咸陽市用水量變化驅動效應與節水評價

張志旭，宋孝玉，劉曉迪，王紹娜，符 沖

(西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著工業和城鎮化的加速發展，水資源短缺逐漸成為制約經濟社會可持續發展的重要因素，水資源供需矛盾日益凸顯[1-3]。2014年習近平總書記提出節水優先戰略；2019年中國水周主題為“堅持節水優先，強化水資源管理”；同年10月，水利部出臺節水評價技術要求，12月舉辦第一屆“中國節水論壇”，進一步探討節水創新發展、節水新模式等，將節水作為解決供需矛盾的主要抓手。因此，分析城市用水變化成因，探究水資源供需內在矛盾，開展節水評價，進一步挖掘城市節水潛力，對水資源合理規劃、配置和采取相應的管理調控措施具有重要指導意義。

近年來，廣泛用于能源環境領域的因素分解模型也不斷應用于城市用水變化成因分析，并取得較好的效果。如張陳俊等[4]采用對數均值迪式指數(LMDI)分析了全國及各省份1998-2013年用水量變化影響因素；呂文慧等[5]基于拉斯拜爾指數構建產業用水變化的全要素分解模型，解析了新疆產業用水變化成因及時空分異；莊立等[6]基于能源消費增長完全分解法提出改進的結構分解模型，研究了京津冀地區10年間產業用水變化的驅動效應。上述研究雖采用不同的因素分解模式，但大體都是將其分解為經濟增長、技術進步(用水強度)、產業結構、人口等因素。不同省市各因素影響程度不盡相同，但均表現為技術進步是減少用水量的主要因素。由此，如若進一步分析節水技術進步空間，開展節水評價，將對城市用水管理更具實踐性。目前，對于節水評價已建立了較為全面的評價指標體系[7]，也發展了諸多成熟的評價方法，如層次分析法[8]、熵值法[9]、逼近理想解法[10](TOPSIS)、集對分析法[11]，模糊綜合評價法[12]、模糊元模型[13]等，不同方法各有千秋。層次分析法主觀性較強，而熵值法客觀性較強，所以將兩者結合的綜合賦權在節水評價中被廣泛應用[14-16]。

本文以資源性缺水的咸陽市為研究區，采用因素分解模型分析2007-2018年咸陽市用水變化驅動效應，而后采用層次分析法和熵值法綜合賦權進行城市節水評價，并與陜西省其他主要城市節水水平進行對比，挖掘城市節水潛力，以期為相關部門的水資源管理提供參考。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究區概況

咸陽市位于陜西省關中平原中部——八百里秦川腹地，自2017年西咸新區(面積為644.56 km2)劃轉后，咸陽市總面積9 544.84 km2。地勢北高南低，呈階梯狀，北部多為黃土高原溝壑區，南部為平原地區，高差明顯。因地形特征，咸陽市又分為兩個明顯差異的氣候區，南部平原地區氣候溫和，四季分明；北部高原溝壑區，氣候稍寒，冬春略長。全境年均降水量為567.9 mm，由南向北遞增。

咸陽市在“十二五”時期牢牢抓住新一輪西部大開發戰略、“一帶一路”建設等重大機遇，加快轉變經濟發展模式，三次產業結構由2010年的18.5∶52.2∶29.3調整為2015年的15.3∶57.2∶27.6，工業轉型升級步伐加快，GDP累計增長96.0%。2017年西咸新區從咸陽劃轉后，GDP減少4.0%；2018年咸陽市GDP增長3.7%，第三產業增幅最大(增長8.6%)，三次產業結構比為12.0∶56.9∶31.1。

咸陽市供水設施主要有地表水源工程和地下水源工程兩類，根據《咸陽市水資源承載能力監測預警機制報告》，2015年全市供水量為11.134 8×108m3，其中地下水源供水占比為53.7%，而咸陽市地下水已有4個一般超采區；2018年咸陽市地下水供水占比為43.2%，有一定改善，但這4個超采區仍然存在。咸陽市存在一定程度的水資源短缺問題。

2.2 研究方法

2.2.1 因素分解法 常用的因素分解模型有指數分解和結構分解[17]，指數分解模型一般采用近似計算，且其經濟學意義并不明確[6,17]，考慮科學性和易解釋性，本文采用莊立等[6]提出的結構分解模型。

設G0、Gt分別為研究時段咸陽市基期和末期的生產總值(108元)，S0、St分別為基期和末期的產業結構向量，其元素為各產業增加值占GDP的比重，E0、Et分別為基期和末期的用水效率向量，其元素為各產業單位增加值的用水量(m3/104元)，則產業用水變化量可表達為：

ΔW=Gt·St·Et-G0·S0·E0

(1)

并可分解為：

ΔW=Gt(St-S0)·Et+GtS0(Et-E0)+

(Gt-G0)S0·E0

(2)

式中：公式(2)右側第1項表示以t時期用水效率為參考基礎，由產業結構變化而導致的用水量變化，稱之為結構效應；第2項表示以基期的產業結構為基礎，由用水效率提升而導致的用水量變化，稱作技術效應；第3項表示單純由經濟規模變化而導致的用水量變化，稱作規模效應。

如將結構效應變換為以基期的用水效率為參考基礎，技術效應以t時期產業結構為參考基礎，可得第2種分解：

ΔW=Gt(St-S0)·E0+GtSt(Et-E0)+

(Gt-G0)S0·E0

(3)

將等式(2)、(3)相加得到最終的分解因式為：

(Et-E0)+(Gt-G0)S0·E0

(4)

用ΔWS、ΔWE、ΔWG分別表示等式(4)右側的3項，則有：

ΔW=ΔWS+ΔWE+ΔWG

(5)

等式(5)中右側ΔWS、ΔWE、ΔWG分別對應結構效應、技術效應、規模效應所導致的用水變化量，且ΔWS和ΔWE綜合考慮了基期和t時期的產業結構和技術水平，避免了分解結果的偏大或偏小，使分解結果更為明確[6,17]。

2.2.2 節水評價方法 考慮數據的易獲取性和穩定性，根據《節水型社會評價指標體系和評價方法》(GB/T 28284-2012)[18]，從農業、工業、生活和綜合節水方面，分別選取評價指標為節水灌溉面積比(%)、萬元工業增加值用水量(m3)、公共供水管網漏損率(%)和萬元GDP用水量(m3)。使用層次分析法和熵值法分別計算指標相對權重，而后采用拉格朗日乘數法綜合賦權[19]，公式如下：

(6)

式中：wj為第j個指標的綜合權重；w1j、w2j分別為層次法和熵值法第j個指標的權重，1≤j≤4；n為評價指標數。

綜合節水評價得分采用熵值法計算：

(7)

式中：Pi為第i個評價對象的得分；wj為第j個指標的綜合權重；xij為標準化后的第i個評價對象下第j個評價指標。本文評價對象為陜西省10個主要城市(西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市、渭南市、榆林市、延安市、漢中市、安康市、商洛市)。

2.3 數據來源與處理

根據上述因素分解模型，所需資料主要有咸陽市歷年生產總值、各產業增加值比重、各產業增加值用水量和相關節水指標。其中各部門用水量來源于《咸陽市供用水統計報表》(2007-2018年)，社會經濟指標來源于《陜西統計年鑒》(2010-2019年，內含2000-2010年陜西省各市各行業生產總值)；節水指標部分來源于《中國城鄉建設統計年鑒》(2017)。由于生產總值按三次產業增加值統計，而用水數據劃分為農業、工業、城鎮公共(服務業和建筑業)、居民生活和生態環境5個方面，為使兩者能夠匹配，參考莊立等[6]、張強等[20]的處理方法，在第二產業增加值中將建筑業增加值并進第三產業，對應于城鎮公共用水。此外，需要說明的是，2017年1月始，西安代管西咸新區，咸陽市境內屬西咸新區的人口及GDP數據計入西安市，但用水量數據從2018年開始區分統計，所以2017年產業用水量(農業、工業、城鎮公共用水量)是利用歷年各產業萬元GDP增加值用水量變化趨勢及2017年GDP數據，根據2018年用水統計數據及用水效率計算結果反向推求而得出；居民生活用水通過人均生活用水量變化趨勢結合人口變化推求；生態環境用水量是乘以咸陽市西咸新區劃轉后的面積占原面積的比例(0.94)得到，最終推求出2017年咸陽市各部門用水量及用水總量。

大數據時代的到來，一方面促進了傳統行業對創新路徑的探索與發展，加速了市場經濟的產業結構優化；另一方面，也使得市場對高素質人才的需求也愈發強烈[1]。目前，我國正處于信息高速發展的大數據時代，如何對教學資源信息、教育管理信息、教育學習行為信息與學習成果反饋加以利用分析，洞悉海量數據背后的學習行為關聯與教學模式變化趨勢，制定相應的計劃以提高學生的學習效率，保證畢業率與就業率，從而提升高校的核心競爭力，是各大高等教育院校亟待解決的難題。

3 結果與分析

3.1 咸陽市用水分析

3.1.1 用水總量及行業用水量變化趨勢 用水總量及各行業用水量可以直接體現一個地區的用水變化趨勢和用水結構，也可一定程度地反映該地的經濟結構。根據水資源公報統計，全市用水分為農業用水、工業用水、城鎮公共用水、居民生活用水、生態環境用水5個方面，圖1為2007-2018年咸陽市各行業用水量變化堆積圖。由圖1可以看出，咸陽市在2007-2009年用水總量小幅遞增，期間累計增長幅度為9.2%，之后2009-2016年用水總量小幅波動略有減少，至2016年用水總量為10.65×108m3，相比較于2009年的11.63×108m3，減少幅度為8.4%。2017年由于西咸新區交由西安代管，導致用水總量明顯下降，但2018年用水總量減少的趨勢仍沒有改變。總體來看，除2017、2018年，咸陽市2007-2016年10年間用水總量變幅不大，平均值為11.16×108m3，標準差0.32×108m3。

圖1 2007-2018年咸陽市各行業用水量堆積圖

從圖1還可以看出，農業用水量明顯減少，工業用水量緩慢減少，城鎮公共用水量基本保持不變，居民生活用水量隨著人民生活水平的提高略有增加，生態環境用水量呈小幅增長態勢，尤以2018年增長較為明顯。

圖1表明，2007-2018年咸陽市用水結構沒有發生明顯改變，農業用水量最大，一直占據用水總量的50%以上，其次為工業用水、居民生活用水；城鎮公共用水和生態環境用水較少。通過計算，2007-2018年產業用水量(農業、工業、城鎮公共)多年平均占總用水量的比例為87%，居民生活用水量和生態環境用水量多年平均占比為13%。2018年該兩者比例差距有所減小，其中主要是農業用水顯著減少，導致產業用水量占比降低至82%。

3.1.2 產業用水效率變化趨勢 2012年國家提出最嚴格水資源管理制度，將用水效率作為三條紅線之一，用水方式逐步轉向集約型發展。為分析咸陽市用水效率發展情況，根據咸陽市歷年用水數據計算出2007-2018年各產業萬元GDP增加值用水量，繪制為用水效率變化曲線見圖2。由圖2可以看出，農業、工業、第三產業和建筑業萬元GDP增加值用水量在2012年之前均快速下降，節水明顯，之后下降速度減緩，呈現出一定疲態。對2007-2016年各產業萬元GDP增加值用水量減少曲線進行擬合，發現均以二次多項式擬合效果最好，R2達到0.98以上，可說明各產業萬元GDP增加值用水量按一定規律穩定減小，同時也可佐證2017年各部門用水量的推求較為準確。

圖2 2007-2018年咸陽市各產業用水效率變化曲線

3.2 人口對用水量的影響

圖3為2007-2018年咸陽市人口與人均生活用水量變化過程。由圖3可以看出，2010年咸陽市人口外流明顯，之后人口保持3.0%的年增長速度平穩增長至2016年；2017年因行政區劃變動，人口減少約61萬人；2018年較2017年人口繼續減少，約減少1萬人。總體來看，咸陽市人口變化主要來源于人口自然增長率，且人口有外流趨勢。咸陽市人均生活用水量呈波動增加趨勢，主要是由于人民生活水平提高、節水器具普及等綜合因素導致。2018年咸陽市人均生活用水量為83.02 L/d，遠低于陜西省平均水平99.47 L/d，未來咸陽市人均生活用水量還將增加。

圖3 2007-2018年咸陽市人口與人均生活用水量變化曲線

3.3 產業用水量驅動效應分析

如前所述，產業用水量一直占據用水總量的80%以上，其變化特征直接決定用水總量的變化特征，則產業用水驅動效應即可認為是用水總量的變化原因。因此，進一步探究產業用水量變化與其內在的驅動因素，有助于更好地理解咸陽市經濟發展與水資源利用的因果關系。

3.3.1 連續時間序列產業用水量驅動效應分析 根據2.2.1小節將產業用水量驅動效應分解為結構效應、技術效應、規模效應3個因素，繪制2007-2018年由各因素導致的產業用水量逐年變化，結果見圖4。由圖4可以發現，除2016-2017年之外，規模效應均為正值，且數值相對較大，表明經濟規模擴大是產業用水增加的主要原因，表現為拉動作用；技術效應恒為負值，體現節水技術不斷提高使產業用水量減少，表現為抑制作用；結構效應僅在2009-2010和2010-2011年2個階段表現為拉動作用，其余時段均為抑制作用，說明產業結構多是朝著用水量減少的方向調整。2007-2018年，3種因素的效應疊加使產業用水變化呈現出波動下降趨勢，說明結構效應和技術效應的疊加能夠逐漸遏制經濟規模擴增所導致的產業用水量增長。

圖4 2007-2018年咸陽市由各因素導致的產業用水量逐年變化

圖5給出了2007-2016年咸陽市GDP增長趨勢與增速變化，結合圖5中GDP增速來分析用水量的變化。2008-2011年咸陽市GDP增速基本維持在較高水平，剔除2009年由于全球金融危機導致的經濟發展減緩，這期間3年的GDP平均增速達到27%，經濟高速發展導致用水量快速增加。但從技術效應可以看出，節水能力基本同速發展，致使產業用水量沒有增加(圖4)。2011年之后GDP增速放緩，其中2015年GDP增速下降至3.25%，這主要是由于當年我國發生了“過山車”式金融危機所致，由此規模效應顯著降低，亦沒有資本提升節水技術，導致當年產業用水量同比略有增加。總體來看，2012-2016年間，剔除2015年異常點，咸陽市GDP平均增速達14.2%，產業用水量總體減少，而技術效應與規模效應也波動減少，其原因試作以下分析。

圖5 2007-2016年咸陽市GDP增長趨勢與增速變化

ΔWE=1/2Gt·(St-S0)(Et-E0)

(8)

ΔWG=(Gt-G0)·S0E0

(9)

由公式(8)、(9)可看出，在經濟穩定增長與產業結構變化不大的情況下，技術效應所引起的用水變化量主要由(Et-E0)值決定，技術效應逐年減小，說明節水能力逐漸疲軟；由于(Gt-G0)和S0各年間變化甚微，規模效應所引起的用水變化量主要由E0決定，而E0是逐年減小的，故規模效應亦逐年減小。

整體來看，結構效應在3種因素中通常占比最小，但在某一年發揮較大作用，如圖4所示的2008-2009年、2012-2013年、2017-2018年，因產業結構調整導致用水量減少明顯，而在產業用水量已經逐年減少的情況下，產業結構仍向用水量減少的方向調整，一方面體現了咸陽市注重節水型社會建設，另一方面考慮咸陽市地下水超采，而不得不繼續抑制用水量的增加。

2017年西咸新區從咸陽市劃轉，所劃轉地域屬咸陽市經濟、技術發展程度較好的區域，規模效應由此出現負值，技術效應也一反常態，表現為拉動作用，可見西咸新區劃轉對咸陽市經濟和節水能力有較大影響。

3.3.2 不同階段產業用水量驅動效應分析 根據咸陽市用水總量變化趨勢，以2009、2016、2017年為時間節點，分階段進行因素分解，分析其驅動效應，分解結果見表1。

表1 2007-2018年不同階段咸陽市產業用水量變化驅動效應分解結果 108m3

由表1可知，2007-2009年間產業用水量增加了0.83×108m3，主要是由于經濟高速發展導致的用水量增長大于技術效應和結構效應的抑制作用；2009-2016年間產業用水量減少了1.23×108m3，其中規模效應值為17.85×108m3，技術效應值為-16.61×108m3，兩者數值相當，說明這一階段因規模效應導致的用水量增加與技術提升導致的用水量減少基本抵消，再疊加結構效應的抑制作用，產業用水量實現減少；若忽略2007-2016年中的小幅波動，將其作為一個趨勢時段，這期間產業用水量變化值為-0.41×108m3，說明咸陽市結構效應和技術效應的綜合抑制作用已能夠有效抵消經濟發展所導致的產業用水量增加，也表明咸陽市在經濟穩步發展的同時注重用水效率的提升，同時產業結構調整也總是表現出抑制作用，體現了建設節水型社會的發展方向；2017-2018年，西咸新區劃轉之后，咸陽市及時調整產業結構，結構效應成為用水量減少的主要原因，而規模效應退居最后，經濟增速在修復過程中，產業用水量持續減少。

3.4 節水潛力與節水評價

3.4.1 節水潛力 緩解水資源供需矛盾的主要抓手是提升用水效率、節約用水。用水效率可提升的空間大小即為節水潛力[21]。根據3.1.2小節咸陽市各產業用水效率變化趨勢來看，其產業用水效率已顯現出疲態，為進一步挖掘節水潛力，從農業、工業、生活和綜合節水方面分別對應選取節水灌溉比、萬元工業增加值用水量、公共供水管網漏損率和萬元GDP用水量4個節水指標，對陜西省10個主要城市進行對比，根據節水指標定性挖掘咸陽市節水潛力，對比結果見圖6。由于部分指標的最新數據為2017年，故選取2017年陜西省10個主要城市節水指標數據。咸陽市相關指標采用本文推求的2017年數值。

圖6 2017年陜西省10個主要城市節水指標對比

由圖6中可以看出，在生活節水方面，咸陽市公共供水管網漏損率為13.6%，落后于陜西省平均水平，但與各比較城市中的最優值(10.0%)差距較小；在工業節水方面，咸陽市萬元工業增加值用水量為14.8 m3，在陜西省10個主要城市當中位居第4，與最優值9.7 m3相比，仍有一定差距；在農業節水方面，咸陽市節水灌溉面積比為72.1%，略低于陜西省平均水平，與銅川市100%相比，還有較大提升空間；在綜合指標萬元GDP用水量方面，咸陽市為46.5 m3，雖然領先于陜西省平均水平，但處于倒數第4位，與陜西省最優值21.1 m3相比，存在較大差距。整體來看，咸陽市農業用水最具有節水潛力。

3.4.2 節水評價 參考節水型社會評價指標體系和評價方法[18]中相關指標的比例標度，建立節水評價準則層并計算對比矩陣，結果見表2。按照層次分析法計算，得到一致性比率CR，計算值為0.010，小于0.1，表明通過一致性檢驗。權重矩陣計算結果為w1=(0.5812，0.1634，0.1634，0.0919)。

表2 節水評價準則層對比矩陣計算表

根據熵值法計算步驟，對萬元工業增加值用水量、公共供水管網漏損率和萬元GDP用水量3項負向指標與節水灌溉比正向指標進行離差標準化處理，再計算評價因素的熵值，進而得出評價指標的權重為w2=(0.1837，0.2297，0.2530，0.3336)。

根據公式(6)優化組合權重，最終得到綜合權重w=(0.3635，0.2155，0.2262，0.1948)，進而計算綜合評價得分，結果見圖7。圖7表明，2017年陜西省10個主要城市綜合節水評價得分平均值為0.63，咸陽市為0.64，與平均值基本持平，處于陜西省中等水平，但對比節水型社會建設較好的城市，如寶雞市(得分0.91)、延安市和銅川市(得分0.78)，咸陽市還需加大節水創新力度。

圖7 2017年陜西省10個主要城市綜合節水評價分值

4 結論與建議

4.1 結 論

(1)2007-2018年咸陽市用水總量呈現先增加后波動減少的趨勢，其中生活和生態用水量逐漸增大，產業用水(農業、工業、城鎮公共)持續減少。總體上隨著GDP總值的增長并沒有造成用水量的持續增加。

(2)咸陽市產業用水量變化的主要驅動因素為規模效應的拉動作用與技術效應的抑制作用，規模效應一般略大于技術效應，再疊加結構效應多表現為抑制作用，總體上呈現產業用水減少的趨勢。

(3)咸陽市注重向節水型社會發展。在2007-2016年發展過程中，規模效應和技術效應基本同比例增大或縮小，結構效應在2008-2009年、2012-2013年、2017-2018年抑制用水量作用明顯，尤其在西咸新區劃轉之后，2018年結構效應成為用水量減少的主要因素。目前來看，咸陽市已能夠在維持經濟增速3.7%的情況下仍持續減少用水量，但用水效率的提升已顯疲態。

(4)在陜西省10個主要城市當中，咸陽市農業節水灌溉面積比、公共供水管網漏損率落后于陜西省平均水平；萬元工業增加值用水量、萬元GDP用水量領先于平均水平。綜合節水評價在陜西省位居第5，但與第1名存在較大差距。在農業、工業、城鎮公共、生活用水方面，咸陽市農業用水最具有節水潛力。

4.2 建 議

咸陽市經濟發展與用水總量控制符合可持續發展的戰略要求，基于用水總量控制，進一步提出以下建議：

(1)嚴格控制規模效應產生的用水量增加，以用水總量控制目標規劃未來咸陽市的經濟社會發展，量水而行，以水定需。

(2)合理調整產業結構，推動產業結構轉型升級。限制高耗水行業用水，促使其轉型或提升節水技術；在產業結構調整中，應著重向低耗水或無耗水的集約型產業發展。

(3)扎實踐行節水優先戰略，助推水資源利用高質量發展。咸陽市農業用水量占用水總量的多年(2007-2018年)平均比值為67.5%，而農田節水灌溉面積比低于陜西省平均水平，因此，咸陽市應重點加大農業節水力度。首先合理調整農業種植結構，再增建節水灌溉設施，提高灌溉水的利用效率，同時因地制宜發展雨水集蓄利用工程等非常規水源，充分挖掘節水潛力。