王 菲,曹永強(qiáng),范帥邦

1 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,大連 116029 2 東北財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院,大連 116025

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀決定了2060年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”任務(wù)的艱巨。水資源和能源是人類(lèi)賴(lài)以生存最重要的兩類(lèi)自然資源[1],“十三五”時(shí)期中國(guó)能源供應(yīng)能力顯著增強(qiáng),一次能源生產(chǎn)量連續(xù)五年位居世界第一,水資源儲(chǔ)量亦相當(dāng)豐富[2]。隨著工業(yè)化的深入發(fā)展,水資源、能源開(kāi)發(fā)不僅成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最大阻礙因素,也是溫室氣體產(chǎn)生的主要來(lái)源。水資源、能源之間是相互獨(dú)立、依存、制約的復(fù)雜多層次系統(tǒng)。一方面,在礦產(chǎn)開(kāi)采、加工、精煉,化石能源廢棄物處理以及種植生物燃料作物等一系列能源開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生大量碳排放、消耗巨大水資源；另一方面,水資源的開(kāi)采、輸送、供給、加工過(guò)程也必然釋放CO2、消耗一定的能源[3],兩者相互制約,已然成為當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的阻礙因素?？茖W(xué)認(rèn)知水-能源的復(fù)雜聯(lián)動(dòng)關(guān)系、轉(zhuǎn)換機(jī)制、流通規(guī)律等對(duì)于貫徹習(xí)近平總書(shū)記重要講話精神,落實(shí)《東北全面振興“十四五”實(shí)施方案》,實(shí)現(xiàn)東北三省供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,解決水資源-能源優(yōu)化互補(bǔ)性問(wèn)題具有重要意義。

水-能源紐帶關(guān)系的定量研究是開(kāi)展系統(tǒng)間關(guān)系、國(guó)家政策制定、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。國(guó)外有關(guān)水資源-能源紐帶關(guān)系的研究較早且更為深入。相關(guān)研究可以歸納為以下幾個(gè)角度：一是量化水循環(huán)過(guò)程中的能耗,能源循環(huán)中的水耗問(wèn)題；二是探究在未來(lái)情景模式下的內(nèi)在聯(lián)系；三是尋求節(jié)能節(jié)水的最佳途徑；四是水資源-能源政策的雙向優(yōu)化調(diào)整。Mekonnen等[4]借助生命周期法并參考其他學(xué)者文獻(xiàn)得出,全球每年電力及熱力生產(chǎn)過(guò)程依賴(lài)的主要來(lái)源中,生物質(zhì)能與水電的水足跡最大,而風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源水足跡較??；Denooyer[5]等以伊利諾伊州為研究區(qū),借助ArcGIS軟件,將燃料由煤炭轉(zhuǎn)向天然氣,發(fā)現(xiàn)該做法使得全州用水量減少108m3/a,以尋求節(jié)能同時(shí)達(dá)到節(jié)水的目的。Shrestha等[6]為評(píng)估氣候變化對(duì)尼泊爾庫(kù)勒卡尼水電項(xiàng)目的影響,在三種未來(lái)氣候變化情境下采用線性縮放法對(duì)ACCESS,CNRM和MPI等三個(gè)區(qū)域氣候模型(RCM)進(jìn)行了偏差校正,試圖通過(guò)水庫(kù)管理來(lái)更好的應(yīng)對(duì)氣候變化,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的水電發(fā)展。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)相關(guān)研究取得顯著成果。孫才志[7]等基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,模擬中國(guó)西南地區(qū)水-能源發(fā)展并進(jìn)行仿真預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水-能源紐帶關(guān)系呈優(yōu)化趨勢(shì),在綜合節(jié)水節(jié)能的情景下更有利于經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展；Wang等[8]對(duì)北京市行業(yè)間混合水流混合能流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,結(jié)果表明制造業(yè)-農(nóng)業(yè)是混合能源流通最大的部門(mén),農(nóng)業(yè)-制造業(yè)、制造業(yè)-建筑是混合水流通最大的部門(mén)；Zhou等[9]構(gòu)建多行業(yè)動(dòng)態(tài)均衡模型,模擬政策及稅率發(fā)生變化時(shí)的能源-水資源變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)化石能源需求量減少時(shí),能源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

化石能源燃燒產(chǎn)生的巨大碳排放量是溫室氣體的主要來(lái)源。東北三省作為我國(guó)老工業(yè)基地,長(zhǎng)期以來(lái)處于不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之中,能源行業(yè)“供需錯(cuò)位”結(jié)構(gòu)性失衡,加之國(guó)內(nèi)及本地能源需求量巨大,由傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的水資源消耗也高居不下。此外,新能源快速發(fā)展帶來(lái)的用水量增加也是不容忽視的問(wèn)題。鑒于此,本文為厘清東北三省能源結(jié)構(gòu),從省級(jí)尺度出發(fā),以部門(mén)為單元分三個(gè)層次量化水資源和能源之間的紐帶關(guān)系,將研究結(jié)果聚焦在地區(qū)及農(nóng)業(yè)等重點(diǎn)部門(mén)領(lǐng)域,分析虛擬水-能足跡的流通格局,并在此基礎(chǔ)上耦合多源數(shù)據(jù)建立區(qū)域水-能源網(wǎng)絡(luò)特征模型,以期為促進(jìn)“雙循環(huán)”發(fā)展格局的建立、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)、緩解水-能源緊張局面提供理論參考[10]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

東北三省即黑、吉、遼三個(gè)省級(jí)行政區(qū)。該研究區(qū)位于中國(guó)東北部,處于118.88°—135.08°E,38.72°—53.55°N之間,溫帶季風(fēng)氣候,地形以平原、山地為主,降水量自東向西遞減[11]。主要有松花江、遼河、鴨綠江等主要河流,多年平均河川徑流總量為1653×108m3。改革開(kāi)放后,東北三省經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速整體下滑并落后于全國(guó)平均水平,2017年統(tǒng)計(jì)資料顯示,東北三省能源缺口達(dá)到24813.6tce[12]。實(shí)施東北振興政策后,其經(jīng)濟(jì)發(fā)展迎來(lái)了全新的局面。東北三省地理位置及水資源-能源關(guān)系詳見(jiàn)圖1。

本文研究數(shù)據(jù)選自2017年中國(guó)地區(qū)投入產(chǎn)出表(42部門(mén))(http://www.ceads.net/),根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的《三次產(chǎn)業(yè)劃分規(guī)定》和各部門(mén)的屬性,對(duì)投入產(chǎn)出表中的42部門(mén)進(jìn)行分類(lèi)合并成16個(gè)部門(mén),水資源部門(mén)數(shù)據(jù)來(lái)源如表1所示,其中工業(yè)各部門(mén)用水?dāng)?shù)據(jù)參考Fan等[13]和劉雅婷等[14]的研究,以上數(shù)據(jù)根據(jù)三省2017年水資源公報(bào)中提供的用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正,所得結(jié)果會(huì)與實(shí)際用水量存在些許出入,但對(duì)數(shù)據(jù)整體分析影響不大。能源生產(chǎn)及消費(fèi)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒[15]及黑吉遼三省統(tǒng)計(jì)年鑒。

能源隱含水即一次能源生產(chǎn)及加工過(guò)程中消耗的水資源量,能源相關(guān)的水主要分為煤、石油、天然氣、水電消費(fèi)使用的水[17],水資源隱含能主要包括供水、用水和廢水處理消耗的能源[18],相關(guān)消費(fèi)可通過(guò)部門(mén)直接水資源(能源)消費(fèi)和相應(yīng)的單位水資源能耗(單位能源生產(chǎn)耗水量)計(jì)算,本研究相關(guān)指標(biāo)的選取和估算結(jié)果參考洪思揚(yáng)等[19]的研究,單位能源生產(chǎn)耗水量及各類(lèi)水資源的單位能耗量見(jiàn)表2。

表2 單位能源生產(chǎn)耗水量以及各類(lèi)水資源的單位能耗量

1.2 研究方法

1.2.1區(qū)域資源-經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出模型

區(qū)域資源-經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出模型是指在投入產(chǎn)出表中,投入按縱向排列,產(chǎn)出按橫向排列構(gòu)成的平衡矩陣,反映了經(jīng)濟(jì)部門(mén)間商品生產(chǎn)與物料交換之間的關(guān)系[20]。本文運(yùn)用該模型研究東北三省部門(mén)間虛擬水足跡、虛擬能源足跡及其在空間流通變化情況。

直接消耗系數(shù)矩陣[21]：

(1)

式中：A為直接消耗系數(shù)矩陣,aij為單位直接消耗系數(shù),Xij為投入產(chǎn)出表中i部門(mén)向j部門(mén)的直接經(jīng)濟(jì)投入量,Xj為部門(mén)的總產(chǎn)出量,單位均為萬(wàn)元。

完全消耗系數(shù)矩陣(B)：也叫Leontief逆矩陣,表示部門(mén)每增加單位最終產(chǎn)品的直接消耗和間接消耗,也包括了最終產(chǎn)品本身。其計(jì)算公式如下：

B=[I-A]-1=[bij]

(2)

式中：I為單位矩陣,bij為單位完全消耗系數(shù)。

水足跡指的是一個(gè)國(guó)家、地區(qū)或一個(gè)人在一定時(shí)期內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源總量,相關(guān)系數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[22—25]。從2017年投入產(chǎn)出表中我們可以看出,最終使用包括農(nóng)村居民消費(fèi)、城鎮(zhèn)居民消費(fèi)、政府消費(fèi)、資本形成和出口五種消費(fèi)途徑,通過(guò)建立五種水資源消費(fèi)途徑與部門(mén)之間的聯(lián)系,以求從優(yōu)化消費(fèi)結(jié)構(gòu)的角度達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

能源足跡[26]是指某種活動(dòng)消耗的直接或間接的能源消費(fèi)量：

(3)

(4)

虛擬水(能源)足跡部門(mén)轉(zhuǎn)移矩陣,等于虛擬水(能源)矩陣與其自身轉(zhuǎn)置矩陣之差[27]。

1.2.2生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型是指利用系統(tǒng)建模,模擬系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)與結(jié)構(gòu)的模型[17],能夠表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的資源循環(huán)利用情況、評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性以及部門(mén)間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系[28]。本文主要應(yīng)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型模擬水-能源網(wǎng)絡(luò)中部門(mén)間的組分關(guān)系。

(1)屬性分析

積分流(N、N′)用于解釋在整個(gè)系統(tǒng)配置過(guò)程中一個(gè)部門(mén)對(duì)另一個(gè)部門(mén)的影響,本文選取芬恩循環(huán)指數(shù)(Finn′s Cycle Index,FCI)來(lái)量化水資源和能源系統(tǒng)中循環(huán)流量的強(qiáng)度[29]。計(jì)算公式分別如下:

(5)

(6)

(7)

式中：N為代謝物質(zhì)流的積分無(wú)量綱矩陣；G為代謝物質(zhì)流的直接無(wú)量綱矩陣；G′為代謝物質(zhì)流的間接無(wú)量綱矩陣；fij為從部門(mén)i流向部門(mén)j的能源或水；Ti為部門(mén)i的輸入或輸出；TST為整個(gè)系統(tǒng)的總輸入或總輸出。

系統(tǒng)魯棒性(System Robustness,SR)是用來(lái)表征系統(tǒng)的效率和冗余關(guān)系,通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)的上升性(A)和發(fā)展能力(C)計(jì)算SR[30]。計(jì)算公式分別如下:

(8)

(9)

(2)效用分析

本文采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中的效用分析來(lái)定量解析每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間利用和被利用的生態(tài)關(guān)系,從而判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間內(nèi)在的共生、競(jìng)爭(zhēng)、掠奪、控制或中性等生態(tài)關(guān)系[31]。

(10)

U=(uij)=D0+D1+D2+…+Dk+…+=(I-D)-1

M=S+(U)/S-(U)

(11)

式中,fij為節(jié)點(diǎn)j到i的流量,fji為節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的流量,Tj為節(jié)點(diǎn)j總流通量；U=(uij)為無(wú)量綱總效用矩陣,I是單位矩陣,矩陣D0,2…k反映了兩節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)k步的非直接流量效用；M(效用函數(shù))為共生指數(shù),S+(U)、S-(U)分別為效用矩陣中正、負(fù)效用的數(shù)量(無(wú)量綱)。

文中利用控制分配系數(shù)(Control Allocation Coefficient,CA)和依賴(lài)分配系數(shù)(Dependent Allocation Coefficient,DA)來(lái)模擬部門(mén)之間的控制和依賴(lài)關(guān)系,從而確定其關(guān)聯(lián)管理的調(diào)節(jié)路徑[17,32],具體計(jì)算分別如下：

(12)

(13)

2 結(jié)果與分析

2.1 水-能源紐帶關(guān)系分析

2.1.1直接和間接消耗核算

2017年?yáng)|北三省直接水資源消費(fèi)總量為561.97億m3(表3),其中,農(nóng)業(yè)(部門(mén)1)占比最高,為481.72億m3,達(dá)85.72%,其次為電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)(部門(mén)14)、第三產(chǎn)業(yè)(部門(mén)16),各部門(mén)直接水資源消費(fèi)量差異巨大；能源隱含水總量為30.48億m3,其中,化學(xué)工業(yè)(部門(mén)7)、電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、金屬冶煉及制品業(yè)(部門(mén)9)、第三產(chǎn)業(yè)是能源隱含水中總量最高的四個(gè)部門(mén),四個(gè)部門(mén)之和為23.68億m3,占所有部門(mén)的77.69%,這些部門(mén)的產(chǎn)品具有明顯的中間產(chǎn)品性質(zhì),為其他部門(mén)提供生產(chǎn)資料,并且消耗其他部門(mén)的產(chǎn)品,所以在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的支柱作用[30]；水資源隱含能消費(fèi)量為699.25萬(wàn)tce；直接能源消費(fèi)量為40579.95萬(wàn)tce,其中,化學(xué)工業(yè)、電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、金屬冶煉及制品業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)是能源消費(fèi)量最高的部門(mén),可以看出,以上四個(gè)部門(mén)是高耗能高耗水行業(yè),在此后發(fā)展中應(yīng)在能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中選擇低耗水開(kāi)發(fā)方式,達(dá)到低能耗的同時(shí)低水耗,實(shí)現(xiàn)水資源-能源的最優(yōu)協(xié)調(diào)。

表3 2017年?yáng)|北三省水資源、能源消費(fèi)量

2.1.2虛擬資源消耗核算

本文定義直接水資源消費(fèi)加能源隱含水消費(fèi)為“虛擬水資源”消費(fèi),將直接能源消費(fèi)加水資源隱含能消費(fèi)為“虛擬能源”消費(fèi)[33]。為探究虛擬資源消費(fèi)量在產(chǎn)業(yè)過(guò)程中的流通變化,本文通過(guò)投入產(chǎn)出表計(jì)算得到虛擬資源足跡部門(mén)轉(zhuǎn)移情況(圖2)。由圖2虛擬水足跡可知,2017年?yáng)|北三省虛擬水足跡為474.13億m3,其中,城鎮(zhèn)水足跡>資本水足跡>農(nóng)村水足跡>政府水足跡>出口水足跡,城鎮(zhèn)水足跡主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)(部門(mén)1)及其下游部門(mén)食品制造及煙草加工業(yè)(部門(mén)3),資本水足跡主要由建筑業(yè)(部門(mén)15)組成,這與該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與消費(fèi)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由虛擬能源足跡變化情況來(lái)看,2017年?yáng)|北三省虛擬能源足跡為54668.60萬(wàn)tce。其中,資本能源足跡占比最高,主要來(lái)自于建筑業(yè)能源消耗,農(nóng)村、城鎮(zhèn)、政府虛擬能源足跡最大值皆出現(xiàn)在第三產(chǎn)業(yè)(部門(mén)16)中,政府能源消費(fèi)除涉及第三產(chǎn)業(yè)外,還在農(nóng)業(yè)中出現(xiàn),且第三產(chǎn)業(yè)的政府能源足跡遠(yuǎn)大于農(nóng)業(yè)。

圖2 東北三省虛擬水、虛擬能源足跡

2.2 虛擬水-能源足跡流通特征分析

2.2.1虛擬水足跡際轉(zhuǎn)移

在圖3東北三省2017年部門(mén)轉(zhuǎn)移流通中,分別以不同顏色代表16個(gè)部門(mén),根據(jù)流量寬度,識(shí)別各個(gè)部門(mén)之間流量變化,線代表部門(mén)之間的內(nèi)蘊(yùn)水足跡流,流的方向以顏色區(qū)分,以標(biāo)識(shí)輸入來(lái)源地。東北三省第二產(chǎn)業(yè)中的大部分部門(mén)為水資源凈輸出部門(mén)。其中遼寧省農(nóng)業(yè)(部門(mén)1)是最大的虛擬水輸入部門(mén),食品制造及煙草加工業(yè)(部門(mén)3)是最大的虛擬水輸出部門(mén)。吉林省食品制造及煙草加工業(yè)為主要虛擬水凈輸入部門(mén),黑龍江省木材加工及家具制造業(yè)(部門(mén)5)為最大虛擬水凈輸入部門(mén),該省是國(guó)家重要的林業(yè)生產(chǎn)基地,森林面積占據(jù)各省之首,木材加工業(yè)發(fā)達(dá)。從部門(mén)流動(dòng)路徑來(lái)看,遼寧省輸入現(xiàn)象最明顯的路徑為食品制造及煙草加工業(yè)到農(nóng)業(yè),虛擬水足跡省際凈轉(zhuǎn)移達(dá)0.10億m3。主要是由于在水足跡輸入過(guò)程中,農(nóng)業(yè)鏈接的更多是其他地區(qū)高耗水部門(mén),在農(nóng)產(chǎn)品流入到農(nóng)業(yè)過(guò)程中,虛擬水輸入量較大,最大流量為食品制造及煙草加工業(yè)流入農(nóng)業(yè)。吉林省和黑龍江省則相反,主要為農(nóng)業(yè)到食品制造及煙草加工業(yè),省際凈轉(zhuǎn)移量為5.37億m3,主要是由于以上兩省農(nóng)產(chǎn)品以省外輸入為主,產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中多數(shù)來(lái)自其他部門(mén)的供應(yīng),也就導(dǎo)致了虛擬水由其他部門(mén)轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè),再由農(nóng)業(yè)輸出到其他部門(mén),以農(nóng)業(yè)虛擬水輸入到食品制造及煙草加工業(yè)為最多。遼寧省木材加工及家具制造業(yè)向其他部門(mén)均輸出不同數(shù)量的水資源,且所有部門(mén)均向建筑業(yè)(部門(mén)15)輸入不同數(shù)量的水資源,吉林與黑龍江省建筑業(yè)則為主要輸出部門(mén)。此外,吉林省所有部門(mén)均向交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)(部門(mén)11)輸入不同數(shù)量的水資源；黑龍江省所有部門(mén)均向木材加工及家具制造業(yè)輸入虛擬水資源。

圖3 東北三省虛擬水足跡省際轉(zhuǎn)移變化

2.2.2虛擬能源足跡轉(zhuǎn)移

從各部門(mén)能源足跡凈轉(zhuǎn)移(圖4)來(lái)看,遼寧省農(nóng)業(yè)(部門(mén)1)、化學(xué)工業(yè)(部門(mén)7)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)(部門(mén)11)、其他制造業(yè)(部門(mén)13)和建筑業(yè)(部門(mén)15)為虛擬能源凈輸入部門(mén),其他部門(mén)為虛擬能源凈輸出部門(mén),采選業(yè)(部門(mén)2)是最大的能源輸出部門(mén)。吉林省主要以建筑業(yè)、機(jī)械工業(yè)(部門(mén)10)為主要虛擬能源輸出部門(mén),金屬冶煉及制品業(yè)(部門(mén)9)為最大的虛擬能源輸入部門(mén)。黑龍江省虛擬能源凈輸出部門(mén)主要以建筑業(yè)和電氣機(jī)械及電子通信設(shè)備制造業(yè)(部門(mén)12)為主,采選業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)(部門(mén)16)為主要虛擬能源凈輸入部門(mén)。

圖4 東北三省能源足跡省際轉(zhuǎn)移變化

從部門(mén)流動(dòng)路徑來(lái)看,遼寧省輸入現(xiàn)象最明顯的路徑為采選業(yè)到化學(xué)工業(yè),虛擬能源足跡省際凈轉(zhuǎn)移達(dá)到5808.79萬(wàn)tce；此外,電氣機(jī)械及電子通信設(shè)備制造業(yè)向其他部門(mén)均輸出不同數(shù)量的能源。吉林省輸入最大路徑為建筑業(yè)到金屬冶煉及制品業(yè),虛擬能源足跡省際凈轉(zhuǎn)移達(dá)到385.98萬(wàn)tce；所有部門(mén)均向交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)輸入不同數(shù)量的能源。黑龍江省輸入現(xiàn)象最明顯的路徑為建筑業(yè)到第三產(chǎn)業(yè),黑龍江建筑業(yè)產(chǎn)品主要依靠其他省份輸入,大量能源足跡隨省外流入本省建筑業(yè)中,又由建筑業(yè)向各部門(mén)流動(dòng),其中大量能源足跡流向第三產(chǎn)業(yè)中欠發(fā)達(dá)的研究和試驗(yàn)發(fā)展業(yè)。虛擬能源足跡省際凈轉(zhuǎn)移達(dá)到243.50萬(wàn)tce；所有部門(mén)均向木材加工及家具制造業(yè)(部門(mén)5)輸入不同數(shù)量的能源。三省建筑業(yè)向其他部門(mén)均輸出不同數(shù)量的隱含能源,印證了建筑業(yè)不僅與其他部門(mén)緊密相連,而且與省外貿(mào)易往來(lái)頻繁的部門(mén)特點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合鐘曉陽(yáng)[34]的研究可知,該部門(mén)隱含能源足跡通過(guò)部門(mén)間流動(dòng)轉(zhuǎn)移到浙江、北京、江蘇等發(fā)達(dá)地區(qū)的建筑業(yè),促進(jìn)本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

綜上分析,虛擬水足跡、虛擬能源足跡輸出存在明顯部門(mén)差異性和區(qū)域差異性。東北三省虛擬水足跡在流通轉(zhuǎn)移中,最大流量在農(nóng)業(yè)與食品制造及煙草加工業(yè)之間,農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的消耗不僅體現(xiàn)在農(nóng)田灌溉、淡水養(yǎng)殖等水資源直接消耗上,還體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中間接利用的其他部門(mén)的水資源,虛擬水足跡通過(guò)產(chǎn)品形式流入到農(nóng)業(yè)部門(mén),又從農(nóng)業(yè)部門(mén)流向各部門(mén),但總體來(lái)說(shuō),農(nóng)業(yè)部門(mén)屬于虛擬水直接高消耗部門(mén),而食品制造及煙草加工業(yè)則屬于間接虛擬水高消耗部門(mén),根據(jù)中國(guó)投入產(chǎn)出學(xué)會(huì)課題組[35]研究,食品制造及煙草加工業(yè)消耗農(nóng)業(yè)的貨物與服務(wù)在生產(chǎn)中的水資源量占所有部門(mén)間接用水的95.99%,由此可見(jiàn),農(nóng)業(yè)是東北三省的基礎(chǔ)性部門(mén),與食品制造及煙草加工業(yè)緊密聯(lián)系,提高農(nóng)業(yè)用水利用效率可大大減少兩部門(mén)之間流通的虛擬水足跡。虛擬能源足跡省際流通部門(mén)主要為金屬冶煉及制品業(yè)與建筑業(yè)之間,這與東北三省經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān),通過(guò)采選業(yè)、建筑業(yè)等與之相關(guān)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng),將有關(guān)產(chǎn)品輸出到其他部門(mén)與省外；輸入能源足跡多為支柱性部門(mén),這些部門(mén)發(fā)展迅速,消費(fèi)量高,由此能源需求量巨大,需要從其他地區(qū)不斷輸入作為補(bǔ)充。

2.3 水-能源網(wǎng)絡(luò)特征分析

2.3.1水-能源屬性分析

由圖5芬恩循環(huán)指數(shù)FCL可知,東北三省水資源、能源的循環(huán)率均低于40‰,這一數(shù)值遠(yuǎn)低于生態(tài)系統(tǒng)。虛擬水資源網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率為12.67‰,較直接水網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)36.08%；分部門(mén)看,化學(xué)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)以及采選業(yè)水網(wǎng)絡(luò)循環(huán)流增長(zhǎng)最為突出,由此體現(xiàn)了水-能源耦合帶來(lái)的影響效果顯著。虛擬能源網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率總體較高,為39.62‰,遠(yuǎn)高于水資源網(wǎng)絡(luò),但耦合后效果甚微,較直接能網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)2.31%。各部門(mén)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中第三產(chǎn)業(yè)循環(huán)率最高,與各部門(mén)聯(lián)系最多。

圖5 東北三省水-能源耦合網(wǎng)絡(luò)資源循環(huán)流通-冗余情況

東北三省水資源網(wǎng)絡(luò)SR值都處于0.3—0.4之間,能源網(wǎng)絡(luò)SR值遼寧和黑龍江省在0.3—0.4之間,而吉林省能源足跡的系統(tǒng)魯棒性值介于0—0.1之間。從部門(mén)來(lái)看,農(nóng)業(yè)與建筑業(yè)能源消耗量不大,但能源循環(huán)增長(zhǎng)效果明顯,以上兩個(gè)部門(mén)在能源利用方面發(fā)展較為迅速,與其他部門(mén)聯(lián)系更加頻繁；化學(xué)工業(yè)能源消耗量最高,能源循環(huán)率較為明顯,但呈負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象。由此可以看出,東北三省部門(mén)結(jié)構(gòu)在不斷優(yōu)化調(diào)整中,但仍處于不合理狀態(tài),部門(mén)間流通水平有待提高。

2.3.2水-能源效用分析

東北三省2017年水-能源網(wǎng)絡(luò)效用矩陣如圖6所示。在三省水資源網(wǎng)絡(luò)中,遼寧省直接水資源網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系表現(xiàn)最為明顯,掠奪、控制、共生關(guān)系最弱,吉林省直接水資源網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系在三省中最弱,掠奪和共生關(guān)系最強(qiáng),黑龍江省直接水資源中控制關(guān)系最高；虛擬水資源關(guān)系與其相比,三省整體控制、共生關(guān)系提高,競(jìng)爭(zhēng)減弱,掠奪增加的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在遼寧省。在能源網(wǎng)絡(luò)效用矩陣中,三省中遼寧省競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系最強(qiáng),掠奪關(guān)系最弱,無(wú)共生關(guān)系,虛擬能源關(guān)系與直接能源保持一致；吉林省競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系最弱,控制關(guān)系最強(qiáng),虛擬能源網(wǎng)絡(luò)中共生關(guān)系明顯增加,由之前的4對(duì)達(dá)到13對(duì),競(jìng)爭(zhēng)和控制關(guān)系減少,能源系統(tǒng)呈明顯優(yōu)化狀態(tài)；黑龍江省虛擬能源網(wǎng)絡(luò)與直接能源網(wǎng)絡(luò)相比,掠奪關(guān)系有所弱化,競(jìng)爭(zhēng)、控制關(guān)系無(wú)變化,共生關(guān)系有所提高。

三省水-能源網(wǎng)絡(luò)效用矩陣關(guān)系變化情況表明,競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系是水-能源網(wǎng)絡(luò)效用矩陣關(guān)系中最主流的關(guān)系,起著極為重要的作用,這與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的步調(diào)相一致,但這種狀態(tài)的長(zhǎng)期存在會(huì)一定程度上造成生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定發(fā)展。同時(shí)共生關(guān)系的數(shù)量最少,說(shuō)明各部門(mén)之間水-能源利用的緊密性較差。

由表4東北三省共生指數(shù)變化表可知,總體來(lái)看,吉林省共生指數(shù)明顯優(yōu)于遼寧、黑龍江省,說(shuō)明吉林省水資源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性較好,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)之中；水資源耦合后,各省虛擬水資源網(wǎng)絡(luò)共生指數(shù)呈現(xiàn)不同程度增長(zhǎng),對(duì)各經(jīng)濟(jì)部門(mén)影響正向效應(yīng)顯著。直接能源網(wǎng)絡(luò)中遼寧省能源協(xié)作明顯低于其他兩省,能源經(jīng)耦合后,吉林省共生指數(shù)出現(xiàn)顯著增長(zhǎng),遼寧和黑龍江變化不明顯。從生態(tài)學(xué)角度分析,無(wú)論是水資源網(wǎng)絡(luò),還是能源網(wǎng)絡(luò),各經(jīng)濟(jì)部門(mén)間呈現(xiàn)的消極關(guān)系強(qiáng)于積極關(guān)系,水-能源的耦合對(duì)于各經(jīng)濟(jì)部門(mén)的生態(tài)關(guān)系均為正向影響,且呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

表4 2017年?yáng)|北三省共生指數(shù)變化

2.3.3水-能源動(dòng)力學(xué)分析

在東北三省水資源網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系中(圖7),農(nóng)業(yè)(部門(mén)1)對(duì)輕工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)(部門(mén)16)的控制作用較強(qiáng),尤其是對(duì)食品制造及煙草加工業(yè)(部門(mén)3),兩者之間作為直接上下游部門(mén)水-能源消耗關(guān)系最為緊密；電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)(部門(mén)14)對(duì)大多數(shù)部門(mén)有所控制；遼寧省采選業(yè)(部門(mén)2)作為電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)的主要原料,對(duì)其有決定控制作用,吉林省采選業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)的控制程度最大,控制分配系數(shù)達(dá)100%。對(duì)比虛擬水資源網(wǎng)絡(luò)CA,各部門(mén)之間的控制程度呈現(xiàn)不同程度的減弱。

圖7 東北三省水資源及虛擬水資源控制-依賴(lài)變化/%

從依賴(lài)關(guān)系中可以清楚地看出大部分部門(mén)之間存在一定的依賴(lài)關(guān)系,遼寧省建筑業(yè)(部門(mén)15)對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)(部門(mén)11)的依賴(lài)程度最大,為93.49%,除此之外,建筑業(yè)對(duì)大部分部門(mén)都存在依賴(lài)關(guān)系；吉林省交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)對(duì)建筑業(yè)存在絕對(duì)依賴(lài)關(guān)系；黑龍江省水資源中最為明顯的是建筑業(yè)對(duì)機(jī)械工業(yè)的決定依賴(lài)。對(duì)比虛擬水資源網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)關(guān)系可知,各部門(mén)之間依賴(lài)程度普遍加深,尤其是遼寧省交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)對(duì)機(jī)械工業(yè)(部門(mén)10)由27.28%增長(zhǎng)至61.96%。

圖8顯示東北三省能源在部門(mén)間的控制-依賴(lài)程度間存在較大部門(mén)間差異。在能源控制關(guān)系中,采選業(yè)對(duì)金屬冶煉及制品業(yè)(部門(mén)9)、電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)的控制作用較強(qiáng),依賴(lài)關(guān)系中主要是食品制造及煙草加工業(yè)(部門(mén)3)-農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)-機(jī)械工業(yè)(部門(mén)10)。對(duì)比能源控制關(guān)系CA,虛擬能源部門(mén)間控制能力整體偏強(qiáng),其中,遼寧省機(jī)械工業(yè)對(duì)紡織服務(wù)業(yè)(部門(mén)4)控制程度加深,紡織服務(wù)業(yè)對(duì)機(jī)械工業(yè)控制程度下降為0；吉林省農(nóng)業(yè)對(duì)化學(xué)工業(yè)(部門(mén)7)控制-依賴(lài)程度加深,化學(xué)工業(yè)不再依賴(lài)農(nóng)業(yè)且不受農(nóng)業(yè)控制,主要原因在于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提升極度依賴(lài)化學(xué)工業(yè)提供的農(nóng)藥、化肥等化學(xué)產(chǎn)品；黑龍江造紙印刷和文教體育用品業(yè)(部門(mén)6)對(duì)第三產(chǎn)業(yè)控制-依賴(lài)程度加強(qiáng),而該部門(mén)不再受第三產(chǎn)業(yè)控制。

圖8 東北三省能源及虛擬能源控制依賴(lài)變化/%

遼寧省交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)對(duì)建筑業(yè)的依賴(lài)作用極強(qiáng),趨近于100%；吉林省食品制造及煙草加工業(yè)對(duì)紡織服務(wù)業(yè)的依賴(lài)作用為46.93%,較為明顯,機(jī)械工業(yè)對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)和建筑業(yè)的依賴(lài)作用尤為突出,分別為62.81%、37.19%；黑龍江省機(jī)械工業(yè)對(duì)建筑業(yè)有絕對(duì)依賴(lài)程度,為100%,由此可看出,上下游部門(mén)之間控制和依賴(lài)程度能力普遍較深。對(duì)比虛擬能源依賴(lài)系數(shù)DA可知,各部門(mén)之間依賴(lài)程度總體呈減弱趨勢(shì),其中,遼寧省紡織服務(wù)業(yè)對(duì)其他部門(mén)依賴(lài)程度加深,黑龍江木材加工及家具制造業(yè)對(duì)紡織服務(wù)業(yè)依賴(lài)程度加深,反之減小。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

研究水資源和能源之間的復(fù)雜紐帶聯(lián)系需要將兩者看作一個(gè)系統(tǒng)考慮。本文以東北三省作為研究區(qū),構(gòu)建區(qū)域資源-經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出模型,以2017年為基準(zhǔn)年對(duì)東北三省水資源和能源消耗進(jìn)行測(cè)算,通過(guò)展布虛擬水足跡與虛擬能源足跡的空間轉(zhuǎn)移變化,有助于更好地理解和模擬部門(mén)資源流通狀況,揭示水-能源網(wǎng)絡(luò)耦合特征,為本地區(qū)在“節(jié)水節(jié)能”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供一定理論基礎(chǔ)?？傮w來(lái)看,東北三省水資源、能源消耗量巨大,其中直接水資源消耗主要來(lái)自于黑龍江省,該省是全國(guó)主要的糧食輸出地,農(nóng)業(yè)耗水量是直接水資源消耗的主要來(lái)源,該研究結(jié)果與閻曉東等[21]研究結(jié)果一致?；剂先紵屯恋乩檬钱a(chǎn)生溫室氣體的兩大主要來(lái)源,因此,從“碳中和”的角度出發(fā),應(yīng)優(yōu)化水-能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),改變煤炭“一家獨(dú)大”的現(xiàn)狀,提高水-能利用效率,大力發(fā)展非碳能源技術(shù)；研究區(qū)域水-能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于低水平不平衡狀態(tài),部門(mén)間流通水平有待提高。此外,水資源與能源之間的關(guān)系是微妙且復(fù)雜多變的,在數(shù)據(jù)方面,由于獲取難度較大且受限于技術(shù)領(lǐng)域?qū)е聼o(wú)法進(jìn)一步研究三個(gè)省份之間資源轉(zhuǎn)移消耗關(guān)系,東北三省在地理區(qū)位、國(guó)家定位以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上存在相對(duì)一致性。因此,在今后的研究中,可以在考慮虛擬水足跡、虛擬能源足跡的基礎(chǔ)上,建立區(qū)域轉(zhuǎn)移消耗關(guān)系,從而盡可能全面準(zhǔn)確地分析東北三省水資源-能源系統(tǒng)變化情況。

3.2 結(jié)論

(1)2017年?yáng)|北三省水資源消費(fèi)總量為561.97億m3,其中,農(nóng)業(yè)占比最高(481.72億m3),達(dá)84.28%,其次為電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)(7.78%)、第三產(chǎn)業(yè)(4.01%),各部門(mén)直接水資源消費(fèi)量差異巨大；能源隱含水總量為30.48億m3,水資源隱含能消費(fèi)量為699.25萬(wàn)tce；能源消費(fèi)量為40579.95萬(wàn)tce,其中,化學(xué)工業(yè)、電氣、熱力及水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、金屬冶煉及制品業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)是能源隱含水及能源消費(fèi)量最高的部門(mén)。虛擬水足跡為474.13億m3,其中,城鎮(zhèn)水足跡>資本水足跡>農(nóng)村水足跡>政府水足跡>出口水足跡；虛擬能源足跡為54668.6萬(wàn)tce。

(2)從虛擬水-能源足跡轉(zhuǎn)移變化看,虛擬水中遼寧省農(nóng)業(yè)是最大的虛擬水輸入部門(mén),食品制造及煙草加工業(yè)是最大的虛擬水輸出部門(mén),輸入現(xiàn)象最明顯的路徑為食品制造及煙草加工業(yè)到農(nóng)業(yè),吉林省和黑龍江省則呈相反路徑,省際凈轉(zhuǎn)移量達(dá)5.37億m3。虛擬能源足跡中,遼寧省主要為采選業(yè)輸入到化學(xué)工業(yè),電氣機(jī)械及電子通信設(shè)備制造業(yè)向其他部門(mén)均輸出不同數(shù)量的能源；吉林省為建筑業(yè)輸入到金屬冶煉及制品業(yè)；黑龍江省輸入現(xiàn)象最明顯的路徑為建筑業(yè)到第三產(chǎn)業(yè),三省建筑業(yè)向其他部門(mén)均輸出不同數(shù)量的能源。

(3)東北三省水-能源的循環(huán)率均低于40‰,SR值處于0.3—0.4之間,競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系是水-能源網(wǎng)絡(luò)效用矩陣關(guān)系中主流關(guān)系,共生關(guān)系的數(shù)量最少,各部門(mén)之間水資源利用的緊密性較差。吉林省共生指數(shù)明顯優(yōu)于遼寧、黑龍江省,其水-能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性較好,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)之中；水-能源耦合后,各省虛擬網(wǎng)絡(luò)共生指數(shù)呈現(xiàn)不同程度增長(zhǎng),對(duì)各經(jīng)濟(jì)部門(mén)影響正向效應(yīng)顯著。對(duì)比虛擬資源網(wǎng)絡(luò)CA/DA,各部門(mén)之間的水資源網(wǎng)絡(luò)控制程度呈現(xiàn)不同程度的減弱,依賴(lài)程度普遍加深；能源網(wǎng)絡(luò)方面部門(mén)間控制能力整體偏強(qiáng),依賴(lài)程度總體呈減弱趨勢(shì)。