中国城市低碳发展水平评估方法研究

石龙宇,孙 静

1 中国科学院城市环境研究所, 厦门 361021 2 中国科学院大学,北京 100049

城市热岛以及全球气候变化等诸多环境问题引起了社会各界的广泛关注。为了保护并改善日益恶化的环境,保持并提升现有的社会经济水平,世界发展模式必然会向绿色、低碳和循环发展转型。城市化迅速推进对全球环境产生巨大影响,城市碳排放占全球碳排放总量的78%,控制城市碳排放是缓解全球气候变暖危机的关键[1]。我国仍处于城市化快速发展阶段,到2016年,城市化率已达到57.36%。在城市化过程中,以高能耗产业为主的工业化进程使得我国的城市化发展面临着巨大的环境压力。我国已于2015年6月30日提交了INDC文件,提出CO2排放到2030 年左右达到峰值、碳强度比2005 年下降60%—65%的目标[2]。在此背景下,构建城市低碳发展评价指标体系,评价城市低碳发展水平,更有利于我国低碳城市的建设,对于提高城市应对气候变化能力具有重要意义。

1 国内外研究进展

1.1 低碳城市内涵

低碳城市(Low-carbon City)的理念来源于低碳经济。2003年,最早由英国指出,低碳经济是通过更少的资源消耗和环境污染获得更多的经济产出,并提高生活质量、发展先进技术,从而提供更多就业机会[3]。世界基金提出低碳城市基本内涵：城市以低碳经济为发展方向,市民以低碳生活为理念,政府公务管理层以低碳社会为建设目标[3]。此后,付允、汪云林指出低碳城市应以清洁发展、高效发展、低碳发展和可持续发展为目标,发展低碳经济,改变大量生产、大量消费和大量废弃的社会经济运行模式,同时改变生活方式、优化能源结构、节能减排、循环利用,最大限度减少温室气体排放[4]。按照IPCC和联合国的相关研究,低碳城市是指城市发展或城市经济增长与CO2排放趋于脱钩状态的城市[5]。诸大建指出就中国目前的发展阶段而言,发展低碳城市重点在于降低单位GDP的CO2强度[6]。罗巧灵指出,低碳城市包括低碳的城市空间结构构建、低碳城市技术运用、居民低碳消费理念、企业低碳生产方式、低碳经济发展模式和高效的城市管理方式等诸多内容[7]。赵慧指出低碳城市是一种政府主导的建设行动[8]。杨俊业认为低碳城市是指城市的能源利用率不断提高,同时不断减少碳排放量,以达到可持续发展的目的,且物质文明、精神文明和政治文明与生态文明高度协调发展[9]。根据上述研究,作者认为低碳城市是在城市经济、社会、建筑、交通等共同协调发展的前提下,城市碳排放量降低,社会经济和环境质量水平提高的可持续发展状态或目标。

1.2 低碳评价指标体系

20世纪末期,发达国家和地区逐渐提出基于本国国情的城市评价指标体系。为了推动城市的可持续发展,联合国人居署、联合国环境规划署、联合国教科文组织、世界卫生组织、经合组织、亚洲开发银行、欧盟等纷纷围绕各自负责工作范围提出了城市评价指标体系[10]。1994年John Elkington提出了可持续发展的“三重底线”(Triple Bottom Line)[11]：环境、经济与社会,同时指出环境、经济与社会这三者是人类可持续发展必须要协调的三大方面[12- 13]。英国伦敦应对气候变化建设低碳城市的重点领域集中在存量住宅、存量商业与公共建筑、新开发项目、能源供应和地面交通五个方面[3]。瑞典等国从效率、公平和参与、适应性、价值和给后代的资源4个方面构建指标体系[14]。日本低碳社会规划的原则是各部门实现碳排放最小化,倡导简单且高质量的生活及与大自然和谐共生[3]。一些学者在“经济、社会和环境”三大类指标的基础上还强调了政策指标的必要性[15]。2013年Lynn Price建立了中国低碳城市评价指标体系,重点衡量经济与能源有关活动的碳排放强度[16]。2014年Florianna L.Michael综述了中国大陆、中国台湾以及马来西亚的城市可持续发展指标体系,针对中国大陆地区的指标体系包括社会、环境、经济和资源4大部分21个具体指标[17]。

国内关于城市低碳发展评价的研究较西方国家晚一些。2005年郑度提出了社会及环境因素是影响城市可持续发展程度与进程的关键因素[18]。此后,诸多学者选用社会经济及环境类指标对城市低碳或可持续发展水平进行评价。2010年中国社会科学院公布的低碳城市水平标准体系涵盖了低碳生产力、低碳消费、低碳资源和低碳政策四类共12个具体指标。2011年1月全国低碳经济媒体联盟专家委员会发布的《中国低碳城市评价体系》,加入了媒体传播类指标,主要从经济发展、资源环境及社会发展等方面评价城市低碳发展水平。2013年陈飞等指出面对中国发展的新问题,碳排放不仅涉及环境与经济,更重要的是社会与公平[19]。

综上所述,面向可持续发展的低碳城市评价指标体系正在逐步完善中,已有的研究指标框架多由经济发展、社会进步及资源环境几类组成。国内外已有的低碳城市评价指标体系还存在一些问题：第一,部分研究涉及指标过多,导致反映城市低碳发展优劣势的指标相互抵消,对低碳城市建设的指导效果不明显;第二,普遍性、可比性、统一性较高的指标体系研究较少;第三,有些指标数据获取性差,直接影响评价指标体系的应用价值。因此,有必要构建城市尺度的,普遍性与可比性较高,统一的低碳发展评价指标体系。本研究在已有低碳发展评价研究的基础上,加入了交通及建筑类指标,更全面地评价了城市低碳发展水平。

2 研究方法

2.1 构建指标体系

2.1.1 构建指标体系的原则

城市低碳发展受到多种因素共同影响,所以需要选取多种指标对城市低碳发展水平进行综合评价。为了客观、全面、科学且有针对性地衡量城市低碳发展水平,在设定评价指标体系及具体评价指标时,需要遵循以下原则：

(1) 全面性原则。城市低碳发展评价指标体系应该全面反映城市发展过程中各种因素,包括碳排放、经济发展、社会发展、交通、建筑及环境等。各指标应有机地组合,准确地评价城市的低碳发展水平。

(2) 科学性原则。评价指标体系的设计应当充分反映和体现低碳城市内涵,从科学的角度系统而准确地理解和把握城市低碳发展的实质。

(3) 可比性原则。评价指标体系应在一定的时期内保持相对稳定,在时间序列上可进行动态比较,且在同一时间上对评价指标数值的排序可进行比较。

(4) 可操作性原则。评价指标应充分考虑指标量化的难易程度,尽可能的利用现有的统计资料,并选择有代表性的综合指标和重点指标。且涵盖的指标应该简单明了,具有具体含义,指标计算方法不易过于复杂,使指标体系易于分析与运算。

2.1.2 评价指标的选择

本文借鉴现有研究成果,遵循评价指标体系的构建原则,以中国城市整体低碳发展现状为基础,构建城市低碳发展综合评价指标体系。包括碳排放、经济发展、社会进步、交通、人居环境及自然环境指标六类,全面地反映中国城市低碳发展的综合水平。

(1) 碳排放指标

低碳发展首先要衡量城市碳排放水平。由于城市间规模与经济水平存在差距,一般不以城市碳排放总量为衡量指标。借鉴前人研究经验,本文选取人均碳排放量和单位GDP碳排放量两个指标联合反映城市碳排放水平。

(2) 经济发展指标

城市低碳发展要平衡城市碳排放与经济发展的关系,一方面要减少城市二氧化碳排放,另一方面要使城市经济产出最大化。为了实现这一目标,需要在提高经济产值的同时调整产业结构。人均GDP反映一个城市的经济产出水平。第一产业比重越低说明城市经济越发达且产业结构相对高级,前人研究多有选取与产业结构相关的指标构建指标体系,本文选取非农产业的产值占GDP比重反映城市的产业结构状况。

(3) 社会发展指标

城市低碳发展最终为社会发展服务,即衡量低碳发展也应该考虑社会因素。城镇化率是城市发展程度的体现,教育水平是城市发展与生活水平提高的前提,本文选取城镇化率反映城市的城镇化发展水平,选取教育支出占GDP比重反映城市的教育水平。

(4) 交通指标

城市交通状况同样反映城市发展状态,本文选取人均城市年末实有道路面积体现城市的道路建设程度。借鉴前人研究,选取人均城市民用汽车拥有量,对比人均公共汽车拥有量指标,该指标能够更好地反映城市车辆状况。

(5) 人居环境指标

人居环境指标反映城市的建设水平与城市拥挤程度。城市低碳发展同样应该包括人居环境的改善,本文选取人均城市建设面积和建成区绿化覆盖率两个指标反映城市人均环境水平,人均城市建筑面积反映城市拥挤程度,建成区绿化覆盖率反应城市绿化程度,且绿化程度高,也有助于吸收有害气体,与城市低碳发展关系密切。

(6) 自然环境指标

城市低碳发展,要兼顾人与自然环境的长期共存,所以构建城市低碳发展综合评价指标体系应该涵盖自然环境指标。本文选取污水处理厂集中处理率、生活垃圾无害化处理率和一般工业固废综合利用率,反映城市发展过程中环境污染的治理能力。

2.1.3 指标权重的确定

城市低碳发展各评价指标对城市低碳发展的作用程度不同。为了准确评价城市低碳发展水平,必须给予各个评价指标适当的权重。本文首先将数据无量纲化处理,继而采用变异系数法为城市低碳发展评价指标确定权重。变异系数法, 是一种相对客观的方法, 它是在搜集到若干区域的各指标实际数据后, 以其离散程度的归一化处理来确定其权重的一种方法[20]。如公式(1)、(2)和(3)所示。

(1)

(2)

(3)

2.2 城市低碳发展水平综合评价

2.2.1 数据来源

城市低碳发展水平综合评价指标体系中所涉及到的指标数据,除碳排放量与人均城市民用汽车拥有量外,其他数据均来自2011年—2016年的《中国城市统计年鉴》,直接获得或经过简单计算获得。人均城市民用汽车拥有量为民用汽车拥有量除以人口,民用汽车拥有量为公路营运汽车拥有量与出租车和公共汽(电)车数量的总和,公路运营汽车拥有量数据来自国家统计局网站国家数据。出租车数量与公共汽(电)车数量在《中国城市统计年鉴》中可直接获得。城市碳排放量计算数据来自2011年和2016年的《中国城市统计年鉴》《中国能源统计年鉴》与国家统计局网公布数据。

2.2.2 城市碳排放量计算

本文碳排放量主要从终端消费角度来核算煤炭、石油、天然气和电力产生的城市碳排放量,其中石油包括汽油、煤油、柴油和燃料油。具体计算公式如公式(4)所示：

(4)

式中Pi是第i种能源的消费量,Ri为第i种能源的碳排放系数。i=1,2,3,4。碳排放系数(表1、表2)。

表1 煤炭、石油、天然气能源碳排放系数[21]

表2 2010年—2015年中国区域电网基准线排放因子/(tCO2/1000kWh)[22-24]

2.2.3 城市低碳发展指数

城市低碳发展水平评价指标体系可以从多个方面反映城市低碳发展水平,但是,为了对城市间的差异进行清晰地比较,综合分析城市低碳发展水平的变化,需要构建一个综合指数从总体上评价城市低碳发展水平。本文采用指标加权求和的方法构建城市低碳发展指数,具体计算方法如公式(5)所示：

(5)

式中,I(t)为t年度城市低碳发展指数;n、i和Wi的含义与公式(1)、(2)和(3)中含义相同;ai(t)为t年度第i项城市低碳发展指标的评价值。

本文采用阈值法计算城市低碳发展各项指标的评价值,即进行无量纲化处理,具体计算方法如公式(6)和(7)所示：

(6)

(7)

式中,Ai(t)为t年度城市低碳经济发展指标的原始值;Aimax(t)为t年度城市低碳发展指标原始值中的最大值;Aimin(t)为t年度城市低碳发展指标原始值中的最小值。

3 结果与分析

3.1 城市低碳发展水平综合评价指标体系

基于城市低碳发展水平评价指标体系构建的原则,并考虑我国城市低碳发展相关数据的可获得性,本文构建的城市低碳发展水平评价指标体系(表3),内含各项指标、权重和正负性。

表3 城市低碳发展水平综合评价指标体系

3.2 参评城市低碳发展水平评价结果

本文选取中国35个副省级以上城市2010年—2015年数据,计算得出2010年—2015年各城市低碳发展指数,并降序排序,图1为2010年与2015年的结果对比图。

图1 2010年和2015年参评城市低碳发展指数排名Fig.1 Ranking of cities based on urban low-carbon development index in 2010 and 2015

本文将参评城市分为三类,将2015年排序比2010年排序上升5位以上的城市定为排序上升的城市,将2015年排序比2010年排序下降5位以上的城市定为排序下降的城市,将排位变动5位及5位以内的城市定为持平的城市,分类结果见表4。

表4 城市低碳发展指数排名变化

结合图1和表4可得,17个参评城市的低碳发展指数,2015年与2010年相比排位持平;8个城市排位有明显上升,其中西安市上升了10位,南京市上升14位,太原市上升17位,重庆市上升14位,乌鲁木齐市上升13位,这些城市的低碳发展指数上升更为显著;8个城市排位有明显下降,其中成都市下降了11位,长沙市下降了17位,大连市下降了15位,这些城市的低碳发展指数下降更为显著。

为了找出城市发展指数变化显著的原因,本文分别分析参评城市2015年与2010年相比,各分项指标排位的变化情况。如图2—图8所示。首先,本文以2015年为例,制作参评城市低碳发展指数堆积图(图2)。

图2 2015年参评城市低碳发展指数堆积图Fig.2 Ranking of cities based on carbon emission index in 2010 and 2015

由图2可得,城市低碳发展指数由6种具体指数组成,且不同具体指数所占比重不同。其中,大多数城市的交通指数和人居环境指数在其城市低碳发展指数中多占比例较小,自然环境指数所占比例较大。

图3 2010年和2015年参评城市碳排放指数排名Fig.3 Ranking of cities based on urban carbon emission index in 2010 and 2015

图4 2010年和2015年参评城市经济发展指数排名Fig.4 Ranking of cities based on urban economic development index in 2010 and 2015

图5 2010年和2015年参评城市社会进步指数排名Fig.5 Ranking of cities based on urban social development index in 2010 and 2015

图6 2010年和2015年参评城市交通指数排名Fig.6 Ranking of cities based on urban traffic index in 2010 and 2015

图7 2010年和2015年参评城市人居环境指数排名Fig.7 Ranking of cities based on urban residential environment index in 2010 and 2015

图8 2010年和2015年参评城市自然环境指数排名Fig.8 Ranking of cities based on urban natural environmental index in 2010 and 2015

由图3—图8可得,与2010年相比,不同城市不同指标在2015年的排位变化趋势有所不同。对于城市低碳发展指数有显著上升和下降的城市,其具体指标排位变动情况如表5所示。

城市低碳发展指数显著上升的城市：海口市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由社会进步指数、交通指数和人居环境指数排位的显著上升导致,在具体指标中海口市的城镇化率变化最为显著,由2010年的68.2%变化至2015年的100%;西安市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由交通指数和人居环境指数导致,在具体指标中西安市的建成区绿化覆盖率的上升较为显著由2010年的40.37%上升至2015年的42.58%;济南市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由碳排放指数和自然环境指数导致,在具体指标中其单位GDP碳排放量下降显著,是由于济南市的GDP上升显著,由2010年的3910.53亿元上升至2015年的6100.23亿元,此外,济南市的生活垃圾无害化处理率上升显著,由2010年的84.61%上升至2015年的100%;南京市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由人居环境指数导致。太原市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由交通指数和人居环境指数导致,在具体指标中其建成区绿化覆盖率上升显著,由2010年的35.75%上升至2015年的40.30%,2015年参评城市建成区绿化覆盖率最大值为60.41%,最小值为32.65%;重庆市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由社会进步指数、交通指数和人居环境指数排位的显著上升导致,在具体指标中重庆市的教育支出占GDP比重上升显著,由2010年的1.94%上升至2015年的3.40%,城镇化率上升10%;南宁市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由社会进步指数、交通指数和人居环境指数排位的显著上升导致,在具体指标中南宁市的教育支出占GDP比重上升显著,由2010年的1.75%上升至2015年的2.70%;乌鲁木齐市,其城市低碳发展指数排位的显著上升主要由人居环境指数和自然环境指数排位的显著上升导致,在具体指标中乌鲁木齐市的污水处理厂集中处理率、生活垃圾无害化处理率和一般工业固废综合利用率均有明显提高分别由2010年的57.34%、87.40%和68.20%上升至2015年的84.23%、95.80%和90.37%。

城市低碳发展指数显著下降的城市,其城市低碳发展指数排位的显著下降主要由自然环境指数排位的显著下降导致,且其他指数均有不同程度作用。这些城市的具体指标在2010—2015年间大多显示上升趋势,由于其上升的速度远低于参评城市平均水平,继而其城市低碳发展指数排位显著下降。

4 讨论

本文构建的城市低碳发展评价指标体系,能够较全面地评价城市的低碳发展水平,为城市的发展与规划提供依据。已有的研究指标体系多由经济发展、社会进步及资源环境几类组成,有些研究选择了主观指标。本研究的指标体系在前人研究的基础上有所改进,所涉及的城市元素较为全面,且具体指标不多,针对性较强,均为客观指标,数据相对易得,该指标体系易使用,得到的城市低碳发展综合指数可以直观反映城市的低碳发展水平。各类别指数的分析反映了影响城市低碳发展水平的主要指标。该指标体系对城市评价的普遍性和可比性较高。

表5 2010年至2015年城市具体指数排序变化情况

在城市碳排放指数排名显著上升的城市中,太原市人居环境指数在参评城市中的排名2015年与2010年相比上升了25位,主要是由于山西省对“十二五”规划的实施,城镇化建设稳步推进,2015年全省城镇化率达到55.03%,且基础设施更加完善。截至2015年底,全省铁路营运里程突破5000km,公路通车里程达到14.1万km,高速公路通车里程突破5000km,吕梁机场、五台山机场、临汾机场建成通航,通达、便捷的立体化现代交通运输体系日益完善。深入实施《山西省大气污染防治行动计划》,太原市生态环境显著好转,城市生活垃圾无害化处理率达到92.5%,比2010年提高27.5个百分点,造林绿化和生态治理修复工程顺利推进,5年营造林150.13万hm2,森林覆盖率、蓄积量显著增加[25]。

重庆市社会进步指数在参评城市中的排名2015年与2010年相比上升了22位。重庆市制定了《重庆市教育事业“十二五”规划》, 2015年学前三年教育毛入园率达80%,九年义务教育巩固率达95%,初中毕业生升入高中阶段学校比例达98%,高等教育毛入学率达40%,基本实现城乡教育一体化、教育现代化和教育国际化,建成国家统筹城乡教育综合改革示范区[26]。

通过城市低碳发展水平评价的分析可得,城市需要多方面共同改进从而实现低碳发展。当城市生产技术、经济社会发展及城市污染处理能力达到了一定的水平,改进空间随之变小。此时提高城市低碳发展水平,城市交通和人居环境水平的改进就起到了比较大的作用。而城市交通和人居环境水平,主要体现了城市居民的生活水平。即城市低碳发展水平最终体现在城市居民的生活水平。

5 结论与建议

本文构建了城市低碳发展评价指标体系及综合评价指数。根据中国35个典型城市2010—2015年相关数据,对参评城市的低碳发展水平及发展趋势进行了评价与分析。得出以下结论并给出相应的改进建议。

(1)本文所构建城市低碳发展指标体系适用性较广泛,适用于中国大多数城市。

(2)城市低碳发展指数排名的显著变化主要由人居环境指数、社会进步指数和自然环境指数导致,其中起主要作用的指标为建成区绿化覆盖率和教育支出占GDP比重。

(3)城市低碳发展水平上升的主要原因是人居环境的改善,8个排名上升的城市中有7个城市人居环境排名上升;而水平下降的主要原因是自然环境的恶化,8个排名下降的城市中自然环境排名都出现下降。

由本文分析可得,城市的低碳发展,不仅是城市碳排放水平与经济发展水平之间的关系,还涉及到社会进步,人居环境,交通状况及自然环境等多个方面。为使城市达到较高的低碳发展水平,在通过技术手段和改进能源结构降低城市碳排放水平且发展城市经济的同时应加强城市的教育投入,增加城市绿化,改进土地利用规划,改善城市道路及交通状况,增加城市环境污染处理的投入,并改进城市环境污染处理技术。