基于水足跡-擴展LMDI模型的河南省水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤關(guān)系研究

陸秋雨

(河南財經(jīng)政法大學(xué)工程管理與房地產(chǎn)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

水資源作為經(jīng)濟社會發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)自然資源，其豐富程度對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重要影響[1]。 而河南省人口眾多，作為黃河流域重要糧食產(chǎn)區(qū)，工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求導(dǎo)致河南省不僅水資源消耗量較大，水資源的短缺也在一定程度上制約了河南省的經(jīng)濟發(fā)展。 為實現(xiàn)河南省城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模、人口規(guī)模等經(jīng)濟社會發(fā)展要素與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。 河南省實施了《河南省“十三五”水資源消耗總量和強度雙控工作實施方案》，嚴(yán)格控制水資源消耗強度，水資源利用方面有所改善但仍存在不足。為全面推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)，河南省在2020 年以十四五規(guī)劃精神為指引，要求進(jìn)一步加強雙控約束性力度。 基于此，如何實現(xiàn)河南省水資源利用的可持續(xù)發(fā)展，不僅是河南省突破水資源短缺制約面對的新機會新挑戰(zhàn)，同時也是對河南省水利的高質(zhì)量發(fā)展提出的新要求。

目前國內(nèi)外研究水資源的方法多集中在水資源生態(tài)足跡定量分析[2]，水資源利用效率[3]及可持續(xù)利用情況評價[4]，水資源開發(fā)利用和水生態(tài)承載力[5]，水資源利用效率與經(jīng)濟發(fā)展的脫鉤關(guān)系探究[6]等方面。 如潘安娥等[7]利用水足跡定量分析湖北省水資源用水量的真實情況，構(gòu)建協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤評價模型對水資源消耗和經(jīng)濟增長的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行分析，章恒全等[8]和管馳明等[9]用LMDI-Tapio兩階段法分解脫鉤指數(shù)分別探究長江三角洲地區(qū)和西北5 省總用水量與農(nóng)業(yè)用水量變化與脫鉤狀態(tài)之間相關(guān)聯(lián)系；焦隆等[10]基于DPSIR模型和水足跡理論評價了桂林市水資源現(xiàn)狀與水資源生態(tài)承載情況；劉玉邦等[11]運用水生態(tài)足跡計算模型和LMDI分解法探究成都市水生態(tài)足跡影響因素；陳海濤等[12]采用熵權(quán)模糊綜合評價模型，對河南省水資源綜合承載力進(jìn)行評價；尚瑞朝等[13]基于邯鄲市農(nóng)業(yè)用水的結(jié)構(gòu)特征，分析其水資源優(yōu)化配置并做出預(yù)測。

綜上所述，在對于水資源利用方面的研究領(lǐng)域，尤其是水資源經(jīng)濟發(fā)展與脫鉤關(guān)系方面，已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足。 一是在水資源研究的指標(biāo)選取方面，多為選取用水量指標(biāo)，并未考慮與虛擬水理論結(jié)合的基于水足跡模型的相關(guān)水資源利用分析；二是在分析水資源利用與脫鉤狀態(tài)方面，雖然有關(guān)于脫鉤分解驅(qū)動因素的相關(guān)研究，但脫鉤分解驅(qū)動因素指標(biāo)仍待改進(jìn)。 三是在農(nóng)業(yè)水資源利用方面，與不同水文年對比分析農(nóng)業(yè)用水脫鉤狀態(tài)的研究較少。 基于此，本文選取河南省2004—2018 年數(shù)據(jù)，構(gòu)建水足跡-擴展LMDI模型及脫鉤驅(qū)動因素分解模型，從技術(shù)改進(jìn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、規(guī)模經(jīng)濟、常住人口4 個影響方面，從工業(yè)用水量和不同水文條件下農(nóng)業(yè)虛擬用水量2 個角度，研究河南省水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的相關(guān)關(guān)系，為河南省推動節(jié)水型城市建設(shè)，以及加強水資源利用效率，突破水資源短缺制約瓶頸，實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供理論支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 水足跡及評價模型

水足跡模型主要用來衡量一個地區(qū)境內(nèi)生產(chǎn)與服務(wù)與境外虛擬水進(jìn)出口的總用水量，其中，在境內(nèi)生產(chǎn)服務(wù)用水方面，主要由農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水4 個方面構(gòu)成。 在水資源的水足跡計算模型之中，大多文獻(xiàn)選取農(nóng)業(yè)用水量為基礎(chǔ)指標(biāo)，忽略了農(nóng)業(yè)隱藏水資源，即農(nóng)業(yè)虛擬水，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的影響。 因此，本文參考余灝哲等[14]學(xué)者研究方法，選取農(nóng)業(yè)虛擬水與實體水相結(jié)合構(gòu)建水足跡評價模型，以期真實反映河南省水資源利用情況(表1)。 計算公式如下:

表1 水足跡評價公式

式中 WF——河南省水足跡總量；IWE——境內(nèi)水足跡總量； AWU——農(nóng)業(yè)虛擬水總量；IWU——工業(yè)用水總量；DWU——生活用水總量；EWU——生態(tài)用水總量；EWE——境外消耗虛擬水總量，由VWI(進(jìn)口虛擬水量)和VWE(進(jìn)口虛擬水再出口總量)構(gòu)成，由于考慮到進(jìn)口虛擬水再出口的數(shù)據(jù)獲取難度，一般選擇忽略不計。

1.2 基于水足跡的脫鉤模型構(gòu)建

脫鉤模型廣泛用于資源環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展之間不再互相依賴的程度和方向。 若水資源利用總量隨著經(jīng)濟效益的增長而增加，即水資源利用效率與經(jīng)濟增長呈現(xiàn)出耦合趨勢；若水資源利用總量隨著經(jīng)濟效益的增長而減少，則稱之為水資源利用效率與經(jīng)濟增長之間的脫鉤趨勢。 一般刻畫脫鉤模型的方法為基于完全分解技術(shù)的脫鉤分析法、LMDI-脫鉤彈性兩階段法、OECD脫鉤因子法、Tapio脫鉤彈性指數(shù)、Vehmast脫鉤指數(shù)模型等，但目前各種模型構(gòu)建方法均在界定狀態(tài)方面存在一定的弊端。 因此，本文參考劉明勝等[15]研究，選擇不收量綱變化影響的Tapio脫鉤彈性指數(shù)構(gòu)建水資源利用與經(jīng)濟增長的脫鉤模型(表2)。

表2 脫鉤狀態(tài)分類表

式中 ΔWF——水足跡變化率；ΔGDP——河南省生產(chǎn)總值變化量；WFt、WF0、GDPt、GDP0——第t期和第0 期的河南省水足跡與生產(chǎn)總值。

脫鉤是水資源保持與經(jīng)濟增長之間持續(xù)穩(wěn)定鏈接趨勢的過程，依據(jù)不同的指標(biāo)狀，參考路瑞等[16]、朱光磊等[17]脫鉤評價指標(biāo)劃分方法，劃分為8 種脫鉤狀態(tài)。

1.3 水足跡-LMDI脫鉤模型構(gòu)建及驅(qū)動因素分析

僅分析水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的脫鉤分析，并不能很好地顯示出河南省水資源與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤態(tài)勢的影響方面，因此，本文在Tapio脫鉤模型定量分析的基礎(chǔ)上，參照孫付華等[18]對于分解脫鉤模型的理解與推導(dǎo)，引用擴展的LDIM模型，從技術(shù)改進(jìn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、規(guī)模經(jīng)濟、常住人口4 個方面，進(jìn)一步深化對河南省水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤驅(qū)動因素的分化與分析。 分解公式如下:

式中 WFi——第i行業(yè)水足跡總量；GDPi——第i行業(yè)生產(chǎn)總值；P——河南省常住人口；Ii——第i行業(yè)用水強度；Si——第i行業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)值在河南省生產(chǎn)總值占有比重；ln c——河南省人均生產(chǎn)總值。

基于以上分解因素，可以將水足跡總量分為以下4 個因素組成部分。

式中，分解因素WFI、WFS、WFlnc、WFP分別反映技術(shù)改進(jìn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、規(guī)模經(jīng)濟、常住人口的4 個效應(yīng)，并基于以上推到公式分解脫鉤模型，公式如下:

式中 eI、eS、elnc、eP——技術(shù)效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)、人口效應(yīng)引起的脫鉤因子變化。

1.4 數(shù)據(jù)來源與處理

本文涉及河南省2004—2018 年指標(biāo)與數(shù)據(jù)，如農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量、工業(yè)用水、生態(tài)用水、生活用水均，水文年份均來自于《河南省水資源公報》《河南省統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》。 在水足跡測算方面，依照2004—2018 年中國對美元市場匯率，將貿(mào)易值的美元單位依照匯率轉(zhuǎn)換為以人民幣單位對進(jìn)出口虛擬水量進(jìn)行計算。 生產(chǎn)總值指標(biāo)處理方面，對河南省生產(chǎn)總值，第一產(chǎn)業(yè)增加值，第二產(chǎn)業(yè)增加值，均以1998 年為基準(zhǔn)進(jìn)行換算。 在計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)虛擬水方面，參照焦士興等[19]、潘忠文等[20]學(xué)者的研究，選取河南省主要糧食作物、水產(chǎn)品、畜牧產(chǎn)品計算農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的虛擬水含量。 具體農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量見表3。

表3 單位產(chǎn)品虛擬水含量單位:m3/kg

2 實證分析

2.1 河南省水足跡變化分析

在河南省水足跡總量之中，農(nóng)業(yè)虛擬用水量占很大一部分，工業(yè)用水位列第二。 在2004—2018 年期間，農(nóng)業(yè)虛擬水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水的用水總量年份均值中分別占比94.88%、2.86%、1.95%、0.5%，并于2008 年達(dá)到水足跡總量的最大值1 956.787 億m3(表4)。 農(nóng)業(yè)虛擬水足跡呈現(xiàn)出先上升后減小的倒U型波動趨勢。 工業(yè)，生活水足跡則在此期間保持持續(xù)的增長趨勢，而生態(tài)水足跡波動較為不穩(wěn)定，經(jīng)歷了上升后短暫下降，又上升的變化趨勢。 水足跡的變動與河南省水資源相關(guān)政策和當(dāng)年降雨量有一定的關(guān)聯(lián)，河南屬于農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)用水量較大，雖然農(nóng)業(yè)技術(shù)方面的相關(guān)推廣和測試在不斷進(jìn)行，但仍有部分區(qū)域存在農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)粗放，存在水資源短缺和水資源承載力較弱的問題，人均水足跡占有量也相對較高，15 年總均值為1 917.97 m3/人，最高為2007 年2 082.12 m3/人，高于全國2007 年平均水平1 409.09 m3/人，即河南省人均水足跡與預(yù)期仍存在一定差距。

表4 2004—2018 年水足跡構(gòu)成及相關(guān)評價指標(biāo)

河南省水資源自給率相對較高，出口虛擬水量大于進(jìn)口虛擬水量，處于虛擬水貿(mào)易順差，但從水資源匱乏指數(shù)在2004—2018 年間，除2013 年水資源匱乏指數(shù)達(dá)到8.38，其余年份波動范圍均在3.0 ～6.5，表明河南省水資源仍處于緊缺狀態(tài)。 面對嚴(yán)峻的水資源利用現(xiàn)狀，河南省在2013 年出臺《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的實施意見》，嚴(yán)格把控用水效率控制紅線，水資源利用效率有所提升，到2014 年南水北調(diào)中線正式通水后，也在一定程度上緩解了河南省的用水壓力，水資源匱乏指數(shù)自2014年后逐漸下降，水資源利用效率則逐漸上升。/

2.2 河南省脫鉤分析

2.2.1 河南省整體脫鉤分析

對于水資源利用效率和經(jīng)濟增長的脫鉤分析強調(diào)的是脫鉤過程的趨勢分析，而以往文獻(xiàn)多以1 年為周期進(jìn)行相關(guān)研究，可能會存在效應(yīng)影響難以體現(xiàn)的問題，因此本文設(shè)置2 年為一個周期，對河南省水資源利用效率與經(jīng)濟增長進(jìn)行脫鉤分析。

河南省水資源利用與經(jīng)濟增長之間整體呈現(xiàn)出弱脫鉤的趨勢狀態(tài)。 在2004—2016 年段，河南省處于隨著經(jīng)濟增長水資源利用效率也增長的弱脫鉤關(guān)系狀態(tài)之中，弱脫鉤因子在0.3 以下，在弱脫鉤狀態(tài)之中屬于良好階段。 自2016 年之后，河南省脫鉤狀態(tài)趨于穩(wěn)定，有多于2/3 的年份處于弱脫鉤趨勢狀態(tài)，即處于隨著經(jīng)濟增長河南省水資源用水量也在增多的狀態(tài)。 在2016—2018 年間，河南省水資源利用與經(jīng)濟增長的脫鉤指數(shù)有著明顯的變化，強脫鉤趨勢加深，這與河南省嚴(yán)格控制用水效率有關(guān)，水資源利用效率提升，經(jīng)濟增長的同時總用水量得以下降。

2.2.2 河南省工業(yè)與經(jīng)濟增長的脫鉤分析

河南省工業(yè)用水利用效率與經(jīng)濟增長的脫鉤狀態(tài)整體由弱脫鉤狀態(tài)向好發(fā)展。 在2004—2012 年，5 個年段間均處于弱脫鉤狀態(tài)，占年段總數(shù)的71.4%(表5)。 在此期間，隨著河南省工業(yè)生產(chǎn)總值持續(xù)增長，工業(yè)用水總量也在不斷增加，用水資源緊張且工業(yè)化程度加深，進(jìn)一步加重了水環(huán)境污染問題。 在2012—2014 年度間，河南省工業(yè)脫鉤指數(shù)逐向強脫鉤狀態(tài)靠攏，提出嚴(yán)格把控節(jié)水環(huán)節(jié)，提高工業(yè)用水重復(fù)率等措施，脫鉤程度轉(zhuǎn)向經(jīng)濟增長與用水資源相背離的狀態(tài)。 在2016—2018 年段之中，河南省工業(yè)脫鉤指數(shù)處于弱脫鉤轉(zhuǎn)態(tài)，脫鉤指數(shù)小于0.015，尚處于脫鉤的良好狀態(tài)。

表5 2004—2018 年河南省脫鉤狀態(tài)分析

2.2.3 不同水文條件下農(nóng)業(yè)用水量變化及農(nóng)業(yè)脫鉤分析

水文年是依據(jù)每年區(qū)域降水量等因素影響劃分制定，而降雨量的豐富程度對于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)存在著一定的影響。 根據(jù)河南省2004—2018 年不同水文年份，可知河南省在平水年、偏枯年、偏豐年、枯水年的農(nóng)業(yè)用水量均值分別為126.47 億、130.03 億、120.96 億、141.65 億m3(表6)。 在降雨量較多的偏豐年，農(nóng)業(yè)用水明顯少于偏枯年與枯水年。 水文年份的不同對農(nóng)業(yè)虛擬用水量也存在影響，在平水期進(jìn)入偏枯水文年份，農(nóng)業(yè)虛擬水足跡總量明顯高于偏枯水文年進(jìn)入平水年，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的差別相對并不大，可以初步判斷降雨量對于農(nóng)業(yè)脫鉤狀態(tài)可能存在一定的影響。

表6 不同水文年及河南省農(nóng)業(yè)用水情況

河南省農(nóng)業(yè)虛擬用水量與經(jīng)濟增長脫鉤狀態(tài)整體趨于穩(wěn)定。 在2004—2016 年段間，河南省農(nóng)業(yè)脫鉤處于弱脫鉤趨勢狀態(tài)，在2006—2008 年段脫鉤指數(shù)由0.502 下降到0.470，接近擴張鏈接階段，表明經(jīng)濟增長的同時農(nóng)業(yè)虛擬用水量也在快速的增加，農(nóng)業(yè)耗水加大。 由于河南省屬于農(nóng)業(yè)大省，在部分地區(qū)存在灌溉水節(jié)水不到位，農(nóng)業(yè)水資源利用效率低下等問題，因此農(nóng)業(yè)用水一直處于河南省用水消耗量的重要組成部分。 從2008 年開始，河南省加大對大型灌區(qū)節(jié)水改造，并積極推動水利工程建設(shè)，在2008—2018 年段間，河南省農(nóng)業(yè)水資源利用與經(jīng)濟增長的脫鉤狀態(tài)向強脫鉤趨勢狀態(tài)靠攏，并呈現(xiàn)出持續(xù)加強的態(tài)勢，這一結(jié)果與雷玉桃等[21]、彭虹等[22]學(xué)者對農(nóng)作物虛擬水及農(nóng)業(yè)用水量變化趨勢的預(yù)測大致相同。 在2017 年，河南省出臺了《河南省“十三五”水資源消耗總量和強度雙控工作實施方案》，為減少水資源消耗、提高用水效率提出了嚴(yán)格的要求，促進(jìn)用水方式與經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步控制水資源利用率，農(nóng)業(yè)用水量與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長逐漸向理想狀態(tài)趨近。

2.3 河南省脫鉤驅(qū)動因子及效應(yīng)分析

本文主要運用擴展的LMDI分解法，在Tapio脫鉤彈性模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合Kaya恒等式，將河南省水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展脫鉤彈性指數(shù)分解為技術(shù)效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)、人口效應(yīng)四大脫鉤變化因子。

2004—2018 年，河南省水資源利用效率與經(jīng)濟增長脫鉤因子分為以技術(shù)效應(yīng)和人口效應(yīng)為主的負(fù)相驅(qū)動因子變化，和以規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)為主的正向脫鉤因子變化(表7)。 其中，技術(shù)脫鉤因子效應(yīng)的絕對值持續(xù)下降，對河南省脫鉤的脫鉤貢獻(xiàn)率整體均值為負(fù)的6.84，脫鉤因子為河南省水資源脫鉤的主要促進(jìn)因子。 技術(shù)效應(yīng)絕對值從2004年的356.99 下降到2018 年的340.19，下降幅度并不大，表明河南省水資源利用技術(shù)在15 年間持續(xù)增長，但由于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)推廣尚不成熟，部分地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)較為粗放，技術(shù)改進(jìn)推廣成果較慢等原因，技術(shù)效應(yīng)雖然對水資源利用效率和經(jīng)濟增長的脫鉤趨勢有所貢獻(xiàn)，但仍存不足。 而河南省產(chǎn)業(yè)脫鉤因子變化則對河南省水資源利用效率和經(jīng)濟增長的脫鉤貢獻(xiàn)率為0.29，產(chǎn)業(yè)脫鉤效應(yīng)絕對值呈現(xiàn)先下降后上升的波動趨勢，變動趨勢并不穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)驅(qū)動因子則為河南省水資源脫鉤的次要促進(jìn)因子。 在正向脫鉤因子變化之中，規(guī)模脫鉤因子對河南省脫鉤趨勢有著正向驅(qū)動作用，為主要抑制因子，規(guī)模脫鉤效應(yīng)貢獻(xiàn)率整體均值為7.59，但在2004—2018年規(guī)模驅(qū)動效應(yīng)逐年減弱。 而人口驅(qū)動因子變化對于河南省脫鉤趨勢的作用較小，對河南脫鉤效應(yīng)整體貢獻(xiàn)率均值為負(fù)值0.04，人口脫鉤因子呈現(xiàn)先下降后上升的波動趨勢，對河南省脫鉤抑制作用并不明顯。

表7 河南省脫鉤因子分析

3 結(jié)論及建議

a)河南省人均水足跡占有量和自給率相對較高，處于虛擬水貿(mào)易順差狀態(tài)，整體水資源匱乏情況有所緩解但仍處于緊缺狀態(tài)。 在用水量方面，農(nóng)業(yè)虛擬水足跡呈現(xiàn)出先上升后減小的倒U型波動趨勢，工業(yè)、生活水足跡則在此期間保持持續(xù)的增長趨勢，而生態(tài)水足跡波動較為不穩(wěn)定。

b)河南省水資源利用與經(jīng)濟增長之間整體呈現(xiàn)出弱脫鉤的趨勢狀態(tài)，工業(yè)用水利用效率與經(jīng)濟增長的脫鉤狀態(tài)整體較弱。 農(nóng)業(yè)虛擬用水量與經(jīng)濟增長脫鉤狀態(tài)則整體趨向于穩(wěn)定，且水文年份的不同對農(nóng)業(yè)虛擬用水量存在著影響，在平水期進(jìn)入偏枯水文年份，農(nóng)業(yè)虛擬水足跡總量明顯高于偏枯水文年進(jìn)入平水年。

c)河南省脫鉤因素分解方面，技術(shù)效應(yīng)對水資源利用效率和經(jīng)濟增長的脫鉤趨勢有所貢獻(xiàn)，但仍存不足，人口驅(qū)動因子變化對于河南省脫鉤趨勢的作用較小，規(guī)模脫鉤效應(yīng)對河南省脫鉤趨勢有著正向驅(qū)動作用，但驅(qū)動效應(yīng)逐年減弱，而產(chǎn)業(yè)脫鉤因子變化變動趨勢并不穩(wěn)定，且對河南省水資源利用效率和經(jīng)濟增長的脫鉤貢獻(xiàn)并不明顯。