我國工業行業的技術進步、結構變遷與水資源消耗*
——基于LMD I方法的實證分析

陳 雯,王湘萍

(1.湖南大學經濟與貿易學院,湖南長沙 410079; 2.湖南商學院經濟與貿易學院,湖南長沙 410205)

我國工業行業的技術進步、結構變遷與水資源消耗*
——基于LMD I方法的實證分析

陳 雯1,王湘萍2

(1.湖南大學經濟與貿易學院,湖南長沙 410079; 2.湖南商學院經濟與貿易學院,湖南長沙 410205)

通過水資源消耗強度及其變化指數,研究我國工業行業水資源消耗強度的演變趨勢;采用對數均值迪氏指數分析方法(LMD I),將我國工業行業水資源消耗強度的變化分解為技術進步與產業結構變遷兩個層面的作用。研究結果顯示,1996-2006年我國工業水資源消耗強度總體上呈現不斷下降的趨勢;技術效應所導致的各部門用水效率提高是工業行業水資源消耗強度持續下降的最重要原因,結構效應所導致的用水密集部門的發展在一定程度上抑制了水資源消耗強度的下降。因此,加快技術升級和工業結構調整,有助于可持續利用水資源、建立節水型社會。

水資源消耗強度;Divisia指數方法;技術效應;結構效應

一 研究現狀

近年來,由于水資源短缺日益加劇,有限的水資源供給與快速增長的人口和經濟發展矛盾日益突出,關于水資源利用效率的研究引起了學者廣泛的興趣,賈紹鳳等利用庫茲涅茨曲線描述了工業用水與經濟發展的關系,發現工業用水下降的直接原因是用水效率的提高。[1]朱啟榮對我國各地區的工業用水效率及影響因素與節水潛力進行實證研究,發現我國工業用水資源配置偏離效率原則,各地區用水效率的差異主要是結構水平、外商投資規模和水資源稟賦等因素的共同作用所導致。[2]杜斌等通過建立工業節水潛力分析和技術綜合評價模型(IWCPA模型)篩選了影響高耗水行業用水的關鍵技術,建立了高耗水行業重要用水技術的優選清單,指出若干工業用水關鍵技術的研究是提高工業用水效率的關鍵。[3]陳素景等選取了1998-2005年中國各省區水資源消耗和經濟發展的數據,從時空兩方面對水資源利用效率和經濟發展的關系進行實證研究,研究發現隨著經濟發展以及節水措施的事實,我國各省區水資源利用效率呈冪指數衰減,不同省區提高水資源效率的潛力不同。[4]李世祥等利用變異系數分析了1997-2004年我國工農業水資源消耗強度的區域差異,結果表明我國三大地帶水資源消耗強度出現了不同的發展趨勢。[5]已有這些研究主要考察我國水資源消耗強度的變化趨勢、地區差異性等,但并沒有深入分析其內在的影響因素,尤其是技術進步與產業結構調整的重要作用,節水方面的技術進步將影響到各行業的水資源消耗,而產業結構的調整將從結構方面對水資源的消耗有重要影響。從發達國家的經驗來看,工業用水下降一般都伴隨著重工業的縮減,對于重工業較為強大的國家,重工業的縮減可以看作工業用水減少的轉折標志。因此在分析我國工業水資源消耗的基礎,進一步分解其影響因素,考察起主導作用的影響,這對于我國水資源可持續利用有重要的參考價值。

一些關于能源消耗和環境污染的國內外研究,常采用因素分解方法來考察引起能源需求或污染物排放變化的主導因素。這些方法主要有兩類:指數分解方法(Index decomposition Analysis,簡稱IDA)和結構分解方法(Structure Decomposition Analysis,簡稱SDA)①有關指數分解方法的綜述見Ang and Zhang(2000)[1],Ang&Liu(2001)[2]。,即投入產出技術。結構分解方法由于依賴于投入產出表而受到一定限制;指數分解方法相對于結構分解方法的好處是數據要求較小,可以適用于時間序列或者截面數據分析,數學方法上嚴密可行,易于操作,因此比結構分解方法應用更廣②指數分解方法和結構分解方法的比較見 Hoekstra and van den Bergh(2003)[3]。。大量研究將指數分解方法應用于能源研究中。[6-7]除了能源研究外,指數分解方法還廣泛應用于研究碳排放強度影響因素以及其他污染物排放中。[8-9]水資源對于大多數經濟部門來說同樣是一個重要的資源,水資源正在取代石油而成為全世界引起危機的主要問題③WCED(the Committeeof Environment and Developmentof the World),Sustainable Development and Water,Statementon the WCED Report“our common Future”,Water International 1988。。然而,對于水資源消耗的影響因素分析卻鮮有學者關注。因此,本文將應用修正的LMD I方法研究我國水資源消耗問題,對影響水資源消耗強度的因素進行分解,定量研究引起水資源消耗強度變化的具體渠道和機制,以期為節水政策提供科學的決策依據。

二 水資源消耗強度及其分解方法

1.水資源消耗強度

本文采用水資源消耗強度指標來分析工業生產的水資源消耗,水資源消耗強度(water intensity)定義為一定時期內工業系統中某一行業所消耗的新鮮水量(噸)與同期該行業所產生的工業總產值(萬元)的比值,即W I=W/Y。類似地,第i個工業部門水資源消耗強度則定義為一定時期內第i個工業部門所消耗的新鮮水量與同期該部門的工業萬元總產值的比值,即W Ii=Wi/Yi。水資源消耗強度反映了工業行業經濟發展對水資源的依賴程度,水資源消耗強度越大,意味著生產每單位工業總產值所消耗的新鮮水量越大。

根據定義,有以下式子成立

其中 yi(t)衡量了第i個部門產出在總產出中所占的比重,即 yi(t)=Yi(t)/Y(t)。水資源總消耗強度的變化指數Dtot定義為當年水資源消耗強度相對于前一年的比例,因此,從樣本初期到第 T年,水資源消耗強度的變化指數定義為

因此,如果從樣本初期到第 T年,水資源消耗強度提高,Dtot大于1;而水資源消耗強度下降,Dtot小于1。

2.水資源消耗強度的分解方法

為了分析我國工業行業水資源消耗強度的內在影響因素,需要對其進行分解。最常見的分解方法包括拉氏指數分解法(Laspeyres Index)和迪氏指數分解法(Divisia Index)。廣泛用于20世紀70年代晚期和20世紀80年代早期的拉氏指數分解法主要來源于Laspeyres Index的概念,即為了估量某個因素的影響,假設這個因素在報告期變化而其他因素保持在相應的基年值不變,直接對各個因素進行微分,從而求出這一因素的變化對被分解變量的影響。而Divisia指數分解方法源于Divisia Index概念,即把分解出的各個因素都看成是時間t的連續可微函數,對時間進行微分,從而分解出各個因素的變化對被分解變量的影響。Boyd et al.提出算術均值迪氏指數(AMD I)方法[10],Ang et al.提出LMD I I方法[11],Ang et al.提出LMD I II方法[12]。這幾種指數方法廣泛應用于分解國家和某部門能源消耗和能源相關的碳排放的變化因素。主要區別在于LMD I I和LMD I II能夠完全分解,而AMD I和Laspeyres指數分解方法有殘差項。Ang(2004)指出LMD I方法是目前各種方法中比較合理,也是目前常用分解方法中最好的一種,有以下優勢:1)能夠給出較為合理的因素分解,結果不包括不能解釋的殘差項,使模型更有說服力。2)分部門效應加總與總效應保持一致,即不同的分部門效應總和與各個部門作用于總體水平上獲得的總效應一致,這在多層次分析中十分有用,比如總體的產業活動能夠分解為更加細化的產業活動,提供了分析經濟總系統內部效應對比的依據。因此本文參考Luyanga et al.中LMD I方法,推導出我國工業水資源消耗強度的分解公式。[13]

將式(1)兩邊取對數后,對時間t求導數,可以得到

其中wi=Wi/W,衡量了工業部門i的用水量占整個工業行業用水量的比重。在[0,T]區間上對上式兩邊求定積分并進行指數變換,得到

這樣,將工業水資源消耗強度的變化Dtot分解為兩個部分,上式右邊的第一個部分主要反映因為技術變化所引致每個工業部門隨時間的變化,記為技術效應 Dtec;而第二個部分主要體現每個工業部門產出在總的工業部門產出所占份額發生變化從而對總的水資源消耗的影響,也就是工業結構的變遷效應,記為Dstr。這樣將 Dtot分解為技術效應Dtec和結構效應Dstr兩個部分,Dtec反映了樣本期間由于每個部門因技術進步引起水資源消耗強度W Ii的變化所導致總的工業行業水資源利用效率的變化。如果Dtec大于1,意味著導致各部門的水資源消耗強度在上升,節水技術進步并沒有發揮作用,而Dtec小于1意味著部門水資源利用效率在提高,水資源消耗強度在下降;Dstr則反映了工業行業結構調整導致水資源消耗強度的變化。如果Dstr大于1意味著高耗水部門發展較快,而Dstr小于1意味著低耗水部門發展較快。如果總的水資源消耗強度的變化主要是由于工業結構調整引起,則 Dstr接近Dtot而Dtec約等于1;相反,如果總的水資源消耗強度的變化主要是由于部門內部水資源利用效率引起,Dtec接近Dtot而 Dstr約等于1。

由于每個部門的用水量Wi是不斷變化的,權重wi是時間t的連續函數,因此原則上應該計算每個時間點瞬間的wi來反映每一個部門用水占整個工業用水總量上相對比重的變化,然而實際中采用的是年度離散數據,所以不可能計算每個時刻的瞬間值,這樣也就無法計算技術效應 Dtec和結構效應Dstr。根據 AM D I方法,采用兩個端點值的算術平均來代替,這樣,在任何區間[0,T′]上 Dtec,Dstr可以分別寫為

采用以上形式代入式(4)右邊,與左邊并不完全相等,通常會產生殘差Drsd,即Dtot=DtecDstrDrsd。如果水資源消耗強度總的變化指數 Dtot可以完全被Dtec和Dstr解釋,則殘差Drsd等于1,否則Drsd不等于1。顯然,殘差Drsd并沒有什么經濟意義,如果殘差值過大時,會使得分解結果不理想。因此采用Ang and Choi提出的改進的LMD I方法消除殘差。[11]定義以下函數形式

采用以上函數,可以界定以下一般化的權重函數

這樣可以得到離散的 Dtec和Dstr

采用這種修正的Divisia指數方法,就不會產生殘差。總的水資源消耗強度變化完全分解為部門水資源消耗強度的變化和結構變化。

三 我國工業水資源消耗的動態變化:技術效應還是結構效應

1.數據來源與行業說明

本文分析的樣本區間為1996～2006年,歷年各工業行業的新鮮水量、工業總產值數據均來自各年度《中國環境年鑒》,工業品出廠價格指數來自歷年《中國統計年鑒》;工業行業總產值數據以1996年為基期的工業品出廠價格指數進行價格調整。由于在環境年鑒中1996～2000年與2001～2006年部門分類有很大的差別,且2001～2006年的部門分類也略有不同。為了保持數據的一致性,根據數據的獲得情況,以《中國環境年鑒》中1996～2000年的18個工業部門為標準,對2001-2006年工業新鮮水量和工業總產值數據,進行部門合并與整理。

2.我國工業水資源消耗強度的動態變化

圖2繪出了樣本期間我國工業水資源消耗強度的變化,總體上呈現不斷下降的趨勢,由1996年的185.4噸/萬元下降到2006年的48.7噸/萬元,下降了73.16%。例外的是,1998年到1999年水資源消耗強度有輕微上升,主要是由于這段時間的工業總產值有一定程度的下降。總體而言,每一年相對1996年水資源消耗強度大幅下降,尤其在1999年后下降幅度更大。而從分行業的情況而言(見圖2),水資源消耗強度的差異很大,樣本期間水資源消耗強度較高的兩個行業分別是電力、蒸汽及熱水的生產供應業以及造紙及紙制品業;接下來的是化學纖維制造業、化工原料及化學制造、黑色金屬及壓延加工業、石油化工和紡織業,但在不同年份有所變化。2006年電力、蒸汽及熱水的生產供應業和造紙業的水資源消耗強度分別為528.8噸/萬元、165.6噸/萬元,分別為當年工業水資源平均消耗強度的11.01倍和3.48倍。水資源消耗強度較小的行業有塑料制品業、印刷業、記錄媒介的復制以及機械、電氣電子設備制造業;2006年三個行業的水資源消耗強度分別是7.0噸/萬元、6.1噸/萬元和3.8噸/萬元,是當年工業水資源消耗強度的14.68%、12.83%和8%。如圖3所示,1996-2006年,18個部門的水資源消耗強度出現不同程度的下降,其中有色金屬冶煉及壓延加工業以及黑色金屬冶煉及壓延加工業下降的幅度最大,分別下降了91.26%和85.23%。

3.我國工業水資源消耗強度變化的因素分解:技術進步與結構調整

根據LMD I分析方法,以1996年為基年,對我國工業水資源消耗強度各年度的變化指數進行分解,從而將我國工業水資源消耗的變化區分為技術效應和結構效應,結果如表1,各變化指數的對數值的變化趨勢見圖3。

圖1 我國工業水資源消耗強度的變化趨勢及其變化指數

圖2-1 電力、蒸汽及熱水的生產供應業

圖2-2 造紙及紙制品業

根據前文分析所知,我國總的水資源消耗強度在樣本期間總體上呈現不斷下降的趨勢,從1996年至2006年的10年間總共下降了73.16%,計算每年相對于基年(1996)的水資源消耗強度的變化指數,所有年度值都要小于1。從LMD I方法分解的結果來看,除了1996～1997年技術效應的值要大于1,即技術效應沒有促進水資源消耗強度的下降,而工業結構的變化在一定程度上降低了水資源消耗強度以外,從整體結果來看,技術效應導致水資源消耗強度下降幅度很大,技術效應是導致水資源消耗強度不斷下降的主要原因。這與Pol et al.的結論一致:技術效率是影響工業用水需求和節水潛力的關鍵因素。[14]工業節水技術可提高工業用水效率和效益,減少用水量,或可替代常規水資源。

進一步從細分行業的情況來看,1996-2006年期間,電氣、燃氣及水的供應業用水效率對于總的工業技術效應為正還是負具有決定性的作用,也就是說此行業水資源消耗強度是下降還是上升很大程度上決定了技術效應的影響作用。樣本期間內,電氣、燃氣及水的供應業的水資源消耗強度的總體趨勢是下降的,從而導致了總的工業技術效應,促使水資源消耗強度的下降。例外的是,1996-1997年,電氣、燃氣及水的供應業的水資源消耗強度是上升的,黑色金屬冶煉及壓延加工業和造紙業的水資源消耗強度顯著下降,但不足以抵消電氣、燃氣及水的供應業對于水資源消耗強度所產生的“負”的效應。因此對于這些行業,需要繼續加大科技創新力度,加強科技攻關,研究開發并推廣應用節水的新工藝、新設備,新產品、新器具及循環用水、污水利用、中水回用等新技術,大力推行科學用水、計劃用水,提高水的重復利用率,提高用水效率。

關于影響水資源消耗強度的結構效應因素,起主要作用的工業行業也是電力、蒸汽及熱水的生產供應業,其次是黑色金屬冶煉及壓延加工業、化工原料及化學制造業以及造紙業。1996-1997年,結構效應的作用大于技術效應主要是電力、蒸汽及熱水的生產供應業、黑色金屬冶煉及壓延加工業以及化工原料及化學制造業三個行業的大幅縮減。即在這些年份這些行業工業總產值所占份額有所下降,拉動了總體水資源消耗強度的下降。因此,總體來說,從行業來看,與技術效應相比,結構效應的作用非常有限,通過行業間的結構調整和優化升級來降低水資源消耗強度的難度較大,需要進一步努力。但同時也可以看出,發展鋼鐵等重化工業也不一定必然帶來水耗增加,關鍵還是要通過加強管理和技術進步,以及促進行業內部和企業內部的工藝升級等手段來達到節水目的。

圖3 工業水資源消耗強度的影響因素分解

表1 LMD I方法因素分解結果

四 結論及政策建議

水資源利用在很多發展中國家是一個很重要的議題,研究水資源利用效率的影響因素將為有效利用水資源提供理論依據和現實借鑒價值。本文定義水資源消耗強度及其變化指數,基于LMD I方法,將我國工業行業水資源消耗強度的變化分解了各部門節水技術進步的作用及其工業行業結構調整效應,進一步采用我國工業行業的相關數據進行實證分析。結果發現,1996-2006年,我國工業水資源消耗強度總體呈逐漸下降的趨勢,這是工業產業結構調整和技術進步綜合作用的結果。在這兩個因素中,技術效應是降低水資源消耗強度最主導的原因。

根據實證研究與我國經濟發展的實際,本文認為,首先,在重工業化階段,工業總產值不斷上升,雖然我國工業水資源消耗強度不斷下降,但是工業用水總量不斷增加,水資源供應形勢非常嚴峻。為了促進水資源消耗強度不斷下降,必須積極改進節水技術和供水基礎設施;采用先進工藝技術以及廢水污水處理、中水回用技術,實施循環用水;對重點行業進行節水技術改造,淘汰耗水大、技術落后的工藝設備,提高水重復利用率,從而提高水資源利用效率。各耗水大戶企業如電力、蒸汽及熱水的生產供應業,造紙,鋼鐵,石油加工及煉焦業需主動研制、推廣提高水資源利用效率的先進技術,大力實施工業冷卻循環水設備和工藝改造,推廣實行無耗水和低耗水等新工藝,發展循環經濟,推動節水型社會建立,促進我國資源節約型、環境友好型社會的建立。其次,調整產業結構、產品結構,轉變經濟發展方式,構建節水型的生產模式,制定明確的產業政策,運用稅收、行政和法律等手段,限制高耗水、高污染企業發展,逐步淘汰水耗高的行業。再次,形成以經濟手段為主的節水機制,促進水資源由用水效率低向用水效率高的產業流動,實現經濟發展與水資源承載能力的和諧統一。

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Technology Progress,Structure Shift and Water Intensity In Chinese Industry:An Analysis Based on LMD IMethod

CHEN Wen1,WANG Xiang-ping2

(1.School of Economics and Trade,Hunan University,Changsha 410079,China;
2.College of Economics and Trade,Hunan University of Commerce,Changsha 410205,China)

With industrialwater intensity and changing index,this paper explores the changing trend of the industrial water intensity in China during the period 1996-2006.The changeof industrialwater intensity is decomposed into two parts which are caused by technology progress and structural shift respectively,using LMDI(Logarithmic Mean Divisia Index)analysismethod.The findings show that there is continuous decreasing trend in theoverall industrialwater intensity.Furthermore,technology effect which leads to enhancement of sectoral water efficiency is the most important factor and the structural shift toward water-intensive sectors curbs the reduction of water intensity.Therefore,speeding technology upgrade and adjusting the industrial structure is the strategy of water sustainable use and construction of the water-saving society.

water intensity;divisia index analysis;technology effect;structural effect

C813

A

1008—1763(2011)02—0068—05

2010-09-03

國家自然科學杰出青年基金項目(70925006);國家自然科學基金面上項目(70879039);教育部人文社會科學研究規劃基金項目(10YJA 790274)

陳 雯(1979—),女,湖南長沙人,湖南大學經濟與貿易學院博士研究生.研究方向:環境經濟學.