“中四角”工业废水排放时空格局演变及其重心迁移研究

胡绵好， 赵 蕾， 袁菊红， 陈 拉

(1. 江西财经大学 生态文明研究院, 江西 南昌 330013; 2.江西财经大学 旅游与城市管理学院,江西 南昌 330013; 3.江西财经大学 艺术学院, 江西 南昌 330013)

1 研究背景

随着城市化的发展，城市水环境污染问题日渐突出，而水环境污染的主要来源为工业废水和生活废水[1]。在水资源严重匮乏和水污染日益加剧的情况下，工业废水因具有排放量大、处理集中的特征已成为节能减排和水环境治理的重点管控对象[2]。随着城市化进程加快和城市规模的扩大，工业产业的区位随之转变，工业废水排放格局也正发生变化。一方面由于我国在“十一五”和 “十二五”期间大力推进环境治理，化学需氧量、氨氮等污染物排放总量趋于减少；另一方面，随着部分制造业开始从沿海地区向中西部地区转移[3-6]，导致制造业的分布格局发生变化，这直接影响到工业水污染排放的空间格局。据国家环保部统计，2007 年至 2014年，东部地区工业废水排放量占全国的比例从49.74%下降到48.82%，中部地区工业废水排放量占全国的比例从20.74%上升到23.16%，西部地区工业废水排放量占全国的比例从22.49%下降到19.50%。虽然对工业污染物排放的空间认知及重心迁移是制定环境污染控制和区域产业发展规划的科学基础[7]，但目前的环境统计还不能提供分区城市工业的污染物排放数据，故不能可视区域城市工业污染物排放的空间格局及其重心迁移演变情况。鉴于此，采用ESDA方法、GIS 技术和重心空间模型，分析“中四角” 35个城市工业废水排放的时空特征及其重心迁移特征，明确城市群内工业废水排放联防联控重点区域，为防控策略的进一步优化和完善提供切实可行的对策建议，亦为进一步探究工业废水排放重心迁移机理提供科学支撑。

2 研究区概况

“中四角”(即长江中游城市群)是以武汉、长沙、南昌、合肥四大城市为中心的超特大城市群组合(图1)，国土面积约31.7×104km2，拥有人口超过1.2×108，分别约占全国的3.3%、8.8%。2015年4月5日国务院批复实施 《长江中游城市群发展规划》，这是继《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》出台后的首个跨区域城市群规划，是全方位深化改革开放、促进中部地区崛起战略和推进新型城镇化的重点区域。2018年“中四角” GDP达80057×108元，人均GDP达10.48×104元，远高于中部地区的平均水平，整体保持平稳增长的趋势。

“中四角”规模以上工业企业众多，均占各省规模以上工业企业总数的六成以上[8]，因工业废水排放行业集中度高且排放强度较大，从而导致各城市在废水排放总量控制及其处理方面差异较大。在城市水环境保护与工业发展的双重压力下，“中四角”只有加强各城市联动合作[8]，建立统一的生态保护标准和污水排放标准，联合制定长江中游水环境保护规划，来共同解决目前所面临经济发展和水环境生态保护的难题。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

3.1.1 ESDA方法 空间自相关(Spatial Autocorrelation)分析是探索性空间分析(ESDA)方法的重要内容，是研究某一区域属性时空格局演变的常用方法[9]，通常用Moran′sI指数来表示，包括全域型和区域型两种。

(1)全局型(Global Spatial Autocorrelation)。该指数用于描述某一属性在总体空间内是否存在集聚性状态[10]，计算公式为:

(1)

(2)局部型(Local Spatial Autocorrelation)。该指数可将全局型的 Moran′sI指数分解到各个组成单元，结合LISA(Local Indicators of Spatial Association)方法测度以每个组成单元为中心的一小片区域的聚集或离散效应，并识别局部空间集聚(热点或冷点)与离群点，揭示其空间异质性，计算公式[12]为：

Ii=Zi∑(WijZj)

(2)

(3)

(4)

式中：Ii为地区i的局部Moran′sI指数;Zi和Zj为经过标准差标准化的观测值，其他字母所代表的含义与公式(1)相同。Ii为正则表示同样类型属性值的要素相邻近呈现高-高或低-低的空间集聚区；Ii为负则表示不同类型属性值相邻近呈现高-低或低-高的空间集聚区；Ii的绝对值越大，其邻近程度越大。

3.1.2 重心迁移模型

(1)几何重心测算。将研究区中的35个城市视为同级别区，设第i个次区域的中心城市地理坐标为设为(Xi，Yi)，每个城市都有其对应的多重属性(Wi)，由力学可知，该区域某种属性的重心的坐标[13]为：

(5)

(6)

式中：X、Y分别为第n年特定属性中心坐标的经度(Longitude)和纬度(Latitude)；Xi、Yi分别为第i个城市中心的经、纬度坐标；Wi为第i个城市某的属性值。

(2)偏移距离计算。重心位置确定后，可从重心移动方向与移动距离来分析重心的迁移特征。重心偏离方向表示经济社会活动属性空间现象的“高密度”部位，重心偏离距离表示经济社会活动属性空间的均衡程度[14]。

①移动方向：重心移动方向以2006年为起点，第t年重心坐标为(longt，latt)，第t+1年重心坐标为(longt+1，latt+1)，第t+1年相对于第t年的重心偏移角度为θ，则计算公式[13]为：

θ=θ(t+1)-t

(7)

式中：n=0，1，2。并将弧度转化为角度θ，则θ∈(-180°，180°)且规定正东方向为0°；逆时针为正，即第一象限(0°，90°)(东北方向)、第二象限(90°，180°)(西北方向)为正；反之顺时针为负，即第三象限(-180°，-90°)(西南方向)，第四象限(-90°，0°)(东南方向)为负。

②移动距离：d为第t+1年相对于第t年重心移动的距离，计算公式[13]为：

d=d(t+1)-t

(8)

式中: 常数C=111.111，代表由地球表面坐标(单位 0°)转化为平面距离(单位 km)的系数[15]。

3.2 数据来源

研究时段为2006-2017年，研究单元为“中四角”35个城市(因仙桃市、潜江市、天门市、襄阳市和宜昌市5个城市数据资料难以获取，故在本研究中未考虑)。工业废水排放量相关数据来源于2006-2017年的《中国城市统计年鉴》。基于前期研究[16]，选取“中四角”地区生产总值、人均生产总值、工业生产总值和总人口数等指标进行分析，其中以1999年不变价(1999年值取为100)计算三次产业的生产总值，并将其计算后的生产总值之和作为“中四角”35个城市地区生产总值；用国内生产总值除以人口数表示人均生产总值，以当年价格计算出的生产总值表示工业生产总值；用常住人口表示总人口数。以上相关数据均来自2006-2017年的《中国城市统计年鉴》，且通过查找各省、市的统计年鉴来补全《中国城市统计年鉴》中缺失的部分数据。

4 实证与分析

4.1 “中四角”工业废水排放量时序特征分析

图2为2006-2017年“中四角”工业废水排放量。由图2可知，2006-2017年“中四角”工业废水排放总量逐年减少；其中2006-2017年湖北省工业废水排放总量呈小幅减少趋势，在2012年达排放高峰，随后持续减少；湖南省工业废水排放量一直呈减少趋势；江西省工业废水排放量呈增大-减少-增大-减少-增大-减少的不稳定变化趋势；安徽省工业废水排放总量呈先增大后减少的趋势，且是“中四角”工业废水排放总量最低的省份。从数量上看，2006-2017年“中四角”工业废水年排放总量从24.53×108t减至15.13×108t，减少38.32%；其中湖北省工业废水排放总量从6.12×108t减至3.32×108t，减少45.75%；湖南省工业废水排放量从9.80×108t减至4.13×108，减少57.86%；江西省工业废水排放量从4.97×108t减至4.84×108t，减少2.62%；安徽省工业废水排放总量从3.63×108t减至2.84×108t，减少21.76%。由此可见，“中四角”各省工业废水排放总量减少最大是湖南省，其次是湖北省，而江西省减少幅度最小。董玉竹[17]研究也发现，由于目前对环境的监控政策力度不够，治理投入不足而致使江西省工业废水排放仍然处于增长的趋势。

图2 2006-2017年“中四角”工业废水排放量

4.2 “中四角”工业废水排放量空间格局分析

4.2.1 空间格局演变分析 选取2006、2010、2014和2017年，运用 ArcGIS10.5的空间统计模块将“中四角”各城市工业废水排放量按照自然断裂点从高到低划分为5类(图 3)，单位为108t，分别为低排放( 0.06，0.33]、较低排放(0.34，0.51]、中等排放 (0.52，0.72]、较高排放(0.73，1.37]、高 排 放 (1.38，2.70]。研究发现，“中四角”的多数城市工业废水排放量呈下降趋势，空间格局特征明显且呈现西南从高到低而中东从低到高的演变特征(图 3)。2006年，高排放类型有武汉、娄底和常德3个城市，其中武汉工业废水排放量高达2.60×108t，位居“中四角”之首；较高排放类型则分布在马鞍山、黄石、九江、南昌、岳阳、益阳、湘潭、株洲、衡阳和郴州等10个城市；合肥、六安、孝感、荆门、荆州、景德镇、鹰潭、新余和吉安等9个城市为中等排放类型；较低排放类型包括芜湖、铜陵、安庆、黄冈、上饶、抚州和长沙等7个城市；而低排放类型仅有池州、黄山、鄂州、咸宁、宜春和萍乡等6个城市。2010年，“中四角”有超过57%的城市工业废水排放量在不同程度上呈下降趋势，其中最明显的是2006年为高排放类型的娄底和常德市降为较高排放类型，马鞍山、黄石、九江、益阳、株洲、衡阳、郴州等7个城市由较高排放降为中等排放，而吉安由中等排放升为较高排放，宜春由低排放升为较低排放。2014年，“中四角”有8个城市(娄底、六安、荆门、吉安、鹰潭、黄石、益阳和湘潭)的工业废水排放量呈现了不同程度下降趋势，益阳和湘潭由较高排放降为中等排放，六安由中等排放降为低排放等；而荆州、景德镇、铜陵、安庆、上饶、宜春、九江、南昌、岳阳等9个城市的工业废水排放量出现不同程度上升，其中九江、南昌和岳阳由较高排放升为高排放，荆州由中等排放升为高排放等。2017年，“中四角”工业废水排放量除上饶上升外，武汉、常德、娄底、黄石、抚州、益阳、湘潭、株洲、衡阳等20个城市出现不同程度下降。由此可见，2006-2017年“中四角”工业废水排放量城际空间格局演变较为明显，特别在2017年间。这可能由于“十三五”期间，为响应加快城市群建设发展的国家要求，促使跨区域城市群间的基础设施、产业分工、环境保护及生态治理等联动合作，促进鄱阳湖、洞庭湖生态经济区和汉江、淮河生态经济带建设[18]。而城市群的大中城市在加快产业转型升级，形成了资源环境可承载的区域协调发展新格局。

4.2.2 空间集聚特性分析 由表1可知，从全局Moran′sI指数来看，P值并未通过 5%水平的显著性检验。2006-2017年“中四角”35个城市的工业废水排放量总体上不存在明显的空间集聚趋势，呈现空间随机分布的态势，说明工业废水排放在邻近空间并不存在扩散效应。然而全局莫兰指数表示的是总体自相关统计量，则无法说明具体城市工业废水排放的空间集聚分布程度[19-20]，因此要确认“中四角”35个城市工业废水排放量是否存在局部集聚现象，还需要结合局部 Moran′sI指数的 LISA 集聚图来识别。

图3 “中四角”工业废水排放量的空间格局演变

表1 “中四角”工业废水排放的全局Moran′s I 指数

结合 Moran 散点图和局部Moran′sI指数，得出2006-2017年“中四角”35个城市的工业废水排放量LISA 集聚图，如图4所示。

图4明显地显示了“中四角”各城市工业废水排放量的集聚类型，且每年的集聚单元均位于不同的区域。本研究在参考孙才志等[20]的研究基础上将35个城市划分为4种类型，分别为低低集聚区(LL)、低高集聚区(LH)、高低集聚区(HL)和高高集聚区(HH)，以更直观地反映“中四角”各城市工业废水排放量的空间关系特征，这些集聚区虽在空间位置上基本保持不变，但其空间范围随着时间的变化而改变[19-20]。

(1)低低集聚区(LL)。多数聚集在“中四角”的东部地区，其中安庆、池州、黄山、景德镇几个城市在研究期间有较明显的集聚现象，形成了一个工业废水排放的低值区域。随着时间的推移，“中四角”35个城市工业废水排放的低低集聚区逐渐减少，说明各城市地理空间上的连续性在逐渐降低。

(2)低高集聚区(LH)。低高集聚现象较为显著，主要集中在以咸宁为中心的中部区域，表明该区域自身工业废水排放较低，而周边城市工业废水排放较高。2006-2014年间荆州由低高集聚转变为高高集聚，最后转为不显著的集聚趋势，而益阳则与之相反，由高高集聚转变为低高集聚；其他地区的工业废水排放量不存在显著的集聚特征。

(3)高低集聚区(HL)。2006-2014年间景德镇由低低集聚转变为高低集聚，说明景德镇在2014年产生了自身工业废水排放较高，邻近城市排放较低的情况。景德镇在2014年工业废水排放达到0.64×108t，较上一年增长60%，而邻近区域池州和黄山的工业发展水平一直不高，故废水排放处于较低水平。

(4)高高集聚区(HH)。2006年高高集聚区主要集中在益阳和衡阳两个城市，说明这两个城市的工业废水排放量较高，同时这两个城市周边的城市工业废水排放量也较高[11]，在局部形成了明显空间集聚特征；而2014年，高高集聚的城市只有荆州市，说明在2006-2014年间工业废水的高排放呈现由南向北扩散现象。

图4 “中四角”工业废水排放量的LISA集聚图

2006-2017年“中四角”工业废水排放在局部空间集聚趋势发生明显变化，但只有低高集聚类型较为显著，说明总体上工业废水排放量在大幅减少，这也从侧面印证了工业废水排放空间格局演变的研究结论。

4.2.3 空间重心迁移轨迹分析 以“中四角”各城市为基本统计单元，取Xi、Yi为各城市地理中心的经度和纬度，Wi为各城市历年工业废水排放(108t)和工业总产值，利用重心模型计算工业废水排放和工业总产值重心的空间移动方向和距离(表2)，同时绘制出工业废水排放和工业总产值重心迁移轨迹图(图5)。2006-2017年间“中四角”工业废水排放重心主要在东经114.38°E～114.95°E，北纬29.18°N～29.34°N区域内移动(图5)，其中向东北平均移动5次，移动频率为50%，表明“中四角”该区域的工业废水排放比重在逐渐上升(表2)。具体从移动方向看，2000-2014年间工业废水排放重心向高经度、低纬度方向移动，2015-2017年间工业废水排放重心向高经度、高纬度方向移动(表2)；从移动距离看，2006-2017年“中四角”工业废水排放重心向东北方向共移动了107.88 km，其中2007年重心向东南方向移动的距离最大，达22.63 km，表明“中四角”东南部工业废水排放加重；而2010年重心向东北方向移动的距离最小，为1.53 km，表明“十一五”期间“中四角”工业废水排放重心趋于稳定，工业废水排放量已得到有效的控制。

图5 “中四角”工业废水排放量与工业总产值重心迁移轨迹

由表2还可知，2006-2017年间“中四角”工业总产值重心总体向西北方向移动，移动总距离为94.39 km，其中2011年向西南方向移动了33.49 km，2012年向东北方向移动了27.47 km，其他年份重心移动轨迹变化较小。结合图5可知，2006-2017年间“中四角”工业总产值重心与工业废水排放重心均偏离几何中心(114.96°E，29.28°N)，工业总产值重心基本位于几何中心的西北方并逐渐偏离，而工业废水排放重心基本位于几何中心的西南方并逐渐向几何中心(东方)靠拢且移动速度明显高于工业总产值重心偏移速度，这表明“中四角”工业废水排放重心和工业总产值重心迁移轨迹存在脱钩现象[21]，具体驱动机制还亟待下一步深入剖析。

表2 2006-2017年“中四角”工业废水排放和工业总产值重心移动方向和距离

5 结论与建议

(1)2006-2017年“中四角”工业废水排放总量逐年减少，其中减少最大是湖南省，其次是湖北省，而江西省减少幅度最小。

(2)2006-2017年间“中四角”多数城市工业废水排放量的空间分异特征较为明显，总体呈现西南从高到低，而中东从低到高的演变特征。2006-2017年总体上“中四角”工业废水排放量不存在明显的空间集聚趋势，空间自相关性不强；工业废水排放的LL集聚区主要集中在“中四角”的东部地区，如池州市、黄山市及景德镇市这些以旅游业为主要产业的城市，HH集聚在2006-2014年期间，工业废水的高排放呈现由南向北的扩散趋势，而2017年只有LH集聚较为显著，主要在“中四角”的中部城市咸宁。

(3)2006-2017年间“中四角”工业废水排放重心主要在东经114.38°E～114.95°E，北纬29.18°N～29.34°N区域内移动，向东北平均移动5次，移动频率为50%，总体移动距离为107.88 km；其中2007年重心向东南方向移动的距离最大(达22.63 km)，而2010年重心向东北方向移动的距离最小(为1.53 km)；“中四角”工业总产值重心总体向西北方向移动，移动总距离为94.39 km，其中2011年向西南方向移动了33.49 km，2012年向东北方向移动了27.47 km，其他年份重心移动轨迹变化较小。2006-2017年间“中四角”工业总产值重心基本位于几何中心的西北方并逐渐偏离，而工业废水排放重心基本位于几何中心的西南方并逐渐向几何中心(东方)靠拢且移动速度明显高于工业总产值重心偏移速度。