中国城镇生活源污染与社会经济发展重心演变对比分析

赵坤荣,林 奎,许振成,杨大勇,杨 剑,刘 辉 (环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 510655)

中国城镇生活源污染的空间格局的形成和演变是自然气候、社会、经济等多种因素共同作用的结果.在一定的时期内区域的经济发展、人口迁移、居民生活水平等因素对生活源排污区域差异起主导作用[1].

污染重心是指在区域污染空间里的某一点,在该点各个方向上某些属性的“力量”能够维持均衡.它在时间经纬度上的变化就表示了区域差异的动态演变过程,可作为宏观分析的区域某种属性指标之一[2].美国学者弗·沃尔克在 1874 年应用重心概念研究人口问题,国内学者起步较晚,在1970 年代开始对空间上的多种社会、经济和自然资源的重心问题进行了研究[3-14].黄建山针对陕西1989-2003年的社会经济、人口、环境污染等重心进行研究,提出各种重心在经纬度上存在一定的相关性[14],丁焕峰等人分析中国区域污染重心和经济重心的演变路径,发现所有重心均向偏南方向移动,相互间空间关系较为紧密[15-17].从目前在环境重心研究内容方面,关于生活源排污污染重心的研究,文献上基本没有报道.本文采用重心模型,分析经济发展(国内生产总值,简称GDP)、人民生活水平(居民可支配收入)、人口的空间变化对城镇生活源排污空间格局的影响程度,探讨中国城镇生活源排污的重心分布及其演变路径,以探讨中国城镇生活污染与社会经济发展之间的联系.

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文系统收集了中国各省生活污水排放量、COD排放量、NH3-N排放量,用以研究城镇生活源污染重心[18-19];收集了GDP、人口、居民可支配收入,用以研究社会经济重心[20],所涉及的数据从1998年～2008年间的《中国环境年鉴》、《中国环境年报》、《中国统计年鉴》及各省统计年鉴资料获取.

1.2 研究方法

本文采用的重力模型,其计算方法具体如下:

假设一个区域由n个次级区域(或称为质点)P构成,第i个次区域的中心城市的坐标为(Xi,Yi),Mi为i次区域的某种属性的量值(或称为质量),求其重心,设重心在Q处.对一个拥有若干个次一级行政区域的国家或省市来说,计算某种属性的”重心”通常是借助各次级行政区的某种属性和地理坐标来表达的,即重心坐标为[2]:

1.2.1 重心移动方向[2]从重心移动的方向和距离两个因素可以比较精确地确定重心的位置,即根据重心每年的移动方向和距离,应用几何学图示法可以将重心移动路径描述出来,从而比较准确地阐述重心移动路径.在分析重心移动的方向时,假设第k年重心坐标为[longk,latk],第k+1年重心坐标为[longk+1,latk+1],第n1年重心移动方向为θ角度(相对于第k年),则θk+1=nπ/2+arctag([(latk+1-latk)]/[(longk+1-longk)],n=0,l,2,并将弧度转化为角度,且规定正东方向为0°,逆时针方向为正向,则第一象限(0°,90°)(东北方向)、第二象限(90°,180°)(西北方向)为正,反之,顺时针为负,即第三象限(180°,270°)(西南方向)、第四象限(270°,360°)(东南方向)为负.

1.2.2 重心移动的距离[2]假设d表示第n1年重心移动的距离(相对于第k年),则重心移动距离可表示为:

其中,常数C=111.11,表示由地球表面坐标单位(度)转化为平面距离(km)的系数.

2 城镇生活源污染重心与社会经济重心的演变分析

2.1 社会经济重心演变轨迹分析

2.1.1 经济重心演变轨迹 根据计算所得中国经济重心的空间演变轨迹(表1,图4),可以发现,在研究时序内经济重心在经度和纬度上均有波动,从较高纬度向低纬度的移动的总体趋势仍十分显著,分别在西南、东南、东北、等三个方向上移动,其中向偏南和向偏东移动的频率最高,分别达到6次和7次,移动频率分别为60%和70%,表明研究时序内中国东部和南部是中国的经济发展高密度区.在研究时序内移动速度存在一定程度的差异,研究时序内移动过程中,年平均移动距离为 3.49km.移动速度较快时,说明中国宏观经济处于扩展时期;移动速度较慢时说明宏观经济处于紧缩或者相对供给过剩时期.从整体看来,研究时序的大部分年份经济重心向西南方向移动,但在2008年朝东北方向移动较大,直线移动的距离达8.67km,说明在中国2000年实施西部大开的区域经济调整政策后,西部地区经济发展较为快速,经济重心向西方向移动趋势明显.

2.1.2 人口重心演变轨迹 根据计算所得中国人口重心的空间演变轨迹(表1,图4),从整体看来.研究时序内中国人口重心呈现缓慢、稳定地向偏南方向移动的特点.在经度和纬度上均有一定的波动性,分别朝东南向西南方向上移动,移动频率分别为 40%和 60%.在研究时序内移动过程中,整体移动角度为 291.9°(东南),直线移动距离为10.82km.这表明,受自然条件、社会经济发展水平差异影响,中国的人口分布呈现东部密集度高于西部、南部高于北部的基本格局,人口重心严重偏离自然地理重心(103.5°,36°)的基本情况仍没有发生根本的变化.影响中国人口重心向西与向南移动的原因存在着深层次区别,人口重心的南移动主要是人口出现了向南大规模流动,而人口重心向西移动的原因并不是反映人口流动的动向,而是由人口自然增长所引起的,由于东西部经济发展及人民生活水平存在一定的差距,东部地区趋向晚婚、晚育、少生,加上西部地区少数民族的人口计划政策相对宽松,从而导致新生人口数量明显低于西部地区人口出生率明显低于西部地区.

2.1.3 居民可支配收入重心演变轨迹 根据计算所得中国居民可支配收入重心的空间演变轨迹(表 1,图 4),可以发现,在研究时序内中国居民可支配收入与人口及经济重心的移动方向上存在一定差别,呈现从较低纬度向高纬度的移动的总体趋势十分明显,主要朝东北方向移动,移动频率达90%.整体移动角度为26.8°(东北),直线移动距离为 88.42km.这表明,中国东部的“京津冀”及“长三角”的城市群居民可支配收入增长大于其他区域.根据1998～2008中国统计年鉴显示,近十年长“京津冀”及“长三角”的城市群的城镇居民可支配收入总量占全国 25%～30%之间,同时这两个区域仍呈现不断加速的态势.

2.2 城镇生活源污染重心演变轨迹分析

2.2.1 城镇生活污水排放量重心演变轨迹根据计算所得中国城镇生活污水排放量重心的空间演变轨迹(表 2,图 4),可以发现.研究时序内中国城镇生活污水排放量重心的移动方向主要集中在东北及西南方向,移动频率分别为 50%及40%.整体移动角度为 199.2°(西南),直线移动距离为 34.83km.在研究时序内移动中,1999～2002年城镇生活污水排放量重心移动距离逐渐加大,基本沿着西南方向移动,这个时期与人口移动的方向相当一致.2002～2008年间城镇生活污水排放量重心移动距离朝着东北方向逐渐减少,这个时期与城镇居民可支配的移动方向基本相同.这表明,生活污水在不同时期,其增长的影响因素有所不同,在1998～2002年间,是由于人口规模而造成的污水量增加,而2002～2008年间,则是居民可支配收入增加,居民生活方式改变,导致人均污水排放量有所增加.

表1 1998-2008中国社会经济重心空间动态演变轨迹Table 1 Spatial evolvement track analysis of Socio-economic gravity center in China

2.2.2 城镇COD排放量重心演变轨迹 根据计算所得中国城镇生活源COD排放量重心的空间演变轨迹(表2,图4),可以发现,在研究时序内中国城镇生活源COD排放量重心的移动方向主要也集中在西南方向,其移动频率达为60%,偏南向的移动达 80%.整体移动角度为233.5°(西南),直线移动距离为 143.243km.在研究时序内的移动中,1999～2002及2002～2006年这两个阶段的移动方向与城镇生活污水排放量重心移动方向基本一致,但在 2006～2008年两者间移动方向相互背离,而生活污水排放量重心是往东北方向折返,而COD排放量重心则是继续朝西南方向移动.这表明,在“十一五”之前,虽然已经实施环保政策自2000年已经实施已经从浓度达标排放向浓度与总量达标排放转变,但真正实现这一目标是在“十一五”之后(2006～2008年),城镇生活源 COD排放量重心不再与污水排放量重心相一致,而是由区域排放量差异所引起的.

2.2.3 城镇NH3-N排放量重心演变轨迹 根据计算所得中国城镇生活源NH3-N排放量重心的空间演变轨迹(表2,图4),可以发现,在2001～2008年间,城镇生活源NH3-N排放量重心主要往西南方向移动,移动频率达为 71%.整体移动角度为234°(西南),直线移动距离为 92.15km.在这七年的移动中,其移动方向与人口移动基本一致,都是以偏南方向移动,这表明,NH3-N排放量重心主要是跟随人口流动而发生改变.

表2 1998～2008中国城镇生活源重心空间动态演变轨迹Table 2 Spatial evolvement track analysis of urban domestic source gravity center in China

2.3 城镇生活源污染重心与社会经济重心的复合对比分析

通过对比 1998～2008年中国城镇生活源污染重心及社会经济重心的演变轨迹(图 1～3),可以发现:

2.3.1 从城镇生活源污染重心和社会经济重心的整体空间格局来看(图1),不同的重心存在着很大的偏离,重心变化剧烈程度顺序为:人口重心＜经济重心＜居民可支配收入重心＜城镇生活污水重心＜COD重心＜NH3-N重心.

2.3.2 通过城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在经度上的路径对比(图 2),可以发现,1998～2008年间经济重心先从低经度略向高经度,然后又向低经度回调,总体来看经济重心方向没有发生明显变化.说明中国东西地区发展速度较为均衡,近年来有向低经度方向移动说明处于西部地区的省市经济地位在加强.人口重心从低经度向较高经度缓慢发展,说明由于自然增长率不同及人口流动共同作用下,中国东部地区各省市人口在全国占较大比重.居民可支配收入重心从低经度向高经度移动较快增长到平稳发展,说明由于东部地区的居民可支配收入较西部地区在这期间增迅速.生活污水排放量、COD排放量、NH3-N排放量等城镇生活源污染因子的重心在经度方向上的总体走势基本一致,均向低经度方向移动,其中生活污水重心的变动幅度相对最小,NH3-N次之,COD污染重心变化剧烈.这期间,COD重心一直位于偏西方向,且偏离程度较大,说明随着西部经济发展日益增速,该区域的城镇生活源 COD污染物日益增多,随之环境质量也日趋下降.

图1 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在经度上的路径对比Fig.1 The longitude variation track in Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity of China

2.3.3 从城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在纬度上的路径看(图 3),经济重心移动较为平稳,说明中国南方与北方经济发展速度差异不大.人口重心缓慢移向低纬度,说明人口有朝南方地区流动.居民可支配收入朝高纬度较快移动,表明以“京津冀”、“山东半岛”与“长三角”等为代表的区域人均收入增长较快.城镇生活污水排放量重心移动虽有波动,但总体上较为平稳,而 COD及 NH3-N等污染物排放量重心从高纬度向低高纬度移动,说明中国南部地区 COD和 NH3-N排放量的比重正增加,与人口流动趋势一致.

图2 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在经度上的路径对比Fig.2 The longitude variation track in Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity of China

图3 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在经度上的路径对比Fig.3 The longitude variation track in Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity of China

2.3.4 通过计算城镇生活源污染重心与社会经济重心在空间上的相关系数(表3-表4),可以发现,在经度空间联系上人口重心与生活污水排放量重心负相关(-O.45),与COD排放量重心负相关(-0.75),与 NH3-N排放量重心负相关(-0.55);经济重心与COD排放量重心、NH3-N排放量重心的相关性均较高,与COD排放量重心正相关(0.75),与 NH3-N排放量重心正相关(O.68);居民可支配收入与城镇生活源污染重心表现高负相关性,特别与COD排放量重心负相关系数为-0.97.纬度空间联系上,社会经济重心与COD排放量重心、NH3-N排放量重心呈高相关性,GDP及居民可支配收入与城镇生活源污染重心负相关,人口与城镇生活源污染重心正相关.

图4 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心演变路径对比Fig.4 The variation track in Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity centre of China

表3 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心在经度上的相关性Table 3 The correlation in longitude of Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity of China

表4 中国城镇生活源污染重心与社会经济重心在纬度上的相关性Table 4 The correlation in latitude of Socio-economic gravity centre and urban domestic source gravity of China

3 结论

3.1 从研究时序内的中国城镇生活源污染重心和社会经济重心的整体空间格局来看,不同的重心存在着很大的偏离,重心变化剧烈程度顺序为:人口重心＜经济重心＜居民可支配收入重心＜城镇生活污水重心＜COD重心＜NH3-N重心.

3.2 研究时序内城镇生活源污染重心与社会经济重心演变在经、纬度上的路径显示:经济重心经纬度没有发生明显变化,经济发展格局没有发生大变化;人口重心从低经度向较高经度缓慢发展,从高纬度缓慢移向低纬度,人口在自然增长和人口流动作用下,朝南方向移动趋势明显;居民可支配收入重心从低经度向高经度移动较快增长到平稳发展,从低纬度朝高纬度较快移动,重心的移动反映了大城市群发展造成区域差异;生活污水、COD、NH3-N等城镇生活污染源污染重心均向低经度方向移动,在纬度生活污水排放量重心总体较为平稳,而COD及NH3-N等污染物排放量重心从高纬度向低高纬度移动,是西部经济发展差异及人口向南移动共同作用的结果.

3.3 研究时序内城镇生活源污染重心与社会经济重心在空间上的相关系数分析结果显示,经纬度空间上,人口及居民可支配收入与城镇生活源污染重心呈负相关,GDP与城镇生活源污染重心正相关.

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