基于IPAT等式的甘肅省用水影響因素分析*

王 康

(中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

基于IPAT等式的甘肅省用水影響因素分析*

王 康

(中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

將經(jīng)典的IPAT等式擴(kuò)展為包含人口、富裕程度、用水強(qiáng)度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)4種影響因素的用水分析等式;并利用結(jié)構(gòu)分解模型，將4種影響因素對(duì)總用水量變化的貢獻(xiàn)分解開(kāi)，得到不同因素對(duì)用水變化的影響。利用模型對(duì)1999－2008年甘肅省用水狀況進(jìn)行了實(shí)證分析，結(jié)果表明:富裕程度對(duì)用水量的增加效應(yīng)最大，最高為2003－2004年(21.07×108m3);而人口變化對(duì)用水量的增加效應(yīng)相對(duì)較小，均小于1×108m3;盡管用水效率的提高和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化都減少用水量，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對(duì)用水量變化的貢獻(xiàn)比用水效率的貢獻(xiàn)小;此外，單純地提高用水效率或調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并不能保證在環(huán)境約束下實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，隨著人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了滿足人民群眾不斷增長(zhǎng)的需求，不僅要從提高用水效率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)水資源的高效優(yōu)化配置;更重要的是調(diào)整發(fā)展思路，擺正人和自然的位置，才能真正實(shí)現(xiàn)人和自然的和諧發(fā)展。

IPAT等式;結(jié)構(gòu)分解模型;水資源;甘肅省

西北干旱區(qū)的水資源問(wèn)題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展必須面對(duì)的問(wèn)題。提高水資源的利用效率，構(gòu)建節(jié)水型社會(huì)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。水資源與人類活動(dòng)的關(guān)系極為密切，水資源問(wèn)題與人類活動(dòng)一起形成了復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題。現(xiàn)有研究表明，影響環(huán)境的人文因素有人口、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、技術(shù)、政治和經(jīng)濟(jì)制度、態(tài)度和信仰［1］。為理解和解決面對(duì)的復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題，顯然需要了解每一種人文驅(qū)動(dòng)因素對(duì)環(huán)境影響的作用大小［2］。本文將從經(jīng)典IPAT等式入手，以甘肅省1999－2008年的水資源利用狀況(暫不考慮生活和生態(tài)用水)為例，利用結(jié)構(gòu)分解模型，將甘肅省水資源利用的影響因素進(jìn)行分解，并對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行了一些探討。

1 IPAT等式及結(jié)構(gòu)分解模型

經(jīng)典IPAT等式是一個(gè)分析人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的公式。IPAT等式指定環(huán)境影響(I)為人口(P)、富裕程度(A)和技術(shù)(T)的乘積，建立了人文因素與環(huán)境影響之間的賬戶恒等式［3－5］。盡管IPAT等式只是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念框架，但它具有如下特點(diǎn)［1］:1)簡(jiǎn)單性:融入了關(guān)鍵的人文要素，如人口、富裕程度和技術(shù);2)系統(tǒng)性:指定了環(huán)境影響的人文驅(qū)動(dòng)因素與環(huán)境影響之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式;3)健全性:可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響分析中，如二氧化碳排放［2，6］、虛擬水［7］等。由于 IPAT 等式捕獲了自然、社會(huì)科學(xué)的基本規(guī)律，自提出以來(lái)，以其為基礎(chǔ)的應(yīng)用研究非常廣泛，主要集中在CO2的排放方面。

經(jīng)典的IPAT等式的方程為［8］:

其中，I為環(huán)境影響，可以是能源消耗或污染物排放等，其受到所有因素的影響;P為人口數(shù)量，其體現(xiàn)人口規(guī)模的變化;A為富裕程度，通常用人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值表示;T為技術(shù)進(jìn)步，通常用單位GDP的能源消耗或污染物排放數(shù)量表示。顯然，P×A是總的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，而T表示單位GDP的能耗或污染物排放，這里體現(xiàn)了IPAT等式具有賬戶恒等式的特點(diǎn)。

當(dāng)IPAT等式應(yīng)用于用水分析時(shí)，通常也選取單位GDP用水量來(lái)表征技術(shù)進(jìn)步(T)。事實(shí)上，這忽略了部門間的差異。通常農(nóng)業(yè)部門的用水效率比其他部門低很多。因此，如果從用水效率方面考慮，由于各部門用水強(qiáng)度的差異，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同樣會(huì)對(duì)用水總量產(chǎn)生影響。本文將表征技術(shù)進(jìn)步(T)的單位GDP用水量進(jìn)一步分解成w和S的乘積(見(jiàn)(2)式)，其中w為各部門單位GDP用水量組成的行向量;而S為各部門GDP占總GDP的份額組成的列向量。

(2)式僅表示某一時(shí)間點(diǎn)上，用水量與人口、富裕程度、用水強(qiáng)度以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的靜態(tài)關(guān)系，并不能反映一段時(shí)期內(nèi)的用水變動(dòng)的特征。為了體現(xiàn)過(guò)去一段時(shí)期內(nèi)用水及其影響因素的變化特點(diǎn)，則需要利用結(jié)構(gòu)分解模型，將一段時(shí)間內(nèi)用水變化的影響因素進(jìn)行分解，以考察各種因素對(duì)用水變化的貢獻(xiàn)大小。

設(shè)基期用水總量為I，基期后的某個(gè)時(shí)間t的用水總量為It，變化量為ΔI;類似地，人口數(shù)量為P和Pt，變化量為ΔP;富裕程度為A和At，變化量為ΔA;部門單位GDP用水向量為w和wt，變化量為Δw;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向量為S和St，變化量為ΔS。

由(2)式可以推出用水總量變化為

(3)式很容易分解成

(4)式的第一行四項(xiàng)為各個(gè)因素的純貢獻(xiàn)，即沒(méi)有任何混合作用的貢獻(xiàn);第二行的六項(xiàng)為兩個(gè)因素的混合作用的貢獻(xiàn);第三行為三個(gè)因素的混合作用的貢獻(xiàn);第四行為四個(gè)因素的混合作用的貢獻(xiàn)。如果沒(méi)有依據(jù)確定混合作用中各個(gè)因素的影響份額，可以將混合作用的影響平均分配給各個(gè)因素［9］。例如，人口變化對(duì)用水總量變化的貢獻(xiàn)(Ep)為(5)式。其余因素的計(jì)算公式與此類似。

利用上述模型可以將影響用水總量的四個(gè)影響因素的貢獻(xiàn)分解開(kāi)，便于比較不同因素對(duì)用水變化的影響。其實(shí)，w可以指代任何有關(guān)強(qiáng)度的指標(biāo)。下面將以甘肅省1999－2008年為例，對(duì)影響用水總量的因素進(jìn)行分析。

2 甘肅省產(chǎn)業(yè)用水狀況分析

甘肅省地處西北內(nèi)陸地區(qū)，水資源短缺已經(jīng)成為制約甘肅省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要瓶頸因素之一。水資源的開(kāi)發(fā)利用狀況不僅受自然條件的影響，同時(shí)與人類活動(dòng)一起形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的綜合問(wèn)題。甘肅省1999－2008年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和用水的基本情況如表1所示。

從表1可以看出，甘肅省人口總量從1999年的2 543萬(wàn)人增長(zhǎng)到2008年的2 628萬(wàn)人，增長(zhǎng)了3.35%;經(jīng)濟(jì)總量從1999年的956.33億元增長(zhǎng)到3 176.11億元，增長(zhǎng)了232.12%，經(jīng)濟(jì)規(guī)模增長(zhǎng)很快;用水量相對(duì)比較穩(wěn)定，基本上穩(wěn)定在111×108m3和115×108m3之間。由式(2)易知，P增長(zhǎng)、A也增長(zhǎng)，而總的用水量I維持相對(duì)穩(wěn)定，必然是由于技術(shù)進(jìn)步(w×S)緩解了人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)環(huán)境造成的壓力。

根據(jù)(2)式對(duì)用水量的分解因素，表2給出了1999－2008年各年的人口、人均GDP、三次產(chǎn)業(yè)單位GDP的用水量以及三次產(chǎn)業(yè)GDP的結(jié)構(gòu)。從表2中可以看出，人口和人均GDP都處于增長(zhǎng)狀態(tài)，10年間甘肅省總?cè)丝谠黾恿?5萬(wàn)人;人均GDP的增加幅度更大，10年間增加了8 325.02元。各個(gè)產(chǎn)業(yè)的單位增加值的用水量下降明顯，第一產(chǎn)業(yè)單位增加值的用水量減少了58.53%，第二產(chǎn)業(yè)單位增加值的用水量減少了79.23%，第三產(chǎn)業(yè)單位增加值的用水量減少了48.70%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也有所變化，第一產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)中的比重明顯下降，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的比重有所上升，由于第二產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致2004年以后第三產(chǎn)業(yè)的份額有所下降;直至2008年，第二產(chǎn)業(yè)的比重相比2007年下降1%，而第一和第三產(chǎn)業(yè)的比重分別上升了0.3%和0.72%。但是，從表1中得知，10年間全省的用水總量相對(duì)穩(wěn)定，那么，在有限的水資源約束下，為了滿足人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)張要求，人們開(kāi)始追逐更高效地利用有限的水資源。

表1 甘肅省1999－2008年社會(huì)經(jīng)濟(jì)及用水原始數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of social－economy and water use in Gansu province，1999 －2008

3 甘肅省用水變動(dòng)的影響因素分解

前已述及，1999－2008年間人口和富裕程度都在增長(zhǎng)，而用水總量保持相對(duì)穩(wěn)定。因此需要了解四種影響因素對(duì)用水總量的影響分別是多大，為今后的發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。利用第一節(jié)提出的分析方法，以表2的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出不同時(shí)間間隔的變動(dòng)情況?？紤]到水資源系統(tǒng)具有較強(qiáng)的時(shí)間差異，這里對(duì)1年間的變化情況進(jìn)行了分解。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，對(duì)用水量的增加效應(yīng)最大的是富裕程度，其中2003－2004年的值最高(21.07×108m3)，一方面是由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，直接對(duì)水資源系統(tǒng)形成壓力;另一方面是由于人均收入的增加，導(dǎo)致消費(fèi)量的增加，間接地對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生壓力。人口變化的效應(yīng)相對(duì)較小，主要是因?yàn)槿丝跀?shù)量的變化幅度相對(duì)較小，從1999年到2008年人口增長(zhǎng)了3.35%。其中2004－2005年間是一個(gè)特殊年份，由于這段時(shí)間的人口數(shù)量減少25萬(wàn)人，使水資源使用量減少1.1×108m3，其效應(yīng)占當(dāng)期總效應(yīng)的76.5%。這段時(shí)間內(nèi)用水減少量(1.44×108m3)的3/4是由人口數(shù)量的變化引起的。而該時(shí)期人口數(shù)量的減少主要原因是人口自然增長(zhǎng)率較低，根據(jù)2005年1%人口抽樣調(diào)查結(jié)果報(bào)告，2005年甘肅省人口自然增長(zhǎng)率為6.02‰。

表2 1999－2008年IPAT等式中各因素的數(shù)值Tab.2 Values of factors in IPAT equation，1999 －2008

表3 不同因素對(duì)用水變化的效應(yīng)分解結(jié)果Tab.3 Decomposed impacts of different factors on water use

總體來(lái)看，人口變化和富裕程度對(duì)用水量的影響主要是增加作用，而用水強(qiáng)度變化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化主要是減少作用。表3的結(jié)果表明，所有時(shí)間段內(nèi)用水強(qiáng)度的變化對(duì)用水量的變化都是減少的作用，最高為2003－2004年間減少了22.98×108m3，這表明用水效率的提高顯著地減少了用水量。同樣，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)用水量變化主要是減少的作用，最高減少量為9.40×108m3，有三段時(shí)間(2000－2001年間、2003－2004年間和2007－2008年間)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化引起了用水量的增加，分別為0.52×108m3、0.49 ×108m3和 1.73 ×108m3，相對(duì)較小。因此，從對(duì)用水影響的角度來(lái)看，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化總體趨勢(shì)是向優(yōu)化的方向發(fā)展的。這反映了在資源約束的情況下，人們通過(guò)各種手段在提高適應(yīng)環(huán)境的能力。

為了更直觀地對(duì)比用水效率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)總體用水量的影響差異，假設(shè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水強(qiáng)度之間相互獨(dú)立(沒(méi)有交叉影響)，設(shè)定了兩種情景:情景1是假設(shè)甘肅省2000年－2008年所有年份的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)維持在1999年的水平，其余因素(人口、富裕程度和用水強(qiáng)度)為各年份實(shí)際值;情景2是假設(shè)甘肅省2000年－2008年所有年份的用水強(qiáng)度維持在1999年的水平，其余因素(人口、富裕程度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu))為各年份實(shí)際值。計(jì)算得到1999－2008年全省用水量如表4所示。表4表明，情景1和情景2的用水量均不斷增長(zhǎng)，這說(shuō)明如果單純地提高用水效率(用水強(qiáng)度降低)或調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，都無(wú)法保證在特定的環(huán)境約束下實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。換言之，只有當(dāng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與用水結(jié)構(gòu)相一致時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)比兩種情景可以發(fā)現(xiàn)，總體上情景2下用水量的增加幅度要高于情景1，這與結(jié)構(gòu)分解模型的結(jié)論是一致的。如果產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)保持在1999年不變的情況下，全省用水總量呈不斷上升趨勢(shì)，這說(shuō)明從水資源利用角度上來(lái)看，1999－2008年間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整在一定程度上減輕了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源系統(tǒng)的壓力。

4 結(jié)果與討論

本文從經(jīng)典的IPAT等式出發(fā)，擴(kuò)展為包含4種影響因素的用水分析等式，并利用結(jié)構(gòu)分解模型，提出不同因素對(duì)總影響的貢獻(xiàn)。利用模型對(duì)1999－2008年甘肅省用水狀況進(jìn)行了實(shí)證分析，得出的主要結(jié)論如下:富裕程度對(duì)用水量的增加效應(yīng)最大，最高為2003－2004年(21.07×108m3);人口變化對(duì)用水量的增加效應(yīng)相對(duì)較小，均小于1×108m3;用水效率的提高顯著地減少了用水量;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化主要也是減少用水量，但幅度比提高用水效率產(chǎn)生的效果低。然而，通過(guò)不同情景的反事實(shí)模擬結(jié)果的對(duì)比，可知單純提高用水效率(用水強(qiáng)度降低)或單純調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。從本文的研究結(jié)果來(lái)看，雖然總的用水量沒(méi)有太大變化，但這并不意味著對(duì)水資源系統(tǒng)沒(méi)有壓力(或壓力較小)。以平水年(2005年)為例，全省缺水量為12.52×108m3，缺水程度為9.2%。這表明規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)水資源系統(tǒng)實(shí)際上產(chǎn)生了較大壓力。

生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)正確地提出了人類社會(huì)發(fā)展面臨的三個(gè)問(wèn)題，即規(guī)模、分配和配置［10］。這三個(gè)問(wèn)題的解決有一定的先后順序，首先是規(guī)模問(wèn)題，然后是分配問(wèn)題，最后才是配置問(wèn)題。然而現(xiàn)實(shí)卻恰恰相反，更多關(guān)注的是配置問(wèn)題。體現(xiàn)在水資源問(wèn)題方面，就是人們不斷地提高用水效率，降低單位產(chǎn)出的耗水量，然而歷史的數(shù)據(jù)表明，仍然會(huì)對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓力。因?yàn)榭筛沦Y源的生產(chǎn)率將趨于穩(wěn)定值［11］，即單方水的產(chǎn)出值將收斂于某一極限值。不論這一極限值是多少，這都表明不可能無(wú)限制地提高用水效率。因此，在面臨資源約束的發(fā)展中，首要的問(wèn)題應(yīng)該是規(guī)模，而不是效率。何種規(guī)模才是可持續(xù)的呢?雖然這個(gè)問(wèn)題至今仍無(wú)明確答案，但它至少指明了正確的方向。

隨著人口和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，不僅要從提高用水效率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出發(fā)，提高適應(yīng)環(huán)境的能力，實(shí)現(xiàn)水資源的高效優(yōu)化配置;更重要的是調(diào)整發(fā)展思路、擺正人與自然的關(guān)系，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)人和自然的和諧發(fā)展。

表4 不同情景下各年總用水量(108m3)Tab.4 Total water use in different scenarios

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Analysis of Impact Factors of Water Use Based on IPAT Equation for Gansu Province

WANG Kang
(Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basins，CAS，Lanzhou Gansu 730000，China)

Water shortage is a serious problem for socio-economic sustainable development in northwest China.The classic IPAT equation was extended to four kinds of factors in the analysis of water use，including population，affluence，water use intensity and industrial structure，then the structural decomposition model was applied to decompose the contribution of the four different factors on water use change and obtain the impact of different factors on water use change.Water use in Gansu province from 1999 to 2008 was analyzed by the model.The results showed that:the increase of water use is most influenced by affluence，and the top was 2.107 billion m3one year(2003－2004);the impact of population on the water system had relatively small effect，which was less than 100 million m3;although both improving water use efficiency and changing industrial structure could reduce total water use，the decrease of water use is more influenced by changing the industrial structure.In addition，simply improving water use efficiency or adjusting industrial structure cannot make social-economic development come true under the constraint of environment.Thus，in order to meet the growing demand of people，it is not enough to only improve water use efficiency and adjust industrial structure to achieve optimal allocation of water resources.The more important point is to adjust development ideas，and harmonious development can be realized only when man and nature are rightly positioned.

IPAT equation;structure decomposition model;water resources;Gansu Province

F293.3

A

1002－2104(2011)06－0148－05

10.3969/j.issn.1002－2104.2011.06.024

2010－12－20

王康，碩士生，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)。

*中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目群(編號(hào):KZCX2－YW－Q10－4－03);中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):KZCX2－XB2－09－6)。

(編輯:王愛(ài)萍)