基于水資源承載力的榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

葛 杰，張 鑫

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

水資源是人類社會發(fā)展不可或缺的基礎物質(zhì)資料，是人類生存之本。但近年來隨著水污染和水資源緊缺問題加重，使水資源供需矛盾十分尖銳。社會經(jīng)濟持續(xù)增長需要充足的水資源作為保障，水資源緊缺限制社會經(jīng)濟增長并且使經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不斷進行調(diào)整；同時，水資源系統(tǒng)也受到社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的巨大影響。因此，研究水資源承載力有多大并尋找水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展的平衡點成為焦點[1]。李九一構(gòu)建了水資源支撐指數(shù)評價模型對我國水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)模進行了研究。左其亭建立了PSO-COIM模型對氣候變化下塔里木河流域水資源承載力進行了研究，計算出了不同氣候變化情景下的水資源承載規(guī)模[2]。趙恩國建立了基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的水資源承載力優(yōu)化模型，計算出水資源可承載的最大人口規(guī)模[3]。Meriem Naimi Ait-Aoudia對阿爾及利亞水資源承載力進行了評價，對可承載人口進行了評估[4]。許多專家學者[5-10]對水資源可承載的人口規(guī)模與經(jīng)濟規(guī)模進行了研究，但沒有將水資源可承載規(guī)模納入到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化當中。

本文在總結(jié)前人研究的基礎之上，選取重度缺水的榆林市為研究對象，通過對其水資源開發(fā)利用情況進行分析，并對其規(guī)劃水平年需水量和供水量進行預測，在此基礎之上計算榆林市規(guī)劃水平年水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模，并以其為約束條件建立榆林市多目標產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，得到未來榆林市三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對榆林市社會經(jīng)濟發(fā)展提供指導。

1 研究區(qū)域概況

榆林市地處陜西省北部，位于東經(jīng)107°28′～111°15′，北緯36°57′～39°35′之間。東臨黃河與山西隔河相望，西鄰寧夏、甘肅，北接內(nèi)蒙古，南接陜西省延安市。地域東西長385 km，南北寬約263 km，總面積43 578 km2，占全省總土地面積的21.2%，地勢由西部向東南傾斜。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 榆林市地理位置Fig.1 The location of Yulin city

榆林市屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫7.8～9.6 ℃。境內(nèi)集水面積在100 km2以上的河流共有109條，主要有無定河、窟野河、禿尾河、佳蘆河。全市多年平均水資源總量為32.01 億m3，水資源可利用總量為12.75 億m3，人均水資源占有量865 m3，低于全省、全國水平，屬重度缺水地區(qū)。2015年末，榆林市常住人口340.11 萬人，城鎮(zhèn)化率55%；全年生產(chǎn)總值2 621.29 億元，一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值占生產(chǎn)總值的比重分別為5.5%、62.5%和32.0%。按常住人口計算，人均生產(chǎn)總值77 267元。

2 需水與可供水量預測

2.1 需水預測

對2015年榆林市用水進行分析可知，榆林市2015年用水量為77 157 萬m3，生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水量占比分別為14%、84%、2%。2015年主要用水指標見表1。由表1可知，榆林市綜合、生活、工業(yè)用水效率相對于陜西省以及全國處于較高水平，但灌溉水利用系數(shù)相對陜西省較低，今后應當提高農(nóng)業(yè)節(jié)水水平。

結(jié)合2015年榆林市用效率以及《榆林市社會經(jīng)濟發(fā)展總體規(guī)劃(2016-2030年)》，分別對2020年和2030年需水量進行預測，本次預測分為生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境三大類。

表1 2015年榆林市主要用水指標Tab.1 Main water use index of Yulin city in 2015

注：全國和陜西省數(shù)據(jù)來源于2015年中國水資源公報。

榆林市生活用水包含城鎮(zhèn)生活用水和農(nóng)村生活用水，根據(jù)各縣區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平并結(jié)合榆林市現(xiàn)狀生活用水定額與《陜西省行業(yè)用水定額》，擬定規(guī)劃水平年生活用水定額，根據(jù)榆林市發(fā)展規(guī)劃確定人口發(fā)展指標，經(jīng)過分析計算得到規(guī)劃水平年生活需水量。

通過榆林市發(fā)展規(guī)劃確定規(guī)劃年有效灌溉面積、林牧漁發(fā)展規(guī)模、灌溉水利用系數(shù)等指標，采用定額法對農(nóng)業(yè)用水量進行預測，根據(jù)榆林市農(nóng)業(yè)發(fā)展條件，此次設計保證率為50%。第二產(chǎn)業(yè)包含工業(yè)和建筑業(yè)，工業(yè)需水預測根據(jù)規(guī)劃年工業(yè)用水重復率確定工業(yè)用水定額，結(jié)合工業(yè)產(chǎn)值預測；建筑業(yè)需水和第三產(chǎn)業(yè)需水量采取定額法分析計算。生態(tài)需水根據(jù)人均綠地面積以及定額進行預測。2020年、2030年榆林市需水量見表2、表3。

2.2 可供水量計算

由陜西省及榆林市水利發(fā)展規(guī)劃可知，2020年與2030年為了解決未來水資源供需矛盾，榆林市規(guī)劃建設多項引調(diào)水工程，主要包含黃河大泉引水工程、黃河磧口引水工程、佳縣泥河溝引水工程、神木萬鎮(zhèn)應急引水工程、延川引黃清澗供水工程、蔣家窯水庫等15項在建及規(guī)劃水源工程?？紤]雨水及再生水等其他水源工程，可分析計算出P=50%時2020年及2030年榆林市各縣區(qū)可供水量，見2和表3。

表2 2020年榆林市需水量與可供水量 萬m3

表3 2030年榆林市需水量與可供水量 萬m3

3 水資源承載力計算

3.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量相關度分析

利用相關分析理論對榆林市近10年(2006年-2015年)各產(chǎn)業(yè)與其用水進行相關性分析，并利用雙尾檢驗法進行顯著性檢驗[11]。通過計算得到榆林市各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與用水量的相關系數(shù)如表4所示，并用各產(chǎn)業(yè)10年來所占比重的平均值為權(quán)重，計算得到三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與用水量之間的相關系數(shù)r=0.93，則參數(shù)t=7.16，取顯著性水平α=0.05，tα/2=2.37，|t|>tα/2，通過顯著性檢驗。因此榆林市三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和用水量之間具有較好的相關性，對榆林市水資源可承載能力的研究，以及水資源約束條件下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整具有深刻的現(xiàn)實意義。

表4 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量相關系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of industrial structure and water consumption

3.2 承載規(guī)模計算

目前雖然國內(nèi)外許多學者對于水資源承載力進行了研究，但是仍在不斷探索當中。左其亭教授在2017年中國水資源高效利用與節(jié)水技術(shù)論壇上指出水資源承載力到底有多大(能支撐多大的社會經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模)，這是水資源承載力問題的關鍵。因此在對榆林市2020年、2030年各類用水指標和社會經(jīng)濟指標進行預測的基礎之上，利用公式(1)、(2)對水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模進行預測，并將其作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的約束條件[12]。

(1)

(2)

式中：MGDP為可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模；MPOP為可承載的最大人口規(guī)模；GDP為2020年、2030年榆林市規(guī)劃發(fā)展產(chǎn)值；Wd為生活生產(chǎn)需水量；D下限為人均生活用水定額下限值，2020年以2015年為下限，2030年以2020年為下限；A上限為生活用水占比上限值，為2006-2015年生活用水量占總用水量比重的最大值；W可供為可供水量。

通過式(1)、(2)結(jié)合現(xiàn)狀年可供水量與需水量，可計算出榆林市2015年水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模與人口規(guī)模分別為2 249 億元、372 萬人，而榆林市2015年實際國內(nèi)生產(chǎn)總值和人口數(shù)量分別為2 621.29 億元、340.11 萬人，可見2015年的經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模已經(jīng)超出了水資源可承載的能力，現(xiàn)狀年水資源可供水量已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需求。

榆林市各縣區(qū)2020年、2030年水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模和人口見表5、圖2、圖3。由于縣域經(jīng)濟發(fā)展極度不平衡以及自然資源條件的差異，使得2020年、2030年北六縣水資源可承載的經(jīng)濟規(guī)?？傮w上高于南六縣，其中神木縣承載的最大經(jīng)濟規(guī)模最大，2020年為1 633 億元，2030年為3 424 億元；吳堡縣、佳縣可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模最小，2020吳堡縣為52 億元；2030年吳堡縣、佳縣分別為220 億元、117 億元。2020年、2030年榆林市水資源可承載的最大人口規(guī)?？傮w上北部六縣高于南六縣，北六縣中定邊縣可承載人口規(guī)模最大，南部六縣中清澗縣可承載人口規(guī)模最小。

表5 2020年、2030年榆林市水資源最大承載能力Tab.5 The maximum capacity of water resources of Yulinin 2020 and 2030

圖2 2020年榆林市水資源承載規(guī)模Fig.2 The water resources carrying capacity of Yulin in 2020

圖3 2030年榆林市水資源承載規(guī)模Fig.3 The water resources carrying capacity of Yulin in 2030

4 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整一般遵循可持續(xù)原則、協(xié)調(diào)發(fā)展原則、市場導向原則等，在統(tǒng)籌兼顧的基礎之上，要注重水資源與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)性，要充分考慮水資源最大可承載能力，根據(jù)水資源狀況不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟發(fā)展模式。本位構(gòu)建榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型，以經(jīng)濟規(guī)模最大和用水量最小為目標函數(shù)，充分考慮水資源條件和經(jīng)濟社會發(fā)展條件，對榆林市2020年及2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行預測。建立的優(yōu)化模型及模型的約束條件如下[13-15]。

4.1 目標函數(shù)

(1)經(jīng)濟增長最大目標。

maxTGDP= ∑X1i+∑X2i+∑X3i

(3)

式中：TGDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值；X1i、X2i、X3i為第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)各部門產(chǎn)值。

(2)總用水最小目標。

minTW=∑(Xi·Wi)+WP·P

(4)

式中：TW為總用水量；Wi為各行業(yè)用水定額；WP為人均生活用水定額；P為預測人口數(shù)量。

4.2 模型約束條件

(1)可供水量約束。

TW≤W可供-W生態(tài)

(5)

式中：W生態(tài)為生態(tài)環(huán)境需水量。

(2)國內(nèi)生產(chǎn)總值約束。

(6)

(3)人均GDP約束。

(7)

(4)人口規(guī)模約束。

Pmin≤P≤Pmax

(8)

式中：Pmin為人口發(fā)展下限值；Pmax為可承載的最大人口規(guī)模。

(5)城鎮(zhèn)化率約束。

(9)

式中：P城鎮(zhèn)為城鎮(zhèn)人口；A為城鎮(zhèn)化率下限。

(6)單位GDP用水量約束。

(10)

式中：B為單位GDP用水上限值。

4.3 模型參數(shù)確定

在本次優(yōu)化過程中，將第一產(chǎn)業(yè)分為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)，將第二產(chǎn)業(yè)分為工業(yè)和建筑業(yè)。2020年國經(jīng)濟發(fā)展下限、人均GDP下限水平、人口發(fā)展下限值、城鎮(zhèn)化率下限、單位GDP用水上限值為2015年實際發(fā)展水平。2020年各行業(yè)用水定額根據(jù)2015年實際用水效率以及榆林市發(fā)展規(guī)劃來確定。2020年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)見表6。

2030年國經(jīng)濟發(fā)展下限、人均GDP下限水平、人口發(fā)展下限值、城鎮(zhèn)化率下限、單位GDP用水上限值根據(jù)2020年優(yōu)化結(jié)果進行計算。2030年各行業(yè)用水定額根據(jù)2015年實際用水效率，榆林市發(fā)展規(guī)劃以及2020年調(diào)整結(jié)果確定。2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)見表6。

表6 模型約束條件主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of model constraints

注：表中2030年空缺參數(shù)可根據(jù)2020年優(yōu)化結(jié)果計算。

4.4 模型求解

在MATLAB里面對優(yōu)化模型進行求解，運算結(jié)果如表7。從表7可知，2020年、2030年榆林市國民經(jīng)濟總量分別為4 860、10 659 億元，總用水量分別為114 200、168 340 萬m3。2020年GDP優(yōu)化值比預測值多360億元，2030年GDP優(yōu)化值比預測值多659 億元，但用水量卻分別減少了7 571、7 742 萬m3。

表7 榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Tab.7 Results of the optimization of industrial structure in Yulin

注：規(guī)劃結(jié)果摘自《榆林市水資源綜合規(guī)劃》。

2020年、2030年優(yōu)化的城鎮(zhèn)化率分別為62%、71%，分別比預測值高2%、1%。2020年、2030年優(yōu)化的總?cè)丝诜謩e為349萬人、387萬人，分別比預測值低21萬人、33萬人，因此榆林市未來應當適當控制人口增長。從三產(chǎn)的優(yōu)化結(jié)果來看，第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)優(yōu)化值都比預測值高，但第一產(chǎn)業(yè)優(yōu)化值比預測值低，由于第一產(chǎn)業(yè)用水效率較低，因此榆林市未來應當大力提升農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，不斷優(yōu)化第一產(chǎn)業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

表8為現(xiàn)狀年和規(guī)劃年三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重表。從表8可知，2020年、2030年三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重分別為4.6∶53.7∶41.7、3.6∶47.9∶48.5。第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)比重逐步下降，第三產(chǎn)業(yè)比重逐步上升。未來為了保障國家糧食安全，榆林市應不斷推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率，保證糧食產(chǎn)量。

表8 榆林市不同年份產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) %

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

本文在榆林市水資源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀分析的基礎之上，對三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量進行分析，根據(jù)國內(nèi)外水資源承載能力的相關理論計算榆林市水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模和最大人口規(guī)模，并以其為重要約束條件構(gòu)建榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，結(jié)論如下：

(1)榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量之間的相關系數(shù)r=0.93，通過顯著性檢驗，相關性良好。因此榆林市產(chǎn)業(yè)發(fā)展對水資源有很強的依賴性。

(1)在對榆林市2020年、2030年的需水量與可供水量預測的基礎之上，滿足生態(tài)需水的前提下，分析計算出榆林市2020年、2030年水資源可承載的最大經(jīng)濟規(guī)模分別為5 528、11 924億元，可承載的最大人口規(guī)模分別為603、744萬人。

(2)以國民生產(chǎn)總值最大，用水量最小為目標函數(shù)，考慮水資源條件、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、節(jié)水水平等約束條件，構(gòu)建榆林市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型，對榆林市2020年、2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，2020年、2030年榆林市國民經(jīng)濟總量分別為4 860、10 659 億元，總用水量分別為114 200、168 340 萬m3，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重分別為4.6∶53.7∶41.7、3.6∶47.9∶48.5。水資源能夠滿足用水要求。

5.2 產(chǎn)業(yè)調(diào)整建議

第一產(chǎn)業(yè)比重由5.5%下降到3.6%，但是榆林市未來經(jīng)濟發(fā)展與人口增長是建立在國家糧食安全的基礎之上。因此，對于農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級是非常必要的。榆林市應從資源環(huán)境承載能力和空間開發(fā)潛力角度構(gòu)建新型農(nóng)業(yè)開發(fā)格局，在保障基本農(nóng)田面積的基礎上，應當打造現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)，使得農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。未來應當不斷優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，尤其優(yōu)化高耗水作物種植結(jié)構(gòu)，適度壓縮玉米種植面積，提高馬鈴薯、小雜糧種植面積；發(fā)展特色林果產(chǎn)業(yè)，積極推動紅棗產(chǎn)業(yè)；不斷提高牧業(yè)產(chǎn)值所占比重。應當大力推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，不斷開發(fā)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，不斷增強農(nóng)田水利工程建設和維護，提高灌溉水利用效率，使農(nóng)業(yè)水資源高效利用。

榆林市工業(yè)主要以“能源-化工-材料”為核心，在未來榆林市工業(yè)應當不斷提升生產(chǎn)效率和工業(yè)用水重復率，關閉污染嚴重、耗水量多、規(guī)模較小企業(yè)。對于煤炭產(chǎn)業(yè)應當進一步提高生產(chǎn)技術(shù)水平，推進煤炭就地轉(zhuǎn)化，減少商品煤比重，發(fā)展環(huán)保型煤等。對于煤電產(chǎn)業(yè)，要逐步淘汰耗水量較高技術(shù)，不斷提升生產(chǎn)效率以達到國內(nèi)先進水平。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)比重由32%提升到48.5%，因此第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在榆林市經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的位置。榆林市應不斷促進旅游發(fā)展，完善旅游基礎設施，打造陜北特色游產(chǎn)業(yè)，不斷加強區(qū)域合作。

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