“中四角”工業(yè)廢水排放時空格局演變及其重心遷移研究

胡綿好， 趙 蕾， 袁菊紅， 陳 拉

(1. 江西財(cái)經(jīng)大學(xué) 生態(tài)文明研究院, 江西 南昌 330013; 2.江西財(cái)經(jīng)大學(xué) 旅游與城市管理學(xué)院,江西 南昌 330013; 3.江西財(cái)經(jīng)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330013)

1 研究背景

隨著城市化的發(fā)展，城市水環(huán)境污染問題日漸突出，而水環(huán)境污染的主要來源為工業(yè)廢水和生活廢水[1]。在水資源嚴(yán)重匱乏和水污染日益加劇的情況下，工業(yè)廢水因具有排放量大、處理集中的特征已成為節(jié)能減排和水環(huán)境治理的重點(diǎn)管控對象[2]。隨著城市化進(jìn)程加快和城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)產(chǎn)業(yè)的區(qū)位隨之轉(zhuǎn)變，工業(yè)廢水排放格局也正發(fā)生變化。一方面由于我國在“十一五”和 “十二五”期間大力推進(jìn)環(huán)境治理，化學(xué)需氧量、氨氮等污染物排放總量趨于減少；另一方面，隨著部分制造業(yè)開始從沿海地區(qū)向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移[3-6]，導(dǎo)致制造業(yè)的分布格局發(fā)生變化，這直接影響到工業(yè)水污染排放的空間格局。據(jù)國家環(huán)保部統(tǒng)計(jì)，2007 年至 2014年，東部地區(qū)工業(yè)廢水排放量占全國的比例從49.74%下降到48.82%，中部地區(qū)工業(yè)廢水排放量占全國的比例從20.74%上升到23.16%，西部地區(qū)工業(yè)廢水排放量占全國的比例從22.49%下降到19.50%。雖然對工業(yè)污染物排放的空間認(rèn)知及重心遷移是制定環(huán)境污染控制和區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的科學(xué)基礎(chǔ)[7]，但目前的環(huán)境統(tǒng)計(jì)還不能提供分區(qū)城市工業(yè)的污染物排放數(shù)據(jù)，故不能可視區(qū)域城市工業(yè)污染物排放的空間格局及其重心遷移演變情況。鑒于此，采用ESDA方法、GIS 技術(shù)和重心空間模型，分析“中四角” 35個城市工業(yè)廢水排放的時空特征及其重心遷移特征，明確城市群內(nèi)工業(yè)廢水排放聯(lián)防聯(lián)控重點(diǎn)區(qū)域，為防控策略的進(jìn)一步優(yōu)化和完善提供切實(shí)可行的對策建議，亦為進(jìn)一步探究工業(yè)廢水排放重心遷移機(jī)理提供科學(xué)支撐。

2 研究區(qū)概況

“中四角”(即長江中游城市群)是以武漢、長沙、南昌、合肥四大城市為中心的超特大城市群組合(圖1)，國土面積約31.7×104km2，擁有人口超過1.2×108，分別約占全國的3.3%、8.8%。2015年4月5日國務(wù)院批復(fù)實(shí)施 《長江中游城市群發(fā)展規(guī)劃》，這是繼《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》出臺后的首個跨區(qū)域城市群規(guī)劃，是全方位深化改革開放、促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略和推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重點(diǎn)區(qū)域。2018年“中四角” GDP達(dá)80057×108元，人均GDP達(dá)10.48×104元，遠(yuǎn)高于中部地區(qū)的平均水平，整體保持平穩(wěn)增長的趨勢。

“中四角”規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)眾多，均占各省規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)總數(shù)的六成以上[8]，因工業(yè)廢水排放行業(yè)集中度高且排放強(qiáng)度較大，從而導(dǎo)致各城市在廢水排放總量控制及其處理方面差異較大。在城市水環(huán)境保護(hù)與工業(yè)發(fā)展的雙重壓力下，“中四角”只有加強(qiáng)各城市聯(lián)動合作[8]，建立統(tǒng)一的生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合制定長江中游水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，來共同解決目前所面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境生態(tài)保護(hù)的難題。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究方法

3.1.1 ESDA方法 空間自相關(guān)(Spatial Autocorrelation)分析是探索性空間分析(ESDA)方法的重要內(nèi)容，是研究某一區(qū)域?qū)傩詴r空格局演變的常用方法[9]，通常用Moran′sI指數(shù)來表示，包括全域型和區(qū)域型兩種。

(1)全局型(Global Spatial Autocorrelation)。該指數(shù)用于描述某一屬性在總體空間內(nèi)是否存在集聚性狀態(tài)[10]，計(jì)算公式為:

(1)

(2)局部型(Local Spatial Autocorrelation)。該指數(shù)可將全局型的 Moran′sI指數(shù)分解到各個組成單元，結(jié)合LISA(Local Indicators of Spatial Association)方法測度以每個組成單元為中心的一小片區(qū)域的聚集或離散效應(yīng)，并識別局部空間集聚(熱點(diǎn)或冷點(diǎn))與離群點(diǎn)，揭示其空間異質(zhì)性，計(jì)算公式[12]為：

Ii=Zi∑(WijZj)

(2)

(3)

(4)

式中：Ii為地區(qū)i的局部Moran′sI指數(shù);Zi和Zj為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的觀測值，其他字母所代表的含義與公式(1)相同。Ii為正則表示同樣類型屬性值的要素相鄰近呈現(xiàn)高-高或低-低的空間集聚區(qū)；Ii為負(fù)則表示不同類型屬性值相鄰近呈現(xiàn)高-低或低-高的空間集聚區(qū)；Ii的絕對值越大，其鄰近程度越大。

3.1.2 重心遷移模型

(1)幾何重心測算。將研究區(qū)中的35個城市視為同級別區(qū)，設(shè)第i個次區(qū)域的中心城市地理坐標(biāo)為設(shè)為(Xi，Yi)，每個城市都有其對應(yīng)的多重屬性(Wi)，由力學(xué)可知，該區(qū)域某種屬性的重心的坐標(biāo)[13]為：

(5)

(6)

式中：X、Y分別為第n年特定屬性中心坐標(biāo)的經(jīng)度(Longitude)和緯度(Latitude)；Xi、Yi分別為第i個城市中心的經(jīng)、緯度坐標(biāo)；Wi為第i個城市某的屬性值。

(2)偏移距離計(jì)算。重心位置確定后，可從重心移動方向與移動距離來分析重心的遷移特征。重心偏離方向表示經(jīng)濟(jì)社會活動屬性空間現(xiàn)象的“高密度”部位，重心偏離距離表示經(jīng)濟(jì)社會活動屬性空間的均衡程度[14]。

①移動方向：重心移動方向以2006年為起點(diǎn)，第t年重心坐標(biāo)為(longt，latt)，第t+1年重心坐標(biāo)為(longt+1，latt+1)，第t+1年相對于第t年的重心偏移角度為θ，則計(jì)算公式[13]為：

θ=θ(t+1)-t

(7)

式中：n=0，1，2。并將弧度轉(zhuǎn)化為角度θ，則θ∈(-180°，180°)且規(guī)定正東方向?yàn)?°；逆時針為正，即第一象限(0°，90°)(東北方向)、第二象限(90°，180°)(西北方向)為正；反之順時針為負(fù)，即第三象限(-180°，-90°)(西南方向)，第四象限(-90°，0°)(東南方向)為負(fù)。

②移動距離：d為第t+1年相對于第t年重心移動的距離，計(jì)算公式[13]為：

d=d(t+1)-t

(8)

式中: 常數(shù)C=111.111，代表由地球表面坐標(biāo)(單位 0°)轉(zhuǎn)化為平面距離(單位 km)的系數(shù)[15]。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究時段為2006-2017年，研究單元為“中四角”35個城市(因仙桃市、潛江市、天門市、襄陽市和宜昌市5個城市數(shù)據(jù)資料難以獲取，故在本研究中未考慮)。工業(yè)廢水排放量相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2006-2017年的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》?；谇捌谘芯縖16]，選取“中四角”地區(qū)生產(chǎn)總值、人均生產(chǎn)總值、工業(yè)生產(chǎn)總值和總?cè)丝跀?shù)等指標(biāo)進(jìn)行分析，其中以1999年不變價(1999年值取為100)計(jì)算三次產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值，并將其計(jì)算后的生產(chǎn)總值之和作為“中四角”35個城市地區(qū)生產(chǎn)總值；用國內(nèi)生產(chǎn)總值除以人口數(shù)表示人均生產(chǎn)總值，以當(dāng)年價格計(jì)算出的生產(chǎn)總值表示工業(yè)生產(chǎn)總值；用常住人口表示總?cè)丝跀?shù)。以上相關(guān)數(shù)據(jù)均來自2006-2017年的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》，且通過查找各省、市的統(tǒng)計(jì)年鑒來補(bǔ)全《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》中缺失的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4 實(shí)證與分析

4.1 “中四角”工業(yè)廢水排放量時序特征分析

圖2為2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放量。由圖2可知，2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放總量逐年減少；其中2006-2017年湖北省工業(yè)廢水排放總量呈小幅減少趨勢，在2012年達(dá)排放高峰，隨后持續(xù)減少；湖南省工業(yè)廢水排放量一直呈減少趨勢；江西省工業(yè)廢水排放量呈增大-減少-增大-減少-增大-減少的不穩(wěn)定變化趨勢；安徽省工業(yè)廢水排放總量呈先增大后減少的趨勢，且是“中四角”工業(yè)廢水排放總量最低的省份。從數(shù)量上看，2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水年排放總量從24.53×108t減至15.13×108t，減少38.32%；其中湖北省工業(yè)廢水排放總量從6.12×108t減至3.32×108t，減少45.75%；湖南省工業(yè)廢水排放量從9.80×108t減至4.13×108，減少57.86%；江西省工業(yè)廢水排放量從4.97×108t減至4.84×108t，減少2.62%；安徽省工業(yè)廢水排放總量從3.63×108t減至2.84×108t，減少21.76%。由此可見，“中四角”各省工業(yè)廢水排放總量減少最大是湖南省，其次是湖北省，而江西省減少幅度最小。董玉竹[17]研究也發(fā)現(xiàn)，由于目前對環(huán)境的監(jiān)控政策力度不夠，治理投入不足而致使江西省工業(yè)廢水排放仍然處于增長的趨勢。

圖2 2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放量

4.2 “中四角”工業(yè)廢水排放量空間格局分析

4.2.1 空間格局演變分析 選取2006、2010、2014和2017年，運(yùn)用 ArcGIS10.5的空間統(tǒng)計(jì)模塊將“中四角”各城市工業(yè)廢水排放量按照自然斷裂點(diǎn)從高到低劃分為5類(圖 3)，單位為108t，分別為低排放( 0.06，0.33]、較低排放(0.34，0.51]、中等排放 (0.52，0.72]、較高排放(0.73，1.37]、高 排 放 (1.38，2.70]。研究發(fā)現(xiàn)，“中四角”的多數(shù)城市工業(yè)廢水排放量呈下降趨勢，空間格局特征明顯且呈現(xiàn)西南從高到低而中東從低到高的演變特征(圖 3)。2006年，高排放類型有武漢、婁底和常德3個城市，其中武漢工業(yè)廢水排放量高達(dá)2.60×108t，位居“中四角”之首；較高排放類型則分布在馬鞍山、黃石、九江、南昌、岳陽、益陽、湘潭、株洲、衡陽和郴州等10個城市；合肥、六安、孝感、荊門、荊州、景德鎮(zhèn)、鷹潭、新余和吉安等9個城市為中等排放類型；較低排放類型包括蕪湖、銅陵、安慶、黃岡、上饒、撫州和長沙等7個城市；而低排放類型僅有池州、黃山、鄂州、咸寧、宜春和萍鄉(xiāng)等6個城市。2010年，“中四角”有超過57%的城市工業(yè)廢水排放量在不同程度上呈下降趨勢，其中最明顯的是2006年為高排放類型的婁底和常德市降為較高排放類型，馬鞍山、黃石、九江、益陽、株洲、衡陽、郴州等7個城市由較高排放降為中等排放，而吉安由中等排放升為較高排放，宜春由低排放升為較低排放。2014年，“中四角”有8個城市(婁底、六安、荊門、吉安、鷹潭、黃石、益陽和湘潭)的工業(yè)廢水排放量呈現(xiàn)了不同程度下降趨勢，益陽和湘潭由較高排放降為中等排放，六安由中等排放降為低排放等；而荊州、景德鎮(zhèn)、銅陵、安慶、上饒、宜春、九江、南昌、岳陽等9個城市的工業(yè)廢水排放量出現(xiàn)不同程度上升，其中九江、南昌和岳陽由較高排放升為高排放，荊州由中等排放升為高排放等。2017年，“中四角”工業(yè)廢水排放量除上饒上升外，武漢、常德、婁底、黃石、撫州、益陽、湘潭、株洲、衡陽等20個城市出現(xiàn)不同程度下降。由此可見，2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放量城際空間格局演變較為明顯，特別在2017年間。這可能由于“十三五”期間，為響應(yīng)加快城市群建設(shè)發(fā)展的國家要求，促使跨區(qū)域城市群間的基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)分工、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)治理等聯(lián)動合作，促進(jìn)鄱陽湖、洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和漢江、淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)[18]。而城市群的大中城市在加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，形成了資源環(huán)境可承載的區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展新格局。

4.2.2 空間集聚特性分析 由表1可知，從全局Moran′sI指數(shù)來看，P值并未通過 5%水平的顯著性檢驗(yàn)。2006-2017年“中四角”35個城市的工業(yè)廢水排放量總體上不存在明顯的空間集聚趨勢，呈現(xiàn)空間隨機(jī)分布的態(tài)勢，說明工業(yè)廢水排放在鄰近空間并不存在擴(kuò)散效應(yīng)。然而全局莫蘭指數(shù)表示的是總體自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，則無法說明具體城市工業(yè)廢水排放的空間集聚分布程度[19-20]，因此要確認(rèn)“中四角”35個城市工業(yè)廢水排放量是否存在局部集聚現(xiàn)象，還需要結(jié)合局部 Moran′sI指數(shù)的 LISA 集聚圖來識別。

圖3 “中四角”工業(yè)廢水排放量的空間格局演變

表1 “中四角”工業(yè)廢水排放的全局Moran′s I 指數(shù)

結(jié)合 Moran 散點(diǎn)圖和局部Moran′sI指數(shù)，得出2006-2017年“中四角”35個城市的工業(yè)廢水排放量LISA 集聚圖，如圖4所示。

圖4明顯地顯示了“中四角”各城市工業(yè)廢水排放量的集聚類型，且每年的集聚單元均位于不同的區(qū)域。本研究在參考孫才志等[20]的研究基礎(chǔ)上將35個城市劃分為4種類型，分別為低低集聚區(qū)(LL)、低高集聚區(qū)(LH)、高低集聚區(qū)(HL)和高高集聚區(qū)(HH)，以更直觀地反映“中四角”各城市工業(yè)廢水排放量的空間關(guān)系特征，這些集聚區(qū)雖在空間位置上基本保持不變，但其空間范圍隨著時間的變化而改變[19-20]。

(1)低低集聚區(qū)(LL)。多數(shù)聚集在“中四角”的東部地區(qū)，其中安慶、池州、黃山、景德鎮(zhèn)幾個城市在研究期間有較明顯的集聚現(xiàn)象，形成了一個工業(yè)廢水排放的低值區(qū)域。隨著時間的推移，“中四角”35個城市工業(yè)廢水排放的低低集聚區(qū)逐漸減少，說明各城市地理空間上的連續(xù)性在逐漸降低。

(2)低高集聚區(qū)(LH)。低高集聚現(xiàn)象較為顯著，主要集中在以咸寧為中心的中部區(qū)域，表明該區(qū)域自身工業(yè)廢水排放較低，而周邊城市工業(yè)廢水排放較高。2006-2014年間荊州由低高集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒呒?，最后轉(zhuǎn)為不顯著的集聚趨勢，而益陽則與之相反，由高高集聚轉(zhuǎn)變?yōu)榈透呒?；其他地區(qū)的工業(yè)廢水排放量不存在顯著的集聚特征。

(3)高低集聚區(qū)(HL)。2006-2014年間景德鎮(zhèn)由低低集聚轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩图?，說明景德鎮(zhèn)在2014年產(chǎn)生了自身工業(yè)廢水排放較高，鄰近城市排放較低的情況。景德鎮(zhèn)在2014年工業(yè)廢水排放達(dá)到0.64×108t，較上一年增長60%，而鄰近區(qū)域池州和黃山的工業(yè)發(fā)展水平一直不高，故廢水排放處于較低水平。

(4)高高集聚區(qū)(HH)。2006年高高集聚區(qū)主要集中在益陽和衡陽兩個城市，說明這兩個城市的工業(yè)廢水排放量較高，同時這兩個城市周邊的城市工業(yè)廢水排放量也較高[11]，在局部形成了明顯空間集聚特征；而2014年，高高集聚的城市只有荊州市，說明在2006-2014年間工業(yè)廢水的高排放呈現(xiàn)由南向北擴(kuò)散現(xiàn)象。

圖4 “中四角”工業(yè)廢水排放量的LISA集聚圖

2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放在局部空間集聚趨勢發(fā)生明顯變化，但只有低高集聚類型較為顯著，說明總體上工業(yè)廢水排放量在大幅減少，這也從側(cè)面印證了工業(yè)廢水排放空間格局演變的研究結(jié)論。

4.2.3 空間重心遷移軌跡分析 以“中四角”各城市為基本統(tǒng)計(jì)單元，取Xi、Yi為各城市地理中心的經(jīng)度和緯度，Wi為各城市歷年工業(yè)廢水排放(108t)和工業(yè)總產(chǎn)值，利用重心模型計(jì)算工業(yè)廢水排放和工業(yè)總產(chǎn)值重心的空間移動方向和距離(表2)，同時繪制出工業(yè)廢水排放和工業(yè)總產(chǎn)值重心遷移軌跡圖(圖5)。2006-2017年間“中四角”工業(yè)廢水排放重心主要在東經(jīng)114.38°E～114.95°E，北緯29.18°N～29.34°N區(qū)域內(nèi)移動(圖5)，其中向東北平均移動5次，移動頻率為50%，表明“中四角”該區(qū)域的工業(yè)廢水排放比重在逐漸上升(表2)。具體從移動方向看，2000-2014年間工業(yè)廢水排放重心向高經(jīng)度、低緯度方向移動，2015-2017年間工業(yè)廢水排放重心向高經(jīng)度、高緯度方向移動(表2)；從移動距離看，2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放重心向東北方向共移動了107.88 km，其中2007年重心向東南方向移動的距離最大，達(dá)22.63 km，表明“中四角”東南部工業(yè)廢水排放加重；而2010年重心向東北方向移動的距離最小，為1.53 km，表明“十一五”期間“中四角”工業(yè)廢水排放重心趨于穩(wěn)定，工業(yè)廢水排放量已得到有效的控制。

圖5 “中四角”工業(yè)廢水排放量與工業(yè)總產(chǎn)值重心遷移軌跡

由表2還可知，2006-2017年間“中四角”工業(yè)總產(chǎn)值重心總體向西北方向移動，移動總距離為94.39 km，其中2011年向西南方向移動了33.49 km，2012年向東北方向移動了27.47 km，其他年份重心移動軌跡變化較小。結(jié)合圖5可知，2006-2017年間“中四角”工業(yè)總產(chǎn)值重心與工業(yè)廢水排放重心均偏離幾何中心(114.96°E，29.28°N)，工業(yè)總產(chǎn)值重心基本位于幾何中心的西北方并逐漸偏離，而工業(yè)廢水排放重心基本位于幾何中心的西南方并逐漸向幾何中心(東方)靠攏且移動速度明顯高于工業(yè)總產(chǎn)值重心偏移速度，這表明“中四角”工業(yè)廢水排放重心和工業(yè)總產(chǎn)值重心遷移軌跡存在脫鉤現(xiàn)象[21]，具體驅(qū)動機(jī)制還亟待下一步深入剖析。

表2 2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放和工業(yè)總產(chǎn)值重心移動方向和距離

5 結(jié)論與建議

(1)2006-2017年“中四角”工業(yè)廢水排放總量逐年減少，其中減少最大是湖南省，其次是湖北省，而江西省減少幅度最小。

(2)2006-2017年間“中四角”多數(shù)城市工業(yè)廢水排放量的空間分異特征較為明顯，總體呈現(xiàn)西南從高到低，而中東從低到高的演變特征。2006-2017年總體上“中四角”工業(yè)廢水排放量不存在明顯的空間集聚趨勢，空間自相關(guān)性不強(qiáng)；工業(yè)廢水排放的LL集聚區(qū)主要集中在“中四角”的東部地區(qū)，如池州市、黃山市及景德鎮(zhèn)市這些以旅游業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)的城市，HH集聚在2006-2014年期間，工業(yè)廢水的高排放呈現(xiàn)由南向北的擴(kuò)散趨勢，而2017年只有LH集聚較為顯著，主要在“中四角”的中部城市咸寧。

(3)2006-2017年間“中四角”工業(yè)廢水排放重心主要在東經(jīng)114.38°E～114.95°E，北緯29.18°N～29.34°N區(qū)域內(nèi)移動，向東北平均移動5次，移動頻率為50%，總體移動距離為107.88 km；其中2007年重心向東南方向移動的距離最大(達(dá)22.63 km)，而2010年重心向東北方向移動的距離最小(為1.53 km)；“中四角”工業(yè)總產(chǎn)值重心總體向西北方向移動，移動總距離為94.39 km，其中2011年向西南方向移動了33.49 km，2012年向東北方向移動了27.47 km，其他年份重心移動軌跡變化較小。2006-2017年間“中四角”工業(yè)總產(chǎn)值重心基本位于幾何中心的西北方并逐漸偏離，而工業(yè)廢水排放重心基本位于幾何中心的西南方并逐漸向幾何中心(東方)靠攏且移動速度明顯高于工業(yè)總產(chǎn)值重心偏移速度。