鄺紅艷，周永杰，何煜然，楊大勇，肖敏志

生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州 510535

0 前言

區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的程度可以用區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、資源利用及環(huán)境污染等定性描述，環(huán)境污染排放及空間格局受區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)格局變化的影響[1]，而區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展又受環(huán)境污染的制約[2]。

經(jīng)濟(jì)重心和污染重心是指區(qū)域空間里的某一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)各個(gè)方向上的經(jīng)濟(jì)力量和污染狀況能夠維持均衡。經(jīng)濟(jì)重心和污染重心在時(shí)間經(jīng)緯度上的移動(dòng)變化表示了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和污染差異的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，可以作為宏觀分析區(qū)域?qū)傩缘闹笜?biāo)[3]。重心概念原來(lái)自于力學(xué)，國(guó)外學(xué)者弗·沃爾克最先利用重心的概念來(lái)研究人口重心的變化情況，隨后國(guó)內(nèi)學(xué)者在1970后開(kāi)始運(yùn)用重心分析方法對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、人口和自然資源進(jìn)行空間上的分析[4-8]，而近年來(lái)采用重心來(lái)研究區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及環(huán)境污染排放的關(guān)系方面的學(xué)者也比較多，例如趙海霞[9]、丁煥峰[3]、喬谷陽(yáng)[10]、劉桂春[11]等人分別基于全國(guó)、省域的視角下從重心移動(dòng)方向、移動(dòng)距離、重心在經(jīng)緯度上的相關(guān)性等多角度揭示了經(jīng)濟(jì)重心與污染重心動(dòng)態(tài)變化和空間聯(lián)系。

華南區(qū)域作為中國(guó)七大地理分區(qū)之一，一直處于改革開(kāi)放的先行區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但是在21世紀(jì)后把區(qū)域內(nèi)各方的發(fā)展和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益納入戰(zhàn)略發(fā)展的視野后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式愈發(fā)顯示出其深層的結(jié)構(gòu)性危機(jī)[11]，同時(shí)環(huán)境質(zhì)量也一直處于惡化狀態(tài)。雖然隨著污染減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和污染治理投資力度的加大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明有好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但是一些相對(duì)落后的區(qū)域隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境質(zhì)量又有所下降。因此，研究區(qū)域協(xié)調(diào)處理社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境污染之間的關(guān)系尤為必要，本文通過(guò)計(jì)算區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心、生活源環(huán)境污染重心以及工業(yè)源污染重心差異的演變軌跡，掌握和評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)境狀況、經(jīng)濟(jì)狀況及兩者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，從而為華南區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展以及環(huán)境污染的空間治理提供空宏觀控制思路。

圖1 華南區(qū)域幾何中心與各指標(biāo)重心分布圖Figure 1 Distribution of geometric center of south China and factors gravity center

1 華南區(qū)域數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文系統(tǒng)地收集了廣東、廣西、海南三省各市(區(qū))2000—2015年的GDP、人口數(shù)據(jù)，用來(lái)研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心，收集了生活廢水排放量、生活COD排放量、以及生活NH3-N排放量，用來(lái)研究生活源污染重心，同時(shí)也收集了工業(yè) COD、SO2、NOX排放量，用于研究工業(yè)源污染重心。所涉及的數(shù)據(jù)均從 2001—2016年間各省統(tǒng)計(jì)年鑒及環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒資料獲取。

1.2 研究分析方法

利用重心模型計(jì)算重心坐標(biāo)、移動(dòng)方向及移動(dòng)距離來(lái)衡量區(qū)域指標(biāo)的空間屬性[8-10]。重心移動(dòng)主要受相關(guān)點(diǎn)的空間位置及指標(biāo)屬性值的影響，任何指標(biāo)屬性的發(fā)展變化都會(huì)影響區(qū)域重心的變化。當(dāng)某一地區(qū)的指標(biāo)屬性值在整個(gè)區(qū)域的所占比例較大且增長(zhǎng)較快時(shí)，該指標(biāo)的區(qū)域重心就會(huì)向該地區(qū)移動(dòng)，顯示該指標(biāo)空間屬性的不均衡分布，即“重心偏離”。重心偏離方向指向某指標(biāo)在空間屬性的高密度增長(zhǎng)部位，偏離的距離指示該指標(biāo)活動(dòng)的不均衡程度。區(qū)域重心的變動(dòng)反映指標(biāo)屬性發(fā)展變化的軌跡及空間差異性。

重心坐標(biāo)的計(jì)算采用以下方法:

假設(shè)一個(gè)區(qū)域由n個(gè)次級(jí)區(qū)域(或稱為質(zhì)點(diǎn))P構(gòu)成，第i個(gè)次區(qū)域的中心城市的坐標(biāo)為(xi, yi)，mi為i次區(qū)域的某種屬性的量值(或稱為質(zhì)量)，即某種屬性的重心坐標(biāo)為:

重心移動(dòng)方向判斷采用以下方法:

假設(shè)第i年重心坐標(biāo)為[Xi, Yi]，第i+1年重心坐標(biāo)為[Xi+1，Yi+1]，第i+1 年重心移動(dòng)方向?yàn)棣冉嵌?相對(duì)于第i年)，則θi+1=nπ/2+arctag([(Yi+1-Yi)]/ [(Xi+1-Xi)]，n=0，l，2，并將弧度轉(zhuǎn)化為角度，且規(guī)定正東方向?yàn)?0°，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，則第一象限(0°，90°)(東北方向)、第二象限(90°，180°)(西北方向)為正，反之，順時(shí)針為負(fù)，即第三象限(180°，270°)(西南方向)、第四象限(270°，360°)(東南方向)為負(fù)。

重心移動(dòng)距離的計(jì)算采取以下方法:

假設(shè)d表示第i+1年重心移動(dòng)的距離(相對(duì)于第i年)，則重心移動(dòng)距離可表示為:

其中，常數(shù)C =111.11，表示由地球表面坐標(biāo)單位(度)轉(zhuǎn)化為平面距離(km)的系數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 華南區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心空間演變軌跡分析

2.1.1 經(jīng)濟(jì)重心演變軌跡

根據(jù)表1和圖2顯示，經(jīng)濟(jì)重心處于華南區(qū)域幾何重心的東部，在整個(gè)研究時(shí)序內(nèi)整體上表現(xiàn)為向西略偏北再向西方向移動(dòng)，向西北和西南移動(dòng)的頻次均為 5次，表明華南區(qū)域的東部是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高密度區(qū)域，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向逐漸向西部?jī)A斜，西部經(jīng)濟(jì)活動(dòng)屬性實(shí)力增強(qiáng)更多。經(jīng)濟(jì)重心在經(jīng)度和緯度上均有波動(dòng)，在經(jīng)度上跨度 0.1o，在緯度上跨度 0.01o，直線距離移動(dòng) 44.01 km，年平均移動(dòng)距離為2.93 km，特別是在2001年及2005年，直線移動(dòng)距離均在7 km以上，說(shuō)明研究區(qū)域的西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為快速，這與中國(guó) 2000年實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)調(diào)整政策后西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的腳步是協(xié)調(diào)一致的[13]。

2.1.2 人口重心演變軌跡

根據(jù)表1和圖2顯示，人口重心處在華南區(qū)域幾何重心的東部，在研究時(shí)序內(nèi)整體上朝東南方向，在經(jīng)度和緯度上均有一定的波動(dòng)性，特別是2002年到2003年前后波動(dòng)較大，分別朝西北、西南方向移動(dòng)，2003年直線移動(dòng)距離高達(dá)17.29 km，這可能與2002年國(guó)務(wù)院調(diào)整了柳州、來(lái)賓和崇左等市的行政區(qū)劃區(qū)有關(guān)。但是2004年以后移動(dòng)趨勢(shì)是向東南方向的，重心向東偏移了 1.09o，向南偏移了 0.02o，直線移動(dòng)距離為22.68 km。這說(shuō)明華南地區(qū)東南片區(qū)各地市人口增長(zhǎng)較快，人口分布呈現(xiàn)東部密集度高于西部、南部高于北部的基本格局。

另外，對(duì)比人口重心與GDP重心移動(dòng)軌跡可以看出經(jīng)濟(jì)重心較人口重心的移動(dòng)距離大且振動(dòng)幅度激烈，人口在移動(dòng)速度和規(guī)模上都不及經(jīng)濟(jì)移動(dòng)的快，華南區(qū)域在社會(huì)發(fā)展中人口與經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了步伐不一致的情況。

2.2 華南區(qū)域環(huán)境污染重心空間演變軌跡分析

2.2.1 生活源污染指標(biāo)重心空間演變軌跡分析

圖2 華南區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重心演變軌跡圖Figure 2 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表1 2000—2015華南區(qū)域人口經(jīng)濟(jì)重心年際間移動(dòng)方向及距離Table 1 Shift direction and distance of socio-economic gravity center in south China area

根據(jù)表2和圖3顯示，生活廢水排放量、生活COD排放量以及生活 NH3-N排放量的重心都處于華南區(qū)域幾何重心的東部，各生活源污染指標(biāo)在整體上表現(xiàn)為朝西北方向后又往東方向發(fā)展的趨勢(shì)，其中生活廢水排放量整體上先是朝西后又朝東發(fā)展，重心在經(jīng)度上跨度 0.07°，在緯度上跨度 0.005°，直線移動(dòng)距離109.48 km；生活COD排放量重心朝西北、西南、東北三個(gè)方向移動(dòng)，重心在經(jīng)度上跨度0.44°，在緯度上跨度 0.02°，直線移動(dòng)距離 264.89 km；生活NH3-N排放量重心近年來(lái)朝西后略向北部移動(dòng)后又往東部轉(zhuǎn)移，在經(jīng)度上跨度 0.36°，緯度上跨度0.04°，直線移動(dòng)距離 162.88 km。在研究時(shí)序內(nèi)，生活COD和NH3-N排放量重心移動(dòng)方向和生活廢水排放量重心的移動(dòng)方向是一致的，這與濃度達(dá)標(biāo)排放向濃度與總量達(dá)標(biāo)排放的環(huán)保政策相符。生活源污染指標(biāo)在 2006年前后發(fā)生較大的變化，2000—2006年，生活源污染指標(biāo)重心朝西北方向移動(dòng)，這可能由于華南區(qū)域西北部城鎮(zhèn)化速率的加快，污水收集系統(tǒng)和處理設(shè)施的建設(shè)，農(nóng)村生活污染廢水原本無(wú)序排放的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪M織排放，華南區(qū)域西部生活污水排放量有所增加引起的。2007—2015年生活源污染指標(biāo)重心整體上朝東方向移動(dòng)，這表明華南地區(qū)生活污染指標(biāo)處理效果趨于穩(wěn)定，生活源污染指標(biāo)重心移動(dòng)的趨勢(shì)跟隨人口流動(dòng)而發(fā)生改變。

2.2.2 工業(yè)源污染指標(biāo)重心空間演變軌跡分析

圖3 華南區(qū)域生活源污染指標(biāo)重心演變軌跡圖Figure 3 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表2 2000—2015華南區(qū)域生活源污染指標(biāo)重心年際間移動(dòng)方向及距離Table 2 Shift direction and distance of life source pollution indicators gravity center in south China area

圖4 華南區(qū)域工業(yè)污染指標(biāo)排放重心演變軌跡圖Figure 4 Spatial evolvement track analysis of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

表3 2000—2015華南區(qū)域工業(yè)污染指標(biāo)重心年際間移動(dòng)方向及距離Table 3 Shift direction and distance of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

根據(jù)表3和圖4顯示，工業(yè)COD排放量重心位于華南區(qū)域幾何中心的西南部，SO2排放量以及 NH3-N排放量的重心處于其東部，工業(yè)廢氣排放主要集中在華南區(qū)域東部，工業(yè)廢水排放主要集中在華南區(qū)域西南部。各工業(yè)源污染指標(biāo)整體上的演變軌跡方向是與 GDP重心的演變軌跡方向一致的，都往西北方向發(fā)展，其中工業(yè) COD排放量重心在經(jīng)度上跨度 1.66°，在緯度上跨度 0.04°，直線移動(dòng)距離421.10 km；SO2排放量重心在經(jīng)度上跨度 0.42°，在緯度上跨度 0.04°，直線移動(dòng)距離 225.76 km；NH3-N 排放量的重心在經(jīng)度上的跨度 0.79°，在緯度上的跨度是0.1°，直線移動(dòng)距離102.85 km，這說(shuō)明工業(yè)污染指標(biāo)在東西方向上的移動(dòng)速度大于在南北方向上的移動(dòng)速度，華南區(qū)域西北各地市工業(yè)污染指標(biāo)比重加大。

2.3 華南區(qū)域經(jīng)濟(jì)重心與環(huán)境污染重心的關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)圖1可知，工業(yè)源污染指標(biāo)除NOX外，COD排放量重心及 SO2排放量重心，相對(duì)生活源污染指標(biāo)更偏區(qū)域中心的西部，說(shuō)明集中式工業(yè)點(diǎn)源污染處理效率上東部比西部要好，NOX由于不屬于原來(lái)污染控制指標(biāo)，處置效果相對(duì)較差。區(qū)域東部沿海地區(qū)人口分布密集，相比區(qū)域西部來(lái)說(shuō)，區(qū)域東部的生活類污染處理效果差一些。根據(jù)各指標(biāo)的空間位置，污染處置效率可初步判斷: 工業(yè) COD＞工業(yè)SO2＞生活 COD＞生活 NH3-N＞工業(yè) NOX，即工業(yè)污染的控制效果＞生活污染控制效果。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)年度變化距離來(lái)看(表1-表3)，不同重心變化烈度上人口與經(jīng)濟(jì)變化最為穩(wěn)定，生活源污染指標(biāo)其次，工業(yè)污染源指標(biāo)最大。

根據(jù)圖 5可知，經(jīng)濟(jì)重心從高經(jīng)度略向低經(jīng)度移動(dòng)又向高經(jīng)度移動(dòng)后略向低經(jīng)度回調(diào)，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)在東西部發(fā)展速度比較平穩(wěn)，向低經(jīng)度回調(diào)說(shuō)明華南區(qū)域西部城市的經(jīng)濟(jì)地位在增強(qiáng)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)整體上趨向一體化發(fā)展。人口重心從低經(jīng)度向較高經(jīng)度緩慢發(fā)展，說(shuō)明由于自然增長(zhǎng)率不同及人口流動(dòng)共同作用下，華南東部地區(qū)人口在全區(qū)域占較大比重。與GDP和人口相比較，生活COD、生活NH3-N、生活廢水、工業(yè)COD、SO2、NOX等排放量均是不平衡的，其中工業(yè)COD排放量及SO2排放量在經(jīng)度上的移動(dòng)趨勢(shì)基本一致，先是低經(jīng)度向高經(jīng)度移動(dòng)再向略低經(jīng)度移動(dòng)后又向高經(jīng)度轉(zhuǎn)移，說(shuō)明隨著西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量也在不斷的下降。生活源污染各指標(biāo)重心在經(jīng)度上的移動(dòng)趨勢(shì)跳動(dòng)一致，這個(gè)趨勢(shì)與人口在經(jīng)度上的轉(zhuǎn)移方向是相一致的。

圖5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心與環(huán)境污染重心在經(jīng)度上的演變路徑對(duì)比Figure 5 The longitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

根據(jù)圖6可知，華南區(qū)域GDP重心在緯度上移動(dòng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明在南北方向上經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度無(wú)較大差異。人口從高緯度略向低緯度移動(dòng)，說(shuō)明人口逐漸向區(qū)域南部移動(dòng)。相比人口、經(jīng)濟(jì)重心，生活廢水排放量、生活COD排放量、生活NH3-N排放量與人口重心移動(dòng)方向趨勢(shì)在緯度上相一致，說(shuō)明生活類污染物在緯度上隨人口移動(dòng)一致，由于人口向南流動(dòng)，區(qū)域南部生活污染排放比重逐漸增加。工業(yè)類污染指標(biāo)如工業(yè) COD排放量、NOX、SO2排放量先從低緯度向高緯度方向移動(dòng)，由激烈變化到趨于平穩(wěn)，隨著華南區(qū)域一體化的發(fā)展，區(qū)域北部發(fā)展速度的加快，環(huán)境質(zhì)量有所下降。

由表 4可知，在經(jīng)度的空間聯(lián)系上，人口重心與生活源污染指標(biāo)成正相關(guān)性，且相關(guān)性較高，生活廢水重心(0.9)＞生活COD重心(0.78)＞生活NH3-N重心(0.46)，除與NOX重心成較高的負(fù)相關(guān)性(-0.99)外，人口重心還與SO2和工業(yè)COD重心成正相關(guān)性(分別為0.4，0.76)，經(jīng)濟(jì)重心除了與NOX重心成較高正相關(guān)性(0.97)外，與人口重心以及各環(huán)境污染指標(biāo)重心都成負(fù)相關(guān)性。在緯度的空間聯(lián)系上，經(jīng)濟(jì)重心除了與 SO2重心、NOX重心成較正相關(guān)性外，與其余環(huán)境污染指標(biāo)重心都成負(fù)相關(guān)性，其中與 NOX的相關(guān)性最高(0.69)，工業(yè) COD 次之(-0.62)。

圖6 社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心與環(huán)境污染重心在緯度上的演變路徑對(duì)比Figure 6 The latitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

表4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心與環(huán)境污染指標(biāo)重心在經(jīng)緯度上的相關(guān)性Table 4 Correlates of the socio- economic gravity center and environmental pollution gravity center in longitude

3 結(jié)論

第一，從華南區(qū)域各指標(biāo)重心空間分布格局看，十五年年來(lái)，除工業(yè)COD排放重心外，區(qū)域所有指標(biāo)重心點(diǎn)分布于區(qū)域幾何中心的南部，即人口、經(jīng)濟(jì)及各污染物排放比較集中于區(qū)域東南部；相對(duì)于生活源污染指標(biāo)，工業(yè)源污染指標(biāo)除NOX外，COD、SO2的指標(biāo)重心相對(duì)偏西；污染處置效率上初步可判斷: 工業(yè) COD＞工業(yè) SO2＞生活 COD＞生活氨氨＞工業(yè) NOX，工業(yè)污染的控制效果＞生活污染控制效果。

第二，從華南區(qū)域各指標(biāo)重心移動(dòng)軌跡的空間格局來(lái)看，經(jīng)濟(jì)在區(qū)域西部的發(fā)展速度要大于東部地區(qū)的發(fā)展速度，并且在南北方向上趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，人口重心向東南方向趨勢(shì)，繼續(xù)向區(qū)域沿海發(fā)達(dá)地區(qū)轉(zhuǎn)移，生活源污染排放整體向西北部移動(dòng)，西北部的城鎮(zhèn)化速度不斷加快，隨著西部經(jīng)濟(jì)逐步增速，工業(yè)類污染也不斷加大，即在社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，區(qū)域西部面臨的環(huán)境壓力也不斷增大。

第三，從華南區(qū)域各指標(biāo)重心移動(dòng)軌跡的劇烈變化程度來(lái)看，人口與經(jīng)濟(jì)變化最為穩(wěn)定，生活污染指標(biāo)次之，工業(yè)污染指標(biāo)移動(dòng)軌跡變化最激烈。

第四，從華南區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境污染的空間相關(guān)性分析，除了 NOX以外，人口重心與其他環(huán)境污染指標(biāo)重心在經(jīng)度上呈正相關(guān)，GDP重心除NOX外與其他環(huán)境污染類指標(biāo)重心呈負(fù)相關(guān)。區(qū)域經(jīng)濟(jì)重心及人口重心在緯度上與環(huán)境污染指標(biāo)重心相關(guān)性不顯著。