黑龙江省水资源和能源消耗路径探析

杨 月，仇亚琴，王喜峰，刘海滢，张 杰，李海明，朱厚华

(1.天津科技大学滨海地下水利用与保护研究室，天津 300450；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038;3.中国社会科学研究院数量经济与技术经济研究所，北京 100732；4.水利部水资源管理中心，北京 100053)

水资源、能源是人类生存、社会稳定与经济发展的重要基础[1]。水资源短缺问题一直是我国重要的社会问题，社会发展对水资源的需求不断上升，我国不断提升水资源配置的管理能力来应对现有的水资源问题，而隐含在商品中的水资源转移作为水资源配置的重要途径之一，在一定程度上缓解了我国大部分产业的需水问题[2]。能源是人民生活所必不可缺的燃料和动力来源[3]。了解隐含在产业部门中水资源和能源的流向是研究水资源和能源配置的重要途径之一[4]。黑龙江省拥有丰富的煤炭、电力、石油、天然气等能源，分析黑龙江省各产业部门的虚拟水和虚拟能源流向可以缓解黑龙江省大部分产业的需水和用能问题。基于虚拟水足迹和能源足迹研究黑龙江省水资源和能源在生产中各行业间的具体消耗和传输情况，对于缓解黑龙江省的水资源短缺和解决能源浪费问题具有重要的意义。

目前水足迹的研究大多集中于虚拟水足迹的占比、强度以及贸易情况。投入产出法是Leontief提出的运用部门之间的价值关系来分析各部门在生产及消费过程的虚拟水足迹[5]，为节水政策提供依据。孙才志等利用投入产出表对中国多个省份灰水足迹及转移情况进行了研究[6]；商庆凯等对青海省各类水足迹指标进行计算[7]；孙思奥、王艳阳等基于投入产出表，测算了京津冀等地的水足迹及北京市水足迹状况[8-9]；黄晓荣、龙爱华等运用投入产出方法分析了宁夏虚拟水输出量和水资源的消费利用状况[10-11]。

能源问题运用投入产出模型研究中，王敏敏[12]运用投入产出法分析了陕西省能源产业与其他相关产业的前向和后向关联关系；中国投入产出课题组[13]分析了我国能源部门与国民经济部门之间的产业关系；姜朗[14]比较各行业的直接能源消耗和真实能源消耗数据分析我国产业链间能源消耗转移情况。

然而，只分析单一行业的总体水足迹与能源消耗，无法掌握该行业在各产业部门中水资源和能源足迹，以及水资源和能源在该部门所发挥的作用；且现有的研究只能识别出水资源和能源消耗较大的重点部门，无法掌握如何提高利用水资源和能源消耗的部门[15-17]。为此，本研究基于投入产出法分析黑龙江省水资源和能源在最终消费过程的足迹，为黑龙江省的节水节能政策提供依据。

1 研究方法和数据来源

黑龙江省水资源和能源现状显示，该省各产业部门在消费过程中消耗了大量的水资源和能源，其产业部门内的虚拟水和虚拟能源也间接流入其他产业部门。基于投入产出分析法研究黑龙江省各产业部门虚拟水足迹和能源足迹在最终消费过程的流向，以更好地利用水资源和能源，提高利用率。

1.1 数据来源

本文以黑龙江省2012年投入产出表为基础数据。其中，农业用水来自于《2012年黑龙江省水资源公报》；工业和服务业下的产业部门用水基于工业用水及城镇公共用水以及投入产出表中水的生产和供应在各部门的供应比例；能源消耗数据来源于《黑龙江省统计年鉴(2013年)》中的分行业能源消费量表。

1.2 基于投入产出的水资源和能源消耗模型

投入产出模型是反映国民经济系统内各部门之间的投入与产出依存关系的数学模型。水资源和能源投入产出表是在原始价值型投入产出表的基础上加入各部门的用水量和能源消耗量，计算单位最终需求的完全水资源和能源使用量，包括一个产业中直接消耗的水资源和能源量和这个产业其他投入中的间接水资源和能源使用量[18-19]。简化的价值型投入产出见表1。总产出

表1 投入产出

(1)

式中，xij为i部门产品提供给j部门产品作为生产消耗的量；Yi为i部门最终使用的量。

运用投入产出模型分析黑龙江省消费阶段的水足迹和能源足迹[20]。直接耗水系数和完全耗水系数与直接耗能系数和完全耗能系数常被用于投入产出法水足迹和能源足迹研究中，来表示各部门新鲜使用量和流入虚拟量之间的关系。

(1)直接消耗系数

A=(aij)，aij=xij/Xjj=1，2，…，n

(2)

式中，A为直接消耗矩阵；aij为直接消耗系数；xij为i部门向j部门的中间投入；Xj为j部门生产时要消耗i部门的价值量。

(2)直接耗水/耗能系数

σ=(σi)，σi=Bi/Xj

(3)

ε=(εi)，εi=Ci/Xj

(4)

式中，σ为直接耗水系数矩阵；σi为i部门的直接耗水系数；Bi为i部门的用水量；ε为直接耗能系数矩阵；Ci为i部门消耗的能源量。

(3)完全耗水/耗能系数

δ=(δi)，δi=∑σ[I-A]-1

(5)

∂=∂i，∂i=∑ε[I-A]-1

(6)

式中，δ为完全耗水系数矩阵；δi为i部门的完全耗水系数；I为单位矩阵；∂为完全耗能系数矩阵；∂i为i部门的完全耗能系数。

(4)总水足迹与能源足迹

WS=δYA+δYB+δYC+δYD+δYE

(7)

Es=∂YA+∂YB+∂YC+∂YD+∂YE

(8)

式中，Ws为最终消费虚拟水足迹；YA、YB、YC、YD、YE分别为农村居民最终消费、城镇居民最终消费、政府最终消费、资本形成总额和出口矩阵；Es为基于最终消费的完全能源消耗量。

(5)某产品消费的虚拟水量与能源量

Wj=δjPj

(9)

Ej=∂jPj

(10)

式中，Wj为j产品消耗的虚拟水量；δj为j部门的完全耗水系数；Pj为j产品的消费额。Ej为j产品消耗的虚拟能源量；∂j为j部门的完全耗能系数。

(6)行业水资源转移率λ与能源转移率η反映某一行业通过产业链转移给另外行业的比率[21]。有

λ=(W-B)/(W+B)
η=(E-C)/(E+C)

(11)

式中，B为直接水资源消耗量；C为直接能源消耗量。

2 结果与讨论

2.1 消耗系数

每个部门直接耗水系数占完全耗水系数的比例不同。其中，直接耗水系数占完全耗水系数60%以上的部门分别为01农林牧渔产品和服务、03石油和天然气开采产品、22其他制造产品和27水的生产和供应，相应的这4个部门的间接耗水系数低于40%，直接耗水系数越高说明这4个产业部门中的水主要来自生产过程中水资源的投入，而不是其他部门所含虚拟水的流入[22]。

2.2 水足迹和能源足迹构成

在投入产出表的基础上计算2012年黑龙江省各产业部门的虚拟水足迹，基于最终使用的水足迹和能源足迹构成如表2所示。

用于最终消费水足迹较多的部门和能源足迹的部门具有内在联系，水资源消耗较多的部门其最终消费能源足迹也较多。

由表2可知，农林牧渔产品和服务业用于最终消费的水足迹为72.0亿m3，能源足迹为308.7万t标准煤；食品和烟草业用于最终消费的水足迹为23.1亿m3，能源足迹为201.9万t标准煤；纺织服装鞋帽皮革羽绒及其制品业用于最终消费的水足迹为8.3亿m3，能源足迹为190.6万t标准煤；通用设备用于最终消费的水足迹为5.1亿m3，能源足迹为604.8万t标准煤；专用设备用于最终消费的水足迹为5.8亿m3，能源足迹为694.0万t标准煤；建筑业用于最终消费的水足迹为26.8亿m3，能源足迹为3 272.9万t标准煤。这些部门的用水和用能大部分进入最终消费中，减轻了经济系统中水资源和能源的使用量和消耗量[23]。

表2 基于最终消费的水足迹与能源足迹构成

在行业间的产业关联中水资源消耗从生产端向使用端的转移过程不同，这是由于各行业在投入产出关系中所处的地位不同[24]。各产业部门水资源转移率和能源转移率见图1。水资源转移率中，部门03石油和天然气开采产品，04金属矿采选产品，05非金属矿和其他矿采选产品，23废品废料，24金属制品、机械和设备修理服务水资源转移率为-1.0；部门02煤炭采选产品为-0.8。这些产业部门为满足自身发展直接消耗了大量的水资源，但用于最终消费的水资源较少，在生产过程中有大量虚拟水资源大量流入其他产业，为高耗水行业。部门08纺织服装鞋帽皮革羽绒及其制品，20通信设备、计算机和其他电子设备，28建筑，42公共管理、社会保障和社会组织水资源转移率为1.0；部门31、36、37和40水资源转移率为0.9；部门16、17、19和41水资源转移率为0.8。这些生产部门直接消耗的水资源量相对用于最终消费的水资源量较少，为满足自身发展在生产链中获得了其他产业部门大量虚拟水资源的流入，使得这些部门在最终消费视角下为低耗水行业[25]。

图1 水资源和能源转移率

在行业间的产业关联中能源消耗转移过程也不同，从行业能源转移率来看，部门05非金属矿和其他矿采选产品，23废品废料，24金属制品、机械和设备修理服务，能源转移率为-1.0；部门04、11为-0.9；部门02为-0.8。它们直接消耗了大量的能源，但用于最终消费的能源较少，在生产过程中有大量虚拟能源大量流入其他产业，为高耗能行业。部门08纺织服装鞋帽皮革羽绒及其制品，16通用设备，19电气机械和器材，20通信设备、计算机和其他电子设备，28建筑能源转移率为1.0；部门17、21、22、42能源转移率为0.9；部门07和40能源转移率为0.8。这些部门直接消耗的能源量相对于用于最终消费的能源量较少，在生产链中获得了其他产业部门大量虚拟能源的流入，使得这些部门在最终消费视角下为低耗能行业。其他部门的能源转移率相差不大[26]。

2.3 水足迹和能源足迹流向

水足迹和能源足迹流向计算黑龙江省国民经济产业部门总产出前9位的部门，水足迹和能源足迹流向见图2。

图2 各部门水足迹构成和能源足迹构成

部门01农林牧渔产品和服务输出虚拟水中占比较大的为部门06食品和烟草与本部门，部门03石油和天然气开采产品中输出的虚拟水中占比较大的为部门11石油、炼焦产品和核燃料加工品和部门12化学产品，部门06中的虚拟水主要流向部门01和本部门，部门11中的虚拟水主要流向部门01，部门12化学产品中的虚拟水主要流向部门01和部门30交通运输、仓储和邮政，部门25电力、热力的生产和供应中的虚拟水主要流向本部门和部门06，部门28建筑中的虚拟水主要流向本部门和部门29批发和零售，部门29批发和零售中的虚拟水主要流向部门01和部门06，部门30交通运输、仓储和邮政中的虚拟水主要流向本部门、部门28和部门06。

部门01中的虚拟能源主要流向部门06与本部门，部门03中的虚拟能源主要流向部门11和部门12，部门06中的虚拟水主要流向部门01和本部门，部门11中的虚拟能源主要流向部门30和部门01，部门12中的虚拟能源主要流向本部门和部门01，部门25中的虚拟能源主要流向本部门和部门06，部门28建筑中的虚拟能源主要流向本部门和部门29，部门29批发和零售中的虚拟能源主要流向部门01和06，部门30交通运输、仓储和邮政中的虚拟能源主要流向本部门、部门28和部门06。

因此，在进行水资源和能源管理时，应综合考虑在相互关联的生产过程中间接影响的复杂性，各部门输出和输入水足迹和能源足迹的构成和大小，还应特别注意部门内部的水资源和能源反馈程度，增加生产过程中水资源和能源系统的反馈循环程度。

3 结论与建议

本文利用2012年黑龙江省投入产出表，加入水资源和能源使用量，分析各产业部门的水足迹和能源足迹构成与流向得出以下结论：

(1)高耗水部门为02煤炭采选产品，03石油和天然气开采产品，04金属矿采选产品，05非金属矿和其他矿采选产品，11石油、炼焦产品和核燃料加工品，13非金属矿物制品，23废品废料，24金属制品、机械和设备修理服务；同时这些部门也是高耗能部门。部门01农林牧渔产品及服务属于高耗水部门，消耗能源相对较少。高新技术产业16通用设备，17专用设备，18交通运输设备，19电气机械和器材，20通信设备、计算机和其他电子设备，21仪器仪表属于低耗水耗能产业，在生产中流入了大量其他部门的虚拟水和虚拟能源。

(2)部门01农林牧副渔产品和服务业的虚拟水和能源主要流向部门06与本部门，部门03石油和天然气开采产品中的虚拟水和能源主要流向部门11和部门12，部门06食品和烟草中的虚拟水和能源主要流向部门01和本部门，部门11石油、炼焦产品和核燃料加工品中的虚拟水和能源主要流向部门01，部门12化学产品中的虚拟水和能源主要流向部门01和部门30，部门25电力、热力的生产和供应中的虚拟水和能源主要流向本部门和部门06，部门28建筑中的虚拟水和能源主要流向本部门和部门29，部门29批发和零售中的虚拟水和能源主要流向部门01和部门06，部门30交通运输、仓储和邮政中的虚拟水和能源主要流向本部门、部门28和部门06。产业部门间虚拟水流向与虚拟能源流向基本一致。产业部门之间水资源和能源的相互联系影响了水资源和能源的合理利用[27]。因此，在进行水资源和能源管理时，应从消费角度共同衡量部门间水资源和能源的相互转移，注意部门内部的水资源和能源反馈程度，节水和节能政策也应充分考虑上下部门之间的关联性。同时，也需考虑高耗水部门与高耗能部门之间的联系。