王 朝,李偉峰,韓立建

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域國家重點實驗室,北京 1000852 中國科學院大學,北京 100049

能源是維持城市發(fā)展的重要因素,也是推進城市發(fā)展的基礎保障[1]。隨著我國城市化水平的快速提高,能源問題已經成為我國城市化面臨的四大挑戰(zhàn)(能源問題、固體廢棄物處理、城市發(fā)展檢測系統(tǒng)和信息交流)之首位[2],城市化地區(qū)的能源供需矛盾日益突出,能源對城市的限制作用加劇[3]。一方面,能源總量供不應求,限制了社會、經濟的進一步發(fā)展；另一方面,大量的化石燃料消費加劇了環(huán)境問題,如霧霾污染、城市熱島、酸雨及土壤重金屬污染等,嚴重限制了城市可持續(xù)發(fā)展[4]。

針對城市發(fā)展與能源的相互脅迫作用,系統(tǒng)、深入地認識城市發(fā)展對能源生產與消費結構的影響特征與機制,有助于緩解或解決城市能源問題。能源生產作為城市賴以發(fā)展的基礎,其結構對城市的可持續(xù)發(fā)展至關重要。我國能源生產長期以煤炭為主,占比能源總儲量的70%以上[5]。盡管目前我國區(qū)域能源生產結構趨于優(yōu)化,但從全國尺度上,煤炭占主導地位的特點沒有從根本上改變,生產結構優(yōu)化需求迫切[6-7]。煤炭為首的化石燃料由于具有不可再生和高污染排放的特點,其生產所占比重的減少,有助于降低城市對其依賴造成的能源限制,同時也有助于減少消耗排放造成的環(huán)境污染,是緩解能源脅迫作用的重要路徑[8-10]。從世界范圍來看,可再生能源的開發(fā)已成為發(fā)達城市化地區(qū)能源發(fā)展進程的必然趨勢[11-12],如荷蘭等國家重視并大力發(fā)展風力發(fā)電等清潔能源生產[13]。為此,我國政府加大對能源生產結構調整并提出相應優(yōu)化政策,如“十三五規(guī)劃”中將能源結構優(yōu)化放在了重要地位,提倡大力發(fā)展新能源。

京津冀作為我國最重要的城市群之一,也是快速城市化加劇能源脅迫問題的集中區(qū)域[14],而在城市群協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略要求下,能源生產結構優(yōu)化需求同樣迫切。一方面,要想實現(xiàn)城市群的協(xié)同發(fā)展,很大程度上依賴于不同種類能源供給的支撐作用；另一方面,如果能源的開發(fā)利用模式不合理,將對城市群的發(fā)展造成限制作用[15-20]。為此,2017年11月京津冀三地發(fā)改委發(fā)布了《京津冀能源協(xié)同發(fā)展行動計劃(2017—2020年)》,提出了包括強化能源戰(zhàn)略協(xié)同、設施協(xié)同、治理協(xié)同、綠色發(fā)展協(xié)同、管理協(xié)同、創(chuàng)新協(xié)同、市場協(xié)同及政策協(xié)同的“八大協(xié)同”戰(zhàn)略,其中,針對綠色發(fā)展協(xié)同發(fā)展提出的重要目標為實施清潔能源替代,推進可再生能源發(fā)展。具體來講,如2020年北京基本實現(xiàn)平原地區(qū)“無煤化”、打造張家口可再生能源示范區(qū)等。為強化能源協(xié)同戰(zhàn)略的實施,2018年河北省印發(fā)《河北省煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出控制煤炭生產,淘汰落后產能,即到2020年全省煤炭產量控制在5000萬噸左右,同時推動張家口、承德、秦皇島及保定市加快成為“基本無煤礦市”。在能源儲量固定的條件下,城市可根據(jù)自身的開發(fā)利用技術水平、發(fā)展目標需求,適度調整能源生產?；诰┙蚣侥茉磪f(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略目標,從城市群一體化角度協(xié)同城市群規(guī)劃能源生產布局,將有利于城市群可持續(xù)發(fā)展。

目前,關于省及直轄市尺度展開的能源問題的研究較多,主要針對能源結構變化分析、能源結構的影響因素、能源結構優(yōu)化及其效應三方面,例如,陳海龍等對新疆能源生產結構演進的分析[21],張珺婷等探究上海市城鎮(zhèn)化發(fā)展對能源生產結構的影響[22],何立華等以山東省為例探究能源結構優(yōu)化對低碳的貢獻潛力[23],而在城市能源稟賦差異條件下,地級市尺度對城市群協(xié)同發(fā)展分析更具意義,卻少有研究展開。對此,本研究以京津冀城市群為研究對象,開展了基于地級市尺度的能源生產結構特征與變化的核算：分析2001—2015年快速城市化階段,京津冀城市群能源生產結構的變化特征及規(guī)律,并結合城市群能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略目標,分析探討了京津冀城市群能源生產結構亟待解決的問題及進一步的優(yōu)化重點。

1 研究區(qū)概況

京津冀城市群包括北京、天津兩個直轄市和河北省內11個地級市,整體位于我國華北地區(qū),屬于能源稟賦較高的區(qū)域。國務院發(fā)布的《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2013—2020年)》中列入的資源型城市(以本地區(qū)礦產、森林等自然資源開采、加工為主導產業(yè)的城市類型)中包括京津冀的唐山、張家口、石家莊、邢臺和邯鄲5個地級市。從城市群區(qū)域尺度來看,2001—2015年間,能源生產總量呈增長趨勢,一次能源種類趨于豐富,包括煤炭、石油、天然氣及水力、風力、生物質、垃圾發(fā)電等一次電力生產。從地級市尺度來看,城市群能源儲量情況空間分異明顯。其中,煤炭資源主要集中在河北省的開灤、蔚縣、宣化下花園、峰峰、井陘與邢臺六大礦區(qū),分布于北部的唐山、張家口和南部的石家莊、邢臺和邯鄲等5個城市；油氣資源主要分布在東部沿海,包括大港油田、華北油田和冀東油田,橫跨天津、滄州、唐山、秦皇島市；風力發(fā)電站主要分布在北部的張家口、承德市。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

能源生產量根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》解釋,指一定時期內該地區(qū)一次能源生產量的總和,包括原煤、原油、天然氣、水電、核能及其他動力能發(fā)電量,不包括低熱值燃料生產量、生物質能、太陽能等的利用和由一次能源加工轉換而成的二次能源生產量。

對于河北省地級市能源生產量數(shù)據(jù),由于其不可獲得性,研究采用估算方法量化能源生產結構。由各城市的規(guī)模以上主要工業(yè)產品產量情況,估算各城市的原煤、原油、天然氣及一次電力的生產量數(shù)據(jù)。其中,一次電力生產以發(fā)電量與火力發(fā)電量差值估算。在生產結構比例的核算上,為統(tǒng)一化能源熱值單位,根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》提供的能源熱值換算系數(shù),將能源生產實物量轉化為標準量(標準煤)。研究以占比50%以上的能源類型作為主導類型,表征能源生產結構。該換算方法數(shù)據(jù)準確性以河北省省級尺度數(shù)據(jù)驗證且平均誤差低于1%,換算結果誤差主要由未考慮在本核算范圍內的規(guī)模以下工業(yè)能源生產造成的。

對于未納入統(tǒng)計的相關數(shù)據(jù),一種情況是根據(jù)城市當年原煤采掘業(yè)產值為零,記煤炭產出為零,如秦皇島市2010—2015年、保定市2010—2012年產量數(shù)據(jù)。而對其他非零數(shù)據(jù),主要通過以下兩種方法推得：一是根據(jù)歷年能源生產行業(yè)產值與產量的比例關系推算,如石家莊和承德市2013—2015年原煤生產數(shù)據(jù)的估算；二是通過尺度推繹由河北省產量與各地級市總產量的等價關系推算,如滄州市2002—2010年原油生產數(shù)據(jù)由此方法推得。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以2001—2015年為例,研究涉及數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》(2002—2016)、《河北省經濟統(tǒng)計年鑒》(2002—2016)、河北省各地級市統(tǒng)計年鑒及統(tǒng)計公報(2002—2016)。

3 研究結果與分析

京津冀城市群能源生產量主要呈緩慢上升趨勢(圖1)。在2001—2015年間,京津冀城市群原煤、原油兩類化石能源生產占比例最大(圖2),天然氣比重較小,非化石燃料占比最小且均未達到15%的低碳城市能源生產結構標準線[24]。根據(jù)主要生產能源類型,可將城市群劃分為以原煤與原油生產主導的兩類城市。廊坊和衡水市在研究期內無能源生產而不予以考慮。因此,原煤生產型城市有9個：北京、石家莊、唐山、秦皇島、邯鄲、邢臺、保定、張家口和承德市；原油生產型城市有2個：天津和滄州市。

圖1 京津冀能源生產量變化Fig.1 The change of energy production in Beijing-Tianjin-Hebei region

圖2 京津冀能源生產結構變化 Fig.2 The change of structure of energy production in Beijing-Tianjin-Hebei region

3.1 京津冀原煤生產型城市生產結構變化及分析

原煤生產型城市平均原煤生產量排序如圖3所示,其中的千萬噸級產煤城市包括唐山、邯鄲、邢臺和張家口市[25]。由于能源生產量變化可引起生產結構波動,按產量順序對城市原煤生產及其比例分析如下：

圖3 京津冀原煤生產城市年均原煤產量Fig.3 The average annual production of raw coal in coal producing cities in Beijing-Tianjin-Hebei region

原煤生產量上,城市群整體主要呈先增加后減少的趨勢,主要在2010年前后達到最高產量,后趨于平穩(wěn)或下降(圖4)。分城市來看,煤炭生產變化趨勢主要分為3類：1)顯著減少,比如北京市、秦皇島市；2)平穩(wěn)變化,比如石家莊、邯鄲和承德市；3)波動變化,比如唐山、邢臺、張家口和保定市。

煤炭生產呈大幅度減少趨勢的城市,北京市,其原煤產量居于城市群中間水平,在2001—2005年間保持較高的水平,尤其是在2004年達千萬噸以上。2006年煤炭產量下降后,又呈追回趨勢,直到2010年后表現(xiàn)出明顯的變化,即2010年北京完成關閉小煤礦任務后,原煤生產規(guī)模得到了有效控制,產量顯著下降[26-27]。秦皇島市則是城市群原煤生產能力最弱的城市之一,年均產量為12.08萬t,低于河北省煤礦保留產能最低要求,屬于加快“基本無煤礦”化轉變的城市,其原煤產量在2008年后顯著減少,2009年后無規(guī)模以上煤炭生產。

煤炭產量變化較平穩(wěn)的城市,邯鄲市,其原煤生產能力較強,年均原煤產量超過2000萬t,在2010年達到最高值2786.58萬t。其中,在2008年,分析由于北京奧運會期間受到影響,邯鄲市原煤生產產量走低。承德市和石家莊市能源生產量變化相對更平穩(wěn),分別在2004年和2009年取得最大產量,整體產量偏低并呈穩(wěn)定下降趨勢,符合城市群淘汰落后產能的需求。

其他城市煤炭產量則呈波動變化,其中,唐山市原煤生產能力最高,產量變化呈先增加后減少趨勢,轉折點2011年產量高達5111.94萬t。其次,邢臺和張家口市原煤產量較高,在2007—2013年時間段,原煤產量均在1100萬t以上,同樣呈先增加后減少趨勢,但在2013年后表現(xiàn)出不同走向：邢臺市原煤產量保持在較高水平；張家口市從2013年起,確立發(fā)展新能源示范基地,風力發(fā)電替代優(yōu)勢凸顯,原煤產量顯著下降[28-29]。保定市原煤生產能力較弱,其年均產量不足30萬噸標煤且生產不穩(wěn)定,前期產量呈減少趨勢,到2013年后又恢復增長,但仍處于低產水平。

綜上,各市原煤生產逐漸得到有效控制,但離減煤目標仍有一定距離。河北省整體原煤產量到2015年仍在7600萬噸以上,距離2020年控煤目標仍有1600萬噸左右差距。對于具有“基本無煤礦”目標的城市,秦皇島和保定市產煤量很低而距離目標最近,北京市和承德市次之且下降顯著,張家口市減煤工作距目標差距最大。

圖4 2001—2015年京津冀原煤生產型城市原煤生產量時空分布Fig.4 Spatial and temporal distribution of raw coal production in coal producing cities of Jing-jin-ji in 2001—2015 years

原煤生產比例上,城市群整體主要呈減少趨勢,主要在2010年前后變化最顯著(圖5)。分城市煤炭生產占比主要表現(xiàn)出的趨勢則為：1.持續(xù)減少,比如北京市、承德市,石家莊市、張家口市；2.平穩(wěn)變化,比如邢臺、邯鄲市；3.波動變化,比如唐山、秦皇島和保定市。

煤炭生產占比持續(xù)減少的城市,北京市和承德市,整體煤炭生產占比下降近40%,2010年后下降最顯著,其次為石家莊市和張家口市,以2013年后下降最顯著。分析原因,承德市和張家口市位于城市群的西北部,具有自然風力優(yōu)勢,同時,與中心北京市相鄰而受輻射影響,有助于加快能源產業(yè)轉型,張家口市更是依托2019年冬季奧運會的舉辦,新能源發(fā)展迅速；北京市作為城市群中心城市,致力于疏解非首都功能,初期原煤在能源生產中占主要地位,到2013年積極推行煤改氣政策,天然氣投入生產且產量逐年增加,到2015年占比能源生產超過40%,年均增長率達9.48%；而石家莊在2014年提出打造城市群副中心的目標,也致力于推進清潔能源的推廣與發(fā)展,原煤生產比例年減低5%左右,能源生產結構趨于優(yōu)化。

原煤生產比例呈平穩(wěn)變化的城市,邢臺市和邯鄲市,在城市群中原煤生產占比最高,均接近100%,能源生產結構單一。分析原因,二者位于城市群煤炭儲量具優(yōu)勢的南部區(qū)域,單一原料生產相關工業(yè)行業(yè)占比較大[30],原煤產量高且比重過高,在城市群能源生產轉型中需要重點關注。

其他原煤型城市原煤生產占比則呈波動變化,包括唐山、秦皇島和保定市。其中,唐山市能源稟賦最高,生產種類最豐富,但其原煤仍占據(jù)過高比例,均在85%以上。在2008年,唐山市原煤生產占比85.57%,煤炭產量回升至2011年占比高達到92.48%,此后呈現(xiàn)下降趨勢。分析原因,2008年,唐山市煤炭生產受奧運會影響而減少,而后逐漸恢復并增長。直到2012年,“十二五”期間產業(yè)政策導向重點推動唐山市從資源型向創(chuàng)新型城市轉型,部分采礦區(qū)關閉并實現(xiàn)了綠色轉型,如南部的開灤唐山礦采煤沉降地改造成南湖公園,成功舉辦了2016年唐山世界園藝博覽會。由此,2012年后唐山原煤生產占比下降。對于保定市和秦皇島市,前者在2003—2010年間,原煤生產比例明顯下降,后呈波動變化；后者原煤生產占比在2009年顯著下降。兩城市能源生產結構主要由于原煤低產而使結構波動較大[31]。

綜上分析,原煤生產型城市煤炭產量水平不同,受不同的政策等影響驅動,能源生產結構及變化存在差異。對于煤炭高稟賦城市,邯鄲和邢臺市,能源生產結構中煤炭占比過高,結構調整難度也相對較高,發(fā)揮作用的政策導向較少；對于煤炭中等產量水平的城市,張家口和承德市,主要受新能源發(fā)展政策驅動,借助良好的風力發(fā)電優(yōu)勢和城市群區(qū)位優(yōu)勢,有效改善了能源生產結構,而北京市和石家莊市,受城市群中心功能疏解政策驅動,煤炭生產減少,新能源生產比例相應提高,從而顯著優(yōu)化能源生產結構；對于煤炭低產城市,保定和秦皇島市,年均產量均不足30萬噸標煤,屬于落后產能城市,其能源生產結構不穩(wěn)定,主要受淘汰落后產能政策影響。由此分析認為,城市群能源協(xié)同發(fā)展通過針對性政策驅動路徑有助于能源生產結構的優(yōu)化。

圖5 2001—2015年京津冀原煤生產型城市原煤生產占比時空分布Fig.5 Spatial and temporal distribution of proportion of raw coal production in coal producing cities of Jing-jin-ji in 2001—2015 years

3.2 京津冀原油生產型城市生產結構變化及分析

城市群中僅天津市和滄州市原油生產在能源生產中占主導,兩城市均為城市群東部沿海城市,具有油氣資源優(yōu)勢,年均原油產量分別為2275.66萬t和291.49萬t。天津市能源生產主要包括原油、天然氣,少量一次電力生產,油氣主要來自大港油田[32],滄州市油氣資源則產自華北油田。

圖6 2001—2015年京津冀原油生產型城市原油生產量 Fig.6 Crude oil production in crude oil producing cities of Jing-jin-ji in 2001—2015 years

原油產量上,天津市整體呈上升趨勢,其中,2009年前呈逐年上升趨勢,到2010年顯著上升,后以較平穩(wěn)變化趨勢保持在3000萬t以上產量(圖6)。相比之下,滄州市原油生產量遠低于天津市,產量變化更平穩(wěn),2001—2010年呈緩慢上升趨勢,2010年后趨于平穩(wěn)而變化不明顯。由此,城市群原油生產主要呈上升趨勢,油氣資源尚處于開發(fā)階段。

原油生產比例上,天津市原油生產占比均在90%以上,平均占比94.42%。總體上,天津市原油產量比例很高且基本保持穩(wěn)定,能源生產結構變化不大。滄州市原油生產比例則呈平穩(wěn)增長趨勢,從70%左右上升到90%以上,由落后于天津市到與天津市持平。綜上,城市群原油生產比例變化相對穩(wěn)定且無下降趨勢,結構優(yōu)化不明顯,認為相關能源政策影響較小。

圖7 2001—2015年京津冀原油生產城市原油產量占比 Fig.7 The proportion of crude oil production in crude oil producing cities of Jing-jin-ji in 2001—2015 years

4 結論與討論

研究根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)核算了京津冀城市群2001—2015年地級市各類型能源生產數(shù)據(jù),根據(jù)城市群化石燃料占主導地位的特點,劃分了分別以原煤和原油生產為主的兩類不同能源生產結構的城市,同時,結合京津冀能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略目標,分析了能源生產結構特征與變化趨勢。研究主要得到以下結論：

(1)2001—2015年,京津冀城市群整體能源種類趨于多樣化,且不同城市的能源生產結構特征與變化存在明顯差異,因此,要深入認識京津冀能源結構與城市化的相互作用,需要從地級市或更精細尺度開展能源問題的深入分析與探討。

(2)京津冀其所轄13個城市,依然以原煤或原油化石燃料生產為主,可以分為原煤和原油型兩類城市,2001—2015年,原煤生產主導城市結構優(yōu)化顯著,多數(shù)城市原煤生產占比下降、一次電力生產占比增加；原油生產主導城市結構變動較少,二者變化趨勢不同。

(3)京津冀能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的實施有助于推進能源生產結構的優(yōu)化,但對不同城市的影響不同,其中,對北京和河北承德市能源結構優(yōu)化最顯著,原煤生產比例下降近40%,與其“基本無煤礦”目標方向一致,而對邯鄲市、邢臺市影響不明顯。京津冀城市群能源生產結構調整仍具有較大潛力,對于原煤生產比例最高的城市,邯鄲市和邢臺市,需要加快能源結構落后的傳統(tǒng)資源城市的能源轉型,增加清潔能源產出,改善能源生產單一的結構特點；對于原煤生產產量較高的城市,唐山市,由于短期內原煤生產占主導的現(xiàn)狀不會改變,不能盲目轉變能源生產結構,需要根據(jù)資源稟賦情況逐步調整原煤產量,進一步集約地區(qū)煤礦,鼓勵發(fā)展煤炭洗選業(yè),提高煤炭清潔生產技術；對于“無煤礦化”目標的城市(張家口、承德、秦皇島及保定市),承德市和張家口市,需要進一步控制煤礦生產,逐步減少產煤量,同時充分利用自身自然風力優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢,依托京津冀能源協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略,大力發(fā)展新能源,而秦皇島市和保定市,原煤產量已處于較低水平,需要進一步壓縮產煤量,同時注意推動廢棄礦區(qū)的合理處置,如發(fā)展風電、光伏等新型產業(yè)轉型,或像唐山等城市在原礦區(qū)改建地質公園。