“水-能-碳”约束下河北省可持续发展能力评价

张国丰 ,王瑞贤 ,刘美玉

(1.河北地质大学 经济学院,河北 石家庄 050031;2.河北省科技创新与区域经济可持续发展研究基地,河北 石家庄 050031)

水资源和能源是人类赖以生存和发展的基础性资源,具有不可替代性,其稳定供应对社会平稳运行关系重大[1]。随着城市化和工业化进程的不断加快,资源消耗持续增加,给生态环境造成了巨大压力[2]。20 世纪后半叶,随着资源短缺、全球变暖、生态退化等问题愈演愈烈,国家越来越意识到可持续发展的重要性[3-4]。河北省作为水资源短缺和能源消费较高的省份,其经济发展加剧了水资源和能源的供需矛盾,面临经济发展与生态环境双重压力[5-6]。加强可持续发展能力有助于促进区域经济转型、优化资源配置,同时提升区域治理能力与风险适应能力。在资源约束日益趋紧、生态环境日益恶化的环境下[7-9],如何在“水-能-碳”约束下实现生态环境与经济增长协调发展是亟需解决的重要问题,需要运用适当的研究工具进行策略分析和路径选择,为可持续发展提供科学支撑。

可持续发展既要发展经济又要保护好人类赖以生存的资源和环境,使人类能够永续发展和安居乐业[10]。提升可持续发展能力有助于在社会、经济、环境三个维度下平衡发展矛盾,可持续发展逐步成为引导社会经济发展的准则[11]。技术进步作为可持续发展和创新驱动两大发展理念的结合点,是突破资源约束、促进高质量发展的关键[12-14],为可持续发展提供源动力。技术进步能够推动绿色清洁技术在企业中的应用,促使企业转变原有高污染、高排放的生产方式[15-16],加强对末端污染物的治理,促进经济绿色转型升级和可持续发展[15-17]。人口增长与产业集聚产生的资源短缺、环境破坏问题日益严峻,亟需转变发展模式,探索适宜高效的可持续发展之路。对区域可持续发展水平进行评价、测量是探索可持续发展路径的重要依据[18]。已有研究大多运用评价指标体系法对区域进行可持续发展评价[19-22],但该方法容易割裂区域系统内部存在的关联,难以解释系统内部反馈机理。由于经济发展、资源环境与区域可持续发展涉及多系统间的复杂关联,已有研究借助复杂系统与网络分析方法研究区域经济社会系统内部各种非线性复杂关系[23-24]。

资源约束下可持续发展的核心问题是实现资源节约、环境保护与经济增长多方共赢,即在众多目标中寻找最优解。动态最优化模型基本原理是从现实存在的经济问题中解析出可控变量、预期目标和约束条件,在此基础上构建经济模型并求解。已有研究运用动态最优化模型求解污水污泥再利用、农业水资源最优化利用及水资源政策实行效果等问题[25-27],针对综合考虑经济增长、资源节约和环境保护可持续发展路径的研究较少。因此,本研究采用动态投入产出模型与线性规划结合的方法,将“水-能-碳”资源配置模型与社会经济模型相结合,在综合模型中模拟水资源供需、能源供需、碳排放控制以及一个目标函数和产业政策,并引入技术进步变量,预测河北省及其地级市可持续发展路径。

1 河北省“水-能-碳”多目标协同管理模型构建

1.1 概念模型构建

本研究基于投入产出方法构建动态最优化仿真模型,社会总产品和各部门之间流动遵循价值平衡,资源消耗与污染排放之间也遵循物质平衡[28]。在一定时间和空间范围内,能源、经济与生态之间存在内在联系,能源流动也遵循能量守恒定律。

本研究构建了“水、能、碳”约束下河北省可持续发展路径概念模型,包括一个目标函数和社会经济模型、水资源供需模型、能源供需模型、碳排放控制模型四个子模型(图1):(1)社会经济子模型描述各产业投入产出平衡、产业增长限制以及消费与投资约束关系,通过投入产出系数和引入碳减排技术内生模拟出各目标年的GDP;(2)水资源供需子模型描述居民生产生活水资源消耗,并对水资源需求量及强度设限,约束社会经济活动强度;(3)能源供需子模型描述居民生产生活的能源消耗,并对能源消耗量及强度设限,以约束社会经济活动;(4)碳排放控制模型描述居民生产生活碳排放量,通过产业产值和碳排放系数内生出目标年的排放量,并对碳排放设置减排约束。上述四个子模型反映了社会经济活动、水资源利用、能源消耗和碳排放之间的系统关联:社会经济活动要消耗水资源和能源,同时向环境中排放二氧化碳;生产活动要在水资源总量、能源消耗量以及碳排放总量的多重约束下进行优化调整。通过财政补贴引入碳减排技术,能够有效改善碳排放总量,结合经济发展情况、碳减排需求和技术参数,内生模拟出区域碳减排的最优技术与分配方案。

1.2 数学模型构建

根据河北省数据可获得性和模型系统内在关联,将模拟期设置为2017—2030 年。由于篇幅限制,本研究仅列出重要公式,借助LINGO 软件将数学公式转换成编程语言,通过模拟与测算求出最优解。

1.2.1 目标函数

河北省还未迈入工业化后期阶段,促进产业转型、实现经济高质量发展仍是重要议题。因此,模型的目标函数设为考虑了社会折旧影响的地区生产总值最大化。

式中:GRP——河北省地区生产总值,亿元;t——模拟期,取值为1～14;ρ——社会折旧率,取值为0.05;V——附加价值率;i——产业部门,取值为1～11;Xi(t)——第t期产业部门i的产出,亿元。

1.2.2 社会经济子模型

社会经济子模型包括社会人口增长、产业投入产出平衡、投资与消费限制三方面,根据河北省投入产出表将产业合并为13 个部门,包括农业、林业、牧业、渔业、采矿业、制造业、电力、热力、燃气及水生产供应业、建筑业、交通运输和仓储邮政业、批发零售和住宿餐饮业,及其他服务业。基于合并的投入产出表,构建基于里昂惕夫矩阵的市场均衡模型。根据市场均衡的要求,各产业部门的总产出要大于或等于中间投入与最终需求之和。

式中:Xi(t)——第t期产业部门i的生产总值矩阵;A——投入产出系数矩阵;C(t)——第t期产业消费矩阵;I(t)——第t期产业投资矩阵;N(t)——第t期产业净出口矩阵。

最终使用需求为消费、投资和净出口之和。为了保持社会经济的稳定发展,假设每个产业部门的消费、投资和净出口占最终使用需求比例同基年保持一致。

式中:CONi(t)——第t期i产业部门的消费,万元;INVi(t)——第t期i产业部门的投资,万元;EXPi(t)——第t期i产业部门的净出口,万元。

为了保持社会经济的持续稳定发展,对最终消费率和资本形成率进行约束,参考2000—2017年的数据,分别选取2000—2017 年最终消费率和资本形成率的最大值和最小值作为约束范围。即最终消费率的波动区间为39.1%～47.2%,资本形成率的波动区间为40.4%～59.3%。

式中:CON(t)——第t期河北省消费总量,万元;INV(t)——第t期河北省投资总量,万元。

1.2.3 水资源供需模型

河北省水资源需求总量由各区域水资源需求量加总求和所得,各区域水资源需求总量由农业用水、工业用水、服务业用水、居民生活用水和生态用水构成。农业、工业和服务业用水量分别由产业用水系数和各部门总产出决定,居民生活用水总量由居民总数和居民用水系数决定,生态用水量由每年平均增长率决定。

式中:TWD(t)——第t期水资源需求总量,亿m3;RWDj(t)——第t期j区域水资源需求总量,亿m3;AWDj(t)——表示第t期j区域的农业用水量,亿m3;IWDj(t)——第t期j区域的工业用水量,亿m3;SWDj(t)——第t期j区域的服务业用水量,亿m3;HWDj(t)——第t期j区域的居民生活用水量,亿m3;EWDj(t)—第t期j区域的居民生态用水量,亿m3。

为了保证社会经济的稳定发展,水资源供给量应大于等于水资源需求量。同时,需要对水资源使用量和水资源消耗强度进行控制,每年水资源使用总量、农业用水总量和工业用水总量的增长率不能超过一定幅度。按照每5 年下降15%,到2025 年,水资源消耗强度应为39.95 m3/万元,到2030 年,为35.955 m3/万元。具体公式如下:

式中:wgr(t)——第t时期水资源使用总量的增长率(外生),%;wgr_a(t)——第t时期第一产业用水总量的增长率(外生),%;wgr_i(t)——第t时期第二产业用水总量的增长率(外生),%。

1.2.4 能源供需模型

河北省能源需求总量由各区域能源需求量加总求和所得,各区域能源需求来源于产业生产活动和居民生活消费。

式中:TED(t)——第t期能源需求总量,万t标准煤;REDj(t)——第t期j区域能源需求总量,万t 标准煤;PEDj(t)——第t期区域j的生产能源消费量,由产业用能系数和各部门总产出决定,万t 标准煤;HEDj(t)——第t期j区域的生活能源消费量,由居民总数和居民用能系数决定,万t标准煤。

需要对能源消费量和能源消耗强度进行控制,每年能源消费总量的增长率不能超过一定幅度。按照每5 年能源消耗强度下降15%的规划目标,到2025 年能源消耗强度目标为0.74 t 标准煤/万元,到2030 年下降为0.63 t 标准煤/万元。具体公式如下:

式中:egr1(t)——1≤t≤3 时的能源消费量增长率,%;egr2(t)——4≤t≤13 时的能源消费量增长率,%。

1.2.5 碳排放控制模型

河北省碳排放总量由各区域碳排放量加总求和所得,各区域碳排放量来源于产业生产活动和居民生活消费。各区域生产、生活碳排放量指的是各区域所有生产部门和居民在生产、生活过程中产生的碳排放量之和,生产碳排放量由产业碳排放系数和各部门总产出决定,生活碳排放量由居民总数和居民碳排放系数决定。

式中:TCD(t)——第t期碳排放总量,万t;RCDj(t)——第t期j区域碳排放量,万t;PCDj(t)——第t期j区域的生产碳排放量,万t;HCDj(t)——第t期j区域的生活碳排放量,万t。

根据《河北省“十三五”规划》《河北省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》,河北省二氧化碳排放强度要求每5 年下降18%,到2025 年二氧化碳排放强度应下降到1.69 t/万元,到2030 年下降为1.39 t/万元。具体公式如下:

式中:cgr(t)——第t时期碳排放量的增长率(外生),%。

1.3 数据来源

河北省2017 年投入产出表数据来源于《河北省投入产出表2017》。河北省2017 年水资源使用量数据来自于《河北省水资源公报》,根据2008年全国各部门水资源使用量,计算出各部门单位产出用水量作为用水系数,设定用水系数保持不变,用水系数乘以河北省2017 年各部门总产出得到各部门水资源使用量。河北省2017 年能源消费量数据来于《河北经济年鉴》,各部门能源消费量根据《河北经济年鉴》的能源平衡表得出,能源平衡表中没有区分的工业部门能源消费量根据《中国能源统计年鉴》分行业能源消费总量中该部门占整个工业部门能源消费量的比重计算得出,农、林、牧、渔四个部门的能源消费量按照各部门GDP 占4 个部门总GDP 的比重得出。河北省2017 年各部门碳排放量来源于CEADs 中国碳核算数据库。

1.4 情景设定

根据对水资源、能源和碳排放的约束不同设定5 个情景(表1)。基准情景模拟GDP 年均增长率保持在6%左右,不设置水资源、能源、碳排放约束,不引入产业结构调整和减排技术;为突出水资源约束对可持续发展能力的影响,改进情景1 设置水资源使用约束条件,不设置能源和碳排放约束,同时引入产业结构调整政策,优先发展第三产业,减少第一产业比重;目前河北省经济发展存在能源依赖,因能源消费与区域碳排放总量高度相关,为了探究能源消费与碳排放对可持续发展能力的影响,改进情景2 同时设置能源和碳排放约束条件,但不设置水资源约束,同时引入产业结构调整政策,优先发展第三产业,减少第二产业比重;综合情景对水资源、能源和碳排放都设置约束条件,同时引入产业结构调整政策,取节水产业和节能产业的交集,优先发展第三产业;强化情景在综合情景的基础上引入生产技术进步,假设水资源使用技术和能源消费技术进步的程度与2012—2017 年的历史平均水平一致。

表1 情景设计

2 结果与分析

经过有效性检验,模型误差率在15%以内,如表2 所示,基本通过有效性检验,表明模型在很大程度上可以反映河北省社会经济发展、水资源和能源利用以及碳排放变化趋势,通过调整产业结构、技术进步和政策变量来模拟河北省可持续发展路径。

表2 有效性检验结果

2.1 最优情景选择

根据5 个情景进行政策模拟,分别得到河北省可持续发展的可行解。分析对比各情景模式下河北省的社会经济发展情况、水资源利用效率、能源利用效率和碳排放量等指标,选择适合河北省资源管理与可持续发展的最优情景。经过上述政策模拟实验,根据设定的经济发展目标、水资源管理目标和节能减排目标,综合对比各个情景下的经济发展水平、水资源利用效率、能源利用效率及二氧化碳排放程度,选出最优情景,为河北省可持续发展提出有力的政策依据。5 个情景下的经济发展目标、水资源管理目标和节能减排目标的实现情况如表3 所示:

表3 不同情景下的地区生产总值、水资源使用量、能源消费量和碳排放量

表3 为基准情景、改进情景1、改进情景2、综合情景和强化情景下2020 年和2030 年的地区生产总值、水资源使用量、能源消费量和碳排放量的变化情况。在5 种情景中,2030 年地区生产总值分别增长到72 554 亿元、62 426 亿元、81 056 亿元、63 117 亿元、77 261 亿元,2017—2030 年平均增长率分别为6.00%,4.78%,6.91%,4.87%和6.51%;2030 年水资源使用量分别为357 亿m3、220 亿m3、355 亿m3、220 亿m3和207 亿m3;2030年能源消费量分别为65 892 万t 标准煤、35 041万t 标准煤、40 288 万t 标准煤、34 322 万t 标准煤和35 239 万t 标准煤;2030 年碳排放量分别为208 100 万t、76 800 万t、10 000 万t、73 100 万t和99 000 万t。根据这个模拟结果,强化情景与其他4 个情景相比,到2030 年能够实现保持经济中高速发展的前提下,实现河北省政策约束下的水资源使用量、能源消费量和碳排放量目标,因此,选择强化情景为最优情景。

2.2 强化情景下社会经济发展情况

2.2.1 经济总量和经济发展趋势

在引入了产业结构调整和生产技术进步的政策组合后,根据模拟结果可知,河北省2017—2030年地区生产总值逐年增加,如图2 所示,由2017 年的34 016.32 亿元,增长到2030 年的77 260.54 亿元。增长率先上升后下降,年平均增速为6.52%。这符合河北省经济转型要求,不再一味追求高经济增长率,逐步跨入经济可持续发展阶段。

图2 河北省2017—2030 年模拟期内地区生产总值变化情况

2.2.2 产业结构变化情况

在强化情境下,河北省2017—2030 年第一产业增加值和第二产业增加值所占比例逐年减少,第三产业增加值所占比例逐年增加。根据模拟结果,2017 年河北省三次产业增加值所占比例为9 ∶47 ∶44,2020 年后第三产业增加值所占比例超过第二产业,2030 年这一比例变化为4 ∶22 ∶74,具体如图3 所示:

图3 河北省2017—2030 年模拟期内三次产业增加值比例变化情况

从具体产业部门变化情况来看(图4),第一产业中的农、林、牧、渔4 个部门产值都逐年下降,原因是第一产业的用水系数较高,水资源使用总量和水资源利用强度都高于其他部门,所以在资源保护的约束下,这4 个部门的经济发展都受到了限制,2017 年第一产业产值为16 017.86 亿元,到2030 年减少到14 855.23 亿元,年均下降0.56%。

图4 河北省2017—2030 年模拟期内各产业产值变化情况

第二产业内部的采矿业、制造业产值都逐年下降,电力、热力、燃气及水的生产和供应业以及建筑业产值有所增加,原因是第二产业的用能系数较高,能源消费总量和能源消耗强度都高于其他部门,所以采矿业、制造业等部门的经济发展都受到了限制。但电力、热力、燃气及水供应是国家经济发展的支撑,为生产生活和商业运营提供稳定的能源供应和基础设施支持,支撑国家经济的正常运行,因此产值未出现大幅下降[13]。2017 年第二产业产值为16 017.86 亿元,到2030 年减少到14 855.23 亿元,年均下降0.56%。

第三产业内部的交通运输、仓储和邮政、批发零售和住宿餐饮等部门由于用水系数、用能系数和碳排放系数较小,所以在资源利用和保护环境约束下得到较好发展。根据模拟结果,产值增长较为显著,从2017 年的15 072.68 亿元,增长到2030 年的53 421.68 亿元,年均增长10.22%。

2.3 强化情景下河北省水资源使用量变化情况

随着经济的快速发展,2017—2030 年的河北省水资源使用量呈逐年上升趋势,从2017 年的182 亿m3逐渐上升到2030 年的最高值207 亿m3,小于节水规划的220 亿m3。但通过加入产业结构调整和生产技术进步政策,水资源消耗强度呈逐年下降趋势,从2017 年的53.37 m3/万元下降至2030 年的26.84 m3/万元。说明在产业结构调整和生产技术进步的政策组合下,河北省水资源利用效率得到提高,水资源使用量也得到限制。从水资源使用结构的变化趋势来看,2017—2030年河北省用水结构逐年优化(图5)。通过产业结构调整,2017—2030 年农业用水量、工业用水量和服务业用水量逐年减少,居民生活用水量和生态用水量逐年上升,主要原因是人口的自然增长、对生态环境保护力度的加大。

图5 河北省2017—2030 年模拟期内水资源使用情况

2.4 强化情景下河北省能源消费量变化情况

随着经济的快速发展,能源消费量也逐渐增加,如图6 所示,能源消费量从2017 年的30 387.02万t 标准煤增长到2030 年的35 238.55 万t 标准煤,小于节能规划的40 645 万t 标准煤。通过产业结构调整和生产技术进步,能源消耗强度逐年下降,从2017 年的0.89 t 标准煤/万元到2030 年的0.47 t 标准煤/万元,河北省能源利用效率得到提高,进一步说明政策管理的有效性。

图6 河北省2017—2030 年模拟期内能源消费情况

2.5 强化情景下河北省碳排放量变化情况

碳排放量与能源消费量存在着密切的联系,根据模拟结果,2017—2030 年河北省碳排放量逐年上升,如图7 所示,从2017 年的79 200 万t 增长到2030 年的99 000 万t,2030 年达到峰值,小于减排目标规划的100 000 万t 二氧化碳。通过产业结构调整和生产技术进步,碳排放强度逐年下降,从2017 年的2.33 t/万元到1.31 t/万元,河北省碳排放量得到控制。

图7 河北省2017—2030 年模拟期内碳排放量变化情况

2.6 强化情景下各区域可持续发展能力分析

由于河北省各城市环境经济效率不同,虽然全省总体实现了资源环境和经济的可持续发展,但各城市没有全部达到规划目标,各城市可持续发展能力还存在差距。本研究分别从年均经济增长率、水资源利用强度、能源消耗强度和碳排放强度4 个指标来综合评价河北省各区域可持续发展能力。依据《河北省国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中“十四五期间”地区生产总值年均增长率6%左右的目标,设定年均经济增长率6%为界限进行评分;依据《河北省“十四五”节水型社会建设规划》中河北省用水总量及地区生产总值计算出年均水资源利用强度,同时参考“十四五”期间水资源利用量下降15%的目标,以35.96 m3/万元为界限进行评分;能源消耗强度和碳排放强度界限依据《河北省“十四五”节能减排综合实施方案》中单位地区生产总值能耗和碳排放强度的规定进行设定。

各区域目标完成情况如表4 所示。给每个指标赋予相同的权重,每个指标各占25 分,满分100 分。根据模拟实验的结果,石家庄、秦皇岛、唐山、廊坊、沧州、邯郸得分为100 分,可持续发展能力排名第一;保定得分75 分,排名第二;承德、张家口、邢台得分为50 分,排名第三;衡水得分25 分,排名第四。通过排名结果可以看出,河北省各区域可持续发展能力不平衡,因此,应该有针对性地为河北省各区域提出资源环境和经济协调 发展的建议,使各区域平衡发展。

表4 2017—2030 年模拟期内河北省各区域可持续发展能力评价

3 结论

本研究基于河北省社会经济、水资源使用、能源消费和碳排放现状,利用LINGO 软件动态模拟了水资源、能源和碳排放约束下的经济增长状况,引入产业结构调整和生产技术改进情景,探索河北省在“水-能-碳”约束下最佳经济发展模式,并综合评价了河北省11 个城市的可持续发展能力。主要结论如下:

(1)初始方案基准情景表明,河北省水资源利用量、能源消耗量及碳排放总量涨幅较大,2030年水资源利用量为357 亿m3、能源消耗量为65 892 万t 标准煤、碳排放量为208 100 万t;两种改进情景下资源消耗及碳排放增速放缓,但其资源消耗及碳排放总量仍较高,难以满足政府目标规划要求。

(2)改进情景1 和改进情景2 的单一政策仿真结果表明,产业结构调整对资源消耗和碳排放量减少影响显著,2030 年水资源利用量为220 亿m3、能源消费量为34 322 万t 标准煤、碳排放量为73 100 万t,相比基础情景和改进情景资源消耗及碳排放量降幅较大。产业结构优化是节能减排的关键,要不断增强自主创新能力和加快传统产业改造,持续推进产业结构优化。

(3)强化和综合情景下的组合政策仿真情景表明,强化情景更符合实际情况。在经济保持中高速增长的情况下,最优情景实现了政府规划目标,2030 年河北省水资源利用强度比2017 年减少49.72%;能源消耗强度比2017 年减少47.80%;碳排放强度比2017 年减少43.78%。若抓住当前产业结构转型、技术创新机遇,进一步加强产业结构和能源结构优化,有助于促进河北省及各市生态和经济协调发展,提升可持续发展能力。

(4)依据模拟结果,强化情景为最优情景,最优情景分析表明,产业结构调整政策和生产技术进步能够有效减少水资源、能源消耗和碳排放,促进河北省经济保持稳定增长。模拟期内,河北省GDP 保持稳定增长态势,由2017 年的34 016.32亿元增长到2030 年的77 260.54 亿元,经济年均增长率为6.51%。产业结构不断优化升级,产业协调发展程度提升,但由于水资源约束,第一产业中4 部门发展受限,同时由于能源总量限制,第二产业中能耗系数大的采矿业、制造业等发展受限。第三产业资源消耗和碳排放量较低,要全面发展现代服务业,推动第三产业更好更快发展。

(5)从河北省各区域可持续发展能力来看,各区域可持续发展能力存在不平衡性。石家庄市、秦皇岛市、唐山市、廊坊市、沧州市和邯郸市的资源环境经济可持续发展能力较强,衡水市的可持续发展能力最弱。这要求河北省在制定经济及环境政策时要充分考虑区域发展异质性,应根据区域特点及实际需求,综合制定技术创新与产业结构调整政策,在“水-能-碳”约束下实现经济发展目标,促进社会经济全面发展和绿色转型。

根据以上结论,提出以下政策建议:

(1)推动重点用能行业提效,加快传统产业低碳化改造。持续深化工业、建筑业、交通运输业等重点行业节能升级改造,提升信息化基础设施能效发展水平,健全能源项目管理体系,推动传统产业体系向高端化、集约化发展。

(2)增强科技创新能力,充分发挥创新驱动效应。河北省应依靠自身优势资源,推动特色科技产业形成,同时加快传统产业转型升级,培育发展机器人、清洁能源等战略性新兴产业,充分集聚各市科技资源和教育优势,加强科技基础设施建设,加快创新型省份建设。

(3)持续推进能源高效清洁化利用,促进能源产业可持续发展。目前,河北省还未迈向工业化后期,煤炭资源的清洁化和低碳化利用,对发挥河北省资源优势具有重要意义。加快突破煤炭清洁高效利用技术,大幅降低碳排放,是促进煤炭行业可持续发展的关键。另外,地下气化也是煤炭资源清洁利用的重点,可以从源头减少煤炭消费的负面影响。

(4)持续推进产业结构优化,促进第一、二、三产业健康协调发展。鼓励运用先进技术改造传统产业,增强自主创新能力,引导钢铁、水泥、造纸等领域企业兼并重组,促进产业发展由高消耗向高效率转变,由粗加工向深加工转变,促进产业做大做强。