基于VAR的海南省水資源利用動態影響分析研究

李勝男，郭文體，涂志華

(1.海南省建設項目規劃設計研究院有限公司，海南 海口 570203；2.海南水文地質工程地質勘察院，海南 海口 571100；3.海南大學 林學院，海南 海口 570228)

海南省水資源豐富，人均水資源量為3 540 m3，高于全國人均水平，僅為世界平均水平的1/2。海南天然存蓄水能力弱、區域間調劑互補性差、河流水系納污能力小，隨著新型城鎮化進程的加快和旅游業的快速發展，用水結構劇烈變化，加之海島獨特的自然條件和經濟社會發展特點，導致水資源供需矛盾已成為經濟、社會、環境協調發展的重要制約因素[1-3]。分析海南省用水量與用水結構動態變化是解決水資源問題的基礎工作，對海南省水資源可持續利用具有重要意義。矢量自回歸VAR (Vector Auto Regression) 模型自1980年Sims提出以來，已廣泛應用于水資源水環境領域實證研究。以往研究基于VAR模型對水環境、水資源利用等與經濟增長之間關系進行了研究，利用VAR模型對用水量及用水結構進行了分析[4-8]。本文分析海南省近20 a用水量動態變化，基于VAR模型分析用水結構與用水量之間變化關系，為加強水資源可持續利用提供理論支持。

1 海南省水資源利用

利用海南省近20 a的用水量及用水結構數據對海南省水資源利用狀況進行分析(見圖1所示)，海南省年度用水總量在45億m3水平上下波動，低于海南省2020年用水總量控制指標49.4億m3，水資源利用總量控制較好，表明海南省嚴格落實最嚴格水資源管理制度，水資源管理能力較強，這與海南省嚴格的水環境管理密不可分，通過水環境管理，維護和重建水生態環境，緩解水污染局面，推進水質達標和污染物總量減排，提升水資源利用效率，有效促進了水資源管理能力提升。

海南省農業發展占據了70%以上的水資源，農業用水量呈現下降趨勢，可能是由于大力發展熱帶特色農業、調整種植結構的產業政策，海南省農業種植主要為糧食、糖料、蔬菜和水果4種，其中糖料作物的耗水量最大，根據海南省統計年鑒，近十幾年，海南省的糖料作物減少了50%左右。海南省生活用水量呈現上升趨勢，生活用水比重在近20 a間增長了10%，這與海南省總人口逐步增長，年度旅游過夜人數的增長，人民生活水平提高有密切關系。海南省工業用水量逐年下降，這可能是由于環境保護要求提高、產業結構調整、工業內部結構調整、工業用水效率提升等因素綜合作用的結果[16]。

(a) (b)注：1.TW：用水總量；AW：農業用水量；IW：工業用水量；LW：生活用水量;2.數據來源于《海南省水資源公報》圖1 海南省1999—2018年用水量與用水結構

2 研究方法

向量自回歸(VAR)模型，是用所有當期變量對其若干滯后期變量進行回歸，通常用來估計相互聯系的時間序列系統以及分析隨機擾動對變量系統的動態關系[9]，不需要提前設定任何約束條件。VAR方法通過把系統中每一個內生變量作為系統中所有內生變量的滯后值的函數來構造模型，從而回避了結構化模型的需要。一個VAR(p)模型的數學形式[10]：

yt=A1yt-1+…+Apyt-p+Bxt+εt

(1)

式中yt是內生變量；yt-1，…，yt-p表示yt的滯后期；xt是外生變量；A1， …，Ap表示yt的待估系數；B是xt待估系數；εt是隨機擾動項。VAR模型轉化為矩陣為：

(2)

2.1 模型構建

采用海南省1999—2018年的年度工業、生活用水量占總用水量的比重衡量用水結構水平，采用年用水總量除以海南省十三五期末2020年用水總量控制指標(49.4億m3)的比值進行表征，構建如下模型：

(3)

式中TW1t為第t期用水總量比重;IW1t為第t期工業用水比重;LW1t為第t期生活用水比重;AW1t為第t期農業用水比重。

2.2 模型應用

2.2.1單位根檢驗

建立VAR模型，必須滿足所有的序列都是平穩的，為了避免偽回歸現象，保證結論的可靠性，首先對數據進行ADF檢驗(見表1)。

表1 變量的ADF檢驗結果

2.2.2滯后期選擇

滯后期的選擇是VAR模型建立的重要前提，確定了滯后期，才能確定VAR模型形式。這里分析檢驗的依據是按照少數服從多數原則，根據LogL、LR、FPE、AIC、SC、HQ 6種檢驗法則的結果進行綜合判斷(見表2)。總體來看，VAR模型的最佳滯后期為2。

表2 VAR模型最佳滯后階數檢驗結果

2.2.3模型的建立

根據前述單位根檢驗及滯后期選擇結果，將檢驗過的平穩序列代入到模型中，擬合出式(4)代表VAR模型：

(4)

2.2.4VAR模型穩定性檢驗

由表3可知所有根的模全部小于1，說明本研究建立的VAR模型是穩定的，基于該VAR模型上的各種檢驗是有效的。

表3 VAR模型穩定性檢驗結果

3 結果分析

3.3.1Granger因果檢驗

因果關系檢驗是用于檢驗經濟變量之間的時間先后順序，并不表示這真正存在因果關系，是否存在因果關系需要根據理論、經驗和模型進行綜合判斷。為了考察用水總量結構和農業用水結構、工業用水結構、生活用水結構之間的傳導方向，分別對3組數據進行了Granger因果關系檢驗(見表4)。

表4 Granger因果關系檢驗結果

通過Granger因果關系檢驗結果可知，農業用水結構和工業用水結構是用水總量結構的Granger原因，表明工業和農業相關水資源管理政策措施及節水技術開發利用對調整用水結構、提升水資源利用效率具有非常重要作用。

3.3.2脈沖響應分析

本部分采用脈沖響應函數(IRF)來分析經濟增長與用水量之間的引致關系。脈沖響應函數描述的是VAR模型中的1個內生變量的沖擊給其他內生變量所帶來的影響，是系統對某一變量擾動的1個沖擊(或新息)所做出的動態反應，并由此判斷各個變量間的時滯關系。

注： 1.TW：總用水比重；AW：農業用水比重；IW：工業用水比重；LW：生活用水比重;2.用水總比重=總用水量/用水總控制指標；3.農業、工業、生活用水比重=農業、工業、生活用水量/總用水量圖2 用水結構之間脈沖響應函數示意

圖2表示了生活用水結構、農業用水結構、工業用水結構對總用水結構的沖擊效應以及系統的動態影響。

從農業用水結構對總用水結構的一個標準差新息的沖擊，在第1期為峰值，第2、3期逐漸下降，第4、5期之后越來越平穩，說明隨著時間的推移，農業用水結構對水資源的利用結構起著決定性作用。

從工業用水結構對總用水結構的一個標準差新息的沖擊，第1期為0，但第2期就變為負值，第3期為0，第4期為正值，第5期又將為0，隨著時間的推移，越來越收斂。說明伴隨著經濟的不斷發展，工業用水結構的進一步優化對水資源的利用結構優化所能帶來促進作用越來越弱。

從生活用水結構對總用水結構的一個標準差新息的沖擊，第1期為負值，但第2期之后逐漸增長，隨著時間的推移，趨向于發散。說明伴隨著經濟的不斷發展，生活用水結構的進一步優化對水資源的利用結構優化能夠帶來一定的促進作用。

3.3.3方差分解分析

方差分解是一種描述系統動態變化的方法，通過分析每一個結構沖擊對內生變量變化的貢獻度，通常以方差來度量，進一步評價不同結構沖擊的相對重要性。

由圖3可知，用水總量變動對自身變動的貢獻率最大，當期達到98%，后雖有下降，但基本穩定在60%左右，表明海南省后一期用水總量的最大影響因素上一期用水總量，以用水總量控制為核心的水資源管理對水資源開發利用程度控制具有決定性作用。因此，未來應嚴格執行用水總量控制制度，并且不斷加強水環境管理，推進水污染物減排和水質改善，提升水資源利用效率，促進水資源管理能力提升。

注： 1.TW：總用水比重；AW：農業用水比重；IW：工業用水比重；LW：生活用水比重;2.用水總比重=總用水量/用水總控制指標；3.農業、工業、生活用水比重=農業、工業、生活用水量/總用水量圖3 用水結構之間方差分解示意

工業用水對用水總量變化的當期貢獻率很小，從第2期開始逐步增加，到第4期，工業用水對用水總量的貢獻度接近并超過20%，第5期以后雖然略有增長，但趨于平緩，最終穩定在25%，表明工業用水對總用水的影響具有一定的粘滯性，主要是由于海南省工業發展過程中，隨著工業用水效率提升、工業污水治理環保要求提升，工業用水量減少，工業用水對總用水量的影響增強。因此，未來在用水總量控制基礎上應著重加強工業用水開發利用管控，進而促進水資源利用結構優化。

生活用水對用水總量變化的當期貢獻率很小，從第2期開始到第4期基本穩定在5%左右，從第5期開始逐步增加，第6期之后生活用水對用水總量的貢獻度穩定在10%左右，表明生活用水對總用水的影響具有一定的粘滯性，主要是由于快速城鎮化發展，人口總量增加，人民生活水平不斷提高，生活用水總量增加，生活用水對總用水量的影響增強。因此，未來在用水總量控制基礎上須注重生活用水管控和生活節水的宣傳引導。

農業用水對用水總量變化的當期貢獻率很小，從第2期開始平緩增加，到第4期之后穩定在5%左右，表明農業用水對總用水的影響具有一定的粘滯性，主要是農業發展過程中，農業現代化程度提高，種植結構調整，農業用水量逐步降低，其對總用水量的變化貢獻較弱，但是，農業用水對總用水量變化影響上升的趨勢不容忽視，在用水總量控制基礎上應注重農業用水開發利用管控。

4 結語

海南省社會經濟的快速發展導致了用水總量和用水結構發生了相應變化，研究結果表明海南省用水總量控制較好，這與水資源管理政策[13]密不可分，未來海南省水資源管理應繼續落實中共中央關于加快水利改革發展的決定，嚴格執行用水總量控制、用水效率控制和水功能區限制納污“三項制度”，應繼續貫徹水利部關于嚴格用水定額管理的通知，擴大用水定額標準覆蓋范圍，提高各行業各領域用水效率；海南農業占據了70%以上的水資源，這可能是由于農業灌溉用水量大，農業用水效率較低導致的[11]，農業用水結構對優化用水結構和提高水資源利用效率具有非常重要作用，未來海南省農業用水管理可著重放在發展高效節水農業、優化農業節水技術結構、增加農業節水設備研發與應用、創新農業用水管理體制機制等方面上[14]；海南省工業用水逐漸減少，工業用水比重對水資源利用變化貢獻率較高，這可能是工業節水政策導向，產業結構優化升級，工業節水水平提高和工業節水技術進步[12]等綜合作用的結果，未來海南省應不斷加強工業節水管理，提高工業用水效率；海南省生活用水量和用水比重呈現雙上升趨勢，這可能是由于人口增長，生活水平提高，生活用水的重復利用率不高，生活節水效率不高因素導致的，未來海南省應加大生活節水技術與器具的研發和應用，鼓勵中水回用，通過水價改革等政策措施促進節約用水保護水資源。