山西省產(chǎn)業(yè)部門“能—水—碳”耦合研究

張敏

摘 要：能源過度消耗、水資源嚴重緊缺和碳排放的持續(xù)增加是當前山西省高質(zhì)量發(fā)展的主要瓶頸，如何保證“能—水—碳”系統(tǒng)耦合發(fā)展已成為其研究的重點領域。通過構建“能—水—碳”環(huán)境投入產(chǎn)出模型，對山西省八大產(chǎn)業(yè)2002—2012年“能—水—碳”直接、完全消耗及其分布結(jié)構進行實證分析，并根據(jù)各部門耦合特征，為山西省產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型協(xié)同發(fā)展提供新的政策視角，同時給其他資源型地區(qū)可持續(xù)發(fā)展進程中行業(yè)重點管控和綜合管理提供參考。

關鍵詞：“能—水—碳”;耦合;產(chǎn)業(yè)部門

中圖分類號：F127 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1673-291X（2020）06-0059-02

引言

隨著工業(yè)化發(fā)展的快速推進，能源過度消耗和水資源嚴重緊缺等一系列問題接踵而至。據(jù)統(tǒng)計，全球碳排放量也將持續(xù)增加。能、水、碳作為社會經(jīng)濟發(fā)展中緊密聯(lián)系的重要投入和環(huán)境產(chǎn)出，當前所面臨的嚴峻形勢已成為國內(nèi)外關注的關鍵領域。山西省作為中國典型的資源型地區(qū)，豐富的自然資源在給地區(qū)經(jīng)濟帶來迅猛增長的同時，高能耗、高水耗和高碳排的問題也逐漸暴露出來。目前，山西省能源消費強度遠高于全國平均水平，人均水資源總量僅占到全國的1/7，煤炭的過度開采也造成地下水資源的嚴重破壞，同時長期粗放式的發(fā)展結(jié)構造成環(huán)境破壞嚴重，碳排放總量及強度均居全國前列。因此，加強山西省“能—水—碳”的耦合開發(fā)和協(xié)同控制已成為實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。

一、文獻綜述

長期以來，國內(nèi)外對能源、水和碳排放的研究主要集中在單要素分析，隨著對系統(tǒng)耦合的認識，針對兩兩要素依賴關系研究逐漸增多，“能—水”研究側(cè)重于耦合開發(fā)的角度，包括能源開發(fā)過程中耗水以及水行業(yè)生產(chǎn)中耗能的雙向聯(lián)系[1]。如彭等人在綜合考慮“能—水”關系基礎上，進行部門發(fā)展分析[2]。同時一些學者認為，資源管理必然離不開環(huán)境條件的約束。陸志明和Wang等人分別測算了能源消費和轉(zhuǎn)移和水資源開發(fā)利用時產(chǎn)生的碳排放，結(jié)果顯示能源和水體都是造成地區(qū)長期溫室氣體的重要排放源[3～4]。

綜上所述，現(xiàn)有文獻對區(qū)域“能—水—碳”三者耦合關系研究目前仍處于探索階段。尤其對山西省這種面臨復雜資源問題的特殊區(qū)域，尚缺少能、水、碳三者的長期耦合的考慮。另外在研究視角上，前期研究更多關注的是發(fā)電[5]等典型行業(yè)的要素耦合聯(lián)系。但是，能源、水資源和碳排放的流動取決于部門之間的貿(mào)易，不同產(chǎn)業(yè)“能—水—碳”耦合程度存在較大的差異且相互聯(lián)系，還有必要將能源、水、碳關系的問題放在一個更廣泛的系統(tǒng)研究。

基于此，本文以山西省為例，通過建立環(huán)境投入產(chǎn)出模型，對山西省八大產(chǎn)業(yè)部門的資源環(huán)境指標量化評估，全面分析2002—2012年山西省的動態(tài)耦合特征變化，指出各部門長期以來資源環(huán)境管理方面的潛在沖突或共同利益，同時對其他資源型地轉(zhuǎn)型發(fā)展提供參考性建議。

二、研究方法與模型

1.環(huán)境投入產(chǎn)出模型。環(huán)境投入產(chǎn)出模型是在價值型投入產(chǎn)出模型基礎上，將能源消耗、水資源消耗和碳排放三種環(huán)境壓力指標與經(jīng)濟系統(tǒng)相結(jié)合所構建的混合型投入產(chǎn)出模型。環(huán)境投入產(chǎn)出表的基本框架分為四部分，第一部分為價值型投入產(chǎn)出表，以貨幣為計量單位，包括中間需求Xij、最終需求Yi和總產(chǎn)出Xi。其余三部分部分為各項環(huán)境壓力指標，均以物理單位測量，包括直接能耗總量Ej、直接用水量Wj和直接碳排放量Cj。

2.“能—水—碳”耦合系數(shù)和結(jié)構。本文通過定義經(jīng)濟系統(tǒng)中資源投入與環(huán)境產(chǎn)出耦合下的能耗、水耗和碳排放系數(shù)，即j部門單位產(chǎn)值中能源、水資源的投入量以及碳排放產(chǎn)出量，用以反映各部門的“能—水—碳”耦合情況，同時以直接消耗（排放）系數(shù)與完全系數(shù)之比表示各部門耦合結(jié)構。

在完全消耗（排放）系數(shù)的基礎上，乘以最終需求的對角矩陣Ydiag，可得由最終需求引起的j部門完全能耗矩陣ET、完全水耗矩陣WT、完全碳排放矩陣CT。

3.部門分類和數(shù)據(jù)來源。基于對山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構特征、資源與環(huán)境現(xiàn)狀的分析，以及現(xiàn)有能源和水消耗數(shù)據(jù)與投入產(chǎn)出表部門劃分的對應關系，本文綜合權衡后將地區(qū)投入產(chǎn)出表中列出的42個部門合并為8個主要部門，分別為農(nóng)業(yè)（Ag）、采礦業(yè)（CSI）、輕工業(yè)（LI）、重工業(yè)（HI）、電力、熱力、然氣及水生產(chǎn)和供應業(yè)（EGW）、建筑業(yè)（CI）、交通運輸業(yè)（TSP）和服務業(yè)（SI）。

本文使用2002年、2007年、2012年山西省投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，并以2007年為基礎年份剔除價格因素的影響。能源消耗數(shù)據(jù)來源于《山西省統(tǒng)計年鑒》中分行業(yè)能源消費量，能源品種包括煤炭、電力、焦炭、汽油、柴油。并采用IPCC參考方法中分燃料品種數(shù)據(jù)法，由各種能源消費量與其排放因子核算得部門碳排放量。直接用水量數(shù)據(jù)來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》，并依據(jù)投入產(chǎn)出表中水的生產(chǎn)和供應部門分配給其他部門的產(chǎn)值比，將直接用水量的原始數(shù)據(jù)分配到調(diào)整后的八大部門中。

三、結(jié)果分析

1.完全消費和排放特征分析。2002—2012年山西省的能源消耗量快速增長，2012年完全能源消耗量達到73 278.64萬t標準煤。重工業(yè)對能源需求的急劇膨脹使能源完全消耗量遠超于其他產(chǎn)業(yè)，2012年占到總能耗的43%，其次是建筑業(yè)和采礦業(yè)，其中采礦業(yè)作為山西省典型的資源型產(chǎn)業(yè)，2002年能源消耗增加趨勢尤為明顯。由完全能耗和碳排放比較來看，各部門“能—碳”耦合特征明顯，2002年全省碳排放49 070.73萬t，建筑業(yè)占比最高，2007年以后重工業(yè)碳排放量迅速增加，2012年占到全省總碳排放的43.50%，超過建筑業(yè)成為碳排放最高的部門。農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)和交通運輸業(yè)對能源需求占比較小，碳排放量較低。而各部門完全水消耗量的分布則有些不同，農(nóng)業(yè)和輕工業(yè)能耗和碳排放均遠低于全省平均水平，但對水資源的消耗較大。尤其是農(nóng)業(yè)一直以來都是水耗最高的部門，2012年完全耗水量達到31.34億m3;服務業(yè)作為典型低能耗和低碳產(chǎn)業(yè)，用水量也居部門前列，但時間上有下降趨勢;電力、熱力、天然氣、水生產(chǎn)，以及供應業(yè)和交通運輸業(yè)用水量最少。

2.“能—水—碳”耦合系數(shù)分析。2002—2007年的“能—水—碳”消耗和排放表現(xiàn)出總量上升系數(shù)減少的特征，這與工業(yè)化發(fā)展效率提高密切相關。2007—2012年間消耗和排放系數(shù)并未有較大變化。從能耗系數(shù)來看，電力、熱力、然氣及水生產(chǎn)和供應業(yè)是各年中完全能耗系數(shù)最高的部門，2012年其能耗系數(shù)（10.69t/萬元）達到系數(shù)最低部門服務業(yè)的（1.69t/萬元）的6.3倍之多，重工業(yè)的能耗系數(shù)僅次于電力、熱力、天然氣及水生產(chǎn)和供應業(yè)。從水耗系數(shù)來看，農(nóng)業(yè)的單位產(chǎn)出耗水仍遠超于其他部門，輕工業(yè)次之，其余部門耗水系數(shù)相差不大，這與完全水耗總量結(jié)構相似。從碳排放系數(shù)來看，電力、熱力、天然氣及水生產(chǎn)和供應業(yè)（30.22t/萬元）和重工業(yè)（22.41t/萬元）是單位產(chǎn)出碳排放的主要來源，農(nóng)業(yè)和服務業(yè)系數(shù)最小。

3.“能—水—碳”耦合結(jié)構分析。整體上分析各行業(yè)消耗和排放結(jié)構并沒有明顯的時間差異。值得注意的是，僅電力、熱力、天然氣及水生產(chǎn)和供應業(yè)直接能耗系數(shù)、水耗系數(shù)和直接碳排放系數(shù)大于間接消耗，說明該行業(yè)“能—水—碳”壓力主要來自于直接資源消耗而不是中間投入。除此之外，其他行業(yè)的間接消耗和排放系數(shù)均大于直接，特別是建筑業(yè)在2012年超過99%的能源消耗和碳排放是由間接產(chǎn)品投入所造成的，其間接水耗系數(shù)也占到完全水耗87%，說明其他部門的節(jié)能節(jié)水減排行為將嚴重影響到建筑業(yè)的節(jié)約和減排效果。同樣的輕工業(yè)在完全能耗和碳排放上均不明顯，但是間接消耗系數(shù)很高，由其上游部門對輕工業(yè)的中間資源投入才是造成輕工業(yè)能耗和碳排放的關鍵來源。

另外，采礦業(yè)和交通運輸、倉儲和郵政業(yè)的消耗結(jié)構具有較高的一致性，兩部門直接消耗或排放占比在20%左右，其中一大部分的“能—水—碳”壓力還是來自間接資源投入。而農(nóng)業(yè)“能—水—碳”耦合消耗結(jié)構比較特殊，其直接能源消耗和碳排放系數(shù)逐年減少，但直接耗水占比隨時間逐漸增加，2012年成為唯一直接水耗大于間接的部門，農(nóng)業(yè)發(fā)展模式有待提高。

四、結(jié)論和建議

在山西省這類資源型地區(qū)，多數(shù)行業(yè)“能—水—碳”耦合特征明顯，尤其是“能—碳”耦合表現(xiàn)出高度一致性。同時，重工業(yè)和采礦業(yè)等產(chǎn)業(yè)“能—水—碳”耦合壓力較大，且主要由間接產(chǎn)品投入造成，這為山西省可持續(xù)發(fā)展提供了新的政策視角。

1.跨系統(tǒng)綜合評估，多領域聯(lián)合管理。在以往區(qū)域能、水、碳等獨立系統(tǒng)的評估和管理可能會導致各系統(tǒng)間的重要交互被遺漏，從而造成政策的利益沖突和無效實施，應協(xié)同推進各部門中能源和水等生產(chǎn)要素的配置關系，強化低碳高質(zhì)量發(fā)展。

2.分行業(yè)差異化管理，重點行業(yè)實行優(yōu)先管控。針對不同產(chǎn)業(yè)活動對資源需求規(guī)模、組合方式、開發(fā)強度及利用效率差異，各部門的政策措施應注重差異化管理，并對資源環(huán)境和矛盾突出的行業(yè)實行優(yōu)先管控，提高地區(qū)資源環(huán)境管理效率。

3.優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構，實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型。立足于地區(qū)資源優(yōu)勢，通過對重工業(yè)等耦合壓力較大的傳統(tǒng)資源型產(chǎn)業(yè)進行先進技術改造，以促進能源和水的耦合開放效率。同時，大力發(fā)展“能—水—碳”耦合壓力較小的現(xiàn)代服務業(yè)，逐步構建節(jié)能節(jié)水低碳的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系。