新疆水資源利用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)聯(lián)研究

郭佳航，左其亭,2,3，李東林，馬軍霞,3

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

水資源問題已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素，其突出表現(xiàn)為水資源分配不均和用水效率較低[1]。分析提高水資源利用效率的影響因素，研究水資源與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)聯(lián)程度及變化趨勢，對提高水資源利用效率、推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)具有重要意義。目前，有關(guān)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)聯(lián)性的測度方法主要有：利用IPAT方程對用水量與經(jīng)濟(jì)增長的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行分析[2]、使用耦合協(xié)調(diào)度模型分析指標(biāo)間耦合度和協(xié)調(diào)度[3]、采用LDMI模型計算不同效應(yīng)對用水量的影響程度[4]、利用脫鉤理論分析水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤程度[5-7]、利用面板數(shù)據(jù)及其誤差修正模型等關(guān)聯(lián)測算方法檢驗(yàn)水資源利用結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系[8]、利用基于數(shù)列的匹配度計算水資源與其他指標(biāo)間的匹配關(guān)系[9-12]等。從研究方法看，脫鉤理論和基于數(shù)列的匹配度計算方法應(yīng)用較為廣泛。韓文艷等[5]基于脫鉤理論，對中國4個直轄市2001—2014年水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長關(guān)系進(jìn)行研究；彭虹等[6]對重慶市及其38個縣(區(qū))的農(nóng)業(yè)用水量與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的脫鉤程度進(jìn)行了定量評價和綜合分析；朱薇等[9]根據(jù)基于數(shù)列的匹配度計算方法，確定了1995—2015年哈薩克斯坦16個州(市)水資源利用與人口、GDP的匹配狀況；廉耀康等[10]利用匹配度計算方法，討論了1960—2014年黑山出山口徑流量與源區(qū)降水量的相關(guān)關(guān)系和匹配度。大多數(shù)研究更關(guān)注測算指標(biāo)間匹配情況，關(guān)于方法間的對比分析較少。本文以新疆為研究區(qū)，以2005—2006年、2009—2010年、2013—2014年和2017—2018年作為研究時段，將脫鉤理論和基于數(shù)列的匹配度計算兩種方法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，分析兩種方法的適用范圍。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北部，地處東經(jīng)73°40′～96°18′、北緯34°25′～48°10′，總面積 166.5萬km2[13]。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達(dá)，全年干燥少雨，多年平均降水量大約為150 mm。新疆年平均降水量與中國其他省份相比處于較低水平，且新疆各地降水量相差很大，水資源時空分布極不平衡。截至2018年底，新疆維吾爾自治區(qū)下轄4個地級市、5個地區(qū)、5個自治州共14個地級行政單位，因發(fā)展水平、自然環(huán)境等因素影響，各地州產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式及用水結(jié)構(gòu)有很大不同。

表1 區(qū)域產(chǎn)值與用水量的適配類型劃分及特征

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取數(shù)據(jù)進(jìn)行水資源利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)程度分析，主要涉及新疆各地州水資源、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面數(shù)據(jù)。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)大部分來源于政府報告、統(tǒng)計局網(wǎng)站、《新疆統(tǒng)計年鑒》和各地州統(tǒng)計年鑒。人均用水量、農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量等數(shù)據(jù)主要來自《新疆水資源公報》和《新疆統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 基于脫鉤指數(shù)的適配度計算

依據(jù)Tapio模型[14]，綜合考慮區(qū)域水資源利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)程度，建立二者適配度的測算指標(biāo)，即

(1)

式中：αi為適配指數(shù)；ΔWi和ΔGi分別為產(chǎn)業(yè)i用水量(農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量)或人均水資源利用量和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長量的變化速率；Wif和Wil分別為起始年和末年產(chǎn)業(yè)i的水資源利用量；Gif和Gil分別為起始年和末年產(chǎn)業(yè)i的產(chǎn)值。

為避免將微小的變化解釋為顯著變化，將0.8和1.2作為適配度指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)[7,18]，劃定出適配度分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

2.2 基于數(shù)列的匹配度計算

匹配是對兩種或兩種以上系統(tǒng)或要素之間的配合關(guān)系(正、負(fù)相關(guān))的描述。2014年，左其亭等[15]提出了基于數(shù)列的匹配度計算方法，從時間和空間上定量地分析兩種變量之間的匹配關(guān)系，目前已應(yīng)用到水資源利用研究中。計算公式[15]為

(2)

式中：βj為匹配度值；nj和mj分別為j地區(qū)K個單元中產(chǎn)業(yè)用水和GDP變化速率的排名。

本文使用用水量和產(chǎn)業(yè)GDP的增長速率來計算匹配情況，參考基尼系數(shù)劃分方法，制定相應(yīng)的基于數(shù)列的匹配度評價標(biāo)準(zhǔn)，0.6為警戒線，0.8為較好匹配標(biāo)準(zhǔn)，匹配度[0,0.5)為極不匹配，[0.5,0.6)為不匹配，[0.6,0.7)為較匹配，[0.7,0.8)為相對匹配，[0.8,1)為高度匹配。

3 結(jié)果分析

3.1 基于數(shù)列的匹配度分析

3.1.1人均用水量與人均GDP匹配情況

如圖1(a)所示，總體來看，新疆各地州人均用水量與人均GDP匹配度較好，大部分研究年份內(nèi)匹配關(guān)系均屬于高度匹配或相對匹配的程度。但各地州用水匹配狀況存在差異，其中烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、阿勒泰地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州(巴州)出現(xiàn)過極不匹配和不匹配的情況。導(dǎo)致該情況的原因不同：烏魯木齊市和哈密市兩地用水量增長速率排名降低而GDP增長速率排名不斷升高導(dǎo)致用水關(guān)系不匹配，而克拉瑪依市、阿勒泰地區(qū)和巴州情況相反，是由于用水增長速率排名高產(chǎn)值增長速率排名低導(dǎo)致的用水關(guān)系不匹配。吐魯番市情況較為復(fù)雜，在2005—2006年是由于用水量增長速率排名降低而GDP增長速率排名高，2009—2010年情況相反。其余地州在研究年限均匹配情況較好。

3.1.2產(chǎn)業(yè)用水量與產(chǎn)業(yè)GDP匹配情況

由圖1(b)可以看出，新疆農(nóng)業(yè)單位面積平均GDP與農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量匹配度年際變化大。烏魯木齊市的變化趨勢是不匹配—匹配—不匹配；塔城地區(qū)和克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)則是匹配和不匹配交替變化；克拉瑪依市和伊犁州變化趨勢是匹配—不匹配，吐魯番市等5個地州與之相反；哈密市等4個地州的匹配度變化趨勢為匹配—不匹配—匹配。相對而言，烏魯木齊市、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)和克州農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP整體匹配情況較差。烏魯木齊市和塔城地區(qū)匹配度值減小，匹配狀況變差，其原因是這些區(qū)域大面積推廣高效節(jié)水工程或開展休耕工作[16]，導(dǎo)致單位面積平均用水量減小。

如圖1(c)所示，各地州萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)增加值的匹配情況差異較大?？死斠朗小⒐苁屑鞍⒖颂K地區(qū)匹配狀況較差。其中，克拉瑪依市在2013—2014年和2017—2018年用水增長速率排名高、經(jīng)濟(jì)增長速率排名低，其原因是克拉瑪依市工業(yè)以石油開發(fā)為主，2010年后克拉瑪依市提出由“單一資源性城市”向“綜合性城市”轉(zhuǎn)型，發(fā)展其他密集型產(chǎn)業(yè)[17]，造成工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長減緩和用水量升高；哈密市和阿克蘇地區(qū)匹配情況較差，是因?yàn)楣I(yè)發(fā)展水平較高，工業(yè)廢水重復(fù)利用率較高，用水量小而工業(yè)增加值高導(dǎo)致的不匹配。吐魯番市、伊犁州、博爾塔拉蒙古自治州(博州)和喀什地區(qū)整體匹配情況較好。烏魯木齊市、昌吉回族自治州在研究年份內(nèi)匹配度值變化趨勢為先升后降。其余地州工業(yè)增加值與萬元工業(yè)增加值用水量匹配度則是不斷波動。

(a) 人均用水量與人均GDP

圖1(d)顯示，新疆第三產(chǎn)業(yè)用水量與GDP匹配狀態(tài)波動較大。相對而言，巴州及喀什地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)用水量與第三產(chǎn)業(yè)GDP匹配情況較差，其余地州匹配情況較好。其中，喀什地區(qū)匹配狀態(tài)逐漸改善，前期是由于產(chǎn)業(yè)GDP增長速率排名升高而用水量增長速率排名降低；巴州情況相反。

3.2 基于脫鉤理論的適配度分析

(a) 2005—2006年

3.2.1人均用水量與人均GDP適配情況

如圖2所示，從時間上來看，2005—2018年新疆大部分地州適配情況基本保持不變，適配度情況較好。除克拉瑪依市外，2005—2006年各地州適配情況均為適配或正耦合狀態(tài)，沒有出現(xiàn)負(fù)適配；在2009—2010年，一些地州適配情況變差，如吐魯番市、阿勒泰地區(qū)、博州和克州為弱負(fù)適配；2013—2014年適配情況最好，新疆14個地州全部改善為適配或正耦合；2017—2018年，克拉瑪依市、阿勒泰地區(qū)、巴州呈現(xiàn)弱負(fù)適配，其余地州均為適配。從空間上來看，烏魯木齊市在研究年限內(nèi)均為強(qiáng)適配，適配狀況較好；克拉瑪依市除2013—2014年為適配狀態(tài)，其余年份內(nèi)均為負(fù)適配，克拉瑪依市不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，水資源開發(fā)利用程度較高，大力發(fā)展工業(yè)，但存在大量高耗水企業(yè)[17]，用水量大但產(chǎn)生效益較低。伊犁州在研究年限內(nèi)均為擴(kuò)張性適配，其他地州大致呈現(xiàn)兩種變化趨勢：一種為擴(kuò)張性適配—弱負(fù)適配—強(qiáng)適配的變化趨勢；另一種為擴(kuò)張性適配—強(qiáng)/弱適配的變化趨勢。

3.2.2產(chǎn)業(yè)用水量與產(chǎn)業(yè)GDP適配情況

從圖3可以看出，2005—2018年新疆各地州的農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP適配度呈現(xiàn)先好后差的變化趨勢。在2005—2006年、2009—2010年、2013—2014年，各地州農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP適配情況沒有出現(xiàn)過負(fù)適配，整體情況較好；但在2017—2018年，所有地州全部呈現(xiàn)負(fù)適配，除烏魯木齊市為衰退型負(fù)適配外，其余地州均為強(qiáng)負(fù)適配。出現(xiàn)該情況的原因是新疆節(jié)水器具不斷普及，節(jié)水灌溉面積不斷增長，占地方總灌溉面積的48.6%，灌溉用水逐漸減少，并且大部分地州產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，第一產(chǎn)業(yè)比例下降，但第一產(chǎn)業(yè)GDP下降速率快于用水量，因而呈現(xiàn)負(fù)適配的情況。

整體來看，烏魯木齊市農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP適配狀態(tài)較好，克拉瑪依市情況最差，只有在2009—2010年內(nèi)達(dá)到適配的狀態(tài)，其余年份內(nèi)均為負(fù)適配。阿勒泰地區(qū)的適配情況變化為負(fù)適配—適配—負(fù)適配的趨勢，波動較大。其余地州適配情況類似，均是適配—負(fù)適配的變化趨勢。

圖4顯示，萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)增加值的適配情況各地州隨時間變化差異較大，在2005—2006年各地州的適配情況均為適配，除哈密市為擴(kuò)張性適配外，其余地州均為強(qiáng)適配。2009—2010年阿勒泰地區(qū)和巴州出現(xiàn)弱負(fù)適配和衰退型負(fù)適配，其余地州處于適配或耦合的狀態(tài)。在2013—2014年適配狀態(tài)變差，與2009—2010年相比，處于負(fù)適配的地州增加為4個。2017—2018年，克拉瑪依市、昌吉回族自治州、阿勒泰地區(qū)和巴州仍呈現(xiàn)弱負(fù)適配狀態(tài)，出現(xiàn)該狀態(tài)是因?yàn)檫@些區(qū)域正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，大力發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)，使用水量大，GDP增長較慢，應(yīng)加快改進(jìn)工業(yè)設(shè)配，改善高耗水工藝，促使產(chǎn)業(yè)升級，減少工業(yè)用水量。

(a) 2005—2006年

(a) 2005—2006年

萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)增加值適配狀態(tài)在烏魯木齊市、克州、喀什地區(qū)及和田地區(qū)情況較好，研究年限內(nèi)均為適配?？死斠朗?、昌吉回族自治州、阿勒泰地區(qū)和巴州的變化趨勢為適配—負(fù)適配，但各地州出現(xiàn)負(fù)適配的年份不同，其中克拉瑪依市和博州變化趨勢與人均用水量和人均GDP適配變化趨勢一致。

(a) 2005—2006年

從圖5可以看出，在2005—2006年哈密市和克州第三產(chǎn)業(yè)用水量和GDP產(chǎn)值為弱負(fù)適配，其余地州情況較好。2009—2010年整體情況較好，除和田地區(qū)外，其余地州均無負(fù)適配情況。但在2013—2014年，大部分地州呈現(xiàn)弱負(fù)適配，這和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型有關(guān)。2017—2018年適配狀況改善不明顯，應(yīng)提高水資源利用效率，提高第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的同時節(jié)約用水。

第三產(chǎn)業(yè)用水量與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值適配狀態(tài)在烏魯木齊市、克拉瑪依市等7個地州適配情況較好，研究年限內(nèi)沒有出現(xiàn)負(fù)適配；吐魯番市情況較差，只有在2005—2006年為適配，其余年份均為負(fù)適配，其原因是吐魯番市第三產(chǎn)業(yè)用水量波動增長，而產(chǎn)值增長速率較緩。塔城地區(qū)、博州等5個地州呈現(xiàn)適配—負(fù)適配—適配的變化，其余地州則呈現(xiàn)適配—負(fù)適配的變化趨勢。

3.3 兩種方法結(jié)果對比

使用兩種方法對新疆產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)GDP關(guān)系進(jìn)行計算，匹配度反映用水量和產(chǎn)值之間的匹配關(guān)系；適配度反映兩者之間的變化是否有利于城市的發(fā)展，即指標(biāo)之間的關(guān)系是否協(xié)調(diào)。

兩種方法的計算結(jié)果存在一些差異。首先，從計算原理來看，基于脫鉤理論的適配度計算取決于是否利于社會的發(fā)展，如當(dāng)用水速率減小而產(chǎn)業(yè)GDP升高時，最有利于社會的發(fā)展，會呈現(xiàn)強(qiáng)適配的情況；而基于數(shù)列的匹配度計算比較的是用水量增長速率在全疆的排名和產(chǎn)業(yè)GDP增長速率排名，當(dāng)兩者排名相當(dāng)時，呈現(xiàn)良好的匹配關(guān)系，但是，當(dāng)一方的速率遠(yuǎn)大于另一方時，即便有利于社會發(fā)展，也會呈現(xiàn)較差的匹配關(guān)系。其次，從計算結(jié)果來看，一些指標(biāo)間的匹配度和適配度評價結(jié)果不一致，但其代表的意義卻相同。使用兩種方法計算得出的人均用水量與人均GDP的匹配關(guān)系見表2，在大部分時間內(nèi)兩者計算結(jié)果有一定的聯(lián)系，雖然存在一些差異，其代表的含義一致。如，烏魯木齊市在2013—2014年和2017—2018年使用基于數(shù)列的匹配度計算得到的結(jié)果為不匹配，是由于其GDP增長速率排名遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出用水量增長速率排名，其代表的意義與基于脫鉤理論計算得出的結(jié)論相同。

表2 人均用水量與人均GDP關(guān)系對比

在分別計算各產(chǎn)業(yè)匹配度或適配度時，兩者結(jié)果存在較大的差異。如在計算農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP關(guān)聯(lián)關(guān)系時，雖然各地州用水和GDP變化速率之間差距大小不同，但均是GDP減小速率大于用水減小速率，適配情況較差；計算兩者匹配度時，各地州用水變化速率相近，由于其基于數(shù)列的計算原理，對指標(biāo)進(jìn)行排序，差異較小的數(shù)據(jù)排名結(jié)果也會存在很大不同，使評價結(jié)果存在差異。新疆第三產(chǎn)業(yè)用水量小，在研究年限內(nèi)所有地州第三產(chǎn)業(yè)用水量均小于0.5億m3，較小的用水量波動會造成用水速率的大變化，使匹配度和適配度結(jié)果呈現(xiàn)差異。

當(dāng)用水變化速率和GDP變化速率差異顯著時，兩種方法均能準(zhǔn)確反映兩者間關(guān)聯(lián)情況；當(dāng)指標(biāo)間數(shù)據(jù)差距不大時，雖然兩種計算方法均能測算指標(biāo)關(guān)聯(lián)程度，但使用基于數(shù)列的匹配度計算很難反映出其內(nèi)在聯(lián)系，這種情況下更適宜使用基于脫鉤理論的適配度方法進(jìn)行計算。而計算新疆第三產(chǎn)業(yè)用水與GDP關(guān)系時，由于用水量小，變化速率顯著，不適宜使用基于數(shù)列的匹配度計算方法。因此可以看出，有時使用一種方法計算指標(biāo)間關(guān)系可能存在偏差，應(yīng)考慮實(shí)際情況及方法原理差異，合理選擇方法進(jìn)行測算。

3.4 提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源適配性的建議

a. 轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式，大力發(fā)展金融業(yè)和服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)，克拉瑪依市、巴州的第三產(chǎn)業(yè)占比較低，不到30%，但克拉瑪依市被譽(yù)為“戈壁明珠”，巴州占地最廣，存在豐富的旅游資源和廣闊的發(fā)展空間。因此，需要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以服務(wù)業(yè)為驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)增長模式。

b. 完善水資源管理制度，制定與水資源相適應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃方案。新疆屬于干旱區(qū)，水資源短缺嚴(yán)重，可以引導(dǎo)節(jié)水型產(chǎn)業(yè)發(fā)展，克州、喀什地區(qū)、吐魯番市等地州農(nóng)田單位面積平均灌溉用水量遠(yuǎn)超新疆平均水準(zhǔn)，應(yīng)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水效率；在和田地區(qū)、哈密市等工業(yè)城市開展工業(yè)節(jié)水等措施。

c. 加強(qiáng)地區(qū)間合作，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)空間優(yōu)化。結(jié)合各地州的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等情況，相鄰地州之間可積極開展經(jīng)濟(jì)、水資源方面的合作，如天山經(jīng)濟(jì)帶之間實(shí)施多領(lǐng)域協(xié)作，塔里木河流域各地州間和諧分水等，協(xié)調(diào)推動各地州產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化變遷，促進(jìn)用水效率的提高，實(shí)現(xiàn)水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展良性發(fā)展的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

a. 使用一種方法對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和用水量關(guān)系進(jìn)行分析可能存在問題，應(yīng)根據(jù)研究地區(qū)條件的不同，選擇合適的方法進(jìn)行研究。

b. 新疆在研究年限內(nèi)人均用水量與人均GDP適配情況較好，其中2013—2014年情況最好，2009—2010年情況較差。相對而言，阿勒泰地區(qū)情況較差，在2009—2010年和2017—2018年出現(xiàn)負(fù)適配情況。

c. 新疆各產(chǎn)業(yè)用水量與GDP產(chǎn)值關(guān)系存在較大差異。新疆前期農(nóng)業(yè)單位面積平均用水量與GDP適配狀態(tài)較好，萬元工業(yè)增加值用水量與工業(yè)增加值的適配情況較差，各地州第三產(chǎn)業(yè)用水量與GDP適配關(guān)系隨時間變化差異較大，應(yīng)提高水資源利用效率。