考慮水資源承載力的鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳恬 董增川 姚弘祎

摘 要：為實現(xiàn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級及水資源高效利用，利用相關分析理論與灰色系統(tǒng)理論，研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量之間的關系，在確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向基礎上，構(gòu)建考慮水資源承載力的鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對不同水平年的區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確定產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案并進行分析。2025年、2030年鄭州市第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比優(yōu)化后分別為1.28∶36.78∶61.94、1.13∶35.88∶62.99。模型優(yōu)化結(jié)果表明，鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在優(yōu)化的同時可提高水資源的利用效率。

關鍵詞：水資源承載力;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);優(yōu)化;鄭州市

Abstract：Aiming at upgrading the regional industrial structure and achieving efficient use of water resources， this paper used relevant analysis theory and grey system theory to study the relationship between industrial structure and water consumption. On the basis of determination of the direction of industrial structure optimization， an industrial structure optimization model considering water carrying capacity was constructed， optimized the regional industrial structure under different level years， determined the industrial optimization scheme and analyzed them. The proportion of industrial structure in 2025 and 2030 will be 1.28：36.78：61.94 and 1.13：35.88：62.99， respectively. The model optimization results show that the optimized industrial structure of Zhengzhou in the future level years will improve the efficiency of water resources utilization.

Key words： water resources carrying capacity; industrial structure; optimization; Zhengzhou City

地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同經(jīng)濟增長及自然資源限制等因素息息相關，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化受科技創(chuàng)新能力、自然資源狀況及產(chǎn)業(yè)政策導向等諸多條件影響。水資源作為一種重要的自然資源，考慮水資源承載能力約束下的地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有助于使地區(qū)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的同時，實現(xiàn)水資源在不同產(chǎn)業(yè)間的優(yōu)化配置，對于提高水資源綜合利用效率具有現(xiàn)實意義。

目前，已有諸多學者分析研究地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境資源兩者關聯(lián)性及優(yōu)化問題。其中：王輔信等[1]提出為使經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境良性循環(huán)，倡導優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);董鎖成等[2]提出資源性城市的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型需要多元化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;原毅軍等[3]運用門檻回歸模型驗證了環(huán)境規(guī)制可作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的新動力;凡炳文等[4]、姜澤華等[5]、劉洋等[6]、蘇喜軍等[7]針對水資源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關聯(lián)性及優(yōu)化問題進行了研究;雷社平等[8]采用相關分析理論和方法，以北京市為例說明1993—2001年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量之間有著高度相關關系;孫愛軍等[9]運用回歸分析法研究了淮安市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)同用水量占比之間的關系，量化用水比例同產(chǎn)業(yè)比例之間的關系，分析產(chǎn)值比例變化引起用水比例變化的機理;張玲玲等[10]基于用水結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及社會經(jīng)濟發(fā)展指標的互動反饋，應用系統(tǒng)動力學模型，提出了江蘇省用水結(jié)構(gòu)調(diào)控方案;吳丹[11]在測算產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及水資源之間的關聯(lián)度并確定兩者優(yōu)化方向后，按照主從遞階雙層優(yōu)化思路構(gòu)建雙向優(yōu)化模型，對京津冀地區(qū)水資源產(chǎn)業(yè)進行了優(yōu)化研究。

現(xiàn)有文獻多集中于研究水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的相關關系，較少聚焦于受水資源承載力約束的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于此，本文選擇社會經(jīng)濟發(fā)展處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型期的鄭州市作為研究對象，對其產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與水資源關聯(lián)性進行定量分析，在未來不同水平年水資源承載能力的基礎上，構(gòu)建多目標產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以期為優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、提高水資源利用效率提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中北部，位于東經(jīng)112°42′—114°14′、北緯34°16′—34°58′之間，總面積7 446 km2。截至2018年年底，全市總?cè)丝? 016萬，其中：城鎮(zhèn)人口745.83萬，城鎮(zhèn)化率約為73.4%。地區(qū)生產(chǎn)總值2018年為10 143億元，第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例為1.57∶41.45∶56.98。鄭州市地跨黃河、淮河兩大流域，共有大小河流124條。鄭州市多年平均水資源總量為13.23億m3，其中：多年平均地表水資源量7.04億m3，地下水資源量7.72億m3，重復計算量1.53億m3。2018年，全市總用水量20.71億m3，地表水源供水量11.05億m3（包括南水北調(diào)及引黃水量8.85億m3），地下水源供水量7.01億m3以及非常規(guī)水源供水量2.65億m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括：水資源總量、總供水量、總用水量、供用水結(jié)構(gòu)、萬元GDP用水量、灌溉水利用效率、工業(yè)用水定額、生活用水定額、總?cè)丝?、GDP、城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、未來不同規(guī)劃年社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)與水資源開發(fā)利用規(guī)劃值及用水效率規(guī)劃值。水資源相關數(shù)據(jù)來源于《鄭州市水資源公報》（2008—2018年）、《河南省水資源公報》（2008—2018年），社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《鄭州統(tǒng)計年鑒》（2008—2018年）、《河南省統(tǒng)計年鑒》（2008—2018年），規(guī)劃數(shù)據(jù)來源于《鄭州大都市區(qū)空間規(guī)劃（2018—2035年）》《河南省實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》《鄭州市水資源綜合規(guī)劃》等。

2 規(guī)劃水平年供需水預測及水資源最大承載能力計算

2.1 需水預測

將2018年作為現(xiàn)狀年，對鄭州市用水情況進行分析。2018年鄭州市總用水量為20.71億m3，生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生態(tài)環(huán)境用水占比分別為31.9%、20.4%、25.4%及22.3%。結(jié)合現(xiàn)狀年鄭州用水效率和《河南省實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》中對鄭州市未來水資源開發(fā)利用紅線及用水效率控制目標的要求，分別對規(guī)劃水平年2025年和2030年生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水量進行預測。

生活需水量由城鎮(zhèn)生活需水量和農(nóng)村生活需水量兩部分組成，采用人均日用水定額指標法進行預測。參考《河南省工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》及《農(nóng)業(yè)與農(nóng)村生活用水定額》等確定規(guī)劃水平年居民生活用水定額，根據(jù)《鄭州大都市區(qū)空間規(guī)劃（2018—2035年）》中制定的人口規(guī)劃發(fā)展指標并結(jié)合實際情況，預測規(guī)劃水平年的人口發(fā)展指標。

通過灰色模型預測鄭州市規(guī)劃水平年有效灌溉面積等農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模指標，結(jié)合城市規(guī)劃中擬定的農(nóng)業(yè)用水效率指標，運用定額法對鄭州市農(nóng)業(yè)用水量進行預測，并根據(jù)城市發(fā)展條件將來水頻率設定為50%。第二產(chǎn)業(yè)需水量分為工業(yè)需水量與建筑業(yè)需水量，預估未來鄭州市工業(yè)產(chǎn)值并結(jié)合現(xiàn)狀工業(yè)用水情況，借鑒發(fā)展水平相似地區(qū)工業(yè)用水標準，確定規(guī)劃年用水定額，通過定額法計算得出不同規(guī)劃年工業(yè)需水量;建筑業(yè)需水量采用萬元建筑業(yè)增加值用水量法進行預測。第三產(chǎn)業(yè)需水量采用萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量法進行預測。生態(tài)環(huán)境需水量分別采用Tennant法和定額法預測河道內(nèi)、河道外生態(tài)環(huán)境需水量。

計算后得到的鄭州市2025年及2030年需水量見表1。

2.2 可供水量計算

根據(jù)鄭州市水資源發(fā)展規(guī)劃，將可供水源分為當?shù)氐乇硭?、地下水、黃河干流取水、南水北調(diào)水、雨水利用、中水回用及其他水源。《鄭州都市區(qū)給水工程專項規(guī)劃》中規(guī)劃有鄭州市未來水平年新擴建引黃供水等引調(diào)水供水工程，以解決未來可能出現(xiàn)的水資源供需矛盾。考慮河南省其他地市同鄭州市進行水權(quán)交易后確定不同規(guī)劃年的外調(diào)水量以及未來水平年城市雨水利用效率的規(guī)劃指標值，確定城市中水回用量。綜合考慮當?shù)厮Y源供水、黃河干流取水、南水北調(diào)取水及市內(nèi)大型水庫輸水能力，得出來水頻率為50%時2025年與2030年鄭州市各行政區(qū)可供水量，見表2。

2.3 區(qū)域水資源承載能力計算

國內(nèi)外許多學者對水資源承載力進行過研究。夏軍等[12]認為水資源承載力是在一定的發(fā)展階段，水資源在滿足生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的前提下，可利用水量能夠支撐的最大社會-經(jīng)濟規(guī)模。在對2025年及2030年鄭州市社會經(jīng)濟指標及需水量進行預測后，對可用于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水量所能承載的最大經(jīng)濟及人口規(guī)模進行預測，并將結(jié)果作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的約束條件。

根據(jù)不同情境下研究區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水定額指標可以得到相應的單位GDP用水量：

鄭州市各分區(qū)2025年和2030年來水頻率為50%情況下水資源可承載最大經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模見表3。

3 鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水量關系分析

3.1 相關度分析

利用相關分析理論，對2009—2018年鄭州市各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及用水量數(shù)據(jù)進行相關分析（見表4），并對結(jié)果進行顯著性檢驗[13]。以各產(chǎn)業(yè)多年占比的均值作為權(quán)重系數(shù)，可得各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值同用水量之間的加權(quán)相關系數(shù)r為0.876，檢驗統(tǒng)計量t=4.805?？紤]樣本數(shù)據(jù)量，采取適用于小樣本的雙尾顯著性檢驗方法，顯著性水平α取0.05，則有tα/2=3.69，|t|> tα/2說明變量間存在顯著相關性。由此可以得出，鄭州市產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值同用水量之間具有顯著相關性，考慮區(qū)域水資源條件進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有現(xiàn)實意義。

3.2 灰色關聯(lián)度分析

關聯(lián)度是表征一個系統(tǒng)內(nèi)兩個參數(shù)之間互相影響的程度，關聯(lián)度即關聯(lián)性大小的度量[14]。利用灰色系統(tǒng)理論分析方法計算得到2009—2018年鄭州市各產(chǎn)業(yè)灰色關聯(lián)度系數(shù)，整理得到灰色關聯(lián)矩陣R，并對系數(shù)進行橫向及縱向累加求和。各指標間灰色關聯(lián)度系數(shù)及計算結(jié)果見表5。

由表5可知，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其相應用水量的關聯(lián)度系數(shù)分別為r11=0.80、r22=0.69、r33=0.62，r11>r22>r33說明第一產(chǎn)業(yè)與其用水量之間的關聯(lián)性最大，在相同的增長率下，農(nóng)業(yè)所需的用水量最大，說明農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力較大;第二產(chǎn)業(yè)與其用水量之間的關聯(lián)性次之，第三產(chǎn)業(yè)的最小，兩者皆可通過較少的用水量獲得較高的產(chǎn)值。

對矩陣R橫向求和所得Rm（m=1，2，3，4）為第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和總產(chǎn)值與其用水量的綜合關聯(lián)度系數(shù)，數(shù)值越大表示對產(chǎn)業(yè)用水的影響越明顯。由表5可知：R1>R3>R2>R4，即第一產(chǎn)業(yè)與其用水量的關聯(lián)性最大，第三產(chǎn)業(yè)的關聯(lián)性次之，第二產(chǎn)業(yè)的關聯(lián)性最小，表明第一產(chǎn)業(yè)對用水量依賴性最強?？v向求和所得Rn（n=1，2，3，4）為產(chǎn)業(yè)用水量與產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的綜合關聯(lián)度系數(shù)，數(shù)值小說明用較少的水量就可以得到較高的產(chǎn)值。由表5可知：R1>R4>R2>R3，表明第二、第三產(chǎn)業(yè)為鄭州市經(jīng)濟發(fā)展的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。

4 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模型

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置應遵循可持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展等原則，在統(tǒng)籌考慮區(qū)域發(fā)展的基礎上，注重水資源配置同經(jīng)濟發(fā)展之間的協(xié)調(diào)關系，兼顧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。以用水量最小和經(jīng)濟效益最大為目標，構(gòu)建鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型，考慮當?shù)厮Y源條件及社會經(jīng)濟發(fā)展情況，對鄭州市2025年及2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4.1 目標函數(shù)

4.3 模型參數(shù)

2025年及2030年鄭州市經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模下限值、人均GDP下限值、人口發(fā)展規(guī)模下限值、城鎮(zhèn)化率下限值、單方水糧食產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)值年復合增長率、單位GDP用水量上限值等參考現(xiàn)狀社會經(jīng)濟發(fā)展水平設定，各行業(yè)用水定額根據(jù)2018年實際用水效率指標值并參考城市發(fā)展規(guī)劃與2025年模型輸出優(yōu)化結(jié)果進行擬定與修正。模型主要約束條件參數(shù)見表6。

4.4 模型求解及應用分析

采用權(quán)重法求解鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，通過設定不同目標函數(shù)權(quán)重系數(shù)，將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標決策問題，并采用遺傳算法進行求解，具體過程：①將優(yōu)化配置問題模擬成生物進化問題，將模型的決策變量轉(zhuǎn)化為二進制編碼，相當于進化問題中的基因，而由若干個基因組成的染色體即為優(yōu)化配置方案;②將隨機生成的部分染色體代入設定好的模型中，計算各個染色體的適應度（目標值），將結(jié)果進行優(yōu)選，將適應度較好的一些方案保留作為下一次遺傳操作的母代;③在經(jīng)歷多次迭代后得到優(yōu)化方案，優(yōu)化配置的結(jié)果（見表7）可實現(xiàn)區(qū)域綜合效益最佳。由表7可知，2025年優(yōu)化結(jié)果較預測結(jié)果總產(chǎn)值提高661.51億元、總用水量減少0.1 億m3;2030年優(yōu)化結(jié)果較預測結(jié)果總產(chǎn)值提高770.72億元、總用水量減少0.16億m3。

5 結(jié) 語

（1）在對鄭州市水資源及社會經(jīng)濟現(xiàn)狀研究的基礎上，進行未來不同水平年供、需水量預測與區(qū)域水資源承載能力計算。利用相關分析理論及灰色關聯(lián)理論，得出了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水資源利用的關系。在明確鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向的基礎上，結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展目標、用水總量控制及水資源承載能力等約束，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型，并將模型轉(zhuǎn)化為單目標進行求解。鄭州市第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例從2018年的1.57∶41.45∶56.98經(jīng)優(yōu)化后變?yōu)?025年的1.28∶36.78∶61.94以及2030年的1.13∶35.88∶62.99。

（2）鄭州市可通過外調(diào)水、中水回用、污水凈化及水資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)在水資源承載力約束條件下產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化。一方面可通過技術(shù)進步提高用水效率及工業(yè)用水回用率，另一方面在水資源由第一產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向第二、第三產(chǎn)業(yè)的過程中，需對農(nóng)業(yè)部門進行合理補償。

（3）區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響因素復雜，其中很多指標難以量化。本文將水資源承載力作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件，對區(qū)域水資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關系嘗試進行定量分析，模型還需在今后的應用中進一步完善。

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【責任編輯 張華興】