我国煤炭消费与二氧化硫排放的重心偏移
能源是国家发展的命脉。在我国，煤炭在一次能源消费中占主导地位[1]。我国是世界最大的煤炭消费国，2012年，中国在全球煤炭消费量中所占比例超过50%[2]。改革开放以来，经济的发展，科技的进步，带动了煤炭消费量的大幅增长。同时，煤炭的大规模使用引起一系列环境问题，尤其是大气污染问题日益严重。我国的大气污染主要是煤烟型，耿海青、张慧勤[3,4]等人研究发现大气二氧化硫排放总量中85%~90%的来自煤炭使用。据国家统计局数据，自1985至2013年，煤炭消费量增长18.94亿吨，同期二氧化硫排放量增长了719.9万吨。因此，有必要探究煤炭消费与二氧化硫排放的相互关系，对解决环境问题提供有重要借鉴意义。
重心是牛顿力学的概念。美国学者Walker首次基于重心模型分析社会学问题[6]，此后众多学者将重心理论应用到人口、经济、环境等领域。颜俊等[7]基于重心理论分析了近三十年来中国人口、经济、产业的时空演变；徐映雪等[8]对比分析了关中地区生态足迹重心和生态承载力的重心演变差异；胡琳等[9]通过经济重心与污染重心的路径演变分析为陕西省经济、环境健康发展提供了理论依据。总体来看，关于煤炭消费重心与二氧化硫排放重心的对比研究较少。鉴于此，本文测算2000~2012年煤炭消费量的重心和二氧化硫排放量重心移动轨迹，系统探究二者的时空演变规律，对比分析煤炭消费与二氧化硫排放的关系，为我国煤炭行业的健康发展与大气污染防治的合理布局提供参考。
1 煤炭消费与二氧化硫排放现状
1.1煤炭消费现状
改革开放以来，为满足我国经济快速发展的需要，煤炭消费量大幅增长，由1985年的5.81亿吨增长为2012年的24.09亿吨。煤炭在一次能源消费中的比重由75.8%下降到66.6%，下降9.2个百分点，由此可见，目前煤炭在我国能源结构中仍具有举足轻重的地位。
对比图1-1、图1-2，可将我国煤炭消费现状划分四个阶段：1985~1995稳步增长期，1996~2001年缓和期，2002~2008年快速增长期，2009~2012年增长减缓期。1985~1995年，改革开放与社会主义市场经济确立初期，经济增长较快，煤炭消费量稳步增长。虽然煤炭消费比重下降1.2个百分点，但其消费量在十年间增长3.97亿吨。1995~2001年，虽然国际经济形势严峻，但国内经济仍保持平稳增长。由于前一阶段的粗放管理政策，煤炭行业竞争混乱，导致煤炭消费量基本不变，1997年煤炭消费出现负增长。煤炭消费比重下降6.3个百分点。2001年开始，在国家「十五」、「十一五」规划的推动下，煤炭市场需求巨大，煤炭消费量呈现井喷式增长，八年间增长11.32亿吨，消费比重增长2.1个百分点。2009~2012年，煤炭市场的产能过剩，需求反转，导致煤炭消费量增长减缓，煤炭消费增长2.5亿吨。同时，国家大力调整能源结构，煤炭消费比重降至66%。
1.2二氧化硫排放与煤炭消费对比
1985~2012年，二氧化硫排放量由1324万吨增长为2117万吨，增长60%。据图1-1分析，二氧化硫排放量曲线为双峰M型，在1997年达到峰值2266万吨，2006年达到最大峰值2588.8万吨。根据曲线变化趋势，可分为四个阶段：1985~1995年稳步增长期，1995~2001年振荡期，2001~2006年快速增长期，2006~2012年减少期。
煤炭消费量曲线与二氧化硫排放量曲线相关系数为0.72，说明我国煤炭消费与二氧化硫排放具有较强的正相关性。据图1-3分析，煤炭消费年增长率曲线与二氧化硫排放年增长率曲线在线型上大致相同，但二氧化硫排放年增长率变化的幅度较大，说明二氧化硫排放受煤炭消费控制影响较大。1985~1995年间二氧化硫排放量与煤炭消费量均稳步增长，十年间二氧化硫排放量增长566万吨。煤炭消费年增长率在5%上下浮动，二氧化硫排放量年增长率在-5%~10%之间剧烈变化。可看出，1986年、1991年伴随著煤炭消费年增长率的降低，二氧化硫排放出现负增长。1995~2001年二氧化硫排放量基本不变。但是煤炭消费年增长率在-2%~5%之间浮动，导致二氧化硫排放年增长率变化范围更大，在-12%~14%间剧烈变动。在1997年煤炭消费呈现负增长的「拐点」。拐点前，二氧化硫排放量猛增。但1998年后国家大力应用煤炭脱硫技术，二氧化硫排放量得到一定控制。2001~2006年，煤炭消费量猛增，同期二氧化硫排放量增长641万吨，煤炭消费年增长率先升高达到19%，后降低。受其影响，二氧化硫排放年增长率也出现此情况。但整体来看其变化范围小于煤炭消费年增长率的变动，说明「十五」规划中二氧化硫减排的目标基本实现。2006~2012年，煤炭消费量增长减缓，二氧化硫排放量在2007年达到最大值2500万吨，此后二氧化硫排放量下降。六年间二氧化硫排放量降低544万吨，基本处于负增长状态，说明在「十一五」规划节能减排效果显著。
总体来看，2001年前，二氧化硫排放量主要受煤炭消费控制，脱硫技术的收效甚微；2001年后，随著国家「十五」、「十一五」规划的实行，脱硫技术的大力应用，二氧化硫排放受煤炭消费控制减弱。煤炭消费、国家政策和脱硫技术三大因素共同影响二氧化硫的排放。
2数据来源与分析方法
2.1数据来源
我国煤炭消费总量（万吨标准煤）、各省煤炭消费量数据来源于1985~2012年《中国能源统计年鉴》，我国二氧化硫排放总量、各省区二氧化硫排放量来源于2000~2012《中国统计年鉴》和《中国环境统计年鉴》，部分数据来源于国家统计局网站（http://www.stats.gov.cn/）。港、澳、台数据没有计入在内。
2.2重心模型
假设某大区域由n个小区域构成,第i个小区域的中心坐标为(Xi,Yi),Mi是该小区域的煤炭消费量或二氧化硫排放量，则大区域重心坐标的计算公式（1）：
（1）
公式（1）中将(Xi,Yi)取为各省级行政区域单元的首府经纬度坐标。（lon,lat）表示大区域重心经纬度坐标[10]。
为了定量表征重心随时间移动的轨迹，本文用公式（2）计算重心移动方向，用公式（3）计算重心移动距离。
在分析重心移动的方向时，设定某时间点为起点，第i年重心坐标为(loni, lati），第j年重心坐标为(lonj, lonj),第j年重心移动方向为θ角度(相对于第i年)，则：
（2）
公式（2）中规定正北方向θ=0°，顺时针旋转。当0°<θ< 90°，表示重心向东北方向转移；当90°<θ< 180°时，表示重心向东南方向转移；当180°<θ<270°时，表示重心西南方向转移;当270°<θ<360°。时，表示重心向西南方向转移;当θ为0°、90°、180°、270°时分别表示向正北、正东、正南、正西方向移动[11]。
设d表示第j年重心移动的距离(相对于第i年)，dlon表示东西向距离，dlat表示南北向距离。则移动距离公式：
（3）
公式（3）中c为距离常数，是地球表面坐标（度）转化为平面距离（km）的系数，c=111.11km。
3.1我国煤炭消费重心偏移分析
2000~2012年煤炭消费重心的整体轨迹位于河南省，位于我国几何中心（103°50′，36°）东南。煤炭消费重心由东向西，从开封市向郑州市移动，2003~2008年间在北纬34.55°~34.65°，东经114.2°~114.4°之间剧烈震荡，最后整体移向西北，向几何中心趋近，说明我国煤炭消费区域分布逐渐均衡（图3.1）。煤炭消费重心向西移动距离dlon=92.22km,平均移动速度7.68km/a；向北移动距离dlat=6.66km,平均移动速度0.56km/a。dlon>dlat，显然煤炭消费重心向西移动强于向北移动，受国家整个对西部开发的战略影响较大。
据表3.1，2000年至2001年，煤炭消费重心向东偏南10.76°移动7.79km，这是由于东南部经济经济基础好，发展迅速，煤炭需求大。2001~2004年间，煤炭消费重心向西南大幅度偏移43.57km。此期间重心向西移动距离dlon=41.11km，向南移动距离dlat=14.44km，dlon>dlat，显然煤炭重心主要向西移动，这是由于在南部经济保持快速发展的同时，西部以内蒙古为主的地区经济崛起，且内蒙古也是我国重要产煤区。2004~2008年间煤炭消费重心演变轨迹不稳定，先向东北移动，后折返西南，2007年至2008年向西北移动偏移。这是由于东北地区经济的复苏，以及中西部地区的经济崛起[12]，各地区煤炭需求巨大。2008~2010年间，重心向西偏南11°偏移25.88km，且消费重心向西偏移远大于向南，这是由于中西部陕西、新疆、内蒙古等地区经济发展较快，且这些地区是我国重要产煤大省。2010~2012年，煤炭消费重心向西北偏移37.35km，平均移动速度18.67km/a，移动速度快；向西移动dlon=32.22km，向北移动dlat=18.89km，dlon>dlat，显然，这一阶段国家「十二五」规划、西部大开发取得巨大成就，实现西部经济崛起。
表1 我国煤炭消费重心移动方向和距离
3.2我国二氧化硫排放重心偏移分析
2000~2012年二氧化硫排放重心演变轨迹位于河南省，处于我国几何中心（103°50′，36°）东南。重心由东南向西北、从南阳市向洛阳市移动，在平顶山市出现折返(图3.1)。二氧化硫排放重心累计向西北移动129km，平均移动速度10.75km/a。二氧化硫排放重心向几何中心移动，说明区域分布趋向均衡。重心向西移动dlon=44.44km，向北移动dlat=121.10km，dlon<dlat。显然向北偏移强于向西偏移。
据表3.2，2000至2001年重心向77.68°即东北方向移动4.44km。2001~2004年间重心向西北移动28.84km，平均移动速度7.21km/a，且向西位移大于向北。与西部地区在西部大开发战略指导下经济快速发展有关。2004至2005年，重心向48.33°即东北方向移动39.26km，移动速度很快，重心移动到南阳市与平顶山市交界处。这是受我国东北重工业区的振兴所影响。2005~2008年，二氧化硫排放重心逐渐向西北地区偏移，移动了21.57km，平均移动速度7.19km/a，与中部西部山西、新疆、内蒙古等地区以高能耗为主的产业有很大关系。2008至2009年间，二氧化硫排放重心向西南偏移30.51km，由平顶山市移回南阳市，移动速度很快，且向南偏移大于向西偏移，与我国西南等地的经济快速增长有关。2009~2012年，重心由南阳市向洛阳市移动。这是由于东南经济发达地区节能减排取得一定效果，但西部地区仍以高能耗产业为主，对于二氧化硫排放的控制能力有限，导致排放重心向西北移动，移动距离为75.83km，移动速度为25.27km/a。
表2 我国二氧化硫排放重心移动方向和距离
3.3我国煤炭消费重心与二氧化硫排放拟合分析
据图3.1分析，2000~2012年煤炭消费重心与二氧化硫排放重心轨迹曲线在空间位置上不重合，但其随时间变化的趋势却基本一致。两曲线相关性系数为0.99998，正相关性极强，可以认为二者在时空分布上具有一定的演变规律。
据图3.2，煤炭消费重心经度变化范围是113.7°~114.6°，二氧化硫排放重心经度范围是112.5°~113°，曲线变化趋势一致，相关系数0.9295，呈很强的正相关性。据图3.4，煤炭消费重心纬度变化范围34.6°~34.8°，二氧化硫排放重心纬度变化范围33.2°~34.2°，煤炭消费曲线基本保持水平，二氧化硫曲线向北偏移显著，曲线变化趋势有差异，相关系数0.2422，正相关性不强。
2000~2001年，煤炭消费与二氧化硫排放重心均向东部移动。煤炭消费重心在经度上增加0.07°，二氧化硫排放重心经度增加0.04°，两者纬度基本不变。显然二氧化硫排放与消费重心的偏移一致。2001~2004年煤炭消费重心向西南移动，经度减少0.37°，纬度减少0.13°，二氧化硫排放重心向西北移动，经度减少0.25°，纬度增加0.07°。二者沿经线运动方向相反，与早期西部大开发粗放的经济发展方式有关，虽然西北的煤炭消费远低于南方，但是二氧化硫排放量却很高。2004~2008年，伴随著煤炭消费重心的先东北偏移后折返，最后折向西北的移动轨迹，二氧化硫排放重心先经度增加0.26°，纬度增加0.23°，然后经度降低0.16°，纬度增加0.11°。此阶段东北地区经济复苏，中西部经济崛起，煤炭消费量猛增，煤炭的消费重心的偏移，而东南部经济发达区经济开始转型，节能减排，二氧化硫排放量得到降低，因此，二氧化硫排放量在2006年达到峰值2588万吨后显著降低。2008~2010年，二氧化硫排放重心先向低纬度移动0.2°后高纬度移动0.2°，煤炭消费重心纬度基本不变，两重心移动出现不拟合。在经度上二者同步向西移动。2008年以后，煤炭消费量增长减缓，西部地区仍以高能耗产业为主，二氧化硫排放量较高，东部经济发达区控制二氧化硫排放，效果显著。2010-2012年煤炭消费重心先西北大幅偏移，二氧化硫排放重心移动趋势与其相似，在经度上减少0.13°，西移显著。但在纬度上，二氧化硫排放重心向高纬度移动0.67°，而煤炭消费重心仅向高纬度移动0.17°。显然，2000~2012年，由于我国「十五」、「十一五」规划和西部大开发战略，高耗煤产业向西部地区煤炭产地移动，西部二氧化硫排放量增加，东部特别是南方二氧化硫排放量控制效果显著，导致二氧化硫排放重心总体向西北移动。
4 结论
4.1 自1985~2012年，我国煤炭消费量由5.81亿吨增为24.09亿吨，煤炭在一次能源消费仍占66%；二氧化硫排放量由1324万吨增长为2117万吨，增长60%。煤炭消费量与二氧化硫排放量呈正相关，2001年前二氧化硫排放量主要受煤炭消费控制，2001年后受煤炭消费量控制和国家政策、脱硫技术要素影响。
4.2 自2000~2012年，煤炭消费重心和二氧化硫排放重心轨迹集中处于河南，位于我国几何中心的东南，两者演变轨迹呈正相关。煤炭消费重心由东向西、从开封市向郑州市移动。2003~2008年间在北纬34.55°~34.65°，东经114.2°~114.4°之间剧烈震荡，最后整体移向西北。二氧化硫排放重心重心由东南向西北、从南阳市向洛阳市移动。2004~2009年间先折向东北后折返，最后向西北移动。两重心均向我国几何重心移动，说明区域分布趋于均衡。
4.3 通过拟合分析煤炭消费量和二氧化硫排放量的重心移动轨迹，我们可以得出：二氧化硫排放重心是受煤炭消费量控制，受政策、技术因素影响。2000-2012年，我国经济飞速发展，中西部经济崛起，煤炭消费重心向西移动，控制二氧化硫排放重心移动的总趋势；我国「十五」「十一五」规划节能减排的目标，西部大开发战略，以及煤炭脱硫技术的大量应用，导致二氧化硫排放重心并没有完全拟合煤炭消费重心的移动，存在一定空间上的差异。因此，大力发展清洁能源，降低煤炭消费比重，发展低能耗产业，节能减排，实现煤炭脱硫技术的广泛应用及技术革新，对于煤炭行业健康发展与二氧化硫排放的控制及空间分布，具有重要意义。
参考文献
[1]刘磊,金晶,赵庆庆,等. 中国及世界一次能源消费结构现状分析[J]. 能源研究与信息,2014,01:7-11.
[2]王宏峰. 从《世界能源统计年鉴》看世界能源供需变化[J]. 能源研究与利用,2013,04:8-9.
[3]耿海青,谷树忠,侯西勇. 基于地统计学方法的我国SO_2污染时空演变分析[J]. 中北大学学报(自然科学版),2005,05:63-66.
[4]张慧勤,赵晓东,王秋玲. 我国能源结构与大气环境污染[J]. 环境科学研究,1991,06:50-54.
[5]国涓. 我国能源消费与环境污染关系的分析[J]. 商业经济,2008,11:8-9+56.
[6]谭俊涛,张平宇. 「振兴东北」前后区域经济重心格局演变分析[J]. 地理与地理信息科学,2013,06:68-72.
[7]颜俊,王章华.30年来中国人口、经济、产业重心演变的轨迹及其对比[J].南京人口管理干部学院学报,2010,01:34-38.
[8]徐映雪,任志远. 基于重心模型的关中地区1996～2005年生态足迹时空变化分析[J]. 农业系统科学与综合研究,2009,01:63-68.
[9]胡琳,苏静,张侠,等. 陕西经济重心与大气污染物排放重心路径演变分析[A]. 中国气象学会.第28届中国气象学会年会——S14气候环境变化与人体健康[C].中国气象学会:,2011:6.
[10]李光强,曾绍琴,邓敏,等. 重心转移曲线在时空演化模式表达中的应用[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2013,08:940-944.
[11]吕涛,张华.我国煤炭生产重心与消费重心演变轨迹研究[J].资源开发与市场,2012,05:396-400.
[12]吴顺祥,吕培聪,徐志晖,等.我国东中西部经济重心演变路径及对比分析[J].上海电机学院学报,2012,01:53-58.
已发表于：我国煤炭消费与二氧化硫排放重心偏移与拟合分析[J].煤炭经济研究,2015,35(08):23-28.
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