碳約束背景下中國三大流域水電能源環境效率評價

宋瑞杰，田 澤，楊婧怡

（河海大學商學院，南京 210098）

面對全球氣候變暖和傳統能源短缺的雙重危機，加快開發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、優化能源結構、促進環境改善具有重要意義，其科學開發、合理利用兼具經濟效益、社會效益和生態效益。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峰時代來臨，在地區及流域間統籌協調發展水電成為可持續發展的聚焦點。伴隨新建水電開發向西部縱深擴展，生態保護制約、建設成本劇增等一系列問題涌現。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，尤其是水電開發的環境效益具有重要意義。

關于能源環境效率測度［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省市的水電能源環境效率進行評價，以期把握各流域水電的發展狀況和碳減排效益，為因地制宜、優勢互補統籌開發利用水電服務。

1.1 數據來源及處理

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

決策單元（DMU）。黃河流域選取7個省（區），甘肅、寧夏、內蒙古、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個省（市），青海、四川、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江（西藏常年缺少數據，上海歷年水力發電量顯示為零，故二者皆不予考慮）；珠江流域選取3個省（區），貴州、廣西、廣東（云南劃歸長江流域）。

投入及產出指標的選取參照文獻［11］，具體解釋如下。

投入指標：①裝機容量（萬kW）。以裝機容量作為水電開發投入或消耗的各種主要能源的替代衡量指標，直接反映水力發電能力。②就業人員數（萬人）。以各省市電力、燃氣、水的生產和供應業城鎮單位就業人員總數作為勞動力投入（因缺乏電力行業從業人數的相關數據）。③固定資產投資（億元）。由于水電開發中的主要投資為固定資產投資且電力行業相關具體數據不全面，故選取電力、蒸汽、熱水生產和供應業投資數據來代替固定資產投入，運用永續盤存法，以2013年為基期進行平減從而確定該投入指標。

產出指標：①地區生產總值（億元）。為排除通脹等因素，以2013年不變價格為基數進行換算。②發電量（億kW·h）。作為經濟指標，直接反映水力發電效用。③CO2減排量。由于水電的環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境理想產出指標。碳減排量的計算具體參考文獻［11］的方法。

數據來自2014—2018年的《中國統計年鑒》《中國科技統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國工業統計年鑒》。

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、三產出”的水電能源環境效率測度［13］，該模型解決了傳統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 結果與分析

2.1 三大流域水利水電發展

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電量面板數據，對三大流域水利水電發展進行評價。

2.1.1 基于流域層面分析 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年呈現逐年增加態勢且增速各異，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年達到峰值后呈現下降態勢，珠江流域水電裝機量降幅最大，降幅高達19.26%，長江及黃河流域單年降幅分別為9.46%和4.56%。從直接產出看，只有長江流域水力發電量逐年增長，5年平均漲幅達8.4%，珠江流域略有波動且總體呈現先增后減趨勢，黃河流域5年水力發電量變化不明顯。總體看來，各流域直接產出與直接投入呈現正向變動關系，但流域間橫向對比來看，長江、黃河、珠江三大流域5年累計裝機量及發電量的比為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出/直接投入效率值更高，其內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電量

2.1.2 基于省域層面分析 分析水電裝機量相關數據，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展計劃比較穩定，同時西南水電開發逐漸成為水利開發的重點。分析水力發電量相關數據，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，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，鄂水電占比穩步提升外，流域內其他省市變化不大。珠江流域，黔、桂、粵三省（區）水電發展狀況相近，均以2016年前后為節點呈現先增后減態勢，與基于流域整體層面的分析結果相契合。

2.2 總效率分析

對總效率分析的各項數據匯總，得表1。

表1 三大流域20省（區、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16.33%，但研究期內波動幅度較大，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下降趨勢，5年總體降幅分別為20.97%和12.58%，且分別呈現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”規劃對黃河上游水電的重點開發有關。

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55.45%。

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

2.2.2 基于省域層面 選取2013—2017年三大流域20省（區、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：①三大流域各省（區、市）水電能效在各流域間呈現明顯的地域差異。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的優良水平。黃河流域從5年來整體發展看，除陜西、山東兩省市水電能效發展較好且5年間總體向好發展外，其他水電總效率值得分5年間總體均呈現下降態勢，且降幅介于11.81%～64.12%。②各流域內部各地自上游至下游總體呈現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間優勢互補的水電協同開發。

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，構成了水電能效的最佳生產前沿面，且3個前沿面省均歸長江流域，這與流域層面的分析結果相契合。②內蒙古、河南、青海和湖北的總效率得分呈現連年下降態勢，經濟發展遲滯、水電建設成本攀升、水電調度力差等問題亟待解決，水電發展潛力有待釋放。山東、云南、重慶和江蘇則呈現連年漲勢。地處經濟發達地區的山東、江蘇和重慶的高水電能效主要源自經濟貢獻，本身以裝機容量和發電量衡量的水電資源稟賦均處于較低水平，已被充分開發，未來主要作為全國電力消納市場。

3）基于總體分析，三大流域水電開發仍處于探索階段，尤其是西南和黃河上游的水電發展潛力亟待釋放，同時地域間及流域間水電外送調度、快速高效消納及優勢互補條件下的協同開發等問題都有待進一步研究解答。

2.3 分指標效率分析

分指標效率分析數據量較龐，故選取重點數據分析，見表2。

表2 2013—2017年三大流域20省（區、市）分指標效率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5年效率均值進行分析（圖4）。

圖4 三大流域各分指標5年效率均值

1）基于總體分析：長江流域與珠江流域6項分指標效率值均處于高于0.8的優良水平，相比較而言，投入指標效率長江流域總體占優，產出指標效率珠江流域總體占優，另黃河流域對比其他兩流域，各項分指標效率除裝機容量和GDP外，其余分效率指標均顯著低于其他兩流域的水平，從水電能效分指標看來，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律排列。

2）基于具體指標分析：①黃河流域的裝機容量（直接投入指標）效率得分高于長江及珠江流域，發電量（直接產出指標）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，水力發電量并未達到期望產出。②GDP作為地區經濟產出指標，長江流域總體占優，說明長江經濟帶沿線城市協同發展效用明顯，發展活力強勁。③CO2減排量這一環境效益指標，珠江流域表現最佳，源于其在發電量指標效率上的優良表現。

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 省域分指標效率得分雷達

圖6 省域分指標效率5年間變動度雷達

1）基于總體分析：對于就業人員數、固定資產投資、裝機容量、發電量、GDP、CO2減排量6個指標，得分高的為云南、湖北、陜西、云南、江蘇、云南，得分低的為山西、內蒙古、青海、山西、甘肅、山西。各分指標效率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、內蒙古、青海、內蒙古。分指標效率綜合評價，云南和山西分別是水電能效最高和最低的省份，山東的水電發展最迅猛，貴州和內蒙古的水電綜合效益“高開低走”。

2）基于具體投入及產出指標分析：就業人員數及固定資產投資兩個投入指標效率得分均不足0.8，顯著低于其余4個分指標效率得分，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效率切入。

3）裝機容量和CO2減排量兩個指標對比分析：①從電力能源角度評價，江西、山東、安徽、內蒙古不僅發電量效率得分低，顯著低于各自的投入指標裝機容量效率得分，說明應制定更加精準高效的水電裝機投入計劃并提升其發電量的直接產出效率。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省（區、市）數量，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能充分發揮水電資源優勢，實現低碳綠色發展，東部經濟發達地區及各流域下游省市則有待通過協調整合水電能源和地區優勢互補實現碳減排效率的提高。

3 結論

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

2）就三大流域水電能效而言，長江流域最優、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仍處于探索階段。從省域角度看，水電開發在流域間及同流域上、中、下游間呈現不均衡發展，三大流域東部下游水電潛力釋放并轉向深度開發，中游基于已有的大型水利樞紐工程和流域沿線經濟帶等諸多條件的支撐，水電開發進程加快，但產出并不理想。西南地區及黃河流域上游水電開發潛力巨大，但考慮到存在生態保護制約、建設成本攀升等問題，科學合理開發西南及黃河上游水電將成為后續研究的側重點。

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

4）從能源與環境雙重角度綜合衡量，西南地區和黃河上游總體發電量產出及碳減排效益表現最優，應在西電東送資源配置大背景下強化區域間互聯互通和優勢互補，以期在深度充分開發西部能源潛力的同時形成綠色低碳發展的規模效應。

4 對策建議

1）統籌水電開發與生態保護，建立完善科學系統的水電生態影響評判體系。對于新規劃的水電工程，實行嚴格的準入制度，只有該綜合環境影響經專家聯合審議通過后方可實施；在水電項目建設及維護期不斷提高環境質量監測體系的精準度和覆蓋度，推動建立具體監察機構領導小組與具體水電項目點對點的“終身負責”制。

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

3）克服移民、環保等難題，充分釋放西南及黃河上游水電開發潛力。針對兩地皆存在的少數民族移民異地安置難度大、生態環境脆弱、基礎設施落后等問題，加大財政、技術、人才等多方面政策支持，注重培養當地水電人才并創造更多就業崗位，充分調動民族地區合理利用優勢區位發展水電的主動性和積極性，將扶貧與水電開發相結合，最大程度實現水電能源的經濟效益、社會效益與生態效益的統一。

4）控制水電產業過度市場化，為流域公司的發展提供政策支持。水電企業無序和盲目性致使全流域存在水電裝機量投入冗余現象并隨之產生棄水資源浪費，國家應出臺相關政策，整改并逐步取締水電效益較差的中小型企業，推動形成大型集約化的全流域水電開發公司。在此基礎上一方面要統籌協調上、中、下游利益訴求和資源優勢，推動水電建設的精準投入和高效產出；另一方面要力爭實現以規模引領推動規范引領，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同開發模式。