引言

受经济发展和工业化进程加快的驱动，中国能源消费总量持续攀升，巨大的能源消费及煤炭比重过大的能源结构，加之高投入、低效率、低产出，高污染、高排放的利用模式，已经对中国大气环境造成巨大压力，已有研究显示，工业大气污染中，与能源消费相关的大气污染占62%^[1]。

中原经济区由于长期以来实施能源原材料基地的发展战略，其能源消费带来的大气环境问题不断升级，因此，对中原经济区开展能源环境的深入研究具有更为直接的意义。目前3E系统协调发展普遍采用国外一些权威机构开发的典型能源模型，而我国现有的3E模型开发处于起步阶段。由于国际上3E模型都是基于特定国家或区域的具体背景开发的^[2]，每个模型都是在一些特定假设的前提下运行的，适用范围有限。同时3E模型的研究重点是随着人们对能源-经济-环境领域不同关注焦点的变化而变化^[3]，故根据本地区的能源系统实际情况，以及不同的情景设计需要，有必要在建模方法上进行探索和积累实践经验。

鉴于此，本研究试图在分析中原经济区能源消费总量、能源消费结构和能源利用效率现状水平的基础上，根据已有研究和模型基础，拟结合相关发展规划通过设置不同约束条件的能源消费情景，采用区域能源消费总量预测模型探索经济发展-能源消费-污染排放之间的关系，研究能源对大气污染物总量减排的压力。

1 数据与方法 1.1 研究范围

中原经济区是以全国主体功能区规划明确的重点开发区域为基础，以中原城市群为支撑，涵盖河南全省、河北南部（邯郸、邢台）、山西东南部（长治、晋城、运城）、安徽西北部（宿州、淮北、阜阳、亳州、蚌埠市和淮南市凤台县、潘集区）、山东西南部（聊城、菏泽、泰安市东平县），区域面积28.9万km²。

1.2 数据来源

研究中现状部分涉及的全国、东部、中部、西部的经济、社会、能源和环境数据主要来自于2005—2012年全国各省统计年鉴、《中国环境统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《中国工业统计年鉴》、《中国环境状况公报》，涉及的中原经济区经济、社会、能源和环境数据主要来自于其所辖的33市县（含30市2县1区）的统计年鉴、环境统计数据。

情景设计中的数据主要来自于“中原经济区战略环境评价”项目中的产业专题、大气专题，以及《能源发展“十二五”规划》、《河南省蓝天工程行动计划》等相关政策文件。

1.3 研究方法与模型简介 1.3.1 模型介绍

区域能源消费总量预测模型是一非线性规划模型，以能源消费与经济发展、能源利用效率之间的相互关系为基础进行预测，可以反映能源消费与经济总量之间的相互关系——当经济总量扩大时，对能源要素的引致需求也会增加，同时也反映了能源利用效率的变化对能源需求变化的贡献。

该研究中经济发展速度、人口规模、城镇化对能源消费增长的增速效应主要以经济总量的增长进行表征。同时，根据相关研究，目前的经济存量中，节能潜力大体可通过技术进步、经济转型、提高经济增长的质量来实现^[4]。鉴于影响经济转型产业结构有序演进和技术进步水平等经济存量中节能潜力的不确定因素难以把握，换言之，能源消费领域节能空间本身非常复杂，该研究将上述因素对能源消费增长的减速效应以能源消费领域单位GDP能耗的下降进行表征。

区域能源消费总量预测模型的基本结构如下：

目标函数：

约束条件：

Ⅰ类约束：GDP_t约束

Ⅱ类约束：EPG_t约束

Ⅲ类约束：TGDP约束

Ⅳ类约束：TEPG约束

式中：Min E_t——区域能源消费总量控制目标函数（能源消费总量最小）；

E_t——预测年t区域的能源消费总量（未考虑能源消费结构调整的值），10⁴tce；

GDP_ti——预测年t区域第i控制单元的GDP，亿元（2012年不变价），决策变量；

N——区域内控制单元个数，即全部市县个数，这里N=33；

EPG_ti——预测年t第i控制单元的单位GDP能耗，tce/万元GDP，决策变量；

TGDP——预测年t区域的GDP总量，亿元（2012年不变价），约束值；

TEPG——预测年t区域总体单位GDP能耗，tce/万元GDP，约束值。

模型中，目标函数表示希望获得中原经济区最小的能源消费总量。Ⅰ类约束是对各控制点（中原经济区所辖各市县）GDP总量的约束，避免某个控制点出现过大或过小的经济总量，以保证各控制点经济发展的需要；Ⅱ类约束是对各控制点单位GDP能耗的约束，避免某个控制点出现过大或过小的能源利用效率值，以保证各控制点能效水平稳步提高；Ⅲ类约束是对区域GDP总量的约束；Ⅳ类约束为区域总体单位GDP能耗的约束。

1.3.2 能源消费结构调整的引入

根据上述模型中能源消费总量与经济总量、能源利用效率关系的设定，通过区域能源消费总量优化模型得出的能源消费总量，并不能反映改善能源消费结构对于降低能源消费总量的影响作用。鉴于能源消费结构是影响能源消费总量的一个重要因素^{[3, 7]}，该研究在模型预测的基础上，单独考虑了能源消费结构调整对能源消费增长的减速效应。

能源消费结构调整引入过程如下：利用以往关于能源消费结构和能源消费总量间的定量研究成果，霍宗杰、刘晓逸等从经济增长和能源结构与能源消费的长期均衡关系发现能源结构（煤炭的消费占比）每减少1%，能源消费总量将下降1.415%～1.8%^{[5, 6]}，并根据情景方案设置中的能源消费结构优化数据，对模型能源消费总量预测结果进行了修正。

1.4 情景设计

该研究结合中原经济区战略环境评价产业专题和大气专题研究成果，采用情景分析方法，设定2012年为现状年，设定2020年为预测年。同时，采用区域能源消费总量优化模型，以经济区能源消费总量最小化为目标，将经济发展速度、产业结构调整与升级力度、能源绩效水平、能源结构调整、技术进步、人口规模、城镇化发展等作为能源消费变化的主要驱动因素。以不同情景下GDP总量预期值为约束，对2020年区域能源消费总量发展趋势设置了三种情景。

2020年三种情景分别代表不同含义，情景1（快速发展）：基于经济发展惯性和地方发展意愿的经济导向情景。中原经济区将保持经济持续、高速增长态势，各地市GDP年均增长保持在12%以上的高速度；三次产业结构从13:54:33调整到10:56:35；区域总体单位GDP能耗比2012年下降约20%；煤炭占比由2012年的77.3%下降到75.6%。

情景2（适度发展Ⅰ）：中原经济区经济增长速度适度放缓，各地市GDP年均增长保持在11%左右的水平；有效推进现代产业结构的演进；区域总体单位GDP能耗下降约35%；煤炭占比由2012年的77.3%下降到67.3%。

情景3（适度发展Ⅱ）：基于空间和产业结构调整及技术进步的效率导向情景。中原经济区经济增长速度在情景2的基础上再放缓，各地市GDP年均增长保持在8%左右的水平；进一步加大调整产业结构的力度，三次产业结构调整到11:53:36；区域总体单位GDP能耗比2012年下降约40%；煤炭占比由2012年的77.3%下降到66.6%（煤炭占比达到全国2012年平均水平）。

需强调指出：情景1～3中区域总体单位GDP能耗下降幅度包括能源消费领域节能空间和能源供给领域节能空间两方面的节能潜力。

在能源消费领域节能中，产业结构调整与升级是单位GDP能耗下降的重要推动力之一。作为中原经济区内工业重点行业，同时面临结构调整和空间布局调整的钢铁、水泥、有色冶金行业，其调整升级力度将很大程度上影响单位GDP能耗强度。由于上述产业目前属国家抑制发展及地方重点控制产业，且产品市场基本饱和，因而其发展趋势总体下降。“十三五”期间，在钢铁方面，区域内的钢铁产能将主要进行整合、集中式发展，主要向河北邯郸、河南安阳、山东东平和山西运城、长治地区等地集中，而新乡、济源、信阳地的等小钢厂将逐步趋于淘汰和转型。在有色冶金方面，区域内的电解铝总体规模将不再扩张，而是采取空间布局调整，逐步把产能向几个主要产区集聚（运城、聊城、洛阳），其余地区则采取产业结构调整，延伸产业链，发展后续铝材加工。在水泥方面，基本上每个地市都提出了水泥产能不再扩张，处于总体控制生产能力、加快生产线改造阶段。就具体工业比重而言，钢铁工业比重由2012年的11%下降至2020年的7%（情景3）至8%（情景1），有色冶金工业比重由9%下降至8%（三种情景一致），建材工业比重保持现有比重（情景1）或由10%下降至9%（情景3）。

1.5 污染物排放量预测

基于区域能源消费总量预测模型可获得不同情景下33市县的能源消费总量和对应的GDP总量，采用单位GDP大气污染物排放作为环境绩效指标对大气污染物排放量进行预测。

式中：E_{t, k}——第t年第k种大气污染物的排放量，t；

GDP_t——第t年国民生产总值，亿元；

PPG_{t, k}——第t年第k种大气污染物的单位GDP排放量，即环境绩效，t /亿元。

PPG_{t, k}由现状环境绩效与环境绩效改善系数获得，其计算公式如下：

式中：PPG_{o, k}——现状年第k种大气污染物的单位GDP排放量，t /亿元；

a_k——现状年到预测年t的第k种大气污染物的单位GDP排放量的下降率，无量纲。

通过对中原经济区各市县2006—2012年的三种污染物的单位GDP排放量的演变趋势分析，得到各地区的SO₂、NO_x和烟粉尘三种污染物排放的平均下降率，预测2020年各市县的单位GDP排放水平。并进一步收集和分析了全国及31个省会城市2012年环境绩效，以2012年全国平均环境绩效作为中原经济区2020年各市县必须达到的最低要求，以2012年1/4城市能够达到的环境绩效作为最高要求（若现状好于该绩效，则采用现状值，下降率为0）。同时，为了进一步体现大气污染物排放控制水平提高，适度发展Ⅰ、适度发展Ⅱ情景下的单位GDP排放量分别比快速发展情景下降10%、25%。中原经济区不同情景下的环境绩效指标见表 1。

2 结果与讨论 2.1 中原经济区现状能源消费与大气环境压力分析 2.1.1 能源消费总体特征

（1）全社会能源消费总量

2012年中原经济区能源消费总量4.5×10⁸tce，占全国能源消费总量的12.4%。其中，河南省能源消费总量2.4×10⁸tce，占中原经济区的53%，占全国能源消费总量的6.5%，在全国31个省（自治区、直辖市）中位列第五名，仅次于山东、河北、广东和江苏。

（2）演变趋势

由于中原经济区部分城市能源消费历史数据缺乏，同时鉴于中原经济区的主体是河南省，河南省的情况基本上与中原经济区一致，因此，本文关于能源消费总量、结构的演变趋势利用河南省数据进行分析研究。

河南省能源消费总量的时序演变见图 1。可以看出，长期以来，河南省的能源消费始终保持旺盛的增长需求，2000—2012年一次能源消费总量增长近2倍，其能源消费总量自2000年的0.8×10⁸tce增长到2012年的2.4×10⁸tce，平均每年的增幅超过1.3×10⁸tce，期间的年递增速达到9.5%，高于全国7.9%的年平均增速。其中，“十五”期间河南省能源消费总量增速最快，年平均增速达到13.1%，“十一五”期间年平均增速为8.0%，“十二五”前两年年平均增速为5.0%。

2.1.2 能源消费结构变化特征

（1）能源消费结构

从中原经济区整体来看，2012年煤炭在能源消费结构中的比重为77.3%，远高于全国平均水平66.6%。

（2）演变趋势

从中原经济区主体河南省历年能源消费构成来看，其能源消费主要是煤炭、石油、天然气、水电。其中，煤炭在能源消费中的比重一直处于高位，1978年煤炭消费占能源消费总量的比重为92.3%，到2000年，这一比重下降到87.6%，2000—2009年，河南省煤炭占比一直在87%左右，自2010年起煤炭占比才明显下降。截至2012年，河南省煤炭占比为80.2%，仍旧保持在80%以上的较高水平。

此外，河南省石油所占比重呈波动上升趋势，2012年占比为10.3%，较2000年的9.6%增长7个百分点。天然气、水电等清洁能源在能源消费总量中的比重虽然有所提升，2012年二者占比之和为9.5%，较2000年增长2倍以上，但其总体利用水平明显低于全国同期值，滞后全国平均水平约6年。可以看出，近年来石油、天然气、水电等在能源消费结构中的比例上升，对煤炭起到了一定的替代作用，但其替代作用仍非常有限。

总体上，中原经济区能源消费结构调整进展缓慢，2000—2012年，一次能源消费中，煤炭所占比重仅下降了7.4%。究其原因可能是由于其自身具有较丰富的煤炭储量，而石油和天然气对外依存程度高，同时受科技因素影响，新能源开发利用程度较低，使得经济区过度依赖煤炭能源消费。因此，尽管该区域煤炭所占比重逐渐下降，但在短期内以煤为主的能源结构特征不会改变。2000—2012年河南省能源消费结构的时序演变见图 2。

2.1.3 能源利用效率

中原经济区能耗水平总体较差，滞后全国平均水平约4年，与东部地区仍有很大差距。

2012年中原经济区万元GDP能耗为0.97tce/万元，劣于全国平均水平（0.70tce/万元）40%、中部地区平均水平（0.83tce/万元）17%，与东部地区平均水平（0.63tce/万元）仍有很大差距，其单位GDP能耗约为同期东部水平的1.6倍。

中原经济区工业能耗明显高于全国平均水平。2012年中原经济区万元工业生产总值能耗为0.46tce/万元，是同期全国平均值的1.6倍，滞后全国平均水平5年（表 2）。因此，亟需加快技术进步、产业调整升级，提升能源利用效率水平。

2.1.4 现状大气环境压力分析

（1）大气污染物排放总量情况

2012年三种主要大气污染物SO₂、NO_x和烟（粉）尘排放量分别为2.4×10⁶t、2.9×10⁶t和1.5×10⁶t，分别占全国同期排放量的11.2%、12.4%和12.3%。

从常规污染物排放演变趋势来看，由于自“十一五”以来，各地开展了大力度的污染物总量减排，经济区整体SO₂和烟（粉）尘排放量呈波动缓慢下降趋势，但近两年来NO_x有较大幅度的增加。

从单位GDP下大气污染物排放强度来看，2012年中原经济区单位GDP的SO₂排放量为5.2kg/万元，NO_x排放量为6.4kg/万元，烟粉尘排放量为3.3kg/万元。总体上，中原经济区单位GDP污染物排放强度高于全国以及东部、中部平均水平，相当于全国2010年平均水平。

由于中原经济区是全国重要的能源原材料基地，传统产业所占比重大，高资源依赖、高耗能、高污染产业导致大气结构性污染特征明显。2012年中原经济区整个工业部门消耗了全社会83%的能源量，向大气中排放了91%的SO₂、75%的NO_x和86%的烟（粉）尘，其中，七大资源型重工业（煤炭开采和洗选业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，化学原料及化学制品制造业，非金属矿物制品业，黑色金属冶炼及压延加工业，有色金属冶炼及压延加工业，电力、热力生产和供应业）消耗了全社会67%的能源量，向大气中排放了72%的SO₂、62%的NO_x和66%的烟（粉）尘。

2012年万元工业生产总值下的大气污染物排放情况见表 2，可以看出，中原经济区工业污染物排放强度高于全国、东部和中部平均水平。以全国发展轨迹为参照，总体上中原经济区工业污染物排放效率滞后全国平均水平2年左右。

（2）现状大气环境压力分析

2012年中原经济区以单位面积承载大气污染物量表征的环境压力是全国平均值的2倍左右。以地级市为评估单元，2012年中原经济区所有城市的PM₁₀全面超载，其中，近半数城市严重超载，近1/4城市的NO_x已经饱和或超载，相当一部分城市的SO₂承载率进入预警区域。2012年中原经济区大气污染物排放现状压力见表 3。

城市环境空气污染，尤其是以PM_2.5污染为特征的环境空气污染加剧，近年来爆发的区域性灰霾天气呈频发态势，且覆盖范围越来越广，持续时间越来越长。已开展PM_2.5监测的郑州、开封、晋城、运城、邯郸、邢台，2012年的PM_2.5日均浓度达标率不足50%，均出现较为严重的超标，其中邢台超标最为严重，全年超标率达80%以上。

近年来重复出现的大面积重度化灰霾污染已在全国呈蔓延之势，中原经济区也是灰霾污染的重灾区。从环保部公布的《2013年中国环境状况公报》中全国灰霾日数分布图可以看出，2013年中原经济区是全国灰霾污染天数最多的地区之一，灰霾污染程度不亚于毗邻的京津冀地区。

2.2 中原经济区能源消费总量和大气环境压力预测分析 2.2.1 能源消费总量和GDP预测

按照引入能源消费结构调整进行修正后的能源消费预测结果，2020年中原经济区能源消费总量将比2012年增加8.5%～100.8%，增长幅度取决于经济发展速度调控、能源消费结构和节能减排力度。不难看出，中原经济区未来一段时间内，经济的发展仍然依赖于能源驱动，在实施能源发展战略性调整和能源消费模式的革命性转变后，可实现能源消费总量略有增长或维持现状的目标。

但是，要实现能源消费总量略有增长或维持现状的目标，破解经济快速发展和能源消费总量控制矛盾，必须以节能为抓手，一方面要加快经济转型产业结构调整和深挖技术节能潜力，另一方面要优化能源结构，减少一次能源中煤炭的消费占比。预测结果显示，煤炭消费比重每下降1%，中原经济区区域总体万元GDP能源将下降0.011tce，这与邱灵等在研究各因素对区域能源利用效率的影响程度中所得的结果相近^[7]。中原经济区不同情景下的能源消费总量与GDP预测见表 4。

2020年，在区域GDP总量的不同预期下，可实现的单位GDP能耗水平在0.581～0.785 tce/万元之间。区域GDP总量达到11.1万亿元预期，单位GDP能耗强度将落入图 3中的第Ⅰ象限，表现出以高能耗为代价的增长。

区域GDP总量达到8.1万亿元和10.8万亿元预期，单位GDP能耗强度均可进入图 3中的第Ⅳ象限，依现有技术水平评估，可实现相对低能耗的经济增长。

按三种情景测算，适度发展Ⅰ和快速发展情景煤炭消费总量将比2012年增加1.2×10⁸t和3.1×10⁸t；而在适度发展Ⅱ情景下，2020年中原经济区整体煤炭占比将由当前的约80%降至66.6%（达到全国2012年平均水平），煤炭消费总量将比2012年下降约0.3×10⁸t。

2.2.2 大气环境压力预测分析

能源消费与污染物排放之间的关系非常复杂，除能源消费总量外，能源结构、能源消费方式及大气污染物排放控制水平（污染物源头和过程控制技术、末端治理技术等）等都是影响污染物排放的关键因素。鉴于能源消费总量预测过程中已考虑了能源结构（能源供需基本一致，现有能源消费方式仍表现为供给约束型）和能源消费方式（重点产业含煤电行业增长态势）因素，以下仅研究不同污染控制水平下的污染物排放压力状态。

按2020年三种情景测算，以当前中原经济区的大气污染物排放控制水平计（污染控制水平不变），SO₂、NO_x和烟粉尘的排放总量将比2012年增加4.4%（情景3）至93.1%（情景1），大气污染物排放压力将增加5%～95%。

在考虑大气污染物排放控制水平提高的情况下，在区域GDP总量10.8万亿元（能源消费量6.9×10⁸tce）和11.1万亿元（能源消费量8.7×10⁸tce）预期下，2020年区域大气污染物排放压力将比2012年增加30%～50%；在区域GDP总量8.09万亿元（能源消费量4.7×10⁸tce）预期下，2020年区域大气污染物排放压力将比2012年降低约20%。

以区域大气污染物排放总量削减10%为约束，按区域GDP总量10.8万亿元和11.1万亿元预期，2020年单位GDP大气污染物排放强度需要实现40%～60%的削减；而按区域GDP总量8.1万亿元预期，单位GDP大气污染物排放强度可实现削减目标。因此，如果完全按照地方发展愿景（快速发展情景）或经济增长速度适度放缓情景（适度Ⅰ情景）发展，中原经济区能源消费与资源环境承载之间的矛盾将面临进一步激化的态势，大气环境严重恶化的趋势将难以逆转。

在现有的能源资源禀赋和技术条件下，中原经济区应选择适度发展Ⅱ策略，2020年区域GDP总量为8万~9万亿元水平，能源消费总量控制在5×10⁸～6×10⁸tce，煤炭消费总量实现“零增长”或“负增长”，即情景3为最优情景。

3 结论

（1）在现状年（2012年），中原经济区能源消费总量为4.5×10⁸tce，其中煤炭消费总量为3.5×10⁸tce，三种主要大气污染物SO₂、NO_x和烟粉尘排放量分别为2.4×10⁶t、2.9×10⁶t和1.5×10⁶t。区域煤烟型污染特征依旧突出，并呈现出复合型污染态势，部分地区大气环境承载能力已超出极限。

（2）在快速发展情景下，2020年中原经济区GDP可达11.1万亿元预期，其能源消费总量将达8.7×10⁸tce，煤炭消费总量将维持在6.6×10⁸tce水平（较2012年增加3.1×10⁸tce）。若以2012年中原经济区的大气污染物排放控制水平计，其大气污染物排放压力将比2012年增加约95%，在考虑大气污染物排放控制水平提高的情况下，其大气污染物排放压力也将比2012年增加50%。

（3）在适度Ⅰ情景下，2020年中原经济区GDP可达10.8万亿元，其能源消费总量将达6.9×10⁸tce，煤炭消费总量将维持在4.6×10⁸tce水平（较2012年增加1.2×10⁸tce）。若以当前中原经济区的大气污染物排放控制水平计，其大气污染物排放压力将比2012年增加约55%，在考虑大气污染物排放控制水平提高的情况下，其大气污染物排放压力也将比2012年增加30%。

（4）在适度Ⅱ情景下，2020年中原经济区GDP可达8.1万亿元，其能源消费总量将达4.7×10⁸tce，煤炭消费总量将控制在3.1×10⁸tce水平（将比2012年下降约0.3×10⁸tce）。若以当前中原经济区的大气污染物排放控制水平计，其大气污染物排放压力将比2012年增加约5%，在考虑大气污染物排放控制水平提高情况下，其大气污染物排放压力也将比2012年降低约10%。

（5）根据情景测算可知，中原经济区要实现经济发展与环境保护的“双赢”，换言之，要实现经济发展稳步提高（年均增长率7.7%）和区域大气污染物排放总量削减10%的目标，实现上述目标重中之重是，以控制煤炭消费总量为重点，积极推进能源消费总量和消费强度“双调控”，优化能源消费结构。因此，未来中原经济区缓解大气环境压力的关键在于实现煤炭消费总量“零增长”或“负增长”，同时力争2020年能源消费总量控制在5×10⁸～6×10⁸tce，凭借煤炭占比大幅下降（降至65%左右）最大限度地发挥能源供给领域节能效应，依靠产业结构升级节能效应和技术节能拓展能源消费领域节能空间，将能效水平提高至0.6tce/万元以下。