華南區(qū)域2000—2015年社會經濟及環(huán)境污染重心空間演變對比分析

鄺紅艷，周永杰，何煜然，楊大勇，肖敏志

生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣州 510535

0 前言

區(qū)域協(xié)調發(fā)展的程度可以用區(qū)域經濟的發(fā)展、資源利用及環(huán)境污染等定性描述，環(huán)境污染排放及空間格局受區(qū)域社會經濟的發(fā)展以及區(qū)域經濟格局變化的影響[1]，而區(qū)域社會經濟的發(fā)展又受環(huán)境污染的制約[2]。

經濟重心和污染重心是指區(qū)域空間里的某一個點，在該點各個方向上的經濟力量和污染狀況能夠維持均衡。經濟重心和污染重心在時間經緯度上的移動變化表示了區(qū)域經濟和污染差異的動態(tài)演變過程，可以作為宏觀分析區(qū)域屬性的指標[3]。重心概念原來自于力學，國外學者弗·沃爾克最先利用重心的概念來研究人口重心的變化情況，隨后國內學者在1970后開始運用重心分析方法對我國經濟、人口和自然資源進行空間上的分析[4-8]，而近年來采用重心來研究區(qū)域社會經濟發(fā)展及環(huán)境污染排放的關系方面的學者也比較多，例如趙海霞[9]、丁煥峰[3]、喬谷陽[10]、劉桂春[11]等人分別基于全國、省域的視角下從重心移動方向、移動距離、重心在經緯度上的相關性等多角度揭示了經濟重心與污染重心動態(tài)變化和空間聯(lián)系。

華南區(qū)域作為中國七大地理分區(qū)之一，一直處于改革開放的先行區(qū)，經濟發(fā)展迅速，但是在21世紀后把區(qū)域內各方的發(fā)展和長遠利益納入戰(zhàn)略發(fā)展的視野后，社會經濟發(fā)展模式愈發(fā)顯示出其深層的結構性危機[11]，同時環(huán)境質量也一直處于惡化狀態(tài)。雖然隨著污染減排、產業(yè)轉型和污染治理投資力度的加大，監(jiān)測數據表明有好轉的現象，但是一些相對落后的區(qū)域隨著經濟發(fā)展，環(huán)境質量又有所下降。因此，研究區(qū)域協(xié)調處理社會經濟與環(huán)境污染之間的關系尤為必要，本文通過計算區(qū)域社會經濟重心、生活源環(huán)境污染重心以及工業(yè)源污染重心差異的演變軌跡，掌握和評價區(qū)域環(huán)境狀況、經濟狀況及兩者之間的協(xié)調發(fā)展程度，從而為華南區(qū)域的社會經濟與環(huán)境保護的協(xié)調發(fā)展以及環(huán)境污染的空間治理提供空宏觀控制思路。

圖1 華南區(qū)域幾何中心與各指標重心分布圖Figure 1 Distribution of geometric center of south China and factors gravity center

1 華南區(qū)域數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文系統(tǒng)地收集了廣東、廣西、海南三省各市(區(qū))2000—2015年的GDP、人口數據，用來研究社會經濟重心，收集了生活廢水排放量、生活COD排放量、以及生活NH3-N排放量，用來研究生活源污染重心，同時也收集了工業(yè) COD、SO2、NOX排放量，用于研究工業(yè)源污染重心。所涉及的數據均從 2001—2016年間各省統(tǒng)計年鑒及環(huán)境統(tǒng)計年鑒資料獲取。

1.2 研究分析方法

利用重心模型計算重心坐標、移動方向及移動距離來衡量區(qū)域指標的空間屬性[8-10]。重心移動主要受相關點的空間位置及指標屬性值的影響，任何指標屬性的發(fā)展變化都會影響區(qū)域重心的變化。當某一地區(qū)的指標屬性值在整個區(qū)域的所占比例較大且增長較快時，該指標的區(qū)域重心就會向該地區(qū)移動，顯示該指標空間屬性的不均衡分布，即“重心偏離”。重心偏離方向指向某指標在空間屬性的高密度增長部位，偏離的距離指示該指標活動的不均衡程度。區(qū)域重心的變動反映指標屬性發(fā)展變化的軌跡及空間差異性。

重心坐標的計算采用以下方法:

假設一個區(qū)域由n個次級區(qū)域(或稱為質點)P構成，第i個次區(qū)域的中心城市的坐標為(xi, yi)，mi為i次區(qū)域的某種屬性的量值(或稱為質量)，即某種屬性的重心坐標為:

重心移動方向判斷采用以下方法:

假設第i年重心坐標為[Xi, Yi]，第i+1年重心坐標為[Xi+1，Yi+1]，第i+1 年重心移動方向為θ角度(相對于第i年)，則θi+1=nπ/2+arctag([(Yi+1-Yi)]/ [(Xi+1-Xi)]，n=0，l，2，并將弧度轉化為角度，且規(guī)定正東方向為 0°，逆時針方向為正向，則第一象限(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，即第三象限(180°，270°)(西南方向)、第四象限(270°，360°)(東南方向)為負。

重心移動距離的計算采取以下方法:

假設d表示第i+1年重心移動的距離(相對于第i年)，則重心移動距離可表示為:

其中，常數C =111.11，表示由地球表面坐標單位(度)轉化為平面距離(km)的系數。

2 研究結果

2.1 華南區(qū)域社會經濟重心空間演變軌跡分析

2.1.1 經濟重心演變軌跡

根據表1和圖2顯示，經濟重心處于華南區(qū)域幾何重心的東部，在整個研究時序內整體上表現為向西略偏北再向西方向移動，向西北和西南移動的頻次均為 5次，表明華南區(qū)域的東部是經濟發(fā)展的高密度區(qū)域，且經濟發(fā)展方向逐漸向西部傾斜，西部經濟活動屬性實力增強更多。經濟重心在經度和緯度上均有波動，在經度上跨度 0.1o，在緯度上跨度 0.01o，直線距離移動 44.01 km，年平均移動距離為2.93 km，特別是在2001年及2005年，直線移動距離均在7 km以上，說明研究區(qū)域的西部地區(qū)的經濟發(fā)展較為快速，這與中國 2000年實施西部大開發(fā)的經濟調整政策后西部地區(qū)經濟快速發(fā)展的腳步是協(xié)調一致的[13]。

2.1.2 人口重心演變軌跡

根據表1和圖2顯示，人口重心處在華南區(qū)域幾何重心的東部，在研究時序內整體上朝東南方向，在經度和緯度上均有一定的波動性，特別是2002年到2003年前后波動較大，分別朝西北、西南方向移動，2003年直線移動距離高達17.29 km，這可能與2002年國務院調整了柳州、來賓和崇左等市的行政區(qū)劃區(qū)有關。但是2004年以后移動趨勢是向東南方向的，重心向東偏移了 1.09o，向南偏移了 0.02o，直線移動距離為22.68 km。這說明華南地區(qū)東南片區(qū)各地市人口增長較快，人口分布呈現東部密集度高于西部、南部高于北部的基本格局。

另外，對比人口重心與GDP重心移動軌跡可以看出經濟重心較人口重心的移動距離大且振動幅度激烈，人口在移動速度和規(guī)模上都不及經濟移動的快，華南區(qū)域在社會發(fā)展中人口與經濟出現了步伐不一致的情況。

2.2 華南區(qū)域環(huán)境污染重心空間演變軌跡分析

2.2.1 生活源污染指標重心空間演變軌跡分析

圖2 華南區(qū)域社會經濟發(fā)展重心演變軌跡圖Figure 2 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表1 2000—2015華南區(qū)域人口經濟重心年際間移動方向及距離Table 1 Shift direction and distance of socio-economic gravity center in south China area

根據表2和圖3顯示，生活廢水排放量、生活COD排放量以及生活 NH3-N排放量的重心都處于華南區(qū)域幾何重心的東部，各生活源污染指標在整體上表現為朝西北方向后又往東方向發(fā)展的趨勢，其中生活廢水排放量整體上先是朝西后又朝東發(fā)展，重心在經度上跨度 0.07°，在緯度上跨度 0.005°，直線移動距離109.48 km；生活COD排放量重心朝西北、西南、東北三個方向移動，重心在經度上跨度0.44°，在緯度上跨度 0.02°，直線移動距離 264.89 km；生活NH3-N排放量重心近年來朝西后略向北部移動后又往東部轉移，在經度上跨度 0.36°，緯度上跨度0.04°，直線移動距離 162.88 km。在研究時序內，生活COD和NH3-N排放量重心移動方向和生活廢水排放量重心的移動方向是一致的，這與濃度達標排放向濃度與總量達標排放的環(huán)保政策相符。生活源污染指標在 2006年前后發(fā)生較大的變化，2000—2006年，生活源污染指標重心朝西北方向移動，這可能由于華南區(qū)域西北部城鎮(zhèn)化速率的加快，污水收集系統(tǒng)和處理設施的建設，農村生活污染廢水原本無序排放的方式轉變?yōu)橛薪M織排放，華南區(qū)域西部生活污水排放量有所增加引起的。2007—2015年生活源污染指標重心整體上朝東方向移動，這表明華南地區(qū)生活污染指標處理效果趨于穩(wěn)定，生活源污染指標重心移動的趨勢跟隨人口流動而發(fā)生改變。

2.2.2 工業(yè)源污染指標重心空間演變軌跡分析

圖3 華南區(qū)域生活源污染指標重心演變軌跡圖Figure 3 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表2 2000—2015華南區(qū)域生活源污染指標重心年際間移動方向及距離Table 2 Shift direction and distance of life source pollution indicators gravity center in south China area

圖4 華南區(qū)域工業(yè)污染指標排放重心演變軌跡圖Figure 4 Spatial evolvement track analysis of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

表3 2000—2015華南區(qū)域工業(yè)污染指標重心年際間移動方向及距離Table 3 Shift direction and distance of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

根據表3和圖4顯示，工業(yè)COD排放量重心位于華南區(qū)域幾何中心的西南部，SO2排放量以及 NH3-N排放量的重心處于其東部，工業(yè)廢氣排放主要集中在華南區(qū)域東部，工業(yè)廢水排放主要集中在華南區(qū)域西南部。各工業(yè)源污染指標整體上的演變軌跡方向是與 GDP重心的演變軌跡方向一致的，都往西北方向發(fā)展，其中工業(yè) COD排放量重心在經度上跨度 1.66°，在緯度上跨度 0.04°，直線移動距離421.10 km；SO2排放量重心在經度上跨度 0.42°，在緯度上跨度 0.04°，直線移動距離 225.76 km；NH3-N 排放量的重心在經度上的跨度 0.79°，在緯度上的跨度是0.1°，直線移動距離102.85 km，這說明工業(yè)污染指標在東西方向上的移動速度大于在南北方向上的移動速度，華南區(qū)域西北各地市工業(yè)污染指標比重加大。

2.3 華南區(qū)域經濟重心與環(huán)境污染重心的關聯(lián)性分析

根據圖1可知，工業(yè)源污染指標除NOX外，COD排放量重心及 SO2排放量重心，相對生活源污染指標更偏區(qū)域中心的西部，說明集中式工業(yè)點源污染處理效率上東部比西部要好，NOX由于不屬于原來污染控制指標，處置效果相對較差。區(qū)域東部沿海地區(qū)人口分布密集，相比區(qū)域西部來說，區(qū)域東部的生活類污染處理效果差一些。根據各指標的空間位置，污染處置效率可初步判斷: 工業(yè) COD＞工業(yè)SO2＞生活 COD＞生活 NH3-N＞工業(yè) NOX，即工業(yè)污染的控制效果＞生活污染控制效果。根據各個指標年度變化距離來看(表1-表3)，不同重心變化烈度上人口與經濟變化最為穩(wěn)定，生活源污染指標其次，工業(yè)污染源指標最大。

根據圖 5可知，經濟重心從高經度略向低經度移動又向高經度移動后略向低經度回調，說明經濟在東西部發(fā)展速度比較平穩(wěn)，向低經度回調說明華南區(qū)域西部城市的經濟地位在增強，區(qū)域經濟整體上趨向一體化發(fā)展。人口重心從低經度向較高經度緩慢發(fā)展，說明由于自然增長率不同及人口流動共同作用下，華南東部地區(qū)人口在全區(qū)域占較大比重。與GDP和人口相比較，生活COD、生活NH3-N、生活廢水、工業(yè)COD、SO2、NOX等排放量均是不平衡的，其中工業(yè)COD排放量及SO2排放量在經度上的移動趨勢基本一致，先是低經度向高經度移動再向略低經度移動后又向高經度轉移，說明隨著西部經濟的發(fā)展，該區(qū)域的環(huán)境質量也在不斷的下降。生活源污染各指標重心在經度上的移動趨勢跳動一致，這個趨勢與人口在經度上的轉移方向是相一致的。

圖5 社會經濟重心與環(huán)境污染重心在經度上的演變路徑對比Figure 5 The longitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

根據圖6可知，華南區(qū)域GDP重心在緯度上移動趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明在南北方向上經濟發(fā)展速度無較大差異。人口從高緯度略向低緯度移動，說明人口逐漸向區(qū)域南部移動。相比人口、經濟重心，生活廢水排放量、生活COD排放量、生活NH3-N排放量與人口重心移動方向趨勢在緯度上相一致，說明生活類污染物在緯度上隨人口移動一致，由于人口向南流動，區(qū)域南部生活污染排放比重逐漸增加。工業(yè)類污染指標如工業(yè) COD排放量、NOX、SO2排放量先從低緯度向高緯度方向移動，由激烈變化到趨于平穩(wěn)，隨著華南區(qū)域一體化的發(fā)展，區(qū)域北部發(fā)展速度的加快，環(huán)境質量有所下降。

由表 4可知，在經度的空間聯(lián)系上，人口重心與生活源污染指標成正相關性，且相關性較高，生活廢水重心(0.9)＞生活COD重心(0.78)＞生活NH3-N重心(0.46)，除與NOX重心成較高的負相關性(-0.99)外，人口重心還與SO2和工業(yè)COD重心成正相關性(分別為0.4，0.76)，經濟重心除了與NOX重心成較高正相關性(0.97)外，與人口重心以及各環(huán)境污染指標重心都成負相關性。在緯度的空間聯(lián)系上，經濟重心除了與 SO2重心、NOX重心成較正相關性外，與其余環(huán)境污染指標重心都成負相關性，其中與 NOX的相關性最高(0.69)，工業(yè) COD 次之(-0.62)。

圖6 社會經濟重心與環(huán)境污染重心在緯度上的演變路徑對比Figure 6 The latitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

表4 社會經濟重心與環(huán)境污染指標重心在經緯度上的相關性Table 4 Correlates of the socio- economic gravity center and environmental pollution gravity center in longitude

3 結論

第一，從華南區(qū)域各指標重心空間分布格局看，十五年年來，除工業(yè)COD排放重心外，區(qū)域所有指標重心點分布于區(qū)域幾何中心的南部，即人口、經濟及各污染物排放比較集中于區(qū)域東南部；相對于生活源污染指標，工業(yè)源污染指標除NOX外，COD、SO2的指標重心相對偏西；污染處置效率上初步可判斷: 工業(yè) COD＞工業(yè) SO2＞生活 COD＞生活氨氨＞工業(yè) NOX，工業(yè)污染的控制效果＞生活污染控制效果。

第二，從華南區(qū)域各指標重心移動軌跡的空間格局來看，經濟在區(qū)域西部的發(fā)展速度要大于東部地區(qū)的發(fā)展速度，并且在南北方向上趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，人口重心向東南方向趨勢，繼續(xù)向區(qū)域沿海發(fā)達地區(qū)轉移，生活源污染排放整體向西北部移動，西北部的城鎮(zhèn)化速度不斷加快，隨著西部經濟逐步增速，工業(yè)類污染也不斷加大，即在社會發(fā)展的同時，區(qū)域西部面臨的環(huán)境壓力也不斷增大。

第三，從華南區(qū)域各指標重心移動軌跡的劇烈變化程度來看，人口與經濟變化最為穩(wěn)定，生活污染指標次之，工業(yè)污染指標移動軌跡變化最激烈。

第四，從華南區(qū)域社會經濟與環(huán)境污染的空間相關性分析，除了 NOX以外，人口重心與其他環(huán)境污染指標重心在經度上呈正相關，GDP重心除NOX外與其他環(huán)境污染類指標重心呈負相關。區(qū)域經濟重心及人口重心在緯度上與環(huán)境污染指標重心相關性不顯著。