IMED文献 | 气候政策与可持续发展目标(SDG)关联分析
写在前面
合作应对气候变化、着力解决环境污染，已经成为各国的普遍共识，兼具强烈的政治和公众意愿。中国和世界经济都处于转变增长方式的关键时期，全球能源生产和消费正经历深刻革命，地区与国家高质量发展目标不断明晰，世界范围内低碳技术与气候融资方兴未艾，环境污染和气候治理成效与挑战并存。着眼未来，我们需要统筹好“发展”与“减排”的要求，加强能源、环境、经济的协同治理并实现多方共赢。
探索未来发展路径具有高度的不确定性，协同实现环境与发展的多重目标也错综复杂。在面向未来进行科学决策的过程中，系统分析模型可作为有力的支撑工具。模型模拟研究可以通过对社会-经济-环境复杂系统进行抽象化，运用机理公式、核算方法或优化函数，刻画自然环境系统与能源经济系统、社会系统之间的联动和相互作用，基于情景模拟和定量分析辅助决策者提出适当的科学解决方案和政策建议。
由北京大学环境科学与工程学院能源环境经济与政策研究室(LEEEP)、流域科学实验室(PKUWSL)等多个课题组联合自主开发的IMED模型 (Integrated Model of Energy, Environment and Economy for Sustainable Development，能源-环境-经济可持续发展综合评价模型），是一套适用于中国、区域和全球绿色低碳转型研究的模型体系。这一体系聚焦于模拟社会经济和能源环境系统，主要包括宏观经济模型(IMED|CGE)、能源技术优化模型(IMED|TEC)、系统核算模型(IMED|HIO)和人群健康模型(IMED|HEL)等分析模块。
目前，通过与其他地球环境系统模型的集成耦合，这一模型体系已被运用于中国中长期低碳发展路径与政策、气候变化与空气污染及其减缓政策的健康影响、气候-能源-经济-农业-水耦合联系等主题的分析。本系列推送旨在介绍运用IMED模型、针对经济系统绿色低碳转型中关键问题的分析成果，以期抛砖引玉，并鼓励更多的交叉学科研究。读者可在本公众号“IMED研究”栏目中浏览IMED模型及研究的更多相关内容。
>>>本期主题<<<
气候政策与可持续发展目标(SDG)关联分析
由于化石燃料在燃烧过程中同时释放温室气体和大气污染物，很多高能耗部门同时也是水密集型及高资源强度部门，因此这种同源性使得在采取碳减排政策的同时，可以改善空气质量、降低资源消耗、提高水质等，对实现可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）具有显著的协同效益，并且与我国建设资源节约型、环境友好型社会的发展目标一致。加强国内经济、能源、环境和应对气候变化的协同治理，可实现多方共赢的发展目标。
那么，减缓气候变化行动可以在多大程度上有利于大气污染治理？发电结构的低碳化对电力部门用水有多大影响？碳排放与能源利用、经济增长、水资源压力和水质变化之间又有什么关系？
为回答上述问题，LEEEP课题组近几年来拓展了IMED体系中的经济模型、添加用水和水污染物排放模块，并通过耦合温室气体与大气污染物协同效益模型（GAINS）、系统动力学与水环境模型（SyDWEM）、电力调度优化（EDO）等模型，在不同的时间和空间尺度上，评估了减排政策的能源-经济-大气-水的综合影响（如下图）。
气候政策与可持续发展目标(SDG)关联分析框架图
以下为我们在本期推送中甄选的相关已发表文章：
01/ 中国大气污染物减排的协同效益——基于省级层面的分析
02/ 中国各省电力部门面向2030年的节水潜力分析
03/ 碳减排对中国地方工业用水和污染物排放的一般均衡分析
04/ 快速城市化流域中碳-能源-水耦合关系模拟
05/ 中国碳减排对资源消耗的协同效益
【全文约4000字，全部读完需约5分钟】
01 - 中国大气污染物减排的协同效益——基于省级层面的分析
【ESI前1%高被引文章】
原文题目：Pursuing air pollutant co-benefits of CO2 mitigation in China: A provincial leveled analysis
期刊：Applied Energy
发表年份：2015
作者：Huijuan Dong, Hancheng Dai, Liang Dong, Tsuyoshi Fujita, Yong Geng, Zbigniew Klimont, Tsuyoshi Inoue, Shintaro Bunya, Minoru Fujii, Toshihiko Masui
关键词：空气污染物排放，协同效益，中国省份，GAINS-China模型，CGE模型
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.02.020
研究内容
本文结合CGE（IMED|CGE早期版本）和GAINS-China模型，预测了中国未来二氧化碳和空气污染物排放成本降低及其协同效益，为此本文根据是否采取碳减排政策以及是否采取空气污染物减排措施设置了4个情景。
研究发现
CO2减排措施可以显著降低SO2和PM2.5的减排成本，但对NOx的减排成本影响较小。SO2减排成本在S4情景下将从2005年的68亿欧元增加到2030年的212亿欧元，S2情景下将增加到2030年的301亿欧元；S2和S4情景下的PM2.5减排成本也将发生显著变化，2030年分别为124亿欧元和105亿欧元；而对于NOx，S2和S4情景下的减排成本几乎相同，仅从2005年的16亿欧元增加到2030年的760亿欧元。三种空气污染物传统视角的减排协同效益（即仅采取CO2减排措施所带来的空气污染物减少）均高于实际的减排协同效益，说明大多数传统的协同效益研究往往高估了实际减排协同效益。
从省级层面分析可知，CO2及空气污染物的排放和减排潜力与区域经济规模有着密切的关系，但GDP并不是影响排放的唯一因素。减排量与减排成本的协同效益具有相似的特点，即区域差异较大，但区域差异与GDP值并没有绝对的关系，在三种大气污染物中，SO2的减排成本协同效益最为显著。
总而言之，CO2减排政策不仅可以降低大气污染物排放，还可以降低减排成本。中国各省区各种污染物排放存在明显区域差异，协同效益也有类似的特征，但与GDP的关系较小。合理的投资配置机制应考虑当地资源禀赋、成本效益和减排潜力。
图1（a） 2020年省际间差异（b）不同情景下的二氧化碳和空气污染物排放（c）S2和情景S4下的大气污染物减排成本（d）2020年SO2、NOx、PM2.5协同效益分析
02 - 中国各省电力部门面向2030年的节水潜力分析
原文题目：Water conservation from power generation in China: A provincial level scenario towards 2030
期刊：Applied Energy
发表年份： 2017
作者：Mingquan Li, Hancheng Dai, Yang Xie, Ye Tao, Lars Bregnbaek, Kaare Sandholt
关键词：发电，可再生能源，冷却技术，分解分析
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.09.096
研究内容
本研究基于电力调度优化（EDO）模型，考虑不同的发电结构和用水强度情景，量化2015年至2030年中国发电用水量，并分析了不同电力来源的用水量及其地区差异，研究设置6个情景，包括两种发电结构（可再生能源发展政策和可再生能源高渗透率）和低、中、高三种发电用水强度。
研究发现
发电结构和用水技术将显著影响用水量，开发核电厂等用水密集型能源会增加用水量，而可再生能源的使用则避免大量用水。各省的用水量存在显著差异，2015年，发电用水量集中在中国北方和沿海地区，而2030年仍将集中在这些地区，主要是因为现有的燃煤电厂，以及天然气和核电厂都集中在上述地区。随着未来天然气和核电电厂发电量的增加，用水量将从2015年的0.06 Gt和0.10 Gt增加到2030年的0.75 Gt和0.64 Gt。发电规模、结构和技术的变化分别对用水量产生不同方向和程度的影响，发电结构和技术的改进有利于节约用水，有效抵消了正向规模效应。
总而言之， 6种情景下，2015~2030年的电力行业用水量均将下降，很大程度上归功于非化石能源的发展；我国发电用水量存在明显的区域差异，中国北方和沿海地区过去和将来都是电力消费的集中地区，改善发电结构和发展节水技术是缓解这些地区缺水问题的有效途径。通过驱动力分解分析可知，结构效应和技术效应都有利于节水，而技术效应对六种情景的节水效果最好。所以新建和改进燃煤、天然气、核电站的节水型冷却系统的部署，对于未来降低用水量具有重要意义。
图2（a）发电用水量的地理分布（b）2015-2030年不同情景下不同发电来源的用水量（c） 2015-2030年不同情景下中国发电总用水量（d） 2015-2030年各效应对减少用水量的贡献
03 - 碳减排对中国地方工业用水和污染物排放的一般均衡分析
原文题目：General Equilibrium Analysis of the Co-benefits and Trade-Offs of Carbon Mitigation on Local Industrial Water Use and Pollutants Discharge in China
期刊：Environmental Science & Technology
发表年份：2019
作者：Qiong Su, Hancheng Dai, Huan Chen, Yun Lin, Yang Xie, Raghupathy Karthikeyan
关键词：能源-水关系，二氧化碳排放控制，IMED|CGE模型，中国污染物减排
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05763
研究内容
本文结合IMED|CGE模型和中国深圳市的取水和污染物排放模块，评估碳减排策略对当地工业用水和与水相关的污染物排放的影响，为此本文根据是否采取碳减排政策和节水政策设置BaU和NDC两个情景。
研究结果
碳减排政策大大减少了深圳的二氧化碳排放和一次能源使用量，到2030年分别减少了67%和55%，但可能由于深圳可用的低碳技术很少或可再生能源价格上涨，碳减排成本会提高所有部门的生产价格。
碳减排政策的实施对深圳的宏观经济指标产生不同程度的负面影响，其中对出口和进口的影响最大，到2020年分别下降3.3%和3.6%，到2030年分别下降11.2%和8.8%。劳动密集型部门、运输部门、碳和能源强度较高的工业部门在碳减排情景下将会遭受较大的经济损失，而发电部门、电子工业和造纸部门的产出将略有增长。
碳减排政策通过限制碳和能源密集型产业来加速当地产业结构升级，而其中许多行业都是水密集型，所以可以看出减碳对当地工业用水具有协同效益，深圳的总用水量将从2007年的1192万吨增加到2020年的1317万吨、2030年的1252万吨。但是碳减排政策对部门用水影响不均衡，用水强度相对较高的工业部门会出现协同效益，但影响有限；对于发电、造纸和电子部门来说，碳减排会促进生产，所以要着重减少在这些部门用水强度。
碳减排政策可以减少CODCr、NH3-N、石油和V-ArOH的排放，但会稍微加重Pb、Hg、Cd和As等重金属（胶体）的排放，而且减少重金属排放时需要进行权衡取舍。技术导致的污染物排放减少量大于工业结构变化引起的减少量，所以应大力发展清洁技术。
图3（a）部门CO2排放量和相对CO2强度的变化（b）不同情况下一次能源的使用和相对能量强度的变化（c）选择的宏观经济指标（d）2020年和2030年NDC和BaU情景之间的部门产出的相对变化
04 - 快速城市化流域中碳-能源-水耦合关系模拟
原文题目：Modeling the carbon-energy-water nexus in a rapidly urbanizing catchment: A general equilibrium assessment
期刊: Journal of Environmental Management
发表年份: 2018
作者: Qiong Su, Hancheng Dai, Yun Lin, Huan Chen, Raghupathy Karthikeyan
关键词：碳-能源-水关系, 中国CO2排放控制, 工程措施, 水质, 可计算一般均衡（IMED|CGE）模型
文章链接:
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.07.071
研究内容
本研究结合IMED|CGE模型和系统动力学与水环境模型（SyDWEM），对中国快速城市化流域未来的能源利用、二氧化碳排放、经济增长、水资源压力和水质变化进行了预测，评估了二氧化碳减排策略和水工程措施的效果。研究设置了C0E0、C1E0、C0E1和C1E1四个情景，分别代表是（1）否（0）采取碳减排政策以及是（1）否（0）采取工程节水措施。
研究结果
碳减排可大幅度减少能源消费、提高能效、降低碳强度，引导产业结构低碳化转型。C0E0情景下的一次能源消费总量在2025年将增加到0.46 EJ，在C1E0情景下，一次能源消费在2015 - 2020年呈下降趋势，到2025年略有增加，但也仅为参考情景的41%。劳动力转移是深圳人口增长的主要决定因素，但近年来由于经济增速的放缓和劳动生产率的提高，平均年增长率远低于城市化初期。对于深圳河口可能面临严重的水资源短缺，单独实施水工程措施和碳减排策略都使得2025年水总需求有所减少，两者共同实施则效果更为明显，使得2025年水总需求相对于C0E0情景减少12.2%。碳减排策略对消减污染物产生有协同效应；而水工程措施可以进一步减少污染物排放。
总而言之，水工程措施可以大大缓解水资源压力。从需求侧方面，通过提升工业水循环利用技术、减少管道泄漏等工程措施可以提高用水效率；从供水方面看，工程措施可以通过增加输水定额和污水回用来增加潜在的供水。但单靠工程措施无法达到研究区水质改善目标，需要与二氧化碳减排的相关政策“双管齐下”。碳减排政策可以降低能源和水资源密集型产业的产出，从而促进当地产业结构调整，进而对生活和工业节水、污染物减排产生协同效益，对于满足当地用水需求和实现水质改善目标具有重要意义。
图4（a）不同情景下的总需水量、WSI和部门需水量的年度变化（b）2010 - 2025年不同情景下BOD5和NH3-N排放（c）2025年不同情景下退潮和洪涝期间BOD5和NH3-N浓度的空间分布（d）C0E0和C1E0情景下深圳一次能源消费总量、CO2排放、GRP和劳动力的年变化（e）2010 - 2025年4个站点在不同情景下的 BOD5和NH3-N浓度变化
05 - 中国碳减排对资源消耗的协同效益
原文题目：Co-benefit of carbon mitigation on resource use in China
期刊: Journal of Cleaner Production
发表年份: 2016
作者: Heming Wang, Hancheng Dai, Liang Dong, Yang Xie, Yong Geng, Qiang Yue, Fengmei Ma, Jian Wang, Tao Du
关键词:经济发展, 物质及能源使用, 碳排放,物质流分析（MFA), 可计算一般均衡(IMED|CGE)
文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421515301841
研究内容
本研究结合IMED|CGE模型和EW-MFA方法来估计中国未来的二氧化碳排放和资源消耗以及协同效益影响，设置了BaU、NDC和2-degree三个情景。
研究结果
2012~2030年，BaU情景下中国二氧化碳CO2排放量持续增加。与BaU情景相比，NDC、2-degree减少量依次增加。BaU情景下，2030年CO2排放量将增长50%，达到120亿吨左右，而NDC和2deg情景的CO2排放量将分别减少26.8%和47.0%。自2002年以来，我国金属矿物、非金属矿物和化石燃料的消耗迅速增加，而生物质消费的增长一直较为缓慢。在BaU、NDC、2deg不同碳约束设定下，2030年的中国金属矿物消费量分别增长到64亿吨、58亿吨和50亿吨，非金属矿物消费量分别增长到339亿吨、331亿吨和319亿吨。碳减排会使资源消费量减少，且碳约束越强，资源消耗减少量会更加显著。化石燃料消耗与二氧化碳排放的路径相似，因为它们具有很强的相关性。
中国CO2排放和资源消耗的快速增长与经济增长密切相关，实现CO2排放达峰有利于节约资源消耗并减少对环境的负面影响。本研究认为在总资源消耗仍将增加的背景下，虽然中国实现NDC和2度目标对经济增长存在潜在负面影响，但碳减排将对资源节约产生显著的协同效益，这一协同效益将在很大程度上缓解对经济发展的制约，进而有利于经济的可持续发展。
碳排放和资源消费还存在明显的行业差异。高排放、高资源利用的行业是传统重工业和能源相关行业，应该在这些部门采用额外的缓解政策，不仅因为它们具有最大的协同效应，而且成本最低。此外，第三产业的迅速发展可以弥补这些目标部门的产出损失。
图5 （a）中国2012-2030年二氧化碳排放（b）中国2012-2030年资源消费（c）不同资源在2012-2030年间变化趋势
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编辑：张思露 刘晓瑞
排版：胡卉然 刘晓瑞
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