基于假設抽取法的黑河流域中游行業用水關聯分析

蔡國英，趙繼榮

1 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所， 內陸河流域生態水文重點實驗室，蘭州 730000 2 蘭州文理學院，蘭州 730000

基于假設抽取法的黑河流域中游行業用水關聯分析

蔡國英1，*，趙繼榮2

1 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所， 內陸河流域生態水文重點實驗室，蘭州 730000 2 蘭州文理學院，蘭州 730000

基于2000—2012年張掖市混合型水資源投入產出模型，運用改進的假設抽取法，分析了張掖市6部門水資源關聯效應，揭示了水資源在行業間的消耗規律，為調整產業結構提供有利的參考。研究結果表明：(1)各部門水資源直接消耗量與滿足自身所需的水資源量不對等，種植業的水資源直接消耗量和縱向集成消耗量均為最大，且其縱向集成消耗水量小于直接消耗量，是張掖市經濟系統中真正的水資源凈輸出部門。(2)種植業的內部效應和復合效應均最大，對自身的依賴性極強。服務業的凈后項關聯最大，對其他部門的依賴程度最高。(3)水資源在各部門之間發生了轉移，種植業是張掖市經濟系統中最大的水資源供給者，服務業是各部門中最大的受水者，通過中間投入的方式，由種植業到服務業的路徑是最大的水轉移途徑，而建筑業是“純”輸入部門。(4)2000—2012年間，各部門的內部效應、復合效應、凈前項關聯和凈后項關聯均變化顯著，進一步反映了產業部門水資源利用的動態關聯。

關聯效應；假設抽取法；縱向集成消耗；投入產出模型

水資源是人類生存和社會經濟發展中的基本要素和戰略資源[1],水資源短缺和水環境惡化問題已成為制約干旱-半干旱內陸河流域經濟可持續發展和社會福利的瓶頸[2- 4]。在一定的資源約束條件下，明確自然資源在國民經濟發展中的作用和地位，保護區域內脆弱的生態環境，對特定區域水資源合理利用具有重大的現實意義。這就要求我們在社會經濟發展過程中，對水資源的利用狀況進行科學的定量測度，重點關注產業各部門的投入產出狀況，科學測量資源使用情況，合理分析水資源在各產業部門的關聯效應和流動轉移。產業系統的水資源關聯效應以混合型水資源投入產出模型為基礎，從經濟系統內部分析各部門內及各部門間的水資源利用，確定經濟系統的關鍵部門，解析各部門之間的關聯關系。在產業部門關聯效應研究中，假設抽取法(Hypothetical Extraction Method, HEM)被廣泛應用于研究產業結構變動對產業系統的影響[5]。在縱向集成測算法基礎上，Sanchez Choliz和Duarte改進了假設抽取法，以縱向集成消耗形式，將部門用水關聯效應分解為內部、復合、凈前項和凈后項4個組成要素，通過用水量的變化測算了經濟系統產業部門間的用水關聯特性[6- 7]。

黑河流域是我國西北干旱區內陸河流域之一，其景觀類型完整、流域規模適中、社會-經濟-生態問題典型，成為內陸河研究的代表性流域，是探討寒區、旱區水資源的熱點地區[8]。作為內陸河流域的典型綠洲區，處于黑河流域中游的張掖市是干旱綠洲農業區的代表，該地區集中了全流域95%的耕地、91%的人口和89%的國內生產總值，是流域內水資源的主要利用地區[9]。由于人口增長和綠洲農業的快速發展，張掖市用水量持續增加，導致黑河下游可用水量不斷減少，生態環境急劇惡化。為了治理黑河流域下游生態退化, 2000年起國家實施了黑河分水措施[10]。黑河分水給張掖市的各方面發展帶來了嚴峻考驗[11]。鑒于此，本文以改進的HEM為基礎，參考混合型水資源投入產業模型，以張掖市經濟系統產業部門為研究對象，借鑒Duarte的部門關聯效應分解法，比較分析黑河分水后張掖市產業部門的水資源利用關聯效應，為黑河中游地區優化水資源管理、調整產業布局提供科學的依據。

1 研究方法設計

傳統HEM關聯效應分析法以投入產出模型為基礎，既可測度部門之間的關聯關系，也可區分系統中的“關鍵部門”。 Schultz首先運用該方法分析單個部門變動對整體經濟系統的影響[12]，隨后被廣泛用于分析經濟系統單個部門的關聯，如農業部門[13]、建筑業[14]等，也可分析環境系統要素如CO2[15]和資源利用如水資源[7]、土地資源[16]，以及能源利用[17]等的關聯關系。其基本思想是：假設將J部門從經濟系統中抽走，通過比較抽走J部門前后經濟系統總產出的變化，分析J部門對整個經濟系統造成的影響，從而測算該部門的重要性。通過對經濟系統進行部門分塊，可以確定相似經濟部門構成的部門塊(塊內各部門)與經濟系統其它部門塊(其它部門)間的關聯作用[12- 17]。基于縱向集成消耗的HEM關聯效應分析法不但可量化部門間水資源消耗的關聯影響，更能明確整個系統中各部門水資源的轉移量和具體轉移方向。

1.1 傳統HEM關聯效應分析法

HEM下產業部門的關聯效應分析以投入產出模型為基礎，將經濟系統分為兩個產業群QS和Q-S，其中QS表示經濟系統若干部門(或一個部門)構成的部門塊，Q-S表示由其他剩余部門構成的部門塊[18]。則任意矩陣Q可表示為：

(1)

根據投入產出模型，可將經濟系統分塊為:

(2)

其中

(3)

式(2)減去式(3)，可知抽取的部門對總產量變化的影響：

(4)

(5)

1.2 改進的HEM關聯效應分析法

Rosa Duarte基于Pasinetti的縱向集成消耗，以各部門消耗的水量為度量，引入部門直接用水系數，將部門用水關聯效應分解為內部效應、復合效應、凈后項關聯和凈前項關聯4個要素，清晰量化了水資源部門關聯效應[7][19- 22]。

令AiJ為投入產出表中列昂惕夫逆矩陣元素，即完全需要系數，則J產業水資源的縱向集成消耗(VIC)為：

(6)

式中，VICJ為J產業縱向集成消耗，qi為I產業直接用水系數，YJ為J產業最終需求。

由此，式(5)可分解為式(7)、(8)、(9)和(10)：

IE=qs(I-AS,S)-1YS

(7)

式中，IE表示內部效應，是水資源僅在本產業群內部部門間的消耗量。

(8)

式中，ME表示復合效應，是產業群QS的部分產品被產業群Q-S購買作為中間投入，用于生產產業群Q-S的產品，之后這些產品又被產業群QS購買作為中間投入，形成最終消費YS所消耗的水量。

NFL=qsCS,-SY-S=qsΔS,-SY-S

(9)

式中，NFL表示凈前項關聯，是產業群QS的產品中被產業群Q-S購買作為生產最終需求的消耗水量，反映產業群QS真正的水資源凈輸出。

NBL=q-sC-S,SYS=q-sΔ-S,SYS

(10)

式中，NBL表示凈后項關聯，是產業群QS通過購買產業群Q-S產品來獲得最終需求YS而消耗的產業群Q-S的水量，反映產業群QS真正的水資源凈輸入。

同時，可知：水資源縱向集成消耗=直接消耗，縱向集成消耗=內部效應+復合效應+凈后項關聯，直接消耗=內部效應+復合效應+凈前項關聯。

1.3 部門水資源凈轉移推算

式(9)和(10)反映的是部門凈輸出和凈輸入總量，對其進一步分解，可清晰表達水資源在部門間的轉移流動，明確凈輸出的具體部門及輸出量，以及凈輸入的來源地和輸入量。

若產業群Q-S由多部門組成，可將產業群QS的凈后項關聯進一步分解。設M部門是產業群Q-S中的部門，則：

NBLM→S=qMCM,SYSNBL=∑NBLM→S

(11)

式中，NBLM→S是M部門轉移到產業群QS的水量。

同理，對式(9)分解，可知

從海岸潮汐流中漂來的漂流木還會被困在北太平洋的環流帶中，順著洋流漂向更遠的西部。在阿拉斯加西南部的亞北極苔原地區的尤皮克人中流傳的圣歌、民謠和傳說中，都講述著浮木對于當地人重要性的故事。用漂流木建造的房屋給他們提供了庇護之所，用木材燃起的篝火照亮了北極的長夜，他們還用這些漂來的木材做成了雕刻精美的薩滿面具，豐富了他們的精神生活。在阿拉斯加大陸和西伯利亞之間沒有樹的阿留申群島上，當地人用從太平洋西北地區漂來的黃色雪松做成蓋世無雙的“海豚皮船”，成為克萊默用來進行水上調研和如今體育比賽項目中所用的現代皮劃艇的前身。

NFLS→M=qSCS,MYM=qMΔS,MYMNFL=∑NFLS→M

(12)

式中，NFLS→M是產業群QS轉移到M部門的水量。

比較式(9)和(10)，兩者的差值即為水資源在產業群QS的凈轉移量。即：

NT=NFL-NBL

(13)

若NT為正值，表示產業群QS向經濟系統凈輸出水資源；若NT為負值，則認為產業群QS從經濟系統凈輸入水資源。

2 實證分析

2.1 數據來源及產業群劃分

根據張掖市2002年價值型投入產出表，采用延長表的編制方法，依照當地具體經濟發展狀況，將產業部門劃分為種植業、畜牧業、其他農業、工業、建筑業和服務業6個部門，編制了2000、2002、2005、2007、2010和2012年6期張掖市投入產出表。根據部門用水系數，編制了相應6期張掖市水資源投入產出表[9,23]。

2.2 計算結果及分析2.2.1 2012年張掖市部門用水關聯效應及凈轉移分析

(1)縱向集成消耗與直接消耗對比

根據式(6)可得張掖市水資源縱向集成消耗(表1)，部門水資源縱向集成消耗總量等于水資源直接消耗總量，即經濟系統中部門通過產業鏈流動的直接消耗的自然形態水量等于各部門為滿足最終需求直接和間接消耗的水量。水資源直接消耗量和縱向集成消耗量均最大的是種植業，直接消耗量占其總量的88%，縱向集成消耗量占其總量的79%，這與張掖市綠洲農業為主的實際情況相符。服務業的直接消耗量最少，但其縱向集成消耗量卻遠大于建筑業和工業，縱向集成消耗占總量的比例與其他農業持平均為4%。建筑業的縱向集成消耗為各部門最低，僅占總量的1%。

由于水資源的縱向集成消耗量表示滿足部門最終需求的水量，因此，若部門的水資源縱向集成消耗大于其直接消耗，則反映生產此部門產品需要其他部門為其提供水。反之，則表明此部門用水實際上轉移到其他部門。從表1可知，僅有種植業的縱向集成消耗水量小于其直接消耗量，說明張掖市的種植業是經濟系統中其他部門水資源的供給者，是真正的水資源凈輸出部門，凈輸出21776萬m3，占其直接消耗量的10%，也表明種植業直接消耗水量的90%直接用于農產品的生產，直接消耗水量的10%轉移到其他部門。畜牧業、其他農業、工業、建筑業和服務業的縱向集成消耗水量均大于直接消耗水量，這說明這些部門通過中間投入為水資源的接受者。水輸入的部門中，服務業的輸入量最大，輸入量是其直接消耗量的15.78倍，而服務業的直接消耗水量為各部門最少，這說明為滿足自身生產，服務業用水對其他部門的依賴程度最高。

表1 2012年張掖市部門水資源縱向集成消耗與直接消耗Table 1 Direct and vertically integrated water consumption of dirrerent industries in Zhangye in 2012

(2)內部效應、復合效應、凈前項關聯和凈后項關聯分析

根據式(7)、(8)、(9)和(10)，可得張掖市水資源利用的內部效應、復合效應、凈后項關聯和凈前項關聯(表2)。其中，種植業的內部效應排名第一，即種植業為滿足自身最終需求所需的水量中，99.28%來自于行業內部的產品交換，說明種植業對自身部門的依賴性極強。同時，種植業的復合效應也是第一，這表明種植業的產品被其他部門購買作為中間投入，用來生產自身產品，之后這些其他部門的產品又被種植業購買作為中間投入，形成最終需求所消耗的水量為928萬m3。種植業的凈后項關聯排名第六，占縱向集成消耗的比例也最低，表明種植業對其他部門的水資源依賴性較低。服務業的凈后項關聯最大，占其縱向集成消耗的94.57%，說明為滿足服務業最終需求所需的水資源中，對其他部門的依賴性極高。種植業的凈前項關聯最大，占其直接消耗10.5%的水資源通過為其他部門提供中間投入而流出，是該部門真正的水資源凈輸出。同時，工業的凈前項關聯占直接消耗的比例最大，為49.01%，說明該部門有近一半的水資源凈輸出。

表2 2012年張掖市部門用水關聯效應/104m3Table 2 Results of linkage effects of water use among sectors in Zhangye in 2012

(3)部門水資源凈轉移分析

根據式(11)、(12)，對各部門的凈后項關聯和凈前項關聯進一步分解(表3)，反映了各部門在生產過程中與其他部門關聯產生的水資源轉移量和轉移方向。從橫向來看，體現了各部門通過中間投入轉移到其他部門的水量。種植業是最大的水資源供給者，分別向畜牧業、其他農業、工業、建筑業和服務業轉移水量5006.24萬m3、3640.23萬m3、4786.17萬m3、1653.02萬m3和7137.50萬m3。從縱向來看，表達了各部門通過中間投入接受的具體部門的水量。服務業從各部門中接受到的水量最高，分別從種植業、畜牧業、其他農業、工業和建筑業獲得水量為7137.50萬m3、75.49萬m3、204.21萬m3、737.14萬m3和12.29萬m3。

表3 2012年張掖市各部門凈前項關聯和凈后項關聯分解/104m3Table 3 Results of linkage decomposition among sectors in Zhangye in 2012

根據式(13)及表3中的數據可明確表示張掖市水資源凈轉移的數量和具體方向(圖1)。種植業是各部門中“真正的”水資源凈輸出行業，但凈轉移到其他部門的水量有所差異。其中，從種植業轉移到服務業的水量最多，為7133.13萬m3，其次是轉移到畜牧業的水量，這與張掖市綠洲農業的基本經濟情況相符。另外，工業也向除種植業之外的部門轉移了1420.49萬m3的水量，是第二大轉移部門。建筑業是“純”輸入部門，種植業、畜牧業、其他農業、工業和服務業分別對其輸入1652.83萬m3、44.66萬m3、227.73萬m3、610.95萬m3和6.87萬m3的水量。

圖1 2012年張掖市各部門水資源凈轉移圖

2.2.2 近10年部門用水關聯效應分析

由式(7)、(8)、(9)和(10)，可得2000—2010年張掖市水資源利用的內部效應、復合效應、凈后項關聯和凈前項關聯。種植業的內部效應和凈前項關聯總體呈遞增狀態，說明種植業為滿足最終需求的水量大部分來自自身產品交換的水量，對其他部門的依賴性持續降低，也表明種植業是該地區水資源的凈輸出部門。復合效應先降后升，為部門中最大值，顯示出種植業的部門產品被其他部門利用來生產，隨后生產的新產品又流入種植業作為最終消費所需的水量最大。凈后項關聯呈下降趨勢，降低了4.85倍，顯著表明種植業對其他部門的巨大貢獻(圖2)。由此可知，種植業歷年來均為張掖市水資源利用的“關鍵部門”，是“純”凈輸出部門，這與該地區綠洲農業為主、河西走廊糧倉的實際情況相符。

近年來，張掖市開展了百萬頭肉牛建設工程，成效顯著，以肉牛產業為主帶動了該地區畜牧業的長足發展，也對其他產業產生了積極影響。畜牧業的內部效應呈穩增趨勢，提高了6.22倍，表明畜牧業對自身的依賴性在增加。凈前項關聯和復合效應在2002年均遞減，隨后穩步提升。凈后項關聯由2000年的7601.55萬m3增加到2002年的8017.47萬m3，隨之持續下降到2012年的5179.73萬m3，說明其他部門對畜牧業對的依賴先減后增(圖3)。

圖2 種植業關聯效應

圖3 畜牧業關聯效應

其他農業的內部效應先升后降，凈前項關聯和復合效應總體呈下降趨勢，降幅較大。凈后項關聯穩增，2010年開始增幅較大(圖4)。工業的內部效應呈下降趨勢，從2012年比2000年降低了1148.26萬m3。凈后項關聯和凈前項關聯在2002均降低，隨后均出現增長，總體呈先降后升趨勢。復合效應在2005年降到最低值，隨后有緩慢增長，但總體呈降低趨勢，說明部分工業產品流入其他部門生產新產品，隨后這些產品又流入工業，形成最終消費所耗的水量總體呈下降趨勢(圖5)。張掖市的工業經濟總量持續穩增，從水資源利用角度來看，成為繼種植業之后的第二“輸水”部門。

建筑業的內部效應、凈前項關聯和復合效應均在2002年達到最小值，隨后總體呈增加趨勢(圖6)。服務業的內部效應呈遞增趨勢，2012年達到最大值。凈后項關聯呈先降后漲趨勢，比2000年增長了2.26倍。凈前項關聯在2002年達到最大值，隨后急劇下降。復合效應在2005年將為最低值，隨后增加，到2012年達到最大值(圖7)。

圖4 其他農業關聯效應

圖5 工業關聯效應

圖6 建筑業關聯效應

圖7 服務業關聯效應

3 結語

本文基于混合型水資源投入產出模型，運用改進的假設抽取法，分析部門用水的關聯效應，并以2000—2012年黑河流域中游的張掖市為例實證研究。主要結論如下：(1)種植業是各部門中水資源直接消耗量和縱向集成消耗量的最大者，服務業的直接消耗量最少，建筑業的縱向集成消耗為各部門最低。同時，種植業的縱向集成消耗水量小于其直接消耗量，是張掖市經濟系統中真正的水資源凈輸出部門。(2)種植業的內部效應和復合效應均最大，說明種植業對自身部門的依賴性極強。但其凈后項關聯最低，占其縱向集成消耗的比例也最低，說明種植業對其他部門的水資源依賴性最弱。服務業的凈后項關聯最大，對其他部門的依賴程度最高。(3)通過部門水資源凈轉移分析可知，種植業是最大的水資源供給者，服務業是各部門中最大的受水者。種植業中7133.13萬m3的水轉移到服務業，是水量最大的轉移途徑。(4)2000—2012年間，各部門的內部效應、復合效應、凈前項關聯和凈后項關聯均變化顯著，表明了水資源在各部門的不同運移，也說明種植業是張掖市水資源可持續利用的關鍵部門。

為推動區域水資源的可持續利用，辨明水資源利用中的關鍵部門和具體的流動規律將會為張掖市水資源開發、利用、管理和保護等提供科學依據。假設抽取法結合投入產出分析，直觀量化了生產部門在經濟生產過程中的作用，明確了經濟系統中的關鍵部門，成為研究資源的生產部門關聯特性的新熱點。從本文來看，種植業是張掖市水資源利用過程中的關鍵部門，也是該地區的耗水大戶，為了有效合理的利用水資源，需加快推進該地區現代農業、新型工業、生態綠洲旅游等發展，增加生產部門的水資源利用附加值，提高用水效率。

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Linkage analysis of water use among industrial sectors in the middle reaches of the Heihe River Basin, China

CAI Guoying1,*, ZHAO Jirong2

1ChinaKeyLaboratoryofEcohydrologyandIntegratedRiverBasinScience,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChinaAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2LanzhouUniversityofArtsandScience,Lanzhou730000,China

With population increases and the socio-economic development of Chinese society, the demand for and use of water in China is increasing rapidly. Water scarcity is one of the main problems for sustainable development, especially in arid areas in the northwest of China. Water saving is thus one of the main concerns of local and national policy makers. Analysis of the linkage effects of water resource use between economic sectors, and the movement of commodities and services using water is helpful in water conservation management, water use rationalization, and in strengthening water-saving practices. The Heihe River is the second largest inland river basin in the northwest of China, and water scarcity is the key problem for its sustainable development. The Zhangye city area, which is in the middle Heihe River Basin, is a pilot area for water saving. For this reason, it was chosen as the research site for this study. To produce commodities and to supply services an area needs water. Water-movements associated with the complex linkages among sectors are usually ignored, however, in favor of measures of direct consumption. Studying the movement of commodities and services can reveal the movement of water. In this study, an input-output resource analysis is integrated with an hypothetical extraction method, to uncover the in-depth characteristics of the inter-sectoral patterns of water movement. Commodity input-output tables and water input-output tables were developed for Zhangye for the years 2000, 2002, 2005, 2007, 2010 and 2012. Based on a mixed type input-output model of Zhangye, water resources for the period 2000—2012, a modified hypothetical extraction method was applied to identify indicators and analyze the linkage effects among six economic sectors of Zhangye in relation to water resource use. These sectors were the planting industry, livestock farming, other agriculture, industry, construction, and service sectors. The results showed that: (1) by comparing direct water consumption with vertically integrated sectoral water consumption, the direct water consumption of all sectors was not equal to the water required to meet final demand in any of them. However, in view of the state of the economy, total direct water consumption in all sectors was deemed equivalent to the total of water required to meet internal demand. With respect to the water resources transferred among productive sectors, the planting industry consumes the largest amount of direct water, and of vertically integrated water consumption. However, because vertically integrated consumption is less than direct water consumption, the planting industry is a real net output sector with respect to water resources in Zhangye; (2) by measuring the internal effects, mixed effects, net forward linkages and net backward linkages in the six sectors, compared with other sectors the internal effects and mixed effects in the planting industry were the largest of all. In contrast, the net backward linkages in the service industry were the largest determinant of inter-sectoral water consumption, which shows that this sector has the highest dependency on other sectors; (3) in terms of the water resources transferred among sectors, the largest water resource provider in Zhangye was the planting industry, and transferred a large amount of water to the service industry by intermediate inputs (the largest recipient of water). Conversely, the construction industry does not make net water transfers to other sectors, but receives a certain amount of net water inputs from them. Thus, the construction industry is a “pure” input sector; and (4) the internal effects, mixed effects, net forward linkages, and net backward linkages of the six sectors were analyzed in terms of the Zhangye economic system between 2000 and 2012. These data show the dynamic linkages relating to water use among industrial sectors, and indicates clearly that the key sector in terms of water use in the Zhangye economic system is the planting industry. This paper argues that the linkage effects of water resource movements among different sectors actually stem from the demand that transfers from one sector to another. Using a modified hypothetical extraction method, and analyzing direct consumption and decomposing the components of water resources, this study could more directly and clearly quantify the linkage relationships found between and within each industrial sector in relation to water resources. This in turn revealed the regularity of industrial water consumption patterns, and therefore may provide a new perspective on structural adjustment, and a more scientific basis for policy-making.

linkage effect; hypothetical extraction method; vertically integrated consumption; input-output model

國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目資助(91125019)

2014- 06- 17;

2014- 12- 01

10.5846/stxb201406171257

*通訊作者Corresponding author.E-mail: caigy1121@163.com

蔡國英，趙繼榮.基于假設抽取法的黑河流域中游行業用水關聯分析.生態學報,2015,35(12):4215- 4223.

Cai G Y, Zhao J R.Linkage analysis of water use among industrial sectors in the middle reaches of the Heihe River Basin, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4215- 4223.