黄河流域煤化工园区水-能-碳耦合协调分析及驱动因素研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Coupling Coordination Analysis and Driving Factors of Water-Energy-Carbon in Coal Chemical Parks of the Yellow River Basin

　　摘要
煤炭化工园区是黄河流域内煤炭化工产业的主要枢纽。明确其水-能源-碳三者之间的耦合协调程度对于促进高质量区域发展具有重要的实际意义。本研究建立了理解水-能源-碳相互作用的理论框架。以黄河流域六个省（自治区）的16个煤炭化工园区为例，分析了它们的耦合协调程度的演变特征和驱动因素。分析采用了耦合协调度模型、灰关联度模型和Moran's I指数，数据覆盖2014至2023年期间园区的经济绩效、资源和能源消耗以及污染物排放情况。研究结果表明：（1）在研究期间，这些园区的水资源效率提高了25.60%，而能源效率下降了18.47%，碳排放强度增加了17.66%；效率存在空间梯度：下游地区>上游地区>中游地区。（2）园区的耦合协调程度经历了显著波动，呈现出“中间协调→轻微紊乱→优秀协调→严重紊乱→中间协调”的演变过程。（3）水资源消耗与园区级别的耦合协调度的相关性最高，相关系数为27.02%。（4）随着时间的推移，空间聚集效应增强，从无显著的空间相关性变为正的空间相关性，表明区域协同作用得到提升。基于这些发现，本研究提出了针对性的政策建议。

引言
随着经济社会的发展和人类活动的影响，全球资源与环境正面临严峻挑战。在全球气候变化、水资源短缺、能源枯竭和二氧化碳排放的背景下，可持续发展已成为重大威胁（Fu等人，2021年）。作为世界上最大的水资源和能源消费国以及最大的二氧化碳排放国之一（Wang等人，2016年），中国2023年的总能源消费量为170.74艾焦（EJ），占全球能源消费量的27.55%。其中，煤炭消费量为91.94艾焦，占总能源消费量的53.85%（《世界能源统计年鉴》，2024年）。同年，中国的二氧化碳排放量为126亿吨，占全球排放量的33.69%（2024年二氧化碳排放数据）。与此同时，中国人均可用水资源仅为世界平均水平的四分之一，水资源短缺严重阻碍了社会发展。因此，确保资源安全、保护生态系统和应对气候变化已成为中国的关键优先事项（Jiang等人，2020年）。

黄河流域是中国重要的“能源基地”（中共中央，2021年），拥有丰富的自然资源，包括煤炭、石油和天然气，并拥有多个重要的能源、化工、原材料和重工业基地。该流域在国家发展和社会主义现代化中占据关键地位，其生态保护和高质量发展已被提升为国家战略。然而，黄河流域具有复杂的地理条件和脆弱的生态系统（Zhang等人，2022年）。工业活动主要集中在园区内，且严重依赖传统的重工业，如煤炭化工和石化行业。这些活动导致了严重的问题，包括水资源短缺、高能源消耗和大量的碳排放。值得注意的是，该流域的水资源利用率已超过80%，远超过通常认为对河流流域安全的40%的生态预警阈值（Feng等人，2022年），从而对该地区造成了巨大的资源和环境压力。

近年来，随着“碳达峰和碳中和”目标的提出以及工业节水、能源效率提升和减排研究的深入，学者们逐渐认识到，促进黄河流域的高质量发展不能仅依赖于单一系统。相反，应将水-能源-碳（WEC）三者关系视为一个相互关联和相互整合的系统，并阐明其耦合机制和协调关系。一方面，水资源和能源是工业生产的基本投入，两者相互依赖：水参与能源生产的多个阶段，而在水资源的提取、运输和利用过程中消耗大量能源（Chini等人，2022年）；另一方面，碳排放强度反映了工业活动对环境的影响。水资源的开发和使用会产生碳排放，而能源的提取、转化、运输和消耗是碳排放的主要来源（Stokes等人，2022年）。作为工业发展的主要场所，工业园区成为国家和地区经济社会进步的关键推动力。它们在水-能源-碳综合治理方面的成效对实现中国的双碳目标具有典范意义。

目前关于黄河流域内水、能源和碳系统耦合协调的研究主要集中在大规模分析上。例如，Sun（Sun等人，2024年）为该地区的产业开发了一个WEC评估指标，并考察了1999至2019年的省级耦合协调程度。研究发现，该流域处于高度耦合状态，整体耦合水平持续提升，且能源-碳耦合程度超过了水-能源和水-碳两者之间的耦合程度。Chen（Chen等人，2025年）研究了2006至2021年间该流域九个省份的WEC耦合协调程度的时空变化，发现协调程度总体上呈上升趋势，并提出了分区优化策略：上游地区应加强水-碳协同补偿机制；中游地区应促进节水和节能技术的整合；下游地区应发展以“工业低碳化+跨区域生态补偿”为核心的模式。Pang（Pang等人，2024年）分析了2002至2022年间该流域57个城市的耦合协调程度，发现“水-能源-环境”耦合协调程度逐渐增加，空间差异表现为下游地区>上游地区>总体平均水平>中游地区。同样，Liu（Liu等人，2023年）评估了2012至2021年间57个城市的耦合协调程度，发现流域内的耦合协调程度在东部和南部较高，而在西部和北部较低，并存在显著的正空间相关性。

现有的WEC研究主要关注省级和市级尺度，将整个省份的资源和能源效率视为一个整体。然而，不同行业和园区在空间分布、技术路线、产品组合和水资源禀赋方面存在显著差异。这种明显的空间异质性意味着省级或市级层面的平均指标无法反映微观层面的真实情况。黄河流域的煤炭化工产业十分发达，其中中游和上游地区的园区占该地区所有资源依赖型园区的48.14%。在这些煤炭化工园区中，水、能源和碳通过复杂的工业过程紧密相连并相互制约：水资源消耗驱动能源消耗，能源消耗直接导致碳排放，而碳捕获、利用和储存（CCUS）技术的应用本身也是一个高耗水过程。园区是煤炭化工产业的基本运营单元，也是实现水、能源和碳协同优化的最终执行实体。因此，在黄河流域生态保护和国家“双碳”目标的背景下，深入理解WEC耦合机制是实现这些园区绿色、低碳和可持续发展的关键前提。

为了更精确地描述黄河流域的WEC耦合协调程度，并克服因研究范围过大导致的协同模式过于宽泛的问题，本研究进一步缩小了空间范围，重点关注煤炭化工产业——该流域最具代表性的高耗水、高能耗和高排放行业——并构建了煤炭化工园区层面的耦合协同效率综合评估框架。利用2014至2023年的数据，研究了黄河流域内煤炭化工园区的资源、能源和碳排放的时空演变情况。应用耦合协调度模型分析了园区内的水-能源、水-碳、能源-碳以及综合WEC耦合协调程度。灰关联分析模型用于识别耦合协调度变化的主要驱动因素，而空间自相关模型（Moran's I）用于评估流域内不同煤炭化工园区之间的空间关联程度。本研究旨在：（1）丰富黄河流域WEC耦合的研究规模，提供这一三元耦合系统内相关性的新见解；（2）研究煤炭化工园区耦合协调发展の时空演变特征；（3）明确耦合协调程度的主要驱动因素及不同园区之间的空间相关程度。该研究对于推进黄河流域的生态保护和高质量发展具有重要意义。

研究框架和数据来源
在资源短缺、环境污染和经济发展之间的矛盾日益突出的背景下，促进黄河流域内水、能源和碳系统的协调耦合对于实现高质量区域发展具有重要的实际意义。研究工业园区（该流域工业活动的主要枢纽）的资源和能源消耗与经济增长之间的关系，可以为……

结论
通过对黄河流域6个省（自治区）16个煤炭化工园区的WEC耦合分析，描述了该流域上游、中游和下游园区的资源利用、能源消耗和污染排放的演变特征。研究利用耦合协调度模型阐明了水-能源、水-碳、能源-碳以及综合WEC子系统之间的协调关系。灰关联度模型用于识别耦合协调度变化的主要驱动因素……

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFC3904101）和中国国家重点研发计划（项目编号2022YFC3901301）的支持。

作者贡献声明
Xiaoming Sun：撰写、审稿与编辑、项目监督；
Qi Qiao：项目监督；
Yaozong Zhang：调查、数据管理；
Yalong Li：撰写、初稿撰写、软件开发、调查；
Yong Wang：数据分析、数据管理；
Zeying Li：撰写、审稿与编辑、方法论制定、概念化；
Yingying Bi：撰写、初稿撰写、方法论制定、调查。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知利益冲突或个人关系。