石羊河流域水資源對武威市經(jīng)濟發(fā)展模式的影響

金淑婷， 李 博， 楊永春,2， 石培基， 王梅梅， 宋美娜

(1.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學 西部環(huán)境教育部重點實驗室，

甘肅 蘭州730000； 3.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 甘肅 蘭州 730070)

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石羊河流域水資源對武威市經(jīng)濟發(fā)展模式的影響

金淑婷1， 李 博1， 楊永春1,2， 石培基3， 王梅梅1， 宋美娜1

(1.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學 西部環(huán)境教育部重點實驗室，

甘肅 蘭州730000； 3.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：[目的] 通過分析甘肅省武威市水資源消費量與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為制定干旱區(qū)城市發(fā)展策略提供參考。[方法] 利用IPAT模型的演化方程(IGT方程)以及優(yōu)化建模軟件LINGO 10.0。[結(jié)果] 在1998—2004年無約束的水資源供給條件下，武威市經(jīng)濟增長嚴重依賴于水資源消費量。2005年開始實施限水措施后，其經(jīng)濟增長對水源消耗依賴程度開始大幅下降，2008年以后處于一種較為穩(wěn)定的下降狀態(tài)。通過水資源利用情景模擬，得出最有利于減緩水資源消費量的途徑。武威市2015年的水資源消費量為1.67×109m3，地區(qū)生產(chǎn)總值為4.40×1010元。 [結(jié)論] 在加速經(jīng)濟增長，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強節(jié)水的弱控水條件下，最有利于實現(xiàn)武威市經(jīng)濟與水資源消費穩(wěn)步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：IPAT模型； 水資源消費量； 發(fā)展情景； 武威市

水資源是人類社會生存和發(fā)展的基本條件[1-2]，然而近年來，武威市由于人口不斷增加、城市不斷擴張、土地沙漠化加劇等原因，使得水資源供需矛盾更加突出，尤其城市用水表現(xiàn)最為突出，為了避免此矛盾繼續(xù)加深，合理控水措施對武威市來說尤為重要。目前，不同學者在對干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境以及社會系統(tǒng)之間相互關(guān)系與相互機理研究的基礎上，開始嘗試運用各種方法來模擬水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境以及社會系統(tǒng)的影響過程，并對不同水資源開發(fā)利用模式下的社會系統(tǒng)變化趨勢進行了情景預測[3]，以期為干旱區(qū)水資源可持續(xù)開發(fā)利用與社會發(fā)展提供最優(yōu)化方案和科學決策依據(jù)[4-7]。本研究在現(xiàn)有的研究基礎上，利用IPAT模型的演化方程IGT方程及優(yōu)化建模軟件LINGO 10.0定量分析不同控水條件下水資源消費量與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并通過水資源利用情景模擬探究最有利于減緩水資源消費量的途徑，對今后干旱區(qū)城市制定發(fā)展策略具有一定的指導意義。

1研究方法

1.1　IPAT模型的演化

IGT方程是由Ehrlich等人提出的IPAT方程[8-9]演變過來的，其中IGT的演化過程為：

(1)

通過式(1)簡單的推導過程可以發(fā)現(xiàn)：如果把水資源消費量看作是環(huán)境壓力(I)的話，表面上與人口(P)、富裕度(A)、技術(shù)(T)有關(guān)，實際上則可看作與GDP產(chǎn)出和技術(shù)水平有關(guān)。

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，區(qū)域GDP是持續(xù)增長的，故GDP的增長是促進水資源消費的正向因素；隨著科技水平的提高，單位產(chǎn)值的水資源消費是減少的，故技術(shù)條件是促進水資源消費的負向因素，水資源消費的增減要看這兩大因素的消長。

1.2　基于IGT模型的環(huán)境壓力與經(jīng)濟發(fā)展分析

根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)劃分體系，將GDP分解到不同產(chǎn)業(yè)中，將T也分解到不同產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值耗水量中，則：

(2)

(3)

式中：Gi0，Gij——基期年和第j年產(chǎn)業(yè)i的產(chǎn)值； Ti0，Tij——基期年和第j年i產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值的萬元耗水量； gi——i產(chǎn)業(yè)GDP年均增長率； ti——i產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值耗水下降率； n——年數(shù)。

將式(2)和式(3)帶入式(1)可得：

(4)

(5)

1.3　水資源消費下的經(jīng)濟與生態(tài)分析

對武威市1998—2010年萬元GDP用水下降率(t)與經(jīng)濟增長率(g*)統(tǒng)計分析(圖1)可以看出，1998—2004年武威市用水供給基本上處于一種無約束狀態(tài)的自然變動，其萬元GDP用水下降率(t)與經(jīng)濟增長率(g*)曲線處于一種相伴重合狀態(tài)，說明石羊河向武威市的供水基本上維持在一個較高的水平。在生態(tài)環(huán)境中經(jīng)濟增長的負影響明顯大于科技進步所帶來的積極影響，這在一定程度上消耗了石羊河流域生態(tài)用水，導致石羊河流域生態(tài)環(huán)境不斷惡化，尤其是下游民勤縣土地沙化嚴重。2005年曲線t和g*的位置開始發(fā)生顯著的變化，這與同時期甘肅省實施的石羊河重點治理工程限水措施有關(guān)。2005年為限水第一年，其實施潛力大，故g*曲線與t曲線之間的距離比較大，隨后雖然限水措施依然實施，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的限制使得武威市萬元用水量很難出現(xiàn)如2005年那樣大幅度下降的現(xiàn)象，經(jīng)過2006，2007年限水措施的實施，使得武威市產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始適應水資源的調(diào)整，隨著經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和后期限水措施的不斷實施，2008—2010年曲線t與g*處于穩(wěn)定狀態(tài)，一般認為是一種可接受的發(fā)展模式。

圖1　　武威市1998-2010年萬元GDP用水

2實證分析

2.1　數(shù)據(jù)來源

除特別說明外，數(shù)據(jù)均來源于武威市統(tǒng)計年鑒(2001—2011)，武威六十年(1949—2009)，石羊河流域水資源公報(2001—2010)，武威市“十一五”規(guī)劃資料，以及實地調(diào)查資料。

2.2　研究區(qū)概況

武威市地處甘肅省河西走廊東段，位于北緯36°29′—39°27′，東經(jīng)101°49′—104°43′，南依祁連山，北靠內(nèi)蒙古，東南與蘭州市、白銀市接壤，西北和金昌、張掖毗鄰。海拔1 367~3 045m，地處黃土、蒙新、青藏三大高原交匯地帶，地形復雜，南高北低。境內(nèi)有灌溉綠洲、荒漠、高山草地、祁連山天然水源涵養(yǎng)林帶及沙漠、淺山地帶，形成山地—綠洲—沙漠相互聯(lián)系、彼此制約的景觀生態(tài)系統(tǒng)。地處石羊河中游的武威屬區(qū)國土面積為2.90×104km2，多年平均自產(chǎn)水資源總量為1.11×109m3，人均占有水資源量不足600m3，是全省水平的1/2和全國的1/3，耕地占有水資源量3 300m3/hm2，僅為全省水平的1/3和全國水平的1/9?，F(xiàn)狀用水量接近水資源量的2倍，可供水量與需水量相差9.6×108m3，可供水量僅占需水量的62%，武威市是石羊河流域經(jīng)濟、政治、社會發(fā)展的重點區(qū)域，人口占78.4%，灌溉面積占70%，GDP占61%，糧食總產(chǎn)量占80%，是河西地區(qū)人口最集中、水資源使用程度最高、供需矛盾最突出的地區(qū)。

2.3　社會發(fā)展與水資源利用情景設定

分析武威市未來的經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步情況，在此基礎上對武威市未來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行分析，具體分析各影響因素的發(fā)展情景。

2.3.1經(jīng)濟增長情景對武威市可能出現(xiàn)的經(jīng)濟增長情景做出3種預測(表1)?？紤]到武威市經(jīng)濟發(fā)展嚴重依賴水資源和國家政策的影響，根據(jù)中國發(fā)達地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展經(jīng)驗，將武威市經(jīng)濟增長的速度以基準情景(參考武威市1980—2010年地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長率、武威市“十一五”規(guī)劃、以及利用SPSS16.0進行線性擬合對未來經(jīng)濟進行預測來設置)為參考，調(diào)整上下1%作為武威市經(jīng)濟高增長情景與低增長情景。

表1　未來5年武威市經(jīng)濟增長率預測

2.3.2技術(shù)進步情景結(jié)合甘肅省2007年《石羊河流域重點治理規(guī)劃》來確定技術(shù)進步情景，其中低方案采用無約束的水資源利用，即水資源消費保持現(xiàn)狀變動情景；中方案采用寬松水資源利用情景，即到2015年，武威市水資源消費總量與2010年相比下降10%；高方案采用強水資源消費控制約束情景及過強水資源消費控制約束情景，即到2015年水資源消費量與2010年相比下降20%及30%。

2.3.3產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)情景合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對區(qū)域經(jīng)濟的增長起到促進作用，由于武威市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在不合理性，第一產(chǎn)業(yè)比重明顯高于平均水平，而恰恰第一產(chǎn)業(yè)屬于高耗水產(chǎn)業(yè)，因此對武威市的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)進行調(diào)整有利于降低其水資源的壓力。通過對武威市第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)2000年到2010年間增長速度統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，兩者的平均年增長為14.7%和15.9%，相差不大，為了便于研究，假設第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)成同比例速度增長。

根據(jù)上述分析，結(jié)合武威市目前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水資源利用狀況，對武威市未來可能的發(fā)展模式設置10種情景(表2)。

利用上文對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的分析，在前面技術(shù)進步與經(jīng)濟增長的情景下，依據(jù)公式(6)的約束條件，利用優(yōu)化建模軟件LINGO 10.0，獲得期望的產(chǎn)業(yè)變動(表3)。根據(jù)公式(5)有：

(6)

且R1，R2，R3，a，b均為非負數(shù)。

式中：I——2015年水資源消費總量(m3)； G——2015年GDP總量(元)； Ri(i=1,2,3)——i產(chǎn)業(yè)按照現(xiàn)有增長速度到2015年所占GDP的比重； Ti(i=1,2,3)——i產(chǎn)業(yè)到2015年單位產(chǎn)值耗水量(m3/萬元)； a，b——不同情景中產(chǎn)業(yè)變動幅度。

2.4　不同情景的比較分析

通過表3及公式(6)得到表4，結(jié)合表2—4可以看出，在不同情景約束條件下，武威市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化。在不采取水資源控水措施條件下，按照當前的經(jīng)濟發(fā)展和水資源利用效益的變動速度，武威市2015年的水資源消費總量(1.88×109m3)將與2010年水資源消費總量(1.85×109m3)基本持平；隨著武威市經(jīng)濟發(fā)展的不斷加快(情景2)，水資源消費總量將會出現(xiàn)快速增長的趨勢，相對于基準情景而言，水資源消費總量將增加1.05×108m3，這使得本已經(jīng)陷入水資源緊張的武威市不得不面臨很大的水資源壓力。但如果此時武威市對水資源的利用分別采取弱控水措施(情景3,4,5)和強控水措施(情景6,7,8,9)及過強控水措施(情景10)，則有利于緩解武威市水資源的壓力，與基準情景相比，2015年武威市水資源消費總量將分別減少2.06×108，3.91×108m3，4.88×108m3。

綜上所述，10種不同情景模擬顯示，武威市通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和控水措施的實施，不同程度地緩解了武威市當前所面臨的水資源環(huán)境壓力。從表3可以看出，情景10水資源減少量最大，情景1最小，但情景10是否適用于武威市來減少水資源消費量還有待于進一步探討。

表2　武威市未來5a水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展情景描述

表3　武威市不同水資源消費控制與經(jīng)濟發(fā)展情景下產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù)的擬合

注：Ri(i=1,2,3)表示i產(chǎn)業(yè)按照現(xiàn)有增長速度到2015年所占GDP的比重；Ti(i=1,2,3)表示i產(chǎn)業(yè)到2015年單位產(chǎn)值耕水量；G表示2015年GDP總量；I表示2015年水資源消費總量。

2.5　不同情景可實施性比較

對于每種情景的可實施性，從經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)用水效率和水資源消費總量4個方面進行評價，其中，經(jīng)濟增長速度越快越好，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度越接近自然變動規(guī)律越好，農(nóng)業(yè)單位產(chǎn)值耗水越接近自然變動水平越好，水資源消費總量越小越好。其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動的具體計算公式如下：

(7)

式中：m——產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合變動系數(shù)；xio——第i產(chǎn)業(yè)自然條件下產(chǎn)業(yè)規(guī)模比重；xij——第i產(chǎn)業(yè)在第j種模擬情境中的產(chǎn)業(yè)規(guī)模比重。

為了使數(shù)據(jù)具有可比性，需要對數(shù)據(jù)進行標準化處理，本研究將采用極差法對原始數(shù)據(jù)進行處理，具體公式如下：

(8)

(i=1,2,…，m；j=1,2,…，n)

式中：Xij′——指標的標準化值；Xij——第i項指標的第j項觀測值； min(Xij)——第i項指標的第j項觀測值中的最小值； max(Xij)——第i項指標的第j項觀測值中的最大值，這樣處理后的數(shù)據(jù)范圍在[0，1]之間。

表4　武威市不同水資源消費情景的比較

由于權(quán)重系數(shù)對不同模擬結(jié)果評價有不同影響，需要對選擇的指數(shù)賦予權(quán)重系數(shù)。目前對于確定權(quán)重的方法有實驗分析法、專家打分法、層次分析法等，為了增加權(quán)重系數(shù)的準確性，將專家打分法和層次分析法相結(jié)合，對所選擇的指數(shù)確定其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合變動系數(shù)的權(quán)重為0.142 9，耗水總量的權(quán)重為0.302 6，農(nóng)業(yè)單位產(chǎn)值耗水的權(quán)重為0.202 8，地區(qū)生產(chǎn)總值的權(quán)重為0.351 6(表5)。

武威市不同水資源利用情景模擬的可實施性評價結(jié)果(表6)顯示，情景4的得分最高，為0.733 2，因此具有較強的可實施性，即情景4最適合用于武威市減少水資源消費量。情景8，10得分雖與情景4接近，且其水資源消費量減少較多，但這兩種情景均采用強控水措施，即第一產(chǎn)業(yè)單位產(chǎn)值耗水下降幅度每年增加2%和3%，對于武威市這樣一個農(nóng)業(yè)大市，單一的通過降低農(nóng)業(yè)用水耗資大，不易于實施。

表5　武威市水資源消費可實施性評價的權(quán)重

注：判斷矩陣一致性比例為0.001 5； 總目標的權(quán)重為1.000 0。

表6　武威市不同水資源消費與經(jīng)濟發(fā)展情景可實施性評價

3結(jié)論與討論

(1) 通過10種不同情景模擬分析，武威市在不同情景下，節(jié)水效果存在顯著差異。其中在武威市經(jīng)濟加速增長，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理調(diào)整，加強節(jié)水的弱控水約束條件下(情景4)，有利于實現(xiàn)武威市經(jīng)濟與水資源消費穩(wěn)步發(fā)展，此時武威市2015年的水資源消費量為1.67×109m3，地區(qū)生產(chǎn)總值為4. 40×1010元。

(2) 對水資源與經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的討論過程中應用經(jīng)典的IPAT模型，此模型是假設人文驅(qū)動力與環(huán)境壓力之間存在線性關(guān)系，而忽略了人文驅(qū)動力之間的相互作用；其次，IPAT模型缺少對人文驅(qū)動力對環(huán)境影響的分析[10-12]。本研究中各種水資源消耗情景的假設，均是基于各產(chǎn)業(yè)之間的發(fā)展情況以及技術(shù)進步情況進行設定的，缺少對如人口數(shù)量的變動、居民的節(jié)水意識以及環(huán)境政策等人文因素的分析，因此本研究只是在一定層面上對武威市水資源消耗量與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行試探性研究。

(3) 對武威市水資源消費與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系不同情景的模擬，是在假設武威市水資源全部來源于石羊河，而事實上武威市水資源消費中很大一部分來自天然降水和引黃工程的跨區(qū)域調(diào)水。因此，武威市單位產(chǎn)值水資源消費量實際上要高于所計算的值，但本研究仍對武威市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整起到了一定的借鑒作用。

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Impact of Shiyang River Water Resource on Economic Developing Model of Wuwei City

JIN Shuting1, LI Bo1, YANG Yongchun1,2, SHI Peiji3, WANG Meimei1, SONG Meina1

(1.CollegeofResourceandEnvironment,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentSystemsoftheMinistryofEducation,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.CollegeofGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] To analyze the relation between water resource consumption and industrial structure quantitatively in Wuwei City, Gansu Province in order to provide references for making development policies for cities in arid areas. [Methods] The IGT model deduced by IPAT and optimized modeling software LINGO 10.0 were used. [Results] The economic growth of Wuwei City depended heavily on water consumption under the condition of unrestraint water supply during 1998—2004. After the water restriction policy came into force, the degree of economic growth dependence on water consumption began to fell sharply in 2005 and was in a state of relatively steady decline after 2008. Meanwhile, the best model for reducing the demand of water consumption by setting scenarios was found. The water consumption in 2015 was 1.67×109m3and the GDP was 4.40×1010yuan. [Conclusion] Under the condition of accelerating economic growth, adjusting the industrial structure reasonably and strengthening the weak water control of water saving, it would be best for Wuwei City to achieve economic and water consumption steady development.

Keywords:IPAT model; water consumption; developing scenario; Wuwei City

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0283-05

中圖分類號：F299.27

通信作者：楊永春(1969—),男(漢族),陜西省白水縣人,博士,教授,博士生導師,主要從事城市與區(qū)域發(fā)展、轉(zhuǎn)型與規(guī)劃研究。E-mail:yangych@lzu.edu.cn。

收稿日期：2014-04-12修回日期：2014-05-12

資助項目：國家自然科學基金項目“內(nèi)陸河流域城鎮(zhèn)體系與流域空間結(jié)構(gòu)相互作用的生態(tài)經(jīng)濟效應研究:以石羊河流域為例”(40971078); 國家自然科學基金項目(41171143)，(41271133)，(LZUJDKY-2013-m02)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資金(lzujbky-2015-216)

第一作者：金淑婷(1987—),女(漢族),陜西省武功縣人,博士研究生,主要從事城市與區(qū)域發(fā)展方面的研究。E-mail:jst_1003@163.com。