黄河流域工业水资源利用与碳排放时空特征及脱钩分析

关键词：时空特征；工业用水；碳排放；脱钩模型；黄河流域

中图分类号：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２０

引用格式：孟祥瑞，邵庆真，王向前．黄河流域工业水资源利用与碳排放时空特征及脱钩分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（９）：１３６－１４３．

０引言

２０２０年９月，中国在第７５届联合国大会上承诺，力争于２０３０年之前使二氧化碳的排放达到峰值、２０６０年之前实现碳中和。碳中和意味着人类活动排出的二氧化碳量和循环利用的二氧化碳量达到动态平衡，而实现此动态平衡则需要水资源的支撑［１］ 。随着经济社会的发展，水资源供给消费结构改变会导致水资源时空分布不均衡，影响区域生态系统的碳汇能力［２］ ，而不同区域水资源分配的时空差异性也会影响地区碳减排的能力［３］ 。黄河流域作为中国重要的能源基地，煤炭、石油等矿产资源丰富，长期以来碳排放量巨大，其中工业生产排出的二氧化碳量占流域碳排放总量的近７０％［３］ 。水是生存之本、生态之基、生产之要，在促进能源结构转型以及工业低碳运行方面发挥重要作用［３］ 。黄河流域水资源总量仅占全国的２．７％，通过水资源高效利用助力能源结构转型和碳减排成为黄河流域的重要任务，因此了解黄河流域工业水资源利用以及碳排放空间动态演进特征、明晰工业水资源利用与碳排放之间的关系，对于促进水资源可持续利用和实现“双碳”目标尤为重要。

近些年来，面对水资源、能源需求增加和应对气候变化的现实需要，黄河流域水资源利用和碳排放的研究成为热点，如王菲等［５］ 、杨屹等［６］ 从“水－土－能”视角分析了黄河流域三者之间的联系，王敏彤等［７］ 、祁强强等［８］ 分析了黄河流域碳源碳汇时空演变特征，宋冬凌等［９］ 分析了黄河流域城市群时空演变特征，杜娅明等［１０］ 测算了黄河流域旅游业碳排放效率，浩日娃等［１１］ 研究了内蒙古碳汇演变规律及其驱动因素。在工业用水及工业碳排放研究方面，苗峻瑜等［３］ 分析了黄河流域水资源效率和经济的耦合协调特征；张旭等［１２］ 、Ｊｉａｎｇ Ｗ Ｙ 等［１３］ 研究了我国工业用水演变特征；Ｚｈａｏ Ｊ 等［１４］ 分析了我国不同行业用水量和碳排放的时空演变特征，结果表明黄河流域９ 省（区）的碳足迹与水足迹的转出与转入存在明显地区差异。Ｔａｐｉｏ脱钩模型通常用来研究碳排放和经济发展的脱钩关系，部分学者将其用于区域水资源脱钩研究，如：钟妮栖等［１５］ 、李汝资等［１６］ 分析了黄河流域水资源利用和经济发展的脱钩关系，路娜等［１７］ 分析了西北五省省会城市水资源利用和经济发展的脱钩关系，纪义虎等［２］研究了沁河流域用水量和碳排放的脱钩关系。

综上所述，关于水资源利用与碳排放脱钩关系的研究多数集中在经济增长和用水量方面，而关于黄河流域工业碳排放与工业用水空间结构特征的研究较少。笔者选取工业碳排放量、工业碳排放强度、工业用水量、工业用水强度、工业碳水系数５ 个指标，利用全局莫兰指数和局部莫兰指数探究黄河流域工业碳排放量与工业用水量的时空演变特征，并通过脱钩指数揭示其脱钩关系，以期为促进黄河流域碳水关系协调发展提供参考。

１研究指标与研究方法

１．１研究指标

１）工业碳排放量（Ｃ）。包括工业能源消耗直接产生的碳排放量和工业电力消耗间接产生的碳排放量。

２）工业用水量（Ｌ）。主要指工业生产过程中的用水量。

３）工业碳排放强度（Ｉ）。工业碳排放强度是每万元工业增加值（Ｇ）的碳排放量。碳排放强度越低，说明每单位碳排放量创造的经济价值越高、碳排放效率就越高。

４）工业用水强度（Ｗ）。工业用水强度是指每万元工业增加值的耗水量。用水强度越低说明单位耗水量创造的工业产值越高、水资源利用效率就越高。

５）工业碳水系数（Ｅ）。工业碳水系数是工业碳排放强度和工业用水强度的比值，计算公式为Ｅ ＝Ｉ ／ Ｗ。传统工业企业碳排放强度和用水强度相对较高，碳水系数也相应较高［１２］ 。

１．２研究方法

２研究区概况与数据来源

黄河流域涉及青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东９ 个省（区）的６１ 个地级市，煤炭、石油、天然气资源丰富，但是长期以化石能源为主的能源消费结构使得黄河流域碳排放量连年居高不下。２０２１年，黄河流域碳排放总量约占全国的３５％，其中工业碳排放量占比超过７０％，而黄河流域水资源总量仅占全国的２．７％。鉴于部分地级市数据缺失，选取青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东８ 个省（区）的６０ 个地级市（州）进行研究。研究区范围见图１。

本研究所用的各类能源系数及转换因子数据来源于ＩＰＣＣ（２００６），各省（区）电网碳排放因子数据来源于《中国区域电网二氧化碳排放因子研究（２０２３）》，工业用水量数据来源于各省（区）水资源公报（鉴于２０１９年莱芜市划归济南市，为保证数据的可比性，２０１１—２０２１ 年济南市相关数据均包括莱芜市），能源消耗量数据来源于《中国能源统计年鉴》以及各地级市统计年鉴，城市工业碳排放量部分数据来源于中国碳核算数据库（ＣＥＡＤｓ），工业增加值数据来源于各省（区）统计年鉴以及国民经济和社会发展统计公报。

３结果与分析

３．１黄河流域工业水资源利用与碳排放时空特征

选取“十二五”“十三五”“十四五”初期（２０１１ 年、２０１６ 年、２０２１年）分析黄河流域各省（区）工业碳水关系时空分布特征。利用ＡｒｃＧＩＳ 中的Ｊｅｎｋｓ（自然间断点分级法），将２０１１—２０２１ 年黄河流域各省（区）碳水关系研究指标值分为低、中低、中、中高、高５ 个等级。２０１１—２０２１年各研究指标计算值范围见表５。各研究指标的时空分布情况见图２～图６。

由图２～ 图６ 可知：黄河流域地级市工业碳排放量、工业碳排放强度、工业碳水系数均呈增长趋势，而工业用水量、工业用水强度呈下降趋势；流域中东部工业碳排放量、工业用水量大于西部地区，而工业碳排放强度、工业用水强度、工业碳水系数则西部高于中东部。

３．２空间相关性

３．２．１全局空间相关性

全局空间相关性分析结果见表６，各个研究指标均通过了５％的显著性水平检验，Ｉｔ均大于０，Ｚ 值均大于１．９６，说明研究期各个研究指标均表现出强空间相关性。

３．２．２局部空间相关性

上述５个研究指标的局部莫兰指数空间分布见图７～图１１。

１）工业碳排放量。高－高聚集区集中在陕西、山东，低－低聚集区集中在青海、内蒙古；工业碳排放量高－高聚集区数量呈减少趋势，空间聚集性呈减弱趋势。

２）工业碳排放强度。高－高聚集区主要为工业碳排放量低值区的果洛、黄南、甘南、定西；海南州由２０１１年的高－高聚集区转为２０１６年和２０２１年的低－高聚集区，原因是其碳排放效率提高，而周围地区的碳排放效率偏低；低－低聚集区多数分布在山东，但是２０１６ 年以后低－低聚集区数量减少。

３）工业用水量。高－高聚集区、低－低聚集区、低－高聚集区数量均呈增多趋势，说明工业用水量的空间聚集性增强。高－高聚集区出现明显的空间偏移，由河南的郑州、洛阳、新乡偏向山东的济南、德州、滨州；低－低聚集区数量增多；巴彦淖尔、忻州由２０１１年和２０１６ 年的不显著区变为２０２１年的低－高聚集区，说明其工业用水量较少，而周边地级市工业用水量增多。

４）工业用水强度。低－低与低－高聚集区数量减少，空间聚集性减弱。其中：甘肃的白银、定西、平凉为主要的低－低聚集区，说明这３ 个市与周边市工业用水效率高；鄂尔多斯、天水由低－高聚集区变为不显著区。

５）工业碳水系数。主要分布区为低－低聚集区、高－高聚集区，其中：高－高聚集区分布在青海的果洛、黄南，甘肃的甘南、临夏、定西；低－低聚集区则分布在内蒙古的巴彦淖尔、包头、鄂尔多斯以及山东、河南的部分地级市。

３．３黄河流域各省（区）碳水脱钩关系

利用全局莫兰指数与局部莫兰指数分析研究指标的空间分布特征时，发现有些指标聚集区变化不明显且该方法无法直观体现黄河流域碳水关系，因此引入脱钩指数来分析。２０１１—２０２１年黄河流域各省（区）碳水关系脱钩指数见表７，各地级市碳水关系脱钩状态见图１２。

１）青海。处于工业碳水系数高值区、工业碳排放量和工业用水量低值区，研究期其碳水关系表现为由差变好再变差。２０１１—２０１２年青海整体的碳水关系均为强、弱负脱钩，处在不可协调发展阶段；２０１２—２０１５年出现强、弱脱钩的良好情形；２０１５—２０２１年碳水脱钩关系处在不可协调发展阶段，碳水关系失衡。研究区青海６ 个地级市（州）中，只有西宁２０１１—２０２１年碳水关系未出现强、弱脱钩，而且大部分时间碳水关系都处在不可协调阶段。总体而言，青海碳水关系较差。

２）山东。处于工业碳水系数低值区、工业碳排放量和工业用水量高值区，研究期其碳水关系总体表现为由差变好。２０１１—２０１５年山东整体碳水关系出现较多的强负脱钩情形，２０１６ 年以后强负脱钩情形减少。研究区山东９ 个地级市中只有济南碳水关系未出现强、弱脱钩，这与济南作为传统工业老城高耗水高耗能工业企业处在节约用水以及低碳结构转型期有较大关系；而其他地级市中，济宁、泰安、德州碳水关系相对较好，但仍存在较多负脱钩情形。

３）内蒙古。处于工业碳水系数和工业碳排放量低值区、工业耗水量高值区，总体碳水关系向好发展。由图１２ 可知，２０１３—２０１５年、２０１６—２０１７年内蒙古未出现强、弱脱钩情形，其中：研究期乌兰察布未出现强、弱脱钩，巴彦淖尔２０１１—２０１２年出现强脱钩、２０１２ 年以后碳水关系逐渐变差，呼和浩特２０２０年以后碳水关系逐渐向好。

４）甘肃。处于工业碳水系数低值区、工业碳排放量与工业用水量中高值区。２０１６年以前甘肃碳水脱钩关系均为强负脱钩，２０１６—２０２１年出现了强、弱脱钩情形，甘肃碳水关系逐渐向好发展。兰州市２０１１—２０１５年碳水关系以负脱钩为主，２０１６年以后出现强脱钩情形。其他地级市碳水关系２０１６年以后出现较多弱负脱钩情形。

５）河南。处于工业碳水系数低值区、工业碳排放量和工业用水量中高值区，整体碳水关系由好向差发展。２０１７—２０２１年河南碳水关系出现较多负脱钩情形，２０１７—２０２１年均未出现强、弱脱钩情形。

６）陕西、山西、宁夏。山西和陕西碳水关系存在较多负脱钩情形，宁夏近些年碳水关系逐渐向好。

４结论

１）全局莫兰指数分析结果表明，２０１１—２０２１年黄河流域工业水资源利用与碳排放的各研究指标均表现出强空间相关性。

２）局部莫兰指数分析结果显示，黄河流域工业碳排放量高－高聚集区主要分布在甘肃、山东、陕西，低－低聚集区分布在内蒙古、青海；工业碳排放强度高－高聚集区主要分布在青海，低－低聚集区主要分布在山东、内蒙古，２０１６年以后河南、山东工业碳排放强度低－低聚集区数量增多；工业用水量高－高聚集区分布在河南、山东，２０１１—２０２１年山东低－低聚集区数量增多，低－低聚集区主要分布在青海，高－低聚集区分布在甘肃；工业用水强度低－高、高－高聚集区分布在甘肃，低－低聚集区分布在山东、山西；工业碳水系数高－高聚集区分布在青海，低－低聚集区分布在内蒙古和山东。

３）黄河流域各省（区）碳水关系总体向好发展，但是研究期碳水关系大部分为负脱钩情形，这与黄河流域能源结构中化石能源比重大、由传统化石能源消费结构向新能源消费结构转变时间长、工业碳排放量增长速率较大、水资源量有限且利用效率较低有较大关系。各省（区）碳水关系呈现不同的脱钩状态，并且脱钩阶段差异较大，即使某一时期碳水关系出现了较好的脱钩情形，下一时期仍然可能转变为负脱钩。