Embodied water analysis for Hebei Province, China by input-output modelling

Abstract

With the accelerating coordinated development of the Beijing-Tianjin-Hebei region, regional economic integration is recognized as a national strategy. As water scarcity places Hebei Province in a dilemma, it is of critical importance for Hebei Province to balance water resources as well as make full use of its unique advantages in the transition to sustainable development. To our knowledge, related embodied water accounting analysis has been conducted for Beijing and Tianjin, while similar works with the focus on Hebei are not found. In this paper, using the most complete and recent statistics available for Hebei Province, the embodied water use in Hebei Province is analyzed in detail. Based on input-output analysis, it presents a complete set of systems accounting framework for water resources. In addition, a database of embodied water intensity is proposed which is applicable to both intermediate inputs and final demand. The result suggests that the total amount of embodied water in final demand is 10.62 billion m³, of which the water embodied in urban household consumption accounts for more than half. As a net embodied water importer, the water embodied in the commodity trade in Hebei Province is 17.20 billion m³. The outcome of this work implies that it is particularly urgent to adjust industrial structure and trade policies for water conservation, to upgrade technology and to improve water utilization. As a result, to relieve water shortages in Hebei Province, it is of crucial importance to regulate the balance of water use within the province, thus balancing water distribution in the various industrial sectors.

Keywords

input-output analysis / Hebei Province / embodied water / embodied water intensity

References

[1] Allan J A (1996). Policy responses to the closure of water resources. In: Howsam P, Carter R, eds. Water Policy: Allocation and Management in Practice. London: Chapman and Hall

[2] CCSY (2008). China City Statistical Yearbook (2007).Beijing: China Statistical Publishing House (in Chinese)

[3] Chapagain A K,  Hoekstra A Y (2011). The blue, green and grey water footprint of rice from production and consumption perspectives. Ecol Econ, 70(4): 749–758

[4] Chen B, Chen  G Q (2007a). Resource analysis of the Chinese society 1980‒2002 based on exergy—Part 4: fishery and rangeland. Energy Policy, 35(4): 2079–2086

[5] Chen G Q, Chen  B (2007b). Resource analysis of the Chinese society 1980‒2002 based on energy—Part 5: resource structure and intensity. Energy Policy, 35(4): 2087–2095

[6] Chen G Q, Shao  L, Chen Z M,  Li Z, Zhang  B, ChenH,  Wu Z (2011). Low-carbon assessment for ecological wastewater treatment by a constructed wetland in Beijing. Ecol Eng, 37(4): 622–628

[7] Chen G Q, Chen  Z M (2010). Carbon emissions and resources use by Chinese economy 2007: a 135-sector inventory and input–output embodiment. Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 15(11): 3647–3732

[8] Chen G Q, Chen  Z M (2011a). Greenhouse gas emissions and natural resources use by the world economy: Ecological input–output modeling. Ecol Modell, 222(14): 2362–2376

[9] Chen G Q, Guo  S, Shao L,  Li J S,  Chen Z M (2013). Three-scale input-output modeling for urban economy: carbon emission by Beijing 2007. Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 18(9): 2493–2506

[10] Chen G Q, Han  M Y (2015a). Global supply chain of arable land use: production-based and consumption-based trade imbalance. Land Use Policy, 49: 118–130

[11] Chen G Q, Han  M Y (2015b). Virtual land use change in China 2002–2010: internal transition and trade imbalance. Land Use Policy, 47: 55–65

[12] Chen G Q, Li  J S (2015). Virtual water assessment for Macao, China: highlighting the role of external trade. J Clean Prod, 93: 308–317

[13] Chen Z M, Chen  G Q (2011b). Embodied carbon dioxide emission at supra-national scale: a coalition analysis for G7, BRIC, and the rest of the world. Energy Policy, 39(5): 2899–2909

[14] Chen Z M, Chen  G Q (2013). Virtual water accounting for the globalized world economy: national water footprint and international virtual water trade. Ecol Indic, 28(5): 142–149

[15] Chen Z M, Chen  G Q, Xia X H, Xu S Y (2012). Global network of embodied water flow by systems input-output simulation. Front Earth Sci 6(3): 331–344

[16] Han M, Guo  S, Chen H,  Ji X, Li  J (2014a). Local-scale systems input-output analysis of embodied water for the Beijing economy in 2007. Front Earth Sci 8(3): 414–426

[17] Han M Y, Chen  G Q, Meng  J, Wu X D,  Alsaedi A,  Ahmad B (2016). Virtual water accounting for a building construction engineering project with nine sub-projects: a case in E-town, Beijing. J Clean Prod, 112(Part 5): 4691–4700

[18] Han M Y, Chen  G Q, Mustafa  M T, Hayat  T, Shao L,  Li J S,  Xia X H,  Ji X (2015). Embodied water for urban economy: A three-scale input–output analysis for Beijing 2010. Ecol Modell, 318: 19–25

[19] Han M Y, Sui  X, Huang Z L,  Wu X D,  Xia X H,  Hayat T,  Alsaedi A (2014b). Bibliometric indicators for sustainable hydropower development. Ecol Indic, 47: 231–238

[20] Hoekstra A Y (2003). Virtual water trade: proceedings of the international expert meeting on virtual water trade. Value of water research report series, No. 12. Delft: IHE

[21] HSY (2008). Hebei Statistical Yearbook 2007.Beijing: China Statistical Publishing House (in Chinese)

[22] Klaassen L H (1973). Economic and social projects with environmental repercussions: a shadow project approach. Reg Urban Econ, 3(1): 83–102

[23] Kumar M D, Singh  O P (2005). Virtual water in global food and water policy making: is there a need for rethinking? Water Resour Manage, 19(6): 759–789

[24] Lambooy T (2011). Corporate social responsibility: sustainable water use. J Clean Prod, 19(8): 852–866

[25] Leontief W W (1936). Quantitative input and output relations in the economic systems of the United States. Rev Econ Stat, 18(3): 105–125

[26] Li X, Feng  K, Siu Y L,  Hubacek K (2012). Energy-water nexus of wind power in China: the balancing act between CO₂ emissions and water consumption. Energy Policy, 45(11): 440–448

[27] Ma J, Hoekstra  A Y, Wang  H, Chapagain A K,  Wang D (2006). Virtual versus real water transfers within China. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 361(1469): 835–842

[28] Mekonnen M M, Hoekstra  A Y (2010). A global and high-resolution assessment of the green, blue and grey water footprint of wheat. Hydrol Earth Syst Sci, 14(7): 1259–1276

[29] Mekonnen M M, Hoekstra  A Y (2011). The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products. Hydrol Earth Syst Sci, 15(5): 1577–1600

[30] Mekonnen M M, Hoekstra  A Y (2012). The blue water footprint of electricity from hydropower. Hydrol Earth Syst Sci, 16(1): 179–187

[31] Odum H T (1971). Environment, power and society.New York: Wiley-Interscience

[32] Odum H T (1996). Environmental accouting: emergy and environmental decision making.New York: Wiley-Interscience

[33] Odum H T, Brown  M T, Brandt-Williams  S (2000a). Handbook of emergy evaluation: a compendium of data for emergy computation issued in a series of folios; Folio #1 Introduction and global budget.  University of Florida, Gainesville, FL

[34] Odum H T, Brown  M T, Brandt-Williams  S (2000b). Handbook of emergy evaluation: a compendium of data for emergy computation issued in a series of folios; Folio #2 Emergy of Global Processes.  University of Florida, Gainesville, FL

[35] Odum H T, Odum  B (2003). Concepts and methods of ecological engineering. Ecol Eng, 20(5): 339–361

[36] Pang M, Zhang  L, Ulgiati S,  Wang C (2015). Ecological impacts of small hydropower in China: insights from an emergy analysis of a case plant. Energy Policy, 76: 112–122

[37] Shao L, Chen  G Q (2013). Water footprint assessment for wastewater treatment: method, indicator, and application. Environ Sci Technol, 47(14): 7787–7794

[38] Shao L, Chen  G Q, Hayat  T, Alsaedi A (2014). Systems ecological accounting for wastewater treatment engineering: method, indicator and application. Ecol Indic, 47: 32–42

[39] Shao L, Wu  Z, Zeng L,  Chen Z M,  Zhou Y, Chen  G Q (2013). Embodied energy assessment for ecological wastewater treatment by a constructed wetland. Ecol Modell, 252: 63–71

[40] Stelling G S, Duinmeijer  S P A (2003). A staggered conservative scheme for every Froude number in rapidly varied shallow water flows. Int J Numer Methods Fluids, 43(12): 1329–1354

[41] Wang C, Zhang  L, Chang Y,  Pang M (2015a). Biomass direct-fired power generation system in China: an integrated energy, GHG emissions, and economic evaluation for Salix. Energy Policy, 84: 155–165

[42] Wang P, Chen  G Q (2015). Environmental dispersion in a tidal wetland with sorption by vegetation.  Communications in Nonlinear Science & Numerical Simulation, 22(s 1–3): 348–366

[43] Wang P, Chen  G Q (2016). Transverse concentration distribution in Taylor dispersion: Gill’s method of series expansion supported by concentration moments. Int J Heat Mass Transfer, 95: 131–141

[44] Wang P, Li  Z, Wu X,  An Y (2015b). Taylor dispersion in a packed pipe with wall reaction: based on the method of Gill’s series solution. Int J Heat Mass Transfer, 91: 89–97

[45] Wang Y, Li  W, Wang Y,  Fu J (2015c). Integrate actions for water resources protection in Beijing-Tianjin-Hebei Region. China Water Resources, (1): 1–37

[46] Wei W D, Wu  X D, Wu  X F, Xi  Q M, Ji  X, Li G P (2016). Regional study on investment for transmission infrastructure in China based on the State Grid data. Front Earth Sci., 

[47] Wichelns D (2001). The role of ‘virtual water’ in efforts to achieve food security and other national goals, with an example from Egypt. Agric Water Manage, 49(2): 131–151

[48] Winnie G L, Hoekstra  A Y, Meer  T HVan   Der (2009). The water footprint of bioenergy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(25): 10219–10223

[49] Wu X D, Xia  X H, Chen  G Q, Wu  X F, Chen  B (2016a). Embodied energy analysis for coal-based power generation system-highlighting the role of indirect energy cost. Appl Energy, (In press) 

[50] Wu X D, Yang  Q, Chen G Q,  Hayat T,  Alsaedi A (2016b). Progress and prospect of CCS in China: using learning curve to assess the cost-viability of a 2×600 MW retrofitted oxyfuel power plant as a case study. Renew Sustain Energy Rev, 60: 1274–1285

[51] Wu X F, Chen  G Q, Wu  X D, Yang  Q, Alsaedi A,  Hayat T,  Ahmad B (2015). Renewability and sustainability of biogas system: cosmic exergy based assessment for a case in China. Renew Sustain Energy Rev, 51: 1509–1524

[52] Wu X F, Wu  X D, Li  J S, Xia  X H, Mi  T, Yang Q,  Chen G Q,  Chen B, Hayat  T, Alsaedi A (2014). Ecological accounting for an integrated “pig–biogas–fish” system based on emergetic indicators. Ecol Indic, 47: 189–197

[53] Xia X H, Hu  Y, Chen G Q,  Alsaedi A,  Hayat T,  Wu X D (2015). Vertical specialization, global trade and energy consumption for an urban economy: a value added export perspective for Beijing. Ecol Modell, 318: 49–58

[54] Zhang B, Chen  G Q (2010). Physical sustainability assessment for the China society: exergy-based systems account for resources use and environmental emissions. Renew Sustain Energy Rev, 14(6): 1527–1545

[55] Zhang B, Chen  Z M, Zeng  L, Qiao H,  Chen B (2015). Demand-driven water withdrawals by Chinese industry: a multi-regional input-output analysis. Front Earth Sci, 10(1): 1–16

[56] Zhang B, Li  J S, Peng B H (2014a). Multi-regional input-output analysis for China’s regional CH₄ emissions. Front Earth Sci, 8(1): 163–180

[57] Zhang L, Hu  Q, Zhang F (2014b). Input-output modeling for urban energy consumption in Beijing: dynamics and comparison. PLoS ONE, 9(3): e89850

[58] Zhang L X, Wang  C B, Bahaj  A S (2014c). Carbon emissions by rural energy in China. Renew Energy, 66(3): 641–649

[59] Zhang Z Y, Yang  H, Shi M J,  Zehnder A J B,  Abbaspour K C (2011). Analyses of impacts of China’s international trade on its water resources and uses. Hydrol Earth Syst Sci, 15(9): 2871–2880

[60] Zhou S Y, Chen  H, Li S C (2010). Resources use and greenhouse gas emissions in urban economy: ecological input-output modeling for Beijing 2002. Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 15(10): 3201–3231

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg