王信增，郭锐利，卓全录，王冰
(1.濮阳市生态环境监控和应急中心，河南 濮阳 457000；
2.濮阳市辐射环境安全技术中心，河南 濮阳 457000；
3.河南省濮阳生态环境监测中心, 河南 濮阳 457000)
随着社会经济和城镇化快速发展，工业企业造成的城市环境压力不容忽视[1-2]，在建设美丽中国的时代背景下，缓解城市环境压力势在必行，而识别工业污染特征是改善城市环境质量的重要基础[3]。通过识别城市工业污染特征，深入分析城市尺度产业布局的科学性与合理性，是开展科学治污、精准治污的必然选择[4-5]。
近年来，关于工业污染空间格局变化特征及其影响因素的研究，已覆盖国家、省级、流域等多个尺度[6-8]。王金南[9]通过分析黄河流域产业结构特征，总结了当前黄河流域生态保护与高质量发展面临的重要问题，提出了新时期推进黄河共同保护和协同治理的总体思路。白璐等[3]对黄河流域60个市州主要水污染物排放量开展了现状评价和聚类分析，得出山西、河南、山东3省的沿黄河城市在空间上表现为区域性连片污染集聚，并建议制定生态环境保护和治理策略。张伟等[10]通过明确京津冀工业源大气污染排放空间集聚特征，为区域协同综合治理提出了建议。由此可知，识别工业污染特征的研究方法已趋成熟，但是研究尺度较大，提出的政策建议多呈现在顶层设计层面，而在城市尺度下对乡镇级环境改善提出的政策性建议鲜于研究。现基于濮阳市第二次全国污染源普查数据，使用聚类分析、核密度分析方法探寻濮阳市工业污染特征，为濮阳市产业布局调整提供技术支持。
1.1 研究区概况
濮阳市位于中国河南省的东北部，黄河下游北岸，河北、山东、河南3省交界处，属于黄河冲积平原的一部分,总面积为4 188 km2，地面海拔在48～58 m，地势较为平坦。其辖区位于东濮凹陷之上，油气资源丰富，因此濮阳市也是一座“因油而建、因油而兴”的资源型城市，濮阳市辖濮阳县、清丰县、南乐县、范县、台前县和华龙区5县1区，设有1个国家级经济开发区、1个工业园区和1个城乡一体化示范区。2013年，濮阳市被列为衰退型资源枯竭城市。城市的资源禀赋造就城市的经济发展特征，化学原料和化学制品制造业与石油、煤炭及其他燃料加工业(以下简称石化行业)逐渐替代石油和天然气开采业，成为濮阳市支柱行业。2020年濮阳市空气质量综合指数为337，全国城市排名倒数第26名，地表水水质状况为轻度污染，生态环境状况与人民对美好生活的向往有一定差距，与王金南[9]总结的黄河流域产业结构特点契合。
1.2 数据来源
工业企业基本信息及污染物产排量数据来自2017年濮阳市第二次全国污染源普查数据。濮阳市产业集聚区范围根据濮阳市规划环评报告获取。
1.3 分析方法
1.3.1 聚类分析法
濮阳市工业企业涉及28个行业大类，覆盖308个行业小类，现将企业数量、污染物排放总量、工业总产值、污染物排放强度作为变量因子，采用系统聚类分析对濮阳市行业大类进行聚类，选择组间连接法，标定距离采用欧式距离，并借助SPSS软件进行分析。
欧式距离的计算公式如下：
(1)
用二阶范数可以表示为：
d(xi，xj)=‖xi-xj‖
(2)
式中：dij——欧式距离，无量纲；
i,j——样本编号，其中i≠j；
k——变量数，k=1,2，…，n(n=4)；
xik、xjk——变量为k的第i个、第j个样本值[11]；
d(xi，xj)——2阶范数，无量纲；
xi——第i个样本的距离，无量纲；
xj——第j个样本的距离，无量纲。
1.3.2 核密度分析法
核密度分析，指使用核函数根据点或折线要素计算每单位面积的量值以将各个点或折线拟合为光滑锥状表面的分析方法[12]。计算公式如下：
(3)
式中：f(x)——待估计的企业点x处的核密度计算函数；
n——企业数；
h——搜索半径，km；
x-xi——估计点到样本xi处的距离，km；
k(·)——核函数方程。
在核密度分析中，落入搜索区的点具有不同权重，靠近搜索中心的点会被赋予较大的权重，反之权重较小。在实际运用中，搜索半径h的设置主要与分析尺度以及地理现象特点有关。较小的搜索半径可以是密度分布结果中出现较多的高值或低值区域，而较大的搜索半径可以在全局尺度下使热点区域体现得更加明显。张伟等[10]基于核密度分析研究了京津冀工业源大气污染排放空间集聚特征；
张静等[13]基于核密度分析研究了京津冀地区工业水污染排放空间特征；
张媛媛等[14]基于核密度分析研究了APEC会议前后京津冀空气污染时空变化特征。
基于前人的研究成果，现引用核密度分析法计算濮阳市非产业集聚区污染物排放空间集聚特征，直观反应濮阳市经济发展水平和生态环境质量之间协调发展状态，结合研究区域实际情况，将100 m×100 m作为基本地理单位输出结果，搜索半径为2 km，利用ArcGIS软件中的核密度分析工具进行分析。
1.3.3 工业总产值污染物排放强度比对方法
从绝对排放量的角度，探寻研究区主要污染物排放类型，参考原环境保护部对“万元工业增加值主要污染物排放强度”的定义，根据研究区实际情况，选取污染源普查数据中化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、石油类、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、氨、废气铅共10种污染物，将其排放量统一量纲后的加和作为行业主要污染物排放总量。同时计算不同行业的单位工业总产值污染物排放量，也称为工业总产值污染物排放量强度[15]，计算公式为：工业总产值污染物排放量强度=行业污染物排放总量/工业总产值。工业总产值污染物排放强度越大，表明在产生同样的效益下，该行业对环境的压力越大，反之对环境的压力越小。
2.1 濮阳市行业结构特征分析
濮阳市2017年纳入污染源普查的工业企业共3 131家，覆盖28个行业大类、308个行业小类。濮阳市行业类别企业数与工业总产值统计结果见图1。行业代码按照《2017年国民经济行业分类》(GB/T 4754—2017)标识。由图1可见，非金属矿物制品业数量居行业首位，占工业企业总数的14.44%；
其后依次为木材加工和木、竹、藤、棕、草制品业，农副食品加工业，纺织服装、服饰业，金属制品业，橡胶和塑料制品业，家具制造业，化学原料和化学制品制造业，汽车制造业，食品制造业，专用设备制造业，皮革、毛皮、羽毛及其制品和制鞋业，电气机械和器材制造业，分别占工业企业总数的8.34%，8.34%，7.15%，6.9%，6.77%，5.69%，5.11%，4.69%，4.47%，4.22%，3.51%和3.16%，上述13个行业大类工业企业数占工业源总数的82.75%。
图1 濮阳市行业类别企业数与工业总产值统计结果
濮阳市行业内企业数量与工业总产值线性关系不明显。石油、煤炭及其他燃料加工业工业总产值远高于其他行业，占濮阳市工业总产值的25.11%，其后依次为化学原料和化学制品制造业，农副食品加工业，非金属矿物制品业，电气机械和器材制造业，石油和天然气开采业，食品制造业，造纸和纸制品业，电力、热力生产和供应业，分别占工业总产值的11.81%，11.62%，8.99%，8.48%，5.11%，4.50%，4.09%，2.88%，上述9个行业大类占濮阳市工业总产值的82.59%。濮阳市支柱行业仍是石化行业，工业总产值占比36.92%，拥有最大的工业总产值份额，同时产业关联程度高，带动力较强，作为资源型城市，拥有良好的市场前景和发展潜力，基本符合该地区产业结构需要和产业发展规律。但是需要指出的是化工行业是对资源要求程度较高的资本密集型行业[16]，濮阳市已迈入资源枯竭型城市的衰退期，资源较为短缺，在加快资源型城市转型的同时，推动化工行业的延链、补链、强链显得尤为重要。农副食品加工业，非金属矿物制品业2个行业工业总产值占比20.61%，且2个行业企业规模普遍较小且龙头企业不足。
2.2 濮阳市行业污染特征分析
濮阳市主要污染物分布占比见图2。由图2可见，颗粒物排放量占比最高(33%)，其次为氮氧化物(29%)，然后为二氧化硫(19%)。
图2 濮阳市主要污染物分布占比
濮阳市不同行业污染物排放量与工业总产值污染物排放量强度见图3。
图3 濮阳市不同行业污染物排放量与工业总产值污染物排放量强度
由图3可见，颗粒物排放量最大的4个行业依次为非金属矿物制品业，化学原料和化学制品制造业，石油、煤炭及其他燃料加工业和农副食品加工业，颗粒物排放总量占濮阳市颗粒物排放量的68.18%；
氮氧化物、二氧化硫排放量最大的4个行业依次为非金属矿物制品业，石油、煤炭及其他燃料加工业，电力、热力生产和供应业、化学原料和化学制品制造业，4个行业氮氧化物、二氧化硫总排放量分别占全市排放量的72.64%，71.86%；
化学需氧量最大的4个行业是石油、煤炭及其他燃料加工业，造纸和纸制品业，化学原料和化学制品制造业，皮革、毛皮、羽毛及其制品和制鞋业，排放总量占比全市排放量的78.54%。可见濮阳市污染物排放量大的行业也多为传统高污染、高耗水行业，流域生态环境风险较高。
非金属矿物制品业污染物排放总量最大，主要污染物种类为颗粒物，工业总产值污染物排放量强度为45.64 t/亿元，行业最高。其次是石油、煤炭及其他燃料加工业和化学原料、化学制品制造业，污染物排放种类较多，涉及废水废气，但工业总产值污染物排放量强度分别为11.45，15.25 t/亿元，这可能与企业规模，污染治理设施齐全有关。而电力、热力生产和供应业的主要污染物排放量排名第4，主要种类为二氧化硫与氮氧化物，工业总产值污染物排放量强度为34.35 t/亿元，排名第3。非金属矿物制品业和石油、煤炭及其他燃料加工业是濮阳市废气污染物的主要来源，石油、煤炭及其他燃料加工业与农副食品加工业是濮阳市废水污染物的主要来源。
为对濮阳市所有行业提出合理性建议，将企业数量、污染物排放总量、工业总产值、污染物排放强度作为变量因子对28个行业大类进行聚类分析，行业结构系统聚类分析结果见图4。由图4可见，将28个行业分为4类(图中红线与黑线的交汇点)。第1类的主要特征是企业数量、污染物排放总量、工业总产值、污染物排放强度4项指标都高，仅包含非金属矿物制品业，这类行业多为中小微型规模的建材企业[17]。第2类的主要特征是工业总产值最高，排放量较大，污染物排放强度较低，行业类别主要包含石化行业和农副食品加工业，这类行业是濮阳市支柱行业。第3类行业主要特征是污染物排放量较大、企业数量较多，工业总产值仍有贡献的行业，主要包括电力、热力生产和供应业、食品制造业、木材加工和木、竹、藤、棕、草制品业等行业，多为传统污染行业。第4类行业主要特征是污染物排放强度较低，包括电气机械和器材制造业、石油和天然气开采业、专用设备制造业等，这类企业产品附加值较低，属劳动密集型行业。
图4 行业结构系统聚类分析结果
2.3 濮阳市工业污染空间分布特征分析
识别工业污染空间分布特征是精准治污、精准管控的基础，以乡镇(办)为基础单元，统计乡镇(办)辖区内污染物产排量，濮阳市污染物产生、排放总量分布见图5。由图5可见，污染物产生量低于802.37 t的乡镇(办)共72个，占所有乡镇(办)的80%，污染物产生量仅占濮阳市污染物产生总量的2.29%。污染物产生量前10的乡镇(办)，都属于产业集聚区，污染物产生量占濮阳市污染物产生总量的95.49%。污染物排放量低于58.04 t的乡镇(办)63个，占所有乡镇(办)的70%，污染物排放量仅占全市排放总量的12.8%。污染物排放量前10的乡镇，其污染物排放量占濮阳市污染物排放总量的67.69%，其中7个乡镇属于产业集聚区，产业集聚区污染物排放量占濮阳市排放总量的63.05%。可见，产业集聚区是污染物产排的重要区域，是挖掘污染物减排的关键，而非产业集聚区污染物产生量仅占濮阳市污染物产生总量的4.51%，但污染物排放量占濮阳市污染物排放总量的36.95%，这说明非产业集聚区企业污染物排放除去率低，需要在考虑经济和环境协调发展的同时精准治污、差异化治污。
图5 濮阳市污染物产生、排放总量分布
借助ArcGIS软件的自然断点法将污染物排放量密度图与乡镇尺度工业总产值分布图叠置，得到濮阳市非产业集聚区乡镇(办)工业总产值与企业污染物排放量密度空间耦合分布(图6)。
由图6可见，濮阳市非产业集聚区污染物排放量密度值大多低于1.26 t/(亿元·km-2)。
图6 濮阳市非产业集聚区乡镇(办)工业总产值与企业污染物排放量密度空间耦合分布
结合濮阳市经济状况，将非产业集聚区乡镇(办)分为4种类型。经济贡献与污染物排放耦合典型乡镇代表见表1。
由表1可见，高经济贡献-污染物排放高值区属于排污企业密集且对工业总产值较大的区域，涉及的乡镇主要为八公桥镇、柳屯镇、户部寨镇等，这类区域多表现为未形成产业集聚区的行业集聚地或某个大型企业所在地，乡镇应加强污染物集中治理水平，实行严格的排污管控，利用现有行业集聚的空间分布优势，提高准入标准，最终形成特色产业集聚区，规范管控[18-19]。高经济贡献-污染物排放低值区多集中在市、县建成区周边，专用设备制造业、电气机械和器材制造业、印刷和记录媒介复制业等低污染物排放强度行业较多，这类区域企业污染本身较少，由于紧邻市、县建成区，环境管制较严，污染治理水平较高，应持续保持并提升环境质量水平。低经济贡献-污染物排放高值区多为沿黄河乡镇，这些区域工业企业较少，多以非金属矿物制品业为主，规模小，分布散乱，受环境政策管制较强。建议因地制宜，可以通过资源优化的方式提高企业集聚度，加强污染物的集中治理水平，培育龙头企业，增强市场竞争力。低经济贡献-污染物排放低值区可以大致分为2个部分，一是市建成区街道办，二是远离建成区与外省市接壤的乡镇。市建成区街道办仍应严格按照有关规定执行污染物排放管控要求，禁止损害生态服务功能的开发建设活动。其他乡镇在引入项目时，需要限值污染性企业，强化环境准入条件，在保持环境质量的同时，提高经济收入。
表1 经济贡献与污染物排放耦合典型乡镇代表
3.1 结论
(1)濮阳市工业企业覆盖28个行业大类，308个行业小类。非金属矿物制品业等13个行业大类工业企业占全市工业总数的82.75%。但是行业内企业数量与工业总产值线性关系不明显，石化行业仍是濮阳市支柱行业，工业总产值占比36.92%。
(2)颗粒物、氮氧化物、二氧化硫、化学需氧量4项污染物排放量占濮阳市工业污染源排放总量的93%，其中以颗粒物排放量占比最高。非金属矿物制品业，石油、煤炭及其他燃料加工业是濮阳市废气污染物的主要来源，石油、煤炭及其他燃料加工业与农副食品加工业是濮阳市废水污染物的主要来源。
(3)产业集聚区污染物产生量占濮阳市污染物产生总量的95.49%，污染物排放量占濮阳市排放总量的63.05%，是污染物产排的主要区域，有巨大的减排潜力。非产业集聚区污染物产生量仅占濮阳市污染物产生总量的4.51%，但污染物排放量占濮阳市污染物排放总量的36.95%，是精准治污、科学治污的重点。
3.2 建议
(1)濮阳市工业结构存在非金属矿物制品业企业规模小，分布散、数量多，石化行业特色不突出，无龙头企业引领的特点，应重新整合辖区非金属矿物制品业，继续做强石化行业，兼顾发展污染物排放强度低的行业，这也是濮阳市工业发展目标的重要内容之一。积极采用高新技术和先进适用技术，加大对石化行业的改造提升力度[20]，切实做到延链补链强链，再造传统支柱产业新优势。同时将非金属矿物制造业作为重点改造提升产业，淘汰落后产能，实施严格的资源利用、环境影响评价制度，从源头减少落后产能，从源头减少污染的产生[21]。
(2)应因地制宜，政策引导，发挥中小企业自主能动性，提升环境质量。通过企业兼并、重组或联合的方式改造成正规的大企业，从而污染物可以达标排放，也可以鼓励企业拆解产业链，选择擅长的某个环节，做精做深，在减少污染环节的同时，提高企业竞争力。另一方面通过提高入园标准，从源头控制污染，实现资源最大化利用，同时合理配置资源，实现原料供应渠道的“绿色”，加大绿色化工过程的应用，实现工艺设计的“绿色”，使用新型催化剂、低毒原料，实现生产过程“绿色”的方式建设绿色产业集聚区。
(3)生态环境数据具有高维度、高复杂性、高不确定性3个特性，特别是第二次全国污染源普查数据，普遍存在“数据丰富而信息匮乏”的问题，本研究成果对挖掘乡镇发展潜力、优化城市产业布局、改善城市环境质量有重要的现实意义，可为其他地市提供参考。接下来可深入研究废水、废气污染物空间分布格局，行业污染物排放特征，为政府部门调整规划工业和重点治理废气、废水污染区提供依据。
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