東北三省“水-能源-碳”系統(tǒng)仿真模擬
——基于系統(tǒng)動力學模型

李可欣,曹永強,2,*,范帥邦,王 菲,周姝含,任 博

1 遼寧師范大學地理科學學院,大連 116029 2 天津師范大學京津冀生態(tài)文明發(fā)展研究院,天津 300387 3 東北財經(jīng)大學公共管理學院,大連 116025

能源和水資源是經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性資源,這些資源的過度利用加劇供需矛盾,同時也造成環(huán)境污染問題。人類社會在快速發(fā)展的同時使用大量化石燃料,特別是工業(yè)革命時代,大規(guī)模的二氧化碳排放到大氣中加劇全球變暖[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次氣候變化評估報告顯示,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)百到千年的時間尺度上是不可逆的[2],這給國際社會帶來了新的挑戰(zhàn),各個國家為此作出響應(yīng)。2020年習近平總書記指出:中國預計在2030年前出現(xiàn)碳達峰,努力于2060年前實現(xiàn)碳中和。中國既是能源生產(chǎn)大國,又是能源消費大國[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年中國碳排放仍高達29%[4],而水資源呈現(xiàn)“南多北少”的特點,地區(qū)分配不均衡,北方耕地多[5],水資源占比僅為16%,嚴重影響具有碳匯功能的植物、農(nóng)作物等生長發(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,從全國角度來看,中國作為擁有14億人口的全球第二大經(jīng)濟體,水-能源-碳不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀成為制約國家高質(zhì)量發(fā)展的“瓶頸”[6]。東北地區(qū)是我國重要的重化工業(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,東北三省碳排放壓力不容忽視,作為研究區(qū)對于推動中國工業(yè)基地低碳可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

伴隨著我國“雙碳”目標的提出,水-能源-碳關(guān)聯(lián)研究成為當前的研究熱點?，F(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],氣候變化也會導致的水資源可用性變化[16]。為了實現(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]。從研究內(nèi)容上來看,國外主要從水-能源-碳關(guān)聯(lián)關(guān)系及資源消耗方面入手來進行研究,G.Venkatesh[19]等比較了Nantes、Oslo、Turin和Toronto四個城市供水系統(tǒng)的新陳代謝,發(fā)現(xiàn):地理、氣候、技術(shù)和社會因素對城市水-能源-碳發(fā)展有重要影響。Elkhafif[20]等測算了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。國內(nèi)主要從經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)探討“水-能源-碳”之間的耦合關(guān)系,同時將氣候變化、水資源、綠色低碳等研究考慮進去。李增[17]探究唐山市能源消費影響下的碳排放和水資源消費趨勢預測以及如何實現(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-碳作為一個整體進行協(xié)同和權(quán)衡的關(guān)聯(lián)分析相對較少。Chen等[23]提出了一個交互式框架來評估區(qū)域間的水-能源-碳關(guān)系,建立了一個區(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),該方法簡潔直觀,能夠揭示經(jīng)濟活動各環(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)出模型分析中國不同時段的消費水足跡、能源足跡和碳足跡變化趨勢,為降低中國水-能源-碳環(huán)境足跡,實現(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),該方法強調(diào)系統(tǒng)的整體性,但對數(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)動力學(SD模型),系統(tǒng)動力學是一種成熟的量化系統(tǒng)交互中復雜反饋的方法,對于研究復雜系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系量化和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢,能處理高階項、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)動力學模型,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,還有遠程能源替代計劃系統(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、能源危機和氣候變暖挑戰(zhàn),導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,作為國家戰(zhàn)略的“雙碳”目標、對“水-能-碳”的協(xié)同研究要力求盡發(fā)揮協(xié)同效益,從而達到協(xié)同節(jié)約資源的目的。目前對于“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,梳理三個領(lǐng)域的耦合關(guān)系,其次利用系統(tǒng)動力學,從自然、社會、經(jīng)濟三個維度來探索水-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,并對不同發(fā)展情景下的資源需求情況做出預測,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、黑龍江三個省(圖1),是我國重要的能源工業(yè)基地。該區(qū)地處寒溫帶、中溫帶濕潤半濕潤氣候區(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年東北三省水資源開發(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年東北三省水資源量2273.52億m3,其中遼寧省水資源嚴重匱乏。

能源現(xiàn)狀:東三省作為中國最早的工業(yè)基地,能源開采歷史悠久,2019年能源生產(chǎn)量達8951.3萬噸標準煤,能源消耗43455.6萬噸標準煤,其中能源供暖占據(jù)很大一部分,占全國總量的8.9%,是能源生產(chǎn)消費高值區(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)計數(shù)據(jù)上看,2001—2019年東北三省碳排放量先增加后減少,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)碳排放呈下降趨勢。2019年東三省碳排放量為11.67×104萬t,占全國碳排放的9.5%。

水-能源-碳系統(tǒng)中,水-能源是兩個相互聯(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,同時能源消費過程中也會消耗水資源,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”目標下,探究東北三省水-能源-碳三元的時空匹配程度對可持續(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)動力學模型構(gòu)建

1.2.1水-能源-碳(WEC)系統(tǒng)動力學研究邊界

水-能源-碳關(guān)系受社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面因素的影響,其內(nèi)部的聯(lián)系相對復雜。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)和消費角度計算碳排放,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)動力學模型構(gòu)建

設(shè)置模型的初始時間為2020年,結(jié)束時間為2040年,時間步長為1a,模型包括水資源、能源和碳排放3個內(nèi)部子系統(tǒng)及經(jīng)濟社會、環(huán)境3個外部子系統(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、消費結(jié)構(gòu)及污染排放的角度進行分析研究。包括人均生活能源生產(chǎn)量、煤炭消費占比、工業(yè)用水占比、各產(chǎn)業(yè)能源消費量等變量。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碳排放的角度進行分析研究。包括個用水過程碳排放量、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,且能分別反映水資源利用、處理和能源消費過程中的碳排放量。

(4)經(jīng)濟系統(tǒng):經(jīng)濟子系統(tǒng)選取三個產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和科技投入等變量影響能源消費和農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水,進而影響碳排放量。

(5)社會系統(tǒng):以人口為主要決策變量,通過人均能源消費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年各省水資源公報和《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》,能源相關(guān)數(shù)據(jù)來自《能源統(tǒng)計年鑒》;碳排放量直接引用CEAD數(shù)據(jù)庫;其他經(jīng)濟及社會等相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》,部分數(shù)據(jù)缺少通過SPSS軟件的滑動平均法進行補充[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],對各變量之間的關(guān)系進行歸納,同時參考相關(guān)研究[28],確定本文的模型變量,針對部分關(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)評測指標Table 1 WEC system evaluation indexes in the three northeastern provinces

2 實證分析

2.1 模型驗證

本文選取2001—2019年歷史數(shù)據(jù)來驗證“水-能源-碳”系統(tǒng)動力學模型的有效性,對比GDP、能源消費總量、碳排放量和水資源需水量四個指標,參考前人的相關(guān)研究,歷史值和預測值誤差在20%以內(nèi),則認為該模型有效[37]。誤差計算公式如下:

(1)

式中,θ為誤差值,X1為預測數(shù)值,X2為實際數(shù)值。

經(jīng)過驗證發(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和能源消費總量的模擬值均在10%以內(nèi),部分數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示,因此證明模型有效。

表2 模型驗證Table 2 Model verification

2.2 情景設(shè)定

目前,2019年東三省第一產(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增速緩慢低于全國平均水平[38]。在過去東北三省重工業(yè)發(fā)展導致國有企業(yè)大量存在,這也限制了民營企業(yè)發(fā)展。由于民營企業(yè)不活躍,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理,從而進一步限制了經(jīng)濟的持續(xù)增長,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,導致東北三省產(chǎn)能嚴重過剩[40]。相對于長三角和珠三角一帶,新行業(yè)迅速成為年輕人心中的首選,這也導致東北三省人才和勞動力漸漸流失,從長遠來看,主要還是需要產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[41]?；诖?國家批復了全面振興東北的實施方案,將從企業(yè)轉(zhuǎn)型、科技發(fā)展、培育新興產(chǎn)業(yè)等多個方面入手,再結(jié)合國家“十四五”規(guī)劃對減排提出更強有力的控制目標,計劃2030年單位GDP碳排放量降低18%[42]。因此,通過對變量的靈敏度檢驗和東北三省《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠景目標綱要》中相關(guān)政策規(guī)劃確定。選取GDP增長率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和居民環(huán)保意識作為調(diào)控變量,并參考相關(guān)文獻,設(shè)置變量在合理的范圍浮動,并不代表實際值。

情景1:自然增長:各決策變量保持現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。

情景2:經(jīng)濟調(diào)控:GDP增長率提高到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,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,重點分析東北三省水資源消耗量、能源消費量和碳排放量的變化情況,并以三個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,探究如何達到節(jié)能低碳發(fā)展要求。

3.1 水資源消耗量變化趨勢

如圖5所示,從仿真的五個情景看,東三省2020—2040年水資源消費量均呈上升趨勢,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最高,情景2中水資源消耗量達到1538.38億m3,GDP增長率提高導致三個產(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省,年均增長12.46億m3,其次為黑龍江,年均增長11.17億m3,吉林水資源源消耗量年均增長7.92億m3。

圖5 2020—2040年東三省水資源消費量變化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)濟的發(fā)展,未來水資源消耗并不會低于現(xiàn)在的發(fā)展水平,因此在經(jīng)濟發(fā)展的同時,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

如圖6所示,從仿真的五個情景看,能源消費量呈上升趨勢,相比于2001—2019年,未來二十年能源消耗增速減緩。按照當前的發(fā)展水平,能源消費以每年3375.70萬噸標準煤的速率增長,2040年增長到87931.30萬噸標準煤。其他4種情景對比情景1發(fā)現(xiàn):2040年情景2的能源消費量為110896萬噸標準煤,單一的提高經(jīng)濟消耗能源消耗,引起能源消費量高于情景1。而在情景3中,居民的消費意識提高和能源結(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998.30萬噸標準煤的消耗量。從情景4可以看出,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對能源消耗量的影響程度很大,相對于情景1有效降低能源7668.0萬噸標準煤,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4163.90萬噸標準煤的速率增長,2040年能源消耗較2020年相比,增長了210.7%,比情景1增多16906萬噸標準煤。根據(jù)東北各省《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠景目標綱要》要求從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)等入手,有效推進節(jié)能降耗。其中到2025年,全省非化石能源消費比重提高到12.5%、煤炭消費比重下降到62%。在綜合調(diào)控下,本模型中2025年,煤炭消費比重為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,能源消費量遠高于其他兩省,是黑龍江省能源消費量的1.5倍左右,是吉林省能源消費量的3.5倍左右,年均增長2103.2萬噸標準煤。

圖6 2020—2040年東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,及時轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可有效降低能源消費增長速度,緩解能源緊張,縮小能源缺口。

3.3 碳排放變化趨勢

如圖7所示,2020—2040年東三省碳排放量呈增長趨勢,從仿真的五個情景看,碳排放量情景2>情景1>情景5>情景4>情景3。情景2經(jīng)濟發(fā)展的生產(chǎn)活動和社會活動增加,使得2040年碳排放量快速提高,是2020年的1.54倍,其值達到180741.2萬t。因此,可以說明,單一的發(fā)展經(jīng)濟,而不注重節(jié)能減排,將產(chǎn)生大量的碳排放。對比情景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模擬預測下,碳排放量增長趨勢緩和,與2020年相比碳排放量增加2倍。情景5下,2040年較2020年相比,碳排放量僅增長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1230.8萬t,吉林年均增長766.7萬t,吉林年均增長282.4萬t碳排放量,三省碳排放速率均下降。

圖7 2020—2040年東三省碳排放量變化Fig.7 Change of carbon emissions in The Three Northeastern Provinces from 2020 to 2040

綜上所述,從3個決策變量來看,對碳排放友好發(fā)展的影響程度依次是:清潔節(jié)能>產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)>GDP增長率。基于國家“十四五”規(guī)劃要求,情景3利于實現(xiàn)低碳目標。因此,能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和居民節(jié)能意識的提高是未來碳減排工作的重點方向。

3.4 水-能源-碳紐帶趨勢變化

根據(jù)以上對水-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年三個子系統(tǒng)的紐帶關(guān)系及趨勢變化,如圖8所示,東北三省水資源、能源、和碳排放在全國所占比重分別為7.8%,8.4%和9.5%[43],碳排放量較高,是“水-能源-碳”系統(tǒng)的主導因素,因此將其作為自變量,水資源和能源消費量為因變量。

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

2020—2040年東三省水-能源-碳三要素相關(guān)性R2為0.9,即三變量之間呈強相關(guān)。未來用水總量、能源消費量和碳排放量均呈逐年上升趨勢,2020—2025年增長速度相對緩慢,2025年以后增長速度加快。2040年較2020年水資源和能源消費量增幅均達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,導致資源供需缺口減小。東三省水-能源-碳呈現(xiàn)強相關(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

耦合是指兩個或兩個以上系統(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)同時增強[45]。經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與提高環(huán)保意識是推動東三省生態(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)系和動態(tài)變化[46]。

情景2在情景1的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟發(fā)展速率。情景2對各子系統(tǒng)的影響主要是:GDP增長率加快-各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加-生產(chǎn)能源消費量增加-碳排放量增多,同時各產(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,各個子系統(tǒng)之間影響如下:人均生活能源消費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)濟發(fā)展與節(jié)約資源結(jié)合,即在發(fā)展經(jīng)濟的同時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)以上對比5個情景分析發(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際發(fā)展情況,權(quán)衡經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)能節(jié)水以減少碳排放,嚴格按照“雙碳”目標,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,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)動力學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,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)增長的趨勢,水資源消耗增長速度最快,在仿真情景5下,與2020年相比,水資源和能源消費量、碳排放量分別增長230.4%、210.7%和36.9%。2040年水資源消耗量預計超過1921.29億m3,能源消費量超過103000萬噸標準煤,碳排放量也將達到149900萬t以上。

(2)決策變量對水-能源-碳的影響程度依次是:清潔節(jié)能>產(chǎn)業(yè)調(diào)控>GDP增長率,隨著GDP增長率升高,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,居民意識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)濟保持現(xiàn)有的增長速度下,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,促進經(jīng)濟發(fā)展水平。

(4)情景3的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和居民意識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際發(fā)展情況,權(quán)衡經(jīng)濟發(fā)展與節(jié)能節(jié)水以減少碳排放,嚴格按照“雙碳”目標,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,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)域之間流動造成資源核算不清晰,便于探討水-能關(guān)聯(lián)狀況及其對碳排放的影響。同時需要注意的是:對于用水系統(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”目標和不斷變化的國內(nèi)外環(huán)境下,“水-能源-碳”系統(tǒng)也將處于動態(tài)演變過程中[48],而對于系統(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,推動太陽能、風能、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,提高節(jié)能節(jié)水力度,防止資源的過度浪費[49]。同時,根據(jù)國家發(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)濟發(fā)展和資源消耗之間存在因果關(guān)系,因此,在GDP增長率提高后應(yīng)將更多的資金投入到積極促進和參與碳交易市場活動,以實現(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,需要詳細獲取每個變量數(shù)據(jù)并進而確定能源強度、碳排放強度參數(shù)較為困難。因此主要參考相關(guān)研究成果,未考慮時間尺度上的變化。同時,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,所以在默認能源強度不變的情況下,本文結(jié)合規(guī)劃綱要選擇對系統(tǒng)影響最為明顯的決策變量設(shè)計情景,無論哪種方案都需要結(jié)合實際發(fā)展情況,并且加強居民環(huán)保意識,實現(xiàn)水、能源、碳三者的良性循環(huán)。