基于MRIO和ENA的中国省区能源-水资源耦合关系研究

孙才志， 靳春玉， 阎晓东

(1.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 地理科学学院,辽宁 大连116029)

能源和水资源是人类生存、经济发展和社会进步的基础性与战略性资源。我国是全球第一大水资源和能源消费国。中国人均水资源占有量仅为世界人均水平的四分之一[1]，总用水量占水资源可利用量的比例从2000年的19.96%到2017年的21.01%，已超过警戒线20%[2]；中国能源消费量从1978年的5.7亿tce到2017年的44.9亿tce，增长了6.877倍[3]，水资源与能源安全面临严峻挑战。水资源与能源紧密相连，并且以各种形式相互制约、相互构成压力：一方面，水的生产、使用以及废水处理等过程中能源的消耗必不可少[4]；另一方面，水资源在化石能源的采掘、处理、转化、运输以及电力生产过程中起到了关键性作用[5]。我国能源与水资源空间分布不匹配，为了保障与协调区域可持续发展，必须在综合考虑能源和水资源耦合关系的基础上，建立能源-水资源协同管理体系[6]。

投入产出法是 Leontief 在 1936 年提出的，能够分析不同生产部门之间的经济关联[7]，可以计算所有直接或间接的包含在产品消费中的资源使用量。多区域投入-产出模型(Multiregional Input-Output model,MRIO)已经被广泛用于研究城市的能源和水问题，如虚拟水、水足迹、能源足迹、体现能源和体现水[8-11]。生态网络分析(Ecological Network Analysis,ENA)是由 HANNON B最先提出来的[12]，起初用来探究生态系统的整体属性，利用积分流量不仅可以量化转换过程中直接或间接的流量，而且可以从系统角度来量化经济部门之间的关系[13]。城市经济系统中能源或水资源的循环利用率可使用ENA的芬恩循环指数进行分析研究[14]；系统鲁棒性能够表征系统的稳定性和恢复力[15]；控制和依赖分配系数可以呈现由于资源流动引起的控制或者依赖关系[16]。在网络视角下，部分学者运用ENA进行了单一资源要素的研究[17-20]。总体来说，在MRIO和ENA的基础上对能源-水资源耦合关系的研究仍处于初步探索的阶段。DUAN C C等[21]将投入-产出与生态网络分析结合起来，分析中国能源贸易中的水-能关系，发现国际能源贸易能够缓解中国水资源短缺问题，但是增加了对其他国家或地区的能源依赖性；基于此方法，WANG S G等[22]构建京津冀地区的投入-产出模型，探索城市各部门之间水资源与能源的结构特点及相互作用；对于一个城市系统中的水-能关系，主要分析水资源与能源的协同效应以及在经济部门之间的相互作用。目前，在量化中国30个区域之间的潜在关联影响和指导能源-水资源协调管理方面需进一步研究。

鉴于此，文中在MRIO和ENA的基础上，综合考虑能源和水资源的耦合问题，建立了中国30个区域的能源-水资源耦合网络核算框架，核算体现在中间使用和最终使用中的能源和水资源消费量，探索地区间能源和水资源的流动路径，分析能源-水资源耦合网络的系统属性以及地区间的控制和依赖关系，以期为全国能源与水资源协调、可持续利用和统筹管理提供理论参考依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 能源-水资源耦合分析

(1)

(2)

1.2 多区域投入-产出分析

通过对国民经济中各部门之间投入和产出相对应关系的研究来分析经济结构间关系的方法被称为投入-产出技术方法，主要包括投入-产出数学模型和投入产出表[24]。区域间投入-产出模型的平衡关系可用矩阵表示为：

XR=(I-ARP)-1YR。

(3)

1)各省区各部门的用水和能耗系数矩阵。直接用水系数或直接能耗系数矩阵为：

(4)

ε为完全用水系数或完全能耗系数，即满足最终需求的产品在整个生命周期中单位产出的用水量或能耗量，由直接用水系数或直接能耗系数与列昂惕夫逆矩阵相乘得到。

(5)

2)各省区能源和水消费总量(从生产侧和消费侧角度)的计算式分别为:

Htotal=Hte+Hfe。

(6)

生产侧能源或水消费量为：

Hte=εx。

消费侧能源或水消费量为：

Hfe=εyfe，

yfe=yR+yU+yG+yFC。

式中：x为中间使用矩阵；yfe为最终消费列阵；yR、yU、yG、yFC分别指农村居民消费支出、城镇居民消费支出、政府消费支出和固定资本形成支出。

1.3 生态网络分析

生态网络分析方法能够表征社会经济系统的资源循环利用情况、评估系统稳定性以及地区间的动力学关系。积分流(N、N′)用于解释在整个系统配置过程中一个区域对另一个区域的影响，本文选取芬恩循环指数(Finn′s Cycle Index,FCI)来量化整个能源或水系统中循环流量的强度[15]。计算公式分别如下:

(7)

(8)

(9)

N=(nij)，G=(gij)，G′=(g′ij)，

式中：N为代谢物质流的积分无量纲矩阵；G为代谢物质流的直接无量纲矩阵；G′为代谢物质流的间接无量纲矩阵；fij为从地区i流向地区j的能源或水；Ti为地区i的输入或输出；TST为整个系统的总输入或总输出。

系统鲁棒性(System Robustness,SR)是基于系统的一个指标，效率和冗余之间的协调才能保障耦合系统的可持续发展[16]。通过耦合网络的上升性(A)和发展能力(C)计算SR。计算公式分别如下：

(10)

(11)

α=A/C，

(12)

SR=-αlnα。

(13)

文中利用控制分配系数(Control Allocation Coefficient,CA)和依赖分配系数(Dependent Allocation Coefficient,DA)来模拟地区和行业之间的控制和依赖关系，通过分析各区域之间的控制和依赖关系，确定其关联管理的调节路径[17]，具体计算分别如下：

(14)

(15)

1.4 数据来源

中国各地区直接能源消耗量来源于《中国能源统计年鉴》[25]，直接水资源消费量来源于《中国环境统计年鉴》[26]，2012年区域间投入-产出表来自于刘卫东等[27]的成果，并按照产业划分标准将2012年中国区域间投入-产出表合并为17个部门，见表1，水资源相关的能源消耗数据和能源相关的用水数据参考文献[1][4][28][29]、各省质量技术监督局、各省工业用水定额、2013年《城市供水统计年鉴》以及2013年《城镇排水统计年鉴》。

表1 产业分类

2 结果分析

2.1 区域能源和水资源的消费格局分析

文中测算了2012年中国30个省区的水资源和能源相关水资源的投入情况以及体现在不同最终使用中的水资源消费量,如图1所示。

如图1右侧所示：从生产和消费两个角度，分别显示了区域直接用水量和区域农村居民消费、城镇居民消费、政府消费以及固定资本形成水资源消费的特点。从生产角度看，江苏、山东、广东的直接用水量最大，经济活动使用了大量的水，海南和青海的水资源投入最小。从消费角度来看，水资源消费量较高的地区分别为江苏、广东和山东，均大于250亿m3；海南、青海和宁夏的水资源消费量较小，均在60亿m3以内。农村居民消费、城镇居民消费、政府消费和固定资本形成消费这4种水资源使用类型最终总的水资源消费量为4 937.78亿m3，其中体现在城镇居民消费中的水资源消费量最大，为2 059亿m3，其次是固定资本形成水资源消费量，为1 680亿m3，最小是政府消费水资源量413亿m3。

图1 中国30个省区水资源消费和能源相关用水情况

能源相关的水资源消费，如图1左侧所示：从生产角度来看，直接用水量排在前三的是山东、广东和江苏，其中山东省的能源生产耗水量最大，为62亿m3，海南和青海的能源生产耗水量最小。从消费角度来看，能源相关的水资源最终使用消费量较大的地区仍然是山东、广东和江苏，最小的是海南。体现在居民消费中能源相关的水资源量占消费总量的57.3%，最小的是政府消费水资源量，占消费总量的8.9%。从整体看，多数地区消费侧水资源消费量小于生产侧用水量，生产侧水资源消费量约占水资源消费总量的65.7%。经济发展较快的地区水资源消费量较大，经济规模较小的地区水资源消费量相对较小。

同时，测算了2012年中国30个省区的能源和水资源相关能源的投入情况和体现在不同最终使用中的消费量，如图2所示。

图2 中国30个省区的能源消费和水资源相关能源消费情况

如图2右侧所示：从生产角度看，山东的直接能源消费量最大，为10亿tce，江苏、河北、河南的次之，均大于5.8亿tce；海南和青海的直接能源消费量最小，均小于0.5亿tce。从消费角度来看，山东、河南和内蒙古的能源消费量较大，均大于2.4亿tce。农村居民消费、城镇居民消费、政府消费和固定资本形成消费这4种最终使用类型总的能源消费量为40.62亿tce，其中体现在固定资本形成中的能源消费量最大，占最终使用总能源消费量的57%，最小的是政府消费占最终使用总能源消费量的7.8%。

水资源相关的能源消费如图2左侧所示：从生产角度看，江苏、山东、广东、河南的水资源相关直接能源消费量最大，均大于1 500万tce；同样，海南和青海的直接能源消费量最小，均小于150万tce。从消费角度来看，河南、湖北、广东和江苏的水资源相关能源的最终使用消费量较大，海南和青海的消费量最小。体现在固定资本形成中的水资源相关能源消费量最大，为6 325万tce，政府消费的最小，为851万tce。从整体来看，生产侧能源消费约占能源消费总量的69.3%。

从地区来看，无论从生产还是消费的角度，水资源消费和能源相关的水资源消费量较大的地区均为江苏、广东和山东，而水资源消费量较少的地区多集中在经济规模较小的地区，如海南和青海。能源消费和水资源相关的能源消费量较大的地区多为经济发展较快的地区，如山东、江苏和河南。不论是水资源消费还是能源消费，生产侧消费量都大于消费侧消费量。

2.2 区域间能源和水资源转移分析

为了便于研究，本文分别选取混合水资源和混合能源输入(输出)较大的12个地区展示我国区域混合水资源和混合能源流动的关键路径，分别如图3和图4所示。在图3和图4中，不同的颜色代表不同的地区，根据线条的宽度，识别出各地区之间的资源流量，关系带以资源流量的大小权衡，并对应相应的资源转移地区。

图3 区域间混合水资源流动路径图(单位:亿m3)

图4 区域间混合能源流动路径图(单位:万tce)

由图3可以看出区域间混合水资源的相互作用，混合水资源转移量最大的3条路径分别为新疆到山东、黑龙江到山东以及新疆到广东，流量分别为152.76亿m3、66.93亿m3和66.09亿m3。主要水资源供应地区为新疆和黑龙江，山东、广东、江苏和浙江是主要水资源消费地区，江苏、浙江和山东等较发达地区的最终用水需求得到了新疆、黑龙江、内蒙古和安徽等内陆地区的支持。新疆和黑龙江向图3中其他10个地区的混合水资源总供应量分别为469.87亿m3和271.9亿m3，占两个地区混合水资源输出总量的比例分别为46.39%和43.96%。新疆向江苏、浙江、山东和广东输出的混合水资源占新疆总用水量的32.36%。综上所述，水资源输出量最大的地区为黑龙江和新疆，这两个地区的农业相对发达，农业部门的直接水资源消耗系数较大，而农业又是水资源消费量最大的部门，这与刘雅婷等[29]的观点相同；水资源输入量较大的地区多为经济规模较大的地区。总体来说，混合水资源从西部流向东部，从北部流向南部，从内陆地区流向发达地区。

图4中分析了区域间混合能源的相互作用。图4中：山西到江苏、内蒙古到江苏、内蒙古到广东以及河北到江苏是混合能源转移量最大的4条路径，流量分别为10 122万tce、9 231万tce、6 317万tce和6 222万tce。内蒙古、山西和河北是主要的能源供应地区，江苏和广东是主要的能源消费地区。此外，山东既是主要的能源供应地区又是主要的能源消费地区，能源流量分别为17 251万tce和26 867万tce。内蒙古和山西向图4中其他10个地区的混合能源总供应量分别为41 785万tce和37 432万tce，分别占2个地区混合能源输出总量的38.47%和45.41%。山西向江苏、山东、广东和河北的混合能源输出总量占山西总能耗量的29.8%。综上所述，能源输出量较大的地区为内蒙古、山西和河北，输出的多为高能耗的资源型产品。内蒙古、山西和河北的煤炭、矿产资源丰富，内蒙古的采选业和电力生产及供应业比较发达；山西的采选业和化学工业较为发达；河北的采选业、化学工业以及金属制品业相对发达，采选业、电力生产和供应业、化学工业、金属制品业这4个行业是能源消费量较大的行业。能源输入量较大的地区多为经济较发达的地区。总的来说，混合能源主要是以能源消费量较大的行业为主的资源丰富地区向经济规模较大的地区转移。

综合来看，混合水资源和混合能源输入量较大的地区多为经济规模较大的地区，如山东、江苏、广东等。此外，相邻地区的混合水资源和混合能源转移量较大。

2.3 区域能源-水资源耦合系统属性

芬恩循环指数(FCI)代表系统中循环流动的强度。文中同时计算了水网络、能源网络、混合水网络以及混合能源网络循环流的比例，以此对能源-水资源耦合带来的影响进行量化分析，结果如图5所示。

图5中显示：水资源网络中地区间循环流动的水资源为水通量的8.202%，混合水网络中水资源循环流比例为8.238%，由此能源-水资源耦合带来的影响从此差异中得到体现。水资源网络中，山东用水量最大，但是其FCI贡献率却小于浙江和广东的，其中浙江的FCI贡献率最大，为15.75%，其他省份在水资源循环利用方面有更大的提升空间，尤其山东应在水资源循环利用方面作出改善。能源网络和混合能源网络的FCI值分别为8.003%和8.918%，能源-水资源耦合带来的影响稍大些。能源网络中，山东和河南的能源消耗量较大，但其FCI贡献率不是最大。浙江在水资源网络和能源网络中FCI的贡献率均是最大，这与浙江在水网络和能源网络中更依赖于其他地区有关，可见浙江省能比较有效地利用有限的能源和水资源。

利用系统鲁棒性(SR)来表明水资源和能源网络的可持续发展能力。水资源和混合水资源网络中的SR分别为14.601%和13.865%，能源和混合能源网络中的SR分别为10.022%和10.693%。水资源网络中的SR值要大于能源网络中的SR值，水资源网络的可持续发展能力要高于能源网络的可持续发展能力。总体来看，能源和水资源网络均偏向于低效率、高冗余的不可持续状态，因此，要适当提高能源和水资源网络的效率，加强对资源流动的约束和管控，适量减少资源流动的路径选择，增强系统的可持续性，缓解资源使用的压力。

图5 中国30个地区能源-水资源耦合网络资源循环流情况

文中分析了能源系统和水资源系统的控制和依赖关系，如图6所示。

1—北京；2—天津；3—河北；4—山西；5—内蒙古；6—辽宁；7—吉林；8—黑龙江；9—上海；10—江苏；

如图6(a)所示，水资源系统中，区域间的控制分配关系存在较大差异，新疆和黑龙江对大多数地区的控制关系较强，正因为新疆和黑龙江是水资源输出量最大的地区，尤其是新疆地区，控制关系最突出的是新疆对黑龙江的控制，原因是黑龙江对大多数地区都有控制关系，唯独对新疆地区有很强的依赖性，故而显示出新疆对黑龙江存在控制关系，且控制关系较强。

图6(b)中显示区域间的依赖分配系数，浙江和天津对大多数地区存在很强的依赖关系，浙江对天津、浙江对北京、浙江对山东、天津对山东和北京的依赖程度要高于其他地区，部分原因是由于地理位置和产业结构决定的。

如图6(c)所示，能源系统中，区域间的控制分配关系存在较大差异，内蒙古、山西和河北对大多数地区的控制关系较强，内蒙古对山西、贵州和新疆的控制关系最突出。因为，大多数地区的能源输入主要来自内蒙古，控制分配关系为能源系统的配置提供了可以有效利用的关键信息。

图6(d)中显示能源系统中区域间的依赖分配系数，浙江和广西对多数地区存在较强的依赖关系，浙江对上海、广东、四川和重庆等地的依赖程度高于其他地区。浙江是大宗商品交易中心，因此，不论是能源系统还是水资源系统，浙江对大多数地区的依赖程度都较大，浙江的生产活动更加依赖于其他地区资源的投入，受其他地区的影响较大。这些关联是能源-水资源耦合协调管理的关键路径。

由此可见，能源系统与水资源系统中区域间的控制和依赖关系具有很高的相似性。能源、水资源动力学关系中能源与水资源耦合带来的影响大致相同。

3 结语

本文利用多区域投入-产出模型构建了2012年中国30个地区能源-水资源耦合网络，核算了中间使用和最终使用的能源和水资源消费情况。其次，通过“混合水资源”和“混合能源”的概念，分析混合水资源和混合能源流动的关键路径。最后，构建生态网络分析模型，探索流动网络的性质以及各地区之间的控制和依赖关系，主要结论如下：

1)能源相关的水资源消费量以及水资源相关的能源消费量最大的地区均为广东。通过多区域投入-产出模型，得到了各地区的资源消费情况，无论从生产还是消费的角度看，山东和江苏的直接水资源和直接能源消费量均较大，与此同时，能源相关的水资源和水资源相关的能源消费量也较大。而水资源和能源消费量较少的地区多集中在经济规模较小的地区，如海南和青海。从消费角度来看，各地区城镇居民的水资源消费量较大，固定资本形成的能源消费量较大，政府消费的水资源量较小，这与各地区政府管控、经济发展以及消费结构密切相关。

2)从混合水资源和混合能源流动情况来看，新疆和黑龙江是水资源的重要输出者，广东、江苏和浙江是主要水资源需求者；内蒙古、山西和河北是能源的重要输出者，江苏和广东是主要能源需求者。混合水资源从西部流向东部，从北部流向南部；混合能源主要从资源丰富地区向经济发展较快、能源需求量较大的地区转移。混合水资源流动路径最大的是新疆到山东；混合能源流动路径最大的是山西到江苏，这是提高资源管理协同度的关键路径。混合水资源和混合能源输入量较大的地区多为经济规模较大的地区，如山东、江苏、广东等，这几个地区的混合能源和混合水资源从相邻地区转移的数量较大，其他地区的转移也呈现出变化，这是产业结构变化的必然结果。

3)通过FCI的结果可以看出，所有能源和水资源网络的物质循环率都不足10%，具有较大的提升空间，需要更好地建立地区之间的关联。能源和水资源网络均向低效率、高冗余的不可持续状态一侧偏移，要适当减少资源流动的路径选择，增加对资源流动的约束来缓解资源使用压力。能源系统与水资源系统中区域间的控制和依赖关系具有很高的相似性。能源、水资源动力学关系中能源与水资源耦合带来的影响大致相同。控制和依赖关系可以作为调整区域间经济关系的指导，为资源协调、可持续利用和管理提供理论基础。