基于DEA模型的我國東部地區(qū) SO2有效削減比率研究

韓 新,王 遠,石 磊,曹 洋,陸根法

(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,南京 210093)

1 引 言

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,空氣污染特別是SO2污染越來越嚴(yán)重。2007年我國的 SO2排放已達到 2468.1萬噸[1]。由于 SO2的大量排放,我國成為世界上酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一。目前,雖然人們已經(jīng)開始意識到 SO2問題的嚴(yán)重性,并采取了一些減排措施,但是傳統(tǒng)的高投入、低產(chǎn)出發(fā)展模式使得 SO2排放量仍在繼續(xù)增長[2]。按照經(jīng)濟、政治情況,我國可以劃分為東部、中部和西部 3個區(qū)域。其中,東部地區(qū)包括遼寧、河北、山東、江蘇、浙江、福建、廣東和海南 8個省和北京、上海、天津 3個直轄市,是我國經(jīng)濟最為發(fā)達、工業(yè)化程度最高的區(qū)域,S O2排放量大,2007年的排放量為 967.2萬噸,約占全國 S O2排放總量的 37%[3]。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》中明確提出了單位 GDP能耗降低 20%和主要污染物排放總量減少 10%的指標(biāo),到 2010年,SO2排放量由 2005年的 2549萬噸減少到 2295萬噸。為實現(xiàn)這一目標(biāo),必須重視 SO2排放量的削減。削減 SO2的排放量是實現(xiàn)總量控制目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一,但是 SO2的大幅度削減將會阻礙經(jīng)濟的增長。由于各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡,如果制定一個統(tǒng)一的硬性削減標(biāo)準(zhǔn)是不合理的。因此,計算出一個既能提高環(huán)境質(zhì)量,又不阻礙經(jīng)濟發(fā)展的削減比率對環(huán)境決策的制定是十分重要的。

當(dāng)前國內(nèi)對 SO2的研究主要涉及到以下幾個領(lǐng)域：SO2的監(jiān)測[4,5]、通過工程措施進行的污染控制[6,7],SO2的生物效應(yīng)[8,9],SO2排放量的分配[10,11],SO2的管理和相關(guān)政策的研究[12～14]。然而,大多數(shù)文獻關(guān)注的是 SO2的控制和管理,基于空間差異性從經(jīng)濟和管理角度去探討 SO2削減的研究較少。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法 (DEA,data envelopment analysis)是一種基于相對效率的多投入多產(chǎn)出的分析方法,作為一種較新的有效性評估的非參數(shù)方法,DEA已經(jīng)引起了人們的關(guān)注,并被廣泛應(yīng)用于能源利用效率和環(huán)境效率的評估[15,16]。

在本研究中,將運用DEA方法計算中國東部各個地區(qū)的 SO2排放相對效率,由此計算出東部各個地區(qū)的 SO2有效削減百分比。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析 (DEA)

DEA模型形成于 20世紀(jì) 70年代[17],源于1957年 Farrell提出的非參數(shù)生產(chǎn)前沿函數(shù)[18]。模型中每一個被評價單位作為一個決策單元 (DMU, decision making units),眾多 DMU構(gòu)成被評價群體,通過對投入和產(chǎn)出比率的綜合分析,以 DMU的各個投入和產(chǎn)出指標(biāo)的權(quán)重為變量進行評價運算,確定有效生產(chǎn)前沿面,并根據(jù)各DMU與有效生產(chǎn)前沿面的距離狀況,確定各DMU是否DEA有效,同時還可用投影方法指出非 DEA有效或弱DEA有效DMU的原因及應(yīng)改進的方向和程度[19]。隨著決策單元集構(gòu)成的變化,各個決策單元的相對有效性也會發(fā)生相應(yīng)的變化。因為DEA模型不需要預(yù)先估計參數(shù),在避免主觀因素、減少誤差和簡化運算方面有著不可低估的優(yōu)越性[20]。

假設(shè)每個DMU的輸入是 E,輸出是M,則第 i個DMU的有效值由以下式子求得：

式中：θ為決策單元的有效值;λ是一個的常數(shù)向量;X,Y分別表示 E×N的輸入矩陣和M× N的輸出矩陣;xi、yi分別表示第 i個DMU的輸入向量和輸出向量。θ的取值范圍是 0到 1,如果θ =1,則表示該 DMU為生產(chǎn)前沿面上的一點, DMU有效。(1)式為規(guī)模收益不變的投入主導(dǎo)型模型,即 CRS模型[21]。而 VRS模型[22]則將綜合技術(shù)效率進一步分解為純技術(shù)效率和規(guī)模效率。本文采用的是 CRS DEA模型,并用輸入型模型進行了計算,得到了各個地區(qū) SO2排放的相對效率。

經(jīng)濟增長一方面導(dǎo)致了資源消耗的增加和諸如SO2等污染物的排放;另一方面增加了人們的收入,使人們對環(huán)境質(zhì)量的要求更高,更加關(guān)注環(huán)境保護。因此,對于決策者來說,要想保持經(jīng)濟的健康持續(xù)增長,必須同時考慮到經(jīng)濟的增長和有效的污染控制。本文將運用DEA模型構(gòu)建基于全要素生產(chǎn)力假設(shè)的經(jīng)濟生產(chǎn)函數(shù),計算各個地區(qū)的 SO2排放效率。通過這個函數(shù),對某一地區(qū)在 SO2排放量最小化的情況下使 GDP產(chǎn)出最大化的能力進行評估。通過計算 SO2有效排放量和實際排放量之比,找出符合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)前沿的 SO2有效削減百分比。這一比率不僅在技術(shù)上是可行的,也不會限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的潛力。

2.2 研究數(shù)據(jù)

選取經(jīng)濟生產(chǎn)力分析中常用的勞動就業(yè)和資本存量以及 SO2排放量作為 DEA模型的輸入指標(biāo), GDP作為輸出指標(biāo)。勞動就業(yè)和 GDP的數(shù)據(jù)從中國統(tǒng)計年鑒[3](1991～2008)獲得,SO2排放量來源于中國環(huán)境年鑒[1](1991～2008)。GDP數(shù)據(jù)以1990年不變價表示。由于資本存量的數(shù)據(jù)無法從統(tǒng)計資料中直接獲得,本文中各個地區(qū)每年的資本存量數(shù)據(jù)采用張軍等人的研究成果[23],用 1952年不變價表示。表 1為DEA計算中所采用的輸入和輸出指標(biāo)。

2.3 有效削減百分比計算

用DEA模型對東部11個地區(qū)第 i年的數(shù)據(jù)進行計算,得出第 r個地區(qū)第 i年 SO2排放量的相對效率,用這一數(shù)值作為 r地區(qū)第 i年的 SO2排放效率指數(shù)。SO2排放有效削減量用 SO2實際排放量減去 SO2有效排放量算得。SO2有效排放量可通過下式得到：

表1 中國東部 11個地區(qū) 1990～2007年間的輸入和輸出數(shù)據(jù)Tab.1 Input and output data of 11 regions in Eastern China from 1990 to 2007

有效削減百分比可通過下式求得：

r是地區(qū)編號,i代表各個年份。由于 SO2實際排放量不會小于有效排放量,因此有效削減百分比值介于 0到 1之間。有效削減百分比值越大,則表明可削減的 SO2排放量越多。如果有效削減百分比值為 0,說明 SO2排放是相對有效的。本文采用Coelli的DEAP2.1軟件來計算各個地區(qū)每年 SO2排放量的相對效率值。

3 結(jié)果與討論

表2為東部 11個地區(qū) 1990～2007年的 SO2有效削減百分比計算結(jié)果。從表中可以看出,除河北和山東外,東部各個地區(qū)的 SO2有效削減百分比年平均值均小于 30%。東部地區(qū)平均 SO2有效削減百分比從 1990年的 14.67%下降到了 2007年的9.28%,1990～2007年間的年平均有效削減百分比是12.46%。

表2 中國東部 11個地區(qū) 1990～2007年間的 SO2有效削減百分比Tab.2 Rational SO2abatement rate of 11 regions in Eastern China from 1990 to 2007

東部地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域,1990年以來 GDP常常達到全國總量的一半。2007年東部地區(qū)的人均 GDP是 35369元,是全國平均水平(18934元)的 1.87倍。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人們的環(huán)境保護意識也逐漸提升。2005年,東部地區(qū)用于 SO2管理和控制的投入為 136.5億元人民幣,占到全國總量的 64.08%[1]。由于東部地區(qū)總體上經(jīng)濟增長快速,生產(chǎn)技術(shù)先進,環(huán)境管理有效,有效削減百分比一直維持在較低水平。

圖1990 ～2007年東部地區(qū)平均SO2有效削減百分比變化Fig. Average rational SO2abatement rate in Eastern China from 1990 to 2007

從上圖可以看出,東部地區(qū)的 SO2有效削減百分比處于不斷下降的趨勢。1998年以前東部地區(qū)平均有效削減百分比值一直處于相對較高的水平,基本上都是 14%以上。從 2000年開始到 2007年,削減百分比值一直較低,均在 10%左右,自 2005年之后降低到了10%以下。

SO2有效削減百分比的不斷下降與我國在 SO2的污染控制上所采取的措施是分不開的。1988年和 1989年我國先后頒布實施了《大氣污染防治法》和《環(huán)境保護法》。1992年,我國頒布了《征收工業(yè)燃煤二氧化硫排污費試點方案》,確定在貴州、廣東兩省及重慶、宜賓、南京、桂林、柳州、宜昌、青島、杭州、長沙等9市開展 SO2排污收費的試點工作。1998年,國務(wù)院批復(fù)了《酸雨、二氧化硫“兩控區(qū)”劃分方案》。根據(jù)這一方案,兩控區(qū)內(nèi),新建、擴建排放 SO2的火電廠和其他大中型企業(yè),超過規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)或者總量控制指標(biāo)的,必須建設(shè)配套脫硫、除塵裝置或者采取其他控制 SO2排放、除塵的措施。2000年,國務(wù)院修訂了《大氣污染防治法》,推行煤炭洗選加工,降低煤的硫份,限制高硫煤的開采,鼓勵企業(yè)采用先進的脫硫技術(shù),改進能源結(jié)構(gòu),推廣清潔能源的生產(chǎn)和使用。

上海是東部地區(qū)中最為發(fā)達的地區(qū),技術(shù)也最為先進,2007年的人均 GDP為 6.64萬元,環(huán)境保護投資達 366.12億元。廣東省也是東部地區(qū)最為發(fā)達的地區(qū)之一,2007年的人均 GDP為 3.32萬元,2006年完成工業(yè)污染廢氣治理投資 15.51億元,因此,在 1990～2007年期間,這兩個地區(qū)的有效削減百分比值一直為 0。福建省的煤炭消費量較少,2006年的消費量為 5395萬噸,用于工業(yè)污染廢氣治理的費用為 6.53億元,SO2削減百分比也一直為 0。海南省的第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達,在生產(chǎn)總值中占了較大的比重,2007年第二產(chǎn)業(yè)在全省 GDP中僅占29.80%。工業(yè)污染輕,煤炭消耗量小,2006年海南省的煤炭消費量僅有 332萬噸,SO2排放量少,因此,SO2有效削減百分比也一直為0。

由于DEA模型計算的是相對效率,而并非絕對效率。所以,雖然上海、廣東、福建、海南這 4個省市在 1990～2007年之間的 SO2有效削減百分比一直為 0,但也只是相對于東部地區(qū)其他省市的排放效率高,并不代表就無需削減。這些省市也應(yīng)該通過改進技術(shù)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等手段減少污染排放。

河北和山東這兩個地區(qū)經(jīng)濟相對東部其他地區(qū)較為不發(fā)達,2007年的人均 GDP分別為 1.99萬元和 2.78萬元。而且均屬于重工業(yè)基地,對于煤炭需求量大,煤炭生產(chǎn)和消費量均較大,2006年這兩個地區(qū)年總煤消耗量分別占東部地區(qū)消耗量的17.33%、23.54%,SO2排放量大。所以,SO2有效削減百分比年平均值分別為 39.81%和 32.00%,是東部地區(qū)最高的。

區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不平衡、技術(shù)和管理水平的差異以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不同,導(dǎo)致了 SO2排放效率的差異性。通過上面的分析可以看出,經(jīng)濟越發(fā)達、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越優(yōu)化的地區(qū),有效削減百分比值越低。上海、廣東、福建和海南 4個地區(qū)的有效削減百分比最低,說明 SO2排放是最有效的,而河北和山東的有效削減百分比最高,說明需要削減更多的 SO2排放。所以應(yīng)該特別強調(diào)這兩個地區(qū)的削減,需要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推廣清潔能源來提高 SO2排放的效率。應(yīng)該高度重視通過加強燃煤發(fā)電廠的管理、推廣潔凈煤技術(shù)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)控制 SO2的排放,以利于今后實現(xiàn)合理的排放削減。

4 結(jié) 論

本文利用DEA方法計算了我國東部地區(qū) 11省市 1990～2007年間基于區(qū)域生產(chǎn)前沿的 SO2排放有效削減百分比。計算結(jié)果顯示,SO2有效削減百分比與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展情況和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)狀況密切相關(guān),總的來說,經(jīng)濟越發(fā)達、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越優(yōu)化的地區(qū),有效削減百分比越低。上海和廣東、福建、海南的削減百分比最低,一直為 0,北京、天津、浙江、江蘇較低,平均 SO2有效削減百分比分別為13.83%、15.31%、18.36%、21.14%,而河北、山東最高,平均 SO2有效削減百分比分別為39.81%和 32.00%。所以,在東部地區(qū)當(dāng)中,北京、天津、浙江、江蘇等地在發(fā)展經(jīng)濟的同時,應(yīng)該重視環(huán)境問題,加強對污染物的管理和控制,進一步削減 SO2排放量。河北和山東是東部地區(qū)中SO2有效削減百分比最高的,應(yīng)該著重加強這兩個地區(qū)的削減,通過改進生產(chǎn)技術(shù)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推廣潔凈煤技術(shù)等控制 SO2的排放。

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