海南省用水效率測(cè)算及可達(dá)性分析

石曉曉，秦長(zhǎng)海，汪 妮，趙 勇，何國(guó)華

(1.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

作為我國(guó)唯一的熱帶島嶼，海南省生態(tài)環(huán)境一流，自然資源豐富，是目前我國(guó)最大的經(jīng)濟(jì)特區(qū)、21世紀(jì)海上絲綢之路的排頭兵和主力軍。受干濕季風(fēng)和地形條件影響，省內(nèi)降雨量充沛，但具有時(shí)空分配不均的特點(diǎn)[1]，在時(shí)間上降雨量主要集中在7—10月，空間上降雨量總的變化趨勢(shì)是由中部山區(qū)向四周沿海遞減，呈現(xiàn)東南高西北低的特征。河川徑流洪枯懸殊，豐水期暴雨集中，難于調(diào)蓄，枯水期干旱嚴(yán)重，基流量小。

2016年水利部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合印發(fā)《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》的通知，實(shí)施水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)，全面節(jié)約和高效利用水資源，破解我國(guó)水資源短缺瓶頸，確保水資源可持續(xù)利用[2]。要順利實(shí)施該項(xiàng)行動(dòng)，需突出抓好八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)，第一項(xiàng)就是要健全完善雙控指標(biāo)體系。用水效率指標(biāo)是雙控指標(biāo)的重要內(nèi)容。

用水效率能夠綜合地反映出一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水設(shè)施與裝備情況、水資源條件、水資源管理水平等狀況[3]。對(duì)海南省用水效率進(jìn)行測(cè)算，評(píng)估其在全國(guó)的水平及與發(fā)達(dá)國(guó)家用水效率的差異，分析指標(biāo)的可達(dá)性，一方面可為落實(shí)水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)提供技術(shù)支撐，另一方面測(cè)算結(jié)果可為提高用水效率、改革水資源管理體制提供參考。

目前萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量指標(biāo)已經(jīng)納入《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》年度發(fā)布指標(biāo)中，《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》也明確將這兩項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)用水效率的核心指標(biāo)，明確要求：海南省2020年萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較2015年下降25%。萬(wàn)元GDP用水量是一項(xiàng)綜合的用水效率指標(biāo)，可以反映海南省全省總體用水效率情況；萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量是重要行業(yè)用水效率指標(biāo)，可以反映海南省工業(yè)領(lǐng)域用水效率狀況。本文的目標(biāo)是分析《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》中相關(guān)指標(biāo)的可達(dá)性，故重點(diǎn)選擇萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為掌握海南省的用水效率實(shí)際狀況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，搜集了海南省1997—2016年人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、供用水量、耗水量等數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)年為2016年，預(yù)測(cè)水平年分別為2020年和2025年。

2.2 用水效率影響因素分析

用水效率是指在一定的投入和技術(shù)條件下，單位水資源所帶來(lái)的效益[4]。影響用水效率的因素很多，由于自然狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不同，不同的研究區(qū)域和發(fā)展階段其主導(dǎo)影響因素可能不完全一致[5]。目前關(guān)于用水效率的研究主要集中于農(nóng)業(yè)[6-8]或工業(yè)[9-11]單個(gè)行業(yè)。王學(xué)淵等[12]基于經(jīng)濟(jì)學(xué)視角對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出各地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局是影響用水效率的顯著變量，農(nóng)田水利設(shè)施、其他投入要素的價(jià)格以及農(nóng)村居民人均收入等經(jīng)濟(jì)變量也是影響用水效率的重要因素。趙姜等[13]采用面板Tobit模型檢驗(yàn)了自然條件、水利設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等因素對(duì)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)全要素用水效率的影響。洪昌紅等[14]認(rèn)為廣東省各地市的工業(yè)用水效率主要取決于地區(qū)的工業(yè)結(jié)構(gòu)及規(guī)模。姜蓓蕾[15]采用主成分分析法對(duì)全國(guó)工業(yè)用水效率驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行篩選分析，指出水資源條件和高耗水行業(yè)比例對(duì)工業(yè)用水效率的提高呈現(xiàn)負(fù)向作用，工業(yè)科技投入和技術(shù)進(jìn)步對(duì)提高用水效率有正向作用。

在綜合用水效率影響因素方面，基于已有的研究成果[16-18]，用水效率主要受自然因素、經(jīng)濟(jì)因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水狀況和社會(huì)因素的影響。定量研究表明人均GDP、城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)比重、水價(jià)與用水效率呈正相關(guān)，而人均水資源量、人均生活用水量與其呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備的改進(jìn)，進(jìn)而提高工業(yè)水資源重復(fù)利用率、改變農(nóng)業(yè)用水的灌溉方式，并改善城市供水管網(wǎng)老化問(wèn)題，且節(jié)水工作也貫穿于其中，從而提高了地區(qū)的用水效率；城鎮(zhèn)化率越高，受教育機(jī)會(huì)越多，即人口文化素質(zhì)越高，節(jié)水意識(shí)越強(qiáng)，也就提高了水資源的利用率；與其他產(chǎn)業(yè)相比，第三產(chǎn)業(yè)耗水少；人均水資源量、人均生活用水量越多，公民的節(jié)水意識(shí)越弱，用水浪費(fèi)越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致用水效率低下。

近年來(lái)，海南省人均GDP、水價(jià)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民用水水平等指標(biāo)均未發(fā)生較大幅度的改變，基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)展。對(duì)海南省用水效率指標(biāo)的預(yù)測(cè)已將所有影響因素隱含在時(shí)間序列中，直接的、間接的、已知的、未知的、明顯的、隱含的因素已或多或少反映在起伏波動(dòng)的數(shù)據(jù)里。

2.3 研究方法

指標(biāo)預(yù)測(cè)常用的方法主要有直觀預(yù)測(cè)法、時(shí)間序列預(yù)測(cè)法和模型模擬預(yù)測(cè)法三大類，本文采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)法和模型模擬預(yù)測(cè)法。因?yàn)橹庇^預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)效果的客觀性較差，而且適用的是缺乏資料的情況下，相比之下時(shí)間序列預(yù)測(cè)法能夠直觀反映指標(biāo)序列變化狀況；模型模擬預(yù)測(cè)法選用的是灰色等維遞補(bǔ)模型[19]，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)時(shí)優(yōu)先重視現(xiàn)實(shí)信息。

2.3.1 時(shí)間序列預(yù)測(cè)法

時(shí)間序列預(yù)測(cè)法也稱階段序列分析法，是指對(duì)過(guò)去歷年的用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以尋找其隨時(shí)間的變化規(guī)律并預(yù)測(cè)未來(lái)用水量的方法。這是以歷史時(shí)間、序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法使其向外延伸，借此預(yù)測(cè)指標(biāo)未來(lái)發(fā)展變化趨勢(shì)的一種方法[20]。常用的有加權(quán)平均法、平滑指數(shù)法等。時(shí)間序列預(yù)測(cè)法是以已有的統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，優(yōu)點(diǎn)是其預(yù)測(cè)結(jié)果人為的主觀因素較少，簡(jiǎn)便易行，費(fèi)用不大；缺點(diǎn)是其預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性、實(shí)用性，由于受歷史時(shí)間的限制，可能與現(xiàn)狀趨勢(shì)關(guān)系不夠密切。

2.3.2 灰色等維遞補(bǔ)模型

灰色系統(tǒng)理論GM(1，1)是鄧聚龍教授提出的一種處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，它提供了信息缺少條件下解決系統(tǒng)問(wèn)題的新途徑。把一切隨機(jī)過(guò)程看作是一定范圍內(nèi)變化的、與時(shí)間有關(guān)的灰色過(guò)程?；疑到y(tǒng)理論基于對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成處理，將雜亂無(wú)章的序列變?yōu)橛休^強(qiáng)規(guī)律性的數(shù)據(jù)序列，進(jìn)而來(lái)尋找系統(tǒng)變動(dòng)的規(guī)律[21]。

(1)

式中：a為待辨識(shí)參數(shù)，也稱發(fā)展系數(shù)；u為待辨識(shí)內(nèi)生變量，也稱灰作用量。按最小二乘法求解，得到灰色預(yù)測(cè)的離散時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

(2)

將預(yù)測(cè)值還原即可得到原始序列的預(yù)測(cè)值。

(3)

對(duì)于模型的精度檢驗(yàn)，常采用的方法有：后驗(yàn)差比值C檢驗(yàn)和小誤差概率P檢驗(yàn)。

灰色等維遞補(bǔ)模型以灰色模型為基礎(chǔ)，采用等維遞補(bǔ)的方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。其數(shù)學(xué)原理是：在過(guò)去n年數(shù)據(jù)序列中選取t(t

綜合比較上述兩種方法，時(shí)間序列預(yù)測(cè)法與灰色等維動(dòng)態(tài)遞補(bǔ)模型預(yù)測(cè)法有著本質(zhì)的區(qū)別，時(shí)間序列預(yù)測(cè)法是基于時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特征和幾何規(guī)律來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，是一種歷史、靜態(tài)的預(yù)測(cè)?；疑染S動(dòng)態(tài)遞補(bǔ)模型預(yù)測(cè)是將原始序列數(shù)據(jù)做一次累加生成，建立微分方程，并不斷補(bǔ)充新的數(shù)據(jù)，是一種現(xiàn)實(shí)、動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)。這兩種預(yù)測(cè)方法有一個(gè)共同點(diǎn)，都是基于現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的趨勢(shì)展開(kāi)分析，預(yù)測(cè)區(qū)間有一定范圍，短期預(yù)測(cè)能夠客觀反映變化情勢(shì)，長(zhǎng)期預(yù)測(cè)則易產(chǎn)生較大偏差，需要根據(jù)前期數(shù)據(jù)不斷修正模型，以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。故本文重點(diǎn)分析2020年指標(biāo)可達(dá)性，對(duì)2025年僅進(jìn)行展望，后期將根據(jù)現(xiàn)狀結(jié)果進(jìn)一步修正。為了降低偏差，文中將兩種方法綜合使用，以期得到更加合理、精確的結(jié)果。

圖1 海南產(chǎn)業(yè)用水量擬合關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)預(yù)測(cè)分析

3.1.1 時(shí)間序列模型

根據(jù)1997—2016年系列數(shù)據(jù)，進(jìn)行萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量的趨勢(shì)擬合。通過(guò)對(duì)構(gòu)建的各類模型進(jìn)行趨勢(shì)及相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)更符合萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量的變化趨勢(shì)，模型相關(guān)關(guān)系達(dá)到了0.96以上，模型擬合關(guān)系見(jiàn)圖1。

WpGDPt=-44.27lnt+195.47
R2=0.985 2

(4)

WpVSt=-36.84lnt+141.41
R2=0.971 8

(5)

式中：WpGDPt為預(yù)測(cè)水平年萬(wàn)元GDP用水量，m3/萬(wàn)元；WpVSt為預(yù)測(cè)水平年萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量，m3/萬(wàn)元；t為預(yù)測(cè)水平年年值。

模型相關(guān)系數(shù)較高，說(shuō)明擬合曲線符合海南省產(chǎn)業(yè)用水量變化趨勢(shì)。并且利用現(xiàn)狀年數(shù)據(jù)對(duì)確定的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，模型模擬值和實(shí)際值誤差均在5%以內(nèi)，可作為預(yù)測(cè)工具進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1.2 灰色等維遞補(bǔ)模型

為了提高模型的預(yù)測(cè)精度，依據(jù)原始數(shù)據(jù)序列的變化趨勢(shì)，建立不同維數(shù)的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)選。最終提取2011—2015年萬(wàn)元GDP用水量、2012—2015年萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量數(shù)據(jù)，分別建立5維、4維動(dòng)態(tài)遞補(bǔ)GM(1，1)模型，通過(guò)MATLAB編程對(duì)用水效率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)精度等級(jí)的劃分，預(yù)測(cè)精度等級(jí)為“好”，滿足建模精度等級(jí)的要求。現(xiàn)狀年模型預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)狀年用水效率指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

時(shí)間序列預(yù)測(cè)法和灰色等維遞補(bǔ)模型預(yù)測(cè)法本身都有優(yōu)缺點(diǎn)，但每種方法都對(duì)用水效率指標(biāo)做出了正確的預(yù)測(cè)。為了消除預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的誤差，取兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果的平均值作為預(yù)測(cè)真值，對(duì)2020年、2025年用水效率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如表2所示。

表2 水平年用水效率指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 指標(biāo)合理性分析

3.2.1 與國(guó)內(nèi)外用水效率比較

通過(guò)相關(guān)計(jì)算，海南省2016年萬(wàn)元GDP用水量為111 m3/萬(wàn)元，比全國(guó)平均水平(81 m3/萬(wàn)元)高37%。萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量為65.5 m3/萬(wàn)元，高于全國(guó)52.8 m3/萬(wàn)元的平均水平，說(shuō)明海南省用水效率在國(guó)內(nèi)處于中等偏下水平。另外從全國(guó)范圍來(lái)看，海南省萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量要高于北方所有省區(qū)，但在南方省區(qū)中屬于相對(duì)較高的水平，主要是因?yàn)楹Ｄ鲜〗?jīng)濟(jì)發(fā)展以旅游業(yè)為主，第三產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有較大比例。

與國(guó)外先進(jìn)水平相比，海南省萬(wàn)美元GDP用水效率、工業(yè)用水效率尚與之存在較大差距。日本、英國(guó)、韓國(guó)、瑞士等國(guó)家萬(wàn)美元工業(yè)增加值用水量均在100 m3以下，不足海南省的25%。從節(jié)水角度考慮，海南省用水效率仍有較大的提升空間。

3.2.2 水平年預(yù)測(cè)值與考核指標(biāo)對(duì)比

依據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展預(yù)估和考核相關(guān)規(guī)定，2020年海南省人口為1 006.5萬(wàn)人，GDP為5 624.3億元，全省用水總量控制目標(biāo)為50.3億m3。根據(jù)這3個(gè)指標(biāo)，計(jì)算規(guī)劃水平年2020年萬(wàn)元GDP用水量為89.4 m3/萬(wàn)元。與模型模擬值88.2 m3/萬(wàn)元相比，基本一致。

3.2.3 規(guī)劃年指標(biāo)與考核指標(biāo)比較

根據(jù)水利部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于印發(fā)《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)方案》的通知，到2020年，海南省萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量需要比2015年分別下降25%。經(jīng)過(guò)模型分析，在海南省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)水有效實(shí)施的前提下，2020年萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量將分別比2015年下降27.7%和36.2%，能夠達(dá)到國(guó)家要求的25%控制目標(biāo)。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，2025年萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量將分別比2020年下降23.2%和31.5%。一般來(lái)講，隨著節(jié)水工作的深入，行業(yè)節(jié)水潛力將逐步減小，很難保持較高的下降率，所以對(duì)2025年用水指標(biāo)僅做探討，未來(lái)需要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)適時(shí)修正。

3.3 分區(qū)用水效率可達(dá)性分析

以現(xiàn)狀年2015年用水指標(biāo)為基礎(chǔ)，本著協(xié)同節(jié)水、全面推進(jìn)的原則，根據(jù)模型模擬全省預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)各分區(qū)2020年、2025年萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 各分區(qū)水平年用水效率指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可以看出：各分區(qū)萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量均呈下降趨勢(shì)。海口市和三亞市主要是以旅游業(yè)為龍頭產(chǎn)業(yè)，人均GDP高，且第三產(chǎn)業(yè)相對(duì)其他產(chǎn)業(yè)耗水少，致使萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量相對(duì)來(lái)說(shuō)明顯低于省內(nèi)其他分區(qū)。萬(wàn)元GDP用水量最多的是樂(lè)東縣，其次是東方市和臨高縣，這3個(gè)分區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以第一產(chǎn)業(yè)為主，且比值比較大。農(nóng)業(yè)是用水大戶，單位產(chǎn)出用水量遠(yuǎn)高于其他行業(yè)。2020年各分區(qū)的萬(wàn)元GDP用水量較現(xiàn)狀年下降27.7%，2025年較2020年下降23.2%，下降速度呈放緩趨勢(shì)。萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量最高的是臨高縣，最少的是瓊中縣，極值比接近10.0，可見(jiàn)各市縣的萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量差距比較懸殊，主要是受工業(yè)門類和節(jié)水水平影響。臨高縣現(xiàn)狀工業(yè)結(jié)構(gòu)包含建材、機(jī)械、能源、制造業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)，節(jié)水潛力很大；2020年各分區(qū)的萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較現(xiàn)狀年下降36.2%，2025年較2020年下降31.5%。在最嚴(yán)格水資源管理約束下，各分區(qū)的萬(wàn)元GDP用水量和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量可以達(dá)到水利部要求的控制指標(biāo)。

4 結(jié)論及建議

綜合利用時(shí)間序列預(yù)測(cè)法和灰色等維遞補(bǔ)模型兩種方法，對(duì)海南省用水效率進(jìn)行測(cè)算，預(yù)估2020年萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量分別為88.2 m3/萬(wàn)元、66.7 m3/萬(wàn)元，2025年預(yù)測(cè)值為 46.5 m3/萬(wàn)元、31.9 m3/萬(wàn)元。用水效率逐年增加，但從全國(guó)范圍來(lái)看，海南省用水效率處于中等居下水平，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在較大差異。從節(jié)水角度考慮，用水效率有較大的提升空間。結(jié)合水利部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的《“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控方案》對(duì)用水效率可達(dá)性進(jìn)行了分析，認(rèn)為在海南省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及節(jié)水措施有效實(shí)施的前提下，2020年萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量分別較現(xiàn)狀年下降27.7%和36.2%，能夠達(dá)到國(guó)家要求的25%控制目標(biāo)。

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重較大是導(dǎo)致分區(qū)用水效率較低的主要原因，要逐步提高地區(qū)用水效率，需積極引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局。總的來(lái)說(shuō)，分析結(jié)果為未來(lái)海南省水系統(tǒng)的運(yùn)行和可持續(xù)利用提供參考依據(jù)，并為海南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源優(yōu)化配置提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。