徐一劍,張?zhí)熘?(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 100084)

隨著資源環(huán)境問題日益凸顯,加快進(jìn)行循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的要求在我國越來越為迫切.而諸多資源、環(huán)境問題的癥結(jié)是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝出現(xiàn)了問題.物質(zhì)代謝過程中所產(chǎn)生的資源(包括能源)流、產(chǎn)品流、廢物流統(tǒng)稱為物質(zhì)流.在對未來的循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃時(shí),其核心與關(guān)鍵是對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝過程及其伴隨的物質(zhì)流進(jìn)行調(diào)控.通過這種調(diào)控分析,為減小經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對其外部的資源、環(huán)境壓力提供信息支持.

對于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)物質(zhì)代謝的分析研究,國際上已基本形成了從整體上描述經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與其外部環(huán)境的物質(zhì)流輸入輸出的核算框架(EWMFA)[1-4].但這一核算框架是黑箱模型,無法進(jìn)一步分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)代謝依存關(guān)系.為克服這一缺陷,國際上有少數(shù)國家,如德國、丹麥和奧地利等開始了國家層面物質(zhì)投入產(chǎn)出表(PIOT)的編制研究[5-12].但這方面的研究目前仍處于起步階段,且在 PIOT的設(shè)計(jì)編制及核算應(yīng)用上尚未形成一致的方法學(xué).作者曾開發(fā)了基于三維PIOT的物質(zhì)流分析模型[13],并在義馬市得到了較好的應(yīng)用[14].但是,與國際上已有的模型類似,這一模型仍主要側(cè)重于核算與評價(jià)功能.如果要對未來的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃,即對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝過程進(jìn)行調(diào)控分析,則需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)的物質(zhì)代謝調(diào)控模型.

與國際上已有的PIOT不同的是,作者開發(fā)的物質(zhì)流分析模型是以混合單位而不是以單一的質(zhì)量單位來對產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)量的.這一設(shè)計(jì)有利于完整地記錄經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)所有的物質(zhì)流,但同時(shí)也給開發(fā)調(diào)控模型帶來了一定的困難.主要問題在于實(shí)際的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,可能存在著同一部門的產(chǎn)品(或可區(qū)分為主、副產(chǎn)品)計(jì)量單位不同的情況.這是在國際上已有的PIOT編制和傳統(tǒng)的價(jià)值型投入產(chǎn)出表編制中未曾出現(xiàn)的問題.尤其是在循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃中,廢棄物的循環(huán)利用是一個(gè)必須加以關(guān)注的重要內(nèi)容.被循環(huán)利用的廢棄物同樣也是一種關(guān)聯(lián)著不同部門的重要物質(zhì)流,它可被看作是一種產(chǎn)品,或看作是一種副產(chǎn)品.當(dāng)同一行業(yè)的產(chǎn)品計(jì)量單位不一致時(shí),行平衡關(guān)系就不復(fù)存在,也就無法建立基于投入產(chǎn)出行模型[15]的物質(zhì)代謝調(diào)控模型,因此需要進(jìn)行特殊處理之后才能建立調(diào)控模型,從而為循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃服務(wù).本研究即嘗試?yán)谩柏?fù)投入法”對這一問題加以解決.

1 研究方法

1.1 負(fù)投入法的理論探討

負(fù)投入法也稱“斯通法”,是處理投入產(chǎn)出分析中副產(chǎn)品問題的主要方法之一,一般在價(jià)值型投入產(chǎn)出表中使用.該方法以負(fù)投入的形式來反映副產(chǎn)品的產(chǎn)出,因而能夠在主產(chǎn)品列中準(zhǔn)確地反映主產(chǎn)品和副產(chǎn)品之間的技術(shù)關(guān)系.但也存在著如下的2個(gè)缺點(diǎn):一是主產(chǎn)品產(chǎn)量的增加會引起副產(chǎn)品供應(yīng)量的增加,但對副產(chǎn)品需求的增加卻不會調(diào)整主產(chǎn)品的供應(yīng)量.二是主、副產(chǎn)品部門的產(chǎn)值中都沒有包括副產(chǎn)品的價(jià)值[16-17].

雖然負(fù)投入法一般在價(jià)值型投入產(chǎn)出表中使用,但是在以實(shí)物量計(jì)量的PIOT中,也完全可以用這一思路和方法來解決同一部門產(chǎn)品計(jì)量單位不同的問題.由于將主、副產(chǎn)品分在不同的2個(gè)部門,因而就可以用不同的計(jì)量單位分別計(jì)量各自的產(chǎn)品,投入產(chǎn)出表中的行平衡關(guān)系就依然能夠得到維持,上述的問題也就得到解決.

在循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃中,負(fù)投入法所涉及的一般是有關(guān)廢棄物循環(huán)利用的問題.在這種情況下,相關(guān)的副產(chǎn)品一般是進(jìn)行循環(huán)利用的廢棄物,與傳統(tǒng)概念中的副產(chǎn)品略微有所不同.在一定的技術(shù)水平下,廢棄物的產(chǎn)生量與主產(chǎn)品的產(chǎn)量有關(guān),但只有被循環(huán)利用的那部分廢棄物才是真正意義上的副產(chǎn)品,而其他未被循環(huán)利用的廢棄物仍然以廢棄物的形式向自然界排放.需要著重指出的是,對廢棄物的循環(huán)利用,其根本目的在于減少向自然界排放廢棄物的數(shù)量,而不在于產(chǎn)生更多的廢棄物來滿足其他部門生產(chǎn)的需求.所以,對于廢棄物這種相對特殊的副產(chǎn)品,其需求的增加并不必然要求調(diào)整主產(chǎn)品的供應(yīng)量.因此,對于前述的第1個(gè)缺點(diǎn),一般是可以克服的.

在 PIOT中,所有的產(chǎn)品都以實(shí)物量單位進(jìn)行計(jì)量,并不涉及價(jià)值量,所以也就沒有所謂主、副產(chǎn)品部門的產(chǎn)值中是否包括副產(chǎn)品價(jià)值的問題.所以,對于第2個(gè)缺點(diǎn),也是可以避免的.因此,用負(fù)投入法來解決同一部門產(chǎn)品計(jì)量單位不同的問題,在理論上是可行的.

1.2 負(fù)投入法的應(yīng)用基礎(chǔ)

另外需要說明的是,負(fù)投入法中的“負(fù)投入”不同于灰色投入產(chǎn)出理論中的“負(fù)投入”[18],不一定是對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)起負(fù)面推動作用的一類投入.相反地,還往往對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)起著正面的推動作用.負(fù)投入法的應(yīng)用基礎(chǔ)應(yīng)用負(fù)投入法的基礎(chǔ)是調(diào)控表,這是一種整合了三維 PIOT的總表和附表[13]中有用信息的表.總表和附表的結(jié)構(gòu)分別如表 1和表2所示,并假設(shè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)共有n個(gè)部門,m種類型的物質(zhì).總表以質(zhì)量單位計(jì)量.2張附表為特殊物質(zhì)附表(以非質(zhì)量單位計(jì)量,如電、熱、運(yùn)輸?shù)?和水附表(以質(zhì)量單位計(jì)量).

構(gòu)造調(diào)控表的過程如下:首先將總表改造成類似附表的結(jié)構(gòu)形式.總產(chǎn)出也進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,即由原來的總產(chǎn)出減去廢棄物,并扣除各行業(yè)的存量變化中非產(chǎn)品的機(jī)器設(shè)備(避免機(jī)器設(shè)備所引起的非線性問題),從而得到新的總產(chǎn)出.并且,在調(diào)控表中,“總產(chǎn)出”被稱為“總產(chǎn)品”.然后,對于用非質(zhì)量單位計(jì)量的行業(yè),將總表中這些行業(yè)所在行的信息,全部用特殊物質(zhì)附表中對應(yīng)行的信息加以替換.最后,對于供水行業(yè),將總表中供水行業(yè)所在行的信息,全部用水附表中對應(yīng)行的信息加以替換.由此得到一張新的 n個(gè)部門的投入產(chǎn)出表,即“調(diào)控表”,如表3所示.

表1 PIOT總表(k=0)及分表 (k=1,…,m)結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of main table and sub-tables of 3D-PIOT

表2 PIOT附表結(jié)構(gòu)(k=m+1, m+2)Table 2 Structure of supplementary tables of 3D-PIOT

表3 調(diào)控表的結(jié)構(gòu)Table 3 Structure of planning table of 3D-PIOT

調(diào)控表中存在著如式(1)所示的行平衡關(guān)系.行平衡關(guān)系是應(yīng)用投入產(chǎn)出行模型,進(jìn)而構(gòu)建物質(zhì)代謝調(diào)控模型的重要基礎(chǔ).

式中:Zi,j為第i個(gè)部門提供給第j個(gè)部門的中間流量; ei為第i個(gè)部門調(diào)往外地的量;為第i個(gè)部門的與產(chǎn)品相關(guān)的存量變化量; xi為第i個(gè)部門的總產(chǎn)品.

1.3 負(fù)投入法在PIOT中的應(yīng)用方法

以最典型的電力行業(yè)為例進(jìn)行說明,其他行業(yè)(如熱力、蒸汽的循環(huán)利用等)可參照進(jìn)行類似的處理.為不失一般性,假設(shè)電力為第i個(gè)部門.如果同時(shí)有多個(gè)行業(yè)存在副產(chǎn)品問題,則可按此方法逐一處理.

在電力行業(yè)中,電是電力行業(yè)的主產(chǎn)品,用能量單位計(jì)量,而循環(huán)利用的粉煤灰則是電力行業(yè)的副產(chǎn)品,用質(zhì)量單位計(jì)量.因此,把電力行業(yè)拆分為電力行業(yè)和粉煤灰行業(yè)2個(gè)行業(yè).電力行業(yè)即原來的主產(chǎn)品電力的供應(yīng)行業(yè),粉煤灰行業(yè)則是提供作為循環(huán)利用的粉煤灰(即副產(chǎn)品)的行業(yè).電力行業(yè)仍為第i個(gè)部門,將新增的粉煤灰行業(yè)列為第n+1個(gè)部門.相應(yīng)地,調(diào)控表由如表3所示的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為如表4所示的結(jié)構(gòu).

在拆分后的調(diào)控表中,從縱向上來看,粉煤灰是電力行業(yè)的一種“負(fù)投入”,但實(shí)際上電力行業(yè)是粉煤灰的來源.從橫向上來看,計(jì)作“負(fù)投入”的粉煤灰則是對其他行業(yè)的中間投入以及最終需求的來源.各行業(yè)對粉煤灰總的需求量(也即被循環(huán)利用的粉煤灰量)可以按式(2)計(jì)算得到.這一總需求量與電力行業(yè)粉煤灰的產(chǎn)生量有一定關(guān)系,也即與電力行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、原料質(zhì)量及技術(shù)水平等因素有關(guān).一般地,總需求量不宜超過電力行業(yè)粉煤灰的產(chǎn)生量.

式中:D為各行業(yè)對粉煤灰的總需求量;Zn+1,j為第n+1個(gè)部門提供給第j個(gè)部門的中間流量;en+1為第n+1個(gè)部門調(diào)往外地的量為第n+1個(gè)部門與產(chǎn)品相關(guān)的存量變化量.

表4 負(fù)投入法的調(diào)控表結(jié)構(gòu)之一Table 4 Structure I of planning table in negative input method

粉煤灰行業(yè)(即新增的“負(fù)投入”部門)的投入與產(chǎn)出之間存在著如下的規(guī)律:其他行業(yè)對粉煤灰行業(yè)的投入全部為零;粉煤灰行業(yè)產(chǎn)出的數(shù)據(jù),除對電力行業(yè)的投入存在著如式(2)所示的關(guān)系之外,其余均為原總表中電力行業(yè)所在行的數(shù)據(jù).粉煤灰行業(yè)的總產(chǎn)品在數(shù)值上為零.具體如表5所示.雖然新增了粉煤灰行業(yè),但并未破壞調(diào)控表的行平衡關(guān)系,行平衡關(guān)系依然存在.

表5 負(fù)投入法的調(diào)控表結(jié)構(gòu)之二Table 5 Structure II of planning table in negative input method

式中：Zn+1,i為第n+1個(gè)部門提供給第i個(gè)部門的中間流量(負(fù)投入);Zi,j,0為第 i個(gè)部門提供給第j個(gè)部門的中間流量;ei,0為第i個(gè)部門調(diào)往外地的量;為第i個(gè)部門與產(chǎn)品相關(guān)的存量變化量.

在應(yīng)用調(diào)控模型對未來的物質(zhì)代謝狀況進(jìn)行規(guī)劃時(shí),其核心是在規(guī)劃方案所提供的條件下,應(yīng)用投入產(chǎn)出分析的行模型[15][(式(4)]進(jìn)行計(jì)算,由原調(diào)控表計(jì)算得到新調(diào)控表.當(dāng)電力行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大或縮小時(shí),由于投入產(chǎn)出模型的線性關(guān)聯(lián)關(guān)系,作為“負(fù)投入”的粉煤灰也會相應(yīng)地按比例發(fā)生變化.但是,并不能保證這一變化與其他行業(yè)對粉煤灰需求量的變化必然一致,并且在多數(shù)情況下兩者并不一致.這時(shí),粉煤灰行業(yè)所在的這一行就不能滿足行平衡關(guān)系,需要另行處理.

式中: x為生產(chǎn)規(guī)模列向量; I為單位矩陣; A為直接消耗系數(shù)矩陣; y為最終需求列向量.

具體的處理方法是:首先,根據(jù)行模型的計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合式(2)計(jì)算確定對粉煤灰的總需求量.然后,以這一總需求量的相反數(shù)作為粉煤灰行業(yè)對電力行業(yè)的“負(fù)投入”填入新調(diào)控表中的相應(yīng)位置,使得粉煤灰行業(yè)的總產(chǎn)品為零,以保持其行平衡關(guān)系.如果對粉煤灰的總需求量小于電力行業(yè)的粉煤灰產(chǎn)生量,則電力行業(yè)粉煤灰的供應(yīng)量可以滿足需求,并且產(chǎn)生量與總需求量的差值即為電力行業(yè)所排放(或貯存)的粉煤灰量,繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算即可.如果對粉煤灰的需求超過了電力行業(yè)的粉煤灰產(chǎn)生量,就產(chǎn)生了一個(gè)缺口,要填補(bǔ)這個(gè)缺口就需要?jiǎng)佑猛甑姆勖夯屹A存量,或從外地調(diào)入粉煤灰來滿足需求.又或者重新調(diào)整其他行業(yè)對粉煤灰的需求量,使得需求量小于電力行業(yè)粉煤灰的產(chǎn)生量.在解決這一缺口問題之后,后續(xù)計(jì)算就可順利進(jìn)行.

在應(yīng)用負(fù)投入法計(jì)算得到新的調(diào)控表后,按照一定的規(guī)則可以進(jìn)一步得到新的三維PIOT,用以描述在規(guī)劃方案下經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝狀況.由此,就可以應(yīng)用文獻(xiàn)[13]中所提出的評價(jià)方法與指標(biāo)體系對這一新的物質(zhì)代謝狀況進(jìn)行評價(jià),以檢驗(yàn)規(guī)劃方案的可行性與合理性.

2 案例應(yīng)用

以河南省義馬市為例,對負(fù)投入法在循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃中的實(shí)際應(yīng)用加以說明.根據(jù)數(shù)據(jù)的可得性,以2002年為規(guī)劃基準(zhǔn)年,為義馬市編制了14部門的三維 PIOT,命名為 YMPIOT2002[19].在此基礎(chǔ)之上,進(jìn)行物質(zhì)代謝調(diào)控分析.調(diào)控分析的關(guān)鍵一環(huán)是由原調(diào)控表形成新調(diào)控表,因此主要介紹如何應(yīng)用負(fù)投入法計(jì)算得到新調(diào)控表,對于如何進(jìn)行調(diào)控分析僅作少量必要的說明.

2.1 調(diào)控表的構(gòu)建

調(diào)控表的構(gòu)建基于YMPIOT2002的總表與附表[19].首先,將總表與附表的信息按前述規(guī)則進(jìn)行疊加.總表與附表中電力行業(yè)的數(shù)據(jù)有沖突,暫時(shí)先用附表的數(shù)據(jù)覆蓋總表的數(shù)據(jù),從而得到一張新的14部門的投入產(chǎn)出表(即調(diào)控表),如表6所示.

然后,用負(fù)投入法對電力行業(yè)的粉煤灰進(jìn)行處理.從基準(zhǔn)年 2002年的狀況來看,電力行業(yè)共產(chǎn)生粉煤灰20.9萬t,循環(huán)利用的粉煤灰為7.1萬t,循環(huán)利用率為34.0%.其中2萬t作為對建筑業(yè)的投入,5.1萬t調(diào)往外地(屬于最終需求).按前述的方法,從總表中選取有關(guān)粉煤灰循環(huán)利用的數(shù)據(jù),對表6所示的調(diào)控表進(jìn)行改造,以滿足調(diào)控分析的需要.加入粉煤灰行業(yè)后的調(diào)控表為15部門的投入產(chǎn)出表,如表7所示.

表6 未加入粉煤灰行業(yè)的調(diào)控表Table 6 The planning table of YMPIOT 2002 before using negative input method

2.2 在情景分析中的應(yīng)用

在義馬市循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃的編制過程中,設(shè)計(jì)了幾個(gè)漸進(jìn)的情景,對義馬市未來的物質(zhì)代謝狀況進(jìn)行規(guī)劃.情景的設(shè)計(jì)采用“逐步尋優(yōu)”的方法,每個(gè)情景都是在前一情景的基礎(chǔ)上不斷地加以改進(jìn).限于篇幅,本文僅以情景一(即初始情景)為例,對負(fù)投入法在情景分析中的具體應(yīng)用加以說明.其余情景均參照此進(jìn)行.

情景一的設(shè)計(jì)原則是:根據(jù)義馬到2015年GDP比2002年翻三番的經(jīng)濟(jì)目標(biāo),結(jié)合市場前景、當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)、現(xiàn)有及未來的技術(shù)水平,假設(shè)不增加新的行業(yè),但現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)全部達(dá)到所希望的最大生產(chǎn)規(guī)模,同時(shí)生產(chǎn)技術(shù)水平、廢棄物綜合利用水平基本維持現(xiàn)狀.根據(jù)這一原則,設(shè)定各行業(yè)的發(fā)展規(guī)模、最終需求、技術(shù)水平等參數(shù)的取值.其中,電力行業(yè)得到極大的發(fā)展,發(fā)電量由原來的每年 5.8億 kWh擴(kuò)大到每年160億kWh.

基于以上的情景設(shè)計(jì),首先以表7為基礎(chǔ),用式(4)所示的投入產(chǎn)出分析行模型進(jìn)行計(jì)算,得到情景一的新調(diào)控表的初步結(jié)果.然后,對粉煤灰的實(shí)際需求量進(jìn)行核定.根據(jù)行模型計(jì)算結(jié)果,粉煤灰行業(yè)對電力行業(yè)的負(fù)投入是-194.6萬t,這是由于電力行業(yè)規(guī)模急劇擴(kuò)張,根據(jù)原有的投入產(chǎn)出比例關(guān)系,“負(fù)投入”的粉煤灰量也急劇增加.而由式(1)計(jì)算得到其他部門對粉煤灰的實(shí)際需求量總和是8.0萬t.這表明實(shí)際的需求量遠(yuǎn)達(dá)不到194.6萬t規(guī)模,原有的粉煤灰行業(yè)對電力行業(yè)的投入產(chǎn)出比例關(guān)系已經(jīng)不能反映新的實(shí)際情況.因此,在新的調(diào)控表中,粉煤灰行業(yè)對電力行業(yè)的“負(fù)投入”量應(yīng)為實(shí)際總需求量的相反數(shù),即-8.0萬t.新調(diào)控表的最終結(jié)果如表8所示.

表7 加入粉煤灰行業(yè)后的調(diào)控表Table 7 The planning table of YMPIOT2002 after using negative input method

在得到新的調(diào)控表后,可在此基礎(chǔ)上生成新的三維 PIOT,計(jì)算出物質(zhì)代謝過程中各種物質(zhì)流的流量與流向,其中包括各種資源的消耗量和污染物的排放量等.由此,可對情景一中經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)代謝狀況進(jìn)行分析評價(jià).結(jié)果表明,由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)張過大,導(dǎo)致物質(zhì)代謝的規(guī)模過大,尤其是用水量、 廢棄物排放量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的承載能力,將給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力.例如,電力行業(yè)粉煤灰的產(chǎn)生量達(dá)到469.6萬t,而循環(huán)利用率僅為1.7%.這意味著將有461.6萬t粉煤灰向環(huán)境排放,為基準(zhǔn)年排放量的 37.8倍.這充分說明情景一所對應(yīng)的規(guī)劃方案不可取,需要用后續(xù)方案針對在情景一中暴露出來的問題逐步加以改進(jìn),直至達(dá)到最優(yōu)或相對最優(yōu)的規(guī)劃方案.

表8 情景一中的新調(diào)控表Table 8 The new planning table in scenario 1

3 結(jié)論

3.1 用負(fù)投入法解決了 PIOT中同一行業(yè)的產(chǎn)品計(jì)量單位不一致的問題,對于構(gòu)建物質(zhì)代謝調(diào)控模型具有重要意義.在PIOT中,負(fù)投入法仍能夠準(zhǔn)確地反映主產(chǎn)品和副產(chǎn)品之間的技術(shù)關(guān)系.而負(fù)投入法在價(jià)值型投入產(chǎn)出表中的2個(gè)缺點(diǎn),在PIOT的應(yīng)用中都是可以克服的.

3.2 在PIOT中應(yīng)用負(fù)投入法的基礎(chǔ)是調(diào)控表.調(diào)控表是一種按照一定規(guī)則構(gòu)建,整合了三維PIOT的總表和附表中有用信息的表.在具體應(yīng)用中,要處理好由投入產(chǎn)出分析行模型計(jì)算所得的“負(fù)投入”量與實(shí)際的總需求量之間的關(guān)系,以及副產(chǎn)品的需求量與供應(yīng)量之間的關(guān)系.

3.3 以義馬市循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃為例,對負(fù)投入法的應(yīng)用加以說明.負(fù)投入法在物質(zhì)代謝調(diào)控分析中起到了重要作用,為義馬市的循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃提供了決策支持.案例分析表明了負(fù)投入法在循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃中的可行性與實(shí)用性.

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