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水资源制约下新疆煤炭产业低碳发展研究

范文

胡明明　李爱军

摘要：利用新疆2007年42部门投入产出表，建立了以投入产出模型为基础的混合能源模型。分析新疆地区经济和产业发展的趋势，通过线性拟合设定不同的经济增长速度，结合产业发展的趋势选取不同的发展情景，以近年来新疆地区水资源消耗和能源消耗数据情况为基础，对新疆未来各行业水资源消耗量和二氧化碳排放量进行了预测和分析，分析其低碳发展之路，给出了在未来供水总量限制下新疆煤炭开发利用相关产业的发展产能规划，为国家“十三五”能源规划提供相关建议。

关键词：水资源消耗；二氧化碳排放；投入产出模型；发展规划

中图分类号：F206 文献标识码：A

文章编号：1005-913X（2016）05-0048-04

Abstract：Using the input-output table of the 42 sectors in Xinjiang in 2007，a hybrid energy one based on input- output model is established.Analysis on the trend of conomic and industrial development in Xinjiang region， setting different economic growth rates by linear fitting，combined with the trend of industrial development to select different development scenarios，Basing on the data of water and energy consumption in Xinjiang area in recent years，predicting and analyzing of water resources consumption and carbon dioxide emissions in the future industries in Xinjiang，analysing the low carbon development path of Xinjiang，in the future， the development and utilization of Xinjiang coal development and utilization related industries under the limit of the total water supply are given，Putting forward the relevant recommendations for 13th Five-Year the national energy plan.

Key words：Water resources consumption；Carbon dioxide emission；Input—output model；development planning

一、引言

新疆地区煤炭储量丰富，并且还有部分的石油和天然气资源，是未来我国重要的能源基地，是“十三五”期间国家能源规划重点建设地区。然而新疆地区水资源短缺，并且分布不均，生态环境脆弱，煤炭等化石能源的开发利用受到水资源的限制，如何在水资源和生态环境约束下合理的开发利用煤炭资源是新疆地区能源产业发展所面临的问题，也是国家“十三五”能源规划重点考虑的问题之一。本文利用2007年42部门投入产出表，建立以投入产出模型为基础的混合能源模型，结合新疆地区缺水的自身特点而对模型计算所需要的外生参数进行设置，通过已知的基年数据和对技术参数及情景参数的设置，利用仿真计算来得到相应的预测结果，对新疆地区未来目标年份（即2020年和2030年）的能源消费相关二氧化碳排放量以及水资源消耗情况等进行预测分析，分析对比各种煤炭利用技术水耗，从而得到新疆煤炭产业发展的相关建议。

二、模型建立

对新疆能源利用的前景和规划需要考虑的因素很多，针对该地区缺水情景下能源产业如何发展规划的目标，在模型选取方面应重点考虑的是当地水资源的约束和社会经济的发展。投入产出表能够清楚的反映出经济系统各部门间的投入和产出的依存关系，基于投入产出表建立以投入产出模型为基础的二氧化碳排放子模型以及水资源消耗模型的投入产出优化模型，能够深入细致地针对不同经济增长模式下的各种低碳发展情景，来预测分部门的能源消耗、二氧化碳排放和水资源消耗。

（一）投入产出模型

本文分部门分能源品种能源消耗、水资源消耗和二氧化碳排放量的预测主要建立在投入产出模型基础上。投入产出模型最初是由美国哈佛大学教授瓦西里·列昂惕夫提出的，并创立了投入产出分析的方法。 [1]

选用价值型投入产出表，则对于每一行，都存在如下平衡方程：

Ui=Xi-Yi+IMi i=1，2L n （1）

其中Ui表示投入产出表中i部门行的中间使用合计，Xi表示部门i的总产出，Yi表示部门i的最终使用合计。IMi表示部门i的进口量。用直接消耗系数矩阵的方式表示：

AX=X-Y+IM （2）

式中A表示直接消耗系数矩阵，直接消耗系数aij表示第j个部门的1个单位产出量所直接消耗的第i个部门产出量的数量。

同样价值型投入产出表的每一列，都存在如下平衡方程：

Vj=Xj-Zj j=1，2L n （3）

其中Vj表示投入产出表中j部门列的中间投入合计， Xj表示j部门的总投入，Zj表示j部门的增加值。用矩阵的方式表示：

计算过程中需要得到目标年份的直接消耗系数，本文采用RAS方法对直接消耗系数进行修订。RAS方法易于修正，满足实际研究目标的要求，在投入产出表的调整中具有很大的优越性。要由基期的直接消耗系数矩阵得到目标年份的直接消耗矩阵，RAS方法认为直接消耗系数矩阵的变化是在“替代效应”和“制造效应”的影响下产生的[2]。引入替代系数矩阵R和制造系数矩阵S，则预测年份的直接消耗系数为：

其中R=diag（r1，r2，…rn）；S=diag（s1，s2，…sn）。在已知未来年份总产出、中间使用合计、中间投入合计以及基年直接消耗系数矩阵Acb的情况下，通过迭代的计算方法可以得到R和S的值。

（二）社会经济模型

针对本文的分部门分能源品种的二氧化碳排放量和水资源消耗量预测，要得到预测年份的最终消费矩阵和总投入，从而为投入产出模型提供输入参数。本文从人均可支配收入与经济增长的关系着手，采用线性拟合的方法，[3]由基年的人均可支配收入Lb可得到目标年份的人均可支配收入Lf。同时，引入人均收入弹性系数α，α是指人均消费量的变化率与人均可支配收入变化率的比值。则未来人均居民消费量Kf可表示为：

其中Kb为基年人均居民消费量。

引入城镇化率η将城镇居民数量和农村居民数量分开，[4]则城镇和农村居民消费量分别为：

Tu=Ku×P×η （7）

Tr=Kr×P×（1-η）（8）

其中Tu和Tr分别为城镇和农村居民消费量，Ku和Kr分别为城镇和农村人均居民消费量，P为人口数量，η为城镇化率。总的居民消费量T为城镇和农村居民消费量之和，即：

T=Tu+Tr （9）

从而由居民消费量占最终使用合计的份额可以得到预测年份的最终消费矩阵，如式（10）：

其中Y为预测年份的最终消费矩阵，T为居民消费量矩阵，θ为居民消费量占最终使用合计的份额。

利用基年的各部门的增加值、总投入以及技术进步系数可以得到预测年份的分部门总投入。技术进步系数表示预测年份的增加值率相对基年增加值率的变化率，而增加值率是增加值与总投入的比值。则预测年份的增加值率为：

其中Zr为预测年份增加值率，Zb基年的增加值，R为技术进步系数，X为基年的总投入。

从而可以得到预测年的总投入，如式（12）：

其中Xf为预测年份总投入，Zf为预测年份增加值，Zr为预测年份增加值。

（三）水资源消耗模型

水资源消耗模型主要利用预测目标年份的投入产出表得出目标年限的各部门生产用水消耗，同时考虑居民生活消耗和生态消耗就可以得到全社会的水资源消耗情况。总水耗按式（13）计算。生产消耗和居民消耗分布按式（14）和式（15）计算，生态用水采用历史平均法进行计算。[5]

W=WiP+WiR+WiS （13）

其中WiP为生产耗水，WiR为居民耗水，WiS 为生态耗水。

WiP=εNXi （14）

其中WiP为部门水耗，ε为节水率，N为部门用水系数，Xi为部门总产出。

WiR=ξP f （15）

其中WiR为居民水耗，ξ为人均耗水系数，P f为预测年份人口数。

（四）CO2排放模型

本文采用2006年IPCC《国家温室气体清单指南》二氧化碳排放量的计算方法，对新疆二氧化碳排放量进行计算。CO2排放量计算分为工业生产CO2排放和居民消费CO2排放，如式（16）所示。

M=MP+MR （16）

其中，MP和MR分别为工业部门产生的二氧化碳排放量和居民消费产生的二氧化碳排放量，计算方法分别如式（17）和式（18）所示。

其中，ξ表示标准煤平均低位发热量（kJ/kgce），ej表示第j种能源品种的二氧化碳排放系数，hj表示第j种能源的被氧化率，QP和QR分别为生产用能源消耗量和居民能源消费量，可根据人均能源消耗量和预测年份人口数求得。其中本文所考虑的能源品种主要是原煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然气。

三、参数设置

对于新疆地区能源行业的发展研究利用了新疆2007年42部门投入产出表，本模型把2007年设置为基年，相关燃料的排放因子与CQC公布的排放因子一致。本文根据2007—2013年《新疆统计年鉴》[6]、2007—2013年《中国能源统计年鉴》[7]等公布的数据，把新疆的经济增长按照高速增长、中速增速、低速增长三种不同模式分别进行预测分析。居民的消费水平、城镇居民人均可支配收入和农村居民纯收入、部门增加值等随着不同的经济增长速度变化而变化。针对不同的经济增长数据，根据历年统计数据预测得到的收入弹性系数，由此可以对可支配收入和农村居民人均纯收入进行内生计算。本文通过控制不同产业的增加值的增长速度来模拟新疆的社会经济模型，进而预测新疆不同经济增长模式下的能源消耗、二氧化碳排放量以及水资源消耗量。目前可以得到的是2007年新疆投入产出表，而2007-2013年的数据相关的资料已经公布，所以该阶段的GDP年增长率应该按照统计公报公布的实际数据进行设置，对其他年份的相关数据参照全国经济增长目标规划和往年的发展实际情况进行设定。如表1所示。

另外，在每种经济增长速度模式下，本文针对低碳经济的发展水平，设置了以下基本情景、低碳节水情景、强化低碳节水情景三种情景，[8][9]三种情景的设置考虑了经济发展、减排压力、节水率、技术进步、消费观念等一系列的因素，通过对不同情境参数的设置分别计算各种情景的新疆2014-2030年的分部门能源消费、二氧化碳排放量和水资源消耗量。

本文根据《2013年新疆统计年鉴》人口的相关数据，设定人口增长率和城镇化率。对技术进步系数[10]的设置参照了中国经济的增加值变化的历史数据。本文针对不同的经济增长模式和不同的情景模式下，还设置了单位产出能耗变化率（指相对基年的单位产出能耗相对变化，此值越大，表示对能源的需求量就越大）、终年人均能源消费变化率（此值越大，表示居民对能源的需求量越大）和化石能源占一次能源比重（此值越大，表示对三种化石能源依赖性越强）等参数，对进行能源效率和能源结构的变化进行模拟。结合各省的实际情况，对各种情景的2020年和2030年主要参数的设置，如表2、3所示。

四、计算结果分析

（一）水资源消耗量预测分析

对九种情景下新疆全社会需水量进行了预测，如图1所示。首先对不同经济增长模式下的需水量进行比较，在低速经济增长模式下，2020年的三种情景的需水量都超过523亿m3，2030年三种情景的需水量都超过549亿m3；在中速经济增长模式下2020年和2030年的水耗分别达到575亿m3和604亿m3；在高速经济增长模式下2020年和2030年的水耗分别达到601亿m3和630亿m3。可见，经济增长速度越高则水资源消耗越多，两者呈正相关的关系。在同一种经济增长模式下，随着节水率的不同水资源消耗量也不同，显然有更高节水率的强化低碳节水情景水资源消耗量比基本情景和低碳节水情景更小。在同一种经济增长速度和同一种节水情景下，以低速经济增长模式下的强化低碳节水情景为例，随着时间增长水资源消耗量不断增加，说明随着社会的发展，经济总量不断增加，水资源消耗量会不断增加。在水资源有限的情况下，各行业节水是必然趋势，对重点行业特别是能源行业的产能合理规划也显得尤为重要。

根据2013年中华人民共和国水利部公布《实行最严格水资源管理制度考核办法》，新疆2020年和2030年可用水总量分别为515.97亿立方米和526.74亿立方米，同时参考新疆2011水资源公报80.36亿立方米的储水量，中速和高速经济增长模式下的水资源消耗量都超过总量控制目标，只有低速经济增长模式满足要求，故提取低速经济增长模式下的分行业生产用水数据得到图2，从图中可以看到整个生产用水中第一产业即农业用水的比例最大，占全行业用水的90%以上。因此，农业用水的基数很大，如果能在采取有效的节水措施，则对解决新疆水资源供应紧张，缓解能源行业发展供水不足的问题具有非常积极的作用。

在低速经济增长强化低碳节水情景下的水资源消耗是基本满足新疆用水总量控制目标的，该情景下2020年工业用水需求为16.7亿立方米左右，占用水总量的3.19%，其中煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业、石油加工、炼焦及核燃料加工业、电力、热力的生产和供应业、燃气生产和供应业等五个能源行业需水5.3亿立方米左右，占用水总量的1.01%；2030年工业用水需求为28.7亿立方米左右，占用水总量的5.23%，其中能源行业需水为9.5亿立方米左右，占用水总量的1.73%。由于新疆地区产业结构的特殊性，随着“十三五”期间国家加快对新疆能源产业基地的建设，新疆经济的发展工业用水需求将继续增大，能源部门的需水量也会继续增大。因此新疆地区的发展将受到制约。

对于煤炭相关能源行业而言，采用先进的节水技术是势在必行的。当然，对于能源行业产能的具体发展规划也应考虑到水资源的限制。在低速增长强化低碳节水情景下，对于新疆而言到2020年煤炭开采在2.85亿吨左右，燃煤发电量可达2500亿千瓦时，煤制油产能133.8万吨，煤制气139.3亿m3；到2030年开采量5.52亿吨左右合适，燃煤发电可达3000亿千瓦时，煤制油产能205.72万吨，煤制气194.3亿m3较为合适。煤制油、煤制气的水耗巨大，在有限的水资源条件下煤制油、煤制气的增长不宜过快。燃煤发电燃煤发电技术成熟度高，环境影响相对较小，水耗较小，应当作为煤炭开发利用的主要方式。

（二）二氧化碳排放量预测分析

从二氧化碳排放总量的预测结果来看，在低速经济增长模式强化低碳节水情景下，到2020年新疆二氧化碳排放总量达3.0亿吨，到2030年达4.1亿吨，总量上是不断增加的。但从单位GDP二氧化碳排放来看，2020年为2.86t/万元，2030年为2.06t/万元，其趋势是逐渐下降的。根据2011年《新疆统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》的数据测算2010年新疆单位GDP二氧化碳排放为3.65t/万元，那么由测算结果可知低速经济增长模式低碳节水情景下2020年新疆单位GDP二氧化碳排放量比2010年下降21.6%，2030年比2010年下降43.6%，减排效果明显。从分行业的排放情况看，电力、热力的生产和供应业、化学工业和石油加工、炼焦及核燃料加工业等三个行业的排放量最多，由此可见新疆要进一步控制二氧化碳排放应该加强煤炭相关化石能源行业的节能和减排，加快产业结构的调整，同时也可推广示范相关的二氧化碳捕集与埋存等技术。

五、结语

新疆作为重要的能源基地，是未来国家能源供应的重要保障。新疆水资源匮乏，且工业用水比重小，可供能源开发利用的水有限，应该对新疆能源相关产业特别是煤炭产业链的发展进行合理的规划和布局。本文分析了在未来可供水量限制下新疆煤炭相关行业的发展模式，计算了相关行业的水资源消耗量，分析了其未来发展水资源供应不足的情况，说明采取节水措施的重要性的同时给出了煤炭开采、煤制油气、燃煤发电等相关产业的产能。同时，本文还分析了新疆未来二氧化碳排放量，指出了控制二氧化碳排放需要加强电力热力、化学工业和石油加工等相关行业的节能减排和碳捕集技术的发展。通过合理的理论测算，为国家“十三五”能源规划提供了重要的理论支撑。

参考文献：

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[4] 付波航，方齐云，宋德勇.城镇化、人口年龄结构与居民消费——基于省际动态面板的实证研究[J].中国人口·资源与环境，2013（11）：108-114.

[5] 崔瑛，张强，陈晓宏，江涛. 生态需水理论与方法研究进展[J].湖泊科学，2010（4）：465-480.

[6] 新疆统计局.2007-2013新疆统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2007-2013.

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[10] 沈利生，王恒.增加值率下降意味着什么[J].经济研究，2006（3）：59-66.

[责任编辑：兰欣卉]

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