黄河中游环境污染空间关联及协调发展仿真研究*
时间：2023-03-23 19:20:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
安 欣 杨文茹 徐 硕
(1.北京林业大学经济管理学院,北京 100083;2.山西省财政税务专科学校商学院,山西 太原 030024;3.北京工业大学经济与管理学院,北京 100124)
黄河流域的生态保护和高质量发展是重大国家战略。目前,黄河流域的经济发展总体良好,但上、中、下游的生态环境状况却有明显差异。相较于上游的水源涵养、下游的湿地生态,中游存在着严峻的生态环境问题[1],局部地区环境污染严重[2]。黄河中游流经陕西省、山西省、内蒙古自治区3个省份的23个地级市,是我国北方重要的人口密集区和产业承载区,高密度的人口和高强度的开发使流域内环境污染日益凸显,生态环境问题越发突出,出现社会、经济、环境发展失衡[3]。
环境污染物按照形态可分为气态污染物、液态污染物和固态污染物,以往研究多以单一形态污染物为对象展开研究[4-11],鲜有同时考虑3类污染物并综合分析空间关联性。当前研究环境污染空间关联性的主流方法是使用空间计量模型进行实证研究[12-14]。为此有学者借助社会网络方法分析环境污染的空间关联性[15-17]。城市间的环境污染相互关联、相互影响,使黄河中游地区的污染治理面临巨大挑战[18]。协同推进黄河中游生态环境治理,建立统筹协调、联防联控的防治机制,必须明确城市环境污染是否存在空间关联性,以及各城市在关联中所处地位,才能通过政策仿真探究黄河中游协调发展的最佳方案。
本研究以黄河中游流经的地级市为单位,运用社会网络方法分析黄河中游环境污染的空间关联性,并基于环境污染空间关联性的驱动因素,构建社会、经济、环境复杂的系统动力学模型,开展不同政策的仿真研究,对统筹改善黄河中游生态环境,完善环境污染防治机制,实现社会、经济、环境良性互动具有一定的实践意义。
由于黄河中游流经的主要省份山西省和内蒙古自治区是煤炭大省,工业燃烧煤过程中产生的大量SO2在气态污染物中占据主要地位,因此选择工业SO2排放量作为气态污染物的代表。液态污染物和固态污染物主要是工业生产和居民日常生活中产生的大量废水和固废,选择工业废水排放量与生活污水排放量作为液态污染物的代表,选择工业烟尘粉尘排放量与生活垃圾排放量作为固态污染物的代表。生活污水排放量由居民家庭用水量乘折污系数所得,所需数据均来自于数据服务网(http://www.3edata.com/),其中折污系数参考第二次全国污染源普查中的《生活污染源产排污系数手册》,取0.8。
全社会固定资产投资总额来自数据服务网,能耗总量来自各地级市的历年国民经济与社会发展公报,国内生产总值(GDP)、总人口、全社会固定资产投资年增量、各大产业固定投资比重及就业人口比重、第二产业增加值占GDP比重和城镇化率来自于相关省份的历年统计年鉴。
以城市为节点,通过环境污染空间关联进行连线,构建社会网络。本研究使用修正的引力模型作为社会网络方法构建黄河中游流经的23个地级市之间的环境污染空间关联网络,进而识别各地级市间的环境污染空间关联性。修正后的引力模型计算不同地级市间的环境污染引力公式如下：
(1)
式中：Rij为地级市i和地级市j的环境污染间的引力;kij为地级市i的GDP与地级市i和地级市j的GDP之和的比值;dij为地级市i和地级市j市中心间的地理距离,km,通过百度地图测量得到;Ii、Ij分别为地级市i和地级市j的工业废水排放量,万t;Li、Lj分别为地级市i和地级市j的生活污水排放量,万t;Si、Sj分别为地级市i和地级市j的工业SO2排放量,万t;Mi、Mj分别为地级市i和地级市j的工业烟尘粉尘排放量,万t;Gi、Gj分别为地级市i和地级市j的生活垃圾排放量,万t。
根据式(1)计算地级市i和地级市j间的环境污染引力,并使用Ucinet软件中的Netdraw工具进行可视化展示(见图1)。不难看出,黄河中游地级市环境污染的空间关联性呈现多线程的复杂网络结构形态,太原市、吕梁市、榆林市位于网络中心,与其他地级市的环境污染联系紧密,是治理环境污染时需要重点关注的地级市。
3.1 整体特征分析
(1) 网络密度。网络密度用于衡量关联网络中各地级市之间联络的紧密程度,网络密度越大代表空间关联性越强、溢出渠道越多。黄河中游23个地级市之间存在183条实际连线数,可以计算出网络密度为0.361 7,得出黄河中游环境污染存在较强的空间关联效应。
图1 环境污染空间关联网络Fig.1 Spatial association network of environmental pollution
(2) 网络效率。网络效率体现关联网络的稳健性,网络效率越高代表地级市之间环境污染的关联网络越稳健。通过计算得到,黄河中游环境污染空间关联网络的网络效率为0.615,网络结构较为稳健。
(3) 平均路径长度。平均路径长度是反映网络凝聚性的指标,平均路径越短表示城市间环境污染的空间关联网络凝聚性越强。通过计算得到,黄河中游环境污染空间关联网络的平均路径长度为2.11,即任意两个地级市都可通过大约2个其他地级市凝聚起来,这种凝聚性加剧了环境污染的空间溢出,使得城市间的相互影响更加明显。
3.2 个体特征分析
空间关联网络是由一个个城市及其关系构成的,但每个城市的作用并不平等,即城市对城市的影响程度是有差别的。本研究使用中心性表征空间关联网络中城市的作用。中心性包括度数中心度、中间中心度和接近中心度3个常用指标。
由表1不难看出,吕梁市、太原市、临汾市、运城市和榆林市的3个中心性指标均排前五,从图1也早已看出,太原市、吕梁市、榆林市位于网络中心。上述5个城市除榆林市外,其余4个均属于山西省,表明山西省在黄河中游环境污染空间关联网络中起主导作用,是黄河中游环境污染治理的重点地区。
产生这种问题的原因一是在于人民警察中个别人员对于继续盘问制度本身的错误认识和理解，不能够正确认识和理解继续盘问制度与传唤、先行拘留、拘传等强制措施的区别及适用条件。二是在于人民警察中个别人员对继续盘问工作时限的适用具有更大的自由度。根据《公安机关适用继续盘问规定》第十一条规定了继续盘问的时限一般为十二小时，某些情形可以延长至二十四小时，特殊情形下可以延长至四十八小时。因此，适用继续盘问可以在时间限制上有更大的自由度。
4.1 驱动因素识别
城市间环境污染空间关联网络的形成是多种因素相互作用的结果。林黎等[19]在借鉴环境库兹涅茨曲线理论基础上,对环境污染空间关联的驱动因素进行了挖掘和拓展,主要涉及经济发展水平、人口因素、产业结构、能源消耗等方面。岳宛莹[20]证实,环境污染与城市建设规模也有关系。因此,本研究综合考虑以上5个方面,经济发展水平、人口因素、产业结构、能源消耗分别识别出GDP、总人口、第二产业增加值占GDP比重和能耗总量4个黄河中游环境污染空间关联的驱动因素,城市建设规模识别出全社会固定资产投资总额和城镇化率2个驱动因素。
4.2 二次指派程序(QAP)回归分析
QAP以多次置换矩阵数据及重复抽样为基础,是适用于关系型矩阵变量相关关系检验及回归的一种统计方法。该方法不要求变量之间具有相互独立性,适用范围更广。以黄河中游环境污染的引力矩阵为被解释变量,以6个驱动因素在不同地级市间的差值矩阵为解释变量,使用Ucinet软件通过5 000次置换进行QAP回归分析,结果如表2所示。
由表2可知,GDP和全社会固定资产投资总额在1%水平上显著,总人口和第二产业增加值占GDP比重在5%水平上显著,城镇化率和能耗总量在10%水平上显著。全社会固定资产投资总额的回归系数为正且绝对值最大,表明黄河中游环境污染的空间关联与地级市间该指标的差异有密切的正相关性,是影响黄河中游环境污染的最主要因素。工业生产活动会排放大量废气、废水、废渣,可对环境造成严重的污染,因此第二产业增加值占GDP比重也是影响黄河中游环境污染的一个关键因素。GDP和总人口在一定程度上代表了城市规模,这两个指标的回归系数均为负,说明城市规模的差异对环境污染的空间关联产生负向影响,即差异越大关联性越小。比如,西安市和渭南市的城市规模差异较大,所以即使这两个地级市地理位置很近但它们之间的环境污染空间关联性仍很弱;相反,吕梁市和运城市之间虽然隔了临汾市,地理位置相对较远,但环境污染空间关联性却很强,因为它们的城市规模差异小。
表1 黄河中游环境污染空间关联网络的个体特征Table 1 Individual features of spatial correlation network of environmental pollution in the middle region of Yellow River
表2 QAP 回归分析结果Table 2 QAP regression analysis result
5.1 模型构建
环境污染的空间关联构成一个庞大而复杂的系统,本研究使用系统动力学方法构建社会、经济、环境协调发展的仿真模型,通过对不同政策情景进行模拟,找出黄河中游协调发展的最优策略。
系统动力学方法是由美国学者FORRESTER[21]提出的一种用于研究复杂系统行为的方法,在处理高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈问题方面具有显著优势[22]。
本研究将复杂的黄河中游环境污染空间关联系统划分为社会、经济和环境3个子系统。经济子系统主要考虑了经济发展对环境的影响,在该系统中,以全社会固定资产投资总额为系统变量,以全社会固定资产投资年增量作为流率变量,利用三大产业固定资产投资比重确定辅助变量三次产业增加值及 GDP,最后通过工业增加值与环境子系统中的能耗总量推测环境污染物排放量。总人口会影响三大产业就业人数从而影响经济子系统中的GDP,最终影响环境污染物的排放。为此,在社会子系统中选定总人口作为系统变量,年人口增加量作为流率变量。环境子系统为人类生存提供所需环境、为经济发展提供资源,同时承载了人口子系统和经济子系统排放的污染物,而污染物的排放会影响人类身体健康,进而影响出生率、死亡率等,最终反过来影响社会和经济两个子系统。借鉴申慧云等[23]的建模方法,得到8个系统动力学方程(见式(2)至式(9))。
就业人数=1.674×总人口-10 000
(2)
第一产业增加值=0.28×第一产业固定资产投资比重+1.057×第一产业就业人口比重+40.262
(3)
第二产业增加值=1.237×第二产业固定资产投资比重+0.68×第二产业就业人口比重+189.882
(4)
第三产业增加值= 0.101×第三产业固定资产投资比重+11.665×第三产业就业人口比重+171.868
(5)
工业废水排放量=e0.675ln工业增加值+4.843
(6)
工业SO2排放量=e0.327ln能耗总量+1.050
(7)
工业烟尘粉尘排放量=e0.627ln能耗总量-3.396
(8)
生活污水排放量=e7.604ln总人口-56.818
(9)
5.2 模型检验
为保证所构建模型对实际复杂系统的适用性,需要进行结构性检验、历史性检验和灵敏度分析。(1)结构性检验主要是检查变量单位设置、模型结构等是否合理,确保模型设置科学,运行流畅。本研究使用Vensim-PLE软件对模型进行结构性检验,满足要求。(2)历史性检验以某历史时刻作为起始点运行模型,将模拟得到的结果与真实数据进行对比。本模型对核心系统变量进行逐一历史性检验,除2016年固定资产投资误差率为11.3%,也基本接近10%外,其他变量在检验年份的误差率均低于10%,能够比较真实地反映现实情况。(3)为验证参数设置对模型输出结果的影响,需进行灵敏度分析。改变工业增加值占GDP比重测试模型的灵敏度,发现模型不会因为参数的微小变化而引起系统行为的根本改变,因此所构建的模型较为稳定。
通过上述检验可知,黄河中游社会、经济、环境协调发展的仿真模型具有良好的可行性、有效性和鲁棒性。
5.3 系统仿真
5.3.1 方案设计
将模型的边界确定为黄河中游所涉及的23个地级市。根据《黄河流域综合规划2012—2030》中支撑流域经济社会可持续发展的生态建设目标,对黄河中游社会、经济、环境协调发展的仿真模型进行2014—2030年仿真模拟,仿真步长为 1 年。基于QAP回归分析中得到的黄河中游环境污染主要解释变量,再结合黄河中游社会、经济、环境协调发展的实际情况,具体选取人口出生率、全社会固定资产投资总额年增量、三大产业固定资产投资比重、三大产业就业人数比重及单位GDP能耗作为决策变量,通过改变这些决策变量,模拟黄河中游社会、经济、环境协调发展的动态变化,模拟方案设计如表3所示。
方案1：维持现状型。研究区域在模拟时间内按现状情况发展,作为其他方案的比较基础。
方案2：发展社会优先型。《国家人口发展规划(2016-2030年)》中我国2030年的人口总目标为14.5亿人,根据当前黄河中游总人口在全国总人口中的占比计算,黄河中游2030年的总人口应为7 946万人。为研究优先发展社会子系统对经济和环境协调发展的影响,将人口出生率从现有的1.0%降到0.8%。
方案3：发展经济优先型。“十四五”规划没有设定GDP具体目标,为了预测经济发展对黄河中游协调发展的影响,将全社会固定资产投资总额年增量提高到14.00%。
方案4：产业结构调整型。为研究调整产业结构对社会、经济和环境的影响,增大第三产业固定资产投资比重,将三大产业固定资产投资比重从现有的7.4%、33.4%、59.2%分别调整为2.4%、28.4%、69.2%;同时增大第三产业就业人数比重,将三大产业就业人数比重从现有的24%、29%、47%分别调整为19%、24%、57%。
方案5：能源消耗节约型。《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》明确提出,2020年我国单位GDP能耗比2015年下降15%,2030年达到世界平均水平。因此,方案5中对能源消耗进行调控,2014年单位GDP能耗维持现状1.2 t/万元,从2015年起单位GDP能耗每5年递减15%。
方案6：可持续发展型。本着社会、经济与环境协调、可持续发展的原则,在兼顾经济社会发展的同时,与产业结构调整及节约能源措施相结合,综合方案2～5得到方案6。
5.3.2 模拟结果对比分析
6种方案在2030年的仿真模拟结果如表4所示。方案6中,黄河中游的总人口在2030年为7 966.8万人,基本符合《国家人口发展规划(2016-2030年)》中的人口目标;2030年GDP、第二产业增加值和能耗总量都仅低于发展经济优先型的方案3,既实现了经济发展预期目标,又降低了能源消耗;各类废物排放量在2030年的模拟结果说明可持续发展型的方案6兼顾了社会、经济和环境的协调发展,虽然在单个指标上不一定是最佳的,但综合起来看却是黄河中游社会、经济、环境协调发展的最优方案。
表3 不同方案的参数设置Table 3 Parameters design of the different plans
表4 不同方案下2030年的仿真模拟结果Table 4 Simulated results in 2030 under different plans
(1) 黄河中游环境污染存在较强的空间关联效应,城市间的相互影响明显,山西省在黄河中游环境污染空间关联网络中起主导作用,是黄河中游环境污染治理的重点地区,特别是太原市、吕梁市和榆林市位于网络中心。
(2) 全社会固定资产投资总额是影响黄河中游环境污染的最主要因素,第二产业增加值占GDP比重也是影响黄河中游环境污染的一个关键因素。
(3) 可持续发展型方案本着社会、经济与环境协调、可持续发展的原则,在兼顾经济社会发展的同时,与产业结构调整及节约能源措施相结合,2030年总人口基本符合《国家人口发展规划(2016-2030年)》中的人口目标;GDP、第二产业增加值和能耗总量都仅低于发展经济优先型方案,既实现了经济发展预期目标,又降低了能源消耗;各类废物排放兼顾了社会、经济和环境的协调发展。因此,虽然在单个指标上可持续发展型方案不一定是最佳的,但综合起来看却是黄河中游社会、经济、环境协调发展的最优方案。
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