基于DEA-BCC模型的湖南省煤炭利用生态效率评价

薛静静，周 扬，史 军，叶芬梅，卢愿清，王 娜

(1.南京信息工程大学气候变化与公共政策研究院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学法政学院，江苏 南京 210044；3.湖南文理学院资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000)

0 引 言

湖南省是中部地区崛起“十三五”规划的重要省份之一，近年来经济快速发展的同时，出现了日益严峻的资源环境问题，尤其是秋冬季节雾霾天气频发。2005年和2015年湖南省一次能源生产中原煤占比分别为84.20%和60.76%，能源消费总量中煤品燃料的占比分别为68.51%和59.92%，煤炭在一次能源产消中的占比高于全国平均水平。2016年初以来，去产能成为煤炭行业的重点，国务院及相关部委陆续出台了多项相关政策，地方纷纷响应国家号召提出了各自去产能的目标。2017年5月湖南省提出力争到2018年底，将全省煤矿总数控制在200处左右。从目前国家能源利用形势来看，今后能源结构将逐渐向新能源倾斜，但短时间内煤炭的主要地位不会发生改变。煤炭消费对气候变化和环境污染的影响巨大，在世界各国各地区大力倡导发展生态文明的背景下，湖南省煤炭产业必须由“三高”粗放型发展模式转向集约型，走可持续发展之路，这对于湖南省经济进步和环保具有重大战略意义。那么湖南省煤炭利用是否可持续，与资源环境的协调关系如何，均需要合理有效的生态效率评价来给予解答。

生态效率由美国学者Schaltegger等[1]于1990年首次提出，其核心理念强调“经济效率和环境效益统一”，追求以最少的原材料、能源、生态环境投入获得最多的满足人类需求的产品，对开展循环经济和可持续发展应用研究具有积极进步意义，因此得到学术界和企业界的广泛认可，成为相关政策制定的重要参考。目前中国关于煤炭产业效率研究多停留在经济效率评价阶段，仅有少数利用DEA模型、主成分分析的数据包络(PCA-DEA)组合评价模型、非径向和非角度的SBM模型，对中煤集团下属的七家煤炭企业生态效率[2]、中国煤炭产业生态效率[3-4]、安徽省9个城市煤炭产业生态效率[5]进行了评价，对湖南省煤炭产业生态效率的研究更是未有涉及。因此，基于生态效率的基本理论和方法，评估湖南省煤炭利用生态效率，以期准确把握湖南省煤炭利用生态经济的运行状况，同时提出绿色发展对策建议，为湖南省煤炭产业可持续发展提供支撑。

1 研究区概况

湖南省常规化石能源贫乏，但煤炭相对丰富且分布较为广泛。2004年全省煤炭储量20.26亿t，2015年下降至6.6亿t，全省除岳阳外，其他13个市州的86个县市区均有煤炭资源。湖南省煤炭生产波动性比较强，2004年仅有2 168.72万t标准煤，2005年突增至4 848.73万t标准煤，之后至2009年相对稳定，大约保持于4 800万t标准煤，2010～2012年上升趋势明显，达到7 981.05万t标准煤，之后开始下降，2015年下降至3 000.55万t标准煤。湖南省煤炭消费量呈不断上升趋势，2004～2015年增长近一倍，由4 314.22万t标准煤上升至7 958.92万t标准煤，其中2011年达到峰值9 290.19万t标准煤。煤炭燃烧是SO2、烟(粉)尘、工业废气、CO2排放的重要来源，导致煤烟型大气污染和气候变暖。2004～2005年湖南省工业SO2(燃料燃烧)和工业烟(粉)尘排放量有所上升，之后至2015年呈较为明显的下降趋势，分别由57.4万t、122.2万t下降至32.39万t、41.24万t；工业废气排放总量(燃料燃烧)呈波动上升趋势，2004～2006年稳定于2 800亿m3左右，2008年上升至最高值7 308亿m3，2009年回落至4 373亿m3，之后至2015年呈小幅波动上升趋势，大约保持在5 500亿m3。除2008年略有下降以外，2004～2011年湖南省煤炭消费碳排放量由2 902.78万t快速上升至6 250.81万t，之后呈下降趋势，2015年下降至5 355.08万t。2004～2015年湖南省煤炭产量、消费量、CO2及污染物排放量见图1。

2 模型与指标

2.1 模型

2.1.1 DEA模型

DEA模型由著名运筹学家Charnes A等[6]于1978年正式提出。作为根据一组关于输入、输出的观察值来估计有效生产前沿面的一种统计分析方法，它可以用来评价多个决策单元的效率，也可以用来研究多种方案之间的相对有效性和预测一旦做出决策后相对效果如何，甚至可以用来进行政策评价，应用领域不断扩大。由最初不考虑规模收益的CCR模型，到考虑规模收益的BCC模型， 以及之后的CCGSS模型、 CCW模型、CCWH模型， DEA方法的模型不断的被完善和进一步发展。本文选用基于规模报酬可变的DEA-BCC模型[6]，湖南省煤炭利用的生态效率主要通过综合效率、纯技术效率和规模效率三项效率值得以反映。规模效率表示规模集聚水平，反映规模收益的变化情况，投入量偏大、偏小还是处在最适规模，规模过大或过小都将导致平均投入的增加；纯技术效率表示要素资源的配置、利用水平，反映对所投入资源的利用是否有效，输出相对输入的效率情况；综合效率反映要素资源的配置、利用水平和规模集聚水平，为以上两者的值相乘所得，两者共同决定了决策单元的综合效率水平[7]。另外，通过煤炭利用生态效率评价优化设计反映达到生态效率最优可以增加或减少多少投入或产出。

图1 2004～2015年湖南省煤炭产量、消费量、CO2及污染物排放量(资料来源：《湖南省统计年鉴》(2005～2016年);《中国统计年鉴》(2005～2016年);《中国环境统计年鉴》(2005～2016年))

2.1.2 CO2排放计算方法

CO2排放计算基本方法主要有3种：实测法、物料衡算法和经验计算法。借鉴“物料衡算法”中“投入某系统或设备的物料质量必须等于该系统产出的物质质量”的原理，利用“经验计算法”中通过碳排放系数测算CO2排放量的方法，同时考虑到能源消费和燃料燃烧的具体情况，来估算湖南省煤炭消费的CO2排放量[8]，见下式。

式中：EECO2表示能源消费导致的CO2排放量；EConi表示各类能源的消费量，i=1,2,3……，本文仅考虑煤炭的消费量；EFi表示各类能源的碳排放系数，其中煤炭为0.748 t碳/t标准煤[9]；Coi表示各类能源的碳氧化率，煤炭的碳氧化率为0.90[10]。

2.2 煤炭利用生态效率评价指标与数据

2.2.1 指标选取

一个地区某种资源的生态效率水平受多种因素的影响，如地理条件、气候状况、资源禀赋、经济结构、发展状态、科技和管理水平。就煤炭而言，其产业生态效率与其开发、加工、利用和消费的不同环节有关，本文将着重研究分析煤炭消费的生态效率，将其定义为煤炭高效利用下的经济福利增长最大化与生态环境影响最小化。综合考虑指标数据的可获取性，投入指标选取煤炭消费量，环境产出指标选取工业SO2排放量(燃料燃烧)、工业烟(粉)尘排放量、工业废气排放总量(燃料燃烧)、煤炭消费碳排放量，经济产出指标选取2004年基期区域不变价GDP。

2.2.2 数据

本研究以湖南省煤炭产业2004～2015年各年为评价单元，指标数据除CO2排放量外均来源于《中国统计年鉴》和《中国环境统计年鉴》。煤炭消费量数据来源于《中国统计年鉴》(2005～2016年)。名义GDP数据的纵向可比性不强，因此,根据《中国统计年鉴》(2005～2016年)的名义GDP数据，计算得出2004年基期区域不变价GDP作为经济产出指标的DEA基础输入数据。环境产出指标的工业SO2排放量(燃料燃烧)、工业烟(粉)尘排放量、工业废气排放总量(燃料燃烧)数据来源于《中国环境统计年鉴》(2005～2016年)，煤炭消费的CO2排放量数据根据“经验计算法”计算得出。生态效率追求环境有害物质排放的最小化，而DEA模型对决策单元开展效率评价是基于投入最小化或产出最大化，因此在输入DEAP2.1软件之前，先对环境产出指标数据取倒数值。

3 实证分析

3.1 生态效率分析

本文利用DEAP2.1软件，计算得出湖南省2004～2015年各年份的煤炭利用生态效率(表1)。表1中综合效率值即煤炭利用生态效率值，湖南省煤炭利用生态效率值介于0.636～1之间，2004年、2013年、2015年生态效率值为1，说明3个年份煤炭利用的生态效率DEA相对有效。煤炭利用生态效率DEA有效表明湖南省煤炭利用实现了煤炭消费投入水平下最小化了工业废气排放总量(燃料燃烧)等4个环境指标产出和最大化了GDP经济指标产出，投入产出效果较好，同时规模报酬不变表明规模处在最佳水平，煤炭资源配置、利用水平和规模都达到最优。除此之外的其他9个年份煤炭利用生态效率相对无效，说明煤炭资源配置、利用水平没有达到最优，或规模集聚水平偏低，需要通过改变其投入与产出才能达到煤炭利用生态效率的DEA有效。总体来看，湖南省煤炭利用生态效率值的变化相对平缓，生态效率最优年份相对其他年份有一定优势，但并非异常凸显，生态效率值的变化呈现先由大变小，后由小变大的特征。除2004年、2013年、2015年3个年份落在效率前缘面上， 其他9个年份都落在效率前缘面的右侧，但大部分年份的煤炭利用生态效率集中于高效区，无煤炭利用生态效率极低的情况出现。

表1 2004～2015年湖南省煤炭利用生态效率

注：drs、-分别为规模报酬递减和不变。

在生态效率无效的9个年份中，2012年实现纯技术效率有效，说明2012年湖南省纯技术绩效维持在较高水平，煤炭资源配置比较合理、利用水平较高，而规模无效对生态效率相对无效的影响较大，规模报酬递减更进一步表明，湖南省2012年生态效率无效的原因主要是煤炭利用规模过剩，存在投入冗余。其余8个年份的纯技术效率和规模效率均无效，且规模报酬递减，表明煤炭利用绿色化技术水平不高，煤炭资源配置存在不合理，如工业煤炭消费在煤炭消费总量中所占比重不断上升，2010年高达88.69%，且集中于高能耗、高污染的部门，同时运输中的污染、废弃物的直接排放等非“绿色”行为也造成湖南省经济发展与生态环境保护的失衡，并且存在煤炭利用规模过大，利用过程存在浪费。其中2005～2011年7个年份的生态效率值在湖南省煤炭利用生态效率值中最低，这与煤炭消费量的变化有重要关系，从图1可以看出，2005～2011年湖南省煤炭消费量大幅持续攀升，而与此同时湖南省洁净煤技术水平的提高和应用并不是特别显著，煤炭消费量大幅上升加剧了煤炭资源在行业部门之间分配的不平衡和利用各环节中的浪费。此外，除了2008年、2012年、2014年，其他生态效率无效年份的规模效率都略低于其纯技术效率，表明规模无效是湖南省煤炭利用生态效率无效的主要影响因素，且规模报酬递减说明规模过剩，纯技术效率无效的影响相对较低。规模无效说明湖南省煤炭产业在快速扩张的同时，资源利用浪费较为严重，规模无效扩张导致湖南省煤炭利用生态效率低下。

3.2 煤炭利用生态效率优化设计

煤炭利用生态效率优化遵循三条原则[11]：①DMU落在效率前缘面上是DEA有效的充分必要条件；②煤炭利用生态效率优化优先考虑污染物的排放控制与减少；③在实现DEA有效中，现实的客观条件不约束煤炭利用过程中的投入产出与实现DEA有效的各项投入产出指标。以湖南省12个年份为例优化每个DMU的松弛变量(煤炭消费减少量)和剩余变量(燃料燃烧的SO2、烟(粉)尘、工业废气排放减少量、煤炭消费碳排放减少量及2004年基期不变价GDP增加量)，结果见表2。与生态效率值相对应，湖南省煤炭生态利用的优化值也主要集中于2005～2011年。

2004年、2013年、2015年湖南省煤炭消费投入的生态产出效果最好，若使其他9个DMU煤炭利用生态效率有效，则需要调整优化他们的投入与产出方案。除2004年、2013年、2015年以外，其他9个年份都需要减少煤炭利用生态效率投入指标的量以实现DEA有效。其中7个年份都存在近1 000万t或1 000万t以上的煤炭消费节能潜力，2006年最高为2 870.27万t，另外，2012年和2014年2个年份仅有30多万t的节能潜力。总体来看，9个年份煤炭消费投入指标的松弛量呈下降的趋势。除2004年、2013年、2015年3年外，其他9个年份都需要调整煤炭利用生态效率产出指标的量以实现DEA有效。其中2005～2010年6个年份需要调整2个指标的量，2011年、2012年、2014年3个年份需要调整1个指标的量。就各单项指标而言，煤炭消费碳排放量和工业废气排放总量(燃料燃烧)的值在各年份都为0，实现DEA有效仅需调整工业SO2排放(燃料燃烧)、工业烟(粉)尘排放、2004年基期区域不变价GDP3项指标的量。其中2005年、2006年、2012年、2014年需分别减少500万t、1 000万t、500万t、1 000万t的工业SO2排放量，2005～2010年各年份工业烟(粉)尘排放的减少量介于200万～1 000万t之间，2007～2011年各年份GDP的增加量差异较大，最高为2008年需增加3 784.83亿元，最低为2011年需增加755.76亿元。工业烟(粉)尘排放、2004年基期区域不变价GDP 2项指标的调整量也呈下降趋势。

表2 2004～2015年湖南省煤炭利用生态效率评价优化设计

3.3 对策建议

“十三五”是煤炭发展转型的重要战略机遇期，湖南省煤炭产业绿色化发展在取得一定成就的同时也存在不少问题，如煤炭产业绿色化管理水平不够，绿色技术落后，政策实施效果差，专项资金不足与相关技术人才严重缺失等。应综合制度、生产、消费等方面开展煤炭产业绿色化改革，发挥政策、市场、人文等方面的综合作用致力于推动湖南省煤炭产业生态效率提升。

1) 建立绿色消费制度和树立煤炭绿色消费观念。严格执行《商品煤质量管理暂行办法》，推进供给侧改革，引导劣质煤产能有序退出，加快建设群矿选煤厂洗选设施，增加原煤入洗率，提高商品煤质量和利用效率。严格执行排污许可制度，加强细颗粒物排放控制，确保从价计征资源税落实，积极推行环境补偿税。逐步提高电煤在煤炭消费中的比重，推进燃煤电厂和煤电节能减排升级改造，继续加强对高能耗和产能严重过剩行业执行差别电价、惩罚性电价和阶梯电价政策，促进产业结构升级、化解过剩产能和淘汰落后产能。通过提高煤炭有效运输量等措施减少运输污染，提高煤炭综合利用率。加强地区间的交流与合作，建立“产学研”一体的煤炭清洁高效利用技术研发与推广平台，加强技术示范引领。公众绿色消费有利于促进煤炭企业进行绿色化生产，进而带动整个煤炭产业的绿色化发展。发挥新闻媒体舆论引导和政府的导向作用，加大对煤炭产业绿色化发展的宣传，促进公众形成绿色消费理念和绿色消费模式，发挥消费者对煤炭产业的市场引领作用，为煤炭清洁高效利用创造良好的社会氛围，进而促进煤炭企业走节约资源、高效清洁生产、循环经济的道路，提高资源利用效率，降低污染物的排放量。

2) 推进煤炭绿色化技术创新和发展循环经济。建立多元化资金支持方式，通过财政、税收、优惠信贷、绿色信贷、发债、专业化节能环保公司、民间资本设立股权基金、产业基金等融资政策，支持煤炭产业以技术创新为根本动力，大力发展洁净煤技术，纵向延伸煤炭产业链，从加工和利用环节提高煤炭消费效率，推动煤炭工业绿色低碳化发展。加强研发和推广型煤、水煤浆、流化床燃烧和先进燃烧器、消烟除尘和可资源化的烟气脱硫脱氮等直接燃烧洁净技术和煤炭液化、气化、煤气化联合循环发电等煤炭的洁净燃料转化技术。加强新突破的低阶煤分级转化技术的深化研究和推广，开展多种污染物协同控制技术、燃煤锅炉的高效燃烧和超低排放技术、高浓度CO2利用或封存技术研究及应用。发展煤炭产业循环经济对于煤炭产业绿色化十分重要，强化煤炭资源综合利用装备技术、节能降耗技术、废弃物再利用技术、减排技术、污染治理技术等方面的技术进步，鼓励大中型企业积极参与研发和相关技术推广应用，构建完善可行的煤炭产业循环经济技术支撑体系。

4 结 语

本文运用DEA-BCC模型对2004～2015年湖南省煤炭利用的生态效率进行了评价。研究表明2004～2015年12年间湖南省煤炭利用仅有2004年、2013年、2015年3年实现生态效率DEA相对有效，大部分年份生态效率DEA无效；除了2008年、2012年、2014年，其他生态效率无效年份的规模效率都略低于其纯技术效率，说明规模无效是湖南省煤炭利用生态效率无效的主要影响因素，除了煤炭资源配置存在不合理，煤炭绿色化利用技术水平有待提高以外，煤炭资源利用浪费也比较严重；湖南省煤炭生态利用的优化主要集中于2005～2011年。最后建议建立绿色消费制度，树立煤炭绿色消费观念，推进煤炭绿色化技术创新，大力发展循环经济，对湖南省煤炭利用绿色可持续发展具有现实指导意义。