全國水環(huán)境壓力指數與綠色發(fā)展因素研究

王榮森，吳 蓉

(中國科學技術大學 管理學院，合肥 230026)

1 水環(huán)境賬戶計算模型

本研究采取2013年張義等人改進模型的水污染生態(tài)足跡計算方法，舍棄水資源產量因子，不同的是，本研究單獨考慮水環(huán)境狀況，并在其總氮、總磷、化學需氧量三大污染物的基礎上，添加氨氮污染物，具體方法如下：

EFT=max(EFN，EFP，EFCOD，EFNH3N)

EFN=CN/PN

EFP=CP/PP

(1)

EFCOD=CCOD/PCOD

EFNH3N=CNH3N/PNH3N

上式中，EFT為總的水污染生態(tài)足跡(hm2)，EFN為總氮污染水生態(tài)足跡，EFP為總磷污染水生態(tài)足跡，EFCOD為有機物水生態(tài)足跡，EFNH3N為氨氮污染水生態(tài)足跡，CN、CP、CCOD、CNH3N分別為廢水中總氮、總磷、有機物和氨氮的排放量(t)；PN、PP、PCOD、PNH3N為水域消納總氮、總磷、有機物和氨氮的全球平均能力(t/hm2)，由于幾種污染物在環(huán)境影響中的重疊作用，故取其中的最大值作為最終的水污染生態(tài)足跡。以下是承載力模型：

CCT=min(CCN,CCP,CCCOD,CCNH3N)

CCN=0.88×(QWP×UN/PN)

CCP=0.88×(QWP×UP/PP)

(2)

CCCOD=0.88×(QWP×UCOD/PCOD)

CCNH3N=0.88×(QWP×UNH3N/PNH3N)

QWP=QW-(QR×K)

其中，CCT為總的水環(huán)境承載力(hm2)，CCN、CCP、CCCOD、CCNH3N依次是氮、磷、有機物、氨氮水環(huán)境承載力；QWP為研究區(qū)用于消納污染物的水量(m3)，UN、UP、UCOD、UNH3N為Ⅲ類水質標椎中基本能維持水體生態(tài)服務功能的氮、磷、有機物和氨氮含量上限(mg/L)；承載力中須扣除12%用于生物多樣性保護，故有0.88的系數[1]；QW是水資源總量(m3)，QR為地區(qū)取水量(m3)，K為地區(qū)綜合耗水率(可由各省水資源公報得到)；由于任一污染物超標都會造成水體生態(tài)系統(tǒng)功能的破壞，所以最終的水環(huán)境生態(tài)承載力取氮、磷、有機物和氨氮水環(huán)境承載力中的最小值；水環(huán)境賬戶盈余ES為水環(huán)境承載力與水污染生態(tài)足跡之差；水環(huán)境生態(tài)壓力指數IP為水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境承載力之比，如下式：

ES=CCT-EFT

IP=EFT/CCT

(3)

2 數據來源

Ⅲ類水質標椎中基本能維持水體生態(tài)服務功能的氮、磷、有機物和氨氮含量上限分別為1.0 mg/L、0.2 mg/L、20 mg/L和1.0 mg/L[2]，水資源全球平均生產能力為3 140 m3/hm2，通過單位換算得到水域消納總氮、總磷、有機物和氨氮的全球平均能力分別為0.003 145 t/hm2、0.000 629 t/hm2、0.062 893 t/hm2和 0.003 145 t/hm2，其他數據主要來源于2013-2017年的中國統(tǒng)計年鑒、各省份統(tǒng)計年鑒、水資源公報，部分數據根據原始數據計算得來。

3 全國水環(huán)境賬戶情況

根據全國除西藏和港澳臺以外的30個省份的水污染生態(tài)足跡的計算結果，得到2013-2017年的各省份水環(huán)境盈余/赤字情況，由于大部分地區(qū)處于水環(huán)境赤字狀況，所以僅列出盈余省份，具體情況如下：

2013年：青海、貴州、廣西、云南、江西、海南。

2014年：青海、貴州、廣西、云南、江西、福建。

2015年：青海、貴州、廣西、云南、江西、浙江、福建。

2016年：新疆、青海、貴州、四川、廣西、云南、吉林、安徽、江西、湖北、湖南、福建、海南。

2017年：新疆、青海、四川、貴州、廣西、云南、江西、湖南、福建、海南。

除上述所列省份之外，其余省份均處于赤字狀態(tài)。2013-2017年，只有青海、貴州、廣西、云南、江西5省在各年均處于水環(huán)境盈余狀態(tài)，可見我國水環(huán)境污染形勢十分嚴峻。2015年之后，處于水環(huán)境盈余的省份明顯增加，說明近兩年地方水污染狀況得到一定程度的改善。根據水污染生態(tài)足跡、水環(huán)境承載力數據和公式(3)，分別得到西、中、東部地區(qū)的人均水環(huán)境壓力指數平均值，如圖1所示：

圖1 分地區(qū)人均水環(huán)境生態(tài)壓力指數Fig.1 Ecological pressure index of water environment per capita by region

從圖1可見，東部人均水環(huán)境生態(tài)壓力最大，中部次之，西部最小。東部地區(qū)2013-2014年壓力指數由20.91陡然增加至84.47，2014年之后又迅速回落，2016年下降到最低點；中部和東部地區(qū)變化較為平穩(wěn)，2016年之前中部的人均壓力指數均位于西部地區(qū)之上，2017年兩者趨于一致，西、中部地區(qū)在這5年間的人均壓力指數呈平穩(wěn)波動下降趨勢，東部地區(qū)波動較大，且在2017年有翹尾，但總體上處于下降態(tài)勢。綜合來看，全國人均水環(huán)境壓力指數在2015年之后處于降低狀態(tài)。

4 分地區(qū)水環(huán)境賬戶狀況

4.1 西部地區(qū)

西部地區(qū)的水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力的具體狀況如圖2所示：

圖2 西部地區(qū)水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力Fig.2 Ecological footprint of water pollution and ecological carrying capacity of water environment in Western China

2013-2015年西部地區(qū)的人均總污染足跡遠大于人均承載力，處于水環(huán)境赤字狀態(tài)，但自從2015年以后，人均水污染生態(tài)足跡迅速俯沖至水環(huán)境承載力以下，使之轉為水環(huán)境盈余并維持這一狀態(tài)。在此期間，人均水環(huán)境承載力先下降后上升，波動較為平穩(wěn)，而水污染生態(tài)足跡變動較大，可見西部的水環(huán)境盈虧主要取決于總的水污染生態(tài)足跡情況。

4.2 中部地區(qū)

中部地區(qū)的水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力的具體狀況如圖3所示：

圖3 中部地區(qū)水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力Fig.3 Ecological footprint of water pollution and ecological carrying capacity of water environment in Central China

中部地區(qū)的水環(huán)境除了2016年以外，其余年份均處于赤字狀態(tài)，且水環(huán)境承載力有下降趨勢，2017年恢復水環(huán)境赤字狀態(tài)。2013-2015年水污染足跡最高達到人均承載力的3倍，2015年之后人均總污染足跡顯著下降，2016年達到水環(huán)境盈余，但2017年由于承載力有所下降，又恢復赤字狀態(tài)，但比之前的赤字狀態(tài)緩解許多。

4.3 東部地區(qū)

東部地區(qū)的水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力的具體狀況如圖4所示。東部地區(qū)的水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力往相反方向波動，形態(tài)上近似對稱圖形，2013-2015年水污染足跡緩慢上升，與此同時人均總承載力緩慢下降，2015年赤字達到峰值；2016年人均總污染足跡與人均總承載力之間的落差迅速收窄，赤字達到最小，之后赤字又逐漸擴大。2015年國家通過《水污染防治行動計劃》，簡稱“水十條”，強制規(guī)定各省切實加強水污染防治力度，逾期未達標的，決定取消其加劇水污染物排放的建設項目審批資格，并依照有關規(guī)定采取撤銷園區(qū)資格等懲罰措施[3]。由全國各地區(qū)的人均水環(huán)境走勢圖可看出，2015年以前人均水污染足跡總體處于高位，但2015年以后都急劇下降，大大緩解水環(huán)境赤字狀況，可見“水十條”對全國的水污染防治效果顯著，但中、東部地區(qū)在2016年以后又有恢復赤字的狀況出現，這種現象表明建立水污染防治的長效機制任重道遠。

圖4 東部地區(qū)水污染生態(tài)足跡與水環(huán)境生態(tài)承載力Fig.4 Ecological footprint of water pollution and ecological carrying capacity of water environment in eastern China

5 綠色因子分析

為進一步分析人均水環(huán)境壓力指數與各地區(qū)綠色發(fā)展因素之間的關系，本研究參考《中國省級綠色經濟指標體系》和《中國區(qū)域產業(yè)綠色發(fā)展指數評價》，并結合與水環(huán)境賬戶有關的原則，綜合羅列了影響地方水環(huán)境壓力指數的22項綠色指標，并分別與水環(huán)境壓力指數進行相關性分析，以2017年數據為例，具體結果如表1。

單從相關性來看，pearson系數在0.5以上的只有人均壽命、平均受教育年限[4]、人均地區(qū)生產總值、第三產業(yè)勞動生產率和人均可支配收入5項因子，即在綠色因子中，與人均水環(huán)境生態(tài)壓力指數有相對較強的線性相關性。代表第一、二產業(yè)發(fā)展水平的第一、二產業(yè)勞動生產率沒有通過顯著性檢驗，創(chuàng)新因子(13～15)、環(huán)境污染因子(16～18)、環(huán)境治理因子(20～22)以及人均耕地面積均未通過檢驗，說明這些因子與人均水環(huán)境壓力指數線性無關，但不排除有非線性關系。

對以上通過相關性檢驗的10個指標(1～10)進行標準化處理后(消除量綱效應)[5]進行因子分析，KMO值為0.801，巴特利特檢驗結果顯著，故變量適合做因子分析。提取4個主成分，累計方差貢獻率為87.094%，即所提取的4個主成分可以解釋總體信息的87.094%，旋轉后的因子載荷矩陣如表2所示。

表1 人均水環(huán)境壓力指數與綠色發(fā)展因子相關性分析結果Tab.1 Analysis results of correlation between per capita water environmental pressure index and green development factors

表2 旋轉后的因子載荷矩陣Tab.2 Factor load matrix after rotation

根據各主成分在不同變量上的載荷大小進行分組，并根據各因子結構特征重新命名，如表3所示：

表3 因子分組結構Tab.3 Factor grouping structure

6神經網絡預測分析

鑒于人工神經網絡處理非線性問題的優(yōu)越性，現運用SPSS中神經網絡的徑向基函數功能，選取2017年30個省份的數據，將地區(qū)發(fā)展水平、資源承載度、資源利用效率、政府支持度的標準化得分作為協(xié)變量，人均水環(huán)境壓力指數為因變量，直觀呈現四大綠色影響因素與水環(huán)境壓力指數之間存在的復雜非線性關系，并進行因子相對重要性分析，結果如下：

圖5 神經網絡預測值散點圖Fig.5 Scatter diagram of neural network prediction value

圖6 神經網絡預測值殘差圖Fig.6 Residual map of neural network prediction value

神經網絡預測值的散點圖如圖5所示。從散點圖可以看出人均壓力指數的預測值基本呈現線性趨勢。神經網絡預測值的殘差圖如圖6所示。模型的殘差基本在0附近波動，說明模型效果好。自變量重要性如表4所示。未正態(tài)化前的變量重要性依次是地區(qū)發(fā)展水平0.494、資源承載度0.178、政府支持度0.167、資源利用效率0.161，正態(tài)化后的變量重要性依次是地區(qū)發(fā)展水平100%、資源承載度36%、政府支持度33.9%、資源利用效率32.6%。圖7是神經網絡自變量正態(tài)化后的變量重要性條形圖。可見地區(qū)發(fā)展水平在評價人均水環(huán)境壓力指數的過程中重要性占比最高，資源承載度、政府支持度、資源利用效率重要性均為30%左右，約占地區(qū)發(fā)展水平的1/3。這種分布特征為后續(xù)制定具體、有傾向化的政策方針提供了方向和依據。

表4 自變量的重要性Tab.4 Importance of independent variable

圖7 變量相對重要性條形圖Fig.7 Bar chart of relative importance of variables

7 結論

本研究通過計算2013-2017年全國30個省份的水污染生態(tài)足跡，表明大部分地區(qū)的水環(huán)境處于不安全的狀態(tài)，這一狀況在2015年以后有明顯好轉，但中東部地區(qū)有恢復赤字趨勢。因子分析綜合相關變量信息，并將輸出作為預測水環(huán)境壓力指數的參考變量，神經網絡預測的結果表明，要從根本上改善全國的水環(huán)境安全狀況，需從以下方面著手：

地區(qū)發(fā)展水平。目前地區(qū)的高度發(fā)展仍然是以水環(huán)境的惡化為代價的，第三產業(yè)勞動生產率與人均水環(huán)境生態(tài)壓力指數成正相關，說明僅調整產業(yè)結構向第三產業(yè)轉移并不能有效緩解地區(qū)水環(huán)境壓力，而應將綠色產業(yè)作為第三產業(yè)中最重要的經濟增長點，從根本上解決經濟效益與水環(huán)境保護的矛盾，提升全國水環(huán)境安全水平。人均壽命、平均受教育年限與水環(huán)境壓力指數正相關，說明人口素質中的水環(huán)境保護意識有待加強，為培養(yǎng)居民的綠色用水習慣，應將與水環(huán)境保護有關的知識培訓納入國民教育體系，樹立防治水污染與節(jié)約水資源的綠色消費理念。加速淘汰落后產能，提高項目環(huán)評的審核標準，嚴格規(guī)定用水及排放必須達到行業(yè)先進水準，方可授予開發(fā)經營權益。整合政府部門與銀行業(yè)的信息資源，全面建立企業(yè)環(huán)境信用評價制度，并根據企業(yè)環(huán)評狀況實現貸款發(fā)放階梯化，放寬有利于水生態(tài)保護的企業(yè)貸款限制，嚴格限制環(huán)境違法企業(yè)貸款，營造綠色信貸環(huán)境。另一方面，應大力發(fā)展環(huán)保產業(yè)，盡快實現水環(huán)境保護體系化、服務化、產業(yè)化，打造一批現代化的環(huán)保服務型標桿企業(yè)。

資源承載度。在人均水資源量一定的情況下，節(jié)約水資源對水環(huán)境安全起到至關重要的作用。將用水計劃管理落到實處，規(guī)定用水設施必須通過節(jié)水標準，否則不予投入使用。引進新型適用的節(jié)水裝備和器具，全面更換市場中不符合節(jié)水標準的用水設備，并禁止其再次生產、出售。以政策補貼的方式激勵用戶更換落后的耗水型用具，選購使用節(jié)水型水嘴、便器水箱等環(huán)保產品。充分發(fā)揮森林資源在涵養(yǎng)水源方面所起的作用，加大退耕還林、還草、還濕力度，不定期更新危害生態(tài)修復工作的商業(yè)開發(fā)負面清單，扶持花卉苗木、森林旅游休閑等新型業(yè)態(tài)的適度規(guī)模經營，依托綠色資源，因地制宜。

政府支持度。加大政府資金投入，設立水環(huán)境保護專項基金，為實現項目開發(fā)經營各環(huán)節(jié)的水環(huán)境監(jiān)控提供資金支持，將事故應對轉為事前預防。參考以往環(huán)境違法典型案例，加緊推進水環(huán)境保護立法工作，確定環(huán)境違法訴訟制度并建立咨詢委員會，追溯監(jiān)管部門、排污企業(yè)在水環(huán)境違法中的責任歸屬。企業(yè)為支持水環(huán)境保護政策所依賴進口的核心原材料和零部件，應予以減免關稅，將高耗水、高水污染產品納入消費稅征收范圍。影響周邊居民水環(huán)境的大型建設項目需舉行公開聽證會，限期研究并解決群眾反映強烈的問題。

資源利用效率。為有效降低單位地區(qū)生產總值水耗，減少工業(yè)固體廢棄物中有害物質所造成的水體污染，應加大包括水循環(huán)在內的資源綜合利用領域的經濟投入，加緊相關重大工藝及材料的技術突破。對自主研發(fā)循環(huán)利用產品并探索市場化路徑的企業(yè)實行降低準入，稅收優(yōu)惠和政策補貼，充分調動資本市場的投資熱情。