節(jié)水建設(shè)城市用水時空差異模型研究

沈際杰，柏欣莉，衣 鵬

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水資源短缺問題是我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性制約因素之一，節(jié)水型社會建設(shè)方興未艾[1-3]。因素分解法是將關(guān)鍵變化量分解成規(guī)模變化、結(jié)構(gòu)變化、效率變化等不同的影響因素，為宏觀分析水資源用量驅(qū)動因素與影響程度的常用方法[4-8]。常見的因素分解方法包括結(jié)構(gòu)分解法和指數(shù)分解法兩類[9-10]。由于所需數(shù)據(jù)量少且易于時空差異分析，以LMDI[11]為代表的指數(shù)分解法廣泛應(yīng)用于水資源領(lǐng)域。Duarte等[12]利用指數(shù)分解模型分析了1900—2000年世界用水總量和經(jīng)濟(jì)增長的內(nèi)在聯(lián)系，認(rèn)為經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口規(guī)模的快速增長是導(dǎo)致世界用水總量增加的主要原因，用水強(qiáng)度的下降則遏制了用水量增長的趨勢；Luyanga等[13]利用指數(shù)分解模型對納米比亞1993—2001年用水強(qiáng)度變化效應(yīng)進(jìn)行分解，證明了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對于降低用水量的重要性；莊立等[14]采用LMDI模型研究京津冀地區(qū)用水量的變化，認(rèn)為技術(shù)效應(yīng)是節(jié)水的主要驅(qū)動效應(yīng)。

基于結(jié)構(gòu)分解法的水資源利用現(xiàn)狀研究也有了一定的進(jìn)展，如佟金萍等[15]基于完全分解模型對中國萬元GDP用水量變動情況進(jìn)行了因素分析，認(rèn)為中國主要的節(jié)水驅(qū)動效應(yīng)實現(xiàn)了從結(jié)構(gòu)效應(yīng)向技術(shù)效應(yīng)的轉(zhuǎn)變；張強(qiáng)等[16]基于因素分解模型對中國水資源利用變化情況進(jìn)行分解，認(rèn)為水資源利用的關(guān)鍵影響因素是人口規(guī)模和用水強(qiáng)度；王鳳婷等[17]運(yùn)用結(jié)構(gòu)分解法分析了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型下北京市經(jīng)濟(jì)用水的驅(qū)動力，認(rèn)為是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。這些研究經(jīng)濟(jì)意義明確，易于進(jìn)行水資源實地規(guī)劃，但分解結(jié)果傾向于提高結(jié)構(gòu)效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)的重要性，忽略了規(guī)模效應(yīng)對用水量的促進(jìn)作用。

基于此，本文在分析節(jié)水建設(shè)代表城市——泰州市各區(qū)用水量時空差異變化特征的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)分解法進(jìn)行優(yōu)化修正，改進(jìn)了以往結(jié)構(gòu)分解模型結(jié)果經(jīng)濟(jì)學(xué)意義模糊或分解結(jié)果有偏的問題，以期用于探討進(jìn)入節(jié)水新階段的城市用水量變化與社會發(fā)展的聯(lián)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 產(chǎn)業(yè)用水量變化結(jié)構(gòu)分解模型

以梁進(jìn)社等[18-19]提出的能源消費(fèi)增長完全分解方法(以下簡稱梁法)為基礎(chǔ)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)分解模型，來分析泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化的驅(qū)動效應(yīng)。初期至末期的產(chǎn)業(yè)用水變化量可分解為

Wt-W0=At(Bt-B0)Ct+AtB0(Ct-C0)+(At-A0)B0C0

(1)

Wt-W0=At(Bt-B0)C0+AtBt(Ct-C0)+(At-A0)B0C0

(2)

式中：A0、At分別為一個時間段初期與末期的GDP；B0、Bt分別為一個時間段初期與末期第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增加值占研究區(qū)域GDP的比例；C0、Ct分別為一個時間段初期與末期各產(chǎn)業(yè)部門單位產(chǎn)出用水量。

結(jié)合式(1)和式(2)，得出梁法的最終分解公式：

Wt-W0=0.5At(Bt-B0)(Ct+C0)+0.5At(Bt+B0)(Ct-C0)+(At-A0)B0C0

(3)

右式第一項是綜合考慮兩個時期技術(shù)進(jìn)步情況下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，第二項是綜合考慮兩個時期產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化情況下的技術(shù)效應(yīng)，第三項是初期產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與技術(shù)水平下的規(guī)模效應(yīng)。其中規(guī)模效應(yīng)項排除了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化和技術(shù)進(jìn)步帶來的影響，僅以初期技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)分解結(jié)果有系統(tǒng)誤差。因此在此基礎(chǔ)上，加入以下公式：

Wt-W0=A0(Bt-B0)C0+AtBt(Ct-C0)+(At-A0)BtC0

(4)

Wt-W0=A0(Bt-B0)Ct+A0B0(Ct-C0)+(At-A0)BtCt

(5)

Wt-W0=A0(Bt-B0)C0+A0Bt(Ct-C0)+(At-A0)BtCt

(6)

Wt-W0=At(Bt-B0)Ct+A0B0(Ct-C0)+(At-A0)B0Ct

(7)

結(jié)合式(1)～(7)，綜合考慮兩個時期的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平和規(guī)模水平，得到最終的分解公式：

(Ct-C0)((At+A0)(Bt+B0)A0B0+AtBt)+

(8)

將用水效應(yīng)看作一個正方體，規(guī)模效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)看作X、Y、Z3個用水方向，兩個時期的用水效應(yīng)變化是3個用水方向的體積變化之和，結(jié)構(gòu)分解方法則是用水效應(yīng)體積變化之差的劃分方法。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解模型圖解見圖1(a)，梁法結(jié)構(gòu)分解模型圖解見圖1(b)。

由圖1、圖2可見，梁法結(jié)構(gòu)分解模型將用水效應(yīng)分解為一個長方體與兩個直角梯臺體，即梁法不考慮規(guī)模效應(yīng)時間變化帶來的影響，僅考慮不同時期下技術(shù)效應(yīng)與結(jié)構(gòu)效應(yīng)帶來的兼互影響。而改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解模型將用水效應(yīng)劃分為3個直角梯臺體，即改進(jìn)后的分解方法將結(jié)構(gòu)效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)設(shè)置為時間段內(nèi)均勻變化，考慮了初期與末期3種效應(yīng)的兼互影響。

圖1 結(jié)構(gòu)分解模型圖解Fig.1 Diagram of structure decomposition model

圖2 泰州市各區(qū)與全市用水量變化Fig.2 Changes in water consumption in districts and whole city of Taizhou

對比式(3)與式(8)，兩者分解結(jié)果有(At-A0)[(Bt+B0)(Ct+C0)+BtCt-5B0C0]/6的偏差，結(jié)構(gòu)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)分解結(jié)果分別有(At-A0)(Bt-B0)(C0-Ct)/6和(At-A0)(B0-Bt)(Ct-C0)/6的偏差，均是梁法忽略規(guī)模效應(yīng)時期間變化帶來的誤差。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解方法在假設(shè)時段內(nèi)用水效應(yīng)均勻變化的前提下，確定了規(guī)模、結(jié)構(gòu)、技術(shù)3種因素互相影響下的分解結(jié)果，且保證了經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況下各項因素的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義。該結(jié)構(gòu)分解方法無論是計算結(jié)果還是經(jīng)濟(jì)學(xué)意義都更為精確，適用于用水量變化波動不定、經(jīng)濟(jì)影響因素錯綜復(fù)雜的節(jié)水建設(shè)時期。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取2013—2018年為研究時段，研究數(shù)據(jù)來自于《泰州統(tǒng)計年鑒》與《泰州水資源公報》。由于經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和用水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計范圍存在差異，其中建筑業(yè)用水既歸屬于城鎮(zhèn)公共用水，又歸屬于第二產(chǎn)業(yè)用水，因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：①將城鎮(zhèn)公共用水量作為第三產(chǎn)業(yè)用水量；②將建筑業(yè)經(jīng)濟(jì)增加值并入第三產(chǎn)業(yè)，與用水?dāng)?shù)據(jù)相匹配。

2 泰州市分區(qū)用水量變化的時空特征

作為江蘇省優(yōu)秀節(jié)水地區(qū)，泰州市采取了一系列節(jié)水措施，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)水技術(shù)，提高用水效率，取得了一定的效果。由圖2可見，2013—2018年期間，泰州市的總用水規(guī)模減少了近2.5億m3，下降幅度為9.14%，其中以2017—2018年下降幅度最為明顯。而同期的可比價GDP總量卻增加了2 100.63億元，增幅超過了60%。可見，自我國頒布節(jié)水型社會建設(shè)的相關(guān)法案后，泰州市的總體用水量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的“強(qiáng)脫鉤”狀態(tài)。

圖3 泰州市各類用水量變化Fig.3 Changes of various types of water use in Taizhou City

從泰州市各區(qū)用水空間分布分析，興化市的用水規(guī)模最大，占泰州市用水總量的比例在研究時段內(nèi)均超過30%，其變化趨勢同泰州市用水總量的變化趨勢基本一致。靖江市的用水總量在5年間均呈現(xiàn)微弱的上漲的趨勢，漲幅在10%左右；高新區(qū)用水總量漲幅較大，漲幅量為0.195億m3，增長幅度為50%，但對泰州市總體用水量貢獻(xiàn)不大。其余地區(qū)的用水量變化量在-0.5億～-0.2億m3之間，5年減少了10%左右，總體變化不大。在泰州市總體用水量平穩(wěn)的情況下，泰州市用水總量的減少得益于用水量占比較大的興化市用水量的減少。

從泰州市全市用水結(jié)構(gòu)(圖3)來看，泰州市生態(tài)用水量與城鎮(zhèn)公共用水量相近，且總體平穩(wěn)，增減量不超過0.15億m3。雖然泰州市人口規(guī)模逐步擴(kuò)張，但農(nóng)村生活用水量與城鎮(zhèn)生活用水量增長趨勢并不明顯，增幅在2%之間。在2013—2018年間，農(nóng)業(yè)用水量一直保持下降的趨勢， 2017—2018年下降幅度最大，2013—2014年間次之。工業(yè)用水量在2017年出現(xiàn)上升波動，但總體而言，工業(yè)用水量一直保持平穩(wěn)不變。產(chǎn)業(yè)用水量始終處于泰州市水資源配置的主導(dǎo)地位，所以需要對產(chǎn)業(yè)用水量的變化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化的驅(qū)動效應(yīng)分析

3.1 泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化驅(qū)動效應(yīng)的時間變化

根據(jù)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)分解模型，計算2013—2018年泰州市分區(qū)與全市產(chǎn)業(yè)用水量變化的各項影響效應(yīng)，結(jié)果見表1～3。由表1～3可知，5年間規(guī)模效應(yīng)累計增加產(chǎn)業(yè)用水127 331.4萬m3，而技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)分別減少了104 368.5萬m3和50 080.6萬m3的產(chǎn)業(yè)用水，說明泰州市的用水量主要增長動力源自于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而遏制用水量上漲趨勢的主要因素是技術(shù)水平的提高。

表1 2013—2018年泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化的規(guī)模效應(yīng)分解結(jié)果

表2 2013—2018年泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化的技術(shù)效應(yīng)分解結(jié)果

表3 2013—2018年泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化的結(jié)構(gòu)效應(yīng)分解結(jié)果

具體而言，研究期間泰州市各區(qū)在2015—2017年均出現(xiàn)了明顯的規(guī)模效應(yīng)增長，尤其以興化市規(guī)模效應(yīng)增長最為明顯，增長量為7 296.9萬m3。結(jié)合泰州市人民政府公布的《2015年助推經(jīng)濟(jì)加快轉(zhuǎn)型升級相關(guān)政策》分析，規(guī)模效應(yīng)的驟增很大程度上源于泰州市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級。

由表2可知，研究時期內(nèi)各區(qū)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的節(jié)水收益在2013—2014年達(dá)到最大，共節(jié)約22 708.8萬m3的水資源量，之后呈現(xiàn)波動下降的趨勢，說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶動的節(jié)水作用開始疲軟，需要提高節(jié)水技術(shù)才能更好地推進(jìn)節(jié)水社會建設(shè)。

各區(qū)的技術(shù)效應(yīng)在研究期間對用水量的抑制作用整體呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，結(jié)合《關(guān)于下達(dá)2014年全市節(jié)水型社會建設(shè)目標(biāo)任務(wù)的通知》分析，認(rèn)為研究時段技術(shù)效應(yīng)的優(yōu)化源自泰州市工藝技術(shù)的全面革新。研究時段初期結(jié)構(gòu)效應(yīng)的節(jié)水作用最大，但2015年之后技術(shù)效應(yīng)的節(jié)水收益全面超過結(jié)構(gòu)效應(yīng)，可見建設(shè)初期結(jié)構(gòu)效應(yīng)的節(jié)水效益最大，后期技術(shù)更新帶來的節(jié)水效益更大，政府應(yīng)先注重產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，后加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)的更新?lián)Q代。

表4 泰州市各地區(qū)產(chǎn)業(yè)用水量分解結(jié)果對比 單位：萬m3

3.2 泰州市產(chǎn)業(yè)用水量變化驅(qū)動效應(yīng)的空間分異

泰州市代表性分區(qū)產(chǎn)業(yè)用水量分解結(jié)果見表4。各區(qū)各個時段的規(guī)模效應(yīng)都帶動了用水量的增長，并在2016年后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。與泰州市不同的是，結(jié)構(gòu)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)分解結(jié)果有正有負(fù)，但大部分地區(qū)都呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)效應(yīng)節(jié)水收益逐漸減弱、技術(shù)效應(yīng)節(jié)水收益逐漸增加的趨勢。由表4可知，除2013—2014年外，其他時段興化市、姜堰區(qū)技術(shù)效應(yīng)基本上都高于結(jié)構(gòu)效應(yīng)，分析其原因主要是這些地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水空間不大，用水效率的提高是產(chǎn)業(yè)用水減少的主要途徑。

從表4可知，以高新區(qū)為代表的地區(qū)規(guī)模效應(yīng)雖然微弱減少，但結(jié)構(gòu)效應(yīng)遏制用水量增長的作用依然優(yōu)于技術(shù)效應(yīng)，說明高新區(qū)和靖江市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)依然有優(yōu)化空間。究其原因，高新區(qū)和靖江市屬于泰州市的弱發(fā)展地區(qū)，其中高新區(qū)屬于泰州市2009年劃分的市區(qū)，經(jīng)濟(jì)相對落后。結(jié)合泰州市各分區(qū)GDP的情況，可以得出經(jīng)濟(jì)水平落后地區(qū)應(yīng)以調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為節(jié)水方向、經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)以更新生產(chǎn)工藝為節(jié)水方向的結(jié)論。

3.3 因素分解方法改進(jìn)前后結(jié)果比較

指數(shù)分解分為LMDI與GDIM兩種，LDMI指數(shù)分解不能同時分析其他絕對量因素變化對用水量變化的貢獻(xiàn)程度，而GDIM指數(shù)分解克服了以上缺陷，因此以GDIM指數(shù)分解結(jié)果為基準(zhǔn)。以泰州市為例，將結(jié)構(gòu)分解改進(jìn)前后分解結(jié)果進(jìn)行比較計算，結(jié)果見表5。

表5 改進(jìn)前后分解結(jié)果對比 單位：萬m3

從表4可見，改進(jìn)前各分解結(jié)果的絕對值均大于改進(jìn)后的分解結(jié)果，相較于GDIM指數(shù)分解法，改進(jìn)前的分解結(jié)果產(chǎn)生了約6.64%的規(guī)模效應(yīng)偏差、4.97%的結(jié)構(gòu)效應(yīng)偏差以及5.86%的技術(shù)效應(yīng)偏差，而改進(jìn)后的分解結(jié)果產(chǎn)生的偏差均在1%以下。

結(jié)合圖1、圖2，由于進(jìn)入節(jié)水建設(shè)階段后，總體技術(shù)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)變化呈下降趨勢，規(guī)模效應(yīng)呈上漲趨勢，導(dǎo)致梁法計算的技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)均產(chǎn)生負(fù)偏差，即放大了技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水作用，而規(guī)模效應(yīng)產(chǎn)生正偏差，即放大了經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的用水量上漲的影響。梁法計算結(jié)構(gòu)效應(yīng)與技術(shù)效應(yīng)時排除了規(guī)模效應(yīng)的影響，僅以末期GDP為基準(zhǔn)考慮；計算規(guī)模效應(yīng)則排除了結(jié)構(gòu)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)的影響，僅以初期產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平為考慮因素，凸顯了結(jié)構(gòu)效應(yīng)與技術(shù)效應(yīng)的作用，削弱了規(guī)模效應(yīng)的兼互影響作用。而改進(jìn)后的因素分解法同時考慮初期和末期效應(yīng)的兼互影響，避免了分解結(jié)果偏大或偏小的情況。

高新區(qū)屬于泰州市規(guī)劃新區(qū)，經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平年變化較大，理論上運(yùn)用梁法會產(chǎn)生更大的計算結(jié)果偏差。由表5可見，改進(jìn)前的分解結(jié)果產(chǎn)生約8.19%的規(guī)模效應(yīng)偏差、8.98%的結(jié)構(gòu)效應(yīng)偏差以及7.60%的技術(shù)效應(yīng)偏差，且部分時期偏差在15%以上，而改進(jìn)后的分解結(jié)果產(chǎn)生的偏差均在3%以下。

總體來說，梁法與改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解法在整體上可以得出相似的結(jié)論，但對于部分用水因素變化劇烈的地區(qū)會產(chǎn)生過高的貢獻(xiàn)因素評價，尤其是節(jié)水政策頻繁變動的節(jié)水建設(shè)階段。

4 結(jié) 論

a.本文在結(jié)構(gòu)分解法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了其結(jié)構(gòu)分解模型，在考慮了技術(shù)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)交叉影響的同時，保證了各分解項在經(jīng)濟(jì)學(xué)上的分解意義。梁法與改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解法在整體上可以得出相似的結(jié)論，但對于部分用水因素變化劇烈的地區(qū)會產(chǎn)生過高的貢獻(xiàn)因素評價。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分解方法無論是計算結(jié)果還是經(jīng)濟(jì)意義都更為精確，適用于用水變化波動不定、經(jīng)濟(jì)影響因素錯綜復(fù)雜的節(jié)水建設(shè)時期。

b.泰州市進(jìn)入節(jié)水建設(shè)時期后，用水量基本保持平穩(wěn)，GDP的快速增長并沒有導(dǎo)致用水量的驟增。技術(shù)效應(yīng)是泰州市節(jié)水效益的主要貢獻(xiàn)者，規(guī)模效應(yīng)是導(dǎo)致泰州市產(chǎn)業(yè)用水量增長的主要驅(qū)動因素，結(jié)構(gòu)效應(yīng)對泰州市各地區(qū)產(chǎn)業(yè)用水量增長的抑制作用呈不斷減弱的趨勢。技術(shù)效應(yīng)在研究期間內(nèi)波動較大，但總體上技術(shù)效應(yīng)對泰州市各地區(qū)產(chǎn)業(yè)用水量增長的抑制作用呈不斷增強(qiáng)的趨勢。

c.以高新區(qū)為代表的經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)結(jié)構(gòu)效應(yīng)仍有較大潛力，以興化市為代表的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)則更傾向于技術(shù)效應(yīng)帶來的水資源利用優(yōu)化效果。