黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)及協(xié)調(diào)發(fā)展仿真研究*

安 欣 楊文茹 徐 碩

(1.北京林業(yè)大學經(jīng)濟管理學院,北京 100083;2.山西省財政稅務?？茖W校商學院,山西 太原 030024;3.北京工業(yè)大學經(jīng)濟與管理學院,北京 100124)

黃河流域的生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展是重大國家戰(zhàn)略。目前,黃河流域的經(jīng)濟發(fā)展總體良好,但上、中、下游的生態(tài)環(huán)境狀況卻有明顯差異。相較于上游的水源涵養(yǎng)、下游的濕地生態(tài),中游存在著嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題[1],局部地區(qū)環(huán)境污染嚴重[2]。黃河中游流經(jīng)陜西省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)3個省份的23個地級市,是我國北方重要的人口密集區(qū)和產(chǎn)業(yè)承載區(qū),高密度的人口和高強度的開發(fā)使流域內(nèi)環(huán)境污染日益凸顯,生態(tài)環(huán)境問題越發(fā)突出,出現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境發(fā)展失衡[3]。

環(huán)境污染物按照形態(tài)可分為氣態(tài)污染物、液態(tài)污染物和固態(tài)污染物,以往研究多以單一形態(tài)污染物為對象展開研究[4-11],鮮有同時考慮3類污染物并綜合分析空間關(guān)聯(lián)性。當前研究環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)性的主流方法是使用空間計量模型進行實證研究[12-14]。為此有學者借助社會網(wǎng)絡方法分析環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)性[15-17]。城市間的環(huán)境污染相互關(guān)聯(lián)、相互影響,使黃河中游地區(qū)的污染治理面臨巨大挑戰(zhàn)[18]。協(xié)同推進黃河中游生態(tài)環(huán)境治理,建立統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、聯(lián)防聯(lián)控的防治機制,必須明確城市環(huán)境污染是否存在空間關(guān)聯(lián)性,以及各城市在關(guān)聯(lián)中所處地位,才能通過政策仿真探究黃河中游協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳方案。

本研究以黃河中游流經(jīng)的地級市為單位,運用社會網(wǎng)絡方法分析黃河中游環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)性,并基于環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)性的驅(qū)動因素,構(gòu)建社會、經(jīng)濟、環(huán)境復雜的系統(tǒng)動力學模型,開展不同政策的仿真研究,對統(tǒng)籌改善黃河中游生態(tài)環(huán)境,完善環(huán)境污染防治機制,實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境良性互動具有一定的實踐意義。

1 數(shù)據(jù)來源

由于黃河中游流經(jīng)的主要省份山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)是煤炭大省,工業(yè)燃燒煤過程中產(chǎn)生的大量SO2在氣態(tài)污染物中占據(jù)主要地位,因此選擇工業(yè)SO2排放量作為氣態(tài)污染物的代表。液態(tài)污染物和固態(tài)污染物主要是工業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活中產(chǎn)生的大量廢水和固廢,選擇工業(yè)廢水排放量與生活污水排放量作為液態(tài)污染物的代表,選擇工業(yè)煙塵粉塵排放量與生活垃圾排放量作為固態(tài)污染物的代表。生活污水排放量由居民家庭用水量乘折污系數(shù)所得,所需數(shù)據(jù)均來自于數(shù)據(jù)服務網(wǎng)(http://www.3edata.com/),其中折污系數(shù)參考第二次全國污染源普查中的《生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》,取0.8。

全社會固定資產(chǎn)投資總額來自數(shù)據(jù)服務網(wǎng),能耗總量來自各地級市的歷年國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報,國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、總?cè)丝?、全社會固定資產(chǎn)投資年增量、各大產(chǎn)業(yè)固定投資比重及就業(yè)人口比重、第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重和城鎮(zhèn)化率來自于相關(guān)省份的歷年統(tǒng)計年鑒。

2 社會網(wǎng)絡方法

以城市為節(jié)點,通過環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)進行連線,構(gòu)建社會網(wǎng)絡。本研究使用修正的引力模型作為社會網(wǎng)絡方法構(gòu)建黃河中游流經(jīng)的23個地級市之間的環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡,進而識別各地級市間的環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)性。修正后的引力模型計算不同地級市間的環(huán)境污染引力公式如下：

(1)

式中：Rij為地級市i和地級市j的環(huán)境污染間的引力;kij為地級市i的GDP與地級市i和地級市j的GDP之和的比值;dij為地級市i和地級市j市中心間的地理距離,km,通過百度地圖測量得到;Ii、Ij分別為地級市i和地級市j的工業(yè)廢水排放量,萬t;Li、Lj分別為地級市i和地級市j的生活污水排放量,萬t;Si、Sj分別為地級市i和地級市j的工業(yè)SO2排放量,萬t;Mi、Mj分別為地級市i和地級市j的工業(yè)煙塵粉塵排放量,萬t;Gi、Gj分別為地級市i和地級市j的生活垃圾排放量,萬t。

根據(jù)式(1)計算地級市i和地級市j間的環(huán)境污染引力,并使用Ucinet軟件中的Netdraw工具進行可視化展示(見圖1)。不難看出,黃河中游地級市環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)性呈現(xiàn)多線程的復雜網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形態(tài),太原市、呂梁市、榆林市位于網(wǎng)絡中心,與其他地級市的環(huán)境污染聯(lián)系緊密,是治理環(huán)境污染時需要重點關(guān)注的地級市。

3 黃河中游環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)特征

3.1 整體特征分析

(1) 網(wǎng)絡密度。網(wǎng)絡密度用于衡量關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡中各地級市之間聯(lián)絡的緊密程度,網(wǎng)絡密度越大代表空間關(guān)聯(lián)性越強、溢出渠道越多。黃河中游23個地級市之間存在183條實際連線數(shù),可以計算出網(wǎng)絡密度為0.361 7,得出黃河中游環(huán)境污染存在較強的空間關(guān)聯(lián)效應。

圖1 環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡Fig.1 Spatial association network of environmental pollution

(2) 網(wǎng)絡效率。網(wǎng)絡效率體現(xiàn)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的穩(wěn)健性,網(wǎng)絡效率越高代表地級市之間環(huán)境污染的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡越穩(wěn)健。通過計算得到,黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡效率為0.615,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)健。

(3) 平均路徑長度。平均路徑長度是反映網(wǎng)絡凝聚性的指標,平均路徑越短表示城市間環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡凝聚性越強。通過計算得到,黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的平均路徑長度為2.11,即任意兩個地級市都可通過大約2個其他地級市凝聚起來,這種凝聚性加劇了環(huán)境污染的空間溢出,使得城市間的相互影響更加明顯。

3.2 個體特征分析

空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡是由一個個城市及其關(guān)系構(gòu)成的,但每個城市的作用并不平等,即城市對城市的影響程度是有差別的。本研究使用中心性表征空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡中城市的作用。中心性包括度數(shù)中心度、中間中心度和接近中心度3個常用指標。

由表1不難看出,呂梁市、太原市、臨汾市、運城市和榆林市的3個中心性指標均排前五,從圖1也早已看出,太原市、呂梁市、榆林市位于網(wǎng)絡中心。上述5個城市除榆林市外,其余4個均屬于山西省,表明山西省在黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡中起主導作用,是黃河中游環(huán)境污染治理的重點地區(qū)。

產(chǎn)生這種問題的原因一是在于人民警察中個別人員對于繼續(xù)盤問制度本身的錯誤認識和理解，不能夠正確認識和理解繼續(xù)盤問制度與傳喚、先行拘留、拘傳等強制措施的區(qū)別及適用條件。二是在于人民警察中個別人員對繼續(xù)盤問工作時限的適用具有更大的自由度。根據(jù)《公安機關(guān)適用繼續(xù)盤問規(guī)定》第十一條規(guī)定了繼續(xù)盤問的時限一般為十二小時，某些情形可以延長至二十四小時，特殊情形下可以延長至四十八小時。因此，適用繼續(xù)盤問可以在時間限制上有更大的自由度。

4 空間關(guān)聯(lián)的驅(qū)動因素分析

4.1 驅(qū)動因素識別

城市間環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的形成是多種因素相互作用的結(jié)果。林黎等[19]在借鑒環(huán)境庫茲涅茨曲線理論基礎上,對環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)的驅(qū)動因素進行了挖掘和拓展,主要涉及經(jīng)濟發(fā)展水平、人口因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消耗等方面。岳宛瑩[20]證實,環(huán)境污染與城市建設規(guī)模也有關(guān)系。因此,本研究綜合考慮以上5個方面,經(jīng)濟發(fā)展水平、人口因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消耗分別識別出GDP、總?cè)丝凇⒌诙a(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重和能耗總量4個黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)的驅(qū)動因素,城市建設規(guī)模識別出全社會固定資產(chǎn)投資總額和城鎮(zhèn)化率2個驅(qū)動因素。

4.2 二次指派程序(QAP)回歸分析

QAP以多次置換矩陣數(shù)據(jù)及重復抽樣為基礎,是適用于關(guān)系型矩陣變量相關(guān)關(guān)系檢驗及回歸的一種統(tǒng)計方法。該方法不要求變量之間具有相互獨立性,適用范圍更廣。以黃河中游環(huán)境污染的引力矩陣為被解釋變量,以6個驅(qū)動因素在不同地級市間的差值矩陣為解釋變量,使用Ucinet軟件通過5 000次置換進行QAP回歸分析,結(jié)果如表2所示。

由表2可知,GDP和全社會固定資產(chǎn)投資總額在1%水平上顯著,總?cè)丝诤偷诙a(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重在5%水平上顯著,城鎮(zhèn)化率和能耗總量在10%水平上顯著。全社會固定資產(chǎn)投資總額的回歸系數(shù)為正且絕對值最大,表明黃河中游環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)與地級市間該指標的差異有密切的正相關(guān)性,是影響黃河中游環(huán)境污染的最主要因素。工業(yè)生產(chǎn)活動會排放大量廢氣、廢水、廢渣,可對環(huán)境造成嚴重的污染,因此第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重也是影響黃河中游環(huán)境污染的一個關(guān)鍵因素。GDP和總?cè)丝谠谝欢ǔ潭壬洗砹顺鞘幸?guī)模,這兩個指標的回歸系數(shù)均為負,說明城市規(guī)模的差異對環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)產(chǎn)生負向影響,即差異越大關(guān)聯(lián)性越小。比如,西安市和渭南市的城市規(guī)模差異較大,所以即使這兩個地級市地理位置很近但它們之間的環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)性仍很弱;相反,呂梁市和運城市之間雖然隔了臨汾市,地理位置相對較遠,但環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)性卻很強,因為它們的城市規(guī)模差異小。

表1 黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的個體特征Table 1 Individual features of spatial correlation network of environmental pollution in the middle region of Yellow River

表2 QAP 回歸分析結(jié)果Table 2 QAP regression analysis result

5 社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展政策仿真

5.1 模型構(gòu)建

環(huán)境污染的空間關(guān)聯(lián)構(gòu)成一個龐大而復雜的系統(tǒng),本研究使用系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的仿真模型,通過對不同政策情景進行模擬,找出黃河中游協(xié)調(diào)發(fā)展的最優(yōu)策略。

系統(tǒng)動力學方法是由美國學者FORRESTER[21]提出的一種用于研究復雜系統(tǒng)行為的方法,在處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面具有顯著優(yōu)勢[22]。

本研究將復雜的黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)系統(tǒng)劃分為社會、經(jīng)濟和環(huán)境3個子系統(tǒng)。經(jīng)濟子系統(tǒng)主要考慮了經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境的影響,在該系統(tǒng)中,以全社會固定資產(chǎn)投資總額為系統(tǒng)變量,以全社會固定資產(chǎn)投資年增量作為流率變量,利用三大產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重確定輔助變量三次產(chǎn)業(yè)增加值及 GDP,最后通過工業(yè)增加值與環(huán)境子系統(tǒng)中的能耗總量推測環(huán)境污染物排放量。總?cè)丝跁绊懭螽a(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)從而影響經(jīng)濟子系統(tǒng)中的GDP,最終影響環(huán)境污染物的排放。為此,在社會子系統(tǒng)中選定總?cè)丝谧鳛橄到y(tǒng)變量,年人口增加量作為流率變量。環(huán)境子系統(tǒng)為人類生存提供所需環(huán)境、為經(jīng)濟發(fā)展提供資源,同時承載了人口子系統(tǒng)和經(jīng)濟子系統(tǒng)排放的污染物,而污染物的排放會影響人類身體健康,進而影響出生率、死亡率等,最終反過來影響社會和經(jīng)濟兩個子系統(tǒng)。借鑒申慧云等[23]的建模方法,得到8個系統(tǒng)動力學方程(見式(2)至式(9))。

就業(yè)人數(shù)=1.674×總?cè)丝?10 000

(2)

第一產(chǎn)業(yè)增加值=0.28×第一產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重+1.057×第一產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口比重+40.262

(3)

第二產(chǎn)業(yè)增加值=1.237×第二產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重+0.68×第二產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口比重+189.882

(4)

第三產(chǎn)業(yè)增加值= 0.101×第三產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重+11.665×第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口比重+171.868

(5)

工業(yè)廢水排放量=e0.675ln工業(yè)增加值+4.843

(6)

工業(yè)SO2排放量=e0.327ln能耗總量+1.050

(7)

工業(yè)煙塵粉塵排放量=e0.627ln能耗總量-3.396

(8)

生活污水排放量=e7.604ln總?cè)丝?56.818

(9)

5.2 模型檢驗

為保證所構(gòu)建模型對實際復雜系統(tǒng)的適用性,需要進行結(jié)構(gòu)性檢驗、歷史性檢驗和靈敏度分析。(1)結(jié)構(gòu)性檢驗主要是檢查變量單位設置、模型結(jié)構(gòu)等是否合理,確保模型設置科學,運行流暢。本研究使用Vensim-PLE軟件對模型進行結(jié)構(gòu)性檢驗,滿足要求。(2)歷史性檢驗以某歷史時刻作為起始點運行模型,將模擬得到的結(jié)果與真實數(shù)據(jù)進行對比。本模型對核心系統(tǒng)變量進行逐一歷史性檢驗,除2016年固定資產(chǎn)投資誤差率為11.3%,也基本接近10%外,其他變量在檢驗年份的誤差率均低于10%,能夠比較真實地反映現(xiàn)實情況。(3)為驗證參數(shù)設置對模型輸出結(jié)果的影響,需進行靈敏度分析。改變工業(yè)增加值占GDP比重測試模型的靈敏度,發(fā)現(xiàn)模型不會因為參數(shù)的微小變化而引起系統(tǒng)行為的根本改變,因此所構(gòu)建的模型較為穩(wěn)定。

通過上述檢驗可知,黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的仿真模型具有良好的可行性、有效性和魯棒性。

5.3 系統(tǒng)仿真

5.3.1 方案設計

將模型的邊界確定為黃河中游所涉及的23個地級市。根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃2012—2030》中支撐流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)建設目標,對黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的仿真模型進行2014—2030年仿真模擬,仿真步長為 1 年。基于QAP回歸分析中得到的黃河中游環(huán)境污染主要解釋變量,再結(jié)合黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的實際情況,具體選取人口出生率、全社會固定資產(chǎn)投資總額年增量、三大產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重、三大產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)比重及單位GDP能耗作為決策變量,通過改變這些決策變量,模擬黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)變化,模擬方案設計如表3所示。

方案1：維持現(xiàn)狀型。研究區(qū)域在模擬時間內(nèi)按現(xiàn)狀情況發(fā)展,作為其他方案的比較基礎。

方案2：發(fā)展社會優(yōu)先型?！秶胰丝诎l(fā)展規(guī)劃(2016-2030年)》中我國2030年的人口總目標為14.5億人,根據(jù)當前黃河中游總?cè)丝谠谌珖側(cè)丝谥械恼急扔嬎?黃河中游2030年的總?cè)丝趹獮? 946萬人。為研究優(yōu)先發(fā)展社會子系統(tǒng)對經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的影響,將人口出生率從現(xiàn)有的1.0%降到0.8%。

方案3：發(fā)展經(jīng)濟優(yōu)先型?！笆奈濉币?guī)劃沒有設定GDP具體目標,為了預測經(jīng)濟發(fā)展對黃河中游協(xié)調(diào)發(fā)展的影響,將全社會固定資產(chǎn)投資總額年增量提高到14.00%。

方案4：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整型。為研究調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對社會、經(jīng)濟和環(huán)境的影響,增大第三產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重,將三大產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資比重從現(xiàn)有的7.4%、33.4%、59.2%分別調(diào)整為2.4%、28.4%、69.2%;同時增大第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)比重,將三大產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)比重從現(xiàn)有的24%、29%、47%分別調(diào)整為19%、24%、57%。

方案5：能源消耗節(jié)約型。《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》明確提出,2020年我國單位GDP能耗比2015年下降15%,2030年達到世界平均水平。因此,方案5中對能源消耗進行調(diào)控,2014年單位GDP能耗維持現(xiàn)狀1.2 t/萬元,從2015年起單位GDP能耗每5年遞減15%。

方案6：可持續(xù)發(fā)展型。本著社會、經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的原則,在兼顧經(jīng)濟社會發(fā)展的同時,與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)約能源措施相結(jié)合,綜合方案2～5得到方案6。

5.3.2 模擬結(jié)果對比分析

6種方案在2030年的仿真模擬結(jié)果如表4所示。方案6中,黃河中游的總?cè)丝谠?030年為7 966.8萬人,基本符合《國家人口發(fā)展規(guī)劃(2016-2030年)》中的人口目標;2030年GDP、第二產(chǎn)業(yè)增加值和能耗總量都僅低于發(fā)展經(jīng)濟優(yōu)先型的方案3,既實現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展預期目標,又降低了能源消耗;各類廢物排放量在2030年的模擬結(jié)果說明可持續(xù)發(fā)展型的方案6兼顧了社會、經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,雖然在單個指標上不一定是最佳的,但綜合起來看卻是黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的最優(yōu)方案。

表3 不同方案的參數(shù)設置Table 3 Parameters design of the different plans

表4 不同方案下2030年的仿真模擬結(jié)果Table 4 Simulated results in 2030 under different plans

6 結(jié) 論

(1) 黃河中游環(huán)境污染存在較強的空間關(guān)聯(lián)效應,城市間的相互影響明顯,山西省在黃河中游環(huán)境污染空間關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡中起主導作用,是黃河中游環(huán)境污染治理的重點地區(qū),特別是太原市、呂梁市和榆林市位于網(wǎng)絡中心。

(2) 全社會固定資產(chǎn)投資總額是影響黃河中游環(huán)境污染的最主要因素,第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重也是影響黃河中游環(huán)境污染的一個關(guān)鍵因素。

(3) 可持續(xù)發(fā)展型方案本著社會、經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的原則,在兼顧經(jīng)濟社會發(fā)展的同時,與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)約能源措施相結(jié)合,2030年總?cè)丝诨痉稀秶胰丝诎l(fā)展規(guī)劃(2016-2030年)》中的人口目標;GDP、第二產(chǎn)業(yè)增加值和能耗總量都僅低于發(fā)展經(jīng)濟優(yōu)先型方案,既實現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展預期目標,又降低了能源消耗;各類廢物排放兼顧了社會、經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,雖然在單個指標上可持續(xù)發(fā)展型方案不一定是最佳的,但綜合起來看卻是黃河中游社會、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的最優(yōu)方案。