碳約束背景下中國三大流域水電能源環(huán)境效率評價

宋瑞杰，田 澤，楊婧怡

（河海大學(xué)商學(xué)院，南京 210098）

面對全球氣候變暖和傳統(tǒng)能源短缺的雙重危機，加快開發(fā)利用新清潔能源具有重要意義。水電能源作為清潔能源，對于促進碳減排、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進環(huán)境改善具有重要意義，其科學(xué)開發(fā)、合理利用兼具經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。中國水電能源豐富，至2018年底，水電裝機總量突破3.5億kW，位居世界第一。中國水電能源地區(qū)分布不均，不同流域、不同省市差異顯著。伴隨力碳市場建立和碳達(dá)峰時代來臨，在地區(qū)及流域間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展水電成為可持續(xù)發(fā)展的聚焦點。伴隨新建水電開發(fā)向西部縱深擴展，生態(tài)保護制約、建設(shè)成本劇增等一系列問題涌現(xiàn)。在長江大保護和西電東送背景下，研究流域及省域水電能效，尤其是水電開發(fā)的環(huán)境效益具有重要意義。

關(guān)于能源環(huán)境效率測度［1-3］、碳約束績效［4-7］、全流域水電能效評價［7-12］已有研究成果豐富。本研究采用超效率SBM模型對中國三大流域20省市的水電能源環(huán)境效率進行評價，以期把握各流域水電的發(fā)展?fàn)顩r和碳減排效益，為因地制宜、優(yōu)勢互補統(tǒng)籌開發(fā)利用水電服務(wù)。

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

選取長江、黃河、珠江流域共計20個省（區(qū)、市）作為獨立的決策單元，選取2013—2017年面板數(shù)據(jù)，建立“三投入，三產(chǎn)出”指標(biāo)體系，測算水電能源效率。

決策單元（DMU）。黃河流域選取7個?。▍^(qū)），甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東（青海和四川劃歸長江流域）；長江流域選取10個?。ㄊ校?，青海、四川、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江（西藏常年缺少數(shù)據(jù)，上海歷年水力發(fā)電量顯示為零，故二者皆不予考慮）；珠江流域選取3個省（區(qū)），貴州、廣西、廣東（云南劃歸長江流域）。

投入及產(chǎn)出指標(biāo)的選取參照文獻［11］，具體解釋如下。

投入指標(biāo)：①裝機容量（萬kW）。以裝機容量作為水電開發(fā)投入或消耗的各種主要能源的替代衡量指標(biāo)，直接反映水力發(fā)電能力。②就業(yè)人員數(shù)（萬人）。以各省市電力、燃?xì)?、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員總數(shù)作為勞動力投入（因缺乏電力行業(yè)從業(yè)人數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)）。③固定資產(chǎn)投資（億元）。由于水電開發(fā)中的主要投資為固定資產(chǎn)投資且電力行業(yè)相關(guān)具體數(shù)據(jù)不全面，故選取電力、蒸汽、熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)投資數(shù)據(jù)來代替固定資產(chǎn)投入，運用永續(xù)盤存法，以2013年為基期進行平減從而確定該投入指標(biāo)。

產(chǎn)出指標(biāo)：①地區(qū)生產(chǎn)總值（億元）。為排除通脹等因素，以2013年不變價格為基數(shù)進行換算。②發(fā)電量（億kW·h）。作為經(jīng)濟指標(biāo)，直接反映水力發(fā)電效用。③CO2減排量。由于水電的環(huán)境效益主要在于替代火電從而減少碳排放，所以將碳減排量作為環(huán)境理想產(chǎn)出指標(biāo)。碳減排量的計算具體參考文獻［11］的方法。

數(shù)據(jù)來自2014—2018年的《中國統(tǒng)計年鑒》《中國科技統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國工業(yè)統(tǒng)計年鑒》。

1.2 研究方法

選取非徑向、非角度的超效率SBM（SE-SBM）模型進行基于“三投入、三產(chǎn)出”的水電能源環(huán)境效率測度［13］，該模型解決了傳統(tǒng)DEA方法的變量松弛問題，同時又能對多個有效DMU進行進一步的評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 三大流域水利水電發(fā)展

水電能效分析，通過匯總20省市2013—2017年水電裝機量和水力發(fā)電量面板數(shù)據(jù)，對三大流域水利水電發(fā)展進行評價。

2.1.1 基于流域?qū)用娣治?從流域水電能效進行分析（圖1）。從直接投入角度看，長江、黃河、珠江三大流域水電裝機量均在2013—2016年呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢且增速各異，年平均增速依次為7.32%、4.44%、2.41%。三大流域水電裝機量都在2016年達(dá)到峰值后呈現(xiàn)下降態(tài)勢，珠江流域水電裝機量降幅最大，降幅高達(dá)19.26%，長江及黃河流域單年降幅分別為9.46%和4.56%。從直接產(chǎn)出看，只有長江流域水力發(fā)電量逐年增長，5年平均漲幅達(dá)8.4%，珠江流域略有波動且總體呈現(xiàn)先增后減趨勢，黃河流域5年水力發(fā)電量變化不明顯。總體看來，各流域直接產(chǎn)出與直接投入呈現(xiàn)正向變動關(guān)系，但流域間橫向?qū)Ρ葋砜?，長江、黃河、珠江三大流域5年累計裝機量及發(fā)電量的比為1.000 0∶0.099 8∶0.234 7和1.000 0∶0.085 5∶0.222 8，說明長江流域總體直接產(chǎn)出/直接投入效率值更高，其內(nèi)在作用機制有待進一步探究。

圖1 流域歷年水電裝機量及水力發(fā)電量

2.1.2 基于省域?qū)用娣治?分析水電裝機量相關(guān)數(shù)據(jù)，除四川和云南變動較大外，其余18個省市歷年裝機量均波動不大，說明全國總體水利發(fā)展計劃比較穩(wěn)定，同時西南水電開發(fā)逐漸成為水利開發(fā)的重點。分析水力發(fā)電量相關(guān)數(shù)據(jù)，甘肅、陜西及河南是黃河流域水電的主要來源，水電5年累計貢獻度分別占黃河流域的52.00%、18.98%、15.73%，其中陜西5年間水力發(fā)電量年均漲幅6.66%，增勢最為明顯。長江流域的水電主要來源于長江中上游的四川、云南及湖北，三省水力發(fā)電量5年累計貢獻度約占全流域的79.32%，同處長江中上游的青海和重慶則相去甚遠(yuǎn)，長江中下游贛、皖、蘇、浙四省總占比僅為5.60%。從時間跨度看，除云、川、湘，鄂水電占比穩(wěn)步提升外，流域內(nèi)其他省市變化不大。珠江流域，黔、桂、粵三?。▍^(qū)）水電發(fā)展?fàn)顩r相近，均以2016年前后為節(jié)點呈現(xiàn)先增后減態(tài)勢，與基于流域整體層面的分析結(jié)果相契合。

2.2 總效率分析

對總效率分析的各項數(shù)據(jù)匯總，得表1。

表1 三大流域20?。▍^(qū)、市）總效率

2.2.1 基于流域整體層面分析 選取2013—2017三大流域歷年總效率進行分析（圖2）。

圖2 三大流域歷年水電總效率

1）基于時間分析：珠江流域水電能效總體略有提升，2017年比2013年增幅達(dá)16.33%，但研究期內(nèi)波動幅度較大，尤其是2014—2015年總效率驟增66.5%至峰值后又急劇下降；黃河流域與長江流域水電能效總體都呈現(xiàn)下降趨勢，5年總體降幅分別為20.97%和12.58%，且分別呈現(xiàn)先減后增和先增后減的反向變動趨勢，其原因可能與2016年前后“十三五”規(guī)劃對黃河上游水電的重點開發(fā)有關(guān)。

2）基于空間分析：5年總效率均值由高到低依次為長江流域（0.869 6）、珠江流域（0.825 3）、黃河流域（0.554 5），黃河流域總體水電能效得分歷年來都處于不足0.7的較低水平，且與長江、珠江流域差異顯著，珠江流域水電能效相比長江流域則波動較大，波動幅度高達(dá)55.45%。

3）基于總體分析：三大流域水電開發(fā)并未因代替火電等而顯著提高水電能源環(huán)境效率。同時水電能源環(huán)境總效率存在明顯的時空差異，且波動較大，說明水電建設(shè)總體仍處于探索階段。

2.2.2 基于省域?qū)用?選取2013—2017年三大流域20省（區(qū)、市）歷年總效率及5年均值進行分析（圖3）。

圖3 省域歷年水電總效率

1）基于空間分析：①三大流域各?。▍^(qū)、市）水電能效在各流域間呈現(xiàn)明顯的地域差異。珠江流域貴州、廣西、廣東的水電總效率得分較高且相近（均介于0.7～1.0），說明該流域水電發(fā)展良好且較為均衡。長江流域各省市雖總效率得分差異大但總體水平較高，流域內(nèi)除下游江西、安徽、浙江外，其余水電能效得分5年均值均處于高出0.7的優(yōu)良水平。黃河流域從5年來整體發(fā)展看，除陜西、山東兩省市水電能效發(fā)展較好且5年間總體向好發(fā)展外，其他水電總效率值得分5年間總體均呈現(xiàn)下降態(tài)勢，且降幅介于11.81%～64.12%。②各流域內(nèi)部各地自上游至下游總體呈現(xiàn)不完全的階梯性遞減特征，但江蘇省雖地處長江流域下游，水電能效5年均達(dá)到前沿水平，重慶市雖與同處長江上游的四川、湖北等前沿省份鄰近卻總效率得分較低。③陜西、江蘇、云南、湖北四省的總效率得分5年均值均處于同流域較高水平，然而對比看來，四者各自同流域上下游相鄰省市的水電總效率得分均顯著低于周圍，長江與珠江流域都形成了沿干流方向的以陜、滇、鄂、蘇為峰值點的4個“W”形水電綜合能效水平的分布格局。原因是各地在資源等方面存在差異，因而可由點及面，圍繞重點省份開展地區(qū)間優(yōu)勢互補的水電協(xié)同開發(fā)。

2）基于時間分析：①云南、湖北、江蘇的水電能源效率得分5年間始終高于1，構(gòu)成了水電能效的最佳生產(chǎn)前沿面，且3個前沿面省均歸長江流域，這與流域?qū)用娴姆治鼋Y(jié)果相契合。②內(nèi)蒙古、河南、青海和湖北的總效率得分呈現(xiàn)連年下降態(tài)勢，經(jīng)濟發(fā)展遲滯、水電建設(shè)成本攀升、水電調(diào)度力差等問題亟待解決，水電發(fā)展?jié)摿τ写尫拧Ｉ綎|、云南、重慶和江蘇則呈現(xiàn)連年漲勢。地處經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)的山東、江蘇和重慶的高水電能效主要源自經(jīng)濟貢獻，本身以裝機容量和發(fā)電量衡量的水電資源稟賦均處于較低水平，已被充分開發(fā)，未來主要作為全國電力消納市場。

3）基于總體分析，三大流域水電開發(fā)仍處于探索階段，尤其是西南和黃河上游的水電發(fā)展?jié)摿ω酱尫?，同時地域間及流域間水電外送調(diào)度、快速高效消納及優(yōu)勢互補條件下的協(xié)同開發(fā)等問題都有待進一步研究解答。

2.3 分指標(biāo)效率分析

分指標(biāo)效率分析數(shù)據(jù)量較龐，故選取重點數(shù)據(jù)分析，見表2。

表2 2013—2017年三大流域20省（區(qū)、市）分指標(biāo)效率5年得分均值及變動度

2.3.1 基于流域整體層面分析 選取2013—2017各分指標(biāo)5年效率均值進行分析（圖4）。

圖4 三大流域各分指標(biāo)5年效率均值

1）基于總體分析：長江流域與珠江流域6項分指標(biāo)效率值均處于高于0.8的優(yōu)良水平，相比較而言，投入指標(biāo)效率長江流域總體占優(yōu)，產(chǎn)出指標(biāo)效率珠江流域總體占優(yōu)，另黃河流域?qū)Ρ绕渌麅闪饔?，各項分指?biāo)效率除裝機容量和GDP外，其余分效率指標(biāo)均顯著低于其他兩流域的水平，從水電能效分指標(biāo)看來，2013—2017年5年間總體按長江流域、珠江流域、黃河流域順序遞減規(guī)律排列。

2）基于具體指標(biāo)分析：①黃河流域的裝機容量（直接投入指標(biāo)）效率得分高于長江及珠江流域，發(fā)電量（直接產(chǎn)出指標(biāo)）效率得分卻顯著偏低，說明黃河流域在水電裝機高效投入的前提下，水力發(fā)電量并未達(dá)到期望產(chǎn)出。②GDP作為地區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)出指標(biāo)，長江流域總體占優(yōu)，說明長江經(jīng)濟帶沿線城市協(xié)同發(fā)展效用明顯，發(fā)展活力強勁。③CO2減排量這一環(huán)境效益指標(biāo)，珠江流域表現(xiàn)最佳，源于其在發(fā)電量指標(biāo)效率上的優(yōu)良表現(xiàn)。

2.3.2 基于流域整體層面分析 選取三大流域2013—2017年5年分指標(biāo)效率得分平均值和變動度進行分析（圖5、圖6）。

圖5 省域分指標(biāo)效率得分雷達(dá)

圖6 省域分指標(biāo)效率5年間變動度雷達(dá)

1）基于總體分析：對于就業(yè)人員數(shù)、固定資產(chǎn)投資、裝機容量、發(fā)電量、GDP、CO2減排量6個指標(biāo)，得分高的為云南、湖北、陜西、云南、江蘇、云南，得分低的為山西、內(nèi)蒙古、青海、山西、甘肅、山西。各分指標(biāo)效率5年間漲幅大的為廣東、山東、貴州、山東、貴州、山東，跌幅大的為寧夏、寧夏、青海、內(nèi)蒙古、青海、內(nèi)蒙古。分指標(biāo)效率綜合評價，云南和山西分別是水電能效最高和最低的省份，山東的水電發(fā)展最迅猛，貴州和內(nèi)蒙古的水電綜合效益“高開低走”。

2）基于具體投入及產(chǎn)出指標(biāo)分析：就業(yè)人員數(shù)及固定資產(chǎn)投資兩個投入指標(biāo)效率得分均不足0.8，顯著低于其余4個分指標(biāo)效率得分，可見三大流域存在明顯的人力及物力資本投入冗余問題，進而說明三大流域水電能效的提高要從提升各項投入指標(biāo)效率切入。

3）裝機容量和CO2減排量兩個指標(biāo)對比分析：①從電力能源角度評價，江西、山東、安徽、內(nèi)蒙古不僅發(fā)電量效率得分低，顯著低于各自的投入指標(biāo)裝機容量效率得分，說明應(yīng)制定更加精準(zhǔn)高效的水電裝機投入計劃并提升其發(fā)電量的直接產(chǎn)出效率。②從清潔能源角度評價，云南、青海、甘肅CO2減排量效率得分均大于1，處于碳減排效率的前沿面。碳減排效益前十名的?。▍^(qū)、市）數(shù)量，長江、黃河、珠江流域占比為6∶3∶1，東、中、西部占比為1∶2∶7。說明長江流域及西部地區(qū)能充分發(fā)揮水電資源優(yōu)勢，實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展，東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)及各流域下游省市則有待通過協(xié)調(diào)整合水電能源和地區(qū)優(yōu)勢互補實現(xiàn)碳減排效率的提高。

3 結(jié)論

1）就水利水電發(fā)展進行評價：2013—2017年三大流域水電裝機投入總體以2016年為拐點呈現(xiàn)“先增后減”態(tài)勢。從省域看，四川、云南、陜西裝機投入、水力發(fā)電量產(chǎn)出呈現(xiàn)顯著增勢，說明伴隨“十三五”規(guī)劃出臺，水電裝機投入增速放緩，且注重提高投入實現(xiàn)效率，同時水電開發(fā)逐漸將重心由東向西推進至西南地區(qū)和黃河流域上游。

2）就三大流域水電能效而言，長江流域最優(yōu)、珠江流域次之，黃河流域較差，且三大流域水電能效總體不升反降并波動較大，說明各流域水電建設(shè)仍處于探索階段。從省域角度看，水電開發(fā)在流域間及同流域上、中、下游間呈現(xiàn)不均衡發(fā)展，三大流域東部下游水電潛力釋放并轉(zhuǎn)向深度開發(fā)，中游基于已有的大型水利樞紐工程和流域沿線經(jīng)濟帶等諸多條件的支撐，水電開發(fā)進程加快，但產(chǎn)出并不理想。西南地區(qū)及黃河流域上游水電開發(fā)潛力巨大，但考慮到存在生態(tài)保護制約、建設(shè)成本攀升等問題，科學(xué)合理開發(fā)西南及黃河上游水電將成為后續(xù)研究的側(cè)重點。

3）就省域水電能效而言，分指標(biāo)效率總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，投入指標(biāo)效率得分總體不及產(chǎn)出指標(biāo)。說明解決人力、物力資本及裝機容量投入冗余問題，進而提高產(chǎn)出實現(xiàn)能力是提升水電能效的主要切入點。

4）從能源與環(huán)境雙重角度綜合衡量，西南地區(qū)和黃河上游總體發(fā)電量產(chǎn)出及碳減排效益表現(xiàn)最優(yōu)，應(yīng)在西電東送資源配置大背景下強化區(qū)域間互聯(lián)互通和優(yōu)勢互補，以期在深度充分開發(fā)西部能源潛力的同時形成綠色低碳發(fā)展的規(guī)模效應(yīng)。

4 對策建議

1）統(tǒng)籌水電開發(fā)與生態(tài)保護，建立完善科學(xué)系統(tǒng)的水電生態(tài)影響評判體系。對于新規(guī)劃的水電工程，實行嚴(yán)格的準(zhǔn)入制度，只有該綜合環(huán)境影響經(jīng)專家聯(lián)合審議通過后方可實施；在水電項目建設(shè)及維護期不斷提高環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測體系的精準(zhǔn)度和覆蓋度，推動建立具體監(jiān)察機構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)小組與具體水電項目點對點的“終身負(fù)責(zé)”制。

2）加快地區(qū)間水電協(xié)同開發(fā)進程，促進全流域水電供需平衡。一方面，要完善各地水電開發(fā)背景下資源稟賦等區(qū)位因素的科學(xué)評價體系，以各流域具有水電能源綜合區(qū)位優(yōu)勢的標(biāo)桿地為核心，形成周邊城市群或經(jīng)濟帶優(yōu)勢互補、協(xié)同開發(fā)的規(guī)模效應(yīng)；另一方面，緊密配合西電東送，加快抽水蓄能電站和遠(yuǎn)距離輸配電工程建設(shè)，把東部下游經(jīng)濟發(fā)達(dá)省市的高水電消納能力優(yōu)勢與西部上游欠發(fā)達(dá)省市水電能源高產(chǎn)出優(yōu)勢相結(jié)合，從而減少棄水，促進全流域水電供需平衡。

3）克服移民、環(huán)保等難題，充分釋放西南及黃河上游水電開發(fā)潛力。針對兩地皆存在的少數(shù)民族移民異地安置難度大、生態(tài)環(huán)境脆弱、基礎(chǔ)設(shè)施落后等問題，加大財政、技術(shù)、人才等多方面政策支持，注重培養(yǎng)當(dāng)?shù)厮娙瞬挪?chuàng)造更多就業(yè)崗位，充分調(diào)動民族地區(qū)合理利用優(yōu)勢區(qū)位發(fā)展水電的主動性和積極性，將扶貧與水電開發(fā)相結(jié)合，最大程度實現(xiàn)水電能源的經(jīng)濟效益、社會效益與生態(tài)效益的統(tǒng)一。

4）控制水電產(chǎn)業(yè)過度市場化，為流域公司的發(fā)展提供政策支持。水電企業(yè)無序和盲目性致使全流域存在水電裝機量投入冗余現(xiàn)象并隨之產(chǎn)生棄水資源浪費，國家應(yīng)出臺相關(guān)政策，整改并逐步取締水電效益較差的中小型企業(yè)，推動形成大型集約化的全流域水電開發(fā)公司。在此基礎(chǔ)上一方面要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)上、中、下游利益訴求和資源優(yōu)勢，推動水電建設(shè)的精準(zhǔn)投入和高效產(chǎn)出；另一方面要力爭實現(xiàn)以規(guī)模引領(lǐng)推動規(guī)范引領(lǐng)，探索建立出一整套以試點大型流域公司為范本的全流域水電協(xié)同開發(fā)模式。