張保留 羅 宏

(中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京市朝陽區(qū),100012)

大氣污染約束下的省域煤炭消費(fèi)預(yù)測

張保留 羅 宏

(中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京市朝陽區(qū),100012)

對歷年來主要大氣污染物排放量數(shù)據(jù)、煤炭消費(fèi)量數(shù)據(jù)及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組擬合,建立煤炭消費(fèi)與大氣污染物之間的量化關(guān)系,并進(jìn)行相關(guān)度分析。在不同的污染物約束條件下對全國以及省域煤炭總量控制目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果表明:全國煤炭消費(fèi)總量應(yīng)控制在40～60億t左右,其中東部、中部及西部的煤炭消費(fèi)量占比分別為40%、29%及31%左右,中東部比例較以前均有下降,西部占比則明顯上升,未來煤炭資源還需進(jìn)一步優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)省域內(nèi)的合理消費(fèi)。

大氣污染約束 省域煤炭消費(fèi) 總量預(yù)測

1 引言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源和主要能源,對人類生活和社會發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),而煤炭的大量消費(fèi)也同時(shí)給國家?guī)砹谁h(huán)境污染問題,以目前困擾社會的霧霾現(xiàn)象為首的大氣污染物問題尤為嚴(yán)重,有關(guān)研究表明,我國煙塵排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%都來自于燃煤。因此怎樣減輕煤炭消費(fèi)所帶來的大氣污染,一直是備受關(guān)注的話題,且急需得到解決。

目前將煤炭消費(fèi)與其他因素相聯(lián)系起來的研究主要有煤炭消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系研究,以及在碳排放約束下的煤炭消費(fèi)研究。有關(guān)煤炭消耗與大氣污染物之間關(guān)系的定性研究指出煤炭燃燒是大氣污染物的主要來源,少量的定量研究則通過建立關(guān)系式繼而進(jìn)行系數(shù)驗(yàn)證。王淑娜建立火電行業(yè)SO2和煤炭消費(fèi)之間的一元五次方程關(guān)系式,證明火電耗煤與大氣污染之間存在直接的量化關(guān)系。郝吉明構(gòu)建了PM2.5與煤炭消費(fèi)之間的模型,并驗(yàn)證了煤炭是PM2.5的主要成因。陳軍等則驗(yàn)證了區(qū)域煤炭消費(fèi)與污染物排放之間的關(guān)系存在差異性。而這些研究僅從公式上證明煤炭消費(fèi)與污染物之間存在關(guān)系,并未給出具體的污染物約束下的煤炭消費(fèi)量控制目標(biāo)。在國家及區(qū)域的煤炭消費(fèi)預(yù)測研究上,申萬等從治理霧霾政策對煤炭消費(fèi)的影響出發(fā),利用彈性系數(shù)模型預(yù)測了2020年的全國煤炭消費(fèi)總量。朱法華從單位面積煤耗量的角度對比發(fā)達(dá)國家耗煤水平對各省區(qū)提出煤耗控制目標(biāo)。薛文博對PM2.5達(dá)標(biāo)下的區(qū)域煤炭消費(fèi)總量做了預(yù)測。當(dāng)前研究在煤炭消費(fèi)的總量預(yù)測上,細(xì)化到區(qū)域的研究很少,涉及到區(qū)域研究的,或者未考慮環(huán)境容量,或者未考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。所以制定出既考慮環(huán)境保護(hù)又考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的區(qū)域煤炭總量控制方案,是煤炭消費(fèi)所面臨的當(dāng)務(wù)之急。對此,本文將結(jié)合各省大氣污染物控制目標(biāo)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行省域煤炭消費(fèi)總量的預(yù)測,以求能為區(qū)域煤炭消費(fèi)控制提供一定的政策建議。

2 研究思路與數(shù)據(jù)來源

本文將在大氣污染物排放量和煤炭消費(fèi)量之間,以及污染物排放強(qiáng)度和煤炭消耗強(qiáng)度之間建立量化關(guān)系式并進(jìn)行相關(guān)度驗(yàn)證,以此明確兩者之間的具體約束關(guān)系,通過污染物排放目標(biāo)的設(shè)定,以及相應(yīng)GDP的預(yù)測后,進(jìn)行約束方程替代換算,最終得出煤炭的控制目標(biāo)。由于建立關(guān)系需要大容量的數(shù)據(jù)樣本,因此本文將全國31個(gè)省區(qū)的“十二五”國民經(jīng)濟(jì)綱要及“十二五”環(huán)保規(guī)劃、重點(diǎn)區(qū)域大氣污染物防治規(guī)劃等等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,以供大氣污染物及GDP預(yù)測參考使用。此外,查閱2000－2014年的中國統(tǒng)計(jì)年鑒,對全國及各省大氣污染物的歷史排放數(shù)據(jù)、各省GDP產(chǎn)值及各省煤炭消費(fèi)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并以2000年價(jià)格為基準(zhǔn),對歷年名義GDP做實(shí)際GDP的換算,以使污染物排放強(qiáng)度和煤耗強(qiáng)度的計(jì)算值具有可比對性,減小不必要的模擬誤差。

3 大氣污染物與煤炭消費(fèi)之間的關(guān)系

3.1 全國大氣污染物與煤炭消費(fèi)之間的關(guān)系

利用1990－2013年的SO2排放量、2003－2013年的煙粉塵排放量及2006－2013年NOX排放量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別與相應(yīng)年份的煤炭消費(fèi)量數(shù)據(jù)構(gòu)成面板數(shù)據(jù)集,以污染物排放量x(萬t)為變量、煤炭消費(fèi)量y(萬t)為自變量,進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬嘗試,繪制散點(diǎn)圖,取出相關(guān)度系數(shù)最大也最能體現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)系的模擬方程,可得到SO2、NOX、煙粉塵排放量和煤炭消費(fèi)量之間的關(guān)系式,見表1。各污染物排放量與煤炭消費(fèi)量之間的模擬關(guān)系表現(xiàn)出不同形式,SO2和煤炭消費(fèi)量之間呈現(xiàn)一元二次關(guān)系,而煙粉塵和NOX與煤炭消費(fèi)之間的關(guān)系式則表現(xiàn)為指數(shù)方程。

表1 全國大氣污染物排放總量與煤炭消費(fèi)總量的關(guān)系

3.2 各省區(qū)大氣污染物與煤炭消費(fèi)之間的關(guān)系模擬

為了明確各地區(qū)在考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況下的煤炭消費(fèi)與大氣污染物排放之間的量化關(guān)系,特選取全國30個(gè)省區(qū)(西藏?zé)o相關(guān)數(shù)據(jù))2000－2012年SO2、煙粉塵的排放量、煤炭消耗及GDP,進(jìn)行污染物排放強(qiáng)度及煤耗強(qiáng)度計(jì)算,分別以萬元SO2排放量或萬元煙粉塵排放強(qiáng)度(kg/萬元)x為自變量,萬元煤炭消耗量(t/萬元)y為因變量做散點(diǎn)圖,對數(shù)據(jù)組進(jìn)行擬合,分別得到煤炭消費(fèi)強(qiáng)度與SO2、煙粉塵之間的擬合關(guān)系式見表2、表3。經(jīng)模擬,各省域兩種污染物排放強(qiáng)度與煤炭消耗強(qiáng)度的關(guān)系式均為一元二次方程。

表2 2000－2012年各省區(qū)煤炭消費(fèi)與SO2排放之間的關(guān)系式

省區(qū)模擬方程相關(guān)系數(shù)貴州y＝－0.0002x2＋0.0484x＋2.3466R2＝0.9679云南y＝－0.0192x2＋0.5818x－2.2698R2＝0.5361陜西y＝－0.0018x2＋0.0809x＋1.3537R2＝0.3619甘肅y＝0.0001x2＋0.0219x＋1.4835R2＝0.8719青海y＝0.0041x2－0.1334x＋2.823R2＝0.4436寧夏y＝－0.0018x2＋0.1658x＋3.7166R2＝0.3032新疆y＝－0.0004x2－0.0775x＋3.8094R2＝0.6067

表3 2000－2012年各省區(qū)煤炭消耗強(qiáng)度與煙粉塵排放強(qiáng)度的關(guān)系式

3.3 大氣污染物與煤炭消費(fèi)的相關(guān)關(guān)系分析

由上述模擬方程,可看出不同省域煤炭消費(fèi)和SO2排放約束之間的相關(guān)關(guān)系有一定差別,這與各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以及煤炭種類等因素都有關(guān)系。對全國煤炭消費(fèi)量與不同種類大氣污染物排放量的關(guān)系模擬,是不考慮經(jīng)濟(jì)條件下對煤炭總量的粗略預(yù)測?？紤]到本研究所采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的特殊性,對于省域SO2和煙粉塵與大氣污染之間的關(guān)系式,僅從相關(guān)度R2上來區(qū)別不同省區(qū)的方程式解釋變量關(guān)系,R2越大,說明擬合程度越高,方程式的解釋能力越強(qiáng);反之,方程式解釋變量之間關(guān)系的能力越小。

按照傳統(tǒng)的相關(guān)值劃分方法,若把0.9＜R2＜1的地區(qū)定為顯著相關(guān)區(qū)域、0.8＜R2＜0.9的地區(qū)定為高度相關(guān)區(qū)域、0.6＜R2＜0.8的地區(qū)定為中度相關(guān)區(qū)域、0＜R2＜0.6的地區(qū)定為低相關(guān)區(qū)域,那么全國煤炭消費(fèi)排放量和污染物排放量之間的相關(guān)度均為高相關(guān)以上。若以煤炭消耗強(qiáng)度和SO2的相關(guān)關(guān)系為衡量指標(biāo),則除了海南、云南、陜西、青海、寧夏、新疆、廣西為中低相關(guān)區(qū)域之外,其他的都處于高相關(guān)之列;若以煤炭消耗強(qiáng)度和煙粉塵的相關(guān)關(guān)系為衡量指標(biāo),則除了內(nèi)蒙古、青海、云南、陜西、甘肅、寧夏、新疆、廣西、四川為中低相關(guān)區(qū)域之外,其他省份都處于高相關(guān)之列?？梢?絕大部分地區(qū)模擬關(guān)系式的相關(guān)度都為高相關(guān),說明系列一元二次方程式基本可以作為大部分省區(qū)煤炭消耗和大氣污染物之間關(guān)系的表達(dá)式。

4 煤炭消費(fèi)總量預(yù)測結(jié)果

4.1 全國煤炭消費(fèi)總量預(yù)測結(jié)果

煤炭消費(fèi)受大氣污染物約束,有研究提出要使2030年環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo),SO2、NOx和煙塵的排放量應(yīng)削減40%、45%和50%左右,那么考慮到階段性減排力度,2020年應(yīng)實(shí)現(xiàn)SO2、NOx和煙塵的排放量相比2010年分別下降20%、23%和25%左右,即排放量控制在1800萬t、1575萬t和900萬t。若適當(dāng)放松約束條件,為大氣污染物減排設(shè)置低、中、高三類減排情景,則根據(jù)2020年大氣污染物排放的設(shè)定值,可分別計(jì)算煤炭消耗目標(biāo),所得結(jié)果如表4,利用SO2,NOX和煙粉塵預(yù)測的煤炭消費(fèi)總量區(qū)間范圍分別為37～40億t, 25～28億t,38～45億t。

可見若只考慮環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)下階段性減排目標(biāo),并不納入經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo),綜合3種污染物的約束條件,預(yù)測2020年的煤炭消費(fèi)量約在40億t左右,和國家相關(guān)規(guī)劃目標(biāo)42億t相差無幾。但若考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等綜合因素,此自上而下的煤炭消費(fèi)總量目標(biāo)還有待和省域煤炭控制目標(biāo)進(jìn)行契合,因此最終的省域煤炭消費(fèi)量還需另行核算。

表4 2020年全國煤炭消費(fèi)總量預(yù)測結(jié)果

4.2 省域煤炭消費(fèi)控制目標(biāo)

省域煤炭消費(fèi)控制目標(biāo)預(yù)測,要涉及省域SO2和煙粉塵各自控制目標(biāo)及各省GDP預(yù)測,研究根據(jù)各省有關(guān)污染物減排的“十二五”規(guī)劃,聯(lián)系重點(diǎn)區(qū)域污染物減排規(guī)劃及國家“十二五”環(huán)保規(guī)劃總體要求,采用以延續(xù)重點(diǎn)區(qū)域污染物減排規(guī)定為優(yōu)先,其次按各省規(guī)劃中的減排比例規(guī)定遞減,最后按國家總體規(guī)劃等比例減排的方法,經(jīng)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算,最終得到2020年各省大氣污染物控制目標(biāo),而GDP預(yù)測則通過實(shí)際GDP增速在5%～7%的速度,分別對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、經(jīng)濟(jì)中等發(fā)達(dá)地區(qū)及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行預(yù)測,最終將污染物減排目標(biāo)及GDP預(yù)測數(shù)列代入上述關(guān)系式,可得到各省區(qū)的煤炭消費(fèi)預(yù)測結(jié)果,見表5。利用SO2和煙粉塵對煤炭消費(fèi)的預(yù)測總結(jié)果分別達(dá)58億t和75億t。省域煤炭消費(fèi)量均有不同增加,煤炭消費(fèi)占比發(fā)生變化。將中國各省區(qū)劃分為東、西、中部3個(gè)地區(qū),東部包括遼寧、北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、海南11個(gè)省市;中部地區(qū)包括黑龍江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西8個(gè)省;其他為西部地區(qū)。這3個(gè)區(qū)域煤炭消費(fèi)占比分別為40.29%、28.97%和30.74%,相較于過去,東部、中部煤炭消費(fèi)比例均下降約1%,西部從過去徘徊在20%～30%之間的消費(fèi)比例明顯增加到30%。

表5 各省區(qū)2020年煤炭消費(fèi)量預(yù)測結(jié)果

省區(qū)2012年煤炭消費(fèi)量/萬t 2020年GDP預(yù)測值/億元SO2排放量/萬t根據(jù)SO2預(yù)測的2020年煤炭消費(fèi)量/萬t煙粉塵排放量/萬t根據(jù)煙粉塵預(yù)測的2020年煤炭消費(fèi)量/萬t貴州13328 7412.28 98.17 21885.05 26.4 24359.07云南9850 13365.34 62.64 470.60 33.9 16499.78陜西15774 14337.98 61.81 23930.12 0.6 27916.34甘肅6558 7101.19 44.67 11942.05 28.2 12099.4青海1859 2201.29 11.62 3971.80 20.7 3353.819寧夏8055 2041.15 25.16 9270.22 15.2 15123.07新疆12028 8926.12 45.57 24933.60 18.9 58359.84總計(jì)436454 701778.71 1691.4 583971.52 1047.5 754421.1

4.3 煤炭消費(fèi)總量控制目標(biāo)預(yù)測分析

(1)從全國煤炭消費(fèi)總量預(yù)測結(jié)果對比來看,利用3種污染物排放的預(yù)測有差距,且與利用SO2和煙粉塵的預(yù)測所得的全國煤炭消費(fèi)量結(jié)果相差也較大,當(dāng)然前后兩者的預(yù)測方法不同,前者未考慮經(jīng)濟(jì)因素,故有一定差別。而后者所采用的兩種污染物下的預(yù)測結(jié)果之所以有差別,主要跟各省的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)及煤炭種類不同,以及煤炭消費(fèi)對各大氣污染物貢獻(xiàn)度不同有關(guān),因此存在一定的偏差。在SO2與煤炭消費(fèi)關(guān)系上,處于高相關(guān)度的地區(qū)明顯多于煙粉塵與煤炭消費(fèi)的高相關(guān)地區(qū),低相關(guān)度的區(qū)域相比于相關(guān)度較高的區(qū)域預(yù)測結(jié)果,誤差會稍大些。相對來說,SO2預(yù)測的結(jié)果更為接近國家規(guī)劃目標(biāo),更多代表了“十二五”規(guī)劃的延續(xù)政策對污染物排放的約束,進(jìn)而對煤炭消費(fèi)產(chǎn)生了相關(guān)約束。若綜合幾種預(yù)測結(jié)果,全國煤炭總量的范圍在40～60億t左右可能更接近國家發(fā)展需求的目標(biāo)值。

(2)從省域煤炭預(yù)測結(jié)果來看,若不考慮各種誤差,區(qū)域之間煤炭消費(fèi)比例變化趨勢較之當(dāng)前政策所主導(dǎo)的煤炭消費(fèi)地區(qū)向西部轉(zhuǎn)移趨勢基本一致,證實(shí)中東部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對煤炭的依賴程度有所減輕,煤炭消費(fèi)逐漸向西部偏移,符合當(dāng)前大力發(fā)展西部的戰(zhàn)略理念要求,因此預(yù)測結(jié)果有一定的合理性和可靠性。

當(dāng)然,本預(yù)測方式還存在不足之處,從關(guān)系式本身來看,經(jīng)數(shù)據(jù)組模擬的方程是對過去十余年的污染物排放及煤炭消費(fèi)狀況的總結(jié),對于未來所可能遇到的各種諸如政策、技術(shù)等影響因素,并沒有進(jìn)行詳盡考慮,故利用此關(guān)系式得到的預(yù)測值還有一定的局限性。

(3)預(yù)測結(jié)果存在不確定性的原因之一,與關(guān)系式內(nèi)包含因子——GDP和污染物排放量的預(yù)測有關(guān),未來的GDP增速是未知數(shù),即使全國總經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值處在一定范圍,各省區(qū)以何種速度增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值,還值得進(jìn)一步考慮,且大氣污染物排放量在各省的分配也一直是一個(gè)難以統(tǒng)一的問題,不同的省域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值預(yù)測及大氣環(huán)境容量對煤炭消費(fèi)預(yù)測的結(jié)果會產(chǎn)生很大影響。

5 結(jié)語

本文通過建立各省區(qū)大氣污染物與煤炭消費(fèi)之間的量化關(guān)系,希望以大氣污染物排放控制目標(biāo)為約束條件,在考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí),對各省區(qū)提出煤炭消費(fèi)控制目標(biāo),從而為全國的煤炭消費(fèi)政策提供建議,促進(jìn)煤炭的合理消費(fèi)和配置。研究結(jié)果說明:煤炭消費(fèi)控制不僅要從全國層面上把握,更需要從各省區(qū)乃至更具體的地方城市抓起。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)在耗煤比例上會削減,急需發(fā)展經(jīng)濟(jì)趕追東部的西部地區(qū),會適當(dāng)加強(qiáng)用煤比例。當(dāng)然目前要實(shí)現(xiàn)按國家總體要求進(jìn)行的自上而下的分配方案和按地方要求實(shí)行自下而上的總量控制方案相匹配還尚有難度。畢竟限制各省區(qū)的煤炭消費(fèi)實(shí)際上也是對其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的硬性約束。地方政府要發(fā)展經(jīng)濟(jì),必然會抵制煤炭消費(fèi)控制,煤炭總量控制政策就很難達(dá)到預(yù)期效果。最好的解決辦法,可能不是一味壓低煤炭消耗,而是尋求替代能源或者提高煤炭清潔利用方式等途徑。因此,未來加強(qiáng)煤炭替代措施,強(qiáng)化煤炭污染控制技術(shù),對于解決能源問題及環(huán)境污染問題,都會是極為重要的手段,只有找到既不影響經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值增長,又不損害環(huán)境的方法,才是加強(qiáng)省域煤炭消費(fèi)控制效果、促進(jìn)煤炭合理消費(fèi)的最好方式。

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(責(zé)任編輯 張大鵬)

Provincial coal consumption prediction under the air pollution constraints

Zhang Baoliu,Luo Hong
(Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Chaoyang,Beijng 100012,China)

With conduct array fitting on the historical data of major air pollutants emissions, coal consumptions and economic data,to establish the quantitative relationship between coal consumption and air pollutants,and make the correlation analysis.Predict the total control targets of country＇s coal consumption and each province＇s goal,which is based on different scenarios of pollutants constraints,the result is:the country＇s total coal consumption should be controlled at about 4 to 6 billion tons,among which the eastern accounts for 40%,while the central area accounting 29%,and 31%in western,compared to the past,the eastern and median ratio were both decreased,the west had a marked increase,in the future,there is a need to optimize the allocation of coal resources,to achieve a reasonable consumption within the province.

air pollution constraints,provincial coal consumption,total consumption prediction

X51,F206

A

張保留(1989－),女,安徽蚌埠人,中國環(huán)境科學(xué)研究院碩士研究生,研究方向?yàn)槟茉磁c環(huán)境經(jīng)濟(jì)。