基于水資源承載力的榆林市產業結構優化研究

葛 杰，張 鑫

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

水資源是人類社會發展不可或缺的基礎物質資料，是人類生存之本。但近年來隨著水污染和水資源緊缺問題加重，使水資源供需矛盾十分尖銳。社會經濟持續增長需要充足的水資源作為保障，水資源緊缺限制社會經濟增長并且使經濟結構不斷進行調整；同時，水資源系統也受到社會經濟發展帶來的巨大影響。因此，研究水資源承載力有多大并尋找水資源與經濟社會發展的平衡點成為焦點[1]。李九一構建了水資源支撐指數評價模型對我國水資源可承載的經濟規模進行了研究。左其亭建立了PSO-COIM模型對氣候變化下塔里木河流域水資源承載力進行了研究，計算出了不同氣候變化情景下的水資源承載規模[2]。趙恩國建立了基于產業結構的水資源承載力優化模型，計算出水資源可承載的最大人口規模[3]。Meriem Naimi Ait-Aoudia對阿爾及利亞水資源承載力進行了評價，對可承載人口進行了評估[4]。許多專家學者[5-10]對水資源可承載的人口規模與經濟規模進行了研究，但沒有將水資源可承載規模納入到產業結構優化當中。

本文在總結前人研究的基礎之上，選取重度缺水的榆林市為研究對象，通過對其水資源開發利用情況進行分析，并對其規劃水平年需水量和供水量進行預測，在此基礎之上計算榆林市規劃水平年水資源可承載的最大經濟規模和人口規模，并以其為約束條件建立榆林市多目標產業結構優化模型，得到未來榆林市三次產業結構，對榆林市社會經濟發展提供指導。

1 研究區域概況

榆林市地處陜西省北部，位于東經107°28′～111°15′，北緯36°57′～39°35′之間。東臨黃河與山西隔河相望，西鄰寧夏、甘肅，北接內蒙古，南接陜西省延安市。地域東西長385 km，南北寬約263 km，總面積43 578 km2，占全省總土地面積的21.2%，地勢由西部向東南傾斜。研究區域如圖1所示。

圖1 榆林市地理位置Fig.1 The location of Yulin city

榆林市屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫7.8～9.6 ℃。境內集水面積在100 km2以上的河流共有109條，主要有無定河、窟野河、禿尾河、佳蘆河。全市多年平均水資源總量為32.01 億m3，水資源可利用總量為12.75 億m3，人均水資源占有量865 m3，低于全省、全國水平，屬重度缺水地區。2015年末，榆林市常住人口340.11 萬人，城鎮化率55%；全年生產總值2 621.29 億元，一、二、三產業增加值占生產總值的比重分別為5.5%、62.5%和32.0%。按常住人口計算，人均生產總值77 267元。

2 需水與可供水量預測

2.1 需水預測

對2015年榆林市用水進行分析可知，榆林市2015年用水量為77 157 萬m3，生活、生產、生態用水量占比分別為14%、84%、2%。2015年主要用水指標見表1。由表1可知，榆林市綜合、生活、工業用水效率相對于陜西省以及全國處于較高水平，但灌溉水利用系數相對陜西省較低，今后應當提高農業節水水平。

結合2015年榆林市用效率以及《榆林市社會經濟發展總體規劃(2016-2030年)》，分別對2020年和2030年需水量進行預測，本次預測分為生活、生產和生態環境三大類。

表1 2015年榆林市主要用水指標Tab.1 Main water use index of Yulin city in 2015

注：全國和陜西省數據來源于2015年中國水資源公報。

榆林市生活用水包含城鎮生活用水和農村生活用水，根據各縣區經濟發展水平并結合榆林市現狀生活用水定額與《陜西省行業用水定額》，擬定規劃水平年生活用水定額，根據榆林市發展規劃確定人口發展指標，經過分析計算得到規劃水平年生活需水量。

通過榆林市發展規劃確定規劃年有效灌溉面積、林牧漁發展規模、灌溉水利用系數等指標，采用定額法對農業用水量進行預測，根據榆林市農業發展條件，此次設計保證率為50%。第二產業包含工業和建筑業，工業需水預測根據規劃年工業用水重復率確定工業用水定額，結合工業產值預測；建筑業需水和第三產業需水量采取定額法分析計算。生態需水根據人均綠地面積以及定額進行預測。2020年、2030年榆林市需水量見表2、表3。

2.2 可供水量計算

由陜西省及榆林市水利發展規劃可知，2020年與2030年為了解決未來水資源供需矛盾，榆林市規劃建設多項引調水工程，主要包含黃河大泉引水工程、黃河磧口引水工程、佳縣泥河溝引水工程、神木萬鎮應急引水工程、延川引黃清澗供水工程、蔣家窯水庫等15項在建及規劃水源工程。考慮雨水及再生水等其他水源工程，可分析計算出P=50%時2020年及2030年榆林市各縣區可供水量，見2和表3。

表2 2020年榆林市需水量與可供水量 萬m3

表3 2030年榆林市需水量與可供水量 萬m3

3 水資源承載力計算

3.1 產業結構與用水量相關度分析

利用相關分析理論對榆林市近10年(2006年-2015年)各產業與其用水進行相關性分析，并利用雙尾檢驗法進行顯著性檢驗[11]。通過計算得到榆林市各產業產值與用水量的相關系數如表4所示，并用各產業10年來所占比重的平均值為權重，計算得到三次產業產值與用水量之間的相關系數r=0.93，則參數t=7.16，取顯著性水平α=0.05，tα/2=2.37，|t|>tα/2，通過顯著性檢驗。因此榆林市三次產業產值和用水量之間具有較好的相關性，對榆林市水資源可承載能力的研究，以及水資源約束條件下的產業結構進行調整具有深刻的現實意義。

表4 產業結構與用水量相關系數Tab.4 Correlation coefficient of industrial structure and water consumption

3.2 承載規模計算

目前雖然國內外許多學者對于水資源承載力進行了研究，但是仍在不斷探索當中。左其亭教授在2017年中國水資源高效利用與節水技術論壇上指出水資源承載力到底有多大(能支撐多大的社會經濟規模和人口規模)，這是水資源承載力問題的關鍵。因此在對榆林市2020年、2030年各類用水指標和社會經濟指標進行預測的基礎之上，利用公式(1)、(2)對水資源可承載的最大經濟規模和人口規模進行預測，并將其作為產業結構調整的約束條件[12]。

(1)

(2)

式中：MGDP為可承載的最大經濟規模；MPOP為可承載的最大人口規模；GDP為2020年、2030年榆林市規劃發展產值；Wd為生活生產需水量；D下限為人均生活用水定額下限值，2020年以2015年為下限，2030年以2020年為下限；A上限為生活用水占比上限值，為2006-2015年生活用水量占總用水量比重的最大值；W可供為可供水量。

通過式(1)、(2)結合現狀年可供水量與需水量，可計算出榆林市2015年水資源可承載的最大經濟規模與人口規模分別為2 249 億元、372 萬人，而榆林市2015年實際國內生產總值和人口數量分別為2 621.29 億元、340.11 萬人，可見2015年的經濟發展規模已經超出了水資源可承載的能力，現狀年水資源可供水量已經不能滿足經濟社會發展的需求。

榆林市各縣區2020年、2030年水資源可承載的最大經濟規模和人口見表5、圖2、圖3。由于縣域經濟發展極度不平衡以及自然資源條件的差異，使得2020年、2030年北六縣水資源可承載的經濟規模總體上高于南六縣，其中神木縣承載的最大經濟規模最大，2020年為1 633 億元，2030年為3 424 億元；吳堡縣、佳縣可承載的最大經濟規模最小，2020吳堡縣為52 億元；2030年吳堡縣、佳縣分別為220 億元、117 億元。2020年、2030年榆林市水資源可承載的最大人口規模總體上北部六縣高于南六縣，北六縣中定邊縣可承載人口規模最大，南部六縣中清澗縣可承載人口規模最小。

表5 2020年、2030年榆林市水資源最大承載能力Tab.5 The maximum capacity of water resources of Yulinin 2020 and 2030

圖2 2020年榆林市水資源承載規模Fig.2 The water resources carrying capacity of Yulin in 2020

圖3 2030年榆林市水資源承載規模Fig.3 The water resources carrying capacity of Yulin in 2030

4 產業結構調整

產業結構調整一般遵循可持續原則、協調發展原則、市場導向原則等，在統籌兼顧的基礎之上，要注重水資源與經濟發展的協調性，要充分考慮水資源最大可承載能力，根據水資源狀況不斷優化產業結構與經濟發展模式。本位構建榆林市產業結構多目標優化模型，以經濟規模最大和用水量最小為目標函數，充分考慮水資源條件和經濟社會發展條件，對榆林市2020年及2030年產業結構進行預測。建立的優化模型及模型的約束條件如下[13-15]。

4.1 目標函數

(1)經濟增長最大目標。

maxTGDP= ∑X1i+∑X2i+∑X3i

(3)

式中：TGDP為國內生產總值；X1i、X2i、X3i為第一、第二、第三產業各部門產值。

(2)總用水最小目標。

minTW=∑(Xi·Wi)+WP·P

(4)

式中：TW為總用水量；Wi為各行業用水定額；WP為人均生活用水定額；P為預測人口數量。

4.2 模型約束條件

(1)可供水量約束。

TW≤W可供-W生態

(5)

式中：W生態為生態環境需水量。

(2)國內生產總值約束。

(6)

(3)人均GDP約束。

(7)

(4)人口規模約束。

Pmin≤P≤Pmax

(8)

式中：Pmin為人口發展下限值；Pmax為可承載的最大人口規模。

(5)城鎮化率約束。

(9)

式中：P城鎮為城鎮人口；A為城鎮化率下限。

(6)單位GDP用水量約束。

(10)

式中：B為單位GDP用水上限值。

4.3 模型參數確定

在本次優化過程中，將第一產業分為農業、林業、牧業、漁業，將第二產業分為工業和建筑業。2020年國經濟發展下限、人均GDP下限水平、人口發展下限值、城鎮化率下限、單位GDP用水上限值為2015年實際發展水平。2020年各行業用水定額根據2015年實際用水效率以及榆林市發展規劃來確定。2020年產業結構優化參數見表6。

2030年國經濟發展下限、人均GDP下限水平、人口發展下限值、城鎮化率下限、單位GDP用水上限值根據2020年優化結果進行計算。2030年各行業用水定額根據2015年實際用水效率，榆林市發展規劃以及2020年調整結果確定。2030年產業結構優化參數見表6。

表6 模型約束條件主要參數Tab.6 Main parameters of model constraints

注：表中2030年空缺參數可根據2020年優化結果計算。

4.4 模型求解

在MATLAB里面對優化模型進行求解，運算結果如表7。從表7可知，2020年、2030年榆林市國民經濟總量分別為4 860、10 659 億元，總用水量分別為114 200、168 340 萬m3。2020年GDP優化值比預測值多360億元，2030年GDP優化值比預測值多659 億元，但用水量卻分別減少了7 571、7 742 萬m3。

表7 榆林市產業結構優化結果Tab.7 Results of the optimization of industrial structure in Yulin

注：規劃結果摘自《榆林市水資源綜合規劃》。

2020年、2030年優化的城鎮化率分別為62%、71%，分別比預測值高2%、1%。2020年、2030年優化的總人口分別為349萬人、387萬人，分別比預測值低21萬人、33萬人，因此榆林市未來應當適當控制人口增長。從三產的優化結果來看，第二產業、第三產業優化值都比預測值高，但第一產業優化值比預測值低，由于第一產業用水效率較低，因此榆林市未來應當大力提升農業節水技術，不斷優化第一產業內部生產結構。

表8為現狀年和規劃年三次產業結構比重表。從表8可知，2020年、2030年三次產業結構比重分別為4.6∶53.7∶41.7、3.6∶47.9∶48.5。第一產業、第二產業比重逐步下降，第三產業比重逐步上升。未來為了保障國家糧食安全，榆林市應不斷推進農業現代化，提升農業水資源利用效率，保證糧食產量。

表8 榆林市不同年份產業結構 %

5 結論與建議

5.1 結 論

本文在榆林市水資源和產業結構發展現狀分析的基礎之上，對三次產業結構與用水量進行分析，根據國內外水資源承載能力的相關理論計算榆林市水資源可承載的最大經濟規模和最大人口規模，并以其為重要約束條件構建榆林市產業結構優化模型，結論如下：

(1)榆林市產業結構與用水量之間的相關系數r=0.93，通過顯著性檢驗，相關性良好。因此榆林市產業發展對水資源有很強的依賴性。

(1)在對榆林市2020年、2030年的需水量與可供水量預測的基礎之上，滿足生態需水的前提下，分析計算出榆林市2020年、2030年水資源可承載的最大經濟規模分別為5 528、11 924億元，可承載的最大人口規模分別為603、744萬人。

(2)以國民生產總值最大，用水量最小為目標函數，考慮水資源條件、社會經濟發展水平、節水水平等約束條件，構建榆林市產業結構多目標優化模型，對榆林市2020年、2030年產業結構進行優化。結果表明，2020年、2030年榆林市國民經濟總量分別為4 860、10 659 億元，總用水量分別為114 200、168 340 萬m3，產業結構比重分別為4.6∶53.7∶41.7、3.6∶47.9∶48.5。水資源能夠滿足用水要求。

5.2 產業調整建議

第一產業比重由5.5%下降到3.6%，但是榆林市未來經濟發展與人口增長是建立在國家糧食安全的基礎之上。因此，對于農業內部結構不斷優化升級是非常必要的。榆林市應從資源環境承載能力和空間開發潛力角度構建新型農業開發格局，在保障基本農田面積的基礎上，應當打造現代特色農業，使得農業、林業、牧業、漁業協調發展。未來應當不斷優化種植結構，尤其優化高耗水作物種植結構，適度壓縮玉米種植面積，提高馬鈴薯、小雜糧種植面積；發展特色林果產業，積極推動紅棗產業；不斷提高牧業產值所占比重。應當大力推動農業現代化，不斷開發農業節水技術，不斷增強農田水利工程建設和維護，提高灌溉水利用效率，使農業水資源高效利用。

榆林市工業主要以“能源-化工-材料”為核心，在未來榆林市工業應當不斷提升生產效率和工業用水重復率，關閉污染嚴重、耗水量多、規模較小企業。對于煤炭產業應當進一步提高生產技術水平，推進煤炭就地轉化，減少商品煤比重，發展環保型煤等。對于煤電產業，要逐步淘汰耗水量較高技術，不斷提升生產效率以達到國內先進水平。

隨著社會經濟的發展，第三產業比重由32%提升到48.5%，因此第三產業的發展在榆林市經濟發展中具有舉足輕重的位置。榆林市應不斷促進旅游發展，完善旅游基礎設施，打造陜北特色游產業，不斷加強區域合作。

參考文獻：

[1] 左其亭，趙 衡，馬軍霞.水資源與經濟社會和諧平衡研究[J].水利學報，2014，45(7):785-792,800.

[2] 左其亭，張修宇.氣候變化下水資源動態承載力研究[J].水利學報，2015，46(4):387-395.

[3] 趙恩國.基于產業結構的北京市水資源承載力模型分析[J].中國社會科學院研究生院學報，2015，6(210):50-56.

[4] MeriemNaimiAit-Aoudia，EwaBerezowska-Azzag. Water resources carrying capacity assessment: The case of Algeria's capital city[J].Habitat International，2016，58 :51-58.

[5] 封志明，楊艷昭，游 珍.中國人口分布的水資源限制性與限制度研究[J].自然資源學報，2014，29(10):1 637-1 648.

[6] 黨麗娟，徐 勇，王志強.陜西省榆林市水資源人口承載規模研究[J].水土保持研究，2014，21(3):90-97,321.

[7] 金菊良，崔 毅，楊齊祺，等.山東省用水總量與用水結構動態關系分析[J]. 水利學報，2015，46(5):551-557.

[8] Junfeng Yang，Kun Lei，SoonthiamKhu，et al. Assessment of water resources carrying capacity for sustainable development based on a system dynamics model: A Case Study of Tieling City, China[J].Water Resources Management，2015，29(3):885-899.

[9] 汪嘉楊，李祚泳，余 靜. 水資源承載力評價的升半Γ型分布指數公式[J]. 自然資源學報，2014，29(5):868-874.

[10] 郭 倩，汪嘉楊，張 碧.基于DPSIRM框架的區域水資源承載力綜合評價[J].自然資源學報，2017, 32(3): 484-493.

[11] 段春青，劉昌明，陳曉楠，等.區域水資源承載力概念及研究方法的探討[J].地理學報，2010，65(1):82-90.

[12] 范玲雪.松花江流域水資源承載力及產業結構優化研究[D]. 邯鄲：河北工程大學，2016.

[13] 陳 慶.環境、資源約束下的武漢市產業結構調整多目標優化研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[14] Na Li，Hong Yang，Lachun Wang，et al. Optimization of industry structure based on water environmental carrying capacity under uncertainty of the Huai River Basin within Shandong Province, China[J]. Journal of Cleaner Production.2016，112:4 594-4 604.

[15] 黃慶旭，何春陽，史培軍，等.氣候干旱和經濟發展雙重壓力下的北京水資源承載力變化情景模擬研究[J].自然資源學報，2009，(5):859-870.