考慮水資源承載力的鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳恬 董增川 姚弘祎

摘 要：為實(shí)現(xiàn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)及水資源高效利用，利用相關(guān)分析理論與灰色系統(tǒng)理論，研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量之間的關(guān)系，在確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向基礎(chǔ)上，構(gòu)建考慮水資源承載力的鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對(duì)不同水平年的區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案并進(jìn)行分析。2025年、2030年鄭州市第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比優(yōu)化后分別為1.28∶36.78∶61.94、1.13∶35.88∶62.99。模型優(yōu)化結(jié)果表明，鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在優(yōu)化的同時(shí)可提高水資源的利用效率。

關(guān)鍵詞：水資源承載力;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);優(yōu)化;鄭州市

Abstract：Aiming at upgrading the regional industrial structure and achieving efficient use of water resources， this paper used relevant analysis theory and grey system theory to study the relationship between industrial structure and water consumption. On the basis of determination of the direction of industrial structure optimization， an industrial structure optimization model considering water carrying capacity was constructed， optimized the regional industrial structure under different level years， determined the industrial optimization scheme and analyzed them. The proportion of industrial structure in 2025 and 2030 will be 1.28：36.78：61.94 and 1.13：35.88：62.99， respectively. The model optimization results show that the optimized industrial structure of Zhengzhou in the future level years will improve the efficiency of water resources utilization.

Key words： water resources carrying capacity; industrial structure; optimization; Zhengzhou City

地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及自然資源限制等因素息息相關(guān)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化受科技創(chuàng)新能力、自然資源狀況及產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向等諸多條件影響。水資源作為一種重要的自然資源，考慮水資源承載能力約束下的地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有助于使地區(qū)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水資源在不同產(chǎn)業(yè)間的優(yōu)化配置，對(duì)于提高水資源綜合利用效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，已有諸多學(xué)者分析研究地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境資源兩者關(guān)聯(lián)性及優(yōu)化問(wèn)題。其中：王輔信等[1]提出為使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境良性循環(huán)，倡導(dǎo)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);董鎖成等[2]提出資源性城市的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型需要多元化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;原毅軍等[3]運(yùn)用門(mén)檻回歸模型驗(yàn)證了環(huán)境規(guī)制可作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的新動(dòng)力;凡炳文等[4]、姜澤華等[5]、劉洋等[6]、蘇喜軍等[7]針對(duì)水資源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性及優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究;雷社平等[8]采用相關(guān)分析理論和方法，以北京市為例說(shuō)明1993—2001年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量之間有著高度相關(guān)關(guān)系;孫愛(ài)軍等[9]運(yùn)用回歸分析法研究了淮安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量占比之間的關(guān)系，量化用水比例同產(chǎn)業(yè)比例之間的關(guān)系，分析產(chǎn)值比例變化引起用水比例變化的機(jī)理;張玲玲等[10]基于用水結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的互動(dòng)反饋，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，提出了江蘇省用水結(jié)構(gòu)調(diào)控方案;吳丹[11]在測(cè)算產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及水資源之間的關(guān)聯(lián)度并確定兩者優(yōu)化方向后，按照主從遞階雙層優(yōu)化思路構(gòu)建雙向優(yōu)化模型，對(duì)京津冀地區(qū)水資源產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于研究水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系，較少聚焦于受水資源承載力約束的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于此，本文選擇社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型期的鄭州市作為研究對(duì)象，對(duì)其產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與水資源關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量分析，在未來(lái)不同水平年水資源承載能力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建多目標(biāo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以期為優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高水資源利用效率提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中北部，位于東經(jīng)112°42′—114°14′、北緯34°16′—34°58′之間，總面積7 446 km2。截至2018年年底，全市總?cè)丝? 016萬(wàn)，其中：城鎮(zhèn)人口745.83萬(wàn)，城鎮(zhèn)化率約為73.4%。地區(qū)生產(chǎn)總值2018年為10 143億元，第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例為1.57∶41.45∶56.98。鄭州市地跨黃河、淮河兩大流域，共有大小河流124條。鄭州市多年平均水資源總量為13.23億m3，其中：多年平均地表水資源量7.04億m3，地下水資源量7.72億m3，重復(fù)計(jì)算量1.53億m3。2018年，全市總用水量20.71億m3，地表水源供水量11.05億m3（包括南水北調(diào)及引黃水量8.85億m3），地下水源供水量7.01億m3以及非常規(guī)水源供水量2.65億m3。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)包括：水資源總量、總供水量、總用水量、供用水結(jié)構(gòu)、萬(wàn)元GDP用水量、灌溉水利用效率、工業(yè)用水定額、生活用水定額、總?cè)丝凇DP、城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、未來(lái)不同規(guī)劃年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)與水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃值及用水效率規(guī)劃值。水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《鄭州市水資源公報(bào)》（2008—2018年）、《河南省水資源公報(bào)》（2008—2018年），社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《鄭州統(tǒng)計(jì)年鑒》（2008—2018年）、《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2008—2018年），規(guī)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于《鄭州大都市區(qū)空間規(guī)劃（2018—2035年）》《河南省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》《鄭州市水資源綜合規(guī)劃》等。

2 規(guī)劃水平年供需水預(yù)測(cè)及水資源最大承載能力計(jì)算

2.1 需水預(yù)測(cè)

將2018年作為現(xiàn)狀年，對(duì)鄭州市用水情況進(jìn)行分析。2018年鄭州市總用水量為20.71億m3，生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生態(tài)環(huán)境用水占比分別為31.9%、20.4%、25.4%及22.3%。結(jié)合現(xiàn)狀年鄭州用水效率和《河南省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》中對(duì)鄭州市未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)利用紅線及用水效率控制目標(biāo)的要求，分別對(duì)規(guī)劃水平年2025年和2030年生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

生活需水量由城鎮(zhèn)生活需水量和農(nóng)村生活需水量?jī)刹糠纸M成，采用人均日用水定額指標(biāo)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。參考《河南省工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》及《農(nóng)業(yè)與農(nóng)村生活用水定額》等確定規(guī)劃水平年居民生活用水定額，根據(jù)《鄭州大都市區(qū)空間規(guī)劃（2018—2035年）》中制定的人口規(guī)劃發(fā)展指標(biāo)并結(jié)合實(shí)際情況，預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年的人口發(fā)展指標(biāo)。

通過(guò)灰色模型預(yù)測(cè)鄭州市規(guī)劃水平年有效灌溉面積等農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模指標(biāo)，結(jié)合城市規(guī)劃中擬定的農(nóng)業(yè)用水效率指標(biāo)，運(yùn)用定額法對(duì)鄭州市農(nóng)業(yè)用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)城市發(fā)展條件將來(lái)水頻率設(shè)定為50%。第二產(chǎn)業(yè)需水量分為工業(yè)需水量與建筑業(yè)需水量，預(yù)估未來(lái)鄭州市工業(yè)產(chǎn)值并結(jié)合現(xiàn)狀工業(yè)用水情況，借鑒發(fā)展水平相似地區(qū)工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，確定規(guī)劃年用水定額，通過(guò)定額法計(jì)算得出不同規(guī)劃年工業(yè)需水量;建筑業(yè)需水量采用萬(wàn)元建筑業(yè)增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測(cè)。第三產(chǎn)業(yè)需水量采用萬(wàn)元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測(cè)。生態(tài)環(huán)境需水量分別采用Tennant法和定額法預(yù)測(cè)河道內(nèi)、河道外生態(tài)環(huán)境需水量。

計(jì)算后得到的鄭州市2025年及2030年需水量見(jiàn)表1。

2.2 可供水量計(jì)算

根據(jù)鄭州市水資源發(fā)展規(guī)劃，將可供水源分為當(dāng)?shù)氐乇硭⒌叵滤ⅫS河干流取水、南水北調(diào)水、雨水利用、中水回用及其他水源。《鄭州都市區(qū)給水工程專項(xiàng)規(guī)劃》中規(guī)劃有鄭州市未來(lái)水平年新擴(kuò)建引黃供水等引調(diào)水供水工程，以解決未來(lái)可能出現(xiàn)的水資源供需矛盾。考慮河南省其他地市同鄭州市進(jìn)行水權(quán)交易后確定不同規(guī)劃年的外調(diào)水量以及未來(lái)水平年城市雨水利用效率的規(guī)劃指標(biāo)值，確定城市中水回用量。綜合考慮當(dāng)?shù)厮Y源供水、黃河干流取水、南水北調(diào)取水及市內(nèi)大型水庫(kù)輸水能力，得出來(lái)水頻率為50%時(shí)2025年與2030年鄭州市各行政區(qū)可供水量，見(jiàn)表2。

2.3 區(qū)域水資源承載能力計(jì)算

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水資源承載力進(jìn)行過(guò)研究。夏軍等[12]認(rèn)為水資源承載力是在一定的發(fā)展階段，水資源在滿足生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的前提下，可利用水量能夠支撐的最大社會(huì)-經(jīng)濟(jì)規(guī)模。在對(duì)2025年及2030年鄭州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)后，對(duì)可用于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水量所能承載的最大經(jīng)濟(jì)及人口規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將結(jié)果作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的約束條件。

根據(jù)不同情境下研究區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水定額指標(biāo)可以得到相應(yīng)的單位GDP用水量：

鄭州市各分區(qū)2025年和2030年來(lái)水頻率為50%情況下水資源可承載最大經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口規(guī)模見(jiàn)表3。

3 鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量關(guān)系分析

3.1 相關(guān)度分析

利用相關(guān)分析理論，對(duì)2009—2018年鄭州市各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析（見(jiàn)表4），并對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[13]。以各產(chǎn)業(yè)多年占比的均值作為權(quán)重系數(shù)，可得各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值同用水量之間的加權(quán)相關(guān)系數(shù)r為0.876，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t=4.805。考慮樣本數(shù)據(jù)量，采取適用于小樣本的雙尾顯著性檢驗(yàn)方法，顯著性水平α取0.05，則有tα/2=3.69，|t|> tα/2說(shuō)明變量間存在顯著相關(guān)性。由此可以得出，鄭州市產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值同用水量之間具有顯著相關(guān)性，考慮區(qū)域水資源條件進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

關(guān)聯(lián)度是表征一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)參數(shù)之間互相影響的程度，關(guān)聯(lián)度即關(guān)聯(lián)性大小的度量[14]。利用灰色系統(tǒng)理論分析方法計(jì)算得到2009—2018年鄭州市各產(chǎn)業(yè)灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)，整理得到灰色關(guān)聯(lián)矩陣R，并對(duì)系數(shù)進(jìn)行橫向及縱向累加求和。各指標(biāo)間灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其相應(yīng)用水量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)分別為r11=0.80、r22=0.69、r33=0.62，r11>r22>r33說(shuō)明第一產(chǎn)業(yè)與其用水量之間的關(guān)聯(lián)性最大，在相同的增長(zhǎng)率下，農(nóng)業(yè)所需的用水量最大，說(shuō)明農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力較大;第二產(chǎn)業(yè)與其用水量之間的關(guān)聯(lián)性次之，第三產(chǎn)業(yè)的最小，兩者皆可通過(guò)較少的用水量獲得較高的產(chǎn)值。

對(duì)矩陣R橫向求和所得Rm（m=1，2，3，4）為第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和總產(chǎn)值與其用水量的綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)，數(shù)值越大表示對(duì)產(chǎn)業(yè)用水的影響越明顯。由表5可知：R1>R3>R2>R4，即第一產(chǎn)業(yè)與其用水量的關(guān)聯(lián)性最大，第三產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)性次之，第二產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)性最小，表明第一產(chǎn)業(yè)對(duì)用水量依賴性最強(qiáng)。縱向求和所得Rn（n=1，2，3，4）為產(chǎn)業(yè)用水量與產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)，數(shù)值小說(shuō)明用較少的水量就可以得到較高的產(chǎn)值。由表5可知：R1>R4>R2>R3，表明第二、第三產(chǎn)業(yè)為鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。

4 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模型

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置應(yīng)遵循可持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展等原則，在統(tǒng)籌考慮區(qū)域發(fā)展的基礎(chǔ)上，注重水資源配置同經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，兼顧水資源最大可承載能力，根據(jù)水資源狀況不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。以用水量最小和經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，構(gòu)建鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，考慮當(dāng)?shù)厮Y源條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，對(duì)鄭州市2025年及2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

4.3 模型參數(shù)

2025年及2030年鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下限值、人均GDP下限值、人口發(fā)展規(guī)模下限值、城鎮(zhèn)化率下限值、單方水糧食產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值年復(fù)合增長(zhǎng)率、單位GDP用水量上限值等參考現(xiàn)狀社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平設(shè)定，各行業(yè)用水定額根據(jù)2018年實(shí)際用水效率指標(biāo)值并參考城市發(fā)展規(guī)劃與2025年模型輸出優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行擬定與修正。模型主要約束條件參數(shù)見(jiàn)表6。

4.4 模型求解及應(yīng)用分析

采用權(quán)重法求解鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，通過(guò)設(shè)定不同目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問(wèn)題，并采用遺傳算法進(jìn)行求解，具體過(guò)程：①將優(yōu)化配置問(wèn)題模擬成生物進(jìn)化問(wèn)題，將模型的決策變量轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制編碼，相當(dāng)于進(jìn)化問(wèn)題中的基因，而由若干個(gè)基因組成的染色體即為優(yōu)化配置方案;②將隨機(jī)生成的部分染色體代入設(shè)定好的模型中，計(jì)算各個(gè)染色體的適應(yīng)度（目標(biāo)值），將結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選，將適應(yīng)度較好的一些方案保留作為下一次遺傳操作的母代;③在經(jīng)歷多次迭代后得到優(yōu)化方案，優(yōu)化配置的結(jié)果（見(jiàn)表7）可實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合效益最佳。由表7可知，2025年優(yōu)化結(jié)果較預(yù)測(cè)結(jié)果總產(chǎn)值提高661.51億元、總用水量減少0.1 億m3;2030年優(yōu)化結(jié)果較預(yù)測(cè)結(jié)果總產(chǎn)值提高770.72億元、總用水量減少0.16億m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）在對(duì)鄭州市水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行未來(lái)不同水平年供、需水量預(yù)測(cè)與區(qū)域水資源承載能力計(jì)算。利用相關(guān)分析理論及灰色關(guān)聯(lián)理論，得出了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水資源利用的關(guān)系。在明確鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向的基礎(chǔ)上，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)、用水總量控制及水資源承載能力等約束，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行求解。鄭州市第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例從2018年的1.57∶41.45∶56.98經(jīng)優(yōu)化后變?yōu)?025年的1.28∶36.78∶61.94以及2030年的1.13∶35.88∶62.99。

（2）鄭州市可通過(guò)外調(diào)水、中水回用、污水凈化及水資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)在水資源承載力約束條件下產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。一方面可通過(guò)技術(shù)進(jìn)步提高用水效率及工業(yè)用水回用率，另一方面在水資源由第一產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向第二、第三產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，需對(duì)農(nóng)業(yè)部門(mén)進(jìn)行合理補(bǔ)償。

（3）區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響因素復(fù)雜，其中很多指標(biāo)難以量化。本文將水資源承載力作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件，對(duì)區(qū)域水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系嘗試進(jìn)行定量分析，模型還需在今后的應(yīng)用中進(jìn)一步完善。

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