楊 月，仇亞琴，王喜峰，劉海瀅，張 杰，李海明，朱厚華

(1.天津科技大學(xué)濱海地下水利用與保護(hù)研究室，天津 300450；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038;3.中國(guó)社會(huì)科學(xué)研究院數(shù)量經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100732；4.水利部水資源管理中心，北京 100053)

水資源、能源是人類生存、社會(huì)穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。水資源短缺問(wèn)題一直是我國(guó)重要的社會(huì)問(wèn)題，社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求不斷上升，我國(guó)不斷提升水資源配置的管理能力來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的水資源問(wèn)題，而隱含在商品中的水資源轉(zhuǎn)移作為水資源配置的重要途徑之一，在一定程度上緩解了我國(guó)大部分產(chǎn)業(yè)的需水問(wèn)題[2]。能源是人民生活所必不可缺的燃料和動(dòng)力來(lái)源[3]。了解隱含在產(chǎn)業(yè)部門中水資源和能源的流向是研究水資源和能源配置的重要途徑之一[4]。黑龍江省擁有豐富的煤炭、電力、石油、天然氣等能源，分析黑龍江省各產(chǎn)業(yè)部門的虛擬水和虛擬能源流向可以緩解黑龍江省大部分產(chǎn)業(yè)的需水和用能問(wèn)題?；谔摂M水足跡和能源足跡研究黑龍江省水資源和能源在生產(chǎn)中各行業(yè)間的具體消耗和傳輸情況，對(duì)于緩解黑龍江省的水資源短缺和解決能源浪費(fèi)問(wèn)題具有重要的意義。

目前水足跡的研究大多集中于虛擬水足跡的占比、強(qiáng)度以及貿(mào)易情況。投入產(chǎn)出法是Leontief提出的運(yùn)用部門之間的價(jià)值關(guān)系來(lái)分析各部門在生產(chǎn)及消費(fèi)過(guò)程的虛擬水足跡[5]，為節(jié)水政策提供依據(jù)。孫才志等利用投入產(chǎn)出表對(duì)中國(guó)多個(gè)省份灰水足跡及轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行了研究[6]；商慶凱等對(duì)青海省各類水足跡指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算[7]；孫思奧、王艷陽(yáng)等基于投入產(chǎn)出表，測(cè)算了京津冀等地的水足跡及北京市水足跡狀況[8-9]；黃曉榮、龍愛(ài)華等運(yùn)用投入產(chǎn)出方法分析了寧夏虛擬水輸出量和水資源的消費(fèi)利用狀況[10-11]。

能源問(wèn)題運(yùn)用投入產(chǎn)出模型研究中，王敏敏[12]運(yùn)用投入產(chǎn)出法分析了陜西省能源產(chǎn)業(yè)與其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的前向和后向關(guān)聯(lián)關(guān)系；中國(guó)投入產(chǎn)出課題組[13]分析了我國(guó)能源部門與國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門之間的產(chǎn)業(yè)關(guān)系；姜朗[14]比較各行業(yè)的直接能源消耗和真實(shí)能源消耗數(shù)據(jù)分析我國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈間能源消耗轉(zhuǎn)移情況。

然而，只分析單一行業(yè)的總體水足跡與能源消耗，無(wú)法掌握該行業(yè)在各產(chǎn)業(yè)部門中水資源和能源足跡，以及水資源和能源在該部門所發(fā)揮的作用；且現(xiàn)有的研究只能識(shí)別出水資源和能源消耗較大的重點(diǎn)部門，無(wú)法掌握如何提高利用水資源和能源消耗的部門[15-17]。為此，本研究基于投入產(chǎn)出法分析黑龍江省水資源和能源在最終消費(fèi)過(guò)程的足跡，為黑龍江省的節(jié)水節(jié)能政策提供依據(jù)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

黑龍江省水資源和能源現(xiàn)狀顯示，該省各產(chǎn)業(yè)部門在消費(fèi)過(guò)程中消耗了大量的水資源和能源，其產(chǎn)業(yè)部門內(nèi)的虛擬水和虛擬能源也間接流入其他產(chǎn)業(yè)部門?；谕度氘a(chǎn)出分析法研究黑龍江省各產(chǎn)業(yè)部門虛擬水足跡和能源足跡在最終消費(fèi)過(guò)程的流向，以更好地利用水資源和能源，提高利用率。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以黑龍江省2012年投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，農(nóng)業(yè)用水來(lái)自于《2012年黑龍江省水資源公報(bào)》；工業(yè)和服務(wù)業(yè)下的產(chǎn)業(yè)部門用水基于工業(yè)用水及城鎮(zhèn)公共用水以及投入產(chǎn)出表中水的生產(chǎn)和供應(yīng)在各部門的供應(yīng)比例；能源消耗數(shù)據(jù)來(lái)源于《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒(2013年)》中的分行業(yè)能源消費(fèi)量表。

1.2 基于投入產(chǎn)出的水資源和能源消耗模型

投入產(chǎn)出模型是反映國(guó)民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)各部門之間的投入與產(chǎn)出依存關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。水資源和能源投入產(chǎn)出表是在原始價(jià)值型投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上加入各部門的用水量和能源消耗量，計(jì)算單位最終需求的完全水資源和能源使用量，包括一個(gè)產(chǎn)業(yè)中直接消耗的水資源和能源量和這個(gè)產(chǎn)業(yè)其他投入中的間接水資源和能源使用量[18-19]。簡(jiǎn)化的價(jià)值型投入產(chǎn)出見(jiàn)表1。總產(chǎn)出

表1 投入產(chǎn)出

(1)

式中，xij為i部門產(chǎn)品提供給j部門產(chǎn)品作為生產(chǎn)消耗的量；Yi為i部門最終使用的量。

運(yùn)用投入產(chǎn)出模型分析黑龍江省消費(fèi)階段的水足跡和能源足跡[20]。直接耗水系數(shù)和完全耗水系數(shù)與直接耗能系數(shù)和完全耗能系數(shù)常被用于投入產(chǎn)出法水足跡和能源足跡研究中，來(lái)表示各部門新鮮使用量和流入虛擬量之間的關(guān)系。

(1)直接消耗系數(shù)

A=(aij)，aij=xij/Xjj=1，2，…，n

(2)

式中，A為直接消耗矩陣；aij為直接消耗系數(shù)；xij為i部門向j部門的中間投入；Xj為j部門生產(chǎn)時(shí)要消耗i部門的價(jià)值量。

(2)直接耗水/耗能系數(shù)

σ=(σi)，σi=Bi/Xj

(3)

ε=(εi)，εi=Ci/Xj

(4)

式中，σ為直接耗水系數(shù)矩陣；σi為i部門的直接耗水系數(shù)；Bi為i部門的用水量；ε為直接耗能系數(shù)矩陣；Ci為i部門消耗的能源量。

(3)完全耗水/耗能系數(shù)

δ=(δi)，δi=∑σ[I-A]-1

(5)

?=?i，?i=∑ε[I-A]-1

(6)

式中，δ為完全耗水系數(shù)矩陣；δi為i部門的完全耗水系數(shù)；I為單位矩陣；?為完全耗能系數(shù)矩陣；?i為i部門的完全耗能系數(shù)。

(4)總水足跡與能源足跡

WS=δYA+δYB+δYC+δYD+δYE

(7)

Es=?YA+?YB+?YC+?YD+?YE

(8)

式中，Ws為最終消費(fèi)虛擬水足跡；YA、YB、YC、YD、YE分別為農(nóng)村居民最終消費(fèi)、城鎮(zhèn)居民最終消費(fèi)、政府最終消費(fèi)、資本形成總額和出口矩陣；Es為基于最終消費(fèi)的完全能源消耗量。

(5)某產(chǎn)品消費(fèi)的虛擬水量與能源量

Wj=δjPj

(9)

Ej=?jPj

(10)

式中，Wj為j產(chǎn)品消耗的虛擬水量；δj為j部門的完全耗水系數(shù)；Pj為j產(chǎn)品的消費(fèi)額。Ej為j產(chǎn)品消耗的虛擬能源量；?j為j部門的完全耗能系數(shù)。

(6)行業(yè)水資源轉(zhuǎn)移率λ與能源轉(zhuǎn)移率η反映某一行業(yè)通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移給另外行業(yè)的比率[21]。有

λ=(W-B)/(W+B)
η=(E-C)/(E+C)

(11)

式中，B為直接水資源消耗量；C為直接能源消耗量。

2 結(jié)果與討論

2.1 消耗系數(shù)

每個(gè)部門直接耗水系數(shù)占完全耗水系數(shù)的比例不同。其中，直接耗水系數(shù)占完全耗水系數(shù)60%以上的部門分別為01農(nóng)林牧漁產(chǎn)品和服務(wù)、03石油和天然氣開采產(chǎn)品、22其他制造產(chǎn)品和27水的生產(chǎn)和供應(yīng)，相應(yīng)的這4個(gè)部門的間接耗水系數(shù)低于40%，直接耗水系數(shù)越高說(shuō)明這4個(gè)產(chǎn)業(yè)部門中的水主要來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程中水資源的投入，而不是其他部門所含虛擬水的流入[22]。

2.2 水足跡和能源足跡構(gòu)成

在投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上計(jì)算2012年黑龍江省各產(chǎn)業(yè)部門的虛擬水足跡，基于最終使用的水足跡和能源足跡構(gòu)成如表2所示。

用于最終消費(fèi)水足跡較多的部門和能源足跡的部門具有內(nèi)在聯(lián)系，水資源消耗較多的部門其最終消費(fèi)能源足跡也較多。

由表2可知，農(nóng)林牧漁產(chǎn)品和服務(wù)業(yè)用于最終消費(fèi)的水足跡為72.0億m3，能源足跡為308.7萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；食品和煙草業(yè)用于最終消費(fèi)的水足跡為23.1億m3，能源足跡為201.9萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；紡織服裝鞋帽皮革羽絨及其制品業(yè)用于最終消費(fèi)的水足跡為8.3億m3，能源足跡為190.6萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；通用設(shè)備用于最終消費(fèi)的水足跡為5.1億m3，能源足跡為604.8萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；專用設(shè)備用于最終消費(fèi)的水足跡為5.8億m3，能源足跡為694.0萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；建筑業(yè)用于最終消費(fèi)的水足跡為26.8億m3，能源足跡為3 272.9萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。這些部門的用水和用能大部分進(jìn)入最終消費(fèi)中，減輕了經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中水資源和能源的使用量和消耗量[23]。

表2 基于最終消費(fèi)的水足跡與能源足跡構(gòu)成

在行業(yè)間的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)中水資源消耗從生產(chǎn)端向使用端的轉(zhuǎn)移過(guò)程不同，這是由于各行業(yè)在投入產(chǎn)出關(guān)系中所處的地位不同[24]。各產(chǎn)業(yè)部門水資源轉(zhuǎn)移率和能源轉(zhuǎn)移率見(jiàn)圖1。水資源轉(zhuǎn)移率中，部門03石油和天然氣開采產(chǎn)品，04金屬礦采選產(chǎn)品，05非金屬礦和其他礦采選產(chǎn)品，23廢品廢料，24金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理服務(wù)水資源轉(zhuǎn)移率為-1.0；部門02煤炭采選產(chǎn)品為-0.8。這些產(chǎn)業(yè)部門為滿足自身發(fā)展直接消耗了大量的水資源，但用于最終消費(fèi)的水資源較少，在生產(chǎn)過(guò)程中有大量虛擬水資源大量流入其他產(chǎn)業(yè)，為高耗水行業(yè)。部門08紡織服裝鞋帽皮革羽絨及其制品，20通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備，28建筑，42公共管理、社會(huì)保障和社會(huì)組織水資源轉(zhuǎn)移率為1.0；部門31、36、37和40水資源轉(zhuǎn)移率為0.9；部門16、17、19和41水資源轉(zhuǎn)移率為0.8。這些生產(chǎn)部門直接消耗的水資源量相對(duì)用于最終消費(fèi)的水資源量較少，為滿足自身發(fā)展在生產(chǎn)鏈中獲得了其他產(chǎn)業(yè)部門大量虛擬水資源的流入，使得這些部門在最終消費(fèi)視角下為低耗水行業(yè)[25]。

圖1 水資源和能源轉(zhuǎn)移率

在行業(yè)間的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)中能源消耗轉(zhuǎn)移過(guò)程也不同，從行業(yè)能源轉(zhuǎn)移率來(lái)看，部門05非金屬礦和其他礦采選產(chǎn)品，23廢品廢料，24金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理服務(wù)，能源轉(zhuǎn)移率為-1.0；部門04、11為-0.9；部門02為-0.8。它們直接消耗了大量的能源，但用于最終消費(fèi)的能源較少，在生產(chǎn)過(guò)程中有大量虛擬能源大量流入其他產(chǎn)業(yè)，為高耗能行業(yè)。部門08紡織服裝鞋帽皮革羽絨及其制品，16通用設(shè)備，19電氣機(jī)械和器材，20通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備，28建筑能源轉(zhuǎn)移率為1.0；部門17、21、22、42能源轉(zhuǎn)移率為0.9；部門07和40能源轉(zhuǎn)移率為0.8。這些部門直接消耗的能源量相對(duì)于用于最終消費(fèi)的能源量較少，在生產(chǎn)鏈中獲得了其他產(chǎn)業(yè)部門大量虛擬能源的流入，使得這些部門在最終消費(fèi)視角下為低耗能行業(yè)。其他部門的能源轉(zhuǎn)移率相差不大[26]。

2.3 水足跡和能源足跡流向

水足跡和能源足跡流向計(jì)算黑龍江省國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部門總產(chǎn)出前9位的部門，水足跡和能源足跡流向見(jiàn)圖2。

圖2 各部門水足跡構(gòu)成和能源足跡構(gòu)成

部門01農(nóng)林牧漁產(chǎn)品和服務(wù)輸出虛擬水中占比較大的為部門06食品和煙草與本部門，部門03石油和天然氣開采產(chǎn)品中輸出的虛擬水中占比較大的為部門11石油、煉焦產(chǎn)品和核燃料加工品和部門12化學(xué)產(chǎn)品，部門06中的虛擬水主要流向部門01和本部門，部門11中的虛擬水主要流向部門01，部門12化學(xué)產(chǎn)品中的虛擬水主要流向部門01和部門30交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政，部門25電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)中的虛擬水主要流向本部門和部門06，部門28建筑中的虛擬水主要流向本部門和部門29批發(fā)和零售，部門29批發(fā)和零售中的虛擬水主要流向部門01和部門06，部門30交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政中的虛擬水主要流向本部門、部門28和部門06。

部門01中的虛擬能源主要流向部門06與本部門，部門03中的虛擬能源主要流向部門11和部門12，部門06中的虛擬水主要流向部門01和本部門，部門11中的虛擬能源主要流向部門30和部門01，部門12中的虛擬能源主要流向本部門和部門01，部門25中的虛擬能源主要流向本部門和部門06，部門28建筑中的虛擬能源主要流向本部門和部門29，部門29批發(fā)和零售中的虛擬能源主要流向部門01和06，部門30交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政中的虛擬能源主要流向本部門、部門28和部門06。

因此，在進(jìn)行水資源和能源管理時(shí)，應(yīng)綜合考慮在相互關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過(guò)程中間接影響的復(fù)雜性，各部門輸出和輸入水足跡和能源足跡的構(gòu)成和大小，還應(yīng)特別注意部門內(nèi)部的水資源和能源反饋程度，增加生產(chǎn)過(guò)程中水資源和能源系統(tǒng)的反饋循環(huán)程度。

3 結(jié)論與建議

本文利用2012年黑龍江省投入產(chǎn)出表，加入水資源和能源使用量，分析各產(chǎn)業(yè)部門的水足跡和能源足跡構(gòu)成與流向得出以下結(jié)論：

(1)高耗水部門為02煤炭采選產(chǎn)品，03石油和天然氣開采產(chǎn)品，04金屬礦采選產(chǎn)品，05非金屬礦和其他礦采選產(chǎn)品，11石油、煉焦產(chǎn)品和核燃料加工品，13非金屬礦物制品，23廢品廢料，24金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理服務(wù)；同時(shí)這些部門也是高耗能部門。部門01農(nóng)林牧漁產(chǎn)品及服務(wù)屬于高耗水部門，消耗能源相對(duì)較少。高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)16通用設(shè)備，17專用設(shè)備，18交通運(yùn)輸設(shè)備，19電氣機(jī)械和器材，20通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備，21儀器儀表屬于低耗水耗能產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)中流入了大量其他部門的虛擬水和虛擬能源。

(2)部門01農(nóng)林牧副漁產(chǎn)品和服務(wù)業(yè)的虛擬水和能源主要流向部門06與本部門，部門03石油和天然氣開采產(chǎn)品中的虛擬水和能源主要流向部門11和部門12，部門06食品和煙草中的虛擬水和能源主要流向部門01和本部門，部門11石油、煉焦產(chǎn)品和核燃料加工品中的虛擬水和能源主要流向部門01，部門12化學(xué)產(chǎn)品中的虛擬水和能源主要流向部門01和部門30，部門25電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)中的虛擬水和能源主要流向本部門和部門06，部門28建筑中的虛擬水和能源主要流向本部門和部門29，部門29批發(fā)和零售中的虛擬水和能源主要流向部門01和部門06，部門30交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政中的虛擬水和能源主要流向本部門、部門28和部門06。產(chǎn)業(yè)部門間虛擬水流向與虛擬能源流向基本一致。產(chǎn)業(yè)部門之間水資源和能源的相互聯(lián)系影響了水資源和能源的合理利用[27]。因此，在進(jìn)行水資源和能源管理時(shí)，應(yīng)從消費(fèi)角度共同衡量部門間水資源和能源的相互轉(zhuǎn)移，注意部門內(nèi)部的水資源和能源反饋程度，節(jié)水和節(jié)能政策也應(yīng)充分考慮上下部門之間的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，也需考慮高耗水部門與高耗能部門之間的聯(lián)系。