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广西北部湾经济区(107°22′~109°51′N,21°27′~24°3′ E)西起中越边界的北仑河口,东至与广东省接壤的英罗港,东南与海南省隔海相望,是全国第一个“重要国际区域经济合作区”[1],在中国与东盟、泛北部湾经济合作区、大湄公河次区域、中越“两廊一圈”、泛珠三角经济区、西南六省(区、市)协作等国内外区域合作中具有不可替代的战略地位和作用[2]。
当前,广西北部湾经济区处于整体经济高速增长时期,2018年地区生产总值(GDP)达到9 860.94亿元,占广西全区GDP的48.5%。在工业化、城镇化加快发展进程中,广西北部湾经济区环境约束日益趋紧,经济社会发展与环境保护之间的矛盾日益突出[3]。近年来,广西北部湾经济区生态环境保护问题受到普遍关注,研究主要集中在海洋生态环境保护和近岸海域污染等方面,针对大气领域的研究较少。廖国莲等[4]对1980~2015年广西北部湾经济区南宁、北海、钦州和防城港市灰霾状况进行了研究分析;孙星等[5]以南宁市为案例研究分析了SO2和烟粉尘排放总量与人均GDP之间的变化关系;赵伟等[6]利用CALPUFF模式模拟分析了北部湾区域2015年和2020年产业发展对大气环境的影响。本文采取修正A值法估算广西北部湾经济区SO2、NOx、PM10大气环境容量,用环境库兹涅茨曲线分析污染物排放与经济增长的关系,以期研究广西北部湾经济区成为国家开发发展战略以来,经济发展对大气环境污染的影响,为开展广西北部湾经济区宏观调控和决策提供科学参考依据。
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本文研究范围包括广西北部湾经济区6市(南宁、北海、钦州、防城港、玉林和崇左市)所辖行政区域,分析使用的经济社会数据来自广西统计年鉴,SO2、NOx和PM10污染排放数据来自广西壮族自治区环境统计数据,气象数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)。
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修正A值法充分考虑了当地气候、干湿沉降及污染物衰减等因素,更接近区域实际大气环境容量[7]。本文采用修正A值法[8-9]对广西北部湾经济区区域大气环境容量进行分析。根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法:GB/T 3840—91》[10],将研究区域作为一个箱体,考虑干、湿沉降及化学转化因素,箱体中污染物平均质量浓度定义,见式(1)。
式(1)中,c为箱内大气污染物平均浓度,mg/m3;qa为污染物在单位面积上单位时间的排放量,mg/m2·s;
$\bar u$ 为平均风速,m/s;Hi为污染物可到达的高度(取不同气象条件下的混合层厚度),m;Cb为由上风向进入该箱内的大气污染物本底浓度,mg/m3;ud为干沉降速度,m/s,SO2、NOx和PM10分别取0.003 5、0.004 4和0.000 7 m/s;wr为清洗比(无量纲),一般取值1.9×10−5;R为降水率,mm/s;Tc为污染物转化时间常数,Tc =T1/2/0.693;T1/2为污染物半衰减周期,s,SO2和NOx分别取105 s、7.5×105 s(PM10不用计算);Δx为箱内顺风长度,m,$\Delta x = 2\sqrt {\dfrac{S}{\pi }} $ ,S为研究区域面积,km2。考虑用污染物年平均浓度标准限值Cs代替C,则在单位面积上污染物允许排放量记为qs。Cs依据《环境空气质量标准:GB 3095—2012》[11]二级标准选取,即SO2、NOx和PM10分别取0.06、0.04和0.07 mg/m3;若在整个研究区内污染源的分布是均匀的,则在控制周期T时间内,整个箱体内允许排放的污染物总量为:
${Q_a} = {q_s} \cdot S \cdot T$ 。取控制周期T为一年,则区域大气环境污染物排放总量,见式(2)。式(2)中,Qa单位为104 t/a;VE为通风量,
${V_E} = \overline u \cdot {H_i}$ ,m2/s。 -
环境库兹涅茨曲线(KEC)描述了环境质量与经济发展之间的关系[12],主要计量模型[13],见式(3)。
式(3)中,E为环境压力;g(Y)代表函数模型,Y为经济增长;a为随机误差项。本文采用SO2、NOx和PM10污染排放量表示环境压力,用人均GDP表示经济增长。根据已有的研究成果[14-16],选取常用的二次、三次和对数等多种函数模型进行曲线拟合,根据模型检验参数进行优选分析。
1.1. 资料
1.2. 大气环境容量估算方法
1.3. 环境库兹涅茨曲线模型
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本次研究设定SO2、NO2和PM10的背景浓度分别取《环境空气质量标准:GB 3095—2012》[11]一级标准的20%、20%和40%,即SO2、NO2和PM10的背景浓度分别选取0.004、0.004和0.016 mg/m3,由此计算广西北部湾经济区及各市SO2、NOx和PM10理想环境容量。
根据1.2大气环境容量估算方法和表1大气环境容量计算参数,计算得到广西北部湾经济区SO2、NOx和PM10理想环境容量分别为127.01×104、66.73×104和51.45×104 t/a;其中,南宁市SO2、NOx理想环境容量较大,钦州市和南宁市PM10环境容量较大;北海市SO2、NOx和PM10环境容量为最小。广西北部湾经济区及各市SO2、NOx和PM10理想环境容量结果,见表2。
选取2008、2010、2015和2018年4个重点年份,SO2、NO2和PM10的本底浓度分别选取当年年均浓度,见表3。
根据1.2和表1、表3计算广西北部湾经济区SO2、NOx和PM10大气环境容量(可利用环境容量)。广西北部湾经济区及各市SO2、NOx和PM10大气环境容量结果,见表4。
表4可知,2018年经济区SO2、NOx和PM10环境容量分别为104.83×104 、30.40×104和15.10×104 t/a,分别占理想环境容量的82.54%、45.55%和29.35%,其中SO2占比最大,说明可利用的环境容量空间大。从变化趋势上看,经济区大气环境容量均有所增加,2018年SO2、NOx和PM10大气环境容量分别比2008年增长80.87%、13.22%和51.30%,以SO2环境容量增幅最大,说明自2018年以来,SO2污染减排的成效最为明显。
广西北部湾经济区6市中,南宁、防城港和玉林市部分污染物在个别年份环境容量出现超载,主要由于自2008年以来北部湾经济区上升成为国家发展战略,整体经济高速增长,但相应环境保护基础设施还不完善,“十一五”“十二五”期间一些火电、水泥等重点工业企业脱硫脱硝设施建设滞后,机动车污染减排工作基础薄弱,导致部分地区SO2、NOx和PM10污染减排效益未能有效发挥。总体上看,经济区各市SO2、NOx和PM10环境容量均有不同程度增加,其中玉林市SO2环境容量、南宁市NOx环境容量、崇左市PM10环境容量增幅较大,2018年比2008年分别增加408%、225.13%和190.91%;说明随着政府生态环境保护力度加大,企业环保意识不断提升,对环保资金投入加大,钢铁、水泥等高污染行业企业脱硫脱硝设施、火电行业超低排放改造逐步完成,黄标车和老旧车淘汰加快,SO2、NOx和PM10污染排放得到有效削减。与各市大气理想环境容量对比可知,南宁市NOx、玉林市PM10环境容量占大气理想环境容量的比例较小,均不到20%,说明可利用环境容量空间较小;且与“十二五”末相比,2018年环境容量均有所下降,可能与近年来机动车保有量大幅增加,导致污染物排放增多有关。
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运用SPSS 22.0软件,分别采用多种曲线模型对2008~2018年SO2、NOx和PM10污染物排放量与人均GDP进行拟合比较,见表5,综合R2、F检验值和显著性参数进行考虑,可知三次函数模型拟合度最好。故本文选取三次函数模型对SO2、NOx和PM10污染物排放与人均GDP进行拟合分析,拟合结果见图1。
图1(a)、图1(b)可见,2008~2018年经济区SO2、PM10污染物排放与经济增长之间存在倒“N”型关系,说明随着经济增长加快,产业结构调整,企业在加快发展的同时,注重产业升级和技术改造,有效削减污染物排放;在“十二五”期间,污染物排放随经济增长有所增加,可能是由于自2008年广西北部湾经济区成为国家战略以来,根据《广西北部湾经济区发展规划》[17]功能定位,将在沿海地区布局建设以石化、能源、化工和钢铁等为主的重化工业集中区,随着建成的企业陆续投产,污染物排放量大幅增加,而相应的企业和园区的环保技术设施还不完善,没有形成有效的污染减排效益;但近年来,随着政府投入环境治理力度加大,燃煤小锅炉整治和淘汰、清洁化改造工作不断推进,脱硫减排工程、火电行业超低排放改造逐步完成,减排效益逐步显现,SO2、PM10污染随着经济进一步增长得到控制。
图1(c)可见,2008~2018年经济区NOx污染排放与经济增长之间存在倒“U”型关系,说明在经济水平较低时,环境随经济发展而污染增加,当经济增长到一定程度时(2014年)出现拐点,之后NOx污染随着经济进一步增长得到控制。根据相关研究分析[18],经济区NOx污染排放主要来自机动车和工业污染排放,随着区域经济发展,机动车保有量持续增加,导致NOx污染排放增加,但随着政府推广新能源汽车、淘汰黄标车老旧车、整治柴油车和非道路机械、行业超低排放改造等治理措施不断推进,NOx污染排放增长得到控制,随着经济增长呈现下降趋势。
2.1. 经济区大气环境容量变化分析
2.2. 经济区大气污染与经济发展的EKC特征分析
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1)广西北部湾经济区SO2、NOx和PM10理想环境容量分别为127.01×104 、66.73×104 和51.45×104 t/a。广西北部湾经济区6市中,以南宁市和钦州市大气理想环境容量最大,北海市最小。2008~2018年间,经济区SO2污染减排的成效最明显,可利用环境容量相对较大。总体上看,经济区各市SO2、NOx和PM10环境容量均有不同程度增加,但南宁市NOx、玉林市PM10可利用环境容量较小。
2)2008~2018年,经济区SO2、PM10污染排放与经济增长之间存在倒“N”型关系,NOx污染排放与经济增长之间存在倒“U”型关系,且均呈现下降趋势,说明经济区大气污染得到有效控制。
3)建议今后广西北部湾经济区各市持续加大环境治理投入力度,优化调整产业结构、能源结构、运输结构和用地结构,加快推进产业绿色发展和转型升级改造,实施大气污染减排工程;加强运输结构调整优化,深化道路和非道路移动源综合治理;强化城乡大气面源综合治理,加强区域联防联治,协同推进大气污染物治理,逐步解决北部湾经济区大气污染问题,有效改善区域大气环境质量。