李可欣,曹永強(qiáng),2,*,范帥邦,王 菲,周姝含,任 博

1 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,大連 116029 2 天津師范大學(xué)京津冀生態(tài)文明發(fā)展研究院,天津 300387 3 東北財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院,大連 116025

能源和水資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性資源,這些資源的過度利用加劇供需矛盾,同時(shí)也造成環(huán)境污染問題。人類社會(huì)在快速發(fā)展的同時(shí)使用大量化石燃料,特別是工業(yè)革命時(shí)代,大規(guī)模的二氧化碳排放到大氣中加劇全球變暖[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次氣候變化評(píng)估報(bào)告顯示,2011—2020年全球表面溫度要比1850—1900年上升1.09℃。碳排放造成全球變暖的影響在未來數(shù)百到千年的時(shí)間尺度上是不可逆的[2],這給國(guó)際社會(huì)帶來了新的挑戰(zhàn),各個(gè)國(guó)家為此作出響應(yīng)。2020年習(xí)近平總書記指出:中國(guó)預(yù)計(jì)在2030年前出現(xiàn)碳達(dá)峰,努力于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)既是能源生產(chǎn)大國(guó),又是能源消費(fèi)大國(guó)[3],隨著溫室效應(yīng)增加,能源生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放有所降低,但2020年中國(guó)碳排放仍高達(dá)29%[4],而水資源呈現(xiàn)“南多北少”的特點(diǎn),地區(qū)分配不均衡,北方耕地多[5],水資源占比僅為16%,嚴(yán)重影響具有碳匯功能的植物、農(nóng)作物等生長(zhǎng)發(fā)育,也制約著能源的開采和利用,水-能源-碳在一定程度上共同影響各地的可持續(xù)發(fā)展。因此,從全國(guó)角度來看,中國(guó)作為擁有14億人口的全球第二大經(jīng)濟(jì)體,水-能源-碳不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀成為制約國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的“瓶頸”[6]。東北地區(qū)是我國(guó)重要的重化工業(yè)基地,一直以來面臨著水資源短缺,能源枯竭的問題[7—8],同時(shí),東北三省碳排放壓力不容忽視,作為研究區(qū)對(duì)于推動(dòng)中國(guó)工業(yè)基地低碳可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

伴隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出,水-能源-碳關(guān)聯(lián)研究成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有研究已經(jīng)初步證明,水-能源-碳三者之間存在密切的聯(lián)系,一方面能源的產(chǎn)生需要水,同時(shí)水的提取、處理和分配相關(guān)的各種過程都需要能源[9—13]。另一方面能源使用和廢水處理過程釋放溫室氣體[14—15],氣候變化也會(huì)導(dǎo)致的水資源可用性變化[16]。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和減少包括碳排放在內(nèi)的環(huán)境影響,全面理解水-能源-碳之間的關(guān)系至關(guān)重要[17—18]。從研究?jī)?nèi)容上來看,國(guó)外主要從水-能源-碳關(guān)聯(lián)關(guān)系及資源消耗方面入手來進(jìn)行研究,G.Venkatesh[19]等比較了Nantes、Oslo、Turin和Toronto四個(gè)城市供水系統(tǒng)的新陳代謝,發(fā)現(xiàn):地理、氣候、技術(shù)和社會(huì)因素對(duì)城市水-能源-碳發(fā)展有重要影響。Elkhafif[20]等測(cè)算了Ontario能源供應(yīng)組合的水足跡和碳足跡,研究發(fā)現(xiàn)安大略省需要進(jìn)行水和碳排放協(xié)調(diào)以確保能源與水之間的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)主要從經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)探討“水-能源-碳”之間的耦合關(guān)系,同時(shí)將氣候變化、水資源、綠色低碳等研究考慮進(jìn)去。李增[17]探究唐山市能源消費(fèi)影響下的碳排放和水資源消費(fèi)趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及如何實(shí)現(xiàn)唐山市低碳與節(jié)水發(fā)展。Sheng等[21]研究了北京和上海的水資源、能源和碳排放的關(guān)系及其環(huán)境效應(yīng)。Meng等[22]提出受到城市結(jié)合部或城市的系統(tǒng)邊界不明確和城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)不精確限制,城市水-能源-碳作為一個(gè)整體進(jìn)行協(xié)同和權(quán)衡的關(guān)聯(lián)分析相對(duì)較少。Chen等[23]提出了一個(gè)交互式框架來評(píng)估區(qū)域間的水-能源-碳關(guān)系,建立了一個(gè)區(qū)域間投入產(chǎn)出模型,以考慮與能源有關(guān)的水足跡,與水相關(guān)的能源足跡和與水相關(guān)的碳足跡。Duan等[24]以北京為例,分析了北京能源系統(tǒng)和水系統(tǒng)下的水-能源-碳關(guān)系,建立一個(gè)城市尺度的水-能量-碳關(guān)系模型框架。從研究方法上來看,主要有:一是自上而下的投入產(chǎn)出模型(MRIO模型),該方法簡(jiǎn)潔直觀,能夠揭示經(jīng)濟(jì)活動(dòng)各環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系,但用到的投入產(chǎn)出表,其編制過程仍有創(chuàng)新空間[25]。田沛佩[7]利用多區(qū)域投入產(chǎn)出模型分析中國(guó)不同時(shí)段的消費(fèi)水足跡、能源足跡和碳足跡變化趨勢(shì),為降低中國(guó)水-能源-碳環(huán)境足跡,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。二是自下而上的生命周期法(LEA模型),該方法強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體性,但對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性較高,系統(tǒng)邊界劃分難統(tǒng)一[26]。M. Carmen Valdez[27]利用生命周期法比較了墨西哥城城市水網(wǎng)提供的建筑與雨水收集系統(tǒng)不同配置下的溫室氣體排放和能源消耗以于改善墨西哥城的水資源管理。三是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD模型),系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種成熟的量化系統(tǒng)交互中復(fù)雜反饋的方法,對(duì)于研究復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系量化和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),能處理高階項(xiàng)、非線性、多重反饋的系統(tǒng)問題,揭示內(nèi)部因果關(guān)系,但對(duì)各因素相互關(guān)系的抽象量化的精度要求較高[28]。Chhipi-Shrestha等[29]建立了城市飲用水系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并確定了Spearman相關(guān)性,研究了水、能源、碳之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的相互聯(lián)系。此外,還有遠(yuǎn)程能源替代計(jì)劃系統(tǒng)模型,供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)等多種方法[30]。

隨著全球范圍內(nèi)水資源危機(jī)、能源危機(jī)和氣候變暖挑戰(zhàn),導(dǎo)致資源沖突日益凸顯[31],“水-能-碳”系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與服務(wù)功能退化問題顯現(xiàn),國(guó)內(nèi)外研究逐漸從“水-能”“能-碳”“水-碳”關(guān)系的研究向“水-能-碳”關(guān)系研究轉(zhuǎn)向,作為國(guó)家戰(zhàn)略的“雙碳”目標(biāo)、對(duì)“水-能-碳”的協(xié)同研究要力求盡發(fā)揮協(xié)同效益,從而達(dá)到協(xié)同節(jié)約資源的目的。目前對(duì)于“水-能-碳”關(guān)聯(lián)問題的研究視角多數(shù)趨于宏觀,忽略了“水-能源-碳”關(guān)系在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和消費(fèi)過程中的定量關(guān)系和資源流分析[32]。因此,有必要協(xié)同研究“水-能-碳”耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。東北三省仍以能源產(chǎn)業(yè)、重化工業(yè)為產(chǎn)業(yè)核心,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的能源和水資源消耗產(chǎn)生的碳排放壓力較大,產(chǎn)生了復(fù)雜的交織關(guān)系[33]。由此可見,東北三省是水資源、能源、碳排放重要交互區(qū),是開展“水-能-碳”研究的典型區(qū)域。此種背景下,厘清東北三省“水-能-碳”耦合關(guān)系,探究水資源、能源和碳排放結(jié)構(gòu)調(diào)整方向及其管理模式,對(duì)緩解東北三省“水-能-碳”耦合系統(tǒng)壓力有重要意義?；谔寂欧艛?shù)據(jù)的可獲取性,選擇2001—2019年作為研究期。首先探明東北三省水資源、能源、碳排放現(xiàn)狀,梳理三個(gè)領(lǐng)域的耦合關(guān)系,其次利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),從自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三個(gè)維度來探索水-能源-碳三者的關(guān)聯(lián)模式,最后仿真模擬2020—2040東北地區(qū)水、能源以及碳排放情況,并對(duì)不同發(fā)展情景下的資源需求情況做出預(yù)測(cè),以便為東北地區(qū)的水-能源-碳的綜合管理政策的制定提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 東北三省水-能源-碳現(xiàn)狀

東北三省包含遼寧、吉林、黑龍江三個(gè)省(圖1),是我國(guó)重要的能源工業(yè)基地。該區(qū)地處寒溫帶、中溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候區(qū),年平均氣溫-5—10℃,年降雨量500—800mm,主要集中在7—9月[34]。

圖1 研究區(qū)位置分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of location distribution in the study area

水資源現(xiàn)狀:2019年?yáng)|北三省水資源開發(fā)利用率為33.3%,由于東北三省以重工業(yè)為主,工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水較多,對(duì)水資源需求較高,存在明顯的供需缺口,造成水資源短缺。2019年?yáng)|北三省水資源量2273.52億m3,其中遼寧省水資源嚴(yán)重匱乏。

能源現(xiàn)狀:東三省作為中國(guó)最早的工業(yè)基地,能源開采歷史悠久,2019年能源生產(chǎn)量達(dá)8951.3萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,能源消耗43455.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,其中能源供暖占據(jù)很大一部分,占全國(guó)總量的8.9%,是能源生產(chǎn)消費(fèi)高值區(qū)。

碳排放現(xiàn)狀:東北三省作為老工業(yè)基地,碳排放量較高,從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看,2001—2019年?yáng)|北三省碳排放量先增加后減少,單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)碳排放呈下降趨勢(shì)。2019年?yáng)|三省碳排放量為11.67×104萬t,占全國(guó)碳排放的9.5%。

水-能源-碳系統(tǒng)中,水-能源是兩個(gè)相互聯(lián)系、相互作用的子系統(tǒng),如圖2所示,它們之間通過不同途徑相互聯(lián)系,用水過程和水處理過程中消耗能量,同時(shí)能源消費(fèi)過程中也會(huì)消耗水資源,而碳排放作為產(chǎn)出系統(tǒng),主要取決于水、能源等要素之間相互需求的類型、能源結(jié)構(gòu)等[35—36]。在“雙碳”目標(biāo)下,探究東北三省水-能源-碳三元的時(shí)空匹配程度對(duì)可持續(xù)發(fā)展與資源的可持續(xù)利用的影響。

圖2 水-能源-碳耦合系統(tǒng)Fig.2 Water-energy-carbon coupling system

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

1.2.1水-能源-碳(WEC)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究邊界

水-能源-碳關(guān)系受社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面因素的影響,其內(nèi)部的聯(lián)系相對(duì)復(fù)雜。本文將東北三省行政區(qū)作為研究區(qū)邊界,從“雙碳”目標(biāo)出發(fā),從水資源系統(tǒng)的用水和排水、能源系統(tǒng)的生產(chǎn)和消費(fèi)角度計(jì)算碳排放,探究水、能源、碳排放協(xié)調(diào)發(fā)展方案(圖3)。

圖3 “水-能源-碳”系統(tǒng)研究框架Fig.3 Research framework of “water-energy-carbon” system

1.2.2WEC系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

設(shè)置模型的初始時(shí)間為2020年,結(jié)束時(shí)間為2040年,時(shí)間步長(zhǎng)為1a,模型包括水資源、能源和碳排放3個(gè)內(nèi)部子系統(tǒng)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)、環(huán)境3個(gè)外部子系統(tǒng),建立系統(tǒng)流圖,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流圖Fig.4 System flow diagramGDP: 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值Gross demestic product

(1)水資源子系統(tǒng):水資源子系統(tǒng)將從供水和用水的角度進(jìn)行分析研究。包括生活用水、單位能源耗水量、單位GDP用水、人均生活用水等變量。變量的選取不僅能夠反映水資源自身發(fā)展,還通過能源耗水量和水資源利用過程中碳排放分別與能源系統(tǒng)和碳系統(tǒng)有著反饋關(guān)系。

(2)能源子系統(tǒng):能源子系統(tǒng)將從能源投資、消費(fèi)結(jié)構(gòu)及污染排放的角度進(jìn)行分析研究。包括人均生活能源生產(chǎn)量、煤炭消費(fèi)占比、工業(yè)用水占比、各產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)量等變量。變量的選取不僅能夠反映能源自身發(fā)展,且通過能源耗水量和能源消費(fèi)碳排放分別與水資源系統(tǒng)和碳系統(tǒng)有著反饋關(guān)系。

(3)碳系統(tǒng):碳子系統(tǒng)將從能源、水資源碳排放和GDP碳排放的角度進(jìn)行分析研究。包括個(gè)用水過程碳排放量、能源消耗過程中碳排放量、碳排放系數(shù)等變量。各變量能夠很好的反映碳排放現(xiàn)狀水平和未來發(fā)展趨勢(shì),且能分別反映水資源利用、處理和能源消費(fèi)過程中的碳排放量。

(4)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng):經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)選取三個(gè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和科技投入等變量影響能源消費(fèi)和農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水,進(jìn)而影響碳排放量。

(5)社會(huì)系統(tǒng):以人口為主要決策變量,通過人均能源消費(fèi)和人均生活用水量聯(lián)系水資源子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)。

(6)環(huán)境子系統(tǒng):環(huán)境子系統(tǒng)選取廢水處理率、生活垃圾無害化處理率等變量構(gòu)成聯(lián)系水資源子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)。

1.2.3模型方程

東北三省水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2001—2019年各省水資源公報(bào)和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》,能源相關(guān)數(shù)據(jù)來自《能源統(tǒng)計(jì)年鑒》;碳排放量直接引用CEAD數(shù)據(jù)庫(kù);其他經(jīng)濟(jì)及社會(huì)等相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》,部分?jǐn)?shù)據(jù)缺少通過SPSS軟件的滑動(dòng)平均法進(jìn)行補(bǔ)充[7]。

模型涉及的變量類型主要有四種:狀態(tài)變量、速度變量、輔助變量和常量[28],對(duì)各變量之間的關(guān)系進(jìn)行歸納,同時(shí)參考相關(guān)研究[28],確定本文的模型變量,針對(duì)部分關(guān)鍵變量列出模型方程如表1所示。

表1 東北三省水-能源-碳(WEC)系統(tǒng)評(píng)測(cè)指標(biāo)Table 1 WEC system evaluation indexes in the three northeastern provinces

2 實(shí)證分析

2.1 模型驗(yàn)證

本文選取2001—2019年歷史數(shù)據(jù)來驗(yàn)證“水-能源-碳”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性,對(duì)比GDP、能源消費(fèi)總量、碳排放量和水資源需水量四個(gè)指標(biāo),參考前人的相關(guān)研究,歷史值和預(yù)測(cè)值誤差在20%以內(nèi),則認(rèn)為該模型有效[37]。誤差計(jì)算公式如下:

(1)

式中,θ為誤差值,X1為預(yù)測(cè)數(shù)值,X2為實(shí)際數(shù)值。

經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),水資源需水量和人口模擬精度高,誤差均控制在1%以內(nèi),GDP和能源消費(fèi)總量的模擬值均在10%以內(nèi),部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果如表2所示,因此證明模型有效。

表2 模型驗(yàn)證Table 2 Model verification

2.2 情景設(shè)定

目前,2019年?yáng)|三省第一產(chǎn)業(yè)增加值占14.1%,第二產(chǎn)業(yè)增加值占比32.7%,第三產(chǎn)業(yè)增加值占53.2%。從全國(guó)人均GDP水平(8.1萬元/人)來看,可以發(fā)現(xiàn),東北三省整體還是較低的,GDP增速緩慢低于全國(guó)平均水平[38]。在過去東北三省重工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致國(guó)有企業(yè)大量存在,這也限制了民營(yíng)企業(yè)發(fā)展。由于民營(yíng)企業(yè)不活躍,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理,從而進(jìn)一步限制了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng),GDP增速放緩也是在情理之中的[39],加之隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)制造業(yè)也開始走下坡路,導(dǎo)致東北三省產(chǎn)能嚴(yán)重過剩[40]。相對(duì)于長(zhǎng)三角和珠三角一帶,新行業(yè)迅速成為年輕人心中的首選,這也導(dǎo)致東北三省人才和勞動(dòng)力漸漸流失,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,主要還是需要產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[41]?；诖?國(guó)家批復(fù)了全面振興東北的實(shí)施方案,將從企業(yè)轉(zhuǎn)型、科技發(fā)展、培育新興產(chǎn)業(yè)等多個(gè)方面入手,再結(jié)合國(guó)家“十四五”規(guī)劃對(duì)減排提出更強(qiáng)有力的控制目標(biāo),計(jì)劃2030年單位GDP碳排放量降低18%[42]。因此,通過對(duì)變量的靈敏度檢驗(yàn)和東北三省《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中相關(guān)政策規(guī)劃確定。選取GDP增長(zhǎng)率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和居民環(huán)保意識(shí)作為調(diào)控變量,并參考相關(guān)文獻(xiàn),設(shè)置變量在合理的范圍浮動(dòng),并不代表實(shí)際值。

情景1:自然增長(zhǎng):各決策變量保持現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)。

情景2:經(jīng)濟(jì)調(diào)控:GDP增長(zhǎng)率提高到8%。

情景3:清潔節(jié)能:2040年人均能源消耗量和人均水資源消耗量各降低20%,煤炭比重下降到45.5%,石油占比下降到19.8%,天然氣比重提到18.7%,非化石能源提高到16.1%。

情景4:產(chǎn)業(yè)調(diào)控:第一產(chǎn)業(yè)保持不變,產(chǎn)業(yè)比重由第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)流動(dòng),第二產(chǎn)業(yè)比重下降10%,第三產(chǎn)業(yè)比重增加10%。

情景5:綜合調(diào)整:GDP增長(zhǎng)率提高到8%;人均能源消耗量和人均水資源消耗量降低20%,煤炭比重下降到45.5%,石油占比下降到19.8%,天然氣比重提到18.7%,非化石能源提高到16.1%;第二產(chǎn)業(yè)比重下降10%,第三產(chǎn)業(yè)比重增加10%。

3 仿真模擬分析

通過情景設(shè)定,重點(diǎn)分析東北三省水資源消耗量、能源消費(fèi)量和碳排放量的變化情況,并以三個(gè)省種情景的平均值為代表,分析遼寧、吉林和黑龍江的具體變化,以此明確發(fā)展方向,探究如何達(dá)到節(jié)能低碳發(fā)展要求。

3.1 水資源消耗量變化趨勢(shì)

如圖5所示,從仿真的五個(gè)情景看,東三省2020—2040年水資源消費(fèi)量均呈上升趨勢(shì),2020年水資源消耗量為520.38億m3,到2040年,仿真結(jié)果均在2020年的3倍以上,水資源消耗量為情景2>情景5>情景1>情景3>情景4。2040年在情景5下水資源消耗較2020年增長(zhǎng)230.4%,相比于情景1工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水隨之升高,因此水資源消耗增長(zhǎng)最高,情景2中水資源消耗量達(dá)到1538.38億m3,GDP增長(zhǎng)率提高導(dǎo)致三個(gè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加,從而情景2水資源消耗量高于情景1。情景3下,居民意識(shí)的提高可有效減少水資源增加速率,2040年,相比于情景1水資源消耗量略有下降,情景4水資源消耗量比情景1減少22.22億m3,節(jié)水效果明顯。從東北三省各省份角度看,遼寧省水資源消耗高于其他兩個(gè)省,年均增長(zhǎng)12.46億m3,其次為黑龍江,年均增長(zhǎng)11.17億m3,吉林水資源源消耗量年均增長(zhǎng)7.92億m3。

圖5 2020—2040年?yáng)|三省水資源消費(fèi)量變化Fig.5 Change of water resources consumption in The Three Northeastern Provinces from 2020 to 2040

可以看出,在綜合調(diào)控下,保持現(xiàn)有的科技水平,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,未來水資源消耗并不會(huì)低于現(xiàn)在的發(fā)展水平,因此在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),應(yīng)加大科技投入,充分提高水資源利用效率。

3.2 能源消耗量變化趨勢(shì)

如圖6所示,從仿真的五個(gè)情景看,能源消費(fèi)量呈上升趨勢(shì),相比于2001—2019年,未來二十年能源消耗增速減緩。按照當(dāng)前的發(fā)展水平,能源消費(fèi)以每年3375.70萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的速率增長(zhǎng),2040年增長(zhǎng)到87931.30萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其他4種情景對(duì)比情景1發(fā)現(xiàn):2040年情景2的能源消費(fèi)量為110896萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,單一的提高經(jīng)濟(jì)消耗能源消耗,引起能源消費(fèi)量高于情景1。而在情景3中,居民的消費(fèi)意識(shí)提高和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,可減緩能源消耗速率,2040年,比情景1節(jié)約998.30萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量。從情景4可以看出,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)能源消耗量的影響程度很大,相對(duì)于情景1有效降低能源7668.0萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,主要是由于第二產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的過程中,需要消耗大量的能源,第二產(chǎn)業(yè)比重的降低導(dǎo)致能源消耗量減少,因此應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,減少能耗。綜合調(diào)控情景下,能源以每年4163.90萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的速率增長(zhǎng),2040年能源消耗較2020年相比,增長(zhǎng)了210.7%,比情景1增多16906萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)東北各省《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》要求從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)等入手,有效推進(jìn)節(jié)能降耗。其中到2025年,全省非化石能源消費(fèi)比重提高到12.5%、煤炭消費(fèi)比重下降到62%。在綜合調(diào)控下,本模型中2025年,煤炭消費(fèi)比重為60.35%,非化石能源比重提高到了12.9%,符合綠色發(fā)展要求。從東北三省各省份角度看,遼寧省工業(yè)比重大,能源消費(fèi)量遠(yuǎn)高于其他兩省,是黑龍江省能源消費(fèi)量的1.5倍左右,是吉林省能源消費(fèi)量的3.5倍左右,年均增長(zhǎng)2103.2萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

圖6 2020—2040年?yáng)|三省能源消耗量變化Fig.6 Change of energy consumption in The Three Northeastern Provinces from 2020 to 2040

綜上分析,及時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可有效降低能源消費(fèi)增長(zhǎng)速度,緩解能源緊張,縮小能源缺口。

3.3 碳排放變化趨勢(shì)

如圖7所示,2020—2040年?yáng)|三省碳排放量呈增長(zhǎng)趨勢(shì),從仿真的五個(gè)情景看,碳排放量情景2>情景1>情景5>情景4>情景3。情景2經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)增加,使得2040年碳排放量快速提高,是2020年的1.54倍,其值達(dá)到180741.2萬t。因此,可以說明,單一的發(fā)展經(jīng)濟(jì),而不注重節(jié)能減排,將產(chǎn)生大量的碳排放。對(duì)比情景1發(fā)現(xiàn),情景3的發(fā)展方向可有效減少碳排放量,可降低12709萬t碳量,情景4模擬預(yù)測(cè)下,碳排放量增長(zhǎng)趨勢(shì)緩和,與2020年相比碳排放量增加2倍。情景5下,2040年較2020年相比,碳排放量?jī)H增長(zhǎng)36.9%,比情景1的碳排放量放少2921.5萬t。從東北三省各省份角度看,遼寧省碳排放年均增長(zhǎng)1230.8萬t,吉林年均增長(zhǎng)766.7萬t,吉林年均增長(zhǎng)282.4萬t碳排放量,三省碳排放速率均下降。

圖7 2020—2040年?yáng)|三省碳排放量變化Fig.7 Change of carbon emissions in The Three Northeastern Provinces from 2020 to 2040

綜上所述,從3個(gè)決策變量來看,對(duì)碳排放友好發(fā)展的影響程度依次是:清潔節(jié)能>產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)>GDP增長(zhǎng)率?；趪?guó)家“十四五”規(guī)劃要求,情景3利于實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)。因此,能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和居民節(jié)能意識(shí)的提高是未來碳減排工作的重點(diǎn)方向。

3.4 水-能源-碳紐帶趨勢(shì)變化

根據(jù)以上對(duì)水-能源-碳仿真模擬的結(jié)果,參照發(fā)展水平較好的情景5來探究2020—2040年三個(gè)子系統(tǒng)的紐帶關(guān)系及趨勢(shì)變化,如圖8所示,東北三省水資源、能源、和碳排放在全國(guó)所占比重分別為7.8%,8.4%和9.5%[43],碳排放量較高,是“水-能源-碳”系統(tǒng)的主導(dǎo)因素,因此將其作為自變量,水資源和能源消費(fèi)量為因變量。

圖8 “水-能源-碳”紐帶關(guān)系變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of the "water-energy-carbon" bond

2020—2040年?yáng)|三省水-能源-碳三要素相關(guān)性R2為0.9,即三變量之間呈強(qiáng)相關(guān)。未來用水總量、能源消費(fèi)量和碳排放量均呈逐年上升趨勢(shì),2020—2025年增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢,2025年以后增長(zhǎng)速度加快。2040年較2020年水資源和能源消費(fèi)量增幅均達(dá)3倍多;碳排放量增幅近36.92%。但總體來看,盡管從總量上來看三者均高于現(xiàn)在的發(fā)展水平,但從供需缺口,根據(jù)情景設(shè)置,居民意識(shí)提高,調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),人均用水和人均耗能減少,耗水量較大的第二產(chǎn)業(yè)比重減少,導(dǎo)致資源供需缺口減小。東三省水-能源-碳呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性,以綜合情景5為例,相比2020年,2040年單位GDP水耗、單位GDP能耗和單位GDP碳排放均有明顯下降,分別下降8.7%、8.4%、36.8%,“水-能源-碳”系統(tǒng)向著協(xié)同優(yōu)化方向改善。

3.5 耦合與協(xié)同分析

耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上系統(tǒng)彼此相互影響。其包括權(quán)衡關(guān)系,即隨著其中某個(gè)系統(tǒng)服務(wù)的供給,其它系統(tǒng)數(shù)量趨于減少[44];協(xié)同關(guān)系是指兩種或多種系統(tǒng)服務(wù)同時(shí)增強(qiáng)[45]。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與提高環(huán)保意識(shí)是推動(dòng)?xùn)|三省生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑,情景分析是目前權(quán)衡與協(xié)同研究最為常見的一種方法,通過制定優(yōu)化發(fā)展情景,來分析系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)變化[46]。

情景2在情景1的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率。情景2對(duì)各子系統(tǒng)的影響主要是:GDP增長(zhǎng)率加快-各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加-生產(chǎn)能源消費(fèi)量增加-碳排放量增多,同時(shí)各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加-農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水量增加-需水量加大-廢水排放增加,因此水資源供需缺口加大,環(huán)境污染加劇,違背綠色發(fā)展理念。

情景3在情景1的基礎(chǔ)上提高居民意識(shí),各個(gè)子系統(tǒng)之間影響如下:人均生活能源消費(fèi)量和人均生活用水量減少-能源和水資源消耗量-碳排放量減少-生態(tài)環(huán)境改善,提高非化石能源結(jié)構(gòu)-能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化碳等污染排放減少-生態(tài)環(huán)境改善,此方向?qū)Φ吞寂欧判Ч黠@。

情景4在情景1的基礎(chǔ)上降低第二產(chǎn)業(yè)比重,提高清潔能源比重,走可持續(xù)發(fā)展路線,影響效果如下:第二產(chǎn)業(yè)比重降低-工業(yè)耗水降低-水資源供需矛盾緩解。此方向?qū)λY源系統(tǒng)影響較大,其他兩個(gè)系統(tǒng)影響較小情景5結(jié)合情景2、情景3和情景5,將經(jīng)濟(jì)發(fā)展與節(jié)約資源結(jié)合,即在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)提高能源和水資源利用率,更加符合發(fā)展理念。根據(jù)圖7顯示,影響效果如下:綜合調(diào)控-能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化-水資源利用率提高-廢水排放減少-CO2等污染排放降低-生態(tài)環(huán)境改善。

根據(jù)以上對(duì)比5個(gè)情景分析發(fā)現(xiàn),情景3的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和居民意識(shí)的提高可有效降低碳排放量,情景4產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)水資源和能源的影響較為明顯,但情景5綜合多種決策變量,較其他情景相比,更加立足于東北三省的實(shí)際發(fā)展情況,權(quán)衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與節(jié)能節(jié)水以減少碳排放,嚴(yán)格按照“雙碳”目標(biāo),將水資源、能源向較高質(zhì)量發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展方向推進(jìn),因此,情景5更具參考性。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬分析了東北三省2020—2040年水資源和能源消耗量、碳排放的變化趨勢(shì),為節(jié)能減排的提供發(fā)展方向。主要結(jié)論如下:

(1)水資源和能源消耗量、碳排放量在研究期內(nèi)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),水資源消耗增長(zhǎng)速度最快,在仿真情景5下,與2020年相比,水資源和能源消費(fèi)量、碳排放量分別增長(zhǎng)230.4%、210.7%和36.9%。2040年水資源消耗量預(yù)計(jì)超過1921.29億m3,能源消費(fèi)量超過103000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,碳排放量也將達(dá)到149900萬t以上。

(2)決策變量對(duì)水-能源-碳的影響程度依次是:清潔節(jié)能>產(chǎn)業(yè)調(diào)控>GDP增長(zhǎng)率,隨著GDP增長(zhǎng)率升高,水資源和能源消耗量、碳排放量升增加,隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),居民意識(shí)提高及清潔能源增加,水資源和能源消耗量、碳排放量減少。從仿真結(jié)果來看,在經(jīng)濟(jì)保持現(xiàn)有的增長(zhǎng)速度下,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整才是控制水、能消耗和碳排放的有效措施,而在綜合調(diào)控情景下,未來水資源消耗量高于基礎(chǔ)情景,能源消耗量和碳排放量則得到了良好的控制。

(3)2020—2040年,東三省水-能源-碳呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性,紐帶關(guān)系呈協(xié)同優(yōu)化方向改善,資源利用率提高和供需缺口減小,可有效緩解環(huán)境壓力,利于“水-能源-碳”系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

(4)情景3的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和居民意識(shí)的提高可有效降低碳排放量,情景4產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)水資源和能源的影響較為明顯,情景5立足于東北三省的實(shí)際發(fā)展情況,權(quán)衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與節(jié)能節(jié)水以減少碳排放,嚴(yán)格按照“雙碳”目標(biāo),將水資源、能源向較高質(zhì)量發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展方向推進(jìn),因此,情景5更具參考性。

4.2 討論

(1)本文在研究水資源能耗和能源耗水時(shí)考慮的是直接能耗、直接水耗,未考慮虛擬資源,以避免資源區(qū)域之間流動(dòng)造成資源核算不清晰,便于探討水-能關(guān)聯(lián)狀況及其對(duì)碳排放的影響。同時(shí)需要注意的是:對(duì)于用水系統(tǒng)而言,用水只是碳排放的中間過程,其用水過程所消耗的能源才是引起碳排放的主要原因,因此不同用水過程水資源耗能存在差異。碳系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注碳排放,主要包括二氧化碳、甲烷、臭氧、氫氟碳化物等溫室氣體的排放[47],具體考量了能源消耗過程中產(chǎn)生的碳排放量和水資源消耗和處理過程中的碳排放量。

(2)從研究結(jié)果來看,在“雙碳”目標(biāo)和不斷變化的國(guó)內(nèi)外環(huán)境下,“水-能源-碳”系統(tǒng)也將處于動(dòng)態(tài)演變過程中[48],而對(duì)于系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展,情景3中能源結(jié)構(gòu)調(diào)整可有效減少碳排放,因此今后未來東北三省應(yīng)加快能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型,以清潔能源開發(fā)為根本,推動(dòng)太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等能源的綜合利用,走清潔能源路線。情景4調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),降低第二產(chǎn)業(yè)占比,增加第三產(chǎn)業(yè),可以有效控制能源和水資源消耗,因此今后應(yīng)加快產(chǎn)業(yè)升級(jí),提高節(jié)能節(jié)水力度,防止資源的過度浪費(fèi)[49]。同時(shí),根據(jù)國(guó)家發(fā)展規(guī)劃,結(jié)合自身發(fā)展情況,在本模型中,情景2中經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源消耗之間存在因果關(guān)系,因此,在GDP增長(zhǎng)率提高后應(yīng)將更多的資金投入到積極促進(jìn)和參與碳交易市場(chǎng)活動(dòng),以實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[50—51]。

(3)由于本文需要明確系統(tǒng)之間的因果關(guān)系,需要詳細(xì)獲取每個(gè)變量數(shù)據(jù)并進(jìn)而確定能源強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度參數(shù)較為困難。因此主要參考相關(guān)研究成果,未考慮時(shí)間尺度上的變化。同時(shí),由于涉及變量較多,難以綜合考慮所有變量不同的組合情況,所以在默認(rèn)能源強(qiáng)度不變的情況下,本文結(jié)合規(guī)劃綱要選擇對(duì)系統(tǒng)影響最為明顯的決策變量設(shè)計(jì)情景,無論哪種方案都需要結(jié)合實(shí)際發(fā)展情況,并且加強(qiáng)居民環(huán)保意識(shí),實(shí)現(xiàn)水、能源、碳三者的良性循環(huán)。