負投入法在循環經濟規劃中的應用

徐一劍,張天柱 (清華大學環境科學與工程系,北京 100084)

隨著資源環境問題日益凸顯,加快進行循環經濟建設的要求在我國越來越為迫切.而諸多資源、環境問題的癥結是經濟系統的物質代謝出現了問題.物質代謝過程中所產生的資源(包括能源)流、產品流、廢物流統稱為物質流.在對未來的循環經濟建設進行規劃時,其核心與關鍵是對經濟系統的物質代謝過程及其伴隨的物質流進行調控.通過這種調控分析,為減小經濟系統對其外部的資源、環境壓力提供信息支持.

對于經濟系統物質代謝的分析研究,國際上已基本形成了從整體上描述經濟系統與其外部環境的物質流輸入輸出的核算框架(EWMFA)[1-4].但這一核算框架是黑箱模型,無法進一步分析經濟系統內部的物質代謝依存關系.為克服這一缺陷,國際上有少數國家,如德國、丹麥和奧地利等開始了國家層面物質投入產出表(PIOT)的編制研究[5-12].但這方面的研究目前仍處于起步階段,且在 PIOT的設計編制及核算應用上尚未形成一致的方法學.作者曾開發了基于三維PIOT的物質流分析模型[13],并在義馬市得到了較好的應用[14].但是,與國際上已有的模型類似,這一模型仍主要側重于核算與評價功能.如果要對未來的循環經濟發展進行規劃,即對經濟系統的物質代謝過程進行調控分析,則需在此基礎上進一步開發相應的物質代謝調控模型.

與國際上已有的PIOT不同的是,作者開發的物質流分析模型是以混合單位而不是以單一的質量單位來對產品進行計量的.這一設計有利于完整地記錄經濟系統所有的物質流,但同時也給開發調控模型帶來了一定的困難.主要問題在于實際的經濟系統中,可能存在著同一部門的產品(或可區分為主、副產品)計量單位不同的情況.這是在國際上已有的PIOT編制和傳統的價值型投入產出表編制中未曾出現的問題.尤其是在循環經濟規劃中,廢棄物的循環利用是一個必須加以關注的重要內容.被循環利用的廢棄物同樣也是一種關聯著不同部門的重要物質流,它可被看作是一種產品,或看作是一種副產品.當同一行業的產品計量單位不一致時,行平衡關系就不復存在,也就無法建立基于投入產出行模型[15]的物質代謝調控模型,因此需要進行特殊處理之后才能建立調控模型,從而為循環經濟規劃服務.本研究即嘗試利用“負投入法”對這一問題加以解決.

1 研究方法

1.1 負投入法的理論探討

負投入法也稱“斯通法”,是處理投入產出分析中副產品問題的主要方法之一,一般在價值型投入產出表中使用.該方法以負投入的形式來反映副產品的產出,因而能夠在主產品列中準確地反映主產品和副產品之間的技術關系.但也存在著如下的2個缺點:一是主產品產量的增加會引起副產品供應量的增加,但對副產品需求的增加卻不會調整主產品的供應量.二是主、副產品部門的產值中都沒有包括副產品的價值[16-17].

雖然負投入法一般在價值型投入產出表中使用,但是在以實物量計量的PIOT中,也完全可以用這一思路和方法來解決同一部門產品計量單位不同的問題.由于將主、副產品分在不同的2個部門,因而就可以用不同的計量單位分別計量各自的產品,投入產出表中的行平衡關系就依然能夠得到維持,上述的問題也就得到解決.

在循環經濟規劃中,負投入法所涉及的一般是有關廢棄物循環利用的問題.在這種情況下,相關的副產品一般是進行循環利用的廢棄物,與傳統概念中的副產品略微有所不同.在一定的技術水平下,廢棄物的產生量與主產品的產量有關,但只有被循環利用的那部分廢棄物才是真正意義上的副產品,而其他未被循環利用的廢棄物仍然以廢棄物的形式向自然界排放.需要著重指出的是,對廢棄物的循環利用,其根本目的在于減少向自然界排放廢棄物的數量,而不在于產生更多的廢棄物來滿足其他部門生產的需求.所以,對于廢棄物這種相對特殊的副產品,其需求的增加并不必然要求調整主產品的供應量.因此,對于前述的第1個缺點,一般是可以克服的.

在 PIOT中,所有的產品都以實物量單位進行計量,并不涉及價值量,所以也就沒有所謂主、副產品部門的產值中是否包括副產品價值的問題.所以,對于第2個缺點,也是可以避免的.因此,用負投入法來解決同一部門產品計量單位不同的問題,在理論上是可行的.

1.2 負投入法的應用基礎

另外需要說明的是,負投入法中的“負投入”不同于灰色投入產出理論中的“負投入”[18],不一定是對經濟系統起負面推動作用的一類投入.相反地,還往往對經濟系統起著正面的推動作用.負投入法的應用基礎應用負投入法的基礎是調控表,這是一種整合了三維 PIOT的總表和附表[13]中有用信息的表.總表和附表的結構分別如表 1和表2所示,并假設經濟系統共有n個部門,m種類型的物質.總表以質量單位計量.2張附表為特殊物質附表(以非質量單位計量,如電、熱、運輸等)和水附表(以質量單位計量).

構造調控表的過程如下:首先將總表改造成類似附表的結構形式.總產出也進行相應的調整,即由原來的總產出減去廢棄物,并扣除各行業的存量變化中非產品的機器設備(避免機器設備所引起的非線性問題),從而得到新的總產出.并且,在調控表中,“總產出”被稱為“總產品”.然后,對于用非質量單位計量的行業,將總表中這些行業所在行的信息,全部用特殊物質附表中對應行的信息加以替換.最后,對于供水行業,將總表中供水行業所在行的信息,全部用水附表中對應行的信息加以替換.由此得到一張新的 n個部門的投入產出表,即“調控表”,如表3所示.

表1 PIOT總表(k=0)及分表 (k=1,…,m)結構Table 1 Structure of main table and sub-tables of 3D-PIOT

表2 PIOT附表結構(k=m+1, m+2)Table 2 Structure of supplementary tables of 3D-PIOT

表3 調控表的結構Table 3 Structure of planning table of 3D-PIOT

調控表中存在著如式(1)所示的行平衡關系.行平衡關系是應用投入產出行模型,進而構建物質代謝調控模型的重要基礎.

式中:Zi,j為第i個部門提供給第j個部門的中間流量; ei為第i個部門調往外地的量;為第i個部門的與產品相關的存量變化量; xi為第i個部門的總產品.

1.3 負投入法在PIOT中的應用方法

以最典型的電力行業為例進行說明,其他行業(如熱力、蒸汽的循環利用等)可參照進行類似的處理.為不失一般性,假設電力為第i個部門.如果同時有多個行業存在副產品問題,則可按此方法逐一處理.

在電力行業中,電是電力行業的主產品,用能量單位計量,而循環利用的粉煤灰則是電力行業的副產品,用質量單位計量.因此,把電力行業拆分為電力行業和粉煤灰行業2個行業.電力行業即原來的主產品電力的供應行業,粉煤灰行業則是提供作為循環利用的粉煤灰(即副產品)的行業.電力行業仍為第i個部門,將新增的粉煤灰行業列為第n+1個部門.相應地,調控表由如表3所示的結構轉化為如表4所示的結構.

在拆分后的調控表中,從縱向上來看,粉煤灰是電力行業的一種“負投入”,但實際上電力行業是粉煤灰的來源.從橫向上來看,計作“負投入”的粉煤灰則是對其他行業的中間投入以及最終需求的來源.各行業對粉煤灰總的需求量(也即被循環利用的粉煤灰量)可以按式(2)計算得到.這一總需求量與電力行業粉煤灰的產生量有一定關系,也即與電力行業的生產規模、原料質量及技術水平等因素有關.一般地,總需求量不宜超過電力行業粉煤灰的產生量.

式中:D為各行業對粉煤灰的總需求量;Zn+1,j為第n+1個部門提供給第j個部門的中間流量;en+1為第n+1個部門調往外地的量為第n+1個部門與產品相關的存量變化量.

表4 負投入法的調控表結構之一Table 4 Structure I of planning table in negative input method

粉煤灰行業(即新增的“負投入”部門)的投入與產出之間存在著如下的規律:其他行業對粉煤灰行業的投入全部為零;粉煤灰行業產出的數據,除對電力行業的投入存在著如式(2)所示的關系之外,其余均為原總表中電力行業所在行的數據.粉煤灰行業的總產品在數值上為零.具體如表5所示.雖然新增了粉煤灰行業,但并未破壞調控表的行平衡關系,行平衡關系依然存在.

表5 負投入法的調控表結構之二Table 5 Structure II of planning table in negative input method

式中：Zn+1,i為第n+1個部門提供給第i個部門的中間流量(負投入);Zi,j,0為第 i個部門提供給第j個部門的中間流量;ei,0為第i個部門調往外地的量;為第i個部門與產品相關的存量變化量.

在應用調控模型對未來的物質代謝狀況進行規劃時,其核心是在規劃方案所提供的條件下,應用投入產出分析的行模型[15][(式(4)]進行計算,由原調控表計算得到新調控表.當電力行業的生產規模擴大或縮小時,由于投入產出模型的線性關聯關系,作為“負投入”的粉煤灰也會相應地按比例發生變化.但是,并不能保證這一變化與其他行業對粉煤灰需求量的變化必然一致,并且在多數情況下兩者并不一致.這時,粉煤灰行業所在的這一行就不能滿足行平衡關系,需要另行處理.

式中: x為生產規模列向量; I為單位矩陣; A為直接消耗系數矩陣; y為最終需求列向量.

具體的處理方法是:首先,根據行模型的計算結果,并結合式(2)計算確定對粉煤灰的總需求量.然后,以這一總需求量的相反數作為粉煤灰行業對電力行業的“負投入”填入新調控表中的相應位置,使得粉煤灰行業的總產品為零,以保持其行平衡關系.如果對粉煤灰的總需求量小于電力行業的粉煤灰產生量,則電力行業粉煤灰的供應量可以滿足需求,并且產生量與總需求量的差值即為電力行業所排放(或貯存)的粉煤灰量,繼續進行后續的計算即可.如果對粉煤灰的需求超過了電力行業的粉煤灰產生量,就產生了一個缺口,要填補這個缺口就需要動用往年的粉煤灰貯存量,或從外地調入粉煤灰來滿足需求.又或者重新調整其他行業對粉煤灰的需求量,使得需求量小于電力行業粉煤灰的產生量.在解決這一缺口問題之后,后續計算就可順利進行.

在應用負投入法計算得到新的調控表后,按照一定的規則可以進一步得到新的三維PIOT,用以描述在規劃方案下經濟系統的物質代謝狀況.由此,就可以應用文獻[13]中所提出的評價方法與指標體系對這一新的物質代謝狀況進行評價,以檢驗規劃方案的可行性與合理性.

2 案例應用

以河南省義馬市為例,對負投入法在循環經濟規劃中的實際應用加以說明.根據數據的可得性,以2002年為規劃基準年,為義馬市編制了14部門的三維 PIOT,命名為 YMPIOT2002[19].在此基礎之上,進行物質代謝調控分析.調控分析的關鍵一環是由原調控表形成新調控表,因此主要介紹如何應用負投入法計算得到新調控表,對于如何進行調控分析僅作少量必要的說明.

2.1 調控表的構建

調控表的構建基于YMPIOT2002的總表與附表[19].首先,將總表與附表的信息按前述規則進行疊加.總表與附表中電力行業的數據有沖突,暫時先用附表的數據覆蓋總表的數據,從而得到一張新的14部門的投入產出表(即調控表),如表6所示.

然后,用負投入法對電力行業的粉煤灰進行處理.從基準年 2002年的狀況來看,電力行業共產生粉煤灰20.9萬t,循環利用的粉煤灰為7.1萬t,循環利用率為34.0%.其中2萬t作為對建筑業的投入,5.1萬t調往外地(屬于最終需求).按前述的方法,從總表中選取有關粉煤灰循環利用的數據,對表6所示的調控表進行改造,以滿足調控分析的需要.加入粉煤灰行業后的調控表為15部門的投入產出表,如表7所示.

表6 未加入粉煤灰行業的調控表Table 6 The planning table of YMPIOT 2002 before using negative input method

2.2 在情景分析中的應用

在義馬市循環經濟規劃的編制過程中,設計了幾個漸進的情景,對義馬市未來的物質代謝狀況進行規劃.情景的設計采用“逐步尋優”的方法,每個情景都是在前一情景的基礎上不斷地加以改進.限于篇幅,本文僅以情景一(即初始情景)為例,對負投入法在情景分析中的具體應用加以說明.其余情景均參照此進行.

情景一的設計原則是:根據義馬到2015年GDP比2002年翻三番的經濟目標,結合市場前景、當地資源特點、現有及未來的技術水平,假設不增加新的行業,但現有產業全部達到所希望的最大生產規模,同時生產技術水平、廢棄物綜合利用水平基本維持現狀.根據這一原則,設定各行業的發展規模、最終需求、技術水平等參數的取值.其中,電力行業得到極大的發展,發電量由原來的每年 5.8億 kWh擴大到每年160億kWh.

基于以上的情景設計,首先以表7為基礎,用式(4)所示的投入產出分析行模型進行計算,得到情景一的新調控表的初步結果.然后,對粉煤灰的實際需求量進行核定.根據行模型計算結果,粉煤灰行業對電力行業的負投入是-194.6萬t,這是由于電力行業規模急劇擴張,根據原有的投入產出比例關系,“負投入”的粉煤灰量也急劇增加.而由式(1)計算得到其他部門對粉煤灰的實際需求量總和是8.0萬t.這表明實際的需求量遠達不到194.6萬t規模,原有的粉煤灰行業對電力行業的投入產出比例關系已經不能反映新的實際情況.因此,在新的調控表中,粉煤灰行業對電力行業的“負投入”量應為實際總需求量的相反數,即-8.0萬t.新調控表的最終結果如表8所示.

表7 加入粉煤灰行業后的調控表Table 7 The planning table of YMPIOT2002 after using negative input method

在得到新的調控表后,可在此基礎上生成新的三維 PIOT,計算出物質代謝過程中各種物質流的流量與流向,其中包括各種資源的消耗量和污染物的排放量等.由此,可對情景一中經濟系統的物質代謝狀況進行分析評價.結果表明,由于產業規模擴張過大,導致物質代謝的規模過大,尤其是用水量、 廢棄物排放量都遠遠超出當地生態環境的承載能力,將給當地的生態環境帶來巨大的壓力.例如,電力行業粉煤灰的產生量達到469.6萬t,而循環利用率僅為1.7%.這意味著將有461.6萬t粉煤灰向環境排放,為基準年排放量的 37.8倍.這充分說明情景一所對應的規劃方案不可取,需要用后續方案針對在情景一中暴露出來的問題逐步加以改進,直至達到最優或相對最優的規劃方案.

表8 情景一中的新調控表Table 8 The new planning table in scenario 1

3 結論

3.1 用負投入法解決了 PIOT中同一行業的產品計量單位不一致的問題,對于構建物質代謝調控模型具有重要意義.在PIOT中,負投入法仍能夠準確地反映主產品和副產品之間的技術關系.而負投入法在價值型投入產出表中的2個缺點,在PIOT的應用中都是可以克服的.

3.2 在PIOT中應用負投入法的基礎是調控表.調控表是一種按照一定規則構建,整合了三維PIOT的總表和附表中有用信息的表.在具體應用中,要處理好由投入產出分析行模型計算所得的“負投入”量與實際的總需求量之間的關系,以及副產品的需求量與供應量之間的關系.

3.3 以義馬市循環經濟規劃為例,對負投入法的應用加以說明.負投入法在物質代謝調控分析中起到了重要作用,為義馬市的循環經濟規劃提供了決策支持.案例分析表明了負投入法在循環經濟規劃中的可行性與實用性.

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