城市工业“三废”与经济发展的EKC联合分析

曹磊,刘珊,董小林,廖磊,李炫妮

(1.长安大学 旱区地下水与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.长安大学 水利与环境学院， 陕西 西安 710054；3.长安大学 环境经济与管理研究所，陕西 西安 710054)

21世纪初以来，我国城市在经济高速发展过程中，能源消耗不断扩大，工业“三废”的排放量日益增加，环境污染问题的逐渐加剧。在城市经济发展与环境保护理念出现相悖的状况下，党的十八大、十九大对加快生态文明体制改革、推进绿色发展、建设美丽中国进行了全面战略部署，中国的经济社会高质量发展与绿色革命就是在这一大背景下进行的。

对于城市区域经济发展与环境质量之间的关系可以用环境库兹涅茨曲线(EKC)理论进行分析。Alper Aslan等[1]验证了美国1966～2013年的CO2环境库兹涅茨曲线呈“倒U型”曲线；李鹏涛[2]采用31省面板数据发现废水和废气与经济增长之间呈现“倒U型”特征。当然，并非所有的环境污染指标与人均GDP之间都契合标准的“倒U型”曲线关系，环境库兹涅茨曲线具体的实际应用会受到分析对象与时间跨度的影响，以及地区发展特点等多方面的影响[3]。本研究基于EKC模型对西安市工业“三废”与经济发展进行联合分析。

1 研究区域分析

1.1 经济发展状况分析

西安位于西部和中部两大经济区的结合处，是西北地区重要的经济中心和交通枢纽，随着丝路文化高地、国家中心城市、国际化大都市建设等规划，使西安经济社会加快发展，现已成为新时代西部大开发的“领头羊”。由表1可知，2014年西安的生产总值已经达到5 000亿元大关，2018年，西安市生产总值迈上8 000亿元的新台阶，财政总收入过1 400亿元，增长8.2%、增速居副省级城市第一。见图1，西安市经济一直处于持续增长的阶段，1999～2007年GDP增长较平稳，2008年至今一直保持较高的增长率。

表1 西安市1999～2018年国民生产总值及其增长率Table 1 GDP and growth rate of Xi’an from 1999 to 2018

图1 西安市1999～2018年GDP趋势变化曲线Fig.1 The trend curve of GDP from 1999 to 2018 in Xi’an

1.2 环境质量状况分析

1999～2010年西安市处于发展速度快，资源需求大，环境负担重的时期，在此发展过程中，工业的高强度发展使得大气污染的越来越严重。由图2可知，2008年的工业废气排放量为1 519.179 9亿m3是近20年以来排放最高的一年，在短短的8年里，从2001年的273.980 6亿m3增长到2008年的1 519.179 9亿m3，增长幅度5倍之余；2009年之后工业废气排放量依然是全市大气污染的主要污染源，且危害成分复杂。2010年强雾霾天数开始增多，雾霾日趋严重，2017年后，在“铁腕治霾”的作用下，雾霾天气逐渐有了好转。

图2 西安市工业“三废”排放量变化曲线Fig.2 Change curve of industrial “three wastes” emissions in Xi’an

西安市的水资源总量低于全国平均程度，属于严重缺水地区[4]，工业废水污染加剧了水资源短缺带来的挑战。1999～2007年工业废水排放量不断增加，最高达到190.69百万t，2007年之后开始不断下降。在这三类工业废弃物中，废水排放量控制效果最好，表明西安市提高了工业废水的重复利用率以及废水处理技术的改进，从根本上减少了工业废水的产生。

工业固废产生量在1999～2011年持续上升，从105.00万t增加到279.00万t，年平均增长率约为13%，在此之后政策的完善、生产工艺的改良及工业固废处理设施的补充完善，使得自2012年起工业固废的产生量逐年开始降低，降幅高达31%左右，同时工业固废的处置量由2012年的9.24万t增长到2018年的78.10万t，处置率不断增加。

2 指标数据的选取与分析

2.1 指标与数据

运用EKC分析经济发展与环境污染程度时，应先检验符合EKC的状况。在符合EKC的基本内涵和条件基础上，首先要保证选取指标数据的准确性；其次应该有足够的符合EKC分析的时间跨度；同时拟合方程应该总体符合的“倒U型”曲线态势。

分析选取西安市1999～2018年工业“三废”排放量(工业废水排放量、工业废气排放量、工业固废产生量)为环境质量指标；选取人均GDP作为经济发展指标。具体数据见表2。

表2 西安市1999～2018年各项指标的数据Table 2 Data of various indicators in Xi’an from 1999 to 2018

2.2 分析模型

EKC是描述经济发展与环境水平关系的计量模型。本研究分析对各个数据取对数的拟合度高于直接采用原始数据，所以公式(1) 可以表达西安市环境污染程度和经济发展水平之间的这种关系[3]。

ln(Y)=β1ln(x)+β2ln2(x)+ε

(1)

式中,Y为环境质量指标，分别为工业废水排放量(万t)、工业废气排放量(亿m3)、工业固废产生量(万t)；x为经济增长指标，ε为人均GDP(元)，β1、β2为模型参数；ε为随机误差项。EKC模型是标准的“倒U型”曲线，即当β1>0，β2<0，符合EKC设定的基本内涵和效果。

3 EKC实证分析

3.1 EKC符合度检验

环境库兹尼茨(EKC)和库兹尼茨假说(KC)的基本假设规定和含义均具有一定的普遍性，但也存在不符合EKC基本态势的情况，对出现某些局部波动的异常情况，要进行有针对性地根据其特征应用合适的模型进行分析。因此在分析之前对每个环境指标分别与经济指标进行EKC符合度检验，如符合EKC的基本的内涵和趋势，则利用EKC理论进行分析。本实例采用公式(1)利用Origin软件进行拟合检验。

图3 西安市工业“三废”与人均 GDP的EKC拟合曲线Fig.3 EKC fitting curve of industrial “three wastes” and per capita GDP in Xi’an

表3 EKC模型拟合结果Table 3 EKC model fitting results

拟合分析结果表明：见表3，曲线模型拟合的相关系数分别为0.898 07，0.820 75，0.863 18，模型拟合度较好，且都存在β1>0，β2<0，符合EKC设定的基本内涵和效果。见图3，拟合曲线趋势符合“倒U型”曲线，即表明经济发展程度较低时，环境污染程度随着经济的增长而加重恶化，当经济发展达到一定水平后即拐点处，环境污染程度随着经济的增长而持续改善[3,5]。

3.2 西安市工业“三废”与经济的EKC分析

3.2.1 人均GDP与废气排放量的关系 西安市在1999～2018年之间，工业废气排放量均值为783.108 4亿m3，2008年工业废气排放量最高，为1 519.179 9亿m3，而2001年排放273.980 6亿m3是最少的。由图3(a)可知：1999～2018年，西安市人均GDP与工业废气排放量的EKC拟合曲线呈“倒U型”，即经济水平较低时，工业废气排放量随着经济的增长而递增，当人均GDP到达转折点时，工业废气排放量随着经济的增长而递减。拟合分析可知，2014～2015年间为拐点所在区间，2014年人均GDP为63 794.00元，2015年人均GDP为66 938.00元。根据曲线拟合结果，2014年前数据出现较大的波动，2015年之后的工业废气排放量会随人均收入的增加而减少。现阶段处于拐点的右侧，说明随着经济的增长环境质量有所改善。

3.2.2 人均 GDP与废水排放量的关系 见图3(b)，西安市人均GDP与工业废水排放量拟合程度较好，工业废水排放量随经济的增长，呈现出先增加后减少的“倒U型”趋势。西安市在1999～2018年之间，工业废水排放量均值为10 720.15万t，2007年工业废水排放量最多，为19 069万t，2016年最低，为4 029.83万t，占全省废水排放量的比重范围为2.41%～20.5%。拟合分析可知，2007～2008年间为拐点所在区间，2007年和2008年人均GDP分别为22 463.00元、27 794.00元，2007年之后的工业废水排放量会随人均收入的增加而减少，现阶段处于拐点的右侧。

3.2.3 人均GDP与固废产生量的关系 西安市1999～2018年之间，平均每年产生189.12万t工业固废，2001年产生105.00万t是最少的，则2011年产生工业固废279.00万t是20年中最多的。见图3(c)：西安市人均GDP与工业固废产生量的EKC拟合曲线呈“倒U型”，即经济水平较低时，工业固废产生量随着经济的增长而递增，当人均GDP达到拐点，工业固废产生量随着GDP的增长而递减。拟合分析可知，2012～2013年间为拐点区间，西安市2012年人均GDP为51 499.00元，2013年人均GDP为57 464.00元。曲线拟合结果显示，现阶段处于拐点的右侧。

3.3 西安市工业“三废”与经济的联合分析

在以上分别对单一的环境因子污染指标进行的EKC分析的基础上，对西安市工业“三废”与经济发展进行联合分析，因为环境污染常常是以复合状态存在，所以采用综合环境污染程度的指标进行EKC分析更加客观[3]。

3.3.1 数据标准归一化处理 表2中西安市1999～2018年工业废气排放量、工业废水排放量、工业固废产生量的数据水平相差很大,单位也不同,要将其进行联合分析,需对现有的指标数据进行无量纲标准化处理,使其成为无量纲数据，用无量纲数据可以保证综合评价结果的准确性，适合环境污染与经济发展的联合分析[6-7]。标准化结果见表4。

表4 污染物排放量标准化结果Table 4 Pollutant discharge standardization results

(2)

本研究对衡量环境污染的工业废气排放量、工业废水排放量、工业固废产生量三个指标进行权重赋值，权重占比分别为0.4,0.4,0.2[8]。将表3中的标准化数据，根据权重进行归一化处理，得出环境污染系数，污染系数越小说明三种污染的综合影响越小,反之则越大[9]。见表5。

表5 环境污染系数Table 5 Environmental pollution coefficient

3.3.2 西安市人均GDP与环境污染系数的EKC分析 用环境污染系数进一步进行环境污染与经济发展的EKC分析，人均GDP为经济发展指标，环境污染系数为环境质量指标，本研究采用三次函数和二次函数进行分析，其拟合效果均符合EKC的基本态势，但三次函数拟合度更高，因此这里采用三次函数拟合分析，结果见图4[10]。

由表5可知，西安市在1999～2018年之间，2008年的环境污染系数最大，为1.534 869，而2001年的环境污染系数最小，为-1.096 393。由图4可知，西安市1999～2018年人均GDP与环境污染系数的EKC拟合曲线拟合程度较好，整体呈“倒U型”趋势，2009～2010年间为拐点区间，2009年人均GDP为32 411.00元，2010年人均GDP为38 357.00元，即西安市在1999～2009年处于经济发展水平较低时，环境污染程度随着经济的增长而加重，当人均GDP到达转折点2010年时，环境污染程度随着经济的增长而减轻。分析可知，虽然环境污染程度与经济发展水平目前已经进入协调的发展模式，但是2016～2017年出现了波动，表明西安市未来环境污染依然存在一定的风险。

图4 环境污染系数和人均GDP的EKC拟合曲线Fig.4 EKC fitting curve of environmental pollution coefficient and GDP per capita

4 结论

(1)选取西安市1999～2018年中的工业废气排放量、工业废水排放量、工业固废产生量和人均GDP作为研究指标，分析表明符合EKC的基本趋势，建立了西安市EKC计量分析模型。

(2)根据EKC模型拟合结果分析了西安市环境污染程度与经济发展之间的关系，分析表明：工业废气排放量、工业废水排放量、工业固废产生量和人均GDP都呈现出“倒U型”关系，目前随着经济的发展，工业“三废”对环境的污染程度呈下降趋势。

(3)通过对西安市工业“三废”排放量标准归一化处理得出环境污染系数，进行环境污染系数与人均GDP的联合计量分析，整体来说，2009～2010年左右越过拐点后，表明西安市工业发展与环境质量已跨过EKC曲线的拐点进入了两者协调发展的新阶段。