王 湛 博, 邵 帥,2, 高 秋 鳳, 李 金 花, 張 蕓*
( 1.大連理工大學 環(huán)境學院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116024;2.大連理工大學 能源與動力學院 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116024;3.內(nèi)蒙古大學 生態(tài)與環(huán)境學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020 )
華東地區(qū)包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東等7個省、直轄市,2020年地區(qū)生產(chǎn)總值387 437.92億元,人口42 383萬人,人均GDP 91 413.52元,3項指標均為全國第一[1].華東地區(qū)人口相對稠密,商品經(jīng)濟和科學技術(shù)發(fā)展水平較高,工業(yè)門類齊全,以制造業(yè)為重要支撐,交通運輸業(yè)和各類設(shè)施的基礎(chǔ)好,擔當著接軌國際、率先建設(shè)世界級城市群的使命,同時也產(chǎn)生了約占全國30%的水資源消耗和29.7%的能源消耗,因此在經(jīng)濟發(fā)展、節(jié)約資源、節(jié)能降碳方面具有較大的改善潛力[2].中國政府承諾2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和,并在“十四五”發(fā)展目標[3]中提出,要支持有條件的地方率先達到碳排放峰值,華東地區(qū)有必要率先考慮雙碳進程.在經(jīng)濟社會系統(tǒng)中,水和能源是人類賴以生存且緊密聯(lián)系的基礎(chǔ)性資源,取水部門需要能源來泵送水、處理淡水和廢水,能源部門需要使用水進行能源提取、處理和冷卻,在水和能源的提取、加工、使用等階段又會由于消耗能源而產(chǎn)生碳排放,水-能源耦合關(guān)系需要被關(guān)注以及大量研究[4].目前,對于華東地區(qū)的碳減排研究大多集中于降碳技術(shù),如CCS技術(shù)、生物炭技術(shù)等[5],而基于宏觀視角,針對地區(qū)水-能源耦合關(guān)系對節(jié)水、節(jié)能、減排影響方面的研究較少.
近年來,以水、能源等作為關(guān)鍵要素的耦合關(guān)系被關(guān)注以及大量研究.Lee等[6]在城市尺度上量化了能源使用強度對城市用水系統(tǒng)的影響;Xiang等[7]從國家層面上量化分析了我國不同用水場景下的能源消耗;Mo等[8]通過研究區(qū)域水-能源耦合關(guān)系,評估了3種增強供水政策的實施所帶來的影響.但上述研究只揭示出水和能源由于耦合關(guān)系而產(chǎn)生的相互影響,未考慮區(qū)域間的相互作用,而且少有研究將區(qū)域水-能源耦合用于分析產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并提出節(jié)能降碳建議.并且,隨著研究的深入,國內(nèi)外學者發(fā)現(xiàn)在不同研究角度上表現(xiàn)出的耦合關(guān)系具有很大的差別.在Qi等[9]對大氣汞排放的研究過程中,基于需求和供應(yīng)視角下的結(jié)果對全球汞的控制產(chǎn)生了不同的政策影響,表明了考慮需求端和供應(yīng)端視角的必要性.因此,本研究基于多區(qū)域投入產(chǎn)出方法,將水、能源和碳排放作為一個整體來考慮,構(gòu)建華東地區(qū)水-能源耦合關(guān)系(WEN)模型,創(chuàng)新性地從多視角(需求側(cè)-供給側(cè))、多維度(地區(qū)-產(chǎn)業(yè))評價節(jié)水、節(jié)能、減排的改進潛力,識別不同視角下水-能源耦合關(guān)系較強的地區(qū)并提出建議,為相關(guān)研究提供方法依據(jù).
投入產(chǎn)出方法是以數(shù)學和計算機科學為基礎(chǔ),用大量數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫來研究經(jīng)濟社會系統(tǒng)各組成部分之間的投入與產(chǎn)出數(shù)量關(guān)系的一種分析方法,常用于經(jīng)濟學、統(tǒng)計學和資源環(huán)境科學等領(lǐng)域[10],在考慮資源使用等環(huán)境壓力指標后,可構(gòu)建環(huán)境擴展型多區(qū)域投入產(chǎn)出模型(EE-MRIO),將物質(zhì)流和社會經(jīng)濟系統(tǒng)聯(lián)系起來.
需求側(cè)核算,即基于消費端(需求驅(qū)動)的核算.在多區(qū)域投入產(chǎn)出表中,行平衡表現(xiàn)了某一區(qū)域或部門產(chǎn)品的中間使用與最終需求之間的關(guān)系,即Leontief模型:
x=(I-A)-1y=Ly
(1)
式中:x為總產(chǎn)出向量;y為最終需求向量;I為單位矩陣;A為直接投入系數(shù)矩陣,反映生產(chǎn)單位產(chǎn)品需要相關(guān)區(qū)域或部門產(chǎn)品的直接投入,矩陣A的元素aij=zij/xj,zij是中間投入矩陣Z的元素,表示由區(qū)域或部門間的生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)系所產(chǎn)生的中間流量;L=(I-A)-1為Leontief逆矩陣,反映生產(chǎn)單位產(chǎn)品需要各區(qū)域或部門的累計投入量.該模型反映了各區(qū)域或部門產(chǎn)品的中間使用和最終需求之和等于該區(qū)域或部門的總產(chǎn)出.
接下來從需求側(cè)角度利用Leontief模型研究區(qū)域間水-能源-經(jīng)濟的關(guān)系.首先以水要素為研究對象,量化能源相關(guān)產(chǎn)品的最終需求驅(qū)動上游的取水量:
we=fw(I-A)-1ye
(2)
式中:we為各地能源相關(guān)產(chǎn)品的最終需求驅(qū)動的全國取水量向量,fw為各地取水強度向量,ye為各地能源相關(guān)產(chǎn)品的最終需求向量.
以能源要素為研究對象,量化水相關(guān)產(chǎn)品的最終需求驅(qū)動的全國能源開采量:
ew=fe(I-A)-1yw
(3)
式中:ew為各地水相關(guān)產(chǎn)品的最終需求驅(qū)動的全國能源開采量向量,fe為各地能源開采強度向量,yw為各地水相關(guān)產(chǎn)品的最終需求向量.
供給側(cè)核算,即基于投入端(投入驅(qū)動)的核算.在多區(qū)域投入產(chǎn)出表中,列平衡表現(xiàn)了某一區(qū)域或部門的初始投入與中間投入之間的關(guān)系,即Ghosh模型:
x′=v(I-B)-1=vG
(4)
式中:x′為總產(chǎn)出向量的轉(zhuǎn)置;v為初始投入向量;B為直接產(chǎn)出系數(shù)矩陣,反映生產(chǎn)單位產(chǎn)品直接導致的相關(guān)區(qū)域或部門產(chǎn)出量,矩陣B的元素bij=zij/xi;G=(I-B)-1為Ghosh逆矩陣,反映生產(chǎn)單位產(chǎn)品所導致各區(qū)域或部門的累計產(chǎn)出量.該模型反映了各區(qū)域或部門的初始投入與中間投入之和等于該區(qū)域或部門的總投入.
接下來從供給側(cè)角度利用Ghosh模型研究區(qū)域間水-能源-經(jīng)濟的關(guān)系.首先以水要素為研究對象,量化取水部門的初始投入促進的全國能源開采量:
ew=vw(I-B)-1f′e
(5)
式中:vw為各地取水部門的初始投入向量,f′e為各地能源開采強度向量的轉(zhuǎn)置.
以能源要素為研究對象,量化能源開采部門的初始投入促進的全國取水量:
we=ve(I-B)-1f′w
(6)
式中:ve為各地能源開采部門的初始投入向量,f′w為各地取水強度向量的轉(zhuǎn)置.
本研究還進行了區(qū)域間隱含水和隱含能源的核算,構(gòu)建區(qū)域空間耦合關(guān)系,使水-能源耦合關(guān)系更加完整.
(7)
B′w=A′w(I-A)-1
(8)
Vw1i=Bwixi
(9)
Vw2ij=awiLijxj
(10)
式中:wi為i地區(qū)對水資源的直接使用量;awi為i地區(qū)水資源使用的直接系數(shù),列向量為Aw;B′w為完全用水系數(shù)向量的轉(zhuǎn)置;Vw1i為i地區(qū)產(chǎn)品供應(yīng)的隱含水量,列向量為Vw1;Vw2ij為區(qū)域間中間產(chǎn)品的隱含水流動矩陣Vw2中的元素;xi為i地區(qū)的總產(chǎn)出;xj為j地區(qū)的總投入;Lij為Leontief逆矩陣L中的元素.
(11)
B′e=A′e(I-A)-1
(12)
Ve1i=Beixi
(13)
Ve2ij=aeiLijxj
(14)
式中:ei為i地區(qū)對能源的直接使用量;aei為i地區(qū)能源使用的直接系數(shù),列向量為Ae;B′e為完全用能系數(shù)向量的轉(zhuǎn)置;Ve1i為i地區(qū)產(chǎn)品供應(yīng)的隱含能源量;Ve2ij為區(qū)域間中間產(chǎn)品的隱含能源流動矩陣Ve2中的元素.
本研究選擇以2017年為基準年,所需數(shù)據(jù)主要來自中國碳核算數(shù)據(jù)庫(CEADs)和國家各級統(tǒng)計年鑒.2017年華東地區(qū)各省、直轄市取水數(shù)據(jù)及能源數(shù)據(jù)相對完善,以中國2017年區(qū)域間投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ)[11-12],并通過2017年的省級能源清單、省級排放清單、能源統(tǒng)計年鑒、區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒中的區(qū)域供水用水數(shù)據(jù)、省級碳排放清單等收集華東地區(qū)水和能源要素的流動數(shù)據(jù)[13-16],構(gòu)建本研究的華東地區(qū)投入產(chǎn)出表(共分為7個省、直轄市,每個區(qū)域42個行業(yè)部門).研究中,水要素僅將水視為資源而不考慮其作為能源的屬性,能源要素包含了各地各行業(yè)部門消耗的原煤、原油、天然氣、電力這幾種主要的能源類型,并統(tǒng)一為標煤量作為衡量.
本研究參照文獻[17]與《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》(GB/T 4754—2017)[18]將我國具有代表性的42類重點行業(yè)部門進行歸類,見表1.
表1 行業(yè)部門序號
為了突出行業(yè)部門的水、能源關(guān)系,將其在需求側(cè)和供給側(cè)視角上分別劃分為水相關(guān)部門和能源相關(guān)部門.在需求側(cè)視角下,水和能源相關(guān)部門分別代表產(chǎn)出自來水產(chǎn)品和能源產(chǎn)品的部門;在供給側(cè)視角下,水和能源相關(guān)部門分別代表取水部門和采能部門.如在需求側(cè)視角下,石油和天然氣開采部門產(chǎn)出石油和天然氣等能源產(chǎn)品,屬于能源相關(guān)部門;在供給側(cè)視角下,該部門既需要取水又需要開采能源,所以既屬于水相關(guān)部門又屬于能源相關(guān)部門.
需求側(cè)角度,即消費端(需求驅(qū)動).最終需求是需求側(cè)視角的一個基本指標,主要包括各地區(qū)各產(chǎn)業(yè)部門的農(nóng)村居民消費、城鎮(zhèn)居民消費、政府消費、固定資本形成總額和存貨增加量.研究表明,2017年我國自來水產(chǎn)品的最終需求為511.21億元,華東地區(qū)自來水產(chǎn)品的最終需求為125.57億元,其中,山東和浙江的自來水產(chǎn)品最終需求量較大,占華東地區(qū)自來水產(chǎn)品最終需求量的比例分別高達27.62%和23.65%,福建的自來水產(chǎn)品最終需求量最小,僅占4.31%.
對水要素進行研究發(fā)現(xiàn),2017年華東地區(qū)能源產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的取水量為1.32×109t,占華東地區(qū)總?cè)∷康?.73%.進一步應(yīng)用Leontief模型得到華東地區(qū)能源產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的取水量較多的地區(qū)是江西、安徽和江蘇,驅(qū)動的取水量分別為3.36×108t、2.92×108t和2.22×108t;而山東和上海的能源產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的取水量較少,分別為1.05×108t和7.53×107t.
對能源要素進行研究發(fā)現(xiàn),2017年華東地區(qū)自來水產(chǎn)品的最終需求驅(qū)動的能源開采量為1.36×105t,占華東地區(qū)總能源開采量的0.03%.進一步應(yīng)用Leontief模型得到華東地區(qū)自來水產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的能源開采量較多的地區(qū)是山東、安徽和江西,驅(qū)動的能源開采量分別為2.54×104t、2.48×104t和2.30×104t;而浙江和上海的自來水產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的能源開采量較少,分別為1.68×104t和8.53×103t.
耦合關(guān)系比例Rn表示產(chǎn)生耦合關(guān)系的量和總量的比值,某個子系統(tǒng)的Rn越大,該子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的耦合關(guān)系就越強,受到其他子系統(tǒng)的間接影響也越強.需求側(cè)水和能源耦合關(guān)系比例見表2.
表2 需求側(cè)水和能源耦合關(guān)系比例
由表2可以看出,在需求側(cè),江西的水-能源、能源-水Rn均最大,即自來水產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的能源開采量占當?shù)啬茉聪M量的比例,以及能源產(chǎn)品最終需求驅(qū)動的取水量占當?shù)乜側(cè)∷康谋壤绕渌貐^(qū)大.其次是安徽,而江蘇的水-能源耦合關(guān)系最弱.這意味著江西和安徽的水和能源關(guān)系更為緊密,從系統(tǒng)整體角度考慮節(jié)水減排方案,擁有更大的減少碳排放潛力.
供給側(cè)角度,即投入端(投入驅(qū)動).初始投入是供給側(cè)視角的一個基本指標,等于增加值,與中間投入共同構(gòu)成某地區(qū)產(chǎn)業(yè)的總投入.2017年我國水相關(guān)部門(取水部門)初始投入為398 157.74億元,華東地區(qū)取水部門初始投入為148 629.54億元,其中,江蘇和山東的取水部門初始投入較大,占華東地區(qū)取水部門初始投入的比例分別高達26.09%和24.14%,上海的取水部門初始投入最小,僅占5.53%.
對水要素進行研究發(fā)現(xiàn),2017年華東地區(qū)取水部門初始投入促進的能源開采量為1.09×108t,占華東地區(qū)總能源開采量的22.63%.進一步應(yīng)用Ghosh模型得到華東地區(qū)取水部門初始投入促進的能源開采量較多的地區(qū)是山東和江蘇,促進的能源開采量分別為3.32×107t和2.68×107t;江西和上海取水部門初始投入促進的能源開采量較少,分別為7.49×106t和4.57×106t.
對能源要素進行研究發(fā)現(xiàn),2017年華東地區(qū)能源開采部門的初始投入促進的取水量為2.23×109t,占華東地區(qū)總?cè)∷康?.23%.進一步應(yīng)用Ghosh模型得到華東地區(qū)能源開采部門的初始投入促進的取水量較多的地區(qū)是山東和江蘇,促進的取水量分別為8.36×108t和4.36×108t;而福建和上海的能源開采部門的初始投入促進的取水量較少,分別為1.59×108t和7.41×107t.
供給側(cè)水和能源耦合關(guān)系比例見表3.
表3 供給側(cè)水和能源耦合關(guān)系比例
由表3可以看出,在供給側(cè),山東的水和能源關(guān)系最為緊密,其次是江蘇的水-能源關(guān)系和浙江的能源-水關(guān)系.在該視角下華東各地區(qū)的取水部門驅(qū)動用能的耦合關(guān)系(水-能源耦合)均不可忽略,需要關(guān)注.
由經(jīng)濟流動所產(chǎn)生的隱含水、隱含能源流動,表現(xiàn)了水和能源的空間耦合關(guān)系,核算結(jié)果如圖1、2所示.
圖1 隱含水流動圖(單位: t)
圖2 隱含能源流動圖(單位: t)
由圖1可以看出,各地的最大隱含水來源均為本地區(qū),主要是因為地區(qū)內(nèi)部的商品和經(jīng)濟交流的程度顯著強于地區(qū)間的交流程度,獲得本地區(qū)的隱含水比例大也表現(xiàn)了該區(qū)域商品自給自足的程度較高.其中,江蘇獲得了最多的隱含水,也是最大的隱含水進口地區(qū),其次是安徽和江西,表明這些地區(qū)以隱含在商品中的形式調(diào)入了大量水資源,因而在生產(chǎn)過程中具有很強的改善潛力,需要進一步引入清潔生產(chǎn)技術(shù).
由圖2可以看出,各地的最大隱含能源來源也均為本地區(qū),其中,山東由于工業(yè)方面發(fā)達而獲得了最多的隱含能源,其次是江蘇、浙江和安徽,這些地區(qū)的工業(yè)和制造業(yè)較為發(fā)達,主要產(chǎn)出能源密集型產(chǎn)品,但由于本身能源并不豐富,比較依賴能源供應(yīng),需要進一步降低生產(chǎn)能耗,避免可能出現(xiàn)的能源短缺問題.
華東地區(qū)產(chǎn)業(yè)從區(qū)域宏觀角度可以歸類為高影響力-高感應(yīng)度地區(qū)產(chǎn)業(yè),空間耦合關(guān)系強但能源強度低,主要是由于相對清潔而非能源密集型工業(yè)的產(chǎn)出比例較高[19].為從產(chǎn)業(yè)-區(qū)域?qū)用鏄?gòu)建完整的耦合關(guān)系指標體系,精準識別關(guān)鍵地區(qū)產(chǎn)業(yè),本研究計算量化了地區(qū)產(chǎn)業(yè)影響力系數(shù)和感應(yīng)度系數(shù)[20],如圖3所示.
區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對能源強度有顯著影響[21-23],針對重點產(chǎn)業(yè)制定節(jié)能、節(jié)水政策更有利于全局優(yōu)化.基于耦合關(guān)系的思想,利用影響力系數(shù)和感應(yīng)度系數(shù)可綜合反映國民經(jīng)濟各部門的地位和作用,通常認為,影響力系數(shù)較大的產(chǎn)業(yè)是該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),對各地區(qū)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)帶動性較強,如上海的金屬冶煉和壓延加工品業(yè)以及浙江的金屬礦采選產(chǎn)品業(yè).而感應(yīng)度系數(shù)較大的產(chǎn)業(yè)則是經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),對該地區(qū)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)帶動效果更強,如上海和山東的石油和天然氣開采產(chǎn)品業(yè).在識別關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)后,可以從國家推薦的相關(guān)節(jié)能減排技術(shù)中篩選出行業(yè)適用的清潔生產(chǎn)技術(shù),基于水-能源耦合關(guān)系量化計算每種清潔生產(chǎn)技術(shù)的直接和間接節(jié)水、節(jié)能和減污量[24],從環(huán)境效益和經(jīng)濟效益兩個層面進行評價,助力篩選清潔生產(chǎn)技術(shù).
根據(jù)本研究的結(jié)果,基于不同視角計算量化耦合關(guān)系產(chǎn)生了不同的結(jié)果,這也意味著在基于不同視角考慮優(yōu)化問題時,會產(chǎn)生不同的最優(yōu)解決方案.在需求側(cè)視角下,江西和安徽的水和能源的耦合關(guān)系較強,而江蘇最弱,主要是由于江西的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,安徽的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)達,導致其對于其他各產(chǎn)業(yè)商品的需求大,水和能源的消費行為聯(lián)系相對緊密,需求側(cè)耦合關(guān)系較強,在該視角下協(xié)同控制應(yīng)重點關(guān)注江西和安徽的住宿和餐飲業(yè).在供給側(cè)視角下,山東的水和能源關(guān)系最為緊密,江蘇的水-能源關(guān)系和浙江的能源-水關(guān)系也比較突出,這些地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)達,資源和能源的初始投入較大,導致了供給側(cè)耦合關(guān)系較強,建議在這些地區(qū)既直接針對用能企業(yè)節(jié)能,又針對用水企業(yè)制定節(jié)水政策,達到直接和間接節(jié)能降碳的協(xié)同作用,其中應(yīng)重點關(guān)注山東的石油和天然氣開采產(chǎn)品業(yè)、制造業(yè)、住宿和餐飲業(yè).對于華東地區(qū)整體的節(jié)水、節(jié)能、減排多目標優(yōu)化,應(yīng)當實行差異化的節(jié)能減排政策[25],建議關(guān)注上海的金屬冶煉和壓延加工品業(yè)、石油和天然氣開采產(chǎn)品業(yè),浙江的金屬礦采選產(chǎn)品業(yè)以及山東的石油和天然氣開采產(chǎn)品業(yè).
(b) 產(chǎn)業(yè)感應(yīng)度系數(shù)圖
對于華東地區(qū)的水-能源空間耦合關(guān)系,由于隱含水、隱含能源主要輸送到本地,對于隱含資源應(yīng)以本地區(qū)控制為主,區(qū)域間協(xié)同控制為輔.在本地區(qū)控制方面,建議推動技術(shù)升級,提高資源能源使用效率,如推行資源循環(huán)利用技術(shù);在協(xié)同控制方面,識別出隱含水和隱含能源的省際流動主要由安徽和江西流向江蘇和浙江,這與各省市在區(qū)域貿(mào)易中所處角色有關(guān).安徽和江西水資源豐富,同時也是礦產(chǎn)資源大省,對于江蘇、浙江等能源消費大省具有重要支撐作用,建議針對隱含水和隱含能源流動的上游地區(qū)進行節(jié)水、節(jié)能控制和清潔生產(chǎn),使下游單位產(chǎn)品的全生命周期能耗、水耗降低.如通過產(chǎn)學研等合作機制與相應(yīng)的輸出地區(qū)形成良好合作關(guān)系,將經(jīng)濟和科技水平較高的地區(qū)(江蘇和山東)的新型實用節(jié)水、節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)移到資源輸出量較多的地區(qū)(安徽和江西).
本研究以華東地區(qū)為例,基于多區(qū)域投入產(chǎn)出方法構(gòu)建了水-能源耦合關(guān)系模型,從需求側(cè)和供給側(cè)量化分析了該地區(qū)水和能源的關(guān)聯(lián)關(guān)系并進行對比,提出了相應(yīng)的決策建議.此外,本研究進一步對華東地區(qū)的產(chǎn)業(yè)進行分析,識別了影響力系數(shù)較大的地區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)和感應(yīng)度系數(shù)較大的地區(qū)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),使基于多區(qū)域投入產(chǎn)出方法的耦合分析深入到行業(yè)層面,在地區(qū)和產(chǎn)業(yè)兩個維度上提出決策建議.多視角、多維度地創(chuàng)新了耦合分析方法,該方法具有較強的應(yīng)用潛力和價值,可以應(yīng)用于不同尺度的系統(tǒng)上,有利于實現(xiàn)碳、水、能源等要素的優(yōu)化和系統(tǒng)整體效益最大化,為評價我國資源和能源的可持續(xù)發(fā)展提供方法依據(jù).