廣州市產業(yè)用水驅動效應測度及機制研究

陳 怡，于海霞，2*，劉丙軍，2

(1.中山大學土木工程學院，廣東 珠海 519085；2.中山大學水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275)

產業(yè)用水集中體現(xiàn)了經濟發(fā)展對水資源的需求，研究區(qū)域內產業(yè)用水結構及其驅動機制，是實現(xiàn)水資源合理配置的重要措施，能為協(xié)調區(qū)域產業(yè)結構和用水布局、評估節(jié)水政策實施效果等提供科學決策依據(jù)[1]。

分析用水結構及其驅動機制已成為水資源領域研究的熱點，翟遠征等[2]通過研究1980—2009 年北京市用水量及其結構的變化模式，認為推動北京市用水量及結構變化的主要因素是產業(yè)結構調整、人口持續(xù)增長及環(huán)境問題。 何慧爽[3]使用信息熵和灰色關聯(lián)分析法，建立了分析河南省用水結構及驅動因素變化的模型。 吳昊等[4]利用主成分分析(PCA)和灰色關聯(lián)分析法研究了引起南京市用水結構變化的驅動力。 莊立等[5]運用因子分解模型研究了2003—2013 年京津冀地區(qū)工業(yè)用水量變化的規(guī)模、結構和技術效應，提出了緩解水資源緊缺的有效措施。 佟金萍等[6]根據(jù)中國1997—2009 年用水效率的變動，從產業(yè)和地區(qū)2 個層面，利用Laspeyres指數(shù)及其完全分解方法對驅動因素進行分解分析。Yang Jie等[7]分析了2005—2015 年廣東省生產部門用水變化的影響因素，采用Laspeyres、對數(shù)平均除數(shù)指數(shù)(LMDI)和Shapley值分解模型量化了人口、富裕程度、結構和技術的相對貢獻，并將3 種方法的計算結果進行比較。 結果表明，LMDI分解模型擬合最佳，具有精度高、使用方便、表達方便等優(yōu)點。 張陳俊等[8]運用LMDI方法分析了考慮區(qū)域人口分布的1998—2013 年中國用水量變化分解因素效應。 葛通達等[9]在LMDI分解法的基礎上，提出了區(qū)域水資源利用驅動因素的分析及評價方法，并將此方法應用于江蘇鹽城市的水資源利用合理程度的評價研究。 綜合分析現(xiàn)有研究，盡管有關產業(yè)用水的研究方法各異，但研究結果均驗證了經濟發(fā)展、人口增長對用水量增加的正向驅動作用，以及對產業(yè)結構調整、用水效率提升的抑增效應。

廣州市是廣東省省會，粵港澳大灣區(qū)、泛珠江三角洲經濟區(qū)的中心城市以及一帶一路的樞紐城市。近年來廣州市用水量逐年穩(wěn)定下降，但陳雯等[10]分析廣州市水資源承載力結果表明，廣州市水資源承載力逐年降低，水資源供需矛盾突出；田濤等[11]通過預測發(fā)現(xiàn)廣州市依然存在較高的紅線控制風險，而工業(yè)與農業(yè)用水仍是廣州市用水總量控制的制約關鍵點，研究兩者間的驅動響應關系顯得尤其重要。然而有關廣州市產業(yè)用水的驅動效應研究相對較少。 解析廣州市產業(yè)用水變化的驅動因素效應及驅動機制，不僅可進一步識別廣州市用水規(guī)律，也可為該市水資源可持續(xù)利用提供直接依據(jù)，而且對于粵港澳大灣區(qū)優(yōu)化水資源配置及加強水安全保障也具有借鑒作用。

本文基于國內外相關研究基礎，根據(jù)2000—2015 年廣州市產業(yè)用水量變化，從逐年時段和三階段(“十五”時期、“十一五”時期、“十二五”時期)，采用擴展的KAYA恒等式建立廣州市產業(yè)用水驅動效應因素分解模型，應用LMDI分解方法分析經濟發(fā)展水平、人口規(guī)模、產業(yè)結構、用水效率等因素的用水驅動效應，綜合評價其對廣州市產業(yè)用水的影響程度。

1 廣州市及其產業(yè)用水現(xiàn)狀

廣州地處中國南部、珠江下游、瀕臨南海，是西江、北江、東江三江匯合處，陸域范圍為112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N。 2015 年末全市常住人口1 350 萬人，地區(qū)生產總值18 100 億元，人均GDP超過13 萬元，人口城鎮(zhèn)化率達85.53%，三產業(yè)比例為1.13:32.07:66.80，第三產業(yè)為全市經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。 分析2000—2015 年廣州市用水結果，得出如下結論。

a)廣州市產業(yè)用水呈現(xiàn)總體先增后減的趨勢。產業(yè)用水量的發(fā)展于2004—2005 年出現(xiàn)突變點，以此為分界點，2000—2004 年產業(yè)用水量快速增加，由2000 年的63.9 億m3增長至2004 年的86.0 億m3，年均增長率達8.65%。 2005—2015 年產業(yè)用水量逐漸緩慢下降，由2004 年的86.0 億m3緩慢下降到2015 年的54.94 億m3，年均下降率達3.28%。2004—2005 年出現(xiàn)較大幅度的下降，可能是由于當年廣州市啟動節(jié)水型社會建設所致；在此之后的研究時段內，產業(yè)用水量持續(xù)下降，可能是廣州市出臺《廣州市城市計劃用水管理辦法》且認真貫徹落實中央最嚴格水資源管理制度執(zhí)行的積極影響。

b)從構成來看，廣州市第二產業(yè)為用水主體，第一、第三產業(yè)用水位列其次。 第一產業(yè)用水所占比例略有下降，從2000 年26.92%下降至2015 年的19.35%，隨著廣州市城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，農業(yè)節(jié)水技術的不斷發(fā)展，近年來農業(yè)用水逐步減小，廣州市第一產業(yè)用水總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。 作為廣州市生產用水主體，第二產業(yè)用水量整體呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢，與產業(yè)用水總量曲線呈現(xiàn)高度相似性，較大的節(jié)水潛力使得近年來廣州市第二產業(yè)用水持續(xù)下降。 第三產業(yè)用水比例逐年上升，從2000 年2.63%增長至2015 年的9.59%，見圖1。

圖1 2000—2015 年廣州市產業(yè)用水情況

2 研究方法

2.1 KAYA恒等式

KAYA恒等式是用以描述碳排放與能源效率、能源結構、經濟水平和人口規(guī)模之間關系的恒等式[12]，可以識別并量化經濟社會發(fā)展與影響因素的驅動效應[13]，由日本學者KAYA[14]提出。 本文將KAYA恒等式的理念運用于廣州市產業(yè)用水變化的研究，將影響因素分解為經濟水平效應、產業(yè)結構效應、人口規(guī)模效應和用水效率效應，從而進行各產業(yè)用水驅動效應的測度及機制研究。

式中 W——產業(yè)用水量；Wi——第i產業(yè)用水量；Wi，t——第 i產業(yè)第 t年的用水量；GDPi，t——第i產業(yè)第t年的生產總值；GDPt——第t年的地區(qū)生產總值；Pt——第t年的人口；Ti，t=Wi，t/GDPi，t，為第i產業(yè)萬元GDP用水量，反映該地區(qū)用水效率；Si，t=GDPi，t/GDPt，為第i產業(yè)增加值占GDP的比例，反映該地區(qū)的產業(yè)結構；Et=GDPt/Pt——人均GDP，表征該地區(qū)經濟水平。

2.2 LMDI因素分解法

影響因素對整體的貢獻值能夠通過因素分解法計算得出，故近年來，Ang等[15]提出的LMDI因素分解法被廣泛運用于資源和環(huán)境領域[13]。 LMDI分析方法分解完全且無殘差，其結果唯一且易解釋[16]。根據(jù)LMDI模型，基準年和第t年產業(yè)用水量可分別表示為W0和Wt，則產業(yè)用水在基準年至第t年的差異為ΔW，即

式中 ΔWT——用水效率效應；ΔWS——產業(yè)結構效應；ΔWE——經濟發(fā)展效應；ΔWP——人口規(guī)模效應對產業(yè)用水量的影響。

產業(yè)用水LMDI分解式如下:

計算得出的各項效應結果，表示在此因素影響下引起用水量變動的數(shù)量值[17]。 分解結果中為正值的，表征對用水驅動有著正效應，數(shù)值越大，相對貢獻率越大，效應越顯著；相反地，分解結果中為負值的，表征對用水驅動有著負效應，絕對值越大，負效應越顯著。

3 研究結果分析

3.1 用水結構驅動效應總體分析

圖2 顯示了2000—2015 年三階段廣州市產業(yè)用水總量變化驅動效應分解結果。 由圖2 可見，用水效率效應以及產業(yè)結構效對廣州市產業(yè)用水的增長應起到負效應；經濟發(fā)展效應、人口規(guī)模效應則起到負效應。 第一、二、三階段總效應分別變化了7.21 億、-10.68 億、-8.69 億m3。

圖2 各階段產業(yè)用水驅動因素效應分解結果

a)“十五”時期用水量逐年上升，各因素對用水量增長的驅動效應為正。 第一階段處于新世紀伊始，廣州市工作重心以經濟發(fā)展為主，作為重要的生產要素之一，水資源的需求因經濟持續(xù)發(fā)展而增加。且推動產業(yè)用水量上升的經濟增長與人口規(guī)模，并且完全抵消了產業(yè)結構優(yōu)化升級和用水效率提升對產業(yè)用水量的促減作用，產業(yè)用水量增加。

b)“十一五”時期用水量呈現(xiàn)減少趨勢，各因素對用水量增長的驅動效應為負。 第二階段，頒布了《廣州市城市供水用水條例》制定節(jié)水計劃，并加快實施節(jié)水管理及技術措施；與此同時，廣州市產業(yè)結構升級改造加快；提升用水效率和產業(yè)結構優(yōu)化升級對廣州市產業(yè)用水量的增長起負向驅動力，用水量減少。

c)“十二五”時期各因素對用水量增長的驅動效應為負，用水效率效應為抑制用水增長的主要驅動因素。 第三階段產業(yè)用水量持續(xù)下降，但較第二階段的下降率有所減小。 此階段節(jié)水技術不斷發(fā)展而到達瓶頸，提升空間有限，由圖2 可見通過提高用水效率而降低產業(yè)用水的驅動效應正逐漸減小。 另外，廣州市第一產業(yè)的產值占GDP比重不及1%，第二產業(yè)占比三成左右且逐年降低，由圖2 可見產業(yè)結構負向驅動效應較第一、二階段穩(wěn)步增加。

3.2 用水結構驅動因素效應分析

3.2.1 經濟發(fā)展效應

總體上，2000—2015 年，經濟發(fā)展因素累計貢獻效應值為85.38 億m3，相對貢獻率均值為31.1%，說明對促進用水增長呈現(xiàn)了正向驅動力，由圖2 可見是廣州市產業(yè)用水增長的主要因素。 研究期間廣州市經濟高速發(fā)展，地區(qū)生產總值從2000 年的2 505.58 億元到2015 年的22 859.35 億元，增長8 倍。 經濟增長需要投入生產要素，而水資源是要素之一[8]，因此廣州市對水資源的需求逐年增加。但從圖2 可看出，經濟規(guī)模效應在逐漸減小。

為分析廣州市產業(yè)用水與經濟發(fā)展間的關系，本文引入“脫鉤”概念對其進行解析。 “脫鉤”描述的是經濟發(fā)展與資源損耗間的關聯(lián)度[18]。 脫鉤指數(shù)越小，兩者間的脫鉤關系越顯著，即資源消耗與經濟發(fā)展的背離程度不斷加大。 參考姜明棟等[19]構建的京津冀地區(qū)水脫鉤模型，廣州市產業(yè)用水與經濟增長脫鉤模型構建結果見圖3。

圖3 2000—2015 年廣州市產業(yè)用水與經濟增長脫鉤狀態(tài)

由圖3 可知，廣州市產業(yè)用水與經濟增長之間存在“增長連接”“弱脫鉤”“強脫鉤”3 種狀態(tài)。2001—2004 年，脫鉤指數(shù)介于0.22 與1.13，存在“增長連接”和“弱脫鉤”2 種狀態(tài)。 此時處于經濟高速發(fā)展階段，對水資源的需求不斷擴大，GDP快速上漲的同時用水量也持續(xù)增加，而這期間隨著產業(yè)發(fā)展，后者增加的幅度逐漸小于前者。 2005 年廣州市啟動節(jié)水型社會建設，產業(yè)用水量得到有效控制，在此之后脫鉤指數(shù)小于0，進入“強脫鉤”狀態(tài)。雖然2013 年農業(yè)及工業(yè)用水量稍有上升，脫鉤指數(shù)為0.11，呈現(xiàn)“弱脫鉤”，但總的來說，廣州市產業(yè)用水與經濟發(fā)展間的脫鉤狀態(tài)呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展趨勢，經濟發(fā)展效應對用水量的促增作用在逐漸減弱。

3.2.2 人口規(guī)模效應

人口規(guī)模效應是廣州市產業(yè)用水增長的因素之一。 總體上看，人口規(guī)模效應累計貢獻效應值為45.83 億m3，貢獻率均值為16.7%，對廣州市產業(yè)用水的增加呈現(xiàn)正向驅動力。

圖4 反映的是廣州市常住人口與產業(yè)用水量的變化情況。 2004 年以前，廣州市人口數(shù)量與產業(yè)用水量同步增長；而在2005—2015 年，常住人口數(shù)持續(xù)增長，產業(yè)用水量卻逐漸減少，與圖2 反映的規(guī)律一致，人口規(guī)模因素的增長驅動作用在逐漸減弱。楊中文等[20]認為消費水平提高驅動各行業(yè)用水增長。 由此可見，人口增加促進消費，進而擴大經濟發(fā)展規(guī)模，引起用水量增加。 3.2.1 節(jié)提及，2005 年后廣州市產業(yè)用水與經濟發(fā)展進入“強脫鉤”狀態(tài)，因此，人口規(guī)模效應也逐年趨于減弱。

圖4 廣州市2000—2015 年人口規(guī)模與產業(yè)用水量的變化情況

3.2.3 用水效率效應

用水效率效應反映了各產業(yè)因用水效率的變化而引起的產業(yè)用水總量的變動。 2000—2015 年，用水效率因素對產業(yè)用水的抑增驅動作用明顯，累計貢獻效應值為-117.89 億m3，相對貢獻率均值為-42.9%。 由圖5 可見用水效率提高是抑制廣州市產業(yè)用水增長的主要因素。 以萬元GDP耗水量反映用水效率，圖5a反映了廣州市2000—2015 年用水效率與產業(yè)用水量的變化情況。 由圖5a可見，廣州市萬元GDP用水量呈整體下降趨勢，從2000 年的255 m3/萬元下降至2015 年的30 m3/萬元，而產業(yè)用水量則降低36.1%，可見用水效率大幅提升對抑制產業(yè)用水有顯著作用。

圖5b 反映的是各產業(yè)用水效率變化情況，由圖5b 可見，2000—2015 年廣州市第一產業(yè)、第二產業(yè)的用水效率顯著提高，萬元GDP用水量均下降近70%；而第三產業(yè)用水效率較高，研究期間用水效率提升趨勢平緩。 廣州市的節(jié)水技術的進步較快，用水效率較高。 然而現(xiàn)階段節(jié)水技術提升空間有限，由圖5 可見用水效率效應正不斷減弱。 因此需要加強節(jié)水技術創(chuàng)新，提高用水效率。 2015 年廣州市第一產業(yè)萬元GDP耗水量仍接近500 m3/萬元，農業(yè)用水有更大的節(jié)水潛力，可通過推廣先進的節(jié)水技術，合理布局農作物的種植結構，采取有效措施提高農田灌溉水有效利用系數(shù)，實現(xiàn)農業(yè)水資源的優(yōu)化配置。 其次，需不斷推進第二、第三產業(yè)技術節(jié)水，進一步加強工業(yè)用水定額管理，通過實施階梯水價等措施鼓勵企業(yè)推進低耗水工藝而達到控制用水的目的。

圖5 廣州市2000—2015 年產業(yè)用水與用水效率變化情況

3.2.4 產業(yè)結構效應

在經濟發(fā)展過程中，由于各產業(yè)部門對于水資源的需求不同，各產業(yè)的相對比重將引起用水量的變動。 產業(yè)結構效應反映了由產業(yè)結構調整引起的用水變化量[17]。 2000—2015 年，廣州市產業(yè)結構效應呈現(xiàn)負向驅動力，累計貢獻值為-25.47 億m3，相對貢獻率均值為-9.3%。 近年來，廣州市第三產業(yè)產值比重不斷增大，研究期間年均增幅15.8%。2015 年廣州市第三產業(yè)產值(12 086.11 億元)占廣州市生產總值(18 100.41 億元)近70%，但其用水量(5.27 億m3)僅占產業(yè)總用水量(54.94 億m3)9.59%，相比于農業(yè)的灌溉用水以及工業(yè)的生產用水需求，第三產業(yè)對于水資源的需求相對較小，因此，經濟結構向第三產業(yè)調整優(yōu)化的過程中，對產業(yè)用水的增長呈現(xiàn)負向驅動力。

參考劉洋等[21]對產業(yè)結構與用水結構協(xié)調度的定量分析，本文引入“產業(yè)結構偏水度(P)[22]”“用水結構粗放度(C)[23]”與“產業(yè)結構與用水結構協(xié)調度(H)[24]”作為分析廣州市產業(yè)結構與用水結構的依據(jù)。 產業(yè)結構偏水度P、用水結構粗放度C分別是指某區(qū)域產業(yè)結構、用水結構偏向用水效率較低的產業(yè)的程度，0 ＜P＜1，0 ＜C＜1，結果越接近于1 表明偏向程度越高；而產業(yè)結構與用水結構協(xié)調度H(0 ＜H＜1)愈大則表明兩者愈協(xié)調。

計算結果見圖6，研究期間廣州市產業(yè)結構偏水度小于0.3 且逐年減小，由2000 年0.243 降至2015 年0.172，降幅達29.1%，說明隨著產業(yè)結構持續(xù)優(yōu)化升級，廣州市產業(yè)結構愈發(fā)偏向用水效率高的產業(yè)。 同樣地，近年來廣州市用水結構粗放度整體呈現(xiàn)下降趨勢，由2000 年0.621 降至2015 年0.549，降幅為11.7%，說明用水結構越來越偏向用水效率較高的產業(yè)。 而產業(yè)與用水協(xié)調度則整體呈上升趨勢，研究期間年均升幅0.85%，表明產業(yè)結構與用水結構越來越協(xié)調。

圖6 廣州市產業(yè)結構與用水結構協(xié)調性情況

4 結論

本文利用KAYA恒等式和LMDI因素分解方法，對廣州市2000—2015 年產業(yè)用水變化驅動效應進行分析，將驅動效應分解為經濟發(fā)展效應、人口規(guī)模效應、用水效率效應和產業(yè)結構效應，并從三階段(“十五”時期、“十一五”時期、“十二五”時期)和逐年時段分別測度了不同驅動因素的影響，主要研究結論如下。

a)“十五”時期以經濟建設為中心，廣州市水資源的需求因經濟持續(xù)發(fā)展而增加，產業(yè)用水量呈持續(xù)增加趨勢。 “十一五”期間，廣州市制定節(jié)水計劃并加速產業(yè)結構升級改造，提升用水效率和產業(yè)結構優(yōu)化升級對廣州市產業(yè)用水量的增長起負向驅動力，產業(yè)用水量不斷減少。 “十二五”期間廣州市產業(yè)用水量持續(xù)下降，但較第二階段的下降率有所減小。 此階段隨著節(jié)水技術不斷發(fā)展到達瓶頸，提升空間有限，通過提高用水效率而降低產業(yè)用水量的驅動效應正逐漸減小；而隨著產業(yè)結構優(yōu)化升級，產業(yè)與用水協(xié)調度逐年上升，產業(yè)結構驅動效應將隨之減小。

b)2000—2015 年時期，廣州市經濟高速發(fā)展，人口規(guī)模不斷擴大，對水資源的需求逐年增加，經濟發(fā)展效應和人口規(guī)模效應分別是促進廣州市產業(yè)用水量增加的主次因素，其累計貢獻值分別為85.38億、45.83 億m3；但因近年來廣州市產業(yè)用水與經濟發(fā)展間呈現(xiàn)穩(wěn)定的“強脫鉤”狀態(tài)，經濟發(fā)展與人口規(guī)模效應對用水量的增長效應在逐漸減弱。 因廣州市節(jié)水技術發(fā)展較快，產業(yè)結構持續(xù)優(yōu)化升級，用水效率效應和產業(yè)結構效應分別是抑制廣州市產業(yè)用水量增加的主次因素，其累計貢獻值分別為-117.89 億、-25.47 億m3；近年來廣州市產業(yè)結構與用水結構越來越協(xié)調，產業(yè)結構效應呈穩(wěn)定上升趨勢。