STRIPAT模型下城鎮(zhèn)化與水資源載荷的相關(guān)性研究

許國鈺，任曉冬

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

水是人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。雖然中國流域廣大，水資源總量大，但是人均水資源稀少而且時空分布不均。另外，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展也引發(fā)水資源枯竭，水質(zhì)污染，水生境惡化[1-3]等問題。貴州省畢節(jié)市是西南石漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，雖有大河流經(jīng)，水資源總量豐富，但區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育嚴(yán)重，導(dǎo)致“地高水低”“雨多地漏”[5,6]的現(xiàn)象。該區(qū)生態(tài)脆弱, 地表蒸發(fā)嚴(yán)重，蓄水能力差。多年人均水資源量只占全國平均值的30%[7]，一直存在著“水既多又缺”的問題。畢節(jié)市是貴州省的第四大經(jīng)濟(jì)體，人口壓力巨大，由于十二五以來全省推進(jìn)山地特色城鎮(zhèn)化，但配套設(shè)備和環(huán)境政策卻滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。畢節(jié)市水資源極度緊張，水資源與喀斯特地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展休戚相關(guān)。一些學(xué)者在研究生態(tài)環(huán)境脆弱的喀斯特地區(qū)的水資源主要側(cè)重于水資源承載力和水安全方面[8-14]。并沒有引入具體的社會經(jīng)濟(jì)影響因素(如：人口，GDP等)去分析和驗證城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，水資源消耗與社會經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性，及具體的經(jīng)濟(jì)影響因素對城市發(fā)展的影響。

本文選取Dietz等提出的可拓展的隨機(jī)性環(huán)境影響評估模型STRIPAT[15]，該模型在研究人口，經(jīng)濟(jì)等人文驅(qū)動因素對環(huán)境載荷的影響，并取得一定的成果。例如：Ying.y利用STRIPAT模型研究由于快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化導(dǎo)致上海市周邊湖泊沉積物中汞超標(biāo)。苑邵峰等人基于STRIPAT模型并用地理加權(quán)回歸分享我國31省市耕地非農(nóng)化影響。肖思思等采用PLS對STRIPAT的修正，探討江蘇省生態(tài)足跡變化的重要驅(qū)動因素。胡雪萍等人用STRIPAT模型中各個影響因子分析安徽省城鎮(zhèn)化進(jìn)程中對生態(tài)足跡的影響等其他一系列研究[16-29]。

STRIPAT模型的優(yōu)點在于把具體的人文因素引入到對環(huán)境載荷的評估中，并可以具體分析每個影響因素和因變量的相關(guān)性。因此筆者引入STRIPAT模型，利用嶺回歸，研究在推進(jìn)山地城鎮(zhèn)化過程中，人口、經(jīng)濟(jì)，城鎮(zhèn)化，技術(shù)水平等因素對水資源載荷(即用水量)的動態(tài)影響，并根據(jù)以上幾個因素模擬6種發(fā)展模式。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 STIRPAT模型

STIRPAT模型是通過對人口，財產(chǎn)，技術(shù)3個影響因素對環(huán)境載荷之間的關(guān)系進(jìn)行評估。其具體形式如下：

Ii=ηPμiAθiTφiεi

(1)

式中：Ii(Impact)本文指代水資源載荷；Pi(Population)本文引入的是畢節(jié)市常住人口總量；Ai(Affluence)本文引入的畢節(jié)市人均GDP；Ti(Technology)是以畢節(jié)市萬元耗水量來度量的；η是模型的系數(shù)；μ、φ則分別是公式中幾個因素的人文驅(qū)動力的指數(shù)；εi為模型誤差項。由于STIRPAT模型是一個具有多個自變量的非線性模型，在式(1)兩邊取對數(shù)處理后：

lnIi=η+μlnPi+lnAi+φlnTi+lnεi

(2)

式中：Ii是因變量；Pi、Ai、Ti是自變量；η是常數(shù)項；εi是誤差項，把式(2)進(jìn)行多元回歸，根據(jù)彈性系數(shù)的概念，模型中3個自變量，如發(fā)生1%的變化，就會分別引起因變量各自發(fā)生μ%和φ% 的變化。本模型是對人文驅(qū)動因素與環(huán)境壓力的一種非線性關(guān)系假設(shè)。

本文將式(2)中分解為和lnAi和(lnAi)2兩項，并且引入城鎮(zhèn)化Ui驗證城鎮(zhèn)化水平(即城鎮(zhèn)人口占常住人口比例)對水資源載荷是否有影響，及模型中的各個因素與水資源載荷是否存在倒“U”的EKC曲線[29]即得出公式：

lnIi=η+μlnPi+klnUi+θ1lnAi+

θ2(lnAi)2+φlnTi+lnεi

(3)

再對式(3)中求一階偏導(dǎo)數(shù)，就得出富裕度，即人均GDP對水資源載荷的彈性系數(shù)為θ1+2θ2(lnAi)。

1.2 嶺回歸模型擬合

本文采用嶺回歸(Ridge Regression)對模型進(jìn)行擬合。嶺回歸是1970年Hoerl和Kennard于提出的,嶺回歸作為一種修正和改良后的最小二乘法(OLS)，自變量之間具有多重相關(guān)性，嶺回歸比OLS有著更為穩(wěn)定的估計，而且其回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也要比最小二乘法小很多。嶺回歸(Ridge Regression)函數(shù)為：

式(3)中θ1lnAi和θ2(lnAi)2之間具有多重共線性，本文利用SPSS20.0提供的嶺回歸函數(shù)對公式(3)進(jìn)行擬合，系數(shù)K在(0，1)之間，用K=0.5時具體擬合結(jié)果見表1所示。表1結(jié)果中的t值表明Ii與Pi、Ai、Ti之間存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)K=0.5時，嶺回歸的方差檢驗結(jié)果見表2，方差分析F值為4.224。說明回歸方程通過了顯著性檢驗[30,31]。根據(jù)表1中所列的數(shù)據(jù)的嶺回歸擬合模型公式為：

ln Ii=4.069 8-0.200 8 ln Pi+0.316 2 ln Ui- 0.041 9 ln Ai+0.002 1(ln Ai)2-0.014 0 ln Ti+0.126 9 (4)

表2 嶺回歸的方差分析Tab.2 Variance analysis of ridge regression

根據(jù)式(4)推出城市總?cè)丝跀?shù)量、城市化率人均GDP、人口數(shù)量、和萬元耗水量每發(fā)生1%的變化，水資源載荷總量相應(yīng)發(fā)生-0.200 8%、0.316 2%，-(0.041 9%-0.004 2%InAi)%、和 -0.014 0%的變化。如人均GDP取不同值，水資源消耗總量的彈性系數(shù)EE如表3所示。

表3 畢節(jié)市水資源載荷總量對不同單位人均GDP(元)的彈性系數(shù)Tab.3 Elasticity coefficient of water consumption for different units of per capita GDP in Bijie city

式(4)lnAi的二次項系數(shù)是正值，在表3所列的數(shù)據(jù)當(dāng)中，隨著人均GDP的增加，其對水環(huán)境載荷的彈性系數(shù)雖有一定變動，但整體大致呈上升趨勢，人均GDP每增加1%，相應(yīng)水資源載荷量的上漲并超過1%。所以水資源載荷的變化量未出現(xiàn)環(huán)境庫涅茨曲線。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于2001年至2015的《貴州省統(tǒng)計年鑒》，《畢節(jié)市統(tǒng)計年鑒》，《畢節(jié)市水資源公報》，《畢節(jié)市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。城鎮(zhèn)化人口，學(xué)術(shù)界有人口比重指標(biāo)法，農(nóng)村城鎮(zhèn)化指標(biāo)，現(xiàn)代城市化指標(biāo)法，調(diào)整序數(shù)法，城鎮(zhèn)土地指標(biāo)法，本文采用的是人口比重指標(biāo)即城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤１疚闹械某鞘杏盟偭渴歉鶕?jù)《畢節(jié)市水資源公報》中生活用水(含居民生活用水，城鎮(zhèn)公共用水)，生產(chǎn)用水(農(nóng)田灌溉用水，林牧漁畜用水，工業(yè)用水)，生態(tài)環(huán)境用水。幾個指標(biāo)總量幾乎和城市供水量持平，所以本文引入的是畢節(jié)市供水總量。因為用水量有部分年份數(shù)據(jù)缺失，筆者到畢節(jié)市水利局調(diào)研經(jīng)過效正后計入樣本數(shù)據(jù)。為避免歷年GDP產(chǎn)值受價格因素的影響，以2001年為基期年，采用平減指數(shù)法換算成可比價格后核算GDP年增長率 。

2 實證部分

2.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)市位于東經(jīng)105°36′～106°43′，北緯26°21′～27°46′之間。地處貴州省西北部，素有黔西北門戶之稱。是貴州金三角之一，屬烏蒙山腹地，畢節(jié)市是典型的喀斯特地形區(qū)，巖溶面積約占70%，山地占93.3%,山高坡陸,河谷深切。全市大部分屬亞熱帶季風(fēng)氣候，畢節(jié)市內(nèi)屬長江流域，主要有烏江水系、金沙江水系和赤水河等，內(nèi)共有193條長度大于10 km的河流，但是由于喀斯特地區(qū)獨特的地質(zhì)條件，地下水資源雖然豐富，由于獨特地質(zhì)條件導(dǎo)致用水率極低，工程性缺水明顯，干旱現(xiàn)象嚴(yán)重。

1988年，由國務(wù)院批準(zhǔn)，貴州省建立起了畢節(jié)試驗區(qū),并確定了“開發(fā)扶貧、生態(tài)建設(shè)、人口控制”的三大主題[32]。在經(jīng)過27年的建設(shè)和發(fā)展，畢節(jié)市GDP總產(chǎn)值由2001年的14.22億元提高到2015年的192.71億元。截止2015年末,貴州省常住人口為654.12萬人。第一、二、三產(chǎn)業(yè)占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重由2000年的32.17∶37.51∶30.32發(fā)展為2015年的22.70∶43.23∶36.07,第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由原來的二一三模式，變?yōu)楝F(xiàn)在的二三一模式[32]。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改變對水資源的需求日益加劇。對此，加強(qiáng)對水資源的開發(fā)利用，科學(xué)管理及其優(yōu)化配置，對畢節(jié)市的發(fā)展沖破瓶頸效應(yīng)尤為重要。

2.2 水資源消耗下經(jīng)濟(jì)與生態(tài)分析

基于IGT模型的環(huán)境壓力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析：IGT是由STIRPAT的原始方程IPAT方程：

I=P×A×T

(5)

公式(5)經(jīng)演變得出：

(6)

G0=G0(1+g)n

(7)

Tn=T0(1-t)n

(8)

式中：G0為基年GDP;T0為基年萬元耗水量；g為GDP年均增長率；t為技術(shù)水平年均增長率(萬元耗水量下降率)。將式(7)和(8)帶入式(6)可得：

In=G0T0(1+g)n(1-t)n

(9)

假定g*=g/(1+g)，公式(9)化為：

(10)

通過公式(10)可以得到In為第n年的環(huán)境載荷，t表示技術(shù)發(fā)展對環(huán)境的正向作用；g*表示經(jīng)濟(jì)發(fā)展對環(huán)境的負(fù)向作用，如果t>g*,表示第n年的水資源載荷減小，科技發(fā)展對環(huán)境的積極影響超過經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)影響；相反如果t

畢節(jié)是國家發(fā)改委牽頭的黔中城市群之一，處在高速發(fā)展的階段，作為貴州省第四大經(jīng)濟(jì)體，在這種快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中水資源的依賴程度十分高。圖1可看出畢節(jié)市供水處在一個較高水平。2001-2007年畢節(jié)市城市水供給處于一種不規(guī)則的變動，但曲線t、g*基本重合。生態(tài)環(huán)境中的經(jīng)濟(jì)增長的負(fù)影響和科技進(jìn)步所帶來的積極影響基本持平，整個區(qū)域的用水情況會在一定程度上加劇該地區(qū)的石漠化嚴(yán)重程度，2008年和2010年曲線t和g*位置發(fā)生顯著變化，這個與2008年遇到百年不遇雪凝災(zāi)害和2010年嚴(yán)重干旱影響了用水量導(dǎo)致g*曲線與t曲線的極大波動，2011-2015年即十二五期間曲線t從2013年開始遠(yuǎn)高于曲線g，是因為畢節(jié)市實施中小河流治理工程54條，著手治理的水土流失面積達(dá)到429 km2，修整病險水庫79座并新建18座中小型水庫。還修建了夾巖水利樞紐及黔西北供水工程，這個工程在貴州省歷史上是灌溉面積最廣、受益人口最多的，投資最大的工程。這個使得畢節(jié)市用水效率提高，水資源適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的調(diào)整。

圖1 畢節(jié)市2001-2015年萬元GDP用水下降率t與經(jīng)濟(jì)增長率g*Fig.1 The descent rate of water consumption of per ten thousands GDP and economic growth rate(g*)in Bijie City from 2001 to 2015

2.3 水資源利用模式設(shè)定

通過上述分析人口，城市化，對水資源消費的影響較大，其次是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素。本文與典型的喀斯特城市畢節(jié)為例，以畢節(jié)市常住人口Pi、城鎮(zhèn)化水平Ui、技術(shù)水平Ti、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平Ai4個人文因素的高水平發(fā)展方案和低水平發(fā)展方案，來設(shè)置6種發(fā)展模式。并通過定量的方法計算不同模式下水資源環(huán)境載荷變動Ii，并尋找最有利的水控制下的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式。具體分析如下：

(1)常住人口預(yù)測Pi:通過對畢節(jié)市近年來常住人口統(tǒng)計的調(diào)查情況表明，畢節(jié)市為貴州省的勞務(wù)輸出大市，加之國家對畢節(jié)市重度石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)移民政策，使人口總量和其增長速度下降，本文中以畢節(jié)市2001-2015的常住人口年均增長率(-0.901%)作為畢節(jié)市下一個人口增長的低水平控制方案，以2001-2015年常住人口最低長率(-0.069%)，作為其下一個10年畢節(jié)市人口的高控制方案。

表4 畢節(jié)市常住人口預(yù)測 萬人

(2)城鎮(zhèn)化進(jìn)程預(yù)測Ui:方案一將2010-2014年城市人口增長率作為2015-2025的參考，其中umax表示2010-2014年城鎮(zhèn)人口最大增長率，Δu本文定義為2010-2014年年均增長率與2005-2009年年均增長率(0.371%)，umin表示2010-2014城鎮(zhèn)人口年均下降率的最小值(-0.565%)。

表5 畢節(jié)市城鎮(zhèn)化進(jìn)程預(yù)測 %

(3)經(jīng)濟(jì)增長預(yù)測g:本研究將2010-2014年的GDP率作為2015-2025年的參考，其中g(shù)max表示2010-2014年GDP最大增長率，gmin表示其最小增長率，Δg本文定義于2010-2014年年均增長率與2006-2010年年均增長率之差(4.89%)。

表6 未來10年畢節(jié)市經(jīng)濟(jì)增長預(yù)測 %

(4)技術(shù)進(jìn)步預(yù)測T：同樣以畢節(jié)市2010-2014的萬元耗水量下降率作為2015到2025的參考，其中tmax作為2015到2020年萬元耗水量年均下降最大值( 36.42% )，tmin表示2010-2014萬元耗水量年均下降率的最小值(-0.565%)，Δt定義為2011-2015年畢節(jié)市與2006-2010年年均下降率之差(0.468%)。

表7 技術(shù)進(jìn)步預(yù)測(萬元GDP耗水量) m3/萬元

根據(jù)畢節(jié)市常住人口Pi、城鎮(zhèn)化水平Ui、技術(shù)水平Ti、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平Ai4個人文因素的高水平發(fā)展方案和低水平發(fā)展方案，設(shè)置6種發(fā)展模式(見表8)。

表8 畢節(jié)市未來發(fā)展模式及描述Tab.8 Future devoploment model of bijie city and its description

2.4 定量分析結(jié)果

利用前面公式(4)對畢節(jié)市水資源載荷進(jìn)行模型預(yù)測，具體公式如下：

Ii=exp(4.069 8-0.200 8 lnPi+0.316 2 lnUi-

0.041 9 lnAi+0.002 1(lnAi)2-0.014 0 lnTi+0.126 9)

(11)

綜合上述6個發(fā)展模式，利用公式(11)對畢節(jié)市2020和2025的水資源消費總量進(jìn)行計算(圖2)。2020和2025年畢節(jié)市水資源消費總量分別為767 081.9～819 260.7 萬m3和781 036～84 3617.2 萬m3相對于2015年畢節(jié)市水資源消費總量分別減少409 119.3～438 739.3 萬m3和414 382.8～476 963.1 萬m3。

圖2 6種不同模式下畢節(jié)市2020年和2025年用水量的預(yù)測Fig.2 The prediction of water consumption of Bijie city in 2020 and 2025 under six different patterns

2015和2020年的基準(zhǔn)方案1下，畢節(jié)市水資源消費總量分別為771 746.4 萬m3和785 156.4 萬m3。在模式1的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平如果保持基準(zhǔn)的增長速度，而城鎮(zhèn)化水平加快，技術(shù)又處于高水平增長(模式2)則2020年和2025年畢節(jié)市水資源消費量在804 563.4 萬m3和818919.11 萬m3；如果此時畢節(jié)強(qiáng)調(diào)對人口的嚴(yán)格控制(模式3)，則畢節(jié)市2020年和2025年水資源消費總量將增加，相比模式1增加43 045.3 萬m3和25 081.4 萬m3。(模式4)假設(shè)各種不可控風(fēng)險導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)增長速度下降且低于模式1，城鎮(zhèn)化水平和技術(shù)都以較高的速度增長，人口也處于低增長狀態(tài)，模式4比起模式3，在2020年和2025年畢節(jié)市水資源消費總量分別減少4 469 萬m3和3 745.9 萬m3。

如果2020到2025年GDP增長速度處于高速增長趨勢(模式5)常駐人口保持中速增長，城鎮(zhèn)化水平放慢并嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)化進(jìn)程，及節(jié)水能效提高，則2020年和2025年畢節(jié)市水資源消費總量分別是771 746.4 萬m3和781 036.93 萬m3,此時畢節(jié)市的環(huán)境載荷量最小。在(模式6)中經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展，人口處于高水平增長，城市化水平，技術(shù)處于高水平增長狀態(tài)，此時的2020年到2025年畢節(jié)市水資源消費量是809 867.02 萬m3和835 466.52 萬m3,此時畢節(jié)市的水資源載荷處于最大量。

綜上所述，根據(jù)以上6個方案，2020和2025年畢節(jié)市水資源消費總量都會出現(xiàn)不同程度的下降。其中在經(jīng)濟(jì)高速增長，人口實行高度控制，城鎮(zhèn)化水平下降，技術(shù)水平處于高水平增長時，環(huán)境載荷最低，因此有關(guān)部門可以考慮模式5作為畢節(jié)市的發(fā)展模式，以減緩水資源載荷。

3 結(jié) 語

(1)根據(jù)STIRPAT模型的嶺回歸擬合結(jié)果得知，人均GDP，人口數(shù)量，城市化水平和萬元耗水量發(fā)生1%的變化，畢節(jié)市水資源消費總量發(fā)生-(0.041 9%～0.004 2%InA)%、-0.200 8%、0.316 2%和 -0.014 0%的變化。公式中的人均GDP二次項序數(shù)為負(fù)，說明隨著人均GDP的增加，對環(huán)境壓力的影響有所增加，但人均GDP每增加1%，相應(yīng)的畢節(jié)市水資源消費總量下降幅度并未超過1%，這個結(jié)論充分說明隨人均GDP的增加，在收集的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)未出現(xiàn)環(huán)境kuznets曲線。

(2)經(jīng)過對畢節(jié)市設(shè)置6種模式比較，即(模式5)保持經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展下，城鎮(zhèn)化處于快速推進(jìn)狀態(tài)，節(jié)水技術(shù)和水工程建設(shè)取得較大進(jìn)步時(模式5)，能夠在一定程度上緩解目前畢節(jié)市所面臨的水資源壓力，同時又能滿足畢節(jié)市的發(fā)展要求，這個模式相比其他5個模式來說是一種相對合適畢節(jié)市的發(fā)展模式，在此情景下2020年和2025年的水資源消費總量是771 746.41 萬m3和781 036.93 萬m3。

(3)本文采用STIRPAT模型及其嶺回歸模型擬合探尋出了如何在4個影響因子下畢節(jié)市的水資源消耗量，并預(yù)測出十三五和十四五期間畢節(jié)市整個用水量區(qū)間，雖然有一定理據(jù)，但是僅靠數(shù)量分析對一個市的發(fā)展模式的實際的指導(dǎo)是有限的，水資源的環(huán)境載荷如何受(Pi、Ui、Ai、Ti)幾個因子的影響以及各個影響因子之間的相關(guān)性等問題，還有待研究。

□

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