基于LMDI模型的廣東省產(chǎn)業(yè)用水驅(qū)動力和驅(qū)動效應(yīng)分析

易晶晶,陳志和

(1.廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000；2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 512275)

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來的城市化進(jìn)程不斷加劇、人口數(shù)量快速膨脹，人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水強(qiáng)度等影響要素之間交互作用，導(dǎo)致區(qū)域用水變化與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展之間的關(guān)系產(chǎn)生新的變化，其研究已經(jīng)成為水文水資源的熱點(diǎn)前沿問題。

國內(nèi)外眾多學(xué)者們在區(qū)域用水變化規(guī)律與成因分析影響方面，開展了諸多創(chuàng)新性研究。研究方法上從最初的定性描述，已發(fā)展到利用統(tǒng)計和計量模型進(jìn)行定量分析。當(dāng)前，常見的因素分解形式有指數(shù)分解法IDA(Index Decomposition Analysis)和結(jié)構(gòu)分解法SDA(Structure Decomposition Analysis)2種。其中，IDA法只需要部門加總數(shù)據(jù)，適用于分解因素少、包含時間序列數(shù)據(jù)的模型，已經(jīng)獲得廣泛運(yùn)用[1-2]。Ang[3]在其研究中認(rèn)為IDA方法中的LMDI(Log Mean Divisia Index，對數(shù)平均迪氏分解法)在理論基礎(chǔ)、適用性和合理性方面具有更大的優(yōu)勢。該方法通過簡潔的方式表明了集合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，具備分解后無殘差、可以處理零值問題、總體分解效果一致的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境、水資源和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。張禮兵等[4]利用LMDI模型將安徽省工業(yè)用水量變化因素分解為工業(yè)節(jié)水效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和用水強(qiáng)度效應(yīng)，對該省工業(yè)行業(yè)用水變化進(jìn)行了因素分解，得出工業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的增長是該省工業(yè)用水增長的主導(dǎo)因素。張陳俊等[5]運(yùn)用LMDI模型構(gòu)建了用水量變化的因素分解模型，將1998—2013年中國用水量變化的驅(qū)動力分解為人口效應(yīng)、區(qū)域人口分布效應(yīng)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)效應(yīng)、區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和區(qū)域技術(shù)進(jìn)步效應(yīng)，定量解析了東、中、西部用水量變化的特點(diǎn)。Shang等[6]將天津市的工業(yè)用水變化驅(qū)動因素分解為經(jīng)濟(jì)規(guī)模、技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)變動，得出工業(yè)產(chǎn)值和技術(shù)革新對用水量的變化產(chǎn)生持續(xù)的驅(qū)動力。

廣東省地處中國南方大陸，水資源總量豐富，但時空分布不均，人均水資源占有量少。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，該省產(chǎn)業(yè)用水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間關(guān)系產(chǎn)生顯著變化。2000—2015年，廣東省經(jīng)濟(jì)總量持續(xù)增長，年均增長率達(dá)到14.6%，但產(chǎn)業(yè)用水量持續(xù)下降，年均下降3.3%。經(jīng)濟(jì)總量則持續(xù)保持上升態(tài)勢，由2000年1.07萬億元上升到2015年7.28萬億元，年均增長14.6%，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對用水的依賴程度明顯下降，兩者的關(guān)系越來越復(fù)雜?，F(xiàn)有研究表明，經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技水平、人口規(guī)模是影響用水量變化的主要驅(qū)動因素[7-8]?；诖耍疚囊隠MDI方法，定量測度經(jīng)濟(jì)規(guī)模、用水強(qiáng)度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人口規(guī)模等要素對產(chǎn)業(yè)用水量的驅(qū)動效應(yīng)，以期進(jìn)一步識別廣東省用水規(guī)律，為該區(qū)域用水管理提供決策參考。

1 LMDI因素分解模型

1.1 擴(kuò)展的Kaya恒等式

Kaya恒等式是一種可以識別并量化經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與影響因素驅(qū)動效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[9]。本文將Kaya恒等式的理念運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)用水變化的研究，將引起用水變化的因素分解為經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)、用水強(qiáng)度效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和人口規(guī)模效應(yīng)，以測度經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動、水資源利用技術(shù)進(jìn)步以及人口規(guī)模擴(kuò)張對廣東省水資源利用的影響。Kaya恒等式的擴(kuò)展形式如下：

(1)

式中W——產(chǎn)業(yè)用水總量；Wi——第i產(chǎn)業(yè)用水量；Wi,t——i產(chǎn)業(yè)第t年的用水量；GDPt——第t年的GDP總量；GDPi,t——第i產(chǎn)業(yè)第t年的GDP；Pt——第t年的人口；Et=GDPt/Pt——該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模；Ti,t=GDPi,t/GDPt——該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；Ii,t=Wi,t/GDPi,t——萬元GDP用水量，用以表征用水強(qiáng)度。

1.2 LMDI分解法

根據(jù)LMDI模型，基期和第t年產(chǎn)業(yè)用水量可分別表示為W0和Wt，則從基期到第t年的總用水量變化值為總效應(yīng)值ΔW，由4部分構(gòu)成：經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)(ΔWE)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)(ΔWT)、用水強(qiáng)度效應(yīng)(ΔWI)和人口規(guī)模效應(yīng)(ΔWP)。則產(chǎn)業(yè)用水量在第0～t年間的變動可用下式表示：

ΔW=Wt-W0=ΔWE+ΔWT+ΔWI+ΔWP

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

(6)

2 產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動效應(yīng)解析

2.1 產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀分析

分析廣東省2000—2015年三次產(chǎn)業(yè)占國民經(jīng)濟(jì)總量的比重以及三次產(chǎn)業(yè)用水比重，見圖1。廣東省三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比值從2000年的9.2∶46.5∶44.3轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的4.6∶44.7∶50.0，實(shí)現(xiàn)了由“二三一”向“三二一”轉(zhuǎn)變，符合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變的一般性規(guī)律，即廣東省第一產(chǎn)業(yè)比重持續(xù)下降，第三產(chǎn)業(yè)比重不斷上升，表明廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷優(yōu)化升級。分析產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)，第一產(chǎn)業(yè)用水比例依然占據(jù)用水主體，用水比例由2000年的67.4%下降到2015年的61.6%。第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)用水比例略微增長，分別從2000年的29.7%和2.9%增長到2015年的30.6%和7.8%。

圖1 2000—2015年廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水結(jié)構(gòu)

統(tǒng)計分析用水強(qiáng)度的變化，以反映經(jīng)濟(jì)活動的用水效率和科技水平對產(chǎn)業(yè)用水的影響[10]，見圖2。2000—2015年，廣東省萬元GDP用水量呈下降趨勢，從2000年的355 m3下降到2015年的51 m3。其中，第一產(chǎn)業(yè)用水強(qiáng)度下降最快，從2000年的2 602 m3下降到2015年的679 m3；其次是第二產(chǎn)業(yè)，從2000年的227 m3下降到35 m3；第三產(chǎn)業(yè)用水強(qiáng)度下降速度最慢，從2000年的23 m3下降到8 m3。可以看出廣東省總體用水效率在不斷提高，但第一產(chǎn)業(yè)用水效率依然偏低，各產(chǎn)業(yè)之間用水效率差距較大。這與中國總體的水資源利用效率情況相一致[11]。

圖2 2000—2015年廣東省用水強(qiáng)度變化

2.2 影響因素的驅(qū)動效應(yīng)分解

運(yùn)用式(3)～(6)，分析經(jīng)濟(jì)規(guī)模、人口規(guī)模、用水強(qiáng)度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等4個要素對廣東省產(chǎn)業(yè)用水的驅(qū)動效應(yīng)(圖3)，得出如下結(jié)論。

a) 經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)。經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)以一個區(qū)域的人均GDP來表示，反映了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平和人民的生活水平[12]。圖3a表明經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)對產(chǎn)業(yè)用水量產(chǎn)生正向驅(qū)動力，研究期間累計貢獻(xiàn)效應(yīng)值為654.9億m3，均值為43.66億m3，相對貢獻(xiàn)率均值達(dá)到42.98%，表明經(jīng)濟(jì)規(guī)模是廣東用水量增長的最主要驅(qū)動因素。廣東省人均GDP從2000年的12 417元/人上升到2015年的67 114元/人。圖3b表明研究期間產(chǎn)業(yè)用水量與人均GDP之間的關(guān)系。2004年之前，產(chǎn)業(yè)用水量和人均GDP同步增長；2005—2010年，在產(chǎn)業(yè)用水量基本不變情況下，人均GDP依然以一定的速度增長；2010—2015年，人均GDP持續(xù)增長，產(chǎn)業(yè)用水量逐漸減少。這說明2010年之后廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“脫鉤”，經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)對用水量的增長效應(yīng)也逐漸減弱。根據(jù)發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，這是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定水平，人類發(fā)展與水資源和諧相處的必然趨勢[13]。

b) 人口規(guī)模效應(yīng)。人口規(guī)模效應(yīng)以一個區(qū)域常住人口來表示。分析圖3a，人口規(guī)模效應(yīng)對產(chǎn)業(yè)用水量產(chǎn)生正向驅(qū)動力，但影響較小，累計貢獻(xiàn)效應(yīng)值為87.90億m3。2000—2015年人口年均增長率為1.6%，對全省產(chǎn)業(yè)用水量的貢獻(xiàn)效應(yīng)均值為5.86 m3，相對貢獻(xiàn)率均值為6.38%。人口增加勢必引起居民消費(fèi)增加，造成經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)而引起用水量的上升，對用水量產(chǎn)生正向效應(yīng)，但作用有限[14]。

a) 產(chǎn)業(yè)用水量的驅(qū)動因素效應(yīng)分解

b) 人均GDP與產(chǎn)業(yè)用水總量的關(guān)系

c) 廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏水度

d) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水強(qiáng)度驅(qū)動效應(yīng)關(guān)系圖3 4個要素對廣東省產(chǎn)業(yè)用水的驅(qū)動效應(yīng)

c) 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)主要反映不同產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)變化對產(chǎn)業(yè)用水的影響。2000—2015年間，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)對產(chǎn)業(yè)用水量的增長呈現(xiàn)負(fù)向驅(qū)動力，研究期間累計貢獻(xiàn)效應(yīng)值分別為-167.99億m3，相對貢獻(xiàn)率均值為-13.50%。為量化不同產(chǎn)業(yè)對用水量的影響,選用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏水度P來衡量產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對產(chǎn)業(yè)耗水的偏向程度。P越靠近1，表明城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)愈偏向于高耗水的方向，反之亦然，見圖3c。廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)P值一直小于0.5并且逐年減少，表明目前廣東省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏向于低耗水方向并且產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)愈來愈合理。

d) 用水強(qiáng)度效應(yīng)。2000—2015年期間，用水強(qiáng)度效應(yīng)對產(chǎn)業(yè)用水量產(chǎn)生了抑制作用，累計貢獻(xiàn)效應(yīng)值為-587.48億m3，相對貢獻(xiàn)率均值為-37.20%。分析各產(chǎn)業(yè)用水強(qiáng)度效應(yīng)，見圖3d。第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)用水強(qiáng)度變化幅度較大，第三產(chǎn)業(yè)用水強(qiáng)度變化幅度較小，年際間效應(yīng)變化值分別為-21.08億、-16.49億、-1.59億m3。廣東省總體以及各產(chǎn)業(yè)萬元GDP用水量均呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。

根據(jù)上述分析，廣東省經(jīng)濟(jì)水平較高且持續(xù)保持高速增長，對用水量增長的拉動效應(yīng)雖逐漸減弱，卻始終構(gòu)成較強(qiáng)的拉動效應(yīng)。因此，要實(shí)現(xiàn)水資源量的“零增長”或者“負(fù)增長”，需通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和用水效率的提高來削弱經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)張帶來的用水增長。提高用水效率是抑制用水量增長的重要途徑，廣東省用水效率由第一產(chǎn)業(yè)所支配，因此首先需進(jìn)一步降低第一產(chǎn)業(yè)比重，提高農(nóng)業(yè)用水效率，推廣先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，合理布局農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的優(yōu)化配置；其次，第二產(chǎn)業(yè)用水效率驅(qū)動效應(yīng)顯著，需進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)水意識，通過關(guān)閉或者減少高耗水行業(yè)，鼓勵低耗水行業(yè)來達(dá)到控制用水的目的[15]。

3 結(jié)論

本文基于Kaya恒等式和LMDI方法，利用2000—2015年廣東省水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)，分析了經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水強(qiáng)度和人口規(guī)模等影響因素對廣東省產(chǎn)業(yè)用水變化的驅(qū)動效應(yīng)，得出如下結(jié)論。

a) 由于廣東省的經(jīng)濟(jì)總量大，第一產(chǎn)業(yè)用水比重大且科技水平不斷提升，經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)和用水強(qiáng)度效應(yīng)始終是產(chǎn)業(yè)用水量變化的主要驅(qū)動力，其相對貢獻(xiàn)率均值分別為42.96%、-37.20%；隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越來越合理，人口增長速度減緩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和人口規(guī)模效應(yīng)較弱且逐漸減弱，其相對貢獻(xiàn)率均值分別為-13.50%、6.38%。

b) 廣東省產(chǎn)業(yè)用水量變化是經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)、用水強(qiáng)度效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和人口規(guī)模效應(yīng)共同作用的效果。驅(qū)動因素測度結(jié)果顯示，2000—2015年，經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)和人口規(guī)模效應(yīng)產(chǎn)生正向驅(qū)動力，用水強(qiáng)度效應(yīng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)向驅(qū)動力，累計效應(yīng)值分別為654.90億、87.90億、-587.48億、-166.99億m3。