城市工業“三廢”與經濟發展的EKC聯合分析

曹磊,劉珊,董小林,廖磊,李炫妮

(1.長安大學 旱區地下水與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.長安大學 水利與環境學院， 陜西 西安 710054；3.長安大學 環境經濟與管理研究所，陜西 西安 710054)

21世紀初以來，我國城市在經濟高速發展過程中，能源消耗不斷擴大，工業“三廢”的排放量日益增加，環境污染問題的逐漸加劇。在城市經濟發展與環境保護理念出現相悖的狀況下，黨的十八大、十九大對加快生態文明體制改革、推進綠色發展、建設美麗中國進行了全面戰略部署，中國的經濟社會高質量發展與綠色革命就是在這一大背景下進行的。

對于城市區域經濟發展與環境質量之間的關系可以用環境庫茲涅茨曲線(EKC)理論進行分析。Alper Aslan等[1]驗證了美國1966～2013年的CO2環境庫茲涅茨曲線呈“倒U型”曲線；李鵬濤[2]采用31省面板數據發現廢水和廢氣與經濟增長之間呈現“倒U型”特征。當然，并非所有的環境污染指標與人均GDP之間都契合標準的“倒U型”曲線關系，環境庫茲涅茨曲線具體的實際應用會受到分析對象與時間跨度的影響，以及地區發展特點等多方面的影響[3]。本研究基于EKC模型對西安市工業“三廢”與經濟發展進行聯合分析。

1 研究區域分析

1.1 經濟發展狀況分析

西安位于西部和中部兩大經濟區的結合處，是西北地區重要的經濟中心和交通樞紐，隨著絲路文化高地、國家中心城市、國際化大都市建設等規劃，使西安經濟社會加快發展，現已成為新時代西部大開發的“領頭羊”。由表1可知，2014年西安的生產總值已經達到5 000億元大關，2018年，西安市生產總值邁上8 000億元的新臺階，財政總收入過1 400億元，增長8.2%、增速居副省級城市第一。見圖1，西安市經濟一直處于持續增長的階段，1999～2007年GDP增長較平穩，2008年至今一直保持較高的增長率。

表1 西安市1999～2018年國民生產總值及其增長率Table 1 GDP and growth rate of Xi’an from 1999 to 2018

圖1 西安市1999～2018年GDP趨勢變化曲線Fig.1 The trend curve of GDP from 1999 to 2018 in Xi’an

1.2 環境質量狀況分析

1999～2010年西安市處于發展速度快，資源需求大，環境負擔重的時期，在此發展過程中，工業的高強度發展使得大氣污染的越來越嚴重。由圖2可知，2008年的工業廢氣排放量為1 519.179 9億m3是近20年以來排放最高的一年，在短短的8年里，從2001年的273.980 6億m3增長到2008年的1 519.179 9億m3，增長幅度5倍之余；2009年之后工業廢氣排放量依然是全市大氣污染的主要污染源，且危害成分復雜。2010年強霧霾天數開始增多，霧霾日趨嚴重，2017年后，在“鐵腕治霾”的作用下，霧霾天氣逐漸有了好轉。

圖2 西安市工業“三廢”排放量變化曲線Fig.2 Change curve of industrial “three wastes” emissions in Xi’an

西安市的水資源總量低于全國平均程度，屬于嚴重缺水地區[4]，工業廢水污染加劇了水資源短缺帶來的挑戰。1999～2007年工業廢水排放量不斷增加，最高達到190.69百萬t，2007年之后開始不斷下降。在這三類工業廢棄物中，廢水排放量控制效果最好，表明西安市提高了工業廢水的重復利用率以及廢水處理技術的改進，從根本上減少了工業廢水的產生。

工業固廢產生量在1999～2011年持續上升，從105.00萬t增加到279.00萬t，年平均增長率約為13%，在此之后政策的完善、生產工藝的改良及工業固廢處理設施的補充完善，使得自2012年起工業固廢的產生量逐年開始降低，降幅高達31%左右，同時工業固廢的處置量由2012年的9.24萬t增長到2018年的78.10萬t，處置率不斷增加。

2 指標數據的選取與分析

2.1 指標與數據

運用EKC分析經濟發展與環境污染程度時，應先檢驗符合EKC的狀況。在符合EKC的基本內涵和條件基礎上，首先要保證選取指標數據的準確性；其次應該有足夠的符合EKC分析的時間跨度；同時擬合方程應該總體符合的“倒U型”曲線態勢。

分析選取西安市1999～2018年工業“三廢”排放量(工業廢水排放量、工業廢氣排放量、工業固廢產生量)為環境質量指標；選取人均GDP作為經濟發展指標。具體數據見表2。

表2 西安市1999～2018年各項指標的數據Table 2 Data of various indicators in Xi’an from 1999 to 2018

2.2 分析模型

EKC是描述經濟發展與環境水平關系的計量模型。本研究分析對各個數據取對數的擬合度高于直接采用原始數據，所以公式(1) 可以表達西安市環境污染程度和經濟發展水平之間的這種關系[3]。

ln(Y)=β1ln(x)+β2ln2(x)+ε

(1)

式中,Y為環境質量指標，分別為工業廢水排放量(萬t)、工業廢氣排放量(億m3)、工業固廢產生量(萬t)；x為經濟增長指標，ε為人均GDP(元)，β1、β2為模型參數；ε為隨機誤差項。EKC模型是標準的“倒U型”曲線，即當β1>0，β2<0，符合EKC設定的基本內涵和效果。

3 EKC實證分析

3.1 EKC符合度檢驗

環境庫茲尼茨(EKC)和庫茲尼茨假說(KC)的基本假設規定和含義均具有一定的普遍性，但也存在不符合EKC基本態勢的情況，對出現某些局部波動的異常情況，要進行有針對性地根據其特征應用合適的模型進行分析。因此在分析之前對每個環境指標分別與經濟指標進行EKC符合度檢驗，如符合EKC的基本的內涵和趨勢，則利用EKC理論進行分析。本實例采用公式(1)利用Origin軟件進行擬合檢驗。

圖3 西安市工業“三廢”與人均 GDP的EKC擬合曲線Fig.3 EKC fitting curve of industrial “three wastes” and per capita GDP in Xi’an

表3 EKC模型擬合結果Table 3 EKC model fitting results

擬合分析結果表明：見表3，曲線模型擬合的相關系數分別為0.898 07，0.820 75，0.863 18，模型擬合度較好，且都存在β1>0，β2<0，符合EKC設定的基本內涵和效果。見圖3，擬合曲線趨勢符合“倒U型”曲線，即表明經濟發展程度較低時，環境污染程度隨著經濟的增長而加重惡化，當經濟發展達到一定水平后即拐點處，環境污染程度隨著經濟的增長而持續改善[3,5]。

3.2 西安市工業“三廢”與經濟的EKC分析

3.2.1 人均GDP與廢氣排放量的關系 西安市在1999～2018年之間，工業廢氣排放量均值為783.108 4億m3，2008年工業廢氣排放量最高，為1 519.179 9億m3，而2001年排放273.980 6億m3是最少的。由圖3(a)可知：1999～2018年，西安市人均GDP與工業廢氣排放量的EKC擬合曲線呈“倒U型”，即經濟水平較低時，工業廢氣排放量隨著經濟的增長而遞增，當人均GDP到達轉折點時，工業廢氣排放量隨著經濟的增長而遞減。擬合分析可知，2014～2015年間為拐點所在區間，2014年人均GDP為63 794.00元，2015年人均GDP為66 938.00元。根據曲線擬合結果，2014年前數據出現較大的波動，2015年之后的工業廢氣排放量會隨人均收入的增加而減少。現階段處于拐點的右側，說明隨著經濟的增長環境質量有所改善。

3.2.2 人均 GDP與廢水排放量的關系 見圖3(b)，西安市人均GDP與工業廢水排放量擬合程度較好，工業廢水排放量隨經濟的增長，呈現出先增加后減少的“倒U型”趨勢。西安市在1999～2018年之間，工業廢水排放量均值為10 720.15萬t，2007年工業廢水排放量最多，為19 069萬t，2016年最低，為4 029.83萬t，占全省廢水排放量的比重范圍為2.41%～20.5%。擬合分析可知，2007～2008年間為拐點所在區間，2007年和2008年人均GDP分別為22 463.00元、27 794.00元，2007年之后的工業廢水排放量會隨人均收入的增加而減少，現階段處于拐點的右側。

3.2.3 人均GDP與固廢產生量的關系 西安市1999～2018年之間，平均每年產生189.12萬t工業固廢，2001年產生105.00萬t是最少的，則2011年產生工業固廢279.00萬t是20年中最多的。見圖3(c)：西安市人均GDP與工業固廢產生量的EKC擬合曲線呈“倒U型”，即經濟水平較低時，工業固廢產生量隨著經濟的增長而遞增，當人均GDP達到拐點，工業固廢產生量隨著GDP的增長而遞減。擬合分析可知，2012～2013年間為拐點區間，西安市2012年人均GDP為51 499.00元，2013年人均GDP為57 464.00元。曲線擬合結果顯示，現階段處于拐點的右側。

3.3 西安市工業“三廢”與經濟的聯合分析

在以上分別對單一的環境因子污染指標進行的EKC分析的基礎上，對西安市工業“三廢”與經濟發展進行聯合分析，因為環境污染常常是以復合狀態存在，所以采用綜合環境污染程度的指標進行EKC分析更加客觀[3]。

3.3.1 數據標準歸一化處理 表2中西安市1999～2018年工業廢氣排放量、工業廢水排放量、工業固廢產生量的數據水平相差很大,單位也不同,要將其進行聯合分析,需對現有的指標數據進行無量綱標準化處理,使其成為無量綱數據，用無量綱數據可以保證綜合評價結果的準確性，適合環境污染與經濟發展的聯合分析[6-7]。標準化結果見表4。

表4 污染物排放量標準化結果Table 4 Pollutant discharge standardization results

(2)

本研究對衡量環境污染的工業廢氣排放量、工業廢水排放量、工業固廢產生量三個指標進行權重賦值，權重占比分別為0.4,0.4,0.2[8]。將表3中的標準化數據，根據權重進行歸一化處理，得出環境污染系數，污染系數越小說明三種污染的綜合影響越小,反之則越大[9]。見表5。

表5 環境污染系數Table 5 Environmental pollution coefficient

3.3.2 西安市人均GDP與環境污染系數的EKC分析 用環境污染系數進一步進行環境污染與經濟發展的EKC分析，人均GDP為經濟發展指標，環境污染系數為環境質量指標，本研究采用三次函數和二次函數進行分析，其擬合效果均符合EKC的基本態勢，但三次函數擬合度更高，因此這里采用三次函數擬合分析，結果見圖4[10]。

由表5可知，西安市在1999～2018年之間，2008年的環境污染系數最大，為1.534 869，而2001年的環境污染系數最小，為-1.096 393。由圖4可知，西安市1999～2018年人均GDP與環境污染系數的EKC擬合曲線擬合程度較好，整體呈“倒U型”趨勢，2009～2010年間為拐點區間，2009年人均GDP為32 411.00元，2010年人均GDP為38 357.00元，即西安市在1999～2009年處于經濟發展水平較低時，環境污染程度隨著經濟的增長而加重，當人均GDP到達轉折點2010年時，環境污染程度隨著經濟的增長而減輕。分析可知，雖然環境污染程度與經濟發展水平目前已經進入協調的發展模式，但是2016～2017年出現了波動，表明西安市未來環境污染依然存在一定的風險。

圖4 環境污染系數和人均GDP的EKC擬合曲線Fig.4 EKC fitting curve of environmental pollution coefficient and GDP per capita

4 結論

(1)選取西安市1999～2018年中的工業廢氣排放量、工業廢水排放量、工業固廢產生量和人均GDP作為研究指標，分析表明符合EKC的基本趨勢，建立了西安市EKC計量分析模型。

(2)根據EKC模型擬合結果分析了西安市環境污染程度與經濟發展之間的關系，分析表明：工業廢氣排放量、工業廢水排放量、工業固廢產生量和人均GDP都呈現出“倒U型”關系，目前隨著經濟的發展，工業“三廢”對環境的污染程度呈下降趨勢。

(3)通過對西安市工業“三廢”排放量標準歸一化處理得出環境污染系數，進行環境污染系數與人均GDP的聯合計量分析，整體來說，2009～2010年左右越過拐點后，表明西安市工業發展與環境質量已跨過EKC曲線的拐點進入了兩者協調發展的新階段。