研究項目背景 background
在國家自然科學基金委的支持下，北京大學環(huán)境科學與工程學院與國際應用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院、北京師范大學、中國社會科學研究院通過暑期青年科學家（YSSP）等項目開展密切合作，構建了中國省級工業(yè)分部門用水強度清單，研發(fā)了中國省級水-能耦合IMED|CGE模型工業(yè)用水模塊，揭示了2060年我國省級層面碳中和與用水紅線目標的鏈式聯(lián)級協(xié)同及權衡效應。 研究背景
中國是世界上主要二氧化碳排放國（約占全球30%）和水資源消耗國（約占全球15%），其中工業(yè)部門約占全國碳排放的50%和工業(yè)用水的20%，是實施減碳和節(jié)水政策的關鍵部門。
此外，由于水資源稟賦地區(qū)差異性，三分之一省份的人均水資源低于國際嚴重缺水閾值。為了解決這兩大問題，中國政府于2012年制定了水資源“三條紅線”政策，并于2020年承諾2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。
實現(xiàn)節(jié)水降碳兩大目標往往伴隨著工業(yè)結構和能源結構的調整，會產(chǎn)生潛在的協(xié)同及權衡效應。以往研究表明，碳限額政策可以助力節(jié)水目標的實現(xiàn)。
反之，“三條紅線”政策要求2030年全國用水總量在控制在7000億立方米以內(nèi)，2030年工業(yè)用水預計需控制在1484億立方米以內(nèi)，這一節(jié)水政策也將促進碳減排。
然而，由于地區(qū)資源稟賦、經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構的差異，區(qū)域間碳減排協(xié)調不佳可能會加劇局部水資源短缺問題，即權衡效應。因此，對于能否同時實現(xiàn)工業(yè)減排和節(jié)水目標還缺乏共識。
此外，不同的地區(qū)間碳減排成本差異會重塑產(chǎn)業(yè)競爭力和產(chǎn)業(yè)結構，進而可能會導致地區(qū)間產(chǎn)業(yè)轉移和不合意的減排和節(jié)水效應。
然而，目前尚不清楚碳中和目標是否會推動產(chǎn)業(yè)轉移，以及這種產(chǎn)業(yè)轉移會如何影響水資源政策下的工業(yè)用水。
可計算一般均衡模型(CGE)被廣泛應用于評估多個社會經(jīng)濟與氣候環(huán)境目標之間的復雜鏈式聯(lián)級關系，同時也被用于分析未來碳減排與水資源利用的關聯(lián)效應。
但是以往研究的用水測算往往只包括能源部門的用水而忽視了水密集型工業(yè)部門，或者只覆蓋一個地區(qū)而未觸及區(qū)域異質性。
由于各地區(qū)在資源稟賦、工業(yè)結構和經(jīng)濟發(fā)展等方面存在巨大差異，工業(yè)部門用水也有巨大的地區(qū)和行業(yè)差異，因此，有必要建立多區(qū)域、多行業(yè)的水-能耦合CGE模型，進而從水-能-碳耦合的角度開展多目標時空協(xié)同和風險分析。
研究方法
本研究采用了北京大學環(huán)境科學與工程學院能源環(huán)境經(jīng)濟研究室（LEEEP）、流域科學實驗室（PKUWSL）等機構聯(lián)合自主研發(fā)的水-能耦合IMED|CGE模型，涵蓋了2017年中國大陸31省市最新投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)的25個經(jīng)濟部門，并利用1998 - 2015年覆蓋中國大陸31個省市14萬多家企業(yè)的高分辨率工業(yè)普查數(shù)據(jù)，構建了中國省級工業(yè)用水清單，從而構建了IMED|CGE模型中工業(yè)用水模塊。
該研究根據(jù)沒有和有碳中和目標設計了兩種情景——基準（BaU）和碳中和（CNS）——以評估未來多部門碳排放、經(jīng)濟指標和工業(yè)用水。
研究發(fā)現(xiàn)
1、各部門對碳中和的貢獻
在基準情景下，2060年碳強度與2017年相比降幅達81%。碳中和目標下碳強度將進一步下降71%至0.04噸/千美元，二氧化碳排放總量降至24.84億噸（圖1A）。
從行業(yè)層面看，能源相關產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)是主要的碳排放行業(yè)，碳減排的三大主要貢獻行業(yè)是電力（33%）、第三產(chǎn)業(yè)（23%）和金屬冶煉（17%）部門。從省級層面看（圖1B），不同省市碳減排主要貢獻部門差異顯著。東部和北部省份碳減排以電力部門為主，占部分省份總減排量的40%以上。
相比之下，其他地區(qū)由于火力發(fā)電相對更少和清潔能源相對更多，碳減排主要來源于第三產(chǎn)業(yè)。例如，云南以水力發(fā)電為主，在碳中和情景下電價相對較低，但由于與鄰近的廣東省簽訂了省際電力貿(mào)易合同，而本省水力發(fā)電潛力有限，必須擴大火電以應對不斷上漲的省內(nèi)外用電需求，因此云南省電力行業(yè)是全國唯一的碳排放不降反升的行業(yè)。北京作為中國第一個全部使用清潔能源發(fā)電的城市，火力發(fā)電廠很早被淘汰，因此電力部門在減少碳排放方面發(fā)揮的作用并不大。此外，在礦產(chǎn)豐富的省份，采礦、金屬冶煉和金屬制品行業(yè)是碳減排的主要貢獻行業(yè)。
1. 基準和碳中和情景下的碳排放（A: 2017年和2060年中國主要行業(yè)碳排放和碳強度；B: 2060年基準和碳中和情景下31省不同行業(yè)的碳排放變化及其比例）。從行業(yè)層面看（圖1A），能源和第三產(chǎn)業(yè)是主要的碳排放行業(yè)，碳減排的三大主要貢獻行業(yè)是電力、第三產(chǎn)業(yè)和金屬冶煉。從省級層面看（圖1B），東部和北部省份碳減排以電力部門為主，其他地區(qū)碳減排主要歸功于第三產(chǎn)業(yè)。
2、低碳轉型的宏觀經(jīng)濟影響
如果沒有重大的減碳技術創(chuàng)新替代常規(guī)技術和新興產(chǎn)業(yè)替換增長動能，2060年碳中和情景下幾乎所有省份的GDP（-6%，各省-1%~-17%不等）和家庭消費（-11%，各省-4%~-31%不等）相比于基準情景都將遭受不同程度的負面影響，但西藏、北京和寧夏的居民消費預計將分別增長8%、8%和11%。
GDP和消費的收縮導致大多數(shù)部門工業(yè)產(chǎn)出不同程度的下降（圖2）。全國總量層面，石油（-69%）、電力（-47%）、采礦（-34%）和金屬冶煉及制品（-23%）四個行業(yè)產(chǎn)出下降幅度最大。
大多數(shù)省份的傳統(tǒng)能源密集型產(chǎn)業(yè)將受到重大影響。2060年，以高碳產(chǎn)業(yè)為支柱的山東省各工業(yè)部門產(chǎn)出顯著下降，特別是金屬冶煉、化工等支柱產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出損失將分別達到6620億美元和4260億美元，占其總產(chǎn)值損失的24%；河北省約55%的產(chǎn)出損失是由煉鋼和煉鋼產(chǎn)品造成的。另一方面，許多省份的電子、機械等相對低碳的產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值相比基準情景預計將有所增加。例如，云南和西藏的電力部門，重慶、山西和江蘇的電子產(chǎn)品，新疆和江蘇的機械設備產(chǎn)值將小幅上升。
由于各省產(chǎn)值變化的異質性，產(chǎn)業(yè)結構調整在省域層面的效應更為復雜。在需求側，碳減排成本較低的省份在向省內(nèi)、省際和國際消費者提供產(chǎn)品時將更具競爭力。在生產(chǎn)側，隨著時間的推移，需求的變化將導致現(xiàn)有資本和新資本活動向碳減排成本較低的地區(qū)和部門轉移。
一般來說，新投資比現(xiàn)有資本存量的用水效率和能源效率都更高。然而，碳限額政策將抑制新資本投向競爭力較低的行業(yè)，因此這些高能耗高耗水的行業(yè)只能依靠現(xiàn)有的低效率存量資本滿足未來產(chǎn)品需求。電力、化工、金屬冶煉、電子和機械等部門的產(chǎn)出變化就是碳限額政策對產(chǎn)業(yè)競爭力影響的例子。
2. 2060年中國31省的部門產(chǎn)出變化及總產(chǎn)出在基準情景和碳中和情景之間的變化率。行業(yè)層面，石油、電力、采礦和金屬冶煉及制品四個高耗能行業(yè)產(chǎn)出下降幅度最大；省市層面，山東、河北等高碳行業(yè)為支柱的地區(qū)將遭受更大負面影響。
3、工業(yè)部門節(jié)水的機遇與風險
碳限額政策下，碳和/或水密集型行業(yè)將受到嚴重打擊，更多的工業(yè)產(chǎn)值損失或更少的火力發(fā)電將減少工業(yè)用水，因此會對工業(yè)用水總量和用水強度產(chǎn)生顯著的協(xié)同效益。
與基準情景下的157 km3用水需求相比，碳中和情景下2060年全國工業(yè)用水總量將減少24%至119 km3（3A）。
減碳的節(jié)水協(xié)同效益在能源和/或水密集型行業(yè)最為顯著，電力、輕工業(yè)、化工、采礦和金屬冶煉等部門的節(jié)水量分別占2060年總節(jié)水量的48%、14%、13%、9%和9%（3B）。
由于能源、產(chǎn)業(yè)結構和用水效率的區(qū)域異質性，各省之間的協(xié)同效益差異很大（3C）。降水量相對豐富、用水強度高的南方省份將是節(jié)水的主要貢獻者。由于火力發(fā)電廠將逐步淘汰，電力部門在大多數(shù)南方省份的節(jié)水總量中占主導地位，給南方省份帶來了65%的節(jié)水。
在北方，由于電力部門用水效率更高，節(jié)水潛力更低，電力部門并非最顯著的節(jié)水貢獻部門，而是多個水密集型行業(yè)，如輕工業(yè)和化工。
此外，由于西南地區(qū)的水電、西北地區(qū)的太陽能和風能等可再生能源比例較高，其電力部門帶來的節(jié)水效益比例更低（10%），其他水密集型行業(yè)占西部地區(qū)總節(jié)水量的82%左右，其中重慶的化工行業(yè)和陜西的輕工業(yè)對節(jié)水的貢獻最大。水密集型行業(yè)帶來的節(jié)水歸因于存量資本生產(chǎn)活動的收縮（圖4）。
3. 基準和碳中和情景下各部門用水及其兩情景下的變化（A: 2017年和2060年中國用水強度和各部門用水的變化；B: 2060年中國各部門碳排放和用水的變化；C: 2060年中國31省各部門碳排放和用水的變化）。碳中和情景下2060年全國工業(yè)用水總量將減少24%，電力、輕工業(yè)、化工、采礦和金屬冶煉部門的節(jié)水貢獻度最大。南方省份的電力部門節(jié)水占主導地位，北方和西南省份的輕工業(yè)和化工將是主要節(jié)水部門。
4. 2060年中國31省6部門新增資本和存量資本生產(chǎn)活動導致的用水凈變化。碳限額政策將抑制新資本投向競爭力較低的行業(yè)，新增投資比現(xiàn)有資本存量的用水效率和能源效率都更高，水密集型行業(yè)帶來的節(jié)水歸因于存量資本生產(chǎn)活動的收縮。
與此同時，工業(yè)用水的增加可能會抵消碳中和帶來的節(jié)水潛力，從而在缺水地區(qū)引發(fā)水資源短缺的風險。大多數(shù)省份都出現(xiàn)了權衡效應或雙輸效應，其中15個省份的額外用水量將超過3000萬立方米，其中一半位于北部和西部地區(qū)（圖5A）。
北京將面臨碳減排和用水之間最明顯的權衡效應（圖5B），其增加的總用水量預計將完全抵消其他行業(yè)實現(xiàn)的節(jié)水，導致凈工業(yè)用水量增加100萬立方米。河北、山西和新疆約8%的節(jié)水將分別被輕工業(yè)、電子和其他行業(yè)占等高耗水行業(yè)的用水增加所抵消，這表明碳減排將加劇當?shù)氐乃Y源短缺。
碳限額政策抑制新的高效投資進入碳和水密集型行業(yè)，這些行業(yè)必須依賴水資源利用率低的現(xiàn)有資本，從而導致用水增加（圖4）。
隨著產(chǎn)業(yè)搬遷和結構調整，用水量的增加主要來自電子行業(yè)和輕工業(yè)、金屬冶煉和化工（圖5C）等水密集型行業(yè)，占全國總用水量的66%。此外，一些在國家層面不重要的行業(yè)卻在某些省份的節(jié)水權衡效應中十分關鍵。例如，陜西的非金屬以及新疆的采礦和非金屬行業(yè)將增加約5000萬立方米的用水量。
5. 2060年用水增加的空間和部門異質性（A: 與基準情景相比，31省在碳中和情景下用水量的增加、減少和凈變化(黑點)；B: 與基準情景相比，在碳中和情景下工業(yè)用水的增加、減少和凈變化(黑點)；C: 31省用水量增加和不同用水部門的比例）。15個省份的額外工業(yè)用水將抵消碳中和帶來的節(jié)水潛力，其中一半位于北部和西部地區(qū)，主要來自電子行業(yè)和輕工業(yè)、金屬冶煉和化工等水密集型行業(yè)，從而在缺水地區(qū)引發(fā)水資源短缺的風險。
與節(jié)水目標相比
該研究表明，實現(xiàn)碳中和將在2060年節(jié)省38 km3的用水，相當于全國工業(yè)用水的24%（不同省份5%-48%不等）。
與水資源“三條紅線”政策相比，2030年和2060年工業(yè)用水節(jié)水將分別占工業(yè)用水目標的8%和26%。如圖6和圖7所示，在基準情景下，從2017年到2030年工業(yè)用水預計將穩(wěn)步增長，并持續(xù)到2060年。
而在碳中和情景下，由于減碳的協(xié)同效應，2060年（119 km3）的全國工業(yè)用水總量將顯著低于2030年（148 km3），甚至低于2017年（127 km3）。
由于地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構和水資源稟賦的異質性，節(jié)水的機遇與風險并存。實現(xiàn)碳中和目標可以使8個和12省分別在2030年和2060年實現(xiàn)工業(yè)用水紅線目標（圖6），其中大部分位于水資源短缺的北方。
然而，2060年仍有9個省份不足以達到工業(yè)用水目標，其中大部分位于南部和西北部地區(qū)。一方面，產(chǎn)業(yè)結構調整以及由此產(chǎn)生的溢出效應在省內(nèi)和省際都會帶來風險，這表明僅僅依靠用水強度控制和碳減排的共同效益進行用水管理不足以實現(xiàn)用水總量目標，因此對總用水量進行限制是非常必要的。
另一方面，對于水資源豐富的地區(qū)，過于嚴格的用水上限可能會限制當?shù)亟?jīng)濟的結構和發(fā)展。例如，廣西支柱產(chǎn)業(yè)輕工業(yè)可能會遭受不必要的重大損失。
6. 工業(yè)用水和預估的工業(yè)用水指標（紅色陰影代表誤差范圍）。2060年，實現(xiàn)碳中和將使全國工業(yè)用水降低24%，12省將實現(xiàn)工業(yè)用水紅線目標，大部分位于水資源短缺的北方，而9個華南和西北省份不足以達到工業(yè)用水目標。
7. 碳中和與水紅線目標相關關系。實現(xiàn)碳中和將使2060年全國工業(yè)用水降低24%至119 km3，低于2017年用水量，預計將實現(xiàn)全國水紅線目標。
討論與結論
與現(xiàn)有大多數(shù)回顧性研究不同，本研究基于綜合評估方法的事前分析依賴于許多社會經(jīng)濟因素以及難以預測的GDP、人口、投資和技術進步等外生假設，而捕獲所有這些因素的動態(tài)變化是相當困難的，因此本研究包含了巨大的不確定性。
同時，CGE模型中的影子價格是由模型產(chǎn)生的內(nèi)生價格，通常高于現(xiàn)實世界中的碳價格或碳稅，因為CGE模型通常以基準年相對靜態(tài)的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來模擬未來的經(jīng)濟發(fā)展，在技術進步方面相對保守，進而會高估碳減排成本，也可能會高估各地區(qū)的宏觀經(jīng)濟損失。
而在現(xiàn)實中，碳價格信號更有效地刺激技術創(chuàng)新，從而研發(fā)更先進的低碳和零碳技術和新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，彌補高碳產(chǎn)業(yè)退出帶來的經(jīng)濟損失。這種現(xiàn)象很難通過確定性結構模型（如CGE）內(nèi)生地捕捉到，需要在未來的研究中加以改進。盡管存在不確定性和局限性，CGE模型在氣候政策評估方面比宏觀經(jīng)濟模型、統(tǒng)計模型和工程模型更具優(yōu)勢。
雖然CGE模型無法揭示某個行業(yè)內(nèi)的技術流動或運營過程，但它能夠連接微觀和宏觀因素，以評估多個全社會或經(jīng)濟目標之間的聯(lián)系。
同時，本研究對包括山東、河北等省的巨大宏觀經(jīng)濟成本的預估也表明，如果這些地區(qū)繼續(xù)依賴現(xiàn)有高碳產(chǎn)業(yè)和技術，不提前進行技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉型以切換增長動能，其社會經(jīng)濟發(fā)展將在碳中和的時代浪潮下遭受巨大損失而不可持續(xù)。
本研究還探討了水資源的后“三條紅線”時代（2030年以后）的工業(yè)用水前景。鑒于中國的碳政策和水政策由不同主管部門制定，為了最大限度地發(fā)揮協(xié)同效益的潛力，減少潛在的權衡效應或雙輸效應，本研究建議制定更嚴格的全國工業(yè)用水總量目標和更差異化的省級用水目標，并更好地利用和促進關鍵部門的協(xié)同效益，在實現(xiàn)碳中和的同時實現(xiàn)更有效率的水資源配置。建議相關部門制定更加協(xié)調的政策：
（1）各省應充分考慮協(xié)同效益，以最大限度地降低實現(xiàn)節(jié)水目標及2030年以后水資源目標的成本。
（2） 避免省際和省內(nèi)產(chǎn)業(yè)結構調整造成的水資源短缺加劇，尤其是在北部和西部干旱地區(qū)。
（3） 根據(jù)水資源稟賦和省和地方層面的碳排放限制，因地制宜地制定產(chǎn)業(yè)升級和/或重組規(guī)劃。此外，在短期內(nèi)，為現(xiàn)有企業(yè)提供升級節(jié)水技術的優(yōu)惠政策將有助于實現(xiàn)總用水目標。
