基于多区域投入产出模型的中国钢铁行业虚拟污水转移研究

2022-04-12韩宇平张霖子赵晶于靖

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2022年1期

韩宇平，张霖子，赵晶，于靖

(1.华北水利水电大学水资源学院,河南郑州 450046； 2.南水北调东线山东干线责任有限公司,山东济南 250100)

自1993年英国学者Allan提出了虚拟水的概念[1]，虚拟水的研究引起了国内外学者的广泛关注。目前，虚拟水研究主要集中在两个方面，分别是产品中虚拟水含量的核算和区域间由于产品的贸易与流动所造成的虚拟水贸易。国外对虚拟水的研究起步较早，且取得了丰富的成果。MEKONNEN M M等[2]核算了1996—2005年间全球126种主要农作物及其衍生产品的虚拟水含量，以及全球8种主要畜产品的虚拟水含量；GERBENS-LEENES W等[3]计算了全球80%的以农作物为原料的生物燃料虚拟水含量；HOEKSTRA A Y等[4]定量计算了1995—1999年全球100余个国家之间的虚拟水贸易。相较于国外，国内对于虚拟水的研究也取得了一定的成果，如：ZHAO X等[5]利用2002年中国投入产出表计算了当年中国所有产业部门的产品虚拟水含量；高凡等[6]核算了农产品的水足迹；曹涛等[7]基于多区域投入产出测算了京津冀地区的虚拟水；马静等[8]研究总结了中国内部各地区虚拟水流动中的净调入地区和净调出地区；杨春等[9]分析了中国30个省(自治区、直辖市)农作物的虚拟水贸易情况；吴兆丹等[10]对江苏省虚拟水贸易结构进行了研究。随着虚拟水研究的不断深入，近年来又有学者提出了虚拟污水的相关概念[11]。虚拟污水指地区在生产商品和服务的过程中所排放的污水量，又称灰色虚拟水[12]。其现有的研究成果主要集中在以下方面：①从污水排放强度角度，朱启荣等[13]、杨媛媛[14]、郭燕贞等[15]测算了各工业品出口贸易中虚拟污水的排放强度，均认为应该鼓励进口高污水排放强度的工业产品。②从虚拟污水流动角度，张兵兵[16]测算了中国2012年省际水污染排放转移的规模；韩琴[17]测算了中国31个省(自治区、直辖市)的灰水足迹，得到全国平均灰水足迹为4.8×1011m3；LIAO Xiawei等[18]测算了中国电力行业的灰水足迹和转移情况；孙才志等[19]从地区和产业两个角度分析灰水足迹和转移情况。以上研究主要针对工业出口贸易中的虚拟污水，对国内的虚拟污水贸易和省际间虚拟污水转移的研究不多，且鲜有针对钢铁行业虚拟污水转移的研究。

2012年，世界钢铁协会发布了全球钢铁生产量统计数据。其中：中国大陆2012年粗钢产量达7.16亿t，占全球钢产量的46.3%[20]，河北省2012年产钢1.64 亿t以上，比全球钢产量第二的日本多5 000万t以上，与欧盟27国的钢铁总产量相当。钢铁行业在快速发展的同时也消耗了大量水资源，产生了大量污水，加剧了中国水污染情势，故亟须深入分析钢铁行业的虚拟污水排放与贸易格局。为此，本文结合中国2012年多区域投入产出表和产业污水排放数据，构建多区域投入产出模型，研究钢铁行业的虚拟污水排放以及跨省际贸易转移情况，着重分析重点区域的虚拟污水外部流动情况，并提出相关政策建议和可行性措施，以期为缓解水环境压力提供基础支撑。

1 研究方法

1.1 多区域投入产出模型

多区域投入产出模型是一种自上而下的经济模型[21]，可以反映区域间产品与服务的贸易联系[22]。本文基于中国2012年31个省(自治区、直辖市)多区域投入产出表构建多区域投入产出模型，表中包含31个区域、42个产业部门。

假设有R个地区，每个地区有N个部门，则区域间投入产出模型可以用等式表示为[23]：

xr=Arrxr+yrr+∑s≠ryrs+exr。

(1)

公式(1)用矩阵形式可以表示为[16]：

X*=A*X*+Y*。

(2)

式中:X*=[x1,x2,…,xR]T为所有地区的总产出矩阵;A*=[Ars]R×R为全部地区的跨区域最终需求矩阵。

1.2 虚拟污水流量测算

1.2.1 污水排放强度

1)污水直接排放强度。工业品部门的污水直接排放强度是各工业部门每万元产值直接造成的污水排放量，它仅考虑生产过程中的直接污水排放量[14]。污水直接排放强度的计算公式为:

(3)

2)污水完全排放强度。在工业部门中，每增加万元产值不仅包括直接排放的污水，还包括生产中间投入品所排放的污水。因此，污水完全排放强度是指各工业部门每增加万元产值直接和间接造成的污水排放量[14]。

(4)

在工业品生产中，部分原材料和零部件来自国外进口，减少了中国的污水排放量，因此在计算中国各省区的污水排放量时应减去这一部分的污水排放量。为此，本文借鉴中国投入产出学会的方法，对公式(4)进行修正。修正后的污水完全排放强度计算公式为[13]：

(5)

式中：μ为各部门中间投入品的比重，是由μii组成的对角矩阵，μii=IMi/(Xi+IMi)；IMi为i部门的进口额;Xi为i部门的总产出。

1.2.2 虚拟污水贸易量

虚拟污水贸易量[13]的计算公式为：

(6)

1.3 数据来源

2012年31个区域42个部门的多区域投入产出表来自《中国区域间统计年鉴》。钢铁行业污水排放强度数据参考《中国环境统计年鉴》《中国统计年鉴》。首先，根据《中国环境统计年鉴》中各工业部门的污水排放量和对应的企业个数，得到各部门对应的企业平均污水排放量，再乘以《中国统计年鉴》中公布的实际企业个数，得到各部门的实际污水排放量；其次，借鉴朱启荣等[13]在测算中国工业出口贸易时所用的灰色虚拟水数据，根据污水排放强度平均增长率，得到2012年的污水直接排放强度，并校核各省(自治区、直辖市)数据；最后，由公式(4)、公式(5)计算得到各部门的完全污水排放强度。

2 结果与讨论

2.1 钢铁行业的污水排放强度

钢铁行业包括炼铁、炼钢、钢压延加工和铁合金冶炼等。炼铁和炼钢都是包含多种化学反应的过程，需要大量的溶剂水、蒸发水和冷却水，具体可以分为循环冷却水系统的排污水、由脱盐水、软化水及纯水制取设施产生的浓盐水以及钢铁厂各工序在生产运行过程中产生的废水等。由于各个地区的水资源禀赋条件、技术水平等因素的差异导致钢铁行业污水排放强度不同。2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的污水直接排放强度如图1所示，污水完全排放强度如图2所示。结合图1和图2可知：①各地的污水完全排放强度均高于污水直接排放强度。以北京和天津为例，其2012年的污水直接排放强度分别为0.45、0.32 t/(万元)，而污水完全排放强度分别为3.12、3.02 t/(万元)。②各省(自治区、直辖市)钢铁行业的污水排放强度差异较大。河北、天津、北京、陕西等缺水地区由于钢铁生产用水技术水平较高等原因，污水排放量较少，污水排放强度较低；而重庆、江西、湖北、湖南、福建、海南等丰水地区污水排放强度较高。③污水排放强度的空间格局整体呈由北到南逐渐递增趋势。江西的污水排放强度最大，达到11.28 t/(万元)，是河北的2.5倍。分析其原因可能主要是：江西钢铁行业生产用水技术水平整体较低，导致单位产品用水效率低，污水排放量较大，而河北属于钢铁大省，先进的装备水平和生产工艺，淘汰了落后产能，大大提高了节能减排水平，使其用水效率在国际上处于领先地位[24]，故其污水排放强度低于全国平均水平，污水完全排放强度仅4.50 t/(万元)。

图1 2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的污水直接排放强度

图2 2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的污水完全排放强度

2.2 钢铁行业虚拟污水排放量

根据钢铁行业污水排放强度及产值数据，依据公式(6)计算得到中国30个省(自治区、直辖市)的虚拟污水排放量，如图3所示。

图3 2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的虚拟污水排放量

由图3可知：①2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的虚拟污水排放总量达1.30×109t。其中，河北的虚拟污水排放量最大，达到2.39×108t，占总排放量的17.99%；其次为河南、江西，其排放量分别为1.57×108、1.01×108t，占比分别为11.80%、7.61%；虚拟污水排放量较小的地区为海南、吉林、青海、四川、黑龙江、北京、新疆，排放量均在105t左右，占比分别为0.07%、0.11%、0.24%、0.31%、0.43%、0.55%、0.58%；重庆、内蒙、广东、湖南等19个地区的排放量为107～108t。②排放量区域间差异明显，如虚拟污水排放量最大的河北是海南的270倍。③虚拟污水排放量排名靠前的地区大多钢铁行业较发达或经济规模较大，虚拟污水排放量排名靠后的地区多经济规模较小或水资源严重短缺。如：虚拟污水排放量最大的河北2012年钢铁产量达到2.10×108t，占中国钢铁生产总量的24.90%，而排放量排名靠前的河南、山东、江苏等地区的经济规模较大；虚拟污水排放量排名靠后的青海、海南、宁夏等地区的经济规模较小，而北京、天津等地区的水资源严重短缺。

2.3 省际间的虚拟污水转移

产品生产或服务产生的污水随着区域间产品的贸易往来而发生转移的过程称为虚拟污水转移。产品生产或服务的地区为虚拟污水输入地区，消费产品或服务的地区为虚拟污水输出地区。虚拟污水转移主要是由区域间的贸易结构和产业结构所决定的。2012年钢铁行业虚拟污水在30个省(自治区、直辖市)之间的转移情况如图4所示。

图4 2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业的虚拟污水转移情况

由图4可知：①河北、河南为虚拟污水输入大省，河北的虚拟污水输入总量达到2.39×108t，占虚拟污水输入总量的17.99%，其主要来自浙江、江苏、安徽和山东的输出；此外，有8个地区的虚拟污水输入量在5×107t以上；虚拟污水输入量小于107t的地区有7个，分别是海南、吉林、青海、四川、黑龙江、北京、新疆。②虚拟污水输出量最大的地区为浙江、江苏、山东。浙江虚拟污水输出总量达到2.38×108t，其中向河北的输出量最高，占浙江输出总量的22.23%，且较均匀地向内蒙、河南、江苏、江西、云南等地分别输出106～107t的虚拟污水；山东和江苏的输出量均达到2.30×108t，主要流向河北、河南、内蒙、云南等地；青海、宁夏、内蒙、云南、广西等12个地区的虚拟污水输出量较小，不足107t，总占比仅3.53%。③从空间结构来看，虚拟污水大致由水质较好地区转移至水质较差地区。如河北、河南、内蒙等地区自身水质较差，却承担着虚拟污水转移，浙江、江苏等地区水质较好，却向水质较差地区转移虚拟污水。这种虚拟污水转移趋势加剧了水质较差地区的水污染与水环境问题。

2.4 河北省虚拟污水贸易

河北省优越的自然地理优势带来的成本优势和竞争优势使河北钢铁行业迅速发展。然而，巨大的钢铁产量造成污染物排放量日益增多，水环境安全日益加剧。

2012年中国29个省(自治区、直辖市)流向河北的虚拟污水量如图5所示。由图5可知：①河北向29个省(自治区、直辖市)输送钢铁导致河北增加污水排放量2.39×108t，占河北本省钢铁行业污水排放量的69%。通过钢铁贸易，江苏、浙江、安徽、山东、重庆、广东、上海向河北输送的虚拟污水排放量均大于107t，其中江苏和浙江分别向河北输送5.49×107t和4.63×107t的虚拟污水，各占河北省虚拟污水输入总量的22.90%和19.30%。②从地理位置分析，各地向河北转移的虚拟污水量呈随距离增大而减小的趋势。转移量较大的江苏、安徽和山东等地区与河北距离相对较近，而转移量较小的青海、广西和宁夏距离河北较远。③除地理因素外，经济越发达地区，与河北的经济贸易往来越频繁，进而影响转移到河北的虚拟污水量。如重庆与河北之间有较密切的钢铁贸易往来，重庆虽距离河北较远，但是向河北转移的虚拟污水量却达到1.40×107t，占到总转移量的6%。

图5 河北省虚拟污水转入情况

河北钢铁产量巨大，钢铁生产技术高于全国平均水平，污水完全排放强度较低，假设同等产量的钢铁在其他污水排放强度较高的地区生产，将会排放更多的污水，加剧全国水环境污染。经计算,2012年河北钢铁行业为29个省(自治区、直辖市)减少近8.30×107t的虚拟污水，具体如图6所示。由图6可知,河北为重庆和山东减少的污水排放量最多。具体分析如下：重庆和山东的污水完全排放强度分别为17.88、9.20 t/(万元)，远高于河北的污水完全排放强度4.90 t/(万元)，由2012年31省(自治区、直辖市)42部门的投入产出表可知，河北钢铁行业分别向重庆和山东输入了2.94×106、3.23×106万元的产值，这些产值在河北分别产生了1.44×107、1.58×107t的虚拟污水，但是由于重庆和山东的污水排放强度较高，同等产值的钢铁在重庆和山东本地生产，将分别产生高达5.25×107、2.97×107t的虚拟污水，远高于在河北产生的污水量。由此可见，河北省的钢铁输出为全国减少了大量的污水排放量，为全国水环境安全作出了巨大贡献。

图6 河北省为29个省(自治区、直辖市)减少的污水排放量

3 讨论

针对钢铁行业虚拟污水排放与贸易格局认识不足的问题，结合中国2012年多区域投入产出表定量分析了钢铁行业的虚拟污水排放情况以及省际间的贸易格局。经计算，2012年山东省钢铁行业污水直接排放强度与污水完全排放强度分别为0.95、8.99 t/(万元)，这与杨媛媛[14]在山东省工业品出口贸易中灰色虚拟水量化研究以及刘桂[25]在我国工业出口贸易中灰色虚拟水与经济增长关系研究中得出的测算结果相近，说明本文计算结果合理、可靠。

污水直接排放强度与污水完全排放强度均能有效反映不同省(自治区、直辖市)钢铁行业的污水排放情况。污水直接排放强度是钢铁行业每万元产值产生的污水直接排放量，污水完全排放强度指钢铁行业每万元产值直接和间接产生的污水排放量。间接污水排放指钢铁生产所需的铁矿石及其他材料的生产所排放的全部污水，故钢铁行业污水完全排放强度均较直接排放强度大。各地污水排放强度存在较大差异，是由于各地铁矿开采等行业的生产规模、技术与管理水平差异引起的。本文虚拟污水排放量计算均采用污水完全排放强度，其更能反映钢铁生产全过程、全产业链的污水排放情况。

河北本省内钢铁产量巨大，造成产能过剩[26]，去产能化势在必行。河北省钢铁去产能化将对中国的钢铁行业贸易格局产生深远影响，因数据原因，本文尚未开展近两年的钢铁行业虚拟汗水排放与贸易格局研究，这也将是下一步的研究重点。

4 结论与建议

4.1 结论

1)从污水排放强度来看，钢铁行业污水排放强度较大的省(自治区、直辖市)是重庆、海南、湖北、江西等；污水排放强度较小的省(自治区、直辖市)是陕西、天津、北京、河北等。污水排放强度在空间上整体呈由南向北逐渐递减的趋势。

2)从虚拟污水排放量来看，2012年中国30个省(自治区、直辖市)钢铁行业虚拟污水排放总量达1.30×109t。其中，河北排放量最大为2.39×108t，占虚拟污水排放总量的17.99%；其次为河南、江西，分别占虚拟污水排放总量的11.80%、7.61%；虚拟污水排放量较小的省(自治区、直辖市)为海南、吉林、青海、四川、黑龙江、北京、新疆，排放量均在105t左右。

3)从区域间虚拟污水转移情况来看，河北、河南为虚拟污水流入大省，河北的虚拟污水流入总量达2.39×108t，占虚拟污水流入总量的17.99%；虚拟污水流入量小于107t的省(自治区、直辖市)有7个，分别是海南、吉林、青海、四川、黑龙江、北京、新疆；浙江、江苏为虚拟污水输出大省，输出量均高达2.30×108t；水质较差的中、西部地区为水质较好的东部地区的发展承担了水污染转移，加剧了水质较差地区的水环境污染。

4)河北是中国钢铁产量最大的省份，2012年河北向29个省(自治区、直辖市)输出钢铁导致河北产生了2.39×108t的虚拟污水排放量，占河北本省钢铁虚拟污水排放量的69%；河北承接江苏虚拟污水转移量最大，为5.49×107t；因河北钢铁流出，为29个省(自治区、直辖市)减少了8.30×107t的虚拟污水排放量。