長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游典型工業(yè)園區(qū)污碳協(xié)同脫鉤發(fā)展路徑研究*

劉 洋 趙佳玲 錢(qián)依森 張永明 萬(wàn) 梅 田金平,4 陳呂軍,,4#

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海 200234；3.浙江省水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江清華長(zhǎng)三角研究院，浙江 嘉興 314006；4.清華大學(xué)生態(tài)文明研究中心，北京 100084)

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋了我國(guó)約21.4%的土地，人口總量及地區(qū)生產(chǎn)總值均超過(guò)40%，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口集聚的核心區(qū)域。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿江地區(qū)水運(yùn)便捷，沿江布局的大量工業(yè)園區(qū)(以下簡(jiǎn)稱園區(qū))不僅是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶制造業(yè)集聚的重要產(chǎn)業(yè)空間，也是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的主陣地[1]。可見(jiàn)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膮^(qū)域之一，是引領(lǐng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長(zhǎng)極。然而長(zhǎng)期以來(lái)的過(guò)度開(kāi)發(fā)使長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶形成了重化工行業(yè)圍江的局面。為推進(jìn)長(zhǎng)江大保護(hù)，國(guó)家出臺(tái)了《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》《長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》等系列頂層設(shè)計(jì)文件，積極推進(jìn)長(zhǎng)江生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)施園區(qū)專項(xiàng)整治行動(dòng)。園區(qū)除了資源能源使用及污染物排放集中外，還貢獻(xiàn)了我國(guó)31%的CO2排放量[2]。園區(qū)兼有行業(yè)集中、產(chǎn)業(yè)成鏈、空間集聚、產(chǎn)業(yè)共生、集中設(shè)施共享、資源能源環(huán)境要素集中等復(fù)雜特征，其綠色發(fā)展因園而異、因產(chǎn)而變，需要平衡兼顧共性與特性、近期與遠(yuǎn)期、個(gè)體與整體等多重矛盾約束。園區(qū)深化減污降碳協(xié)同，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展意義重大。

湖北省位于長(zhǎng)江中游，近年來(lái)在生態(tài)文明建設(shè)和長(zhǎng)江大保護(hù)等政策的推動(dòng)下，環(huán)境治理能力持續(xù)提升。但與此同時(shí)，仍需要清醒地認(rèn)識(shí)到推進(jìn)沿江園區(qū)綠色轉(zhuǎn)型任重道遠(yuǎn)，承上啟下持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量的挑戰(zhàn)依然艱巨。荊州作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游重要節(jié)點(diǎn)城市，其制造業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在有力推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也成為當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染和能源消耗的主要來(lái)源之一。本研究選擇荊州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)作為湖北省沿江重化工行業(yè)典型園區(qū)代表，進(jìn)行資源能源環(huán)境要素約束驅(qū)動(dòng)下的綠色發(fā)展策略研究，建立資源能源環(huán)境要素約束下區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型[3]，以2019年為基準(zhǔn)年，研究該園區(qū)在目標(biāo)年(2025年)不同情景下的污染物與CO2排放量，以期為該園區(qū)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供決策依據(jù)和參考，實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同。該案例研究對(duì)湖北省以重化工業(yè)為特征的園區(qū)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)污染物減排和環(huán)境改善具有積極借鑒意義。

1 研究方法

通過(guò)對(duì)園區(qū)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，篩選出10類重點(diǎn)排放行業(yè)作為研究對(duì)象，搭建資源能源環(huán)境要素約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型，并結(jié)合情景分析方法，提出園區(qū)未來(lái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案建議。主要包括確定研究對(duì)象、數(shù)據(jù)收集與處理、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型搭建和情景分析4個(gè)部分。以下分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 確定研究對(duì)象

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究對(duì)象是園區(qū)內(nèi)重點(diǎn)排放行業(yè)，其分類依據(jù)為該行業(yè)COD、氨氮、SO2、氮氧化物(NOx)4種主要污染物及CO2的排放量。對(duì)照我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類97個(gè)2位數(shù)字代碼行業(yè)，將園區(qū)企業(yè)分為20類，通過(guò)對(duì)4種主要污染物及CO2排放量進(jìn)行排序，篩選出園區(qū)中污染物排放總量之和占整個(gè)園區(qū)污染物排放量99%以上所覆蓋的行業(yè)，并將這些行業(yè)定義為園區(qū)重點(diǎn)排放行業(yè)(見(jiàn)表1)，共有10類。

園區(qū)10類重點(diǎn)排放行業(yè)2019年工業(yè)總產(chǎn)值占當(dāng)年園區(qū)規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值的70.56%，主要污染物與CO2均占工業(yè)行業(yè)總排放量的99%以上。因此，本研究進(jìn)一步以園區(qū)10個(gè)重點(diǎn)排放行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整路徑研究。

表1 園區(qū)重點(diǎn)排放行業(yè)規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值及污染物與CO2排放情況Table 1 The gross industrial output value above designated size and main pollutant and CO2 emissions of heavy-pollution industries in the park

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于園區(qū)管委會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局以及園區(qū)環(huán)境統(tǒng)計(jì)表，對(duì)篩選出的園區(qū)10個(gè)重點(diǎn)排放行業(yè)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出、資源消耗、污染物排放量及強(qiáng)度、CO2排放量及排放強(qiáng)度進(jìn)行分析，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)輸入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型，探究不同情景下園區(qū)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑。

1.3 搭建資源能源環(huán)境要素約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型

1.3.1 時(shí)間范圍、限制條件及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整目標(biāo)

將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整時(shí)間跨度設(shè)定為2019—2025年，其中2019年為基準(zhǔn)年，2025年為目標(biāo)年。模型設(shè)計(jì)參考園區(qū)“十四五”規(guī)劃提出的目標(biāo)指標(biāo)，對(duì)園區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出、資源消耗總量以及污染物排放量和排放強(qiáng)度設(shè)定約束條件。首先分析“十三五”期間各項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展演變特征，并假定2020—2025年各行業(yè)資源消耗強(qiáng)度降幅、每種污染物排放強(qiáng)度降幅、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)幅度基本與“十三五”期間保持一致，通過(guò)模型運(yùn)算求解，識(shí)別出園區(qū)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整幅度最小化前提下，實(shí)現(xiàn)園區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出最大化、污染物排放量最小化目標(biāo)的可行路徑[4]。

1.3.2 主要參數(shù)核算方法

給定2019—2025年目標(biāo)年均產(chǎn)值增速(r，%)，通過(guò)式(1)可得出基準(zhǔn)情景下目標(biāo)年總產(chǎn)值(Xh,BAU，億元)。

(1)

在工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景下，目標(biāo)年和基準(zhǔn)年相比，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，此時(shí)，每個(gè)行業(yè)目標(biāo)年總產(chǎn)值依據(jù)式(2)計(jì)算，另外兩個(gè)情景以此類推。

(2)

所有行業(yè)污染物的排放量見(jiàn)式(3)。

(3)

這10個(gè)重點(diǎn)排放行業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，利用的能源主要有原煤、天然氣、電力、熱力等，CO2排放量的核算方法參考文獻(xiàn)[5]。

目標(biāo)年CO2排放量基本計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

(4)

表2 各種能源的碳排放因子1)Table 2 Carbon emission factors for various fuels

在基準(zhǔn)情景下，主要污染物和CO2排放量往往會(huì)超過(guò)排放限制目標(biāo)。因此，需進(jìn)一步引入工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景，并在此情景下引入模型關(guān)鍵變量(Ki)。

Ki初始值設(shè)為1。Ki的取值有3類，分別對(duì)應(yīng)不同的政策導(dǎo)向：Ki>1意味著目標(biāo)年第i類行業(yè)增加值或產(chǎn)值占相應(yīng)經(jīng)濟(jì)總量的比例與基準(zhǔn)年相比會(huì)持續(xù)上升，這是鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)；Ki<1意味著第i類行業(yè)的發(fā)展會(huì)受到限制，即到目標(biāo)年，該行業(yè)的經(jīng)濟(jì)總量可能會(huì)增加，但在總量中的貢獻(xiàn)會(huì)下降；Ki=1意味著第i類行業(yè)不需要特別的政策干預(yù)。|Ki-1|的值越大，該產(chǎn)業(yè)受到的政策干預(yù)越強(qiáng)。

根據(jù)式(5)計(jì)算產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動(dòng)平穩(wěn)性參數(shù)(T)。

(5)

Ki最優(yōu)解應(yīng)使得各產(chǎn)業(yè)增加值占比變動(dòng)程度最小，即T可為0，此時(shí)意味著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變動(dòng)；T越大，意味著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動(dòng)程度越大。

4種污染物和CO2綜合排放量的評(píng)分(S)依據(jù)式(6)計(jì)算。

(6)

S越大意味著該方案主要污染物和CO2綜合排放量最少，方案更優(yōu)。

1.4 情景分析

根據(jù)以上思路，搭建基于情景分析的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型，并輸入經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境保護(hù)約束條件，計(jì)算不同情景下的園區(qū)重點(diǎn)排放行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)，選出其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動(dòng)最小且主要污染物和CO2綜合排放量評(píng)分最高的方案。

1.4.1 情景分析約束條件

(1) 經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)。結(jié)合園區(qū)“十三五”前4年工業(yè)總產(chǎn)值的增長(zhǎng)趨勢(shì)，設(shè)置園區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率保持14.87%左右，并將經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)預(yù)期設(shè)置為2025年園區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值不低于826億元。

(2) 資源消耗約束條件。根據(jù)國(guó)家層面對(duì)園區(qū)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展相關(guān)要求，園區(qū)亟需轉(zhuǎn)變資源利用方式，確保水資源、能源消耗強(qiáng)度大幅降低，結(jié)合園區(qū)“十四五”規(guī)劃綱要，園區(qū)單位產(chǎn)值水耗降幅目標(biāo)設(shè)置為降低30%，單位產(chǎn)值能耗降低16%。

(3) 污染物排放約束條件。為滿足園區(qū)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展要求，園區(qū)目標(biāo)年重污染工業(yè)行業(yè)污染物排放量必須在基準(zhǔn)年基礎(chǔ)上下降一定比例。本研究結(jié)合園區(qū)“十四五”規(guī)劃對(duì)污染物排放量減排預(yù)期目標(biāo)設(shè)置約束條件。

1.4.2 情景設(shè)置

情景設(shè)置以基準(zhǔn)情景為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步形成工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景、清潔生產(chǎn)情景、可持續(xù)發(fā)展情景，各情景設(shè)置的具體說(shuō)明見(jiàn)表3。

2 結(jié)果與討論

4種情景的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。4種情景下目標(biāo)年的重點(diǎn)排放行業(yè)COD、氨氮、SO2、NOx和CO2排放量分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.1 基準(zhǔn)情景

表3 情景設(shè)置說(shuō)明Table 3 Overview of scenario settings

表4 情景分析基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of scenario analysis

圖1 不同情景下主要污染物和CO2排放量Fig.1 Main pollutants and CO2 emissions of diverse scenarios

在基準(zhǔn)情景下，園區(qū)“十四五”期間工業(yè)總產(chǎn)值保持年均14.87%增長(zhǎng)率，到2025年達(dá)到826億元。但園區(qū)CO2和4種污染物的排放量均將超過(guò)園區(qū)“十四五”規(guī)劃的目標(biāo)值。即如果園區(qū)保持目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，資源能源效率保持現(xiàn)狀慣性發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，將無(wú)法達(dá)到園區(qū)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展中減污降碳的規(guī)劃目標(biāo)。因此，需進(jìn)一步進(jìn)行園區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)清潔生產(chǎn)等促進(jìn)園區(qū)綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型的路徑。

2.2 工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景

在工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情景下，通過(guò)調(diào)控重點(diǎn)排放行業(yè)的發(fā)展、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)緩解園區(qū)環(huán)境壓力，雖然園區(qū)的能耗總量和強(qiáng)度以及CO2排放量均可達(dá)到園區(qū)“十四五”規(guī)劃目標(biāo)，但4種主要污染物的排放量仍將超出園區(qū)“十四五”規(guī)劃的目標(biāo)值較多，且達(dá)不到國(guó)家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物排放強(qiáng)度或彈性系數(shù)的要求。

2.3 清潔生產(chǎn)情景

在清潔生產(chǎn)情景下，園區(qū)引進(jìn)清潔生產(chǎn)技術(shù)以提高能源利用效率、工業(yè)用水重復(fù)利用率，可使COD和氨氮排放量達(dá)到園區(qū)“十四五”規(guī)劃目標(biāo)值，但CO2、SO2和NOx排放量仍將超過(guò)目標(biāo)值。這說(shuō)明通過(guò)技術(shù)進(jìn)步能較好地推動(dòng)污染物排放量下降，但尚有瓶頸。

2.4 可持續(xù)發(fā)展情景

可持續(xù)發(fā)展情景在基準(zhǔn)情景下，通過(guò)調(diào)整園區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)，采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，綜合施策實(shí)現(xiàn)園區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與污染物、CO2排放量和強(qiáng)度雙下降，即實(shí)現(xiàn)絕對(duì)脫鉤。可持續(xù)發(fā)展情景可在重點(diǎn)排放行業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

對(duì)比表1和表5，在可持續(xù)發(fā)展情景下，園區(qū)農(nóng)副食品加工業(yè)、紡織業(yè)、化學(xué)原料制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、電氣機(jī)械器材制造業(yè)、電力熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值占比將發(fā)生明顯變化，其余行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值占比變化較小。從整體變化趨勢(shì)看，多數(shù)行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值占比在目標(biāo)年變化較大的是基準(zhǔn)年產(chǎn)值本身就較大的產(chǎn)業(yè)。這意味著為了使園區(qū)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，模型結(jié)果傾向于調(diào)整在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中占比較大且污染物排放量大的行業(yè)，即解決好重點(diǎn)排放行業(yè)的綠色發(fā)展，對(duì)于提升園區(qū)綠色發(fā)展水平意義重大。

農(nóng)副食品加工業(yè)、紡織業(yè)、化學(xué)原料制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)當(dāng)前對(duì)園區(qū)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)較小，但污染物排放量不可忽視，園區(qū)應(yīng)在控制低效產(chǎn)品規(guī)模的同時(shí)，向產(chǎn)業(yè)鏈高附加值產(chǎn)品延伸；電力熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)雖然經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)小污染物、CO2排放量大，但作為園區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施，需要加大技術(shù)提升力度和超低排放改造；汽車制造業(yè)、電氣機(jī)械器材制造業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值占比較大，各類污染物排放強(qiáng)度相對(duì)較低，園區(qū)進(jìn)一步發(fā)展中需要持續(xù)加大清潔生產(chǎn)力度，推動(dòng)該類產(chǎn)業(yè)更高質(zhì)量較快發(fā)展。以電氣機(jī)械器材制造業(yè)為例，可在切削和磨削工藝過(guò)程中，尋求綠色清潔的切削液或通過(guò)嚴(yán)格控制切削液的使用量等方式，實(shí)現(xiàn)COD和氨氮排放強(qiáng)度在2019年基礎(chǔ)上分別減少94.26%和94.49%的目標(biāo)。

表5 可持續(xù)發(fā)展情景下重點(diǎn)排放行業(yè)目標(biāo)年情況Table 5 Heavy-pollution industries development under sustainable development scenario in target year

3 結(jié)論與建議

以荊州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)為例，研究長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中游地區(qū)以制造業(yè)為主導(dǎo)的園區(qū)綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型策略，搭建產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整模型并借助最優(yōu)化模擬方法，揭示多種情景園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境之間相互影響關(guān)系，識(shí)別出農(nóng)副食品加工業(yè)、紡織業(yè)、化學(xué)原料制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、汽車制造業(yè)、電氣機(jī)械器材制造業(yè)、電力熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)等行業(yè)的綠色化水平尚待大幅提升。

推動(dòng)園區(qū)綠色發(fā)展水平整體躍升，需要全面深化清潔生產(chǎn)技術(shù)，大力推動(dòng)高附加值產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)基礎(chǔ)性低附加值產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型；合理進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，限制農(nóng)副食品加工業(yè)、紡織業(yè)、化學(xué)原料制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)等重點(diǎn)排放行業(yè)低效產(chǎn)能規(guī)模過(guò)快擴(kuò)張；重點(diǎn)要解決好經(jīng)濟(jì)總量大排放量大的重點(diǎn)排放行業(yè)的綠色發(fā)展。