南水北调中线工程河南段城市生态保护与经济发展的EKC检验

杨锦伟,张艺涵,刘笑笑,肖梦颖

(平顶山学院 数学与统计学院，河南 平顶山 467036 )

0 引言

2021年5月，习近平同志在南阳市“推进南水北调后续工程高质量发展座谈会”上强调要深入分析南水北调工程面临的新形势新任务，科学推进工程规划建设，提高水资源集约节约利用水平[1].南水北调中线工程河南段对沿线的郑州市、安阳市、南阳市等8个城市高质量发展和生态保护产生了有益影响，也提出了更高要求.

从经济与环境的关系角度看，张晓莉、夏衣热·肖开提[2]建立了四类新疆工业污染排放环境库兹涅兹曲线(EKC)，发现均呈现倒“N”型曲线特征.王树文、王京诚[3]构建了东、中、西部地区城市生活垃圾与经济增长的EKC，实证研究两者的非线性关系，东、西部呈倒“U”型，而中部呈“U”型.廉勇[4]基于全球12个主要国家碳排放数据，进一步对EKC进行阶段划分，提出经济层次与环境污染的两维度模型，将环境污染进程分为四个阶段.李竞等[5]探究京津冀及周边地区、长三角地区、珠三角地区不同污染程度城市，运用EKC模型全面分析经济增长与大气污染物SO2、PM10、NO2浓度演变之间的关系，得出京津冀及周边地区三项大气污染物与人均GDP呈倒“U”型和“U”型；长三角地区SO2、PM10浓度与人均GDP呈倒“U”型和“U”型，NO2浓度与人均GDP无相关关系；珠三角地区三项大气污染物与人均GDP均呈倒“U”型.

从研究地域角度看，陈晓清等[6]以宁夏回族自治区为例，对工业用水环境进行探究,定量解析工业用水EKC形成机制.程亮等[7]以山东省工业用水为例，采用二次模型、三次模型等分析工业用水与人均GDP关系，判断工业用水EKC形状,揭示“N”型EKC形成机制.何欢等[8]得出四川省工业“三废”与人均GDP的关系曲线呈倒“U”型.刘华晨[9]建立陕西省工业废水排放量和居民生活废污水排放量与人均GDP的EKC模型,并分析其相关性.关于河南省的研究，仅有魏民[10]运用层次分析法从气候、土地、植被、水网和污染等角度构建河南省生态环境质量评价指标体系，使用EKC模型探究人均GDP与生态环境质量间的计量关系和EKC表现形式.近期，李达等[11]对黄河流域的生态保护和高质量发展进行了EKC检验，但针对南水北调中线工程河南段沿线水资源等生态环境指标与经济发展的EKC检验尚未见相关研究.

因此，笔者以南水北调中线工程河南段8个沿线城市为研究对象,构建工业用水量、污水排放量与人均GDP环境库兹涅茨曲线模型,分析模型EKC曲线的走势形态,探讨生态保护与城市经济发展的关系.

1 模型与方法

环境库兹涅茨曲线(EKC)被用于揭示环境质量与经济指标之间的关系,能够反映环境质量与经济发展之间的动态演变规律.环境库兹涅茨曲线模型大体上有两种：简化式和结构式.在此选择简化式.

1.1 模型构建

环境库兹涅茨曲线一般模型形式为

Y=α+β1X+β2X2+β3X3+β4X4+ε.

(1)

而在实际的应用过程中，主要使用以下三种简化模型:

Y=α+β1X+β2X2+ε,

(2)

Y=α+β1X+β2X2+β3X3+ε,

(3)

Y=αeβx.

(4)

模型(1)、(2)和(3)中的X表示经济发展指标，Y表示环境相关指标，α表示常数，ε表示随机的误差项，β1、β2、β3和β4表示模型的待估系数.如果对β1、β2和β3取不同的值,那么EKC的走势与形状也会有所不同.模型(4)中的α和x均表示待估系数.

1.2 指标选取与数据来源

生态保护指标选取工业用水量、污水排放量,绿色经济发展指标选取人均GDP.数据来自2010—2020年《河南统计年鉴》《河南省环境统计年报》《河南省水资源公报》等.

1.3 数据处理

为定量得出不同变量间的方向和关系,需对不同城市的工业用水量、污水排放量与人均GDP进行Person相关检验.选取的指标数据检验均在 0.05 置信水平下,不同指标变量间的拟合程度较高,存在显著相关性.使用MATLAB对8个城市做EKC数据拟合,分别比较不同城市在两个模型下的曲线拟合程度,选择拟合度最高的模型作为该城市的EKC.使用R2检验对曲线拟合度进行判断,通常在70%以上的结果都能通过.为了剔除自变量个数对R2的影响，比较特定数据集不同模型的预测误差，引入调整的R2(AdjR2)和均方根误差(RMSE)，用于反应回归方程的拟合优度和衡量模型预测结果的标准.

2 EKC 模型实证分析

用环境库兹涅茨曲线方法拟合工业用水量、污水排放量与人均GDP之间的关系，表现出“N”型、倒“N”型等曲线形状，判断标准如表1所示.

表1 模型参数值与曲线形状

2.1 工业用水量EKC分析

对南水北调中线工程河南段8个沿线城市的工业用水量与人均GDP进行库兹涅茨曲线建模，分别拟合一次、二次、三次及指数模型，以R2越大拟合效果越好为选择标准，最优模型如表2所示.8个沿线城市的人均GDP和工业用水量数据拟合度较好,均通过R2的拟合度要求，通过数据处理得出的模型系数结果和拟合的曲线模型可以清晰地看出曲线的走势，将曲线走势分为两种类型并分析其内在变化规律.

2.1.1 “N”型趋势分析

EKC模型呈现“N”型,即在经济发展前期，人均收入不断增加的同时工业用水量也表现为先增后减.由表2与图1可以得出,平顶山市、新乡市、鹤壁市、安阳市4座城市的EKC呈现“N”型，在工业用水量与人均GDP的关系中对比二次曲线、三次曲线拟合程度最高,同时通过了模型R2检验,可直接作为推断EKC拟合曲线的主要依据.

表2 工业用水量与人均 GDP 模型估计结果

图1 工业用水量与人均GDP的“N”型代表性EKC

2.1.2 倒“N”型趋势分析

结合表2与图2可以得出，2010—2020年，郑州市、许昌市、南阳市、焦作市四座城市的EKC曲线通过RMSE检验、AdjR2检验和拟合度R2检验均呈现倒“N”型.在城市经济发展前期，由于工业科学技术的进步，水资源的回收利用率增强，工业用水量呈现下降趋势;在城市经济发展中期，随着工业行业迅速发展，工厂增多，生产需要大量的水，导致工业用水量大幅度上升，即EKC模型拟合曲线暂时呈现先减后增的“U”型走势;在城市经济发展后期，随着人均GDP的增加、技术水平的提升，工业用水量增速减缓，环境也得到了很好的改善.整体上，水资源环境与经济增长的曲线关系中伴随收入水平上升，水资源环境质量先改善再恶化，后复归改善.

图2 工业用水量与人均GDP的倒“N”型代表性EKC

2.2 污水排放量EKC分析

对南水北调中线工程河南段8个沿线城市的污水排放量和人均GDP进行库兹涅茨曲线(EKC)建模，分别拟合一次、二次、三次及指数模型，以越大拟合效果越好为选择标准，最优模型如表3所示.8个沿线城市的污水排放量与人均GDP的数据均通过R2的拟合度要求，EKC的模型适用性较高，以曲线形状及拟合程度为依据划分为两类情况：“N”型、倒“N”型.

表3 污水排放量与人均 GDP 模型估计结果

2.2.1 “N”型趋势分析

2010—2020年，南水北调中线工程河南段8个沿线城市的污水排放量与各年人均GDP的变化趋势类似.由图3可以看出,EKC呈“N”型的城市为鹤壁市、安阳市.在经济发展前期，伴随收入水平上升，污水排放量大幅度上升；在经济发展中期，随着工业行业结构的调整和工业技术的进步，污水排放量增速趋缓，即EKC模型拟合曲线暂时呈现先增后减的倒“U”型走势；在经济发展后期，污水排放量再次呈现上升的趋势.

图3 污水排放量与人均GDP的“N”型代表性EKC

2.2.2 倒“N”型趋势分析

结合表2与图4可以得出，2010—2020年EKC呈倒“N”型的城市有郑州市、许昌市、南阳市、焦作市、平顶山市、新乡市.这6座城市的发展进程中，在城市经济发展前期，伴随人均GDP指标的上升，污水排放量所反映的环境指标呈现下降趋势；在城市经济发展中期存在一个上升过程；在城市经济发展后期则再次呈现下降趋势.揭示了这6座城市在环境改善和水污染治理上的努力.整体上，污水排放量所代表的水资源环境与经济增长的曲线关系中伴随收入水平上升，水资源环境质量先改善再恶化，后复归改善.

图4 污水排放量与人均GDP的倒“N”型代表性EKC

3 结论与建议

3.1 结论

对南水北调中线工程河南段8个沿线城市的工业用水量、污水排放量和人均GDP进行EKC模型实证分析可知，目前工业用水量、污水排放量对8个城市生态质量的影响较大,与实际情况相符.由于8个城市的经济发展水平、工业发展速度及对环境质量的重视度等因素都决定了其生态环境质量.对其城市生态和经济指标进行研究分析,不同城市 EKC 存在差异：EKC呈现“N”型的城市，随着人均GDP增多,工业用水量、污水排放量指标所代表的环境质量压力较大；EKC呈现倒“N”型的城市其环境质量随复归改善，但仍需加强环保治理力度，坚守环保底线，防止反弹.

3.2 建议

在今后的经济发展过程中，首先，各地要高度贯彻落实习近平同志在推进南水北调后续工程高质量发展座谈会上的讲话精神，发挥好政府的主导作用，建立健全有利于水资源科学配置和高效利用的市场机制，同时对南水北调水实行成本核算，建立两部制水价政策，通过价格杠杆作用，进一步倒逼沿线产业结构调整和转型升级，推动高质量发展，加强水源区和沿线地区生态环境保护，对生态环境保护与经济高质量发展进行宏观性的把控与调节.

其次，秉承“十四五”规划纲要的指导方针，激励企业加大研发投入，支持产业共性基础技术研发，完善企业创新服务体系，强化工业企业的科学技术管理，加快实施工业型企业制造技术的优化与完善,提升工业资源的回收利用率与生产制造效率；严格按照工业污染物的排放标准进行生产，合理利用工艺技术对工业污染排放物进行高效降解，对工业污染物实行第二次回收利用,降低工业污染物的排放量.

最后，遵守自然规律，增强风险意识，坚持底线思维,合理利用资源，实现效率最大化，牢固树立绿色发展理念，充分尊重自然，注重生态保护，促进生态环境改善，防止生态问题再次反弹.