山西省产业部门“能—水—碳”耦合研究

张敏

摘 要：能源过度消耗、水资源严重紧缺和碳排放的持续增加是当前山西省高质量发展的主要瓶颈，如何保证“能—水—碳”系统耦合发展已成为其研究的重点领域。通过构建“能—水—碳”环境投入产出模型，对山西省八大产业2002—2012年“能—水—碳”直接、完全消耗及其分布结构进行实证分析，并根据各部门耦合特征，为山西省产业转型协同发展提供新的政策视角，同时给其他资源型地区可持续发展进程中行业重点管控和综合管理提供参考。

关键词：“能—水—碳”;耦合;产业部门

中图分类号：F127        文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2020）06-0059-02

引言

随着工业化发展的快速推进，能源过度消耗和水资源严重紧缺等一系列问题接踵而至。据统计，全球碳排放量也将持续增加。能、水、碳作为社会经济发展中紧密联系的重要投入和环境产出，当前所面临的严峻形势已成为国内外关注的关键领域。山西省作为中国典型的资源型地区，丰富的自然资源在给地区经济带来迅猛增长的同时，高能耗、高水耗和高碳排的问题也逐渐暴露出来。目前，山西省能源消费强度远高于全国平均水平，人均水资源总量仅占到全国的1/7，煤炭的过度开采也造成地下水资源的严重破坏，同时长期粗放式的发展结构造成环境破坏严重，碳排放总量及强度均居全国前列。因此，加强山西省“能—水—碳”的耦合开发和协同控制已成为实现高质量发展的必然要求。

一、文献综述

长期以来，国内外对能源、水和碳排放的研究主要集中在单要素分析，随着对系统耦合的认识，针对两两要素依赖关系研究逐渐增多，“能—水”研究侧重于耦合开发的角度，包括能源开发过程中耗水以及水行业生产中耗能的双向联系[1]。如彭等人在综合考虑“能—水”关系基础上，进行部门发展分析[2]。同时一些学者认为，资源管理必然离不开环境条件的约束。陆志明和Wang等人分别测算了能源消费和转移和水资源开发利用时产生的碳排放，结果显示能源和水体都是造成地区长期温室气体的重要排放源[3～4]。

综上所述，现有文献对区域“能—水—碳”三者耦合关系研究目前仍处于探索阶段。尤其对山西省这种面临复杂资源问题的特殊区域，尚缺少能、水、碳三者的长期耦合的考虑。另外在研究视角上，前期研究更多关注的是发电[5]等典型行业的要素耦合联系。但是，能源、水资源和碳排放的流动取决于部门之间的贸易，不同产业“能—水—碳”耦合程度存在较大的差异且相互联系，还有必要将能源、水、碳关系的问题放在一个更广泛的系统研究。

基于此，本文以山西省为例，通过建立环境投入产出模型，对山西省八大产业部门的资源环境指标量化评估，全面分析2002—2012年山西省的动态耦合特征变化，指出各部门长期以来资源环境管理方面的潜在冲突或共同利益，同时对其他资源型地转型发展提供参考性建议。

二、研究方法与模型

1.环境投入产出模型。环境投入产出模型是在价值型投入产出模型基础上，将能源消耗、水资源消耗和碳排放三种环境压力指标与经济系统相结合所构建的混合型投入产出模型。环境投入产出表的基本框架分为四部分，第一部分为价值型投入产出表，以货币为计量单位，包括中间需求Xij、最终需求Yi和总产出Xi。其余三部分部分为各项环境压力指标，均以物理单位测量，包括直接能耗总量Ej、直接用水量Wj和直接碳排放量Cj。

2.“能—水—碳”耦合系数和结构。本文通过定义经济系统中资源投入与环境产出耦合下的能耗、水耗和碳排放系数，即j部门单位产值中能源、水资源的投入量以及碳排放产出量，用以反映各部门的“能—水—碳”耦合情况，同时以直接消耗（排放）系数与完全系数之比表示各部门耦合结构。

在完全消耗（排放）系数的基础上，乘以最终需求的对角矩阵Ydiag，可得由最终需求引起的j部门完全能耗矩阵ET、完全水耗矩阵WT、完全碳排放矩阵CT。

3.部门分类和数据来源。基于对山西省产业结构特征、资源与环境现状的分析，以及现有能源和水消耗数据与投入产出表部门划分的对应关系，本文综合权衡后将地区投入产出表中列出的42个部门合并为8个主要部门，分别为农业（Ag）、采矿业（CSI）、轻工业（LI）、重工业（HI）、电力、热力、然气及水生产和供应业（EGW）、建筑业（CI）、交通运输业（TSP）和服务业（SI）。

本文使用2002年、2007年、2012年山西省投入產出数据，并以2007年为基础年份剔除价格因素的影响。能源消耗数据来源于《山西省统计年鉴》中分行业能源消费量，能源品种包括煤炭、电力、焦炭、汽油、柴油。并采用IPCC参考方法中分燃料品种数据法，由各种能源消费量与其排放因子核算得部门碳排放量。直接用水量数据来源于《中国环境统计年鉴》，并依据投入产出表中水的生产和供应部门分配给其他部门的产值比，将直接用水量的原始数据分配到调整后的八大部门中。

三、结果分析

1.完全消费和排放特征分析。2002—2012年山西省的能源消耗量快速增长，2012年完全能源消耗量达到73 278.64万t标准煤。重工业对能源需求的急剧膨胀使能源完全消耗量远超于其他产业，2012年占到总能耗的43%，其次是建筑业和采矿业，其中采矿业作为山西省典型的资源型产业，2002年能源消耗增加趋势尤为明显。由完全能耗和碳排放比较来看，各部门“能—碳”耦合特征明显，2002年全省碳排放49 070.73万t，建筑业占比最高，2007年以后重工业碳排放量迅速增加，2012年占到全省总碳排放的43.50%，超过建筑业成为碳排放最高的部门。农业、轻工业和交通运输业对能源需求占比较小，碳排放量较低。而各部门完全水消耗量的分布则有些不同，农业和轻工业能耗和碳排放均远低于全省平均水平，但对水资源的消耗较大。尤其是农业一直以来都是水耗最高的部门，2012年完全耗水量达到31.34亿m3;服务业作为典型低能耗和低碳产业，用水量也居部门前列，但时间上有下降趋势;电力、热力、天然气、水生产，以及供应业和交通运输业用水量最少。

2.“能—水—碳”耦合系数分析。2002—2007年的“能—水—碳”消耗和排放表现出总量上升系数减少的特征，这与工业化发展效率提高密切相关。2007—2012年间消耗和排放系数并未有较大变化。从能耗系数来看，电力、热力、然气及水生产和供应业是各年中完全能耗系数最高的部门，2012年其能耗系数（10.69t/万元）达到系数最低部门服务业的（1.69t/万元）的6.3倍之多，重工业的能耗系数仅次于电力、热力、天然气及水生产和供应业。从水耗系数来看，农业的单位产出耗水仍远超于其他部门，轻工业次之，其余部门耗水系数相差不大，这与完全水耗总量结构相似。从碳排放系数来看，电力、热力、天然气及水生产和供应业（30.22t/万元）和重工业（22.41t/万元）是单位产出碳排放的主要来源，农业和服务业系数最小。

3.“能—水—碳”耦合结构分析。整体上分析各行业消耗和排放结构并没有明显的时间差异。值得注意的是，仅电力、热力、天然气及水生产和供应业直接能耗系数、水耗系数和直接碳排放系数大于间接消耗，说明该行业“能—水—碳”压力主要来自于直接资源消耗而不是中间投入。除此之外，其他行业的间接消耗和排放系数均大于直接，特別是建筑业在2012年超过99%的能源消耗和碳排放是由间接产品投入所造成的，其间接水耗系数也占到完全水耗87%，说明其他部门的节能节水减排行为将严重影响到建筑业的节约和减排效果。同样的轻工业在完全能耗和碳排放上均不明显，但是间接消耗系数很高，由其上游部门对轻工业的中间资源投入才是造成轻工业能耗和碳排放的关键来源。

另外，采矿业和交通运输、仓储和邮政业的消耗结构具有较高的一致性，两部门直接消耗或排放占比在20%左右，其中一大部分的“能—水—碳”压力还是来自间接资源投入。而农业“能—水—碳”耦合消耗结构比较特殊，其直接能源消耗和碳排放系数逐年减少，但直接耗水占比随时间逐渐增加，2012年成为唯一直接水耗大于间接的部门，农业发展模式有待提高。

四、结论和建议

在山西省这类资源型地区，多数行业“能—水—碳”耦合特征明显，尤其是“能—碳”耦合表现出高度一致性。同时，重工业和采矿业等产业“能—水—碳”耦合压力较大，且主要由间接产品投入造成，这为山西省可持续发展提供了新的政策视角。

1.跨系统综合评估，多领域联合管理。在以往区域能、水、碳等独立系统的评估和管理可能会导致各系统间的重要交互被遗漏，从而造成政策的利益冲突和无效实施，应协同推进各部门中能源和水等生产要素的配置关系，强化低碳高质量发展。

2.分行业差异化管理，重点行业实行优先管控。针对不同产业活动对资源需求规模、组合方式、开发强度及利用效率差异，各部门的政策措施应注重差异化管理，并对资源环境和矛盾突出的行业实行优先管控，提高地区资源环境管理效率。

3.优化产业结构，实现绿色低碳转型。立足于地区资源优势，通过对重工业等耦合压力较大的传统资源型产业进行先进技术改造，以促进能源和水的耦合开放效率。同时，大力发展“能—水—碳”耦合压力较小的现代服务业，逐步构建节能节水低碳的现代产业体系。