京津冀地區水-能源利用效率與資源壓力核算

洪思揚，王紅瑞，梁俊芬，方 偉

(1.廣東省農業科學院農業經濟與信息研究所，廣東 廣州 510640；2.北京師范大學水科學研究院城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875)

水資源和能源是人類社會發展過程中不可或缺的兩類重要資源，前者作為基礎性自然資源，為人類的生存起著基礎性保障作用，后者作為重要的戰略資源，對保障國家安全及地區經濟發展至關重要，兩者之間的關系十分密切。如今，水資源短缺現象日漸頻發，水污染危機日趨嚴重[1-2]，同時，能源的無節制消耗也給生態環境帶來了一系列負面影響[3-4]。聯合國于2014年舉辦的世界水發展報告的主題是“水與能源”，水與能源之間的相互關系已成為國際社會關注的熱點問題[5-7]，研究兩者之間的關系具有重要的現實意義。

京津冀地區是我國3個世界級城市群之一，該地區以不足全國總面積3%的地域面積承載著全國8%的人口，創造了10%的經濟總量。但是，與區域經濟快速發展相伴而生的，是人口的不斷集聚、資源的加速消耗和環境的持續惡化，地區人地關系愈發緊張，資源環境超載壓力不斷上升。在水資源方面，以北京、天津為核心的京津冀地區必須保有較高的供水保障率[8-9]，這關系到華北地區甚至整個中國的可持續發展、社會的安定和人民的生活需求[10]，一旦出現水資源短缺危機，將不可避免地造成重大的經濟損失和國際政治影響。在能源方面，快速的經濟發展帶來的能源過度消費、能源過度開采和環境污染問題愈發嚴重，京津冀三地能源消費總量及能源利用效率差異較大，且整體效率較低，三地產業間對接難度較大，難以形成配套完整的產業鏈條，產業間重疊現象嚴峻，競爭合作關系較為含糊，這些均造成了能源的過度消費和效率低下，煤、石油等一次能源的過度消費進一步造成了霧霾等一系列環境問題[11]。因此，控制京津冀地區能源消費總量，提高能源效率，縮小地區間差異對于生態環境的可持續發展及京津冀地區一體化發展具有重要意義。

作為兩類重要資源，水和能源在生產過程中均需將對方作為原料，兩者之間存在相互交織的復雜關系。目前，水-能源紐帶相關研究正處于蓬勃發展階段[12-14]，包括水資源-能源系統的內在機理探究[15]、系統邊界及系統間影響機制探討[15]、系統整合優化[16-17]等方面，研究內容也由單純的資源要素逐步拓展至資源-社會-經濟-環境多系統的耦合，研究方法涉及投入產出法[18]、生命周期法[19-20]、生態網絡分析[18]、系統動力學[21-22]、多主體建模[23-24]、智能決策[25-26]等。水-能源紐帶相關研究已取得了很多有價值的研究成果，同時仍需進一步完善和創新，尤其在資源強度精細核算和資源壓力評價方面。鑒于此，本文在核算京津冀地區各部門水資源、能源以及兩種資源相互消耗強度的基礎上，對資源使用效率進行深入分析，并構建水-能源貿易間接消耗資源壓力指數對貿易引發的資源壓力進行定量化分析，以期為地區水資源、能源的可持續利用及未來發展規劃的制定提供參考。

1 研究方法

1.1 體現資源強度核算

體現資源強度用于表征部門單位產值產品消耗的資源量，包括地區直接消耗及間接消耗的資源，其中，間接消耗的資源可能來源于本地其他部門的供給，或其他省份和其他國家的供給，而不同地區的資源利用效率存在差異。本文采用三層次投入產出法，在區別不同地區資源強度的基礎上，核算研究區內各部門的資源強度。圖1展示了資源在不同經濟體之間的流通規律，對于研究區內部門i而言，存在以下平衡關系[27]：

圖1 體現資源流通特征

(1)

式中:Rmi為部門i的m種資源的直接使用量；εlkj、εdkj、εmkj分別為本地其他部門、其他省份和其他國家的部門j的資源強度；εli為部門i的三層次體現資源強度，該強度值區別了本地消耗、省外及國外調入進口產品的資源強度；zlji、zdji、zmji分別為本地其他部門、其他省份和其他國家的部門j對研究區內部門i的中間投入量；zlij為研究區內部門i對部門j的中間投入量；yli為部門i的最終消費量；edi、emi分別為部門i的調出量和出口量；n為部門數量。對式(1)進行處理[28]，即可求得部門i的三層次體現資源強度：

εl=(R+εdZd+εmZm)X-1(I-A)-1

(2)

其中

R=(Rki)m×nεl=(εlki)m×n

εd=(εdki)m×nεm=(εmki)m×nZd=(zdji)n×n

Zm=(zmji)n×nX=(xij)n×n

A=ZX-1Z=(zji)n×n

式中：X為總產出矩陣，當i=j時，xij=xi，xi為部門i的總經濟產出；當i≠j時，xij=0；(I-A)-1為列昂捷夫逆矩陣；zji為系統內部門j投入到系統內部門i的經濟量。將式(2)計算所得的三層次體現資源強度與對應部門的經濟流通量相乘，即可獲得不同部門之間的資源流通量，在此基礎上，將地區各部門的資源量匯總，即可獲得各地區之間的資源流通量。

本文核算的體現資源強度包括水資源、能源、能源隱含水和水資源隱含能4類。其中，能源隱含水是指能源在生產加工過程中消耗的水資源量，水資源隱含能則是指社會水循環過程中消耗的能源量，兩類資源分別以能源和水資源為載體，流通于不同地區及行業部門之間。

1.2 資源壓力分析

1.2.1水資源壓力評價

水資源壓力指數指研究區內的取水量與本地可更新水資源量的比值，用于表征水資源取用對于本地水資源造成的壓力[29]，計算公式為

(3)

(4)

能源隱含水同樣可以借助于產品和服務而流通于各地區各部門之間，它是水資源中與能源生產加工相關的一部分，以Weni表征能源隱含水的凈流入量，由能源隱含水貿易引起的水資源壓力變化可表示為

(5)

式中：IWe為能源隱含水貿易引發的水資源壓力指數；Wedi、Wedo、Wefi和Wefo分別為能源隱含水的省外調入量、省外調出量、國外進口量和國外出口量。當IWe數值為正時，說明能源隱含水的凈流入緩解了部門的水資源壓力，反之，則加重了水資源壓力。

1.2.2能源壓力評價

各省份的能源探明儲量數據難以獲取，因此選用能源開采量表征某省份的能源稟賦條件，構建能源壓力指數IE，以表征能源使用對本地能源造成的壓力，具體指研究區內由本地開采且由本地直接消費的能源量Ec與能源開采量Ed的比值：

(6)

(7)

水資源隱含能同樣可以借助于產品或服務而流通于各地區各部門之間，它是能源中與水資源開采處理相關的一部分，以Ewni表示水資源隱含能的凈流入量，由水資源隱含能流通引起的能源壓力變化可表示為

(8)

式中：IEw為水資源隱含能貿易引發的能源壓力指數；Ewdi、Ewdo、Ewfi和Ewfo分別為水資源隱含能的省外調入量、省外調出量、國外進口量和國外出口量。當IEw數值為正時，說明水資源隱含能的凈流入緩解了部門的能源壓力，反之，則加重了能源壓力。

2 數據來源

水資源數據、能源數據和投入產出數據3類主要數據中，水資源數據包括農業、工業、生活和生態用水4類，世界層次、中國層次和省級層次數據分別來源于世界銀行統計數據、中國水資源公報[30]以及京津冀的地方水資源公報。能源數據包括原煤、原油、天然氣、水電、核電及風電6類，各層次數據分別來源于BP世界能源統計年鑒、中國能源統計年鑒[31]和京津冀的地方能源統計年鑒。投入產出的各層次數據分別來源于Eora數據庫[32]、中國投入產出表和京津冀的地方投入產出表，投入產出表由國家統計局及相應的地方統計局頒布。此外，還需要中國地區間投入產出表[33]以探究資源在各省份間的流通狀況。值得注意的是，2012年中國地區間投入產出表是可獲取的最新版本，為保持數據年限的一致性，本文中的各類數據均選用2012年統計數據。

3 結果與分析

3.1 京津冀各部門資源強度分析

3.1.1體現水強度

為了方便結果的展示，按照行業屬性，將國民經濟系統中42個行業合并為農業(S1)、礦業(S2)、制造業(S3)、電力及燃氣的生產和供應業(S4)、水的生產和供應業(S5)、建筑業(S6)和服務及運輸業(S7)七大類，具體分類標準可參考文獻[34-35]。各行業部門的體現水強度和體現能源強度計算結果見表1。由表1可知，京津冀三地各部門間的強度值差異較大：①S5的體現水強度顯著高于其他部門，在京津冀三地分別為2 976.61 m3/萬元、2 890.33 m3/萬元和6 094.18 m3/萬元，原因是地區經濟發展中絕大部分的工業用水、生活用水和生態用水均是由該部門提供，因此單位產值消耗的水資源量最大；②S1的體現水強度位居第二位，用水主要體現于農田灌溉的直接消耗；③S4和S3的體現水強度次之，對于制造業而言，其中的食品煙草業和紡織業是農業的重要下游產業，與農業存在緊密的經濟關聯，水資源以農產品為載體，流入下游產業之中，因此直接使用部分占比較小；④S7的體現水強度在京津冀三地均相對較低，表明單位產值產品的耗水量較少，水資源利用效率較高，屬于節水型行業部門。整體上看，農業(S1)及第二產業(S2～S6)的體現水強度普遍高于第三產業(S7)。

表1 京津冀各部門體現水強度與體現能源強度

地區全行業平均體現水強度由各部門強度值以部門產值為權重加權求得。京津冀三地的全行業平均體現水強度分別為69.90 m3/萬元、68.51 m3/萬元和103.13 m3/萬元。從構成來看，三地體現于本地使用的比重差異較大，北京和天津分別為15.01%和18.57%，河北則達到52.09%。北京和天津屬于資源型及水質型缺水地區，體現水強度較低，地區通過不斷改良生產技術提高用水效率，且通過貿易的形式將用水壓力轉移至其他省份和國外。河北的體現水強度相對較高，且體現于直接使用部分的比重較大，水資源壓力主要表現為本地水資源消費，相比于京津地區，水資源利用效率有待進一步提升。

能源隱含水強度因部門而異，同時因地區而異，其數值反映了能源生產及加工過程中對水資源的利用效率。京津冀三地中，河北的行業平均能源隱含水強度值最大，達10.75 m3/萬元，北京次之(10.63 m3/萬元)，天津最小(7.09 m3/萬元)，可見天津全行業的能源用水效率高于北京和河北。各部門中，S2和S4的能源隱含水強度值較大，多為與能源開采加工直接相關的部門。

3.1.2體現能源強度

由表1可知，京津冀三地各部門的體現能源強度差異也較大：①S2和S4的體現能源強度較大，隸屬于S2的煤炭采選業和S4的電力、熱力生產和供應屬于一次能源開采行業，較高的強度體現為對資源的直接消耗(河北)以及外部資源的大量調入或進口(北京和天津)；②隸屬于S4的燃氣生產和供應業和S3的石油加工業和非金屬礦制造業在生產過程中消耗了大量的能源密集型產品，屬于能源開采行業的重要下游加工部門，對能源的使用施加了間接壓力；③S7的體現能源強度在京津冀三地均相對較低，說明單位產值產品的能耗較低，屬于非能源密集型產業。對比發現，第二產業各部門(S2～S6)的體現能源強度普遍高于第三產業(S7)，說明相比于工業，服務業整體上對能源的依賴性較低。

京津冀三地的全行業平均體現能源強度分別為28.58 GJ/萬元、22.84 GJ/萬元和38.29 GJ/萬元，與水資源相似，天津的能源利用效率在三地中位居首位，河北的能源利用效率則相對較低。京津冀三地體現于本地使用的比重差距懸殊，分別為0.97%、34.62%和36.43%，相比于天津(1.17×1018J)和河北(2.74×1018J)，北京能源開采量較低(1.05×1017J)，在全國范圍內僅高于上海和海南，因此本地使用占比較小，直接及間接能源使用對省外和國外的依存度極高。

水資源隱含能強度同樣因行業和地區而異，該強度代表了水資源生產、凈化及運輸等過程對能源的利用效率，河北的行業平均強度值最大(1.22 GJ/萬元)，北京次之(0.86 GJ/萬元)，天津最小(0.81 GJ/萬元)，可見北京和天津地區的水資源耗能效率相對較高，河北的利用效率有待提升。各部門中，S5在工業、生活及生態用水的處理過程中消耗了大量的能源，因此水資源隱含能強度顯著高于其他部門。

3.2 京津冀地區資源的“源-匯”分析

3.2.1水資源

由前文分析可知，地區中各部門實際消耗的資源，可能源于本地資源的直接消耗，也可能隱含于省外調入及國外進口的產品或服務之中。經過一系列生產加工過程，這些資源可能被直接消費，也可能以產品或服務為載體流向其他省份或國家。圖2以流量的表達方式，抽象了水資源流入和流出各地區的過程，柱體之間連邊寬度對應資源流通量，圖中數字由上至下分別代表各地區的直接使用、國外進口和省外調入資源量的百分比(圖3與之相同)。對于某一地區而言，直接使用、省外調入和國外進口3項之和與本地最終消費、省外調出和國外出口3項之和相等。值得注意的是，本文中“直接使用”部分的資源指的是由自然界直接獲取并進入經濟系統中的水資源和能源，當實體資源發生省際貿易時，此部分資源則歸入“省外調入”的范疇。

圖2 京津冀地區體現水的“源”與“匯”

圖3 京津冀地區體現能源的“源”與“匯”

在水資源“來源”方面，京津冀三地中，河北的水資源直接使用量最高(占比為53.38%)，為195.30億m3，達京津兩地之和的3.3倍，而河北的國外進口量卻最低(占比為3.44%)，僅為12.57億m3，僅為天津(27.79億m3)的一半，北京(56.45億m3)的1/4。在省外調入方面，河北的省外調入量最高(157.94億m3)，北京次之(154.77億m3)，天津最低(92.10億m3)，在三地總量中的占比分別為43.18%、62.63%和64.36%。對于不同地理分區而言，北京和天津省外調入的主要來源是華北地區，調入量分別為36.98億m3和29.98億m3，占據總量的30%左右，其次是華東地區和東北地區，調入量之和均占總量的40%左右；河北省外調入的最主要來源是西北地區，調入量占據省外調入總量的30%以上。農業體現水在體現水總量中占據較大比例，對體現水的省際流通起到主導作用；黑龍江是我國東北地區的糧食生產大省，糧食產量位居全國首位，華北地區是水稻和綠色糧油產品的主要銷售地區，北京、天津來自黑龍江省的水稻市場占有量超過 3/4，因此，幾個省份間產生了緊密聯系。此外，新疆的農產品也向北京、天津、河北三省市供給，且新疆的體現水強度較大，隨之形成了較大的體現水貿易流通量。

在“去向”方面，省外調出在京津冀三地均占據較大比例，其中河北最大(180.83億m3)，北京次之(135.92億m3)，天津最小(66.38億m3)。本地最終消費次之，在京津冀三地的占比分別為37.54%、42.64%和46.14%。國外出口部分的占比最小，在京津冀三地輸出端的占比分別為7.46%、10.96%和4.42%。對比資源的國內外流通量，京津冀三地的體現水凈流入量分別為56.87億m3、37.82億m3和-26.50億m3，其中，北京和天津受限于資源稟賦條件，傾向于調入原產品和最終消費品，其經濟和資源之間的脫鉤發展得益于將水資源密集型產品的生產轉移至其他省份。河北省體現水調出省份中，北京和天津分別以20.29億m3和11.22億m3位居第二位和第六位，為京津地區用水安全提供了保障。

在能源耗水方面，北京的能源耗水量最大(35.65億m3)，河北次之(29.32億m3)，天津最小(12.64億m3)，北京、河北和天津三地能源隱含水量分別占體現水總量的14.43%、8.83%和8.01%，可見提高能源用水效率對于節約水資源具有較大潛力。

3.2.2能源

圖3為能源在京津冀地區的流入流出情況。由圖3可知，北京的能源直接使用量極低(占比1.03%)，僅為1.05×1017J，占京津冀總量的2.60%；天津的直接使用量為1.17×1018J，占總量的29.18%；河北的直接使用量最高(占比28.51%)，達2.74×1018J，達到京津之和的2.15倍。在國外進口方面，北京的能源進口量最大(占比14.17%)，達1.44×1018J，天津次之(3.87×1017J)，河北最小(2.61×1017J)。在省外調入方面，京津冀三地省外調入量在總量中的占比分別為84.80%、57.76%和68.77%，從不同地理分區看，華北、華東和西北地區是京津冀地區省外調入的主要源地，調入量達省外調入總量的84.42%，其中，晉陜蒙地區煤炭豐富，憑借著優越的資源稟賦條件和地理優勢，向以首都北京為核心的京津冀經濟圈持續穩定地供給能源。作為中國北方經濟的重要核心區，京津冀地區需要消耗大量的能源以滿足自身經濟的發展，尤其是以重化工業為核心的河北省，其煤炭需求量居高不下。雖然受限于霧霾治理等環境因素的限制，京津冀地區煤炭消耗量增速有所放緩，但三地內部的能源生產能力有限，依舊需要外部地區的持續補給，形成了京津冀三個省市之間的資源集聚。對華東地區而言，能源稟賦條件較差，產量低，但地區經濟發展水平高，能源則多以中間品和最終消費品的形式進入京津冀地區，這種特性使能源在整個中國范圍內呈現廣域性的大規模流動。

省外調出是京津冀地區體現能源的主要去向，占總流出量的58.60%。其中，北京的數值最大(7.06×1018J)，河北次之(4.77×1018J)，天津最小(1.93×1018J)；本地最終消費次之，在京津冀三地的占比分別為24.48%、36.74%和44.75%；國外出口部分的占比最小。京津冀三地的體現能源凈流入量分別為2.38×1018J、1.84×1017J和1.56×1018J，京津冀地區資源稟賦條件有限，外部地區提供的實體能源和隱含于產品及服務中的能源緩解了地區經濟高速發展所帶來的能源壓力，為首都經濟圈穩定發展提供了有力保障。

在水耗能源方面，京津冀三地水資源隱含能分別占體現能源總量的2.75%、4.14%和3.94%。河北的水資源隱含能最大(3.79×1017J)，北京次之(2.80×1017J)，天津最小(1.53×1017J)。相比于能源隱含水，水資源隱含能對能源總量的影響較弱，水-能源紐帶關系中，能源耗水占據主導地位。

3.3 貿易引發的資源壓力分析

3.3.1體現水與能源隱含水貿易

表2 京津冀各部門水資源壓力指數及能源壓力指數

表2中，京津冀三地中仍以北京的IWe數值較大，即能源貿易對各部門水資源壓力的緩解作用較強，各部門的指數均為正，其中以S6的數值最大，該部門的發展需要投入大量的建筑材料，包括鋼材、混凝土以及工程設備等，這些原材料在生產加工過程中均需要消耗大量的能源，而這部分能源在生產加工過程中仍舊需要消耗水資源，因此水資源凈流入量較大。對于天津和河北而言，因能源貿易而緩解用水壓力的部門數量分別為6個和5個，數量和程度均低于北京。

3.3.2體現能源與水資源隱含能貿易

4 結 論

a.京津冀三地全行業平均體現水強度分別為69.90 m3/萬元、68.51 m3/萬元和103.13 m3/萬元；能源隱含水強度分別為10.63 m3/萬元、7.09 m3/萬元和10.75 m3/萬元，與體現能源強度呈現較高的部門相似性。京津冀三地行業平均體現能源強度分別為28.58 GJ/萬元、22.84 GJ/萬元和38.29 GJ/萬元，水資源隱含能強度分別為0.86 GJ/萬元、0.81 GJ/萬元和1.22 GJ/萬元，與體現水強度呈現較高的部門相似性。資源強度體現于本地使用的比重河北最大，北京最小；資源利用效率天津最高，河北最低。

b.京津冀三地的體現水凈流入量分別為 56.87億m3、37.82億m3和-26.50億m3，北京和天津受限于資源稟賦條件，傾向于調入原產品和最終消費品，其經濟和資源之間的脫鉤發展得益于將水資源密集型產品的生產轉移至其他省份。京津冀三地的體現能源凈流入量分別為2.38×1018J、1.84×1017J和1.56×1018J，外部流入能源緩解了地區經濟高速發展所帶來的能源壓力，為首都經濟圈穩定發展提供了有力保障。

c.體現水貿易對北京和天津水資源壓力的緩解作用顯著強于河北，其中又以北京的緩解作用更強，且以制造業、建筑業和服務及運輸業的作用效果最為顯著。體現能源貿易分別緩解了京津冀地區7、6和5個部門的水資源壓力，且以北京各部門的緩解作用最強。體現能源貿易對北京能源壓力的緩解作用顯著強于天津和河北，其中以建筑業、服務及運輸業、制造業的緩解作用最強；雖然天津及河北各部門的能源壓力均得到了緩解，但作用程度較弱。體現水貿易對京津冀地區能源壓力的影響要顯著低于體現能源貿易對水資源壓力的影響，能源耗水在水-能紐帶關系中起主導作用。