牛建廣，王斐然，辛伯雄，王明琪，戎密仁

1.河北地質(zhì)大學(xué) 城市地質(zhì)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省地下人工環(huán)境智慧開發(fā)與管控技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050031；3.京津冀城市群地下空間智能探測與裝備重點實驗室，河北 石家莊 050031；4. 滄州市人力資源和社會保障局，河北 滄州 061000

0 引言

在2020年9月聯(lián)合國大會上，中國提出“要爭取早日實現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和”的“雙碳目標(biāo)”。中國“十四五”規(guī)劃中進(jìn)一步明確要求“到2025年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%”。因此，在黨中央的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，全國各省及各行業(yè)相應(yīng)提出內(nèi)部減排目標(biāo)。河北省是全國減排重點區(qū)域，承擔(dān)著巨大減排任務(wù)。建筑業(yè)作為河北省支柱產(chǎn)業(yè)，也是資源消耗和二氧化碳排放的主體。因此，在河北省“十四五”規(guī)劃中明確提出“要大力發(fā)展節(jié)能低碳建筑，新建建筑全面執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，加快推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造”。因此，對建筑業(yè)碳排放進(jìn)行研究，分析河北省內(nèi)各地區(qū)建筑業(yè)碳排放現(xiàn)狀，切實降低二氧化碳排放，對河北省建筑業(yè)低碳化發(fā)展和 “雙碳目標(biāo)”的實現(xiàn)具有重大意義。

目前在影響因素及其作用機理的研究方面，有些學(xué)者主要通過相關(guān)分析[1]、逐步回歸[2]以及Tobit面板回歸[3]等統(tǒng)計學(xué)方法對不同影響因素的所屬類別以及影響程度進(jìn)行研究。而有些學(xué)者則選擇采用Kaya恒等式[4]、LMDI模型[5]以及STIRPAT模型[6]等方法，通過對建筑業(yè)碳排放進(jìn)行分解，進(jìn)一步分析其影響因素以及因素作用機理。

在建筑業(yè)碳排放效率及趨勢研究上，主要有兩方面。一是建筑業(yè)碳排放效率測算方面。大多數(shù)學(xué)者主要通過采用全要素效率方法對建筑業(yè)碳排放效率進(jìn)行測算。ZHANG建立了能源效率的DEA模型對中國各省份的建筑業(yè)能效進(jìn)行評價[7]。馮博等通過利用DEA模型對中國建筑業(yè)效率分異情況進(jìn)行分析[8]。尚春靜等則利用其對海南省建筑業(yè)碳排放進(jìn)行核算和分析[9]。二是建筑業(yè)碳排放時空演變分析?；菝髦榈冉Y(jié)合空間計量模型對中國建筑業(yè)碳排放效率特征進(jìn)行研究[10]?？追参?、李魯波通過將三位趨勢分析法引入對中國建筑業(yè)碳排放空間分異進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中國建筑業(yè)的碳排放分異在空間上呈現(xiàn)由東向西逐步下降趨勢[11]。

綜上所述，目前對于建筑業(yè)碳排放的研究主要集中在對于省域建筑業(yè)碳排放效率的分析評價，缺乏對于城市尺度的兼顧性。此外，在對其效率的進(jìn)一步分析中，往往未充分考慮空間因素對其的影響。因此，首先基于“3E”理論從經(jīng)濟、能源以及環(huán)境3個方面對河北省11個地市建筑業(yè)碳排放影響因素發(fā)展情況進(jìn)行分析；其次基于考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型，分析2000—2019年碳排放效率的時空演變特征；最后利用改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對其二氧化碳未來趨勢進(jìn)行研究。以期為提高建筑業(yè)碳排放效率，推動河北省相關(guān)節(jié)能減排政策制定與實施提供一定理論支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 建筑業(yè)碳排放效率測度模型

為了解決要素松弛問題，Tone將DEA模型中的目標(biāo)函數(shù)引入松弛變量提出了基于非徑向、非角度的SBM模型(Slack-based Measure，SBM)[12]。通過設(shè)定非導(dǎo)向以及規(guī)模報酬不變，同時設(shè)定非期望產(chǎn)出為二氧化碳排放量，可得到基于考慮非期望產(chǎn)出SBM模型的建筑業(yè)碳排放效率測算模型如下：

(1)

式(1)中，s表示的是投入產(chǎn)出的松弛量，λ為權(quán)重向量，ρb為目標(biāo)函數(shù)，是關(guān)于s-、sg、sb嚴(yán)格遞減的，并且0≤ρb≤1。對一個特定的決策單元，當(dāng)且僅當(dāng)=1，即s-=0，sg=0，sb=0時是有效率的，若ρb<1則說明決策單元是無效率的，在投入產(chǎn)出方面存在改進(jìn)的必要性。

1.2 建筑業(yè)碳排放預(yù)測模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是對誤差函數(shù)的最小值進(jìn)行求解。首先通過隱含層將輸入層多個節(jié)點正作用于輸出層節(jié)點，同時對期望輸出與預(yù)測輸出之間誤差值求解；若誤差不滿足于規(guī)定誤差范圍，則通過反向傳輸對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值進(jìn)行調(diào)整，并經(jīng)過反復(fù)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練直至誤差滿足期望[13，14]。

粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是Kennedy和Eberhart提出的一種生物啟發(fā)式算法[15]，其主要原理是模擬鳥類捕食時的行為，將全局最優(yōu)解設(shè)為食物最多的位置，通過利用鳥群中個體之間相互協(xié)作以及信息共享等行為，實現(xiàn)尋得全局最優(yōu)解的目標(biāo)。因此，文章針對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置上存在的隨機性問題，引入PSO對其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)，避免預(yù)測結(jié)果缺乏合理性和科學(xué)性，進(jìn)一步提升整個預(yù)測模型的精確度。則PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程如圖1所示。

圖1 PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖Fig.1 Flow chart of PSO-BP neural network algorithm

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究期為2010—2019年，以河北省11個地市建筑業(yè)為研究對象，數(shù)據(jù)主要來源于國家統(tǒng)計局官網(wǎng)、《IPCC清單》《河北省經(jīng)濟年鑒》(2011—2020年)以及河北各城市統(tǒng)計年鑒、統(tǒng)計公報等資料。同時，考慮到數(shù)據(jù)的真實性、完整性以及可利用性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)處理。其中，對缺失值采用插值法進(jìn)行補齊，對結(jié)合相關(guān)環(huán)境針對性進(jìn)行分析后的異常值予以剔除與補齊。

2 建筑業(yè)碳排放效率的時空演化特征

2.1 建筑業(yè)碳排放效率測度體系

根據(jù)全要素效率測算要求，并結(jié)合以往文獻(xiàn)[16-22]研究結(jié)果，選取建筑業(yè)碳排放影響因素及效率測度指標(biāo)如表1。

表1 建筑業(yè)碳排放效率測度體系Table 1 Measurement system of carbon emission efficiency in construction industry

2.2 建筑業(yè)碳排放效率的時間演化特征

總體來看，2010—2019年河北省建筑業(yè)碳排放效率均值逐步下降，由 2010 年的 0.81 降低至2019 年的 0.67，增長率為 -17.28%。碳排放效率為1.00的城市數(shù)量由3個減少至2個。從多年均值來看，石家莊碳排放效率值最高，邢臺最低。除石家莊、保定和衡水外，其余城市的建筑業(yè)碳排放效率年均變化率均為負(fù)。

由表2可知，河北省建筑業(yè)碳排放效率可以分為五類：秦皇島、張家口、廊坊的建筑業(yè)碳排放效率初始值很高但下降率處于快速，年均增長率為-20.07%、-18.00%、-11.67%，屬高位高速負(fù)增長類型；承德、邯鄲、唐山的建筑業(yè)碳排放效率初始值較低但下降率處于快速，年均增長率為-14.49%、-12.08%、-18.18%，屬低位高速負(fù)增長類型；滄州的建筑業(yè)碳排放效率初始值較高且下降緩慢，年均增長率為-2.08%，屬高位低速負(fù)增長類型；邢臺的建筑業(yè)碳排放效率初始值較低且下降緩慢，年均增長率為-5.67%，屬低位低速負(fù)增長類型；石家莊、保定的建筑業(yè)碳排放效率初始值較高且增長緩慢，年均增長率分別為0%、 4.26%、2.22%，屬于高位低速正增長類型區(qū)域(見表3)。大部分城市如承德、邢臺、邯鄲、衡水等區(qū)域建筑業(yè)城市的碳排放效率多數(shù)年份均未達(dá)到最優(yōu)前沿面，具有較大的提升空間。

表2 2010—2019年河北省各城市建筑業(yè)碳排放效率(%)Table 2 Carbon emission efficiency of construction industry in cities of Hebei Province from 2010 to 2019(%)

表3 建筑業(yè)碳排放影響因素Table 3 Influencing factors of carbon emissions in construction industry

2.3 建筑業(yè)碳排放效率的空間演化特征

2010年京津冀地區(qū)建筑業(yè)碳排放效率空間分布呈“西部高、東部低”的空間格局。高值區(qū)主要集中在西部的石家莊、保定、張家口、廊坊和東北部的秦皇島市，低值區(qū)廣泛分布于東部。2019年建筑業(yè)碳排放效率主要呈現(xiàn)“中部高、南北低”的分布格局。高、中值區(qū)集中連片布局，低值區(qū)分散布局。高、中值區(qū)域依托中部高值區(qū)的石家莊、保定和中值區(qū)的廊坊、滄州等市；低值區(qū)分散布局在南部的邯鄲、邢臺、衡水以及北部的張家口、承德、唐山、秦皇島(圖2)。

圖2 2010—2019年河北省建筑業(yè)碳排放效率的空間格局示意圖Fig.2 Schematic diagram of spatial pattern of carbon emission efficiency of construction industry in Hebei Province from 2010 to 2019

整體來看，2010—2019 年高、中值區(qū)主要集中在西南部(石家莊)、環(huán)渤海(滄州)一些發(fā)展新型節(jié)能環(huán)保、綠色建筑業(yè)的城市，以及中部環(huán)京地區(qū)(保定、廊坊)建筑業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的城市。低值區(qū)主要集中在南部(邯鄲、邢臺、衡水)、北部(唐山、承德)等發(fā)展石油化工、煤化工等原材料建筑業(yè)以及重型裝備制造業(yè)等的城市，碳排放效率多數(shù)年份未達(dá)到最優(yōu)前沿面，具有較大的提升空間。各城市間建筑業(yè)碳排放效率標(biāo)準(zhǔn)差2010年為0.17，2019 年為0.18，說明建筑業(yè)碳排放效率空間差異降低并不顯著。

3 河北省建筑業(yè)碳達(dá)峰路徑研究

3.1 建筑業(yè)碳排放影響因素分析

“3E”理論是指通過尋求能源、經(jīng)濟與環(huán)境三者之間協(xié)調(diào)、平衡發(fā)展途徑，以實現(xiàn)在保證經(jīng)濟增長與改善環(huán)境水平的同時，合理有效地開發(fā)利用能源。文章從“3E”理論中能源、經(jīng)濟與環(huán)境三者之間相互關(guān)系的角度出發(fā)，對初始指標(biāo)進(jìn)行選取。由此，構(gòu)建可得建筑業(yè)碳排放影響因素，如表3所示。

3.2 情景參數(shù)設(shè)置

隨著“雙碳目標(biāo)”的提出，在黨中央的統(tǒng)籌領(lǐng)導(dǎo)下，河北省在《河北省“十四五”規(guī)劃》中明確要求：到2025年，地級市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)相較于2020年提高10個百分點以上；非化石能源消耗量占比提至11%；單位GDP能耗相較于2020年下降15%。在《河北省人口發(fā)展規(guī)劃(2018—2035年)》中明確提出：至2035年調(diào)控到7 910萬人，人口增速維持穩(wěn)定低速發(fā)展，勞動力資源數(shù)量將略微減少。

為充分研究河北省建筑業(yè)碳達(dá)峰排放量、時間，以及河北省建筑業(yè)未來減排路徑及發(fā)展趨勢，設(shè)置基準(zhǔn)、低碳以及強化3種情景?；鶞?zhǔn)情景下，河北省建筑業(yè)經(jīng)濟、環(huán)境和能源發(fā)展維持近5年歷史平均增長水平。低碳情景下，基于各項政策要求，影響因素變化處于計劃增長水平，著眼于逐步在實現(xiàn)經(jīng)濟增長的同時完成“雙碳目標(biāo)”。在強化情景下，要求對于建筑業(yè)碳排放存在影響的指標(biāo)進(jìn)行強化控制，從能源、經(jīng)濟、環(huán)境3個方面采取重大舉措，期望加快建筑業(yè)碳達(dá)峰與經(jīng)濟增長雙重目標(biāo)。由此得到各指標(biāo)在不同情景下的控制參數(shù)取值(見表4)。

表4 各指標(biāo)不同情景下控制參數(shù)(%)Table 4 Index control parameters in different scenarios(%)

3.3 預(yù)測結(jié)果及分析

為研究河北省建筑業(yè)碳達(dá)峰路徑及發(fā)展趨勢，利用基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建筑業(yè)碳排放預(yù)測模型對不同情景下河北省建筑業(yè)碳排放量進(jìn)行預(yù)測。帶入不同情景下各影響因素參數(shù)取值，得到在基準(zhǔn)、低碳以及強化3種水平下的碳排放趨勢，如圖3所示。

圖3 不同情景下河北省建筑業(yè)碳排放趨勢Fig.3 Carbon emission trend of construction industry in Hebei Province under different scenarios

由圖3可知，在基準(zhǔn)情景下，河北省建筑業(yè)2025年、2030年、2035年碳排放量分別為22 347.94萬噸、36 543.27萬噸和45 063.10萬噸。在低碳情境下，河北省建筑業(yè)碳排放量相較于基準(zhǔn)情景下在2025年、2030年和2035年分別下降了43.76%、24.08%和45.75%。在強化情景下，河北省建筑業(yè)碳排放量相較于基準(zhǔn)情景下在2025年、2030年和2035年分別下降了2.67%、37.13%和62.23%。這表明通過縮減建筑業(yè)的勞動生產(chǎn)率、房屋竣工面積、PM2.5平均濃度以及能源消耗量，提升河北省空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例以及建筑業(yè)能源消費中電力消費占比，具有明顯減排效果，有助于實現(xiàn)河北省建筑業(yè)經(jīng)濟與環(huán)境平衡發(fā)展。

在3種情景中，基準(zhǔn)情景下河北省建筑業(yè)碳排放量隨增長率逐漸下降，但總體呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，不能在2030年前實現(xiàn)行業(yè)達(dá)峰；低碳與強化情景下均可以在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰且達(dá)峰后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。低碳情境下河北省建筑業(yè)碳排放量大約在2030年達(dá)到峰值，達(dá)峰碳排放量約為27 745.33萬噸，說明在現(xiàn)有政策調(diào)控下，河北省建筑業(yè)能夠有效實現(xiàn)碳達(dá)峰的減排目標(biāo)；強化情景下河北省建筑業(yè)碳排放量在2027年達(dá)到峰值，達(dá)峰碳排放量約為23 985.48萬噸，說明在政策調(diào)控基礎(chǔ)上，建筑業(yè)進(jìn)一步加強內(nèi)部減排要求，能夠促進(jìn)行業(yè)實現(xiàn)早日達(dá)峰，為下一步實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)打下堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本次調(diào)研首先通過對相關(guān)文獻(xiàn)以及官方統(tǒng)計材料進(jìn)行調(diào)查，同時對于河北省建筑業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量核算，并構(gòu)建河北省建筑業(yè)碳排放效率測度體系。其次基于考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型，采用ArcGis空間分析、空間自相關(guān)模型對于河北省11個地市建筑業(yè)從2010—2019年的碳排放效率時空演變關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行綜合分析，研究得到的主要結(jié)論如下：

1)2010—2019年河北省建筑業(yè)碳排放效率平均值為0.74，距離生產(chǎn)前沿面存在26%的發(fā)展?jié)摿Γf明當(dāng)前河北省建筑業(yè)的發(fā)展中存在著較大的資源浪費，還具有巨大減排潛力。

2)河北省建筑業(yè)碳排放效率存在顯著的空間分異，空間分布格局由2010年的“西部高、東部低”向“中部高、南北低”轉(zhuǎn)變。河北省建筑業(yè)碳排放效率的提升應(yīng)加強跨地市合作，調(diào)整建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)能源消耗與經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)，推動全省建筑業(yè)低碳發(fā)展。

3)依據(jù)情景研究結(jié)果表明，在基準(zhǔn)情景下，河北省建筑業(yè)碳排放未能實現(xiàn)碳達(dá)峰；但在低碳情境下，通過對建筑業(yè)的勞動生產(chǎn)率、竣工面積、PM2.5平均濃度、空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例、能源消耗量以及電力消費占比等方面減排、控排政策的有效實施，可以在2030年實現(xiàn)達(dá)峰目標(biāo)；且在此基礎(chǔ)上，對建筑業(yè)各方面政策進(jìn)一步收緊，能夠促使達(dá)峰時間提前到2027年。

4.2 建議

為提升河北省建筑業(yè)碳排放效率，并從建筑業(yè)角度探索到“碳達(dá)峰”“碳中和”實現(xiàn)路徑，根據(jù)調(diào)研結(jié)論與分析，提出以下政策建議：

1)以政策導(dǎo)向為主導(dǎo)，制定完善節(jié)能減排政策。一方面政府應(yīng)加大低效率地區(qū)建筑業(yè)的低碳扶持力度，積極宣傳建筑業(yè)節(jié)能、環(huán)保理念，著力推動、引導(dǎo)全省建筑業(yè)的綠色發(fā)展；另一方面應(yīng)加大節(jié)能減排政策實施力度，制定更為完善的環(huán)境治理機制，提高行業(yè)準(zhǔn)入門檻。

2)以市場機制為載體，建設(shè)科學(xué)環(huán)境治理體系。過度的政府干預(yù)對于建筑市場整體活躍度會造成不利影響，因此河北省應(yīng)建立合理有效的現(xiàn)代化科學(xué)環(huán)境治理體系。充分發(fā)揮市場機制，促使建筑企業(yè)積極參與碳交易市場，形成有效市場競爭，推動建筑業(yè)碳排放效率提升。

3)以技術(shù)升級為根本，發(fā)展創(chuàng)新綠色建筑技術(shù)。增加對低值地區(qū)的建筑業(yè)技術(shù)創(chuàng)新補貼，推動生產(chǎn)率提高，著力建立建筑綠色技術(shù)體系，重點開發(fā)節(jié)能減排技術(shù)和建筑業(yè)低碳技術(shù)。同時推動中部地區(qū)與南、北部地區(qū)低碳發(fā)展交流平臺，鼓勵低值地區(qū)向高、中值地區(qū)學(xué)習(xí)建筑節(jié)能技術(shù)，進(jìn)而達(dá)到全省建筑業(yè)碳排放效率提升，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。