張國豐 ,王瑞賢 ,劉美玉

(1.河北地質(zhì)大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院,河北 石家莊 050031;2.河北省科技創(chuàng)新與區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展研究基地,河北 石家莊 050031)

水資源和能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性資源,具有不可替代性,其穩(wěn)定供應(yīng)對社會平穩(wěn)運行關(guān)系重大[1]。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,資源消耗持續(xù)增加,給生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力[2]。20 世紀(jì)后半葉,隨著資源短缺、全球變暖、生態(tài)退化等問題愈演愈烈,國家越來越意識到可持續(xù)發(fā)展的重要性[3-4]。河北省作為水資源短缺和能源消費較高的省份,其經(jīng)濟發(fā)展加劇了水資源和能源的供需矛盾,面臨經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境雙重壓力[5-6]。加強可持續(xù)發(fā)展能力有助于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、優(yōu)化資源配置,同時提升區(qū)域治理能力與風(fēng)險適應(yīng)能力。在資源約束日益趨緊、生態(tài)環(huán)境日益惡化的環(huán)境下[7-9],如何在“水-能-碳”約束下實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟增長協(xié)調(diào)發(fā)展是亟需解決的重要問題,需要運用適當(dāng)?shù)难芯抗ぞ哌M(jìn)行策略分析和路徑選擇,為可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

可持續(xù)發(fā)展既要發(fā)展經(jīng)濟又要保護好人類賴以生存的資源和環(huán)境,使人類能夠永續(xù)發(fā)展和安居樂業(yè)[10]。提升可持續(xù)發(fā)展能力有助于在社會、經(jīng)濟、環(huán)境三個維度下平衡發(fā)展矛盾,可持續(xù)發(fā)展逐步成為引導(dǎo)社會經(jīng)濟發(fā)展的準(zhǔn)則[11]。技術(shù)進(jìn)步作為可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動兩大發(fā)展理念的結(jié)合點,是突破資源約束、促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵[12-14],為可持續(xù)發(fā)展提供源動力。技術(shù)進(jìn)步能夠推動綠色清潔技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用,促使企業(yè)轉(zhuǎn)變原有高污染、高排放的生產(chǎn)方式[15-16],加強對末端污染物的治理,促進(jìn)經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展[15-17]。人口增長與產(chǎn)業(yè)集聚產(chǎn)生的資源短缺、環(huán)境破壞問題日益嚴(yán)峻,亟需轉(zhuǎn)變發(fā)展模式,探索適宜高效的可持續(xù)發(fā)展之路。對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行評價、測量是探索可持續(xù)發(fā)展路徑的重要依據(jù)[18]。已有研究大多運用評價指標(biāo)體系法對區(qū)域進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展評價[19-22],但該方法容易割裂區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)部存在的關(guān)聯(lián),難以解釋系統(tǒng)內(nèi)部反饋機理。由于經(jīng)濟發(fā)展、資源環(huán)境與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展涉及多系統(tǒng)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián),已有研究借助復(fù)雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)分析方法研究區(qū)域經(jīng)濟社會系統(tǒng)內(nèi)部各種非線性復(fù)雜關(guān)系[23-24]。

資源約束下可持續(xù)發(fā)展的核心問題是實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境保護與經(jīng)濟增長多方共贏,即在眾多目標(biāo)中尋找最優(yōu)解。動態(tài)最優(yōu)化模型基本原理是從現(xiàn)實存在的經(jīng)濟問題中解析出可控變量、預(yù)期目標(biāo)和約束條件,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建經(jīng)濟模型并求解。已有研究運用動態(tài)最優(yōu)化模型求解污水污泥再利用、農(nóng)業(yè)水資源最優(yōu)化利用及水資源政策實行效果等問題[25-27],針對綜合考慮經(jīng)濟增長、資源節(jié)約和環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展路徑的研究較少。因此,本研究采用動態(tài)投入產(chǎn)出模型與線性規(guī)劃結(jié)合的方法,將“水-能-碳”資源配置模型與社會經(jīng)濟模型相結(jié)合,在綜合模型中模擬水資源供需、能源供需、碳排放控制以及一個目標(biāo)函數(shù)和產(chǎn)業(yè)政策,并引入技術(shù)進(jìn)步變量,預(yù)測河北省及其地級市可持續(xù)發(fā)展路徑。

1 河北省“水-能-碳”多目標(biāo)協(xié)同管理模型構(gòu)建

1.1 概念模型構(gòu)建

本研究基于投入產(chǎn)出方法構(gòu)建動態(tài)最優(yōu)化仿真模型,社會總產(chǎn)品和各部門之間流動遵循價值平衡,資源消耗與污染排放之間也遵循物質(zhì)平衡[28]。在一定時間和空間范圍內(nèi),能源、經(jīng)濟與生態(tài)之間存在內(nèi)在聯(lián)系,能源流動也遵循能量守恒定律。

本研究構(gòu)建了“水、能、碳”約束下河北省可持續(xù)發(fā)展路徑概念模型,包括一個目標(biāo)函數(shù)和社會經(jīng)濟模型、水資源供需模型、能源供需模型、碳排放控制模型四個子模型(圖1):(1)社會經(jīng)濟子模型描述各產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出平衡、產(chǎn)業(yè)增長限制以及消費與投資約束關(guān)系,通過投入產(chǎn)出系數(shù)和引入碳減排技術(shù)內(nèi)生模擬出各目標(biāo)年的GDP;(2)水資源供需子模型描述居民生產(chǎn)生活水資源消耗,并對水資源需求量及強度設(shè)限,約束社會經(jīng)濟活動強度;(3)能源供需子模型描述居民生產(chǎn)生活的能源消耗,并對能源消耗量及強度設(shè)限,以約束社會經(jīng)濟活動;(4)碳排放控制模型描述居民生產(chǎn)生活碳排放量,通過產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和碳排放系數(shù)內(nèi)生出目標(biāo)年的排放量,并對碳排放設(shè)置減排約束。上述四個子模型反映了社會經(jīng)濟活動、水資源利用、能源消耗和碳排放之間的系統(tǒng)關(guān)聯(lián):社會經(jīng)濟活動要消耗水資源和能源,同時向環(huán)境中排放二氧化碳;生產(chǎn)活動要在水資源總量、能源消耗量以及碳排放總量的多重約束下進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過財政補貼引入碳減排技術(shù),能夠有效改善碳排放總量,結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展情況、碳減排需求和技術(shù)參數(shù),內(nèi)生模擬出區(qū)域碳減排的最優(yōu)技術(shù)與分配方案。

1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)河北省數(shù)據(jù)可獲得性和模型系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)聯(lián),將模擬期設(shè)置為2017—2030 年。由于篇幅限制,本研究僅列出重要公式,借助LINGO 軟件將數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換成編程語言,通過模擬與測算求出最優(yōu)解。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

河北省還未邁入工業(yè)化后期階段,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展仍是重要議題。因此,模型的目標(biāo)函數(shù)設(shè)為考慮了社會折舊影響的地區(qū)生產(chǎn)總值最大化。

式中:GRP——河北省地區(qū)生產(chǎn)總值,億元;t——模擬期,取值為1～14;ρ——社會折舊率,取值為0.05;V——附加價值率;i——產(chǎn)業(yè)部門,取值為1～11;Xi(t)——第t期產(chǎn)業(yè)部門i的產(chǎn)出,億元。

1.2.2 社會經(jīng)濟子模型

社會經(jīng)濟子模型包括社會人口增長、產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出平衡、投資與消費限制三方面,根據(jù)河北省投入產(chǎn)出表將產(chǎn)業(yè)合并為13 個部門,包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)、采礦業(yè)、制造業(yè)、電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)供應(yīng)業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸和倉儲郵政業(yè)、批發(fā)零售和住宿餐飲業(yè),及其他服務(wù)業(yè)?；诤喜⒌耐度氘a(chǎn)出表,構(gòu)建基于里昂惕夫矩陣的市場均衡模型。根據(jù)市場均衡的要求,各產(chǎn)業(yè)部門的總產(chǎn)出要大于或等于中間投入與最終需求之和。

式中:Xi(t)——第t期產(chǎn)業(yè)部門i的生產(chǎn)總值矩陣;A——投入產(chǎn)出系數(shù)矩陣;C(t)——第t期產(chǎn)業(yè)消費矩陣;I(t)——第t期產(chǎn)業(yè)投資矩陣;N(t)——第t期產(chǎn)業(yè)凈出口矩陣。

最終使用需求為消費、投資和凈出口之和。為了保持社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展,假設(shè)每個產(chǎn)業(yè)部門的消費、投資和凈出口占最終使用需求比例同基年保持一致。

式中:CONi(t)——第t期i產(chǎn)業(yè)部門的消費,萬元;INVi(t)——第t期i產(chǎn)業(yè)部門的投資,萬元;EXPi(t)——第t期i產(chǎn)業(yè)部門的凈出口,萬元。

為了保持社會經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,對最終消費率和資本形成率進(jìn)行約束,參考2000—2017年的數(shù)據(jù),分別選取2000—2017 年最終消費率和資本形成率的最大值和最小值作為約束范圍。即最終消費率的波動區(qū)間為39.1%～47.2%,資本形成率的波動區(qū)間為40.4%～59.3%。

式中:CON(t)——第t期河北省消費總量,萬元;INV(t)——第t期河北省投資總量,萬元。

1.2.3 水資源供需模型

河北省水資源需求總量由各區(qū)域水資源需求量加總求和所得,各區(qū)域水資源需求總量由農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、居民生活用水和生態(tài)用水構(gòu)成。農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)用水量分別由產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)和各部門總產(chǎn)出決定,居民生活用水總量由居民總數(shù)和居民用水系數(shù)決定,生態(tài)用水量由每年平均增長率決定。

式中:TWD(t)——第t期水資源需求總量,億m3;RWDj(t)——第t期j區(qū)域水資源需求總量,億m3;AWDj(t)——表示第t期j區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水量,億m3;IWDj(t)——第t期j區(qū)域的工業(yè)用水量,億m3;SWDj(t)——第t期j區(qū)域的服務(wù)業(yè)用水量,億m3;HWDj(t)——第t期j區(qū)域的居民生活用水量,億m3;EWDj(t)—第t期j區(qū)域的居民生態(tài)用水量,億m3。

為了保證社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展,水資源供給量應(yīng)大于等于水資源需求量。同時,需要對水資源使用量和水資源消耗強度進(jìn)行控制,每年水資源使用總量、農(nóng)業(yè)用水總量和工業(yè)用水總量的增長率不能超過一定幅度。按照每5 年下降15%,到2025 年,水資源消耗強度應(yīng)為39.95 m3/萬元,到2030 年,為35.955 m3/萬元。具體公式如下:

式中:wgr(t)——第t時期水資源使用總量的增長率(外生),%;wgr_a(t)——第t時期第一產(chǎn)業(yè)用水總量的增長率(外生),%;wgr_i(t)——第t時期第二產(chǎn)業(yè)用水總量的增長率(外生),%。

1.2.4 能源供需模型

河北省能源需求總量由各區(qū)域能源需求量加總求和所得,各區(qū)域能源需求來源于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動和居民生活消費。

式中:TED(t)——第t期能源需求總量,萬t標(biāo)準(zhǔn)煤;REDj(t)——第t期j區(qū)域能源需求總量,萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤;PEDj(t)——第t期區(qū)域j的生產(chǎn)能源消費量,由產(chǎn)業(yè)用能系數(shù)和各部門總產(chǎn)出決定,萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤;HEDj(t)——第t期j區(qū)域的生活能源消費量,由居民總數(shù)和居民用能系數(shù)決定,萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。

需要對能源消費量和能源消耗強度進(jìn)行控制,每年能源消費總量的增長率不能超過一定幅度。按照每5 年能源消耗強度下降15%的規(guī)劃目標(biāo),到2025 年能源消耗強度目標(biāo)為0.74 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元,到2030 年下降為0.63 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元。具體公式如下:

式中:egr1(t)——1≤t≤3 時的能源消費量增長率,%;egr2(t)——4≤t≤13 時的能源消費量增長率,%。

1.2.5 碳排放控制模型

河北省碳排放總量由各區(qū)域碳排放量加總求和所得,各區(qū)域碳排放量來源于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動和居民生活消費。各區(qū)域生產(chǎn)、生活碳排放量指的是各區(qū)域所有生產(chǎn)部門和居民在生產(chǎn)、生活過程中產(chǎn)生的碳排放量之和,生產(chǎn)碳排放量由產(chǎn)業(yè)碳排放系數(shù)和各部門總產(chǎn)出決定,生活碳排放量由居民總數(shù)和居民碳排放系數(shù)決定。

式中:TCD(t)——第t期碳排放總量,萬t;RCDj(t)——第t期j區(qū)域碳排放量,萬t;PCDj(t)——第t期j區(qū)域的生產(chǎn)碳排放量,萬t;HCDj(t)——第t期j區(qū)域的生活碳排放量,萬t。

根據(jù)《河北省“十三五”規(guī)劃》《河北省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,河北省二氧化碳排放強度要求每5 年下降18%,到2025 年二氧化碳排放強度應(yīng)下降到1.69 t/萬元,到2030 年下降為1.39 t/萬元。具體公式如下:

式中:cgr(t)——第t時期碳排放量的增長率(外生),%。

1.3 數(shù)據(jù)來源

河北省2017 年投入產(chǎn)出表數(shù)據(jù)來源于《河北省投入產(chǎn)出表2017》。河北省2017 年水資源使用量數(shù)據(jù)來自于《河北省水資源公報》,根據(jù)2008年全國各部門水資源使用量,計算出各部門單位產(chǎn)出用水量作為用水系數(shù),設(shè)定用水系數(shù)保持不變,用水系數(shù)乘以河北省2017 年各部門總產(chǎn)出得到各部門水資源使用量。河北省2017 年能源消費量數(shù)據(jù)來于《河北經(jīng)濟年鑒》,各部門能源消費量根據(jù)《河北經(jīng)濟年鑒》的能源平衡表得出,能源平衡表中沒有區(qū)分的工業(yè)部門能源消費量根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》分行業(yè)能源消費總量中該部門占整個工業(yè)部門能源消費量的比重計算得出,農(nóng)、林、牧、漁四個部門的能源消費量按照各部門GDP 占4 個部門總GDP 的比重得出。河北省2017 年各部門碳排放量來源于CEADs 中國碳核算數(shù)據(jù)庫。

1.4 情景設(shè)定

根據(jù)對水資源、能源和碳排放的約束不同設(shè)定5 個情景(表1)。基準(zhǔn)情景模擬GDP 年均增長率保持在6%左右,不設(shè)置水資源、能源、碳排放約束,不引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和減排技術(shù);為突出水資源約束對可持續(xù)發(fā)展能力的影響,改進(jìn)情景1 設(shè)置水資源使用約束條件,不設(shè)置能源和碳排放約束,同時引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策,優(yōu)先發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),減少第一產(chǎn)業(yè)比重;目前河北省經(jīng)濟發(fā)展存在能源依賴,因能源消費與區(qū)域碳排放總量高度相關(guān),為了探究能源消費與碳排放對可持續(xù)發(fā)展能力的影響,改進(jìn)情景2 同時設(shè)置能源和碳排放約束條件,但不設(shè)置水資源約束,同時引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策,優(yōu)先發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),減少第二產(chǎn)業(yè)比重;綜合情景對水資源、能源和碳排放都設(shè)置約束條件,同時引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策,取節(jié)水產(chǎn)業(yè)和節(jié)能產(chǎn)業(yè)的交集,優(yōu)先發(fā)展第三產(chǎn)業(yè);強化情景在綜合情景的基礎(chǔ)上引入生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步,假設(shè)水資源使用技術(shù)和能源消費技術(shù)進(jìn)步的程度與2012—2017 年的歷史平均水平一致。

表1 情景設(shè)計

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過有效性檢驗,模型誤差率在15%以內(nèi),如表2 所示,基本通過有效性檢驗,表明模型在很大程度上可以反映河北省社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源和能源利用以及碳排放變化趨勢,通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)進(jìn)步和政策變量來模擬河北省可持續(xù)發(fā)展路徑。

表2 有效性檢驗結(jié)果

2.1 最優(yōu)情景選擇

根據(jù)5 個情景進(jìn)行政策模擬,分別得到河北省可持續(xù)發(fā)展的可行解。分析對比各情景模式下河北省的社會經(jīng)濟發(fā)展情況、水資源利用效率、能源利用效率和碳排放量等指標(biāo),選擇適合河北省資源管理與可持續(xù)發(fā)展的最優(yōu)情景。經(jīng)過上述政策模擬實驗,根據(jù)設(shè)定的經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)、水資源管理目標(biāo)和節(jié)能減排目標(biāo),綜合對比各個情景下的經(jīng)濟發(fā)展水平、水資源利用效率、能源利用效率及二氧化碳排放程度,選出最優(yōu)情景,為河北省可持續(xù)發(fā)展提出有力的政策依據(jù)。5 個情景下的經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)、水資源管理目標(biāo)和節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)情況如表3 所示:

表3 不同情景下的地區(qū)生產(chǎn)總值、水資源使用量、能源消費量和碳排放量

表3 為基準(zhǔn)情景、改進(jìn)情景1、改進(jìn)情景2、綜合情景和強化情景下2020 年和2030 年的地區(qū)生產(chǎn)總值、水資源使用量、能源消費量和碳排放量的變化情況。在5 種情景中,2030 年地區(qū)生產(chǎn)總值分別增長到72 554 億元、62 426 億元、81 056 億元、63 117 億元、77 261 億元,2017—2030 年平均增長率分別為6.00%,4.78%,6.91%,4.87%和6.51%;2030 年水資源使用量分別為357 億m3、220 億m3、355 億m3、220 億m3和207 億m3;2030年能源消費量分別為65 892 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤、35 041萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤、40 288 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤、34 322 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤和35 239 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤;2030 年碳排放量分別為208 100 萬t、76 800 萬t、10 000 萬t、73 100 萬t和99 000 萬t。根據(jù)這個模擬結(jié)果,強化情景與其他4 個情景相比,到2030 年能夠?qū)崿F(xiàn)保持經(jīng)濟中高速發(fā)展的前提下,實現(xiàn)河北省政策約束下的水資源使用量、能源消費量和碳排放量目標(biāo),因此,選擇強化情景為最優(yōu)情景。

2.2 強化情景下社會經(jīng)濟發(fā)展情況

2.2.1 經(jīng)濟總量和經(jīng)濟發(fā)展趨勢

在引入了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的政策組合后,根據(jù)模擬結(jié)果可知,河北省2017—2030年地區(qū)生產(chǎn)總值逐年增加,如圖2 所示,由2017 年的34 016.32 億元,增長到2030 年的77 260.54 億元。增長率先上升后下降,年平均增速為6.52%。這符合河北省經(jīng)濟轉(zhuǎn)型要求,不再一味追求高經(jīng)濟增長率,逐步跨入經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展階段。

圖2 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總值變化情況

2.2.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化情況

在強化情境下,河北省2017—2030 年第一產(chǎn)業(yè)增加值和第二產(chǎn)業(yè)增加值所占比例逐年減少,第三產(chǎn)業(yè)增加值所占比例逐年增加。根據(jù)模擬結(jié)果,2017 年河北省三次產(chǎn)業(yè)增加值所占比例為9 ∶47 ∶44,2020 年后第三產(chǎn)業(yè)增加值所占比例超過第二產(chǎn)業(yè),2030 年這一比例變化為4 ∶22 ∶74,具體如圖3 所示:

圖3 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)三次產(chǎn)業(yè)增加值比例變化情況

從具體產(chǎn)業(yè)部門變化情況來看(圖4),第一產(chǎn)業(yè)中的農(nóng)、林、牧、漁4 個部門產(chǎn)值都逐年下降,原因是第一產(chǎn)業(yè)的用水系數(shù)較高,水資源使用總量和水資源利用強度都高于其他部門,所以在資源保護的約束下,這4 個部門的經(jīng)濟發(fā)展都受到了限制,2017 年第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為16 017.86 億元,到2030 年減少到14 855.23 億元,年均下降0.56%。

圖4 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化情況

第二產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的采礦業(yè)、制造業(yè)產(chǎn)值都逐年下降,電力、熱力、燃?xì)饧八纳a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)以及建筑業(yè)產(chǎn)值有所增加,原因是第二產(chǎn)業(yè)的用能系數(shù)較高,能源消費總量和能源消耗強度都高于其他部門,所以采礦業(yè)、制造業(yè)等部門的經(jīng)濟發(fā)展都受到了限制。但電力、熱力、燃?xì)饧八?yīng)是國家經(jīng)濟發(fā)展的支撐,為生產(chǎn)生活和商業(yè)運營提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施支持,支撐國家經(jīng)濟的正常運行,因此產(chǎn)值未出現(xiàn)大幅下降[13]。2017 年第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為16 017.86 億元,到2030 年減少到14 855.23 億元,年均下降0.56%。

第三產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的交通運輸、倉儲和郵政、批發(fā)零售和住宿餐飲等部門由于用水系數(shù)、用能系數(shù)和碳排放系數(shù)較小,所以在資源利用和保護環(huán)境約束下得到較好發(fā)展。根據(jù)模擬結(jié)果,產(chǎn)值增長較為顯著,從2017 年的15 072.68 億元,增長到2030 年的53 421.68 億元,年均增長10.22%。

2.3 強化情景下河北省水資源使用量變化情況

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,2017—2030 年的河北省水資源使用量呈逐年上升趨勢,從2017 年的182 億m3逐漸上升到2030 年的最高值207 億m3,小于節(jié)水規(guī)劃的220 億m3。但通過加入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步政策,水資源消耗強度呈逐年下降趨勢,從2017 年的53.37 m3/萬元下降至2030 年的26.84 m3/萬元。說明在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的政策組合下,河北省水資源利用效率得到提高,水資源使用量也得到限制。從水資源使用結(jié)構(gòu)的變化趨勢來看,2017—2030年河北省用水結(jié)構(gòu)逐年優(yōu)化(圖5)。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,2017—2030 年農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量和服務(wù)業(yè)用水量逐年減少,居民生活用水量和生態(tài)用水量逐年上升,主要原因是人口的自然增長、對生態(tài)環(huán)境保護力度的加大。

圖5 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)水資源使用情況

2.4 強化情景下河北省能源消費量變化情況

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源消費量也逐漸增加,如圖6 所示,能源消費量從2017 年的30 387.02萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤增長到2030 年的35 238.55 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤,小于節(jié)能規(guī)劃的40 645 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步,能源消耗強度逐年下降,從2017 年的0.89 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元到2030 年的0.47 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元,河北省能源利用效率得到提高,進(jìn)一步說明政策管理的有效性。

圖6 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)能源消費情況

2.5 強化情景下河北省碳排放量變化情況

碳排放量與能源消費量存在著密切的聯(lián)系,根據(jù)模擬結(jié)果,2017—2030 年河北省碳排放量逐年上升,如圖7 所示,從2017 年的79 200 萬t 增長到2030 年的99 000 萬t,2030 年達(dá)到峰值,小于減排目標(biāo)規(guī)劃的100 000 萬t 二氧化碳。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步,碳排放強度逐年下降,從2017 年的2.33 t/萬元到1.31 t/萬元,河北省碳排放量得到控制。

圖7 河北省2017—2030 年模擬期內(nèi)碳排放量變化情況

2.6 強化情景下各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力分析

由于河北省各城市環(huán)境經(jīng)濟效率不同,雖然全省總體實現(xiàn)了資源環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,但各城市沒有全部達(dá)到規(guī)劃目標(biāo),各城市可持續(xù)發(fā)展能力還存在差距。本研究分別從年均經(jīng)濟增長率、水資源利用強度、能源消耗強度和碳排放強度4 個指標(biāo)來綜合評價河北省各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力。依據(jù)《河北省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中“十四五期間”地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長率6%左右的目標(biāo),設(shè)定年均經(jīng)濟增長率6%為界限進(jìn)行評分;依據(jù)《河北省“十四五”節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃》中河北省用水總量及地區(qū)生產(chǎn)總值計算出年均水資源利用強度,同時參考“十四五”期間水資源利用量下降15%的目標(biāo),以35.96 m3/萬元為界限進(jìn)行評分;能源消耗強度和碳排放強度界限依據(jù)《河北省“十四五”節(jié)能減排綜合實施方案》中單位地區(qū)生產(chǎn)總值能耗和碳排放強度的規(guī)定進(jìn)行設(shè)定。

各區(qū)域目標(biāo)完成情況如表4 所示。給每個指標(biāo)賦予相同的權(quán)重,每個指標(biāo)各占25 分,滿分100 分。根據(jù)模擬實驗的結(jié)果,石家莊、秦皇島、唐山、廊坊、滄州、邯鄲得分為100 分,可持續(xù)發(fā)展能力排名第一;保定得分75 分,排名第二;承德、張家口、邢臺得分為50 分,排名第三;衡水得分25 分,排名第四。通過排名結(jié)果可以看出,河北省各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力不平衡,因此,應(yīng)該有針對性地為河北省各區(qū)域提出資源環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào) 發(fā)展的建議,使各區(qū)域平衡發(fā)展。

表4 2017—2030 年模擬期內(nèi)河北省各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力評價

3 結(jié)論

本研究基于河北省社會經(jīng)濟、水資源使用、能源消費和碳排放現(xiàn)狀,利用LINGO 軟件動態(tài)模擬了水資源、能源和碳排放約束下的經(jīng)濟增長狀況,引入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)情景,探索河北省在“水-能-碳”約束下最佳經(jīng)濟發(fā)展模式,并綜合評價了河北省11 個城市的可持續(xù)發(fā)展能力。主要結(jié)論如下:

(1)初始方案基準(zhǔn)情景表明,河北省水資源利用量、能源消耗量及碳排放總量漲幅較大,2030年水資源利用量為357 億m3、能源消耗量為65 892 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤、碳排放量為208 100 萬t;兩種改進(jìn)情景下資源消耗及碳排放增速放緩,但其資源消耗及碳排放總量仍較高,難以滿足政府目標(biāo)規(guī)劃要求。

(2)改進(jìn)情景1 和改進(jìn)情景2 的單一政策仿真結(jié)果表明,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對資源消耗和碳排放量減少影響顯著,2030 年水資源利用量為220 億m3、能源消費量為34 322 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤、碳排放量為73 100 萬t,相比基礎(chǔ)情景和改進(jìn)情景資源消耗及碳排放量降幅較大。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是節(jié)能減排的關(guān)鍵,要不斷增強自主創(chuàng)新能力和加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造,持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(3)強化和綜合情景下的組合政策仿真情景表明,強化情景更符合實際情況。在經(jīng)濟保持中高速增長的情況下,最優(yōu)情景實現(xiàn)了政府規(guī)劃目標(biāo),2030 年河北省水資源利用強度比2017 年減少49.72%;能源消耗強度比2017 年減少47.80%;碳排放強度比2017 年減少43.78%。若抓住當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、技術(shù)創(chuàng)新機遇,進(jìn)一步加強產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有助于促進(jìn)河北省及各市生態(tài)和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展,提升可持續(xù)發(fā)展能力。

(4)依據(jù)模擬結(jié)果,強化情景為最優(yōu)情景,最優(yōu)情景分析表明,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步能夠有效減少水資源、能源消耗和碳排放,促進(jìn)河北省經(jīng)濟保持穩(wěn)定增長。模擬期內(nèi),河北省GDP 保持穩(wěn)定增長態(tài)勢,由2017 年的34 016.32億元增長到2030 年的77 260.54 億元,經(jīng)濟年均增長率為6.51%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級,產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展程度提升,但由于水資源約束,第一產(chǎn)業(yè)中4 部門發(fā)展受限,同時由于能源總量限制,第二產(chǎn)業(yè)中能耗系數(shù)大的采礦業(yè)、制造業(yè)等發(fā)展受限。第三產(chǎn)業(yè)資源消耗和碳排放量較低,要全面發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè),推動第三產(chǎn)業(yè)更好更快發(fā)展。

(5)從河北省各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力來看,各區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力存在不平衡性。石家莊市、秦皇島市、唐山市、廊坊市、滄州市和邯鄲市的資源環(huán)境經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展能力較強,衡水市的可持續(xù)發(fā)展能力最弱。這要求河北省在制定經(jīng)濟及環(huán)境政策時要充分考慮區(qū)域發(fā)展異質(zhì)性,應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點及實際需求,綜合制定技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策,在“水-能-碳”約束下實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo),促進(jìn)社會經(jīng)濟全面發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型。

根據(jù)以上結(jié)論,提出以下政策建議:

(1)推動重點用能行業(yè)提效,加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)低碳化改造。持續(xù)深化工業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)等重點行業(yè)節(jié)能升級改造,提升信息化基礎(chǔ)設(shè)施能效發(fā)展水平,健全能源項目管理體系,推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系向高端化、集約化發(fā)展。

(2)增強科技創(chuàng)新能力,充分發(fā)揮創(chuàng)新驅(qū)動效應(yīng)。河北省應(yīng)依靠自身優(yōu)勢資源,推動特色科技產(chǎn)業(yè)形成,同時加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,培育發(fā)展機器人、清潔能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),充分集聚各市科技資源和教育優(yōu)勢,加強科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),加快創(chuàng)新型省份建設(shè)。

(3)持續(xù)推進(jìn)能源高效清潔化利用,促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前,河北省還未邁向工業(yè)化后期,煤炭資源的清潔化和低碳化利用,對發(fā)揮河北省資源優(yōu)勢具有重要意義。加快突破煤炭清潔高效利用技術(shù),大幅降低碳排放,是促進(jìn)煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。另外,地下氣化也是煤炭資源清潔利用的重點,可以從源頭減少煤炭消費的負(fù)面影響。

(4)持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,促進(jìn)第一、二、三產(chǎn)業(yè)健康協(xié)調(diào)發(fā)展。鼓勵運用先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),增強自主創(chuàng)新能力,引導(dǎo)鋼鐵、水泥、造紙等領(lǐng)域企業(yè)兼并重組,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展由高消耗向高效率轉(zhuǎn)變,由粗加工向深加工轉(zhuǎn)變,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)做大做強。