水資源制約下新疆煤炭產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展研究

胡明明　李愛軍

摘要：利用新疆2007年42部門投入產(chǎn)出表，建立了以投入產(chǎn)出模型為基礎(chǔ)的混合能源模型。分析新疆地區(qū)經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，通過線性擬合設(shè)定不同的經(jīng)濟增長速度，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢選取不同的發(fā)展情景，以近年來新疆地區(qū)水資源消耗和能源消耗數(shù)據(jù)情況為基礎(chǔ)，對新疆未來各行業(yè)水資源消耗量和二氧化碳排放量進(jìn)行了預(yù)測和分析，分析其低碳發(fā)展之路，給出了在未來供水總量限制下新疆煤炭開發(fā)利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)能規(guī)劃，為國家“十三五”能源規(guī)劃提供相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：水資源消耗；二氧化碳排放；投入產(chǎn)出模型； 發(fā)展規(guī)劃

中圖分類號：F206 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-913X（2016）05-0048-04

Abstract：Using the input-output table of the 42 sectors in Xinjiang in 2007，a hybrid energy one based on input- output model is established.Analysis on the trend of conomic and industrial development in Xinjiang region， setting different economic growth rates by linear fitting，combined with the trend of industrial development to select different development scenarios，Basing on the data of water and energy consumption in Xinjiang area in recent years，predicting and analyzing of water resources consumption and carbon dioxide emissions in the future industries in Xinjiang，analysing the low carbon development path of Xinjiang，in the future， the development and utilization of Xinjiang coal development and utilization related industries under the limit of the total water supply are given，Putting forward the relevant recommendations for 13th Five-Year the national energy plan.

Key words：Water resources consumption；Carbon dioxide emission；Input—output model；development planning

一、引言

新疆地區(qū)煤炭儲量豐富，并且還有部分的石油和天然氣資源，是未來我國重要的能源基地，是“十三五”期間國家能源規(guī)劃重點建設(shè)地區(qū)。然而新疆地區(qū)水資源短缺，并且分布不均，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭等化石能源的開發(fā)利用受到水資源的限制，如何在水資源和生態(tài)環(huán)境約束下合理的開發(fā)利用煤炭資源是新疆地區(qū)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的問題，也是國家“十三五”能源規(guī)劃重點考慮的問題之一。本文利用2007年42部門投入產(chǎn)出表，建立以投入產(chǎn)出模型為基礎(chǔ)的混合能源模型，結(jié)合新疆地區(qū)缺水的自身特點而對模型計算所需要的外生參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過已知的基年數(shù)據(jù)和對技術(shù)參數(shù)及情景參數(shù)的設(shè)置，利用仿真計算來得到相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果，對新疆地區(qū)未來目標(biāo)年份（即2020年和2030年）的能源消費相關(guān)二氧化碳排放量以及水資源消耗情況等進(jìn)行預(yù)測分析，分析對比各種煤炭利用技術(shù)水耗，從而得到新疆煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)建議。

二、模型建立

對新疆能源利用的前景和規(guī)劃需要考慮的因素很多，針對該地區(qū)缺水情景下能源產(chǎn)業(yè)如何發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)，在模型選取方面應(yīng)重點考慮的是當(dāng)?shù)厮Y源的約束和社會經(jīng)濟的發(fā)展。投入產(chǎn)出表能夠清楚的反映出經(jīng)濟系統(tǒng)各部門間的投入和產(chǎn)出的依存關(guān)系，基于投入產(chǎn)出表建立以投入產(chǎn)出模型為基礎(chǔ)的二氧化碳排放子模型以及水資源消耗模型的投入產(chǎn)出優(yōu)化模型，能夠深入細(xì)致地針對不同經(jīng)濟增長模式下的各種低碳發(fā)展情景，來預(yù)測分部門的能源消耗、二氧化碳排放和水資源消耗。

（一）投入產(chǎn)出模型

本文分部門分能源品種能源消耗、水資源消耗和二氧化碳排放量的預(yù)測主要建立在投入產(chǎn)出模型基礎(chǔ)上。投入產(chǎn)出模型最初是由美國哈佛大學(xué)教授瓦西里·列昂惕夫提出的，并創(chuàng)立了投入產(chǎn)出分析的方法。 [1]

選用價值型投入產(chǎn)出表，則對于每一行，都存在如下平衡方程：

Ui=Xi-Yi+IMi i=1，2L n （1）

其中Ui表示投入產(chǎn)出表中i部門行的中間使用合計，Xi表示部門i的總產(chǎn)出，Yi表示部門i的最終使用合計。IMi表示部門i的進(jìn)口量。用直接消耗系數(shù)矩陣的方式表示：

AX=X-Y+IM （2）

式中A表示直接消耗系數(shù)矩陣，直接消耗系數(shù)aij表示第j個部門的1個單位產(chǎn)出量所直接消耗的第i個部門產(chǎn)出量的數(shù)量。

同樣價值型投入產(chǎn)出表的每一列，都存在如下平衡方程：

Vj=Xj-Zj j=1，2L n （3）

其中Vj表示投入產(chǎn)出表中j部門列的中間投入合計， Xj表示j部門的總投入，Zj表示j部門的增加值。用矩陣的方式表示：

計算過程中需要得到目標(biāo)年份的直接消耗系數(shù)，本文采用RAS方法對直接消耗系數(shù)進(jìn)行修訂。RAS方法易于修正，滿足實際研究目標(biāo)的要求，在投入產(chǎn)出表的調(diào)整中具有很大的優(yōu)越性。要由基期的直接消耗系數(shù)矩陣得到目標(biāo)年份的直接消耗矩陣，RAS方法認(rèn)為直接消耗系數(shù)矩陣的變化是在“替代效應(yīng)”和“制造效應(yīng)”的影響下產(chǎn)生的[2]。引入替代系數(shù)矩陣R和制造系數(shù)矩陣S，則預(yù)測年份的直接消耗系數(shù)為：

其中R=diag（r1，r2，…rn）；S=diag（s1，s2，…sn）。在已知未來年份總產(chǎn)出、中間使用合計、中間投入合計以及基年直接消耗系數(shù)矩陣Acb的情況下，通過迭代的計算方法可以得到R和S的值。

（二）社會經(jīng)濟模型

針對本文的分部門分能源品種的二氧化碳排放量和水資源消耗量預(yù)測，要得到預(yù)測年份的最終消費矩陣和總投入，從而為投入產(chǎn)出模型提供輸入?yún)?shù)。本文從人均可支配收入與經(jīng)濟增長的關(guān)系著手，采用線性擬合的方法，[3]由基年的人均可支配收入Lb可得到目標(biāo)年份的人均可支配收入Lf。同時，引入人均收入彈性系數(shù)α，α是指人均消費量的變化率與人均可支配收入變化率的比值。則未來人均居民消費量Kf可表示為：

其中Kb為基年人均居民消費量。

引入城鎮(zhèn)化率η將城鎮(zhèn)居民數(shù)量和農(nóng)村居民數(shù)量分開，[4]則城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民消費量分別為：

Tu=Ku×P×η （7）

Tr=Kr×P×（1-η） （8）

其中Tu和Tr分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民消費量，Ku和Kr分別為城鎮(zhèn)和農(nóng)村人均居民消費量，P為人口數(shù)量，η為城鎮(zhèn)化率?？偟木用裣M量T為城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民消費量之和，即：

T=Tu+Tr （9）

從而由居民消費量占最終使用合計的份額可以得到預(yù)測年份的最終消費矩陣，如式（10）：

其中Y為預(yù)測年份的最終消費矩陣，T為居民消費量矩陣，θ為居民消費量占最終使用合計的份額。

利用基年的各部門的增加值、總投入以及技術(shù)進(jìn)步系數(shù)可以得到預(yù)測年份的分部門總投入。技術(shù)進(jìn)步系數(shù)表示預(yù)測年份的增加值率相對基年增加值率的變化率，而增加值率是增加值與總投入的比值。則預(yù)測年份的增加值率為：

其中Zr為預(yù)測年份增加值率，Zb基年的增加值，R為技術(shù)進(jìn)步系數(shù)，X為基年的總投入。

從而可以得到預(yù)測年的總投入，如式（12）：

其中Xf為預(yù)測年份總投入，Zf為預(yù)測年份增加值，Zr為預(yù)測年份增加值。

（三）水資源消耗模型

水資源消耗模型主要利用預(yù)測目標(biāo)年份的投入產(chǎn)出表得出目標(biāo)年限的各部門生產(chǎn)用水消耗，同時考慮居民生活消耗和生態(tài)消耗就可以 得到全社會的水資源消耗情況?？偹陌词剑?3）計算。生產(chǎn)消耗和居民消耗分布按式（14）和式（15）計算，生態(tài)用水采用歷史平均法進(jìn)行計算。[5]

W=WiP+WiR+WiS （13）

其中WiP為生產(chǎn)耗水，WiR為居民耗水，WiS 為生態(tài)耗水。

WiP=εNXi （14）

其中WiP為部門水耗，ε為節(jié)水率，N為部門用水系數(shù)，Xi為部門總產(chǎn)出。

WiR=ξP f （15）

其中WiR為居民水耗，ξ為人均耗水系數(shù)，P f為預(yù)測年份人口數(shù)。

（四）CO2排放模型

本文采用2006年IPCC《國家溫室氣體清單指南》二氧化碳排放量的計算方法，對新疆二氧化碳排放量進(jìn)行計算。CO2排放量計算分為工業(yè)生產(chǎn)CO2排放和居民消費CO2排放，如式（16）所示。

M=MP+MR （16）

其中，MP和MR分別為工業(yè)部門產(chǎn)生的二氧化碳排放量和居民消費產(chǎn)生的二氧化碳排放量，計算方法分別如式（17）和式（18）所示。

其中，ξ表示標(biāo)準(zhǔn)煤平均低位發(fā)熱量（kJ/kgce），ej表示第j種能源品種的二氧化碳排放系數(shù)，hj表示第j種能源的被氧化率，QP和QR分別為生產(chǎn)用能源消耗量和居民能源消費量，可根據(jù)人均能源消耗量和預(yù)測年份人口數(shù)求得。其中本文所考慮的能源品種主要是原煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然氣。

三、參數(shù)設(shè)置

對于新疆地區(qū)能源行業(yè)的發(fā)展研究利用了新疆2007年42部門投入產(chǎn)出表，本模型把2007年設(shè)置為基年，相關(guān)燃料的排放因子與CQC公布的排放因子一致。本文根據(jù)2007—2013年《新疆統(tǒng)計年鑒》[6]、2007—2013年《中國能源統(tǒng)計年鑒》[7]等公布的數(shù)據(jù)，把新疆的經(jīng)濟增長按照高速增長、中速增速、低速增長三種不同模式分別進(jìn)行預(yù)測分析。居民的消費水平、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入和農(nóng)村居民純收入、部門增加值等隨著不同的經(jīng)濟增長速度變化而變化。針對不同的經(jīng)濟增長數(shù)據(jù)，根據(jù)歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)測得到的收入彈性系數(shù)，由此可以對可支配收入和農(nóng)村居民人均純收入進(jìn)行內(nèi)生計算。本文通過控制不同產(chǎn)業(yè)的增加值的增長速度來模擬新疆的社會經(jīng)濟模型，進(jìn)而預(yù)測新疆不同經(jīng)濟增長模式下的能源消耗、二氧化碳排放量以及水資源消耗量。目前可以得到的是2007年新疆投入產(chǎn)出表，而2007-2013年的數(shù)據(jù)相關(guān)的資料已經(jīng)公布，所以該階段的GDP年增長率應(yīng)該按照統(tǒng)計公報公布的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，對其他年份的相關(guān)數(shù)據(jù)參照全國經(jīng)濟增長目標(biāo)規(guī)劃和往年的發(fā)展實際情況進(jìn)行設(shè)定。如表1所示。

另外，在每種經(jīng)濟增長速度模式下，本文針對低碳經(jīng)濟的發(fā)展水平，設(shè)置了以下基本情景、低碳節(jié)水情景、強化低碳節(jié)水情景三種情景，[8][9]三種情景的設(shè)置考慮了經(jīng)濟發(fā)展、減排壓力、節(jié)水率、技術(shù)進(jìn)步、消費觀念等一系列的因素，通過對不同情境參數(shù)的設(shè)置分別計算各種情景的新疆2014-2030年的分部門能源消費、二氧化碳排放量和水資源消耗量。

本文根據(jù)《2013年新疆統(tǒng)計年鑒》人口的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)定人口增長率和城鎮(zhèn)化率。對技術(shù)進(jìn)步系數(shù)[10]的設(shè)置參照了中國經(jīng)濟的增加值變化的歷史數(shù)據(jù)。本文針對不同的經(jīng)濟增長模式和不同的情景模式下，還設(shè)置了單位產(chǎn)出能耗變化率（指相對基年的單位產(chǎn)出能耗相對變化，此值越大，表示對能源的需求量就越大）、終年人均能源消費變化率（此值越大，表示居民對能源的需求量越大）和化石能源占一次能源比重（此值越大，表示對三種化石能源依賴性越強）等參數(shù)，對進(jìn)行能源效率和能源結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行模擬。結(jié)合各省的實際情況，對各種情景的2020年和2030年主要參數(shù)的設(shè)置，如表2、3所示。

四、計算結(jié)果分析

（一）水資源消耗量預(yù)測分析

對九種情景下新疆全社會需水量進(jìn)行了預(yù)測，如圖1所示。首先對不同經(jīng)濟增長模式下的需水量進(jìn)行比較，在低速經(jīng)濟增長模式下，2020年的三種情景的需水量都超過523億m3，2030年三種情景的需水量都超過549億m3；在中速經(jīng)濟增長模式下2020年和2030年的水耗分別達(dá)到575億m3和604億m3；在高速經(jīng)濟增長模式下2020年和2030年的水耗分別達(dá)到601億m3和630億m3?？梢?，經(jīng)濟增長速度越高則水資源消耗越多，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。在同一種經(jīng)濟增長模式下，隨著節(jié)水率的不同水資源消耗量也不同，顯然有更高節(jié)水率的強化低碳節(jié)水情景水資源消耗量比基本情景和低碳節(jié)水情景更小。在同一種經(jīng)濟增長速度和同一種節(jié)水情景下，以低速經(jīng)濟增長模式下的強化低碳節(jié)水情景為例，隨著時間增長水資源消耗量不斷增加，說明隨著社會的發(fā)展，經(jīng)濟總量不斷增加，水資源消耗量會不斷增加。在水資源有限的情況下，各行業(yè)節(jié)水是必然趨勢，對重點行業(yè)特別是能源行業(yè)的產(chǎn)能合理規(guī)劃也顯得尤為重要。

根據(jù)2013年中華人民共和國水利部公布《實行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》，新疆2020年和2030年可用水總量分別為515.97億立方米和526.74億立方米，同時參考新疆2011水資源公報80.36億立方米的儲水量，中速和高速經(jīng)濟增長模式下的水資源消耗量都超過總量控制目標(biāo)，只有低速經(jīng)濟增長模式滿足要求，故提取低速經(jīng)濟增長模式下的分行業(yè)生產(chǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)得到圖2，從圖中可以看到整個生產(chǎn)用水中第一產(chǎn)業(yè)即農(nóng)業(yè)用水的比例最大，占全行業(yè)用水的90%以上。因此，農(nóng)業(yè)用水的基數(shù)很大，如果能在采取有效的節(jié)水措施，則對解決新疆水資源供應(yīng)緊張，緩解能源行業(yè)發(fā)展供水不足的問題具有非常積極的作用。

在低速經(jīng)濟增長強化低碳節(jié)水情景下的水資源消耗是基本滿足新疆用水總量控制目標(biāo)的，該情景下2020年工業(yè)用水需求為16.7億立方米左右，占用水總量的3.19%，其中煤炭開采和洗選業(yè)、石油和天然氣開采業(yè)、石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)等五個能源行業(yè)需水5.3億立方米左右，占用水總量的1.01%；2030年工業(yè)用水需求為28.7億立方米左右，占用水總量的5.23%，其中能源行業(yè)需水為9.5億立方米左右，占用水總量的1.73%。由于新疆地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的特殊性，隨著“十三五”期間國家加快對新疆能源產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)，新疆經(jīng)濟的發(fā)展工業(yè)用水需求將繼續(xù)增大，能源部門的需水量也會繼續(xù)增大。因此新疆地區(qū)的發(fā)展將受到制約。

對于煤炭相關(guān)能源行業(yè)而言，采用先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)是勢在必行的。當(dāng)然，對于能源行業(yè)產(chǎn)能的具體發(fā)展規(guī)劃也應(yīng)考慮到水資源的限制。在低速增長強化低碳節(jié)水情景下，對于新疆而言到2020年煤炭開采在2.85億噸左右，燃煤發(fā)電量可達(dá)2500億千瓦時，煤制油產(chǎn)能133.8萬噸，煤制氣139.3億m3；到2030年開采量5.52億噸左右合適，燃煤發(fā)電可達(dá)3000億千瓦時，煤制油產(chǎn)能205.72萬噸，煤制氣194.3億m3較為合適。煤制油、煤制氣的水耗巨大，在有限的水資源條件下煤制油、煤制氣的增長不宜過快。燃煤發(fā)電燃煤發(fā)電技術(shù)成熟度高，環(huán)境影響相對較小，水耗較小，應(yīng)當(dāng)作為煤炭開發(fā)利用的主要方式。

（二）二氧化碳排放量預(yù)測分析

從二氧化碳排放總量的預(yù)測結(jié)果來看，在低速經(jīng)濟增長模式強化低碳節(jié)水情景下，到2020年新疆二氧化碳排放總量達(dá)3.0億噸，到2030年達(dá)4.1億噸，總量上是不斷增加的。但從單位GDP二氧化碳排放來看，2020年為2.86t/萬元，2030年為2.06t/萬元，其趨勢是逐漸下降的。根據(jù)2011年《新疆統(tǒng)計年鑒》和《中國能源統(tǒng)計年鑒》的 數(shù)據(jù)測算2010年新疆單位GDP二氧化碳排放為3.65t/萬元，那么由測算結(jié)果可知低速經(jīng)濟增長模式低碳節(jié)水情景下2020年新疆單位GDP二氧化碳排放量比2010年下降21.6%，2030年比2010年下降43.6%，減排效果明顯。從分行業(yè)的排放情況看，電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、化學(xué)工業(yè)和石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)等三個行業(yè)的排放量最多，由此可見新疆要進(jìn)一步控制二氧化碳排放應(yīng)該加強煤炭相關(guān)化石能源行業(yè)的節(jié)能和減排，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時也可推廣示范相關(guān)的二氧化碳捕集與埋存等技術(shù)。

五、結(jié)語

新疆作為重要的能源基地，是未來國家能源供應(yīng)的重要保障。新疆水資源匱乏，且工業(yè)用水比重小，可供能源開發(fā)利用的水有限，應(yīng)該對新疆能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)特別是煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展進(jìn)行合理的規(guī)劃和布局。本文分析了在未來可供水量限制下新疆煤炭相關(guān)行業(yè)的發(fā)展模式，計算了相關(guān)行業(yè)的水資源消耗量，分析了其未來發(fā)展水資源供應(yīng)不足的情況，說明采取節(jié)水措施的重要性的同時給出了煤炭開采、煤制油氣、燃煤發(fā)電等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能。同時，本文還分析了新疆未來二氧化碳排放量，指出了控制二氧化碳排放需要加強電力熱力、化學(xué)工業(yè)和石油加工等相關(guān)行業(yè)的節(jié)能減排和碳捕集技術(shù)的發(fā)展。通過合理的理論測算，為國家“十三五”能源規(guī)劃提供了重要的理論支撐。

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[責(zé)任編輯：蘭欣卉]