黃河流域工業水資源利用與碳排放時空特征及脫鉤分析

關鍵詞：時空特征；工業用水；碳排放；脫鉤模型；黃河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２０

引用格式：孟祥瑞，邵慶真，王向前．黃河流域工業水資源利用與碳排放時空特征及脫鉤分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１３６－１４３．

０引言

２０２０年９月，中國在第７５屆聯合國大會上承諾，力爭于２０３０年之前使二氧化碳的排放達到峰值、２０６０年之前實現碳中和。碳中和意味著人類活動排出的二氧化碳量和循環利用的二氧化碳量達到動態平衡，而實現此動態平衡則需要水資源的支撐［１］ 。隨著經濟社會的發展，水資源供給消費結構改變會導致水資源時空分布不均衡，影響區域生態系統的碳匯能力［２］ ，而不同區域水資源分配的時空差異性也會影響地區碳減排的能力［３］ 。黃河流域作為中國重要的能源基地，煤炭、石油等礦產資源豐富，長期以來碳排放量巨大，其中工業生產排出的二氧化碳量占流域碳排放總量的近７０％［３］ 。水是生存之本、生態之基、生產之要，在促進能源結構轉型以及工業低碳運行方面發揮重要作用［３］ 。黃河流域水資源總量僅占全國的２．７％，通過水資源高效利用助力能源結構轉型和碳減排成為黃河流域的重要任務，因此了解黃河流域工業水資源利用以及碳排放空間動態演進特征、明晰工業水資源利用與碳排放之間的關系，對于促進水資源可持續利用和實現“雙碳”目標尤為重要。

近些年來，面對水資源、能源需求增加和應對氣候變化的現實需要，黃河流域水資源利用和碳排放的研究成為熱點，如王菲等［５］ 、楊屹等［６］ 從“水－土－能”視角分析了黃河流域三者之間的聯系，王敏彤等［７］ 、祁強強等［８］ 分析了黃河流域碳源碳匯時空演變特征，宋冬凌等［９］ 分析了黃河流域城市群時空演變特征，杜婭明等［１０］ 測算了黃河流域旅游業碳排放效率，浩日娃等［１１］ 研究了內蒙古碳匯演變規律及其驅動因素。在工業用水及工業碳排放研究方面，苗峻瑜等［３］ 分析了黃河流域水資源效率和經濟的耦合協調特征；張旭等［１２］ 、Ｊｉａｎｇ Ｗ Ｙ 等［１３］ 研究了我國工業用水演變特征；Ｚｈａｏ Ｊ 等［１４］ 分析了我國不同行業用水量和碳排放的時空演變特征，結果表明黃河流域９ 省（區）的碳足跡與水足跡的轉出與轉入存在明顯地區差異。Ｔａｐｉｏ脫鉤模型通常用來研究碳排放和經濟發展的脫鉤關系，部分學者將其用于區域水資源脫鉤研究，如：鐘妮棲等［１５］ 、李汝資等［１６］ 分析了黃河流域水資源利用和經濟發展的脫鉤關系，路娜等［１７］ 分析了西北五省省會城市水資源利用和經濟發展的脫鉤關系，紀義虎等［２］研究了沁河流域用水量和碳排放的脫鉤關系。

綜上所述，關于水資源利用與碳排放脫鉤關系的研究多數集中在經濟增長和用水量方面，而關于黃河流域工業碳排放與工業用水空間結構特征的研究較少。筆者選取工業碳排放量、工業碳排放強度、工業用水量、工業用水強度、工業碳水系數５ 個指標，利用全局莫蘭指數和局部莫蘭指數探究黃河流域工業碳排放量與工業用水量的時空演變特征，并通過脫鉤指數揭示其脫鉤關系，以期為促進黃河流域碳水關系協調發展提供參考。

１研究指標與研究方法

１．１研究指標

１）工業碳排放量（Ｃ）。包括工業能源消耗直接產生的碳排放量和工業電力消耗間接產生的碳排放量。

２）工業用水量（Ｌ）。主要指工業生產過程中的用水量。

３）工業碳排放強度（Ｉ）。工業碳排放強度是每萬元工業增加值（Ｇ）的碳排放量。碳排放強度越低，說明每單位碳排放量創造的經濟價值越高、碳排放效率就越高。

４）工業用水強度（Ｗ）。工業用水強度是指每萬元工業增加值的耗水量。用水強度越低說明單位耗水量創造的工業產值越高、水資源利用效率就越高。

５）工業碳水系數（Ｅ）。工業碳水系數是工業碳排放強度和工業用水強度的比值，計算公式為Ｅ ＝Ｉ ／ Ｗ。傳統工業企業碳排放強度和用水強度相對較高，碳水系數也相應較高［１２］ 。

１．２研究方法

２研究區概況與數據來源

黃河流域涉及青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東９ 個省（區）的６１ 個地級市，煤炭、石油、天然氣資源豐富，但是長期以化石能源為主的能源消費結構使得黃河流域碳排放量連年居高不下。２０２１年，黃河流域碳排放總量約占全國的３５％，其中工業碳排放量占比超過７０％，而黃河流域水資源總量僅占全國的２．７％。鑒于部分地級市數據缺失，選取青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東８ 個省（區）的６０ 個地級市（州）進行研究。研究區范圍見圖１。

本研究所用的各類能源系數及轉換因子數據來源于ＩＰＣＣ（２００６），各省（區）電網碳排放因子數據來源于《中國區域電網二氧化碳排放因子研究（２０２３）》，工業用水量數據來源于各省（區）水資源公報（鑒于２０１９年萊蕪市劃歸濟南市，為保證數據的可比性，２０１１—２０２１ 年濟南市相關數據均包括萊蕪市），能源消耗量數據來源于《中國能源統計年鑒》以及各地級市統計年鑒，城市工業碳排放量部分數據來源于中國碳核算數據庫（ＣＥＡＤｓ），工業增加值數據來源于各省（區）統計年鑒以及國民經濟和社會發展統計公報。

３結果與分析

３．１黃河流域工業水資源利用與碳排放時空特征

選取“十二五”“十三五”“十四五”初期（２０１１ 年、２０１６ 年、２０２１年）分析黃河流域各省（區）工業碳水關系時空分布特征。利用ＡｒｃＧＩＳ 中的Ｊｅｎｋｓ（自然間斷點分級法），將２０１１—２０２１ 年黃河流域各省（區）碳水關系研究指標值分為低、中低、中、中高、高５ 個等級。２０１１—２０２１年各研究指標計算值范圍見表５。各研究指標的時空分布情況見圖２～圖６。

由圖２～ 圖６ 可知：黃河流域地級市工業碳排放量、工業碳排放強度、工業碳水系數均呈增長趨勢，而工業用水量、工業用水強度呈下降趨勢；流域中東部工業碳排放量、工業用水量大于西部地區，而工業碳排放強度、工業用水強度、工業碳水系數則西部高于中東部。

３．２空間相關性

３．２．１全局空間相關性

全局空間相關性分析結果見表６，各個研究指標均通過了５％的顯著性水平檢驗，Ｉｔ均大于０，Ｚ 值均大于１．９６，說明研究期各個研究指標均表現出強空間相關性。

３．２．２局部空間相關性

上述５個研究指標的局部莫蘭指數空間分布見圖７～圖１１。

１）工業碳排放量。高－高聚集區集中在陜西、山東，低－低聚集區集中在青海、內蒙古；工業碳排放量高－高聚集區數量呈減少趨勢，空間聚集性呈減弱趨勢。

２）工業碳排放強度。高－高聚集區主要為工業碳排放量低值區的果洛、黃南、甘南、定西；海南州由２０１１年的高－高聚集區轉為２０１６年和２０２１年的低－高聚集區，原因是其碳排放效率提高，而周圍地區的碳排放效率偏低；低－低聚集區多數分布在山東，但是２０１６ 年以后低－低聚集區數量減少。

３）工業用水量。高－高聚集區、低－低聚集區、低－高聚集區數量均呈增多趨勢，說明工業用水量的空間聚集性增強。高－高聚集區出現明顯的空間偏移，由河南的鄭州、洛陽、新鄉偏向山東的濟南、德州、濱州；低－低聚集區數量增多；巴彥淖爾、忻州由２０１１年和２０１６ 年的不顯著區變為２０２１年的低－高聚集區，說明其工業用水量較少，而周邊地級市工業用水量增多。

４）工業用水強度。低－低與低－高聚集區數量減少，空間聚集性減弱。其中：甘肅的白銀、定西、平涼為主要的低－低聚集區，說明這３ 個市與周邊市工業用水效率高；鄂爾多斯、天水由低－高聚集區變為不顯著區。

５）工業碳水系數。主要分布區為低－低聚集區、高－高聚集區，其中：高－高聚集區分布在青海的果洛、黃南，甘肅的甘南、臨夏、定西；低－低聚集區則分布在內蒙古的巴彥淖爾、包頭、鄂爾多斯以及山東、河南的部分地級市。

３．３黃河流域各省（區）碳水脫鉤關系

利用全局莫蘭指數與局部莫蘭指數分析研究指標的空間分布特征時，發現有些指標聚集區變化不明顯且該方法無法直觀體現黃河流域碳水關系，因此引入脫鉤指數來分析。２０１１—２０２１年黃河流域各省（區）碳水關系脫鉤指數見表７，各地級市碳水關系脫鉤狀態見圖１２。

１）青海。處于工業碳水系數高值區、工業碳排放量和工業用水量低值區，研究期其碳水關系表現為由差變好再變差。２０１１—２０１２年青海整體的碳水關系均為強、弱負脫鉤，處在不可協調發展階段；２０１２—２０１５年出現強、弱脫鉤的良好情形；２０１５—２０２１年碳水脫鉤關系處在不可協調發展階段，碳水關系失衡。研究區青海６ 個地級市（州）中，只有西寧２０１１—２０２１年碳水關系未出現強、弱脫鉤，而且大部分時間碳水關系都處在不可協調階段。總體而言，青海碳水關系較差。

２）山東。處于工業碳水系數低值區、工業碳排放量和工業用水量高值區，研究期其碳水關系總體表現為由差變好。２０１１—２０１５年山東整體碳水關系出現較多的強負脫鉤情形，２０１６ 年以后強負脫鉤情形減少。研究區山東９ 個地級市中只有濟南碳水關系未出現強、弱脫鉤，這與濟南作為傳統工業老城高耗水高耗能工業企業處在節約用水以及低碳結構轉型期有較大關系；而其他地級市中，濟寧、泰安、德州碳水關系相對較好，但仍存在較多負脫鉤情形。

３）內蒙古。處于工業碳水系數和工業碳排放量低值區、工業耗水量高值區，總體碳水關系向好發展。由圖１２ 可知，２０１３—２０１５年、２０１６—２０１７年內蒙古未出現強、弱脫鉤情形，其中：研究期烏蘭察布未出現強、弱脫鉤，巴彥淖爾２０１１—２０１２年出現強脫鉤、２０１２ 年以后碳水關系逐漸變差，呼和浩特２０２０年以后碳水關系逐漸向好。

４）甘肅。處于工業碳水系數低值區、工業碳排放量與工業用水量中高值區。２０１６年以前甘肅碳水脫鉤關系均為強負脫鉤，２０１６—２０２１年出現了強、弱脫鉤情形，甘肅碳水關系逐漸向好發展。蘭州市２０１１—２０１５年碳水關系以負脫鉤為主，２０１６年以后出現強脫鉤情形。其他地級市碳水關系２０１６年以后出現較多弱負脫鉤情形。

５）河南。處于工業碳水系數低值區、工業碳排放量和工業用水量中高值區，整體碳水關系由好向差發展。２０１７—２０２１年河南碳水關系出現較多負脫鉤情形，２０１７—２０２１年均未出現強、弱脫鉤情形。

６）陜西、山西、寧夏。山西和陜西碳水關系存在較多負脫鉤情形，寧夏近些年碳水關系逐漸向好。

４結論

１）全局莫蘭指數分析結果表明，２０１１—２０２１年黃河流域工業水資源利用與碳排放的各研究指標均表現出強空間相關性。

２）局部莫蘭指數分析結果顯示，黃河流域工業碳排放量高－高聚集區主要分布在甘肅、山東、陜西，低－低聚集區分布在內蒙古、青海；工業碳排放強度高－高聚集區主要分布在青海，低－低聚集區主要分布在山東、內蒙古，２０１６年以后河南、山東工業碳排放強度低－低聚集區數量增多；工業用水量高－高聚集區分布在河南、山東，２０１１—２０２１年山東低－低聚集區數量增多，低－低聚集區主要分布在青海，高－低聚集區分布在甘肅；工業用水強度低－高、高－高聚集區分布在甘肅，低－低聚集區分布在山東、山西；工業碳水系數高－高聚集區分布在青海，低－低聚集區分布在內蒙古和山東。

３）黃河流域各省（區）碳水關系總體向好發展，但是研究期碳水關系大部分為負脫鉤情形，這與黃河流域能源結構中化石能源比重大、由傳統化石能源消費結構向新能源消費結構轉變時間長、工業碳排放量增長速率較大、水資源量有限且利用效率較低有較大關系。各省（區）碳水關系呈現不同的脫鉤狀態，并且脫鉤階段差異較大，即使某一時期碳水關系出現了較好的脫鉤情形，下一時期仍然可能轉變為負脫鉤。