“十二五”全國萬元工業增加值用水量目標可達性分析

高曉冬,耿雷華,劉 恒,姜蓓蕾,童 坤

(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

2011年中共中央以一號文件發布了《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》,并召開了中央水利工作會議,對今后一個階段的水利工作做了全面部署,水利進入了一個全新的發展階段。2012年頒布的《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》中提出了總量控制紅線、用水效率紅線和水功能區納污紅線3條紅線要求。在水資源缺乏的背景下,提高用水效率是緩解水資源需求和水資源總量矛盾的有效方法。萬元工業增加值用水量是從宏觀上表征工業用水效率的指標, 《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》中在資源節約保護方面的目標里,提出萬元工業增加值用水量要下降30%[1]。2012年頒布的《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》中對這一指標提出了同樣要求。在全國水利發展“十二五”規劃中,萬元工業增加值用水量作為約束性指標,明確規定到“十二五”末期全國萬元工業增加值用水量要降至63 m3(以2010年價計算)[2]。因此,萬元工業增加值用水量指標在用水效率方面有著重要地位,在“十二五”期間,萬元工業增加值用水量指標能否實現是人們十分關心的問題。本文利用1997—2010年全國范圍以及31個省級行政區(港、澳、臺除外,下文同)各年份的萬元工業增加值用水量來預測2015年的全國萬元工業增加值用水量,從而分析該約束性指標是否能夠達到其預定目標。

1 萬元工業增加值用水量預測方法

萬元工業增加值用水量(也叫單位工業增加值用水量),是指生產每萬元工業增加值的工業用水量,是工業總用水量和工業增加值的比值，宏觀上通常用來表示工業生產的用水效率。

對于某一地區工業用水效率變化情況來看,在初期階段,工業用水效率發展進程比較緩慢,其萬元工業增加值用水量降低的也比較慢;隨著工業技術的不斷改革和發展,工業用水效率會不斷地提高和進步,此階段萬元工業增加值用水量降低速度會大幅度增加;在發展的后期階段,工業用水效率又會變得難以提高，萬元工業增加值用水量將會趨于某一數值。

對于不同地區的工業用水效率情況,在某一研究時段,該地區可能處于初期階段,也可能是經歷的發展階段,逐步向后期階段發展,也有可能是經歷的初期、發展以及后期3個時段,因此本文采取各種類型的數學曲線模型來對萬元工業增加值用水量系列進行擬合。

1.1 指數模型

現假設每年萬元工業增加值用水量相對變化速度保持恒定不變,則可以得到W的通解為指數模型:

W(t)=Cekt

(1)

若假設每年萬元工業增加值用水量相對變化速度為線性變化,則可以得到W的另一通解:

W(t)=Ceax2+bx

(2)

利用式(1)和式(2)來擬合萬元工業增加值用水量序列，必須要滿足其各自的假設,即萬元工業增加值用水量相對速度保持恒定或線性變化。但對于具體某一地區來說,單年的萬元工業增加值用水量相對變化速度會因隨機性變化很大,不能完全滿足假設,在該情況下,可以利用滑動平均或幾何平均法來分析序列潛在的變化規律。如圖1所示，從安徽省單年萬元工業增加值用水量相對變化速度序列來看不能很好地反映其規律,經過每4年的幾何平均后,該序列明顯有線性變化的趨勢。

圖1 安徽省萬元工業增加值用水量相對速度變化情況

1.2 Logistic模型

在描述生物生長規律時,常用Logistic模型來表述,其表達式為[3]

(3)

式中：P為某種生物的總體數量；M為環境能承載該種生物的上限；k為相對增長率;P0為某種生物的初始數量。

該模型的含義為:當某一物種生長初期,由于空間和食物充足,則該物種相對生長速度為一恒定值,但當生物數量發展到一定程度時,同物種之間的競爭會使得生物發展空間和食物來源不足,因此其相對增長率會變緩,最終生物總數趨于某一上限。

如果某一地區工業用水效率發展經歷了初期、發展以及后期3個階段,就可以對Logistic模型進行一定的對稱平移變換,用變換得到的公式對該類地區的萬元工業增加值用水量序列進行擬合。具體變換結果見式(4),表達式圖像見圖2。

(4)

圖2 經變換后的Logisitc曲線基本圖像

對式(4)求導可得:

(5)

從圖2和式(5)可以看出,最初階段,萬元工業增加值用水量下降比較緩慢,之后下降速度逐漸變快,最后又減慢,直至趨于某一穩定的下限。

1.3 其他函數

對于萬元工業增加值用水量系列,其總體呈下降趨勢,因此其他遞減函數亦可以用以試著擬合該數據系列,本文從實際數據擬合來看,推薦式(6):

(6)

1.4 年遞減率模型預測法

萬元工業增加值用水量整體上的遞減趨勢可用年平均遞減率來預測,其表達式為[4]

Wt=W0(1-J)t

(7)

式中：Wt為某地區預測年的萬元工業增加值用水量;W0為基準年的萬元工業增加值用水量;J為萬元工業增加值用水量年下降率;t為預測年和基準年的差。

當某地區各年的萬元工業增加值用水量的值難以用適當數學曲線來擬合的時候或者資料比較少的時候可以用該方法進行計算。該方法計算簡單,但是預測結果比較粗糙。

用式(1)、式(2)、式(4)和式(6)擬合萬元工業增加值用水量序列,對于情況不同的省有不同的解釋:適用式(1)和式(2)的省工業用水效率正處于發展階段;適用式(4)的省可以認為這些省經歷了工業用水效率發展的初期階段、發展階段以及后期階段;適用式(6)的省表明該省工業用水效率經歷了發展階段和后期階段,繼續提高比較困難,因此萬元工業增加值用水量年相對遞減速率由開始比較大,到后來遞減速率又開始變小。

2 萬元工業增加值用水量預測

本文采用1997—2010年水資源公報中全國以及各省萬元工業增加值用水量的數據,并利用全國以及各省工業增加值指數(數據來源2011年中國統計年鑒和各省2011年統計年鑒),將所有萬元工業增加值用水量轉換為2010年不變價,采用前文所述的數學函數,利用matlab曲線擬合工具箱curve fitting tool進行曲線的擬合。然后利用擬合的函數對2015年全國以及各省萬元工業增加值用水量進行預測。

2.1 全國萬元工業增加值用水量預測

采用時間序列作為自變量,萬元工業增加值用水量作為應變量,以1997年作為第1年進行擬合,擬合結果表達式為

y=288.3e-0.082 75x

(8)

擬合曲線見圖3。(自變量已轉化為年份),其相關系數平方R2=0.998 3,均方誤差為2.38。

圖3 全國萬元工業增加值用水量擬合曲線

利用式(8)對全國萬元工業增加值用水量進行預測,其計算結果為59.8 m3/萬元,低于63 m3/萬元的目標值。

2.2 各省萬元工業增加值用水量預測

利用同樣的方法,對全國各省2015年萬元工業增加值用水量進行預測,在實際操作過程中發現,西藏自治區萬元工業增加值用水量系列規律不是很明顯,曲線擬合法不適用,改用年遞減率法。各個省的擬合表達式以及2015年萬元工業增加值用水量預測結果見表1。

表1 各省萬元工業增加值用水量擬合結果

對于不同省所適用的表達式,可以判斷不同省的工業用水效率情況:①河北、黑龍江、河南、湖北、廣西、貴州、青海等省的工業用水效率可能正在穩步提高;②遼寧、江蘇、安徽、福建、湖南、重慶、四川等省的工業用水效率可能在快速提高;③山西、內蒙古、吉林、江西、山東、甘肅、新疆等省的工業用水效率可能已經經過快速發展階段,在現今的工業節水條件下,在未來的幾年內萬元工業增加值用水量可能達到下限;④北京、天津、上海、浙江、廣東、海南、云南、陜西、寧夏等省的工業用水效率可能已經經過快速發展階段,發展速度正在降低。

3 萬元工業增加值用水量預測值可達性分析

表2 各省工業增加值和工業用水總量預測

從全國的萬元工業增加值用水量直接曲線擬合預測來看,2015年該值已經低于約束目標所要求的63 m3/萬元。

下面從各省的萬元工業增加值用水量角度來考慮,計算2015年全國的萬元工業增加值用水量,看是否能夠達到該約束目標。參考各省國民經濟發展“十二五”規劃以及各省的工業“十二五”規劃里每個省對2015年工業增加值的規劃目標(資料來源各省國民經濟發展“十二五”規劃和各省工業發展“十二五”規劃),估算出各個省2015年的工業增加值,再利用預測出的各省2015年萬元工業增加值用水量數據,計算出每個省的工業用水總量,從而計算出全國的工業用水總量,具體見表2。

從表2可以看出2015年工業用水總量將預計為1 575億m3,全國“十二五”期間工業用水年均增長率為1.7%。為了計算全國單位工業增加值用水量,還需通過各省的工業增加值求得全國的工業增加值。由于國家在GDP上采取分級核算方式,全國GDP和各省GDP綜合并不相同,從1996年開始,國家GDP和各省GDP匯總存在差距,特別是近幾年來,各省GDP匯總和全國GDP差距有逐步擴大的趨勢[5]。因此為了計算全國的工業增加值,通過系數α對各省工業增加值進行縮減,具體采用式(9)。

(9)

式中：xi為各省工業增加值；x為全國工業增加值。

通過1997—2010年工業增加值數據(換算成2010年價格)來擬合α的趨勢,從擬合結果來看，2002年后α呈現線性規律,具體擬合見圖4。

圖4 系數α曲線擬合

擬合表達式為

y=0.034 17x+0.889 17

(10)

相關系數平方R2=0.995,利用式(10)求得2015年的α=1.367 55。于是計算得出2015年全國工業增加值為272 661.7億元,全國“十二五”期間工業增加值年均增長率為11.1%,萬元工業增加值用水量為57.7 m3。該值同樣低于約束目標63 m3。

從預測結果來看,北京、天津、山東、河北、遼寧、陜西的工業用水效率水平較高,其萬元工業增加值用水量在2015年已經小于20 m3,該部分省多數在黃淮海地區;工業用水效率較低的省為西藏和貴州,其萬元工業增加值用水量超過150 m3,該地區主要是西南不發達地區;湖北、重慶、江西等省萬元工業增加值用水量較高,在100 m3左右,這部分省主要位于長江上游、中游地區。2015年預測的工業用水比較大的省有江蘇、廣東、湖北、湖南等,其工業用水都超過100億m3。

4 結 語

利用1997—2010年全國以及各省萬元工業增加值用水量資料,對全國和各省的萬元工業增加值進行歷史數據曲線擬合并預測,2015年全國萬元工業增加值用水量預測為59.8 m3。采用各省萬元工業增加值用水量進行2015年的預測,在各省國民經濟發展“十二五”規劃以及各省的工業“十二五”規劃中得到各省的工業增加值,預測得到各省2015年工業用水量,從而得到2015年全國工業用水量為1 575億m3,通過比例系數分析計算,得到全國工業增加值為272 661.7億元,萬元工業增加值用水量為57.7 m3。因此認為“十二五”期間全國萬元工業增加值63 m3的目標是可以實現的。

對2015年全國工業用水量和工業增加值的預測進行了增長率的合理性分析,表明工業用水將保持年均1.7%的增長,工業增加值保持年均11.1%的增長，是符合現實情況的。通過本文建立的各省萬元工業增加值用水量數學擬合表達式,不僅可以預測各省不同水平年的萬元工業增加值用水量,同時也可為全國正在實行最嚴格的水資源管理制度中用水效率控制紅線關鍵考核指標萬元工業增加值用水量進行分解和考核，為分解和考核提供參考依據。因此,具有廣泛的應用價值和現實意義。

[1]中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要編寫組.中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要[EB/OL].[2013-04-09].http://www.gov.cn/2011lh/content_1825838.htm.

[2]國家發展與改革委員會.水利發展規劃(2011-2015年)[EB/OL].[2013-04-09].http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/2012tz/t20120621_486982.htm.

[3]JAMES S.Calulus[M].7ed.Brooks:Cole,2012.

[4]秦福興,耿雷華,陳曉燕.確定萬元GDP取水量定額方法的探索[J].水利學報,2004(8):119-122,128.

[5]向書堅,柴士改.地區與國家GDP核算總量數據銜接方法比較研究[J].統計研究,2011,28(12):14-21.