經濟-能源-水耦合視角下黃河流域區域協同發展路徑

王兆華，鄒朋宇，李 浩，張 斌，高浚淇

（1. 北京理工大學管理與經濟學院，北京 100081；2. 工業和信息化部國際經濟技術合作中心，北京 100846）

黃河是中華民族的母親河，發源于青藏高原，全長5 464 km，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南和山東9 個省（區）。黃河流域有“能源流域”之稱，能源資源富集，是我國重要的能源、化工、原材料和基礎工業基地，在國家發展大局和社會主義現代化建設全局中具有舉足輕重的戰略地位。然而，黃河流域生態環境脆弱，水資源十分短缺且分布不均，資源環境承載能力弱，沿黃各省（區）發展不平衡、不充分問題尤為突出［1］。目前，對水資源的開發利用率高達80%，遠超40%的生態警戒線，嚴重制約黃河流域社會經濟可持續發展。2021 年10 月22 日下午，習近平在山東省濟南市主持召開深入推動黃河流域生態保護和高質量發展座談會并發表重要講話，強調要科學分析當前黃河流域生態保護和高質量發展形勢，全方位貫徹“四水四定”原則，堅決落實以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，走好水安全有效保障、水資源高效利用、水生態明顯改善的集約節約發展之路［2］。“碳達峰、碳中和”目標提出后，以煤炭、煤電為主的能源結構低碳轉型和以可再生能源、CCUS 為主的技術推廣應用對黃河流域高質量發展既是挑戰更是機遇。因此，從經濟-能源-水耦合視角探究黃河流域生態保護和高質量發展的實施策略和現實路徑具有重要意義。

1 文獻綜述

目前，國內外學者對黃河流域生態保護和高質量發展的相關研究主要集中在如下幾個方面：①從頂層設計的角度揭示黃河流域生態保護和高質量發展的內涵、理論機制與實施路徑，立足水資源節約集約利用、污染治理、創新驅動、區域協同和改善民生等方面，加快推進黃河流域經濟社會、人與自然的協調可持續發展［3-7］。②評估社會經濟發展、工業生產、綠色轉型效率和制造業發展水平以及區域差異特征，表明黃河流域城市生態效率呈波動下降趨勢，提出通過大力推動制造業轉型升級、科技創新、數字經濟發展、新一代信息技術應用以及有效促進制造業和服務業融合發展從而提高黃河流域高質量發展水平［8-10］。③描繪黃河流域能源消費、水資源承載力、碳排放以及土地利用的時空演變特征［11-17］。研究發現，以煤炭、火電、鋼鐵、有色金屬等能源資源密集型行業為主導的經濟發展模式，導致黃河流域萬元工業增加值能源資源消耗和污染物排放整體偏高，水資源短缺問題更加突出。④厘清經濟發展與資源、環境的耦合協調關系，指出黃河流域經濟增長、產業發展與生態環境耦合協同嚴重失衡［18-20］。其中，黃河流域生態文明建設整體滯后于經濟發展和城鎮化，水資源、水環境污染與社會經濟發展的耦合協調發展程度還不足以支撐高質量發展需求。

綜上所述，經濟與能源和水資源耦合協調發展是促進黃河流域生態保護和高質量發展的內在要求。然而，當前大部分文獻是從流域、省（區）或城市尺度研究黃河流域社會經濟發展現狀、能源資源的開發利用情況以及三者間的相互作用機制，較少涉及省際貿易的影響評估和區域高質量發展路徑設計，缺乏從經濟-能源-水耦合協調發展的視角提出黃河流域生態保護和高質量發展策略。因此，文章基于中國環境擴展的多區域投入產出（EE?MRIO）模型，核算基于生產端和消費端的黃河流域能水資源消耗以及省際貿易中隱含的能水流動；構建經濟-能源-水耦合協調發展評估模型，測度并比較貿易前后各省（區）經濟-能源-水耦合協調度變化情況，識別緩解（或惡化）耦合協調發展程度的關鍵因素，提出黃河流域協同發展路徑與產業布局優化策略，為黃河流域生態保護和高質量發展提供政策借鑒和決策支持。

與現有文獻相比，該研究主要從經濟-能源-水耦合的視角出發，探究黃河流域區域協同發展路徑，在研究視角和區域協同發展路徑提出等方面較現有文獻具有一定的創新性。首先，該研究聚焦黃河流域能源資源富集、水資源短缺、社會經濟發展整體緩慢且不均衡等典型特征，構建了黃河流域經濟子系統、能源子系統和水資源子系統耦合協調發展程度評價指標體系，并對黃河流域各省區經濟-能源-水耦合協調發展程度進行量化，豐富了黃河流域生態保護和高質量發展研究理論。其次，分別從全流域協同發展布局、經濟協同發展、能源協同利用和水資源協同利用四個層面提出黃河流域區域協同發展路徑，為黃河流域區域協同發展提供政策借鑒。

2 研究方法

2.1 數據來源與整理

該研究選取黃河流域9 省（區）為研究對象，探究經濟-能源-水耦合視角下黃河流域區域協同發展路徑。同時，基于《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國水資源公報》和中國碳排放數據庫（CEADs）獲取了2012、2015和2017年中國多區域投入產出表和各省（區）分部門能源和水資源消費數據，并將投入產出表中42部門數據拆分、合并為25 部門，用以計算黃河流域內部與國內其他區域隱含能和虛擬水流動情況。然后，參考王韜等［21］、何志強等［22］的研究方法，將2017 年中國多區域投入產出表更新到2019 年，并對2019 年中國省際間能水流動數據進行核算。

總體來看，黃河流域社會經濟發展狀況有如下特征（表1）：①黃河流域是我國人口活動和經濟發展的重要區域，其國土面積占全國超過1/3，人口約占30%，GDP 和工業增加值約占1/4。②以能源資源和重化工等傳統高耗能、高耗水行業為主導的特征明顯。其中，原煤、鐵合金、電解鋁產量占全國比重均超過2/3，煤化工企業數量約占全國的80%，電石、焦炭、合成氨等傳統煤化工產品產量占全國比重均超過一半。③中上游省（區）高新技術產業發展相對較慢，生產效率偏低、技術創新能力較弱且工業信息化融合水平不高。除山東外，其他8省（區）裝備制造業、高技術產業、戰略性新興產業增加值占工業增加值的比重均低于全國的平均水平。

表1 黃河流域社會經濟發展相關指標

從能源資源利用情況看，黃河流域萬元GDP 能耗高于全國平均水平一半，而萬元GDP 水耗低于全國平均水平（表2）。其中，下游的山東和河南的GDP、能源消費和水資源消費占比較大，能源利用效率和水資源利用效率較高。黃河流域工業能源消耗總量大，能源利用效率偏低；水資源利用效率整體較高，但與京津冀等發達區域還有較大差距。2019 年，黃河流域工業能源消耗約占全國工業能耗總量的41.6%；萬元工業增加值能源消耗量為1.4 tce，高于全國平均水平（0.95 tce）；工業用水總量占全國工業用水總量的37.6%，石化化工、紡織等五大高耗水行業用水量占比超過一半。

表2 黃河流域能源和水資源利用相關指標

2.2 EE?MRIO模型

投入產出模型是一種自上而下的核算方法，綜合分析經濟活動中投入與產出之間數量依存關系的一種經濟數學模型［23］。EE?MRIO 模型，基于投入產出方法理論體系，用于量化能源資源和污染物在區域和產業間的轉移關系［24-26］。文章構建的EE?MRIO 模型主要用于核算消費視角下能水資源利用以及量化隱含在產品貿易中的能水資源流動。

中國EE?MRIO 模型框架包含31 個省級行政區域，每個區域經部門合并后包含25 個部門，模型的數學結構由31×25 個線性方程組成。根據總投入等于總產出的基本平衡關系，區域生產活動具有如下平衡等式：

其中：表示區域r部門j的總產出；表示區域r部門i對區域k部門j的中間投入；表示區域r部門i對區域k的最終需求，包括居民消費、政府購買、投資和凈出口（出口減進口）組成。

直接消耗通過部門間投入產出除以總投入得到，直接消耗系數矩陣可以表示為：

Leontief逆矩陣可以表示：

其中：I為單位矩陣。假設能源或水資源消耗系數，即每萬元產值資源消耗量，為，資源消耗系數矩陣表示為：

其中：表示區域k部門j創造單位價值的最終產出消耗的區域r部門i的能源或水資源量；CEr表示隱含在區域r最終需求中的資源消費量；diag(Fr)表示區域r最終需求向量的對角陣；RTr表示產品或服務貿易中隱含的能源或資源的流動表示區域r部門i到區域k部門j的隱含能源或虛擬水流動。

2.3 經濟-能源-水耦合協調發展評估模型

耦合協調度模型主要用于評價直觀地反映事物間的耦合協調狀態，既可以反映耦合作用的強弱，也能反映協調發展水平的高低［27］。若系統之間配合得當、相互促進，則為良性耦合，反之為惡性耦合。文章構建的經濟-能源-水耦合協調度模型用于評估生產和消費視角下黃河流域經濟增長、能源消費和水資源消耗之間的耦合協調程度（介于0 到1 之間的常數）。耦合協調度系數越大，說明經濟-能源-水耦合系統協調發展程度越好，經濟子系統、能源子系統與水資源子系統之間配合得當、相互促進。具體公式如下：

其中：D表示耦合度；C表示μ1i、μ2i和μ3i（分別表示區域i經濟發展、能源系統和水環境系統）的綜合得分；T表示經濟增長與能源、水環境三個子系統的綜合協調指數；λ、β、χ表示重要程度，即權重系數。借鑒李成宇等［28］、薛黎明等［29］的研究，該研究假設經濟發展、能源與水資源在協同發展過程中具有相同的地位，故取λ=β=χ= 1/3。其中，經濟發展子系統包含人均GDP 和服務業占比兩個指標，能源子系統包含萬元GDP 能耗和可再生能源占比兩個指標，水資源子系統包含萬元GDP 水耗和水資源開發利用率（全社會用水量/水資源總量）兩個指標。

3 結果與討論

3.1 生產和消費視角下黃河流域能水使用對比

基于生產視角下黃河流域的能源消費量總體高于消費視角下的核算量。如圖1 所示，從生產視角看，2012—2019 年黃河流域能源消費總量緩慢增長，占全國比重有所下降。從消費視角看，2019 年黃河流域能源消費總量11.8 億tce，低于生產視角下的能源消費量13.8 億tce。其中，山東能源消費量仍為最大，占九省（區）的比重接近1/4，其次為河南和四川。隨著中西部地區經濟不斷加速，人民生活不斷提高，消費視角下黃河流域能源消費占全國比重有所增長。2012—2019年，河南、寧夏能源消費增長最快，青海、四川和陜西也均有不同程度上升；而內蒙古能源消費占比降幅較大，主要是由于產業結構調整和能源結構轉型導致經濟增長速度和居民生活水平增長放緩。

圖1 生產和消費視角下黃河流域能源使用情況

消費視角下黃河流域中下游地區水資源消費量高于生產視角下的核算量，表明省際貿易在一定程度上緩解了黃河流域水資源短缺問題。如圖2 所示，從生產視角看，研究期內黃河流域水資源消費大致保持不變，維持在1 100 億m3。水資源消費量主要由當地經濟發展現狀和水資源稟賦決定，其中，四川因地處黃河流域長江流域結合處，其水資源豐富、用水量最大，其次為河南和山東，而青海、陜西用水量較少。2012—2019年，山東用水量下降最大，其次為內蒙古、甘肅；山西、河南和陜西用水量均有小幅度上升。從消費視角看，黃河流域水資源消費上升幅度較大，其中，四川、陜西、河南和山西用水量均有大幅增長，增幅均接近甚至超過50%。

圖2 生產和消費視角下黃河流域水資源使用情況

3.2 黃河流域隱含能和虛擬水資源流動特征

黃河流域中下游地區隱含能流動相對較大，而上游地區總體較小，且臨近省（區）間隱含能流動較大。如圖3 所示，2019 年內蒙古、山東、和寧夏隱含能總流出較大，其中主要的隱含能流出包括山東-河南、內蒙古-河南、陜西-河南和四川-陜西。因而，黃河流域內山東、河南、陜西和內蒙古能源和能源密集型產品省際貿易往來密切。其中，內蒙古隱含能凈流出量最大，為0.4 億tce，其次為山東；而河南隱含能凈流入最大，約為0.64 億tce，其次為陜西。顯然，黃河流域內隱含能凈流出主要集中于內蒙古和山東，而凈流入主要為河南。煤炭、火電和鋼鐵等從能源資源豐富的山東、內蒙古和陜西供給到人口稠密、能源相對匱乏的河南，極大地緩解了當地能源短缺問題。

圖3 2019年黃河流域區域內隱含能流動

黃河流域區域內虛擬水流動相對集中，虛擬水流出主要集中于內蒙古-山西、陜西-河南和甘肅-陜西（圖4）。其中，甘肅、內蒙古為虛擬水凈流出的主要區域，而山西、河南和陜西為虛擬水流入的主要區域。內蒙古和甘肅農業發達且產業結構偏重，用水強度較高，伴隨著煤化工和農產品等水資源密集型產品貿易，大量虛擬水流出導致當地水資源供需矛盾突出。相反，山西、河南和陜西水資源短缺問題較為突出，人均水資源量不足500 m3，但從流域內其他省份購置水資源密集產品較多，一定程度上緩解了當地水資源短缺問題。

圖4 2019年黃河流域區域內虛擬水流動

在與國內其他區域的產品貿易中，黃河流域上中下游隱含能均為凈流出，且中游地區貢獻較大；虛擬水總體為凈流入，且下游地區流入量較大。黃河流域將能源、火電、鋼鐵、有色金屬等優勢產品大量供給國內市場，充分發揮其能源和重化工業產業基地的優勢，并通過南水北調工程，外購農產品、紡織和紙制品等水資源密集型產品。因而，黃河流域的商貿合作與省際貿易有助于經濟與資源、環境的可持續發展。黃河流域中游為隱含能流出的關鍵區域，煤炭、火電和煤化工產品大量供給鄰近的京津冀、東部沿海、長江中游和大西南地區，隱含能凈流出分別達到496 萬tce、584 萬tce、563 萬tce 和902 萬tce（表3）。黃河流域中下游地區以能源和水資源密集型產業為主導，但從東北、長江中游以及大西北調入水資源和外購水資源密集型產品一定程度上緩解流域水資源供需矛盾。其中，黃河流域下游虛擬水凈流入達到105億m3。

表3 2019年黃河流域上中下游區域間隱含能和虛擬水流動

3.3 黃河流域經濟-能源-水耦合協調度評估

研究期內，黃河流域經濟-能源-水耦合協調發展程度略微上升，中游地區耦合協調度仍然偏低。沿黃九省（區）經濟-能源-水耦合協調度系數差異明顯，介于0.20～0.98。黃河流域具有經濟發展整體緩慢、區域差異明顯、產業結構偏重、能源資源富集、水資源極度短缺等社會經濟發展和能源資源稟賦特征。從2019 年數據結果看，四川和山東經濟-能源-水耦合協調發展程度較高，高質量發展基礎較好；四川經濟實力較強、水資源極其豐富且清潔能源占比高，耦合協調度系數最高，接近0.98；山東憑借自身經濟發展水平高、技術創新能力較強和沿海省份貿易條件便利等優勢，輸出能源密集型產品的同時外購水資源密集型產品，提高了當地社會經濟和能源環境可持續發展水平，經濟-能源-水耦合度接近0.96。2012—2019 年，甘肅和河南的經濟-能源-水耦合協調度上升幅度較大，而內蒙古和寧夏下降較為明顯，主要是經濟轉型升級和能源結構調整對其資源依賴型經濟發展產生較大負面影響。從消費視角看，省際貿易一定程度上降低了黃河流域經濟-能源-水耦合協調發展程度，主要原因在于黃河流域主要為能水資源輸出型區域，大量能源資源和能水密集型產品輸出到其他省域，增加了流域能源和水資源消耗以及資源環境壓力。

為提出經濟-能源-水耦合視角下黃河流域區域協同發展路徑，文章進一步分析了各省（區）經濟子系統、能源子系統和水資源子系統的得分情況。如圖5 所示，除山東外，經濟子系統綜合得分較低（表現為人均GDP較低和服務業對GDP 貢獻較小）是黃河流域經濟-能源-水耦合協同發展程度較低的關鍵因素。其中，資源依賴型省份（如內蒙古、山西和寧夏）經濟-能源-水耦合協調度相對偏低，主要由于其化石能源為主的能源結構導致能源子系統綜合得分較低。特別是，寧夏產業結構偏重、清潔能源占比偏低以及水資源壓力大等矛盾相對突出，導致其經濟-能源-水耦合協調度整體偏低。具體而言，寧夏地區人均GDP 排在沿黃省區第4～6 位，處于沿黃省區中等水平，服務業占比也相對較高；萬元GDP 能耗約為2 tce，是內蒙古和青海的1.3 和1.4 倍，是河南、山東、四川和陜西的4 倍以上；水資源壓力是山東和河南的6.5 和11.6 倍，是青海的210 倍。在水資源短缺且能源結構以化石能源為主的情況下，寧夏以遠遠高于其他省區的能源消耗和水資源消耗僅創造了中等程度的經濟發展水平，經濟子系統與能源和水資源子系統發展極不協調，耦合協調度較低。此外，河南經濟發展質量是制約其經濟-能源-水耦合協調發展的關鍵因素；甘肅萬元GDP 用水量大且水資源壓力較高導致水資源子系統綜合得分較低，是制約其經濟-能源-水耦合協調發展的重要因素。

圖5 2019年黃河流域經濟、能源和水資源子系統得分

3.4 黃河流域區域協同發展路徑選擇

根據黃河流域能水資源消費和流動特征以及經濟-能源-水耦合協調發展的時空演變趨勢，文章提出黃河流域區域協同發展提升路徑，從而有助于提高黃河流域生態保護和高質量發展水平。

總體布局：立足優勢、因地制宜，優化區域產業協同發展（圖6）。充分發揮黃河流域產業發展和能水資源的比較優勢，對水資源使用權合理分配、產業鏈統一規劃布局，在產業轉移、產業培育、產業分工、園區共建等方面形成緊密互補的關系，共同推進黃河流域產業一體化、市場一體化和基礎設施建設一體化。總體來看，上游地區要在保護水源涵養區的前提下，強化新型基礎設施建設，促進新能源、人才和技術等要素資源的高效流動，提高經濟發展、技術創新和資源優化配置能力；中游地區應進一步增強新能源開發利用能力、加強生態環境治理與修復，積極培育接續替代產業，提高產業結構轉型和清潔能源替代能力；下游地區應堅持集聚集約發展，持續轉換發展動能，提升人口和產業承載能力，充分發揮經濟高質量發展龍頭帶動作用。

圖6 黃河流域區域協同和高質量發展路徑

經濟協同發展方面，黃河流域各省（區）應大力促進經濟轉型升級，加大財政和金融等支持力度，提升經濟發展整體水平。首先，加大對黃河流域傳統產業轉型升級、新興基礎設施建設以及戰略性新興產業培育的支持力度；鼓勵沿黃各省（區）積極參與絲綢之路經濟帶建設，將先進制造業等投資基金重點向黃河流域傾斜。其次，強化經濟發展基礎較好的山東與河南在產業發展和技術創新等方面的龍頭帶動作用；搭建產供需有效對接、產業上中下游協同配合的合作平臺，加速產業集群發展；支持蘭州新區、西咸新區等國家級新區做精做強主導產業。最后，發揮成渝都市圈的經濟發展帶動作用，促進人才、資金和技術等要素向上游省（區）的流動。完善黃河流域各省（區）的人才吸引政策，強化人才引進機制，提高企業創新能力，推動經濟高質量發展。

能源協同利用方面，以化石能源為主的資源依賴型省份，普遍存在產業結構偏重、清潔能源發展緩慢的問題。嚴格控制重點區域新增石化化工、鋼鐵、紡織等行業產能，嚴禁違法違規建設新項目；因地制宜，優化區域產業協同布局，發揮比較優勢，對全流域資源使用權合理分配、產業鏈統一規劃布局；積極推動產業優化升級，實現資源型產品的高效循環利用。其次，圍繞碳達峰、碳中和目標節點，堅持綠色導向，完善能源價格機制，合理調整能源價格和稅費；推廣低碳技術，制定相關低碳標準，支持企業綠色低碳技術改造，切實落實碳排放強度降低要求；推動特高壓、新能源汽車等新型基礎設施建設，提升光伏、風電等新能源開發和上網消納能力，強化黃河流域上中下游網架結構建設和輸電能力。

水資源協同利用方面，黃河流域上游地區水資源短缺以及虛擬水資源流出嚴重阻礙了經濟-能源-水耦合協同發展。因此，應堅持以水定城、以水定產，將水資源作為最大的約束性指標，全面落實高耗水行業深度節水控水行動，科學配置水資源；實施水資源節約補償機制，對黃河流域中上游水利設施建設項目予以資金補償。其次，加強工業節水減污技術改造，推進黃河上游再生水等非常規水利用，減少新鮮水量取用；對工業企業進行取用水和污水排放監測，制定科學合理的黃河分水指標體系和取用水分配方案。同時，甘肅、寧夏等水資源矛盾較為突出的省（區），應建立水價動態調整策略，促進水資源節約利用；健全水權置換政策措施，推進多種形式的全流域水權流轉，緩解中上游地區水資源短缺問題。

4 結 論

文章為探究黃河流域經濟-能源-水耦合協調發展時空演變特征與區域協同發展路徑，基于環境擴展的多區域投入產出模型對黃河流域能水流動進行測算，構建耦合協調評估模型對經濟-能源-水耦合協調發展程度進行時空差異特征分析，進而提出經濟-能源-水耦合視角下黃河流域區域協同發展提升路徑。主要結論如下。

（1）黃河流域社會經濟發展整體上呈上游較滯后、中游在崛起、下游較發達的階梯式分布。能源資源富集，水資源短缺且分布不均。黃河流域憑借自身能源資源優勢和產業發展基礎，通過煤炭、火電、鋼鐵、有色金屬等能源密集型產品的生產和貿易，有力地推動流域社會經濟發展。其中，黃河流域區域內產品生產和貿易有助于緩解人口大省河南的能源短缺問題，但同時也加劇內蒙古和寧夏等水資源短缺省（區）的環境壓力，而黃河流域與國內區域間的產品貿易有效緩解流域水資源短缺問題。

（2）黃河流域經濟-能源-水耦合協調發展程度不斷提高，但整體仍然偏低。其中，寧夏、內蒙古和山西能源清潔替代緩慢，水資源短缺壓力較大，導致其耦合協調度較低；青海、甘肅和陜西新能源發展基礎較好，但經濟發展質量相對較低，耦合協調度不高；四川、山東經濟發展質量較高、可再生能源發展較好、水資源利用效率較高，因而耦合協調度相對較高。

（3）明晰戰略定位、依托產業優勢促進區域協同優化布局，是實現黃河流域高質量發展的基礎。上游省（區）新能源和水資源較為豐富、產業優勢明顯，強化能源和交通運輸通道、建設信息技術傳輸通道、融通人才和資金流動渠道是實現區域協同和高質量發展的主要措施；中游省（區）化石能源豐富、水資源短缺，促進能源清潔替代和產業低碳轉型是實現其高質量發展的主要措施；下游省（區）經濟相對發達、人口較多，能源資源利用效率較高，發揮經濟發展龍頭帶動作用，促進產業集聚集群發展，大力發展高新技術產業是促進下游乃至整個流域高質量發展的重要措施。