基于LMDI模型的廣東省產業用水驅動力和驅動效應分析

易晶晶,陳志和

(1.廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000；2.中山大學土木工程學院，廣東 廣州 512275)

隨著社會經濟快速發展帶來的城市化進程不斷加劇、人口數量快速膨脹，人口規模、經濟規模、產業結構、用水強度等影響要素之間交互作用，導致區域用水變化與經濟社會發展之間的關系產生新的變化，其研究已經成為水文水資源的熱點前沿問題。

國內外眾多學者們在區域用水變化規律與成因分析影響方面，開展了諸多創新性研究。研究方法上從最初的定性描述，已發展到利用統計和計量模型進行定量分析。當前，常見的因素分解形式有指數分解法IDA(Index Decomposition Analysis)和結構分解法SDA(Structure Decomposition Analysis)2種。其中，IDA法只需要部門加總數據，適用于分解因素少、包含時間序列數據的模型，已經獲得廣泛運用[1-2]。Ang[3]在其研究中認為IDA方法中的LMDI(Log Mean Divisia Index，對數平均迪氏分解法)在理論基礎、適用性和合理性方面具有更大的優勢。該方法通過簡潔的方式表明了集合數據和原始數據之間的聯系，具備分解后無殘差、可以處理零值問題、總體分解效果一致的優點，已廣泛應用于能源、環境、水資源和經濟領域。張禮兵等[4]利用LMDI模型將安徽省工業用水量變化因素分解為工業節水效應、經濟規模效應、產業結構效應和用水強度效應，對該省工業行業用水變化進行了因素分解，得出工業經濟規模的增長是該省工業用水增長的主導因素。張陳俊等[5]運用LMDI模型構建了用水量變化的因素分解模型，將1998—2013年中國用水量變化的驅動力分解為人口效應、區域人口分布效應、區域經濟發達效應、區域產業結構效應和區域技術進步效應，定量解析了東、中、西部用水量變化的特點。Shang等[6]將天津市的工業用水變化驅動因素分解為經濟規模、技術進步、產業變動，得出工業產值和技術革新對用水量的變化產生持續的驅動力。

廣東省地處中國南方大陸，水資源總量豐富，但時空分布不均，人均水資源占有量少。近年來，隨著經濟社會快速發展，該省產業用水與經濟發展之間關系產生顯著變化。2000—2015年，廣東省經濟總量持續增長，年均增長率達到14.6%，但產業用水量持續下降，年均下降3.3%。經濟總量則持續保持上升態勢，由2000年1.07萬億元上升到2015年7.28萬億元，年均增長14.6%，社會經濟發展對用水的依賴程度明顯下降，兩者的關系越來越復雜。現有研究表明，經濟規模、產業結構、科技水平、人口規模是影響用水量變化的主要驅動因素[7-8]。基于此，本文引入LMDI方法，定量測度經濟規模、用水強度、產業結構和人口規模等要素對產業用水量的驅動效應，以期進一步識別廣東省用水規律，為該區域用水管理提供決策參考。

1 LMDI因素分解模型

1.1 擴展的Kaya恒等式

Kaya恒等式是一種可以識別并量化經濟社會發展與影響因素驅動效應的數學模型[9]。本文將Kaya恒等式的理念運用于產業用水變化的研究，將引起用水變化的因素分解為經濟規模效應、用水強度效應、產業結構效應和人口規模效應，以測度經濟發展水平提高、產業結構變動、水資源利用技術進步以及人口規模擴張對廣東省水資源利用的影響。Kaya恒等式的擴展形式如下：

(1)

式中W——產業用水總量；Wi——第i產業用水量；Wi,t——i產業第t年的用水量；GDPt——第t年的GDP總量；GDPi,t——第i產業第t年的GDP；Pt——第t年的人口；Et=GDPt/Pt——該地區的經濟規模；Ti,t=GDPi,t/GDPt——該地區的產業結構；Ii,t=Wi,t/GDPi,t——萬元GDP用水量，用以表征用水強度。

1.2 LMDI分解法

根據LMDI模型，基期和第t年產業用水量可分別表示為W0和Wt，則從基期到第t年的總用水量變化值為總效應值ΔW，由4部分構成：經濟規模效應(ΔWE)、產業結構效應(ΔWT)、用水強度效應(ΔWI)和人口規模效應(ΔWP)。則產業用水量在第0～t年間的變動可用下式表示：

ΔW=Wt-W0=ΔWE+ΔWT+ΔWI+ΔWP

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

(6)

2 產業用水結構變化的驅動效應解析

2.1 產業用水現狀分析

分析廣東省2000—2015年三次產業占國民經濟總量的比重以及三次產業用水比重，見圖1。廣東省三次產業結構比值從2000年的9.2∶46.5∶44.3轉變為2015年的4.6∶44.7∶50.0，實現了由“二三一”向“三二一”轉變，符合產業結構演變的一般性規律，即廣東省第一產業比重持續下降，第三產業比重不斷上升，表明廣東省產業結構隨著經濟的發展不斷優化升級。分析產業用水結構，第一產業用水比例依然占據用水主體，用水比例由2000年的67.4%下降到2015年的61.6%。第二產業和第三產業用水比例略微增長，分別從2000年的29.7%和2.9%增長到2015年的30.6%和7.8%。

圖1 2000—2015年廣東省產業結構與用水結構

統計分析用水強度的變化，以反映經濟活動的用水效率和科技水平對產業用水的影響[10]，見圖2。2000—2015年，廣東省萬元GDP用水量呈下降趨勢，從2000年的355 m3下降到2015年的51 m3。其中，第一產業用水強度下降最快，從2000年的2 602 m3下降到2015年的679 m3；其次是第二產業，從2000年的227 m3下降到35 m3；第三產業用水強度下降速度最慢，從2000年的23 m3下降到8 m3。可以看出廣東省總體用水效率在不斷提高，但第一產業用水效率依然偏低，各產業之間用水效率差距較大。這與中國總體的水資源利用效率情況相一致[11]。

圖2 2000—2015年廣東省用水強度變化

2.2 影響因素的驅動效應分解

運用式(3)～(6)，分析經濟規模、人口規模、用水強度和產業結構等4個要素對廣東省產業用水的驅動效應(圖3)，得出如下結論。

a) 經濟規模效應。經濟規模效應以一個區域的人均GDP來表示，反映了該區域經濟水平和人民的生活水平[12]。圖3a表明經濟規模效應對產業用水量產生正向驅動力，研究期間累計貢獻效應值為654.9億m3，均值為43.66億m3，相對貢獻率均值達到42.98%，表明經濟規模是廣東用水量增長的最主要驅動因素。廣東省人均GDP從2000年的12 417元/人上升到2015年的67 114元/人。圖3b表明研究期間產業用水量與人均GDP之間的關系。2004年之前，產業用水量和人均GDP同步增長；2005—2010年，在產業用水量基本不變情況下，人均GDP依然以一定的速度增長；2010—2015年，人均GDP持續增長，產業用水量逐漸減少。這說明2010年之后廣東省經濟發展與水資源利用已經實現“脫鉤”，經濟規模效應對用水量的增長效應也逐漸減弱。根據發達國家經驗，這是社會經濟發展到一定水平，人類發展與水資源和諧相處的必然趨勢[13]。

b) 人口規模效應。人口規模效應以一個區域常住人口來表示。分析圖3a，人口規模效應對產業用水量產生正向驅動力，但影響較小，累計貢獻效應值為87.90億m3。2000—2015年人口年均增長率為1.6%，對全省產業用水量的貢獻效應均值為5.86 m3，相對貢獻率均值為6.38%。人口增加勢必引起居民消費增加，造成經濟規模擴大，進而引起用水量的上升，對用水量產生正向效應，但作用有限[14]。

a) 產業用水量的驅動因素效應分解

b) 人均GDP與產業用水總量的關系

c) 廣東省產業結構偏水度

d) 產業結構和用水強度驅動效應關系圖3 4個要素對廣東省產業用水的驅動效應

c) 產業結構效應。產業結構效應主要反映不同產業部門結構變化對產業用水的影響。2000—2015年間，產業結構效應對產業用水量的增長呈現負向驅動力，研究期間累計貢獻效應值分別為-167.99億m3，相對貢獻率均值為-13.50%。為量化不同產業對用水量的影響,選用產業結構偏水度P來衡量產業結構對產業耗水的偏向程度。P越靠近1，表明城市產業結構愈偏向于高耗水的方向，反之亦然，見圖3c。廣東省產業結構P值一直小于0.5并且逐年減少，表明目前廣東省產業結構偏向于低耗水方向并且產業用水結構愈來愈合理。

d) 用水強度效應。2000—2015年期間，用水強度效應對產業用水量產生了抑制作用，累計貢獻效應值為-587.48億m3，相對貢獻率均值為-37.20%。分析各產業用水強度效應，見圖3d。第一產業和第二產業用水強度變化幅度較大，第三產業用水強度變化幅度較小，年際間效應變化值分別為-21.08億、-16.49億、-1.59億m3。廣東省總體以及各產業萬元GDP用水量均呈現明顯下降的趨勢。

根據上述分析，廣東省經濟水平較高且持續保持高速增長，對用水量增長的拉動效應雖逐漸減弱，卻始終構成較強的拉動效應。因此，要實現水資源量的“零增長”或者“負增長”，需通過產業結構的優化和用水效率的提高來削弱經濟規模擴張帶來的用水增長。提高用水效率是抑制用水量增長的重要途徑，廣東省用水效率由第一產業所支配，因此首先需進一步降低第一產業比重，提高農業用水效率，推廣先進節水技術，合理布局農作物種植結構，實現農業水資源的優化配置；其次，第二產業用水效率驅動效應顯著，需進一步強化節水意識，通過關閉或者減少高耗水行業，鼓勵低耗水行業來達到控制用水的目的[15]。

3 結論

本文基于Kaya恒等式和LMDI方法，利用2000—2015年廣東省水資源開發利用數據，分析了經濟規模、產業結構、用水強度和人口規模等影響因素對廣東省產業用水變化的驅動效應，得出如下結論。

a) 由于廣東省的經濟總量大，第一產業用水比重大且科技水平不斷提升，經濟規模效應和用水強度效應始終是產業用水量變化的主要驅動力，其相對貢獻率均值分別為42.96%、-37.20%；隨著產業結構越來越合理，人口增長速度減緩，產業結構效應和人口規模效應較弱且逐漸減弱，其相對貢獻率均值分別為-13.50%、6.38%。

b) 廣東省產業用水量變化是經濟規模效應、用水強度效應、產業結構效應和人口規模效應共同作用的效果。驅動因素測度結果顯示，2000—2015年，經濟規模效應和人口規模效應產生正向驅動力，用水強度效應和產業結構效應產生負向驅動力，累計效應值分別為654.90億、87.90億、-587.48億、-166.99億m3。