基于LMDI和脫鉤指數的疏勒河流域水資源利用分析

李 曼，李沁峰，劉煥才

（山西師范大學地理科學學院，太原 030000）

0 引 言

水資源環境狀況和水資源稟賦條件是區域走水資源可持續利用、區域經濟和諧發展道路不可忽視的因素［1］。據2005-2018年《中國水資源公報》統計，這一時期全國用水總量呈先增加后減少的趨勢，自2014年以來，全國用水總量一直處于減少趨勢，2018年全國用水總量6 015.54 億m3，比2014年減少了79.51 億m3。水資源作為基礎性和戰略性資源，社會經濟發展需要依托水資源消耗，水資源危機依然存在［2］。同時，我國水資源時空分布不均特點給水資源缺乏的干旱半干旱區帶來了更加嚴峻的挑戰。

水資源利用一直是各界關注和研究的熱點問題，諸多學者從不同角度對其進行了深入研究。顏明等［3］研究了地區產業升級與水資源利用間的關系，潘丹等［4］分析了水資源與農業經濟增長的內在動態聯系，楊艷昭等［5］在水資源自然稟賦、利用狀況的基礎上進一步分析區域水資源開發潛力，孫偵等［6］評價了我國水土資源的匹配狀況。在分析社會經濟要素和水資源利用變動的研究中，LMDI 分解法（對數平均迪氏分解法）以其先進性與靈活性成為衡量社會經濟要素和水資源要素間內在聯系的有效工具，研究大多基于因素分解模型對水資源利用變動進行分析［7］，對各類水資源利用影響因素進行分解和探究［8，9］，對水資源壓力影響因素的分析［10］和水資源利用變化驅動效應與脫鉤狀態的研究［11］。

疏勒河流域位于河西走廊西端，氣候干旱、降水稀少。近年來，受氣候變化和人類活動加劇的影響，流域水資源利用與生態環境建設將面臨更大的挑戰。本文通過分析水資源利用變化機理，通過建立LMDI 完全分解模型分析影響流域水資源利用的主要因素，進而了解水資源和社會經濟之間的協調發展狀況，對“以水而定”，促進經濟社會“量水而行”，優化水資源配置戰略格局具有重要意義。

1 研究區概況

疏勒河流域位于甘肅省河西走廊西端，東經92°11′～98°30′，北緯38°00′～42°48′，流域面積約12.90 萬km2，是河西走廊三大主要內陸河流域之一。流域多年平均年降水量47～63 mm，年蒸發量2 897～3 042 mm，是甘肅省降雨量最少的地區，屬典型的內陸干旱性氣候。疏勒河發源于祁連山脈的崗格爾肖合力嶺冰川，干流全長670 km，多年平均徑流量為10.31 億m3。流域降水主要集中在上游祁連山區，上游山區以畜牧業為主，對水資源消耗較少；中下游盆地降水少、人口集中，以綠洲灌溉農業為主，農業灌溉用水量占流域總用水量的85%以上［12］，降水和冰川融水是灌溉用水的主要補給來源。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

數據來源為2005-2018年的《甘肅省水資源公報》，選取的數據有流域各類用水量數據和社會經濟數據。由于經濟數據和用水數據屬于不同統計范圍，經濟數據是根據產業（第一、二、三產業）劃分的，而用水數據通常是以農業、工業、城鎮公共、居民生活與生態環境劃分的。因此，借鑒賈紹鳳等的劃分方式［13］，將城鎮公共、居民生活和生態環境的用水量組合起來與第三產業經濟數據相匹配。同時，為了保持數據計算的一致性，所有經濟指標均為以2005年為基期的可比價。

2.2 水資源利用量影響因素分解模型構建

本文選擇疏勒河流域作為水資源利用變動分析的研究對象，引用對數平均迪氏分解法（LMDI）對疏勒河流域2005-2018年間的水資源利用變動進行分析。因素分解法由Ang 等［14］提出，用于分析不同驅動因子的變化對研究對象的影響程度。在結構分解方法中，LMDI 分解方法能夠對水資源利用的驅動成分進行徹底、無殘差的分解剖析，被廣泛地用于水資源領域［16］。在原始Kaya恒等式［17］的基礎上，構建水資源利用變動的因素分解模型，將流域第t年用水總量Wt分解如下：

式中：Wt表示t時期用水總量；Wi，t表示t時期第i類產業的用水量；GDPt表示t時期國內生產總值；GDPi，t表示t時期第i類產業的國內生產總值；Pt表示t時期常住人口。記Ii，t=Wi，t/GDPi，t為第i產業t時期的用水定額；Si，t=GDPi，t/GDPt為第i產業t時期的產業結構比重；Yt=GDPt/Pt為t時期人均國內生產總值。那么流域第t年用水總量Wt可表示為：

則水資源利用量在第0年至第t年的變動可表達如下：

式中：ΔWI是用水定額效應，即因水資源利用效率變化引起用水量變化；ΔWS是產業結構效應，即各產業經濟比重變動導致用水量變化；ΔWY為經濟規模效應，即經濟增長對用水量的影響；ΔWP為人口效應，即人口數量變化對用水量的影響。若分解效應值為正，則表示該效應對水資源利用起拉動作用，為水資源消耗；若分解效應值為負，則表明該效應對水資源利用起抑制作用，為水資源節約。

針對因素分解中存在殘差項的問題，Ang 認為對數平均迪式指數分解法（LMDI）是指數分解法中最優的方法［15，18］。本文選擇LMDI加法模型，具體計算公式如下：

2.3 Tapio脫鉤彈性法

“脫鉤”一詞最早出現在物理領域中，后發展成隨時間推移資源環境與經濟增長相背離的理論［19］，被廣泛用于描述資源環境與經濟增長間的關系［11］。當脫鉤用來表達水資源利用量與經濟增長之間的關系時，它是指阻斷用水量與經濟增長之間的相互影響關系，即用水量和經濟之間的脫鉤關系一般經歷三個階段：未脫鉤-相對脫鉤-絕對脫鉤狀態［20］。本文采用Tapio 脫鉤模型構建經濟與用水量之間的脫鉤關系，可表示為：

式中：Di（Wi，GDPi）為i類產業國內生產總值與i類產業用水量間的脫鉤彈性；ΔWi為t時期i類產業用水量與上一時期相比變化量；ΔGDPi為t時期i類產業的國內生產總值與上一時期相比變化量。參照李牧等劃分的脫鉤狀態的臨界值［21］，將脫鉤狀態分為3類情況，進一步細分為8種狀態，見表1。

表1 脫鉤狀態分解表Tab.1 Decoupling state resolution table

3 疏勒河流域水資源利用效應分解

3.1 水資源利用概況

根據2005-2018年《甘肅省水資源公報》，疏勒河流域各產業用水量如下圖1所示。2005-2018年，流域年用水量平均值為18.11 億m3；2005-2009年，流域用水量處于平穩變化期，年用水量平均值為19.28 億m3；2010年流域用水量急劇增加，達到統計期最高值22.16 億m3；2010-2018年流域總用水量呈逐漸減少趨勢，其中2014年減少速度最快，較上年減少了15.2%。以2018年流域耕地面積16.26 萬hm2計算，流域每公頃耕地水資源占有量只有7 823.85 m3，不足我國平均水平的30%。2005-2018年，疏勒河流域GDP 以年均10%的速度增長，而流域的總用水量由2005年的19.12 億m3下降至2018年的14.21億m3。流域總用水量逐漸下降，一方面受到流域水資源總量下降的影響，另一方面，國務院批準《敦煌規劃》以及“十二五”、“十三五”規劃出臺后，實行和落實最嚴格水資源管理制度，在加強用水總量控制與定額管理的同時，推廣高效節水灌溉技術、加快流域節水型灌區建設；2018年流域節水灌溉面積達到11.46萬hm2，占流域耕地面積的70.5%。

圖1 2005-2018年疏勒河流域各產業用水變化Fig.1 Changes of water use by industry in Shule River Basin from 2005 to 2018

從2005-2018年各產業用水量變化來看，疏勒河流域最主要用水產業為第一產業，其中農田灌溉用水約占總用水量的81.3%，隨著流域農業種植結構調整和對無序開荒占用水資源的治理，自2011年后，流域第一產業用水量逐漸減少，2018年第一產業用水為12.28 億m3，年均減少2.4%。第三產業用水量略高于第二產業，其中2005-2013年第三產業用水量表現為階梯式下降，2013年為統計期最低值0.59 億m3；2014-2017年第三產業用水量逐年快速增長，年增長率高達43.8%。疏勒河流域第二產業年均用水量為0.83 億m3，約占流域總用水量的4.6%；其中2005-2010年第二產業用水量經歷起伏后緩慢增加；2010-2012年第二產業用水量出現明顯增長；2012-2018年第二產業用水量波動變化，呈逐漸減少趨勢。

3.2 水資源利用效應分解

整體來看（圖2），經濟效應和人口效應對疏勒河流域水資源利用變化起到拉動效應，其中經濟效應為2.53 億m3，人口效應為2.13 億m3；產業結構效應和定額效應為抑制效應，其中定額效應占據主導地位，為-6.49 億m3。在流域全面普及常規節水技術、降低灌溉定額、提高水利用系數和單方水效益作用下，產業結構效應和定額效應在2010年后均表現出明顯規律：結構效應表現為在用水分解值為0 上下波動變化；定額效應與綜合效應呈現同步變化趨勢，說明流域正在通過產業結構調整和新技術推廣應用來減少流域發展對水資源的依賴。

圖2 疏勒河流域水資源利用變化LMDI分解Fig.2 LMDI decomposition of water resource use change in Shule River Basin

從經濟效應演變軌跡來看（圖2），經濟效應分解結果可分為兩個階段：2006-2012年，流域內經濟快速發展，玉門市整體拆遷工程、國家大型項目高速公路、風電、高速鐵路工程相繼開工建設，砂石資源市場快速發展；同時，流域管理部門進一步加強河道采砂規范管理，強化對涉河取水、排污企業的監督管理，加快推進農業綜合水價改革，這一時期經濟效應對水資源利用表現為由拉動效應轉變為抑制效應；2013-2018年，經濟效應對水資源利用表現為抑制作用，并呈減弱趨勢，由-0.32億m3降低至的-0.01 億m3，這一階段流域生產方式正逐步轉變，農業生產由粗放式灌溉管理向精細化灌溉管理的轉變；工業生產由管理型節水向技術性措施節水轉變，導致流域產值出現小幅下降，對水資源利用抑制效應明顯，流域水資源利用總量由2013年18.14 億m3降至2018年的14.21 億m3。

從人口效應演變軌跡來看（圖2），其分解結果均為正值，表明人口增長對流域用水量起到拉動作用，但其拉動效應整體呈下降趨勢。2006-2013年，流域人口增長速度快，對水資源利用的年均拉動作用為0.23 億m3，其中2009年、2010年流域人口較上年減少，表現為拉動效應的迅速下降；2013年后，人口增速放緩，人口效應對水資源利用的拉動作用呈減弱趨勢，由2013年的0.31 億m3下降至2018年的0.06 億m3。

從產業結構效應演變軌跡看（圖2），2006-2009年，結構效應節水量快速下降，并由2006年的抑制效應（-1.19 億m3）轉化為2009年拉動效應（0.81 億m3），這一時期第一產業比重提高，用水量增加，因此對水資源利用量的影響發生轉變；2010年后，流域及時調整，進一步推進節水型灌區建設，對流域內水資源實行統一規劃、統一調度、統一管理，產業結構效應對水資源利用的影響在“平衡線”（用水分解值為0）上下波動且數值較小，拉動效應最大值為0.49 億m3，抑制效應最大值-0.32 億m3。在2018年，產業結構效應的拉動作用降至0.03 億m3，未來將繼續發揮節水功能。

從定額效應演變軌跡來看（圖2），定額效應分解結果以2011年為時間節點：2006-2010年定額效應對水資源利用由抑制效應（-1.10 億m3）轉化為拉動效應（2.98 億m3）。2011年后，隨著各行業節水技術的進步，定額效應對水資源利用的影響呈現波動下降趨勢，抑制作用明顯。2014年定額效應節水量達到了最大，為-2.69 億m3，之后定額效應帶來的節水量出現下降趨勢，各產業單位用水定額也呈現出下降趨勢，這可能與流域內水資源優化配置、產業結構調整和用水計劃調整有關。同時，定額效應的演變軌跡在2009年后與綜合效應基本一致，且同步變化，表明水資源利用變化很大程度受到定額效應影響，未來流域水資源利用走可持續道路，取決于定額效應是否起到抑制作用。

4 疏勒河流域水資源利用量和經濟增長脫鉤關系

疏勒河流域水資源利用與經濟增長的脫鉤關系在2006-2018年主要概括為強脫鉤、弱脫鉤、衰退脫鉤、弱負脫鉤等脫鉤形態；其中脫鉤狀態出現3 次，占統計期數的23.08%；弱負脫鉤出現3次；衰退脫鉤出現4次（見表2）。

表2 2006-2018年疏勒河流域水資源利用與經濟增長的脫鉤關系Tab.2 Decoupling relationship between water resources use and economic growth in Shule River Basin from 2006 to 2018

從流域各產業用水量角度來看，其與經濟增長的差異程度較大，各產業的脫鉤狀態并不同步。第一產業脫鉤狀態出現次數最多，為7 次；第二產業和第三產業脫鉤狀態出現次數均為2次。第一產業脫鉤狀態最好，在保持產值增長的同時，其消耗的水資源量減少，對水資源的壓力不斷減小，2005-2018年疏勒河流域農業灌溉年均用水16.10 億m3，占流域總用水量的88.9%，單位面積灌溉用水量與灌溉面積比重減少是第一產業用水量減少的關鍵，也是流域水資源高效利用的基礎。第二產業和第三產業僅在2006年、2007年為弱脫鉤和強脫鉤狀態，2008年后二者脫鉤狀態不穩定，經歷了由強負脫鉤-衰退脫鉤的變化過程，脫鉤狀況表現出優化發展趨勢。2008-2017年間，第二產業出現強負脫鉤5 次，其間以擴張負脫鉤和衰退脫鉤連接；第三產業出現強負脫鉤7 次，其間以衰退脫鉤連接；這表明第二、三產業產值增長速度低于水資源消耗速度，即產值增長仍依靠水資源利用。

總體來看，疏勒河流域水資源利用與經濟增長脫鉤狀態較差，其中第一產業脫鉤狀態較好。2012年后，水資源利用與經濟增長脫鉤狀態出現明顯波動，表明流域生產方式在發生改變，正不斷優化產業結構，提高生產節水和水資源復用效率，尋找流域水資源利用與經濟增長的平衡點，實現可持續發展。根據脫鉤狀態變化趨勢可將流域水資源利用與經濟增長間的脫鉤狀態分為兩個階段：

（1）脫鉤轉化階段（2006-2010年）。“十一五”期間，在我國經濟高速增長的背景下，疏勒河流域經濟以年均3.9%的速度增長，流域GDP 由2005年末的97.86 億元增加到2010年118.41 億元；同時，“十一五”期間我國實施了最嚴格的水資源管理制度，流域用水總量呈現出先增加后減少的倒“V”形變化趨勢，用水總量年均增速為0.7%，小于GDP年均增長速度。但這一階段也是流域水資源利用量和經濟增長脫鉤關系明顯轉變、水資源消耗速度加快的時期。

（2）波動變化階段（2011-2018年）。這一時期流域經濟表現為增長-下降趨勢，與之相對，流域用水量在持續下降。2010年流域內農業種植結構隨著市場需求變化進行大幅度調整，流域總用水量達到統計期間最高，為22.16億m3，流域經濟總量與水資源利用總量均較上年大幅提升，水資源利用與經濟增長呈現擴張負脫鉤狀態。“十二五”以后，我國落實節約優先戰略，提升各類資源保障程度，流域通過積極轉變配水方式、加強水資源管理等措施在水資源合理利用、水資源節約方面取得了明顯成效，流域用水總量由2011年20.73 億m3下降至2018年14.21億m3；同時這一時期流域經濟產值降幅也達到最大，由2011年118.62 億元降至2015年111.41億元。整體來看，流域經濟增長和水資源利用脫鉤關系在這一時期處于波動變化態勢，說明流域經濟增長仍需依靠水資源利用為支撐。

5 結 論

本文利用LMDI 因素分解模型估計疏勒河流域2005-2018年的水資源利用量變化，后引入脫鉤模型，以各產業經濟增長和水資源利用量為研究對象，以求進一步分析經濟增長與水資源利用量自身增減變化對彼此的響應。結果表明：

（1）2005-2018年疏勒河流域水資源利用量的變化是經濟效應、人口效應、產業結構效應和定額效應等因素共同影響下的結果。在剔除物價波動的影響后，經濟效應和人口效應為主要拉動效應；產業結構效應和定額效應為抑制效應，其中定額效應的貢獻率在多數年份占主要比重。2008年后，我們國家加強資源節約和管理，加大環境保護力度，流域經濟發展減緩，使得經濟效應對水資源利用的拉動作用快速下降，特別是在2012年后表現為反向抑制作用。結構效應對水資源利用表現為拉動效應，但數值較小；定額效應對水資源利用變化影響較大，表明流域仍需優化產業結構節水、合理調整用水計劃、優化水資源配置。

（2）2005-2018年疏勒河流域水資源利用綜合效應整體為負向效應，以2010年為界，可分為兩個階段。第一階段流域水資源利用綜合效應呈上升趨勢，為正向變動即水資源消耗加劇，表明流域水資源利用仍維持“粗放型”；第二階段水資源利用綜合效應表現為波動下降趨勢，即水資源利用趨向節約型，這一時期流域總用水量開始減少，流域水資源利用開始轉入“下降期”，這一時期也是單位面積農業產值增加、節水灌溉技術推廣和灌溉面積增大的時期，表明“集約型”水資源利用方式在持續發揮著節水作用。

（3）疏勒河流域水資源利用量與經濟增長的脫鉤狀態經歷了強脫鉤-強負脫鉤-衰退脫鉤的過程，流域水資源利用與經濟增長表現為脫鉤關系僅占到總統計期數的23%。流域內各產業脫鉤狀態存在差異，其中第一產業脫鉤狀態最好，表明流域農業產值增長正逐步擺脫以水資源消耗為代價的增長方式；第二產業和第三產業脫鉤狀態與流域總體脫鉤狀態大致同步變化，總體脫鉤狀態受第二、三產業脫鉤狀態影響較大；“十二五”以來，瓜州縣、玉門市深入推進“工業強縣”、“工業強市”戰略，積極承接中東部產業、不斷完善配套設施、優化發展環境，導致這一時期流域水資源利用量與經濟增長脫鉤狀態波動變化，說明流域經濟增長仍需依靠水資源作為支撐。

需要特別指出的是，在使用數據過程中，若不考慮物價波動影響，使用當年價作為輸入數據會將物價起伏影響保留至最終研究結果，從而對研究結果產生一定影響。因此，在以經濟指標作為輸入數據的研究中，物價波動是否剔除至關重要，只有剔除物價波動的影響才能更準確表征經濟活動與各要素間的關系。在未來的研究工作中，物價變化對研究結果的影響仍不可忽視。