山西省產業部門“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增加是當前山西省高質量發展的主要瓶頸，如何保證“能—水—碳”系統耦合發展已成為其研究的重點領域。通過構建“能—水—碳”環境投入產出模型，對山西省八大產業2002—2012年“能—水—碳”直接、完全消耗及其分布結構進行實證分析，并根據各部門耦合特征，為山西省產業轉型協同發展提供新的政策視角，同時給其他資源型地區可持續發展進程中行業重點管控和綜合管理提供參考。

關鍵詞：“能—水—碳”;耦合;產業部門

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

引言

隨著工業化發展的快速推進，能源過度消耗和水資源嚴重緊缺等一系列問題接踵而至。據統計，全球碳排放量也將持續增加。能、水、碳作為社會經濟發展中緊密聯系的重要投入和環境產出，當前所面臨的嚴峻形勢已成為國內外關注的關鍵領域。山西省作為中國典型的資源型地區，豐富的自然資源在給地區經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展結構造成環境破壞嚴重，碳排放總量及強度均居全國前列。因此，加強山西省“能—水—碳”的耦合開發和協同控制已成為實現高質量發展的必然要求。

一、文獻綜述

長期以來，國內外對能源、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”研究側重于耦合開發的角度，包括能源開發過程中耗水以及水行業生產中耗能的雙向聯系[1]。如彭等人在綜合考慮“能—水”關系基礎上，進行部門發展分析[2]。同時一些學者認為，資源管理必然離不開環境條件的約束。陸志明和Wang等人分別測算了能源消費和轉移和水資源開發利用時產生的碳排放，結果顯示能源和水體都是造成地區長期溫室氣體的重要排放源[3～4]。

綜上所述，現有文獻對區域“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電[5]等典型行業的要素耦合聯系。但是，能源、水資源和碳排放的流動取決于部門之間的貿易，不同產業“能—水—碳”耦合程度存在較大的差異且相互聯系，還有必要將能源、水、碳關系的問題放在一個更廣泛的系統研究。

基于此，本文以山西省為例，通過建立環境投入產出模型，對山西省八大產業部門的資源環境指標量化評估，全面分析2002—2012年山西省的動態耦合特征變化，指出各部門長期以來資源環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型發展提供參考性建議。

二、研究方法與模型

1.環境投入產出模型。環境投入產出模型是在價值型投入產出模型基礎上，將能源消耗、水資源消耗和碳排放三種環境壓力指標與經濟系統相結合所構建的混合型投入產出模型。環境投入產出表的基本框架分為四部分，第一部分為價值型投入產出表，以貨幣為計量單位，包括中間需求Xij、最終需求Yi和總產出Xi。其余三部分部分為各項環境壓力指標，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”耦合系數和結構。本文通過定義經濟系統中資源投入與環境產出耦合下的能耗、水耗和碳排放系數，即j部門單位產值中能源、水資源的投入量以及碳排放產出量，用以反映各部門的“能—水—碳”耦合情況，同時以直接消耗（排放）系數與完全系數之比表示各部門耦合結構。

在完全消耗（排放）系數的基礎上，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.部門分類和數據來源。基于對山西省產業結構特征、資源與環境現狀的分析，以及現有能源和水消耗數據與投入產出表部門劃分的對應關系，本文綜合權衡后將地區投入產出表中列出的42個部門合并為8個主要部門，分別為農業（Ag）、采礦業（CSI）、輕工業（LI）、重工業（HI）、電力、熱力、然氣及水生產和供應業（EGW）、建筑業（CI）、交通運輸業（TSP）和服務業（SI）。

本文使用2002年、2007年、2012年山西省投入產出數據，并以2007年為基礎年份剔除價格因素的影響。能源消耗數據來源于《山西省統計年鑒》中分行業能源消費量，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據法，由各種能源消費量與其排放因子核算得部門碳排放量。直接用水量數據來源于《中國環境統計年鑒》，并依據投入產出表中水的生產和供應部門分配給其他部門的產值比，將直接用水量的原始數據分配到調整后的八大部門中。

三、結果分析

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。重工業對能源需求的急劇膨脹使能源完全消耗量遠超于其他產業，2012年占到總能耗的43%，其次是建筑業和采礦業，其中采礦業作為山西省典型的資源型產業，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，建筑業占比最高，2007年以后重工業碳排放量迅速增加，2012年占到全省總碳排放的43.50%，超過建筑業成為碳排放最高的部門。農業、輕工業和交通運輸業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，農業和輕工業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。尤其是農業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;服務業作為典型低能耗和低碳產業，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，以及供應業和交通運輸業用水量最少。

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

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

另外，采礦業和交通運輸、倉儲和郵政業的消耗結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。而農業“能—水—碳”耦合消耗結構比較特殊，其直接能源消耗和碳排放系數逐年減少，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，農業發展模式有待提高。

四、結論和建議

在山西省這類資源型地區，多數行業“能—水—碳”耦合特征明顯，尤其是“能—碳”耦合表現出高度一致性。同時，重工業和采礦業等產業“能—水—碳”耦合壓力較大，且主要由間接產品投入造成，這為山西省可持續發展提供了新的政策視角。

1.跨系統綜合評估，多領域聯合管理。在以往區域能、水、碳等獨立系統的評估和管理可能會導致各系統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，應協同推進各部門中能源和水等生產要素的配置關系，強化低碳高質量發展。

2.分行業差異化管理，重點行業實行優先管控。針對不同產業活動對資源需求規模、組合方式、開發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，并對資源環境和矛盾突出的行業實行優先管控，提高地區資源環境管理效率。

3.優化產業結構，實現綠色低碳轉型。立足于地區資源優勢，通過對重工業等耦合壓力較大的傳統資源型產業進行先進技術改造，以促進能源和水的耦合開放效率。同時，大力發展“能—水—碳”耦合壓力較小的現代服務業，逐步構建節能節水低碳的現代產業體系。