南水北調(diào)中線工程河南段城市生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的EKC檢驗(yàn)

楊錦偉,張藝涵,劉笑笑,肖夢穎

(平頂山學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，河南 平頂山 467036 )

0 引言

2021年5月，習(xí)近平同志在南陽市“推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展座談會”上強(qiáng)調(diào)要深入分析南水北調(diào)工程面臨的新形勢新任務(wù)，科學(xué)推進(jìn)工程規(guī)劃建設(shè)，提高水資源集約節(jié)約利用水平[1].南水北調(diào)中線工程河南段對沿線的鄭州市、安陽市、南陽市等8個(gè)城市高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護(hù)產(chǎn)生了有益影響，也提出了更高要求.

從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的關(guān)系角度看，張曉莉、夏衣熱·肖開提[2]建立了四類新疆工業(yè)污染排放環(huán)境庫茲涅茲曲線(EKC)，發(fā)現(xiàn)均呈現(xiàn)倒“N”型曲線特征.王樹文、王京誠[3]構(gòu)建了東、中、西部地區(qū)城市生活垃圾與經(jīng)濟(jì)增長的EKC，實(shí)證研究兩者的非線性關(guān)系，東、西部呈倒“U”型，而中部呈“U”型.廉勇[4]基于全球12個(gè)主要國家碳排放數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對EKC進(jìn)行階段劃分，提出經(jīng)濟(jì)層次與環(huán)境污染的兩維度模型，將環(huán)境污染進(jìn)程分為四個(gè)階段.李競等[5]探究京津冀及周邊地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)不同污染程度城市，運(yùn)用EKC模型全面分析經(jīng)濟(jì)增長與大氣污染物SO2、PM10、NO2濃度演變之間的關(guān)系，得出京津冀及周邊地區(qū)三項(xiàng)大氣污染物與人均GDP呈倒“U”型和“U”型；長三角地區(qū)SO2、PM10濃度與人均GDP呈倒“U”型和“U”型，NO2濃度與人均GDP無相關(guān)關(guān)系；珠三角地區(qū)三項(xiàng)大氣污染物與人均GDP均呈倒“U”型.

從研究地域角度看，陳曉清等[6]以寧夏回族自治區(qū)為例，對工業(yè)用水環(huán)境進(jìn)行探究,定量解析工業(yè)用水EKC形成機(jī)制.程亮等[7]以山東省工業(yè)用水為例，采用二次模型、三次模型等分析工業(yè)用水與人均GDP關(guān)系，判斷工業(yè)用水EKC形狀,揭示“N”型EKC形成機(jī)制.何歡等[8]得出四川省工業(yè)“三廢”與人均GDP的關(guān)系曲線呈倒“U”型.劉華晨[9]建立陜西省工業(yè)廢水排放量和居民生活廢污水排放量與人均GDP的EKC模型,并分析其相關(guān)性.關(guān)于河南省的研究，僅有魏民[10]運(yùn)用層次分析法從氣候、土地、植被、水網(wǎng)和污染等角度構(gòu)建河南省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，使用EKC模型探究人均GDP與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量間的計(jì)量關(guān)系和EKC表現(xiàn)形式.近期，李達(dá)等[11]對黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行了EKC檢驗(yàn)，但針對南水北調(diào)中線工程河南段沿線水資源等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的EKC檢驗(yàn)尚未見相關(guān)研究.

因此，筆者以南水北調(diào)中線工程河南段8個(gè)沿線城市為研究對象,構(gòu)建工業(yè)用水量、污水排放量與人均GDP環(huán)境庫茲涅茨曲線模型,分析模型EKC曲線的走勢形態(tài),探討生態(tài)保護(hù)與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系.

1 模型與方法

環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)被用于揭示環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的關(guān)系,能夠反映環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律.環(huán)境庫茲涅茨曲線模型大體上有兩種：簡化式和結(jié)構(gòu)式.在此選擇簡化式.

1.1 模型構(gòu)建

環(huán)境庫茲涅茨曲線一般模型形式為

Y=α+β1X+β2X2+β3X3+β4X4+ε.

(1)

而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，主要使用以下三種簡化模型:

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表示經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)，Y表示環(huán)境相關(guān)指標(biāo)，α表示常數(shù)，ε表示隨機(jī)的誤差項(xiàng)，β1、β2、β3和β4表示模型的待估系數(shù).如果對β1、β2和β3取不同的值,那么EKC的走勢與形狀也會有所不同.模型(4)中的α和x均表示待估系數(shù).

1.2 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來源

生態(tài)保護(hù)指標(biāo)選取工業(yè)用水量、污水排放量,綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)選取人均GDP.數(shù)據(jù)來自2010—2020年《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》《河南省水資源公報(bào)》等.

1.3 數(shù)據(jù)處理

為定量得出不同變量間的方向和關(guān)系,需對不同城市的工業(yè)用水量、污水排放量與人均GDP進(jìn)行Person相關(guān)檢驗(yàn).選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)均在 0.05 置信水平下,不同指標(biāo)變量間的擬合程度較高,存在顯著相關(guān)性.使用MATLAB對8個(gè)城市做EKC數(shù)據(jù)擬合,分別比較不同城市在兩個(gè)模型下的曲線擬合程度,選擇擬合度最高的模型作為該城市的EKC.使用R2檢驗(yàn)對曲線擬合度進(jìn)行判斷,通常在70%以上的結(jié)果都能通過.為了剔除自變量個(gè)數(shù)對R2的影響，比較特定數(shù)據(jù)集不同模型的預(yù)測誤差，引入調(diào)整的R2(AdjR2)和均方根誤差(RMSE)，用于反應(yīng)回歸方程的擬合優(yōu)度和衡量模型預(yù)測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn).

2 EKC 模型實(shí)證分析

用環(huán)境庫茲涅茨曲線方法擬合工業(yè)用水量、污水排放量與人均GDP之間的關(guān)系，表現(xiàn)出“N”型、倒“N”型等曲線形狀，判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 模型參數(shù)值與曲線形狀

2.1 工業(yè)用水量EKC分析

對南水北調(diào)中線工程河南段8個(gè)沿線城市的工業(yè)用水量與人均GDP進(jìn)行庫茲涅茨曲線建模，分別擬合一次、二次、三次及指數(shù)模型，以R2越大擬合效果越好為選擇標(biāo)準(zhǔn)，最優(yōu)模型如表2所示.8個(gè)沿線城市的人均GDP和工業(yè)用水量數(shù)據(jù)擬合度較好,均通過R2的擬合度要求，通過數(shù)據(jù)處理得出的模型系數(shù)結(jié)果和擬合的曲線模型可以清晰地看出曲線的走勢，將曲線走勢分為兩種類型并分析其內(nèi)在變化規(guī)律.

2.1.1 “N”型趨勢分析

EKC模型呈現(xiàn)“N”型,即在經(jīng)濟(jì)發(fā)展前期，人均收入不斷增加的同時(shí)工業(yè)用水量也表現(xiàn)為先增后減.由表2與圖1可以得出,平頂山市、新鄉(xiāng)市、鶴壁市、安陽市4座城市的EKC呈現(xiàn)“N”型，在工業(yè)用水量與人均GDP的關(guān)系中對比二次曲線、三次曲線擬合程度最高,同時(shí)通過了模型R2檢驗(yàn),可直接作為推斷EKC擬合曲線的主要依據(jù).

表2 工業(yè)用水量與人均 GDP 模型估計(jì)結(jié)果

圖1 工業(yè)用水量與人均GDP的“N”型代表性EKC

2.1.2 倒“N”型趨勢分析

結(jié)合表2與圖2可以得出，2010—2020年，鄭州市、許昌市、南陽市、焦作市四座城市的EKC曲線通過RMSE檢驗(yàn)、AdjR2檢驗(yàn)和擬合度R2檢驗(yàn)均呈現(xiàn)倒“N”型.在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展前期，由于工業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水資源的回收利用率增強(qiáng)，工業(yè)用水量呈現(xiàn)下降趨勢;在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中期，隨著工業(yè)行業(yè)迅速發(fā)展，工廠增多，生產(chǎn)需要大量的水，導(dǎo)致工業(yè)用水量大幅度上升，即EKC模型擬合曲線暫時(shí)呈現(xiàn)先減后增的“U”型走勢;在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展后期，隨著人均GDP的增加、技術(shù)水平的提升，工業(yè)用水量增速減緩，環(huán)境也得到了很好的改善.整體上，水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)增長的曲線關(guān)系中伴隨收入水平上升，水資源環(huán)境質(zhì)量先改善再惡化，后復(fù)歸改善.

圖2 工業(yè)用水量與人均GDP的倒“N”型代表性EKC

2.2 污水排放量EKC分析

對南水北調(diào)中線工程河南段8個(gè)沿線城市的污水排放量和人均GDP進(jìn)行庫茲涅茨曲線(EKC)建模，分別擬合一次、二次、三次及指數(shù)模型，以越大擬合效果越好為選擇標(biāo)準(zhǔn)，最優(yōu)模型如表3所示.8個(gè)沿線城市的污水排放量與人均GDP的數(shù)據(jù)均通過R2的擬合度要求，EKC的模型適用性較高，以曲線形狀及擬合程度為依據(jù)劃分為兩類情況：“N”型、倒“N”型.

表3 污水排放量與人均 GDP 模型估計(jì)結(jié)果

2.2.1 “N”型趨勢分析

2010—2020年，南水北調(diào)中線工程河南段8個(gè)沿線城市的污水排放量與各年人均GDP的變化趨勢類似.由圖3可以看出,EKC呈“N”型的城市為鶴壁市、安陽市.在經(jīng)濟(jì)發(fā)展前期，伴隨收入水平上升，污水排放量大幅度上升；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中期，隨著工業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，污水排放量增速趨緩，即EKC模型擬合曲線暫時(shí)呈現(xiàn)先增后減的倒“U”型走勢；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展后期，污水排放量再次呈現(xiàn)上升的趨勢.

圖3 污水排放量與人均GDP的“N”型代表性EKC

2.2.2 倒“N”型趨勢分析

結(jié)合表2與圖4可以得出，2010—2020年EKC呈倒“N”型的城市有鄭州市、許昌市、南陽市、焦作市、平頂山市、新鄉(xiāng)市.這6座城市的發(fā)展進(jìn)程中，在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展前期，伴隨人均GDP指標(biāo)的上升，污水排放量所反映的環(huán)境指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢；在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中期存在一個(gè)上升過程；在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展后期則再次呈現(xiàn)下降趨勢.揭示了這6座城市在環(huán)境改善和水污染治理上的努力.整體上，污水排放量所代表的水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)增長的曲線關(guān)系中伴隨收入水平上升，水資源環(huán)境質(zhì)量先改善再惡化，后復(fù)歸改善.

圖4 污水排放量與人均GDP的倒“N”型代表性EKC

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

對南水北調(diào)中線工程河南段8個(gè)沿線城市的工業(yè)用水量、污水排放量和人均GDP進(jìn)行EKC模型實(shí)證分析可知，目前工業(yè)用水量、污水排放量對8個(gè)城市生態(tài)質(zhì)量的影響較大,與實(shí)際情況相符.由于8個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、工業(yè)發(fā)展速度及對環(huán)境質(zhì)量的重視度等因素都決定了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量.對其城市生態(tài)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行研究分析,不同城市 EKC 存在差異：EKC呈現(xiàn)“N”型的城市，隨著人均GDP增多,工業(yè)用水量、污水排放量指標(biāo)所代表的環(huán)境質(zhì)量壓力較大；EKC呈現(xiàn)倒“N”型的城市其環(huán)境質(zhì)量隨復(fù)歸改善，但仍需加強(qiáng)環(huán)保治理力度，堅(jiān)守環(huán)保底線，防止反彈.

3.2 建議

在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，首先，各地要高度貫徹落實(shí)習(xí)近平同志在推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話精神，發(fā)揮好政府的主導(dǎo)作用，建立健全有利于水資源科學(xué)配置和高效利用的市場機(jī)制，同時(shí)對南水北調(diào)水實(shí)行成本核算，建立兩部制水價(jià)政策，通過價(jià)格杠桿作用，進(jìn)一步倒逼沿線產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，加強(qiáng)水源區(qū)和沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)行宏觀性的把控與調(diào)節(jié).

其次，秉承“十四五”規(guī)劃綱要的指導(dǎo)方針，激勵(lì)企業(yè)加大研發(fā)投入，支持產(chǎn)業(yè)共性基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，完善企業(yè)創(chuàng)新服務(wù)體系，強(qiáng)化工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)管理，加快實(shí)施工業(yè)型企業(yè)制造技術(shù)的優(yōu)化與完善,提升工業(yè)資源的回收利用率與生產(chǎn)制造效率；嚴(yán)格按照工業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，合理利用工藝技術(shù)對工業(yè)污染排放物進(jìn)行高效降解，對工業(yè)污染物實(shí)行第二次回收利用,降低工業(yè)污染物的排放量.

最后，遵守自然規(guī)律，增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)意識，堅(jiān)持底線思維,合理利用資源，實(shí)現(xiàn)效率最大化，牢固樹立綠色發(fā)展理念，充分尊重自然，注重生態(tài)保護(hù)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善，防止生態(tài)問題再次反彈.