行业能源消费对河北省大气环境影响较大的分别是石油加工、炼焦和核燃料加工业,化学原料和化学制品制造业，煤炭开采和洗选业;河北各个工业行业的能源消费与北京大气环境影响较大的分别是非金属矿物制品业、化学原料和化学制品制造业、煤炭开采和洗选业。在进行京津冀地区环境综合治理时,首选的行业就是化学原料和化学制品制造业以及煤炭开采和洗选业,这两个行业同时对河北和北京的大气环境有较大的影响。

5 结论及对策建议

通过构建能源消费和大气环境的指标体系,选择灰色关联度模型,采用2006—2015年的连续数据,对河北省各个工业行业的能源消费对河北省和北京市的大气环境的影响情况进行了定量分析,结论为:①河北省生产总值、第二产业和工业增加值分别约占京津冀的50%。虽然京津冀地区万元生产总值能耗持续下降,但能源消费总量却呈现缓慢上升趋势。基于区域角度,京津冀三地的地理位置相邻,河北土地面积是京津冀土地面积的87%,且紧紧包围着北京,河北省的工业污染具有空间传递效应,影响到北京市的大气环境。②河北省和北京市的能源消费总量和GDP总量持续稳步增长,且大气环境指标呈慢速波动式增长。河北省大气环境评价的各个指标在2011年达到最低点,2013年同时达到峰值。北京市的NO2排放量逐年下降;2013年SO2达到最低值,然后处于增长状态持续，到2014年后趋于稳定;PM10在2008年最低,之后逐年上升并趋于一个稳定值。③河北省各个工业行业的能源消费量对河北省和北京市的大气环境产生显著影响。④石油加工、炼焦和核燃料加工业,化学原料和化学制品制造业,煤炭开采和洗选业对河北省大气环境影响较大;化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业、煤炭开采和洗选业对北京大气环境影响较大。

为了促进京津冀地区大气环境协同治理,本文提出以下建议:①加快建立高效的区域大气环境联防联控机制。在京津冀地区要提高大气环境的治理效率,对河北省典型的工业行业分别进行污染源治理将具有显著的减排效应,所以要重点突破河北省的工业污染。②制定区域工业行业的环境治理标准。对PM10、SO2、NO2影响的行业不同,对不同的工业行业分别进行治理,针对性地降低大气环境的三个指标。③调整产业结构并进行产业转移升级。河北省化学原料和化学制品制造业、煤炭开采和洗选业对北京和河北两地的环境影响严重,因此应作为环境治理的重点。从两个方面进行综合治理,一方面调整产业结构,降低河北省的工业比例,提高第三产业比重;另一方面进行产业转移和升级,合理优化行业结构,降低这两个典型工业行业的过程污染和终端污染，并重新进行产业布局,通过提高技术和推进清洁生产工艺或转移到其他地区,降低京津冀地区的源头污染。

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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

国家社会科学基金面上项目“碳排放视角下超大城市绿色低碳发展路径研究”(编号：16BGL007);中央高校基本科研业务费专项项目“基于绿色发展视角的城市生态系统碳吸收及政策研究”(编号：PT1620)；国家电网公司科技项目“含大规模新能源发电的电力系统规划技术模型及综合评估方法研究”。

及通讯作者简介：任继勤(1963-),女,黑龙江省哈尔滨人,管理学博士,副教授,硕士生导师,研究方向为资源与环境管理、能源政策。