大城市建筑垃圾产生特征演变及比较

赵军¹，刘秋霞¹，林立清¹，钱光人¹，肖建庄²

(1. 上海大学 环境科学与工程系，上海，200444；

2. 同济大学 土木工程学院，上海，200092)

摘要：选取我国香港、上海、北京和广州4个典型城市为研究对象，采用Mann-Kendal趋势分析法，分析这4个城市建筑垃圾总量、单位GDP、单位人口和单位施工面积的建筑垃圾产生量变化，同时探究建筑垃圾产生量与经济发展的关系。研究结果表明：处于快速城市化进程中的上海、北京和广州城市建筑垃圾总量一直呈上升趋势，年均增长率平均为8.32%；3个城市单位GDP建筑垃圾产生量持续下降，年均下降率平均为8.55%，香港单位GDP建筑垃圾产生量明显较低且较为稳定；香港和北京单位人口建筑垃圾产生量基本维持为2 t/人，而上海约为1 t/人，广州单位人口建筑垃圾产生量呈现上升趋势；北京、上海和广州3个城市的平均单位施工面积建筑垃圾产生量为22.62 t/(100 m²)，其中北京下降趋势明显；提出将单位施工面积建筑垃圾产生量22 t/(100 m²)作为建筑垃圾产生量预测依据；香港城市建筑垃圾增长与人均GDP之间表现为先上升后下降的库兹涅茨曲线，上海、北京和广州则基本表现为线性上升曲线。

关键词：建筑垃圾；经济发展；演变趋势；大城市

中图分类号：X705             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)03-1297-08

Evolution and comparison of construction waste of large cities in China

ZHAO Jun¹, LIU Qiuxia¹, LIN Liqing¹, QIAN Guangren¹, XIAO Jianzhuang²

(1. Department of Environmental Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China;

2. School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Four typical cities, i.e., Hong Kong, Shanghai, Beijing and Guangzhou were selected as research objectives, and Mann-Kendal trend analysis method was used to detect the four cities’ change of the total amount of construction waste after 1990s, and the amounts of per unit GDP, per unit population and per unit area were analyzed, and meanwhile, the relationship between construction waste and economic development was also explored. The results show that: For the cities such as Shanghai, Beijing and Guangzhou, which are in their process of rapid urbanization, the total amount of construction waste presents an obvious upward trend, and has an average annual growth rate of 8.32%; the amount of per unit GDP in these three cities continues to decline with an average annual rate of 8.55%, but that of Hong Kong is significantly lower and more stable. The amount of construction waste of per unit population in Hong Kong and Beijing always maintain at the level of 2 t per person, while that of Shanghai is almost at 1 t per person, but Guangzhou exhibits an upward trend. The mean value of the amount of construction waste of per unit area in Shanghai, Beijing and Guangzhou is 22.62 t/(100 m²), Beijing shows an obvious upward trend, and 22 t/(100 m²) is put forward in this work as a baseline for the prediction of other China cities’ construction waste amount. The relationship between total construction waste and per capita GDP of Hong Kong appears an inverse U-shaped curve, but all other cities display standing rising curves.

Key words: construction waste; economic development; evolution trend; large cities

建筑垃圾主要包括废混凝土块、废沥青混凝土块以及施工过程中散落的砂浆、混凝土、碎砖渣、金属和木材等^[1-2]。随着我国工业化和城市化进程加快，相伴产生的建筑垃圾日益增多，目前我国是世界上城市建设规模最大的国家，据估计我国每年城市产出垃圾约为60亿t，其中建筑垃圾为24亿t左右，已占到城市垃圾总量的40%^[3]。每万吨建筑垃圾约占用填埋场1亩的土地^[1]，不仅大大降低土地资源的利用效率，对生态环境也造成明显影响。面对严峻的建筑垃圾围城局面，如何合理控制建筑垃圾已成为政府部门和专家学者迫切需要解决的问题。从理论上讲，建筑垃圾产生量不会无限制增长，当社会经济发展到一定水平后，将开始呈现下降趋势，即呈现先上升后下降的抛物线趋势。目前国内外有不少关于环境质量与经济发展水平之间关系的研究，国内大部分关注环境污染指标(大气污染、水污染、固体废弃物)与经济发展水平之间的关系^[4-8]，国外除了关注城市固体废弃物外^[9]，还研究了有关家庭生活垃圾产生量与经济增长之间关系^[10]等方面内容，但国内外都较少关注数量庞大的建筑垃圾。本研究选择城市建设速度较快和规模较大的香港、上海、北京和广州4个大城市为例，通过研究各城市1994年以来建筑垃圾总量、单位GDP建筑垃圾产生量、单位人口建筑垃圾产生量和单位施工面积建筑垃圾产生量等指标，对城市建筑垃圾产生特征进行分析，同时探究建筑垃圾产生量和经济增长之间的关系，为当前处于快速城市化进程中的大城市建筑垃圾调控提供依据。

1  数据与方法

1.1  数据来源及处理

本研究的建筑垃圾城市区域包括香港、上海、北京和广州4个大城市，其中大陆3个城市为快速城市化的典型代表，而香港则作为城市建设和发展水平较高的参照系。香港建筑垃圾数据主要来源于香港环保署(1994—2010年)，GDP和人口数据来源于香港统计年刊(1994—2010年)；上海建筑垃圾数据主要来源于上海环卫局统计资料，GDP、常住人口和施工面积数据主要来源于上海统计年鉴(1994—2010年)；北京建筑垃圾数据主要来源于北京建设年鉴(1999—2010年)，GDP、常住人口和施工面积数据主要来源于北京市统计年鉴(1999—2010年)；广州建筑垃圾数据主要来源于广州建设年鉴(1997—2010年)，GDP、常住人口和施工面积数据主要来源于广州统计年鉴(1997—2010年)。本研究所涉及相关城市建筑垃圾变量基本特征如表1所示。

表1  4个大城市建筑垃圾统计变量基本特征

Table 1  Basic characteristics of construction waste statistical variables in four large cities

需要说明的是：本研究涉及的建筑垃圾数据既包括清运量也包括综合利用量，即指实际产生量；由于不同城市建筑垃圾产生量的统计起始时间不同，因而研究时间周期存在一定差异。考虑到城市建设服务于常住人口，不仅仅是户籍人口，因此，大陆和香港的城市人口数据口径均统一为常驻人口；按照国际上EKC研究惯例，各城市GDP均换算为美元，并依据中国人民银行历年汇率进行换算。

1.2  研究方法

(1) Mann-Kendall趋势检验法

基于秩的Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数统计检验方法，用于判断长时间序列数据的变化趋势^[11-14]。本研究采用该方法来检验建筑垃圾总量及相关特征变量的变化趋势。

             (1)

其中：

           (2)

式中：x_k和x_i分别为第k年和第i年的参数值，k＞i；n为序列长度；sgn(x_k-x_i)为表征函数，

         (3)

利用Z_c进行趋势统计的显著性检验，Z_c为正，表明上升趋势，Z_c为负表明下降趋势；若|Z_c|＞1.28，则P＜0.10，表示“不显著”；若|Z_c|＞1.64，则P＜0.05，表示“显著”；若|Z_c|＞2.32，则P＜0.01，表示“非常显著”。变化趋势可用Kendall倾斜度β来表示，其计算公式为：

；1≤j＜i≤n    (4)

(2) 本研究分别采用二次及对数形式的计量经济模型分析城市建筑垃圾产生量与人均GDP增长之间关系。

二次模型：

            (5)

对数二次模型：

         (6)

同时根据我国城市社会经济实际发展情况，考虑城市建筑垃圾产生量与人均GDP增长之间可能存在线性关系，采用线性模型与上述模型形成对比分析：

线性模型：

；             (7)

对数线性模型：

             (8)

式中：X_t为第t年的人均GDP，代表经济发展水平；ln X _t为第t年的人均GDP对数；Y_t为第t年城市建筑垃圾产生量。

2  建筑垃圾产生特征演变

在MATLAB 7.0中，设计Mann-Kendall趋势检验法程序，检验城市建筑垃圾产生量相关指标的变化趋势(表2)。结果表明：大陆城市建筑垃圾总量呈上升趋势，而单位GDP建筑垃圾产生量呈下降趋势；广州单位人口建筑垃圾产生量呈上升趋势；北京单位施工面积建筑垃圾产生量呈下降趋势；其他指标未呈现明显变化趋势。

2.1  建筑垃圾总量变化及比较

分析1994—2009年4个大城市建筑垃圾总量(图1)可知：北京建筑垃圾总量整体比其他3个城市的高，年均值达3.472×10⁷ t，广州较低，为0.916×10⁷ t；从变化历史和趋势来看，上海、北京和广州3个城市呈逐渐上升趋势(表2，大陆3城市P＜0.01，且Z_c＞0)，3个大城市平均增长率为8.32%，而香港则呈现先上升后下降，未体现明显变化趋势(香港P＜0.10)。上海建筑垃圾总量由1994年的1.007×10⁷ t增长为2009年的4.052×10⁷ t，年均增长率为9.78%，尤其是2007—2009年呈高速增长，这可能与上海2010年世博会前大量建设世博场馆有关；北京和广州的建筑垃圾总量年均增长幅度分别为5.02%和10.15%；香港1994—2005年建筑垃圾总量由8.710×10⁶ t增长为2.145×10⁷ t，年增长幅度为8.55%。

2.2  单位GDP建筑垃圾产生量变化及比较

从单位GDP建筑垃圾产生量现状看(图2)，2009年北京单位GDP建筑垃圾产生量较高为2.20 t/(10⁴$)，香港较低为0.73 t/(10⁴$)。从变化历史和趋势来看，3个大城市单位GDP建筑垃圾产生量均呈显著下降趋势(表2，大陆3个城市P＜0.01，且Z_c＜0)，年均下降率为8.55%。北京均值相对较高为5.02 t/(10⁴$)，且下降趋势最为明显，年均下降率为12.93%；上海和广州年均下降率分别为5.95%和6.77%；香港单位GDP建筑垃圾产生量明显较低，且基本较为稳定(P＞0.10)，1994—2005年单位GDP建筑垃圾产生量由0.64 t/(10⁴$)增长为1.21 t/(10⁴$)，2005年后呈波动下降。总体而言，各城市单位GDP建筑垃圾产生量的变化趋势折射出：香港城市建设和经济发展已达到较高水平，主要依赖于第三产业等带动GDP增长；而大陆城市经济发展与香港尚有较大差距，现阶段仍依赖于大规模城市建设，但这种依赖性正在明显降低。

表2  4个大城市建筑垃圾产生特征的Mann-Kendall趋势检验分析

Table2  Mann-Kendall trend test analysis of construction waste characteristics in four large cities

图1  4个大城市建筑垃圾总量增长趋势变化及对比(1994—2009)

Fig.1  Growth trend changes and contrast of total construction waste in four large cities (1994-2009)

图2  4个大城市单位GDP建筑垃圾产生量变化及对比(1994—2009)

Fig.2  Growth trend changes and contrast of yield per unit of GDP in four large cities (1994-2009)

2.3  单位人口建筑垃圾产生量变化及比较

从单位人口建筑垃圾产生量现状来看(图3)，2009年广州单位人口建筑垃圾产生量较高为2.53 t/人，上海较低为1.83 t/人。从变化历史和趋势来看，香港和北京单位人口建筑垃圾产生量高于上海和广州。上海和北京单位人口建筑垃圾产生量未体现明显变化趋势(表2，上海和北京P＞0.10)，基本维持在1 t/人和2 t/人；广州单位人口建筑垃圾产生量则呈现上升趋势(广州P＜0.01，且Z_c＞0)，尤其是2007年以后更为明显，这可能与2010年广州亚运会和亚残运会场馆建设有关；香港单位人口建筑垃圾产生量变化范围较大，未体现明显变化趋势(香港P＜0.10)，最大值为2005年的3.15 t/人，最小值为2007年的1.22 t/人，均值为2.04 t/人。

图3  4个大城市单位人口建筑垃圾产生量变化及对比(1994—2009)

Fig.3  Growth trend changes and contrast of yield per unit of population in four large cities (1994-2009)

2.4  单位施工面积建筑垃圾产生量变化及比较

由于香港特区统计处对施工面积相关数据未进行统计，所以，本研究只对大陆3个大城市单位施工面积建筑垃圾产生量变化进行对比分析。从现状上看(图4)：2009年广州单位施工面积建筑垃圾产生量较高为32.31 t/(100 m²)，北京较低为17.24 t/(100 m²)。从变化历史和趋势方面看：北京、上海和广州3个城市的平均单位施工面积建筑垃圾产生量为22.62 t/(100 m²)；北京单位施工面积建筑垃圾产生量整体较高，但下降趋势十分明显(表2，P＜0.01，且Z_c＜0)，年均下降幅度为6.88%；上海则未体现明显变化趋势(P＞0.10，未有趋势)，若不考虑2009年上海世博会园区施工建设的特殊因素，基本维持在15 t/(100 m²)；广州也未体现明显变化趋势(P＞0.10，未有趋势)，2007年以前建筑垃圾产生量十分稳定，基本维持在22 t/(100 m²)，2007年后垃圾产生量快速增长。

图4  3个大城市单位施工面积建筑垃圾产生量变化及对比(1994—2009)

Fig.4  Growth trend changes and contrast of yield per unit of area in three large cities (1994-2009)

需要指出的是，目前国内较多城市未对建筑垃圾进行统计，较多学者采用以施工面积等指标预测建筑垃圾产生量的方法，以西安市建筑垃圾年产量的未来趋势研究为例，陆宁等^[15]对西安市建筑施工垃圾进行预测的过程中，以单位施工面积建筑垃圾产生量550 t为依据，预测2010年西安建筑垃圾产生量为708.80× 10⁴ t，而2010年西安建筑垃圾实际产生量约为3.500×10⁷ t^[16]，其预测结果与实际值存在数量级偏差。

本研究提出可将大陆3个大城市单位施工面积建筑垃圾的平均产生量22 t/(100 m²)作为当前快速城市化的大城市建筑垃圾产生量预测依据，为进一步增强预测依据的说服力，以课题组掌握数据的重庆、武汉、深圳和长沙这4个大城市为例来验证其可靠度^[16]。2009年这4个城市的建筑施工面积依次分别为1.647×10⁸，4.487×10⁷，5.257×10⁷和1.057×10⁸ m²，若按本研究提出的预测依据计算，各城市建筑垃圾产生量预测值依次分别为3.624×10⁷，9.872×10⁶，1.156×10⁷和2.327×10⁷ t，与其实际产生量的相对误差基本不大于10%(图5)。需要指出的是：一方面不同城市拆建和建设的建筑设施类型可能存在差异，单位施工面积的建筑垃圾产生量亦会存在区别；另一方面，由于本研究调研案例的丰富度有限，以及较多城市尚未开始建筑垃圾产生量的连续统计，这些因素都对本研究的研究结果造成一定的不确定性，需更多案例积累以进行进一步佐证。

图5  重庆、武汉、深圳和长沙城市建筑垃圾产生量理论值与实际值对比(2009)

Fig.5  Comparison of construction waste between theoretical value and actual value in Chongqing, Wuhan, Shenzhen and Changsha (2009)

3  建筑垃圾产生量与经济发展关系的分析及比较

以上海、香港、北京和广州4个大城市人均GDP以及取对数后结果为解释变量，以各城市建筑垃圾总量的时间序列数据为被解释变量，进行基于线性和二次方程的回归分析计算(表3)。结果表明：除香港外，二次模型的拟合优度基本比线性模型更接近，即二次模拟的决定系数(R²)均比线性模拟的高，而人均GDP取对数后的对数模型基本未能提高其拟合优度。香港城市建筑垃圾与人均GDP二次拟合曲线呈现出先上升后下降的抛物线(倒U型)，有较明显的环境库兹涅茨曲线特点，而上海、北京和广州城市建筑垃圾与人均GDP之间基本表现为较明显的线性上升关系，未表现出明显的EKC曲线特征(包括目前许多关于发展中国家/地区的相关研究提出的EKC曲线新特点，如N型/S型等不同的曲线类型^[17]，而不仅仅限于倒U型曲线类型)。可以认为，就上海、北京和广州的建筑垃圾增长趋势来看，现阶段仍处于环境库兹涅茨曲线的前半段，即处于上升趋势阶段，建筑垃圾产生量与人均GDP正相关；但从理论上来考量，这种趋势不会持续，当城市建设达到一定水平后，仍会像香港所呈现的抛物线一样，出现下降趋势。

表3  4个大城市建筑垃圾总量与人均GDP的线性和二次方程回归分析

Table 3  Regression analysis of linear and quadratic fitting curve between total construction waste and yield per unit of GDP in four cities

图6  4个城市建筑垃圾与人均GDP的线性和二次方程拟合曲线对比

Fig.6  Comparison of linear and quadratic fitting curve between total construction waste and yield per unit of GDP in four cities

4  结论

(1) 中国大城市建筑垃圾总量基本表现为明显增长态势。北京建筑垃圾总量明显比其他3个城市的高；上海、北京和广州3个城市呈逐渐上升趋势，年均增长率为8.32%，其中上海增长较快，而香港未体现明显变化趋势。

(2) 中国大城市建筑垃圾产生特征总体呈规律性变化。大陆三大城市(北京、香港和广州)单位GDP建筑垃圾产生量均显著下降，年均下降8.55%，其中北京单位GDP建筑垃圾产生量相对较高但下降速度最快，香港则较为稳定；广州单位人口建筑垃圾产生量呈较明显增长趋势，其他城市则较稳定；北京单位施工面积建筑垃圾产生量整体较高但下降速度快，年均下降幅度为6.88%，上海和广州单位施工面积建筑垃圾产生量基本维持在15 t/(100 m²)和22 t/(100 m²)；提出可将单位施工面积建筑垃圾产生量22 t/(100 m²)作为我国大城市建筑垃圾产生量预测依据。

(3) 香港城市建筑垃圾增长与人均GDP之间表现为先上升后下降的倒U型曲线，有较明显的环境库兹涅茨曲线特点，大陆城市则基本表现为线性上升的曲线，目前可能处于环境库兹涅茨曲线的前半段。

(4) 限于数据来源，本研究对中国上海、香港、北京和广州这4个大城市进行对比分析，未能更多地包括其他处于不同建设阶段的城市，更为广泛意义的城市建筑垃圾有待进一步研究。所提出的单位施工面积建筑垃圾产生量预测标准可能由于调研案例有限，需要更多案例进一步佐证。此外，本研究内容时间序列较短，更长时间序列的统计学研究有助于进一步提高结论精确度。

参考文献：

[1] 陈永杰, 张星海. 建筑垃圾包围北京[N]. 北京科技报, 2011-11-28(第017版).

CHEN Yongjie, ZHANG Xinghai. Surrounded by construction waste in Beijing[N]. Beijing Science and Technology News, 2011-11-28(017 Version).

[2] Hsiao T Y, Huang Y T, Yu Y H, et al. Modeling materials flow of waste concrete from construction and demolition wastes in Taiwan[J]. Resources Policy, 2002, 28: 39-47.

[3] 李平. “四化”管理深圳建筑垃圾[J]. 市政技术, 2007, 21: 34-36.

LI Ping. Construction waste management of “four modernizations” in Shenzhen[J]. The Civil Construction Technology, 2007, 21: 34-36.

[4] 宋鹏臣, 姚建, 苏维, 等. 中国固体废弃物增长与经济增长的数量关系分析[J]. 环境科学与管理, 2007, 32(9): 72-75.

SONG Pengchen, YAO Jian, SU Wei, et al. Study on the quantity relations between the growth of slid waste and the economy of China[J]. Environmental Science and Management, 2007, 32(9): 72-75.

[5] 李国华, 王志宪, 刘法光. 青岛市工业固体废弃物库兹涅茨曲线特征及对策研究[J]. 广西轻工业, 2011(7): 84-85.

LI Guohua, WANG Zhixian, LIU Faguang. EKC characteristics of industrial solid waste and countermeasures in Qingdao[J]. Guangxi Journal of Light Industry, 2011(7): 84-85.

[6] LIU Chen, WU Xinwu. Factors influencing municipal solid waste generation in China: A multiple statistical analysis study[J]. Waste Management & Research, 2011, 29(4): 371-378.

[7] ZHANG Zilong, CHEN Xingpeng, YANG Jing, et al. Dynamic changes of the relationships between economic growth and environmental pressure in Gansu Province: A structural decomposition analysis[J]. The Journal of Applied Ecology, 2010, 21(2): 429-433.

[8] MAO Jiansu, YANG Zhifeng, LU Zhongwu, et al. The relationship between industrial development and environmental impacts in China[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2007, 43(6): 744-751.

[9] Khajuria A, Matsui T, Machimura T, et al. Decoupling and Environmental Kuznets Curve for municipal solidwaste generation: Evidence from India[J]. International Journal of Environmental Sciences, 2012, 2(3): 1670-1674.

[10] Atasoylu G, Evci E D, Kaya E, et al. The household garbage in the western coast region of Turkey and its relationship with the socio-economic characterstics[J]. Jounal of Environmental Biology, 2007, 28(2): 225-229.

[11] 胡刚, 宋慧. 基于Mann-Kendall的济南市气温变化趋势及突变分析[J]. 济南大学学报, 2012, 26(1): 96-101.

HU Gang, SONG Hui. Analysis of air-temperature variation trend and abrupt change in Jinan based on Mann-Kendall test[J]. Journal of University of Jinan, 2012, 26(1): 96-101.

[12] Unal Y S, Deniz A, Toros H, et al. Temporal and spatial patterns of precipitation variability for annual, wet, and dry seasons in Turkey[J]. International Journal of Climatology, 2012, 32(3): 392-405.

[13] Hamed K H. Trend detection in hydrologic data: The Mann–Kendall trend test under the scaling hypothesis[J]. Journal of Hydrology, 2008, 349(3/4): 350-363.

[14] Chang H. Spatial analysis of water quality trends in the Han River basin, South Korea[J]. Water Research, 2008, 42(13): 3285-3304.

[15] 陆宁, 李萍, 陆路, 等. 西安市建筑垃圾年产量的未来趋势研究[J]. 价值工程, 2009(8): 1-3.

LU Ning, LI Ping, LU Lu, et al. The research of constructing wastage annual yield in future trends of Xi’an City[J]. Value Engineering, 2009(8): 1-3.

[16] 我国城市建筑垃圾处置和管理现状调研报告[R]. 上海: 上海市环境工程设计科学研究院有限公司, 2011.

Investigation report of disposal and management about urban construction waste in China[R]. Shanghai: Academy of Environmental Engineering Research Institute in Shanghai, 2011.

[17] 周茜. 中国区域经济增长对环境质量的影响: 基于东、中、西部地区环境库兹涅茨曲线的实证研究[J]. 统计与信息论坛, 2011, 26(10): 45-51.

ZHOU Qian. The effects of China’s regional economic growth on the environmental quality: Based on the empirical study of eastern, central and western Kuznets Curve[J]. Statistics & Information Forum, 2011, 26(10): 45-51.

(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-07-19；修回日期：2012-10-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41101550)；上海科委科技攻关专项(10231202000)；上海市重点学科三期项目(S30109)

通信作者：赵军(1981-)，男，安徽巢湖人，博士，讲师，从事环境规划与管理研究；电话：021-66137745；E-mail: junzhao@shu.edu.cn