期刊佳文 | 长三角地区工业领域节水降碳协同推进研究

当前，人类活动排放温室气体引起的气候变化已成为全人类发展面临的共同严峻挑战，人类社会生存所必需的各类资源面临扰动风险。IPCC技术报告指出，淡水资源将受气候变化极大影响[1]，水资源的时空分异将更加凸显水安全保障问题[2]。我国水资源紧缺，以世界6%的水资源养育着世界近20%的人口[3]，经济社会发展对水资源消耗和温室气体排放仍有较大增量需求。随着产业结构持续升级、工业生产技术水平持续提升，工业领域水资源消耗和碳排放特征发生了较大变化。为促进工业领域水碳关系协调发展，深入研究分析水资源利用与碳排放的关系将为破解工业发展面临的资源环境约束提供有力支持。

面对实现碳达峰碳中和发展目标，水资源消耗与碳排放之间的关联分析逐渐成为研究热点。在工业领域，水是重要的生产资源要素，石油化工、生物医药等行业都需要水作为重要原材料；在电力生产中，水是水力发电的工作主体，在火力发电和核电厂是重要的热力载体。结束工业生产过程后的水变为工业废水，在废水处理过程中消耗大量能源资源会产生温室气体排放，同时由于废水含有大量有机物，会产生甲烷等温室气体排放。Wang等[4]对全国各产业类型的水耗、能耗、碳排放进行比较分析，指出轻工业属于水密集型产业、重工业是能源密集型产业。任明[5]对京津冀地区钢铁行业开展的研究表明，高炉-转炉炼钢技术工艺吨钢新鲜水耗量约为2.95m³，相较基于铁水和废钢的电弧炉炼钢工艺流程节省新鲜水约23%，但CO₂排放水平要高约18%。不同工业行业因工艺特征差异需消费不同能源品种，不同能源的碳排放强度和用水强度也有差异，如柴油的CO₂排放强度和用水强度分别为焦炭的1.09倍和3.33倍[6]。除微观的对比研究外，也有学者关注到中观和宏观的政策管理问题。例如，有研究从低碳发展模式的视角讨论水资源合理配置的方法[7]，有学者考虑到电力生产过程中水资源消耗与能源消耗联系紧密，认为应在“水-能”关系基础上分析温室气体排放[8]；Lam等[9]提出可从城市水系统碳排放入手；王洪臣[10]聚焦污水处理碳排放；也有讨论水利基础设施建设及运行过程的低碳化[11]等研究。许多学者在揭示水碳耦合关系方面开展了研究探索，如刘金良等[12]采用生命周期评价模型对食物系统水资源消耗和CO₂排放进行了核算，用以支撑分析食物系统节水降碳技术路径；杜景新等[13]从“水-能”关联的角度对河南省农业灌溉过程的碳排放开展了研究分析。“水-碳”关系研究多依托“水-能-碳”的视角来讨论[14-16]，但也有学者尝试直接讨论“水-碳”耦合关系，如纪义虎等[17]采用脱钩指数对沁河流域水资源消耗和碳排放关系进行了量化分析，并指出水资源利用效应和碳排放强度效应是驱动沁河流域碳排放量增加的主要因素。工业过程水与碳的纽带关系非常复杂，但目前少有研究聚焦工业领域“水-碳”关系，工业实现节能节水低碳发展缺少理论与实践分析支撑。我国已在多个“五年”规划中明确将万元工业增加水耗下降作为约束性指标，从“九五”“十五”时期下降30%，到“十四五”时期下降16%，工业领域持续推进水资源节约工作并取得了显著成效，尽管仍未明确工业领域碳排放控制量化目标，但随着碳排放总量和强度双控工作的深入推进，协同推进工业水耗和碳排放的管理需求愈发强烈。

长三角是中国经济发展最活跃、开放程度最高、创新能力最强的区域之一。自长三角区域一体化上升为国家战略以来，长三角GDP占全国的比重始终保持在24%左右，其以4%的国土面积创造了全国近1/4的经济总量。2023年，长三角地区GDP总量突破30万亿，常住人口总量达2.35亿人，人口密度达656人/hm²，是全国人口密度平均值的4.5倍。长三角地区是全国工业经济发展最发达的地区之一，产业体系最齐全、产业链条最完备，长三角污染物和碳排放控制已成为学者关注的焦点[18-20]。以长三角地区工业领域为研究对象，其代表性强、针对性高、需求强烈，具有很强的现实意义。鉴于此，本研究采用耦合协调度评估长三角地区工业领域节水降碳协同推进情况，并运用LMDI分解方法构建碳排放分解模型分析其驱动因素变化情况，以期为长三角地区工业发展实现绿色低碳高质量发展转型提供参考。

如图1所示，工业领域“水-碳”耦合关系分为直接联系和间接联系。直接联系表现在污水处理过程中因各种生化反应过程产生的CO₂、CH₄等温室气体排放，污水处理过程所需要的能源投入也将引起直接或间接的碳排放。间接联系以能源消耗作为中间关联因素，在社会水循环的取水、输水等环节需要消耗能源，部分化工生产工艺过程，如煤气化阶段需要水和化石能源作为原材料，在火电运行过程中需要消耗大量水作为冷却或是工作介质，而各类化石能源的消耗常伴随着碳排放。因此，当推进工业产业结构和能源消费结构调整，一方面水资源消耗也将随之出现结构性调整，另一方面工业生产引起的碳排放情况也将同步出现变化。例如，电子信息产业的水耗、碳排放强度远低于全流程钢铁行业水平。

参照文献[21]中开展的减污降碳经济发展综合发展评价研究工作，研究选取工业用水量、万元工业增加值用水量反映工业领域节水成效，工业领域CO₂排放量、工业CO₂排放强度反映降碳进展，并借用耦合协同度反映节水和降碳协同推进情况。研究采用二元耦合协调度来反映工业领域节水与降碳指标之间的耦合协调度，参照文献[22]的计算公式：

耦合协调度能定性反映工业领域节水和降碳协同推进的程度，但无法定量反映水资源消耗与碳排放变化的量化关系。各地区工业水资源节约工作启动较碳减排工作更早、成效相对更显著，碳减排工作挑战更大，故研究重点分析碳排放的驱动因素。在诸多因素分解方法中，对数平均迪式指数(LMDI)分解方法[23]具有多项优势，如可以消除不能解释的残差项、能处理数据存在零值的情况、计算过程相对简单等，其广泛应用于碳排放驱动因素分解[24-29]、水资源利用驱动因素分析[30-31]等相关研究领域，但针对省级层面工业领域的专项研究较少。

本研究考虑到协同推进节水和降碳的现实导向需求，选取全社会用水量、用水结构、单位水资源的工业增加值(工业产出率)、工业能耗强度和工业碳排放强度为分解对象，选用式(4)对工业CO₂排放量(CB)进行分解分析。

本研究以2010−2021年为研究时段，各省份的工业增加值、工业领域能源消费量来源于历年各省份统计年鉴，其中，工业增加值按2010年不变价进行折算；各省份总用水量、工业用水量来源于历年各省份水资源公报；各省份历年工业领域CO₂排放量来源于中国碳核算数据库(CEADS)(https://www.ceads.net.cn)，该数据库的排放量反映工业领域范围一，即直接消耗各类化石能源产生的CO₂排放。

长三角地区工业用水量呈波动变化情况。由图2可见，长三角地区整体工业用水量在2010−2020年期间持续下降，2021年由于江苏省工业用水量大幅反弹而引发长三角地区工业用水量不降反升，再次突破400×10⁸m³，较2010年仅下降5.8%。其中，江苏省工业用水量最大，尽管一度呈下降趋势，但在2021年迅速反弹至253×10⁸m³，占长三角地区工业用水量的62.1%；安徽省工业用水量仅随其后，2010−2021年呈先升后降趋势，2016年后保持稳定下降，2021年降至82×10⁸m³；上海市工业用水量仅在2010年和2021年高于浙江省，其他时间均为长三角地区最低，在2010−2015年快速下降，降幅达55.9%，之后保持平稳下降，在2021年略有反弹；浙江省工业用水量在长三角地区长期保持低位并呈持续下降趋势，2021年降至35.8×10⁸m³。从政策驱动来看，长三角地区各省份依托涉水相关发展规划严格落实将万元工业增加水耗量作为发展的约束性指标，并依托相关工业绿色发展政策有力抑制用水增长，尤其是江苏省在其“十二五”工业经济发展规划中明确提出了吨钢新鲜水耗的控制要求，各地在“十二五”和“十三五”期间都超额完成规划目标。

由图3可见，长三角地区各省份和整体单位水资源工业增加值基本保持增长趋势，年均增速为7.4%。2021年上海市单位水资源工业增加值略有下降，江苏省当年由于火电项目水资源量陡增引起工业用水产出率出现下降情况，并带动长三角地区整体出现明显下降；浙江省单位水资源工业增加值水平最好，以年均11.7%的增速逐渐提高，2021年约800元/m³；安徽省工业用水产出率在长三角地区中长期处于靠后位置，但仍实现了约9.9%的年均增速，到2021年略高于江苏省(190元/m³)。

从工业CO₂排放量变化来看，长三角地区工业领域CO₂排放量保持增长势头，除个别年份出现回调外，从2010年的12.1×10⁸t升至2021年的15.8×10⁸t，增幅达30.6%。安徽省工业领域CO₂排放变化情况与长三角地区变化趋势较为接近，均是在持续增长过程中出现零星回调，从2010年的2.24×10⁸t升至2021年的3.69×10⁸t，增幅达64.7%；江苏省是长三角地区工业领域CO₂排放量最高的省份，其排放量在持续增长过程中回调次数较多，并一度突破了7×10⁸t；浙江工业领域CO₂排放量较为平稳，在3×10⁸t附近波动；上海市是长三角地区工业领域CO₂排放量唯一呈下降趋势的省份，其排放量最低，从2010年的1.31×10⁸t降至2020年的1.13×10⁸t，并逐步保持平稳。近年来，受安徽省和江苏省工业领域CO₂排放量大幅波动的影响，长三角地区工业领域CO₂排放仍处于快速变动期。

由图4可见，长三角地区工业碳排放强度〔单位工业增加值CO₂排放量，单位为t/(10⁴元)〕呈快速下降趋势，浙江省和安徽省有些许波动，但碳排放强度降幅要明显低于单位水资源消耗产出工业增加值的升幅。2010−2021年，长三角地区工业碳排放强度降幅达36.7%，各地区降幅依次为40.0%(浙江省)、38.9%(安徽省)、38.0%(江苏省)和32.2%(上海市)。上海市工业碳排放强度长期最低，2021年降至1.19t/(10⁴元)；安徽省工业碳排放强度长期最高，2021年为2.14t/(10⁴元)；江苏省保持着长三角地区平均水平。

长三角地区节水降碳耦合协调度变化如图5所示，呈较明显的改善趋势，由勉强协调发展以下到良好协调发展水平以上，2021年受节水工作和CO₂排放反弹影响回落到初级协调发展水平。其中，上海市节水降碳耦合协调度改善情况最为迅速、稳定性最好，从最初的不协调发展到“十二五”末期就接近良好协调发展水平，并在“十三五”时期进一步提升到接近优质协调发展水平；浙江省节水降碳耦合协调度变化趋势与上海市接近，但由于工业体量近乎上海市工业体量的2倍，且水耗和CO₂排放控制成效不及上海市，从2010年的勉强协调发展改善到2021年的良好协调发展；江苏省是长三角地区工业体量最大的省份，得益于大力工业绿色低碳发展，节水降碳协同推进情况较好，在2020年之前与浙江省改善步伐一致，但在2021年火电负荷攀升带动工业水资源消耗和CO₂排放上升，耦合协调度降到勉强协调水平；安徽省工业领域受江浙沪辐射带动，在快速增长的同时发展水平也在稳步提升，节水降碳协调度水平持续稳定改善，在2021年进入良好协调发展水平。2021年江浙沪三地节水降碳耦合协调度均出现一定程度的下滑，工业用水量和碳排放强度均有反弹，需要引起高度重视，保持在“十二五”和“十三五”期间推进工业绿色低碳发展的决心和力度，推动长三角地区节水降碳协同度持续稳定改善，早日进入优质协调发展水平。

由图6可见，各影响因素在不同时段起着不同主导作用。对长三角地区而言，除2021年外，工业产出率一直是工业领域CO₂排放量攀升最主要的驱动因素，且随着长三角地区工业发展向电子信息、新材料、生物医疗等现代化产业转型加速，低水耗和低碳排放特征凸显，工业产出率的驱动效果逐渐减弱；工业能耗强度对工业领域CO₂排放基本起抑制作用；能源消费碳排放强度未能长期抑制工业CO₂排放，2012年驱动工业CO₂排放上升了1.03×10⁸t，说明长三角地区整体工业用能结构存在较大优化空间，是下一步推动工业领域CO₂排放控制的重点，且尽量推动以电代替化石能源和热力消耗，同步降低CO₂排放和水资源消耗；用水量的变化在大部分时段对CO₂排放起抑制作用，在2017年、2019年和2021年则表现为驱动增长效应；用水结构效应同样在大部分时段起抑制CO₂排放效应，但在2012年、2020年和2021年呈驱动排放增长效应。

浙江省情况与长三角地区有较大差异，浙江省是我国重要的轻工业基地，产业结构调整成效显著，已逐步从纺织、服装、皮革等劳动密集型产业为主向电气机械、通信电子、通用设备、汽车等技术密集型产业为主转变，数字经济发展驶入快车道，对于能源和水资源的需求得到了有效抑制。尽管浙江省工业产出率保持长期驱动增长状态，但用水量、用水结构效应、工业能耗强度和能源消费碳排放强度展示出的较为均衡的CO₂排放抑制效应，是工业结构调整、产业绿色低碳发展水平快速提升的力证。

上海市既有传统重工业也有高精尖制造业，电子信息产品制造、生物医药制造、成套设备制造、精品钢材制造、石油化工及精细化工制造业和汽车制造业是上海市的优势产业，自“十二五”以来持续推动产业规模和发展水平的提升，但产业结构类型和工业用能结构调整进展相对不明显，这一点也反映在上海市用水结构效应、工业能耗强度和能源消费碳排放强度等因素未能有效抑制工业领域CO₂排放。

安徽省工业发展以水泥、家电、汽车、机械等产业为特点，自“十二五”以来积极推进工业节能节水，淘汰落后产能和化解过剩产能走在全国前列，新能源汽车、工业机器人、新型显示、集成电路等战略性新兴产业得到快速发展，但新兴产业发展实力不够稳固，持续引领全省工业发展的态势尚未巩固，体现在工业产出率、能源消费结构和用水效率的波动变化。从各项驱动因素来看，工业能耗强度抑制CO₂排放量超过1.5×10⁸t，远超用水量、用水结构效应和能源消费碳排放强度的抑制效果，也反映出工业用水效率有待深度提高的需求。

江苏省各项因素的影响幅度相对较大，在2013年、2014年和2021年对长三角地区整体指数分解结果有重要影响，江苏省2021年用水量和用水结构效应出现反转并产生巨大驱动效用，主要是当年电力工业用水量由80×10⁸m³飙升至210.2×10⁸m³，对全省以及长三角地区的用水量和用水结构效应产生了巨大影响，扭转了长三角地区用水量和用水结构效应持续优化的趋势。江苏省持续提升工业企业节能增效工作成效显著，2010−2021年工业能源强度改善累计抑制CO₂排放量达3.41×10⁸t，高于工业产出率驱动的CO₂排放增长量，但能源消费碳排放强度因素未能有效抑制CO₂排放，工业能源消费结构有待深度调整。

2010−2021年各驱动因素的累计效应如图7所示，工业产出率和用水结构效应的变化分别助推长三角地区工业领域CO₂排放量上升了10.3×10⁸和0.76×10⁸，用水量、工业能耗强度和能源消费碳排放强度的变化分别抑制了0.93×10⁸、6.07×10⁸和0.32×10⁸t的CO₂排放。工业能耗强度的持续改善是控制CO₂排放的关键，提升能源消费碳排放强度的抑制效应则是需要突破的难题。影响浙江省工业CO₂排放较为重要的驱动因素是工业产出率和能源消费碳排放强度，在当前工业发展趋势下改善预期较为乐观。改善能源消费碳排放强度是控制上海市、江苏省、安徽省工业CO₂排放上升的关键因素。江苏省与其他三省份情况差异较大，其工业产出率、用水结构效应和用水量则都驱动了工业CO₂排放的上升，有必要考虑在江苏省制定工业领域节水降碳协同控制专项行动。工业产出率的提升是发展的刚性需求，预期未来仍将持续推动长三角及各省份工业领域CO₂排放量攀升；需要扭转用水结构效应对工业领域CO₂排放由驱动作用转变为抑制作用的趋势；此外，需不断提升工业节水能力，着力发展水资源消耗少、碳排放强度低的产业类型，进一步撬动用水量和工业碳排放强度下降的抑制作用，助力长三角及各省份的工业发展早日摆脱水资源和CO₂排放的约束。研究[32]指出，浙江省、江苏省和上海市的工业用水效率自“十二五”以来基本保持平稳，需要进一步提升工业技术创新能力，持续通过工艺升级实现节水降碳。对于火电等工艺较成熟行业，主要依靠提高水资源重复利用率实现节水[33]，火电的节水降碳对江苏省和安徽省尤为重要。此外，长三角地区需全面贯彻落实《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》和《长三角地区一体化发展三年行动计划(2024−2026年)》中在产业分工协作、科技协同创新、电力互济等方面的工作安排，有序提升区域工业整体绿色低碳发展水平。

a)长三角地区工业用水量呈波动变化，地区整体工业用水量在2010−2020年持续下降，2021年由于江苏省工业用水量且主要是电力行业用水量攀升而带动长三角地区工业用水量不降反升；安徽省工业用水量先升后降；浙江省工业用水量在长三角地区长期保持低位，呈持续下降趋势；上海市工业用水量稳中有降。

b)长三角地区工业领域CO₂排放量保持增长势头，仅个别年份出现回调，其中，江苏省CO₂排放占比最高，安徽省与长三角地区整体变化趋势接近，浙江省工业领域CO₂排放较为平稳，上海市是唯一呈下降趋势的省份，其排放量最低。

c)长三角地区节水降碳耦合协调度呈较明显改善趋势，由勉强协调发展以下水平改善到良好协调发展水平以上，2021年回落到初级协调发展水平。

d)长三角地区工业产出率是工业领域CO₂排放最主要的驱动因素，驱动效果逐渐减弱，能源消费碳排放强度未能长期保持抑制工业CO₂排放的趋势，工业用能结构存在较大优化空间。影响浙江省和安徽省工业CO₂排放最重要的驱动因素是工业产出率和工业碳排放强度；江苏省与其他三省份情况差异较大，工业碳排放强度的抑制成效最为突出，用水结构效应的驱动作用接近工业产出率的驱动力。

e)长三角地区各省份需将推动工业能源消费结构低碳转型作为实现工业领域CO₂排放控制的重点，且尽量推动工业热泵和电热炉等电能替代，减少化石能源消耗，同步降低CO₂排放和水资源消耗。其中，江苏省可考虑在电力、钢铁等行业试点实施节水降碳协同控制专项行动，上海市、浙江省和安徽省可针对电力、化工等行业率先实施行业碳排放双控和用水强度管控，切实落实长三角一体化规划中有关产业协作、科技协同、电力互济等工作部署，严防类似江苏省在2021年出现的水碳逆势大幅反弹的局面，形成长三角地区工业绿色低碳发展合同，保持转型发展动能。