新疆水資源利用與產業發展關聯研究

郭佳航，左其亭,2,3，李東林，馬軍霞,3

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001；3.鄭州市水資源與水環境重點實驗室，河南 鄭州 450001)

水資源問題已成為制約我國經濟社會發展的重要因素，其突出表現為水資源分配不均和用水效率較低[1]。分析提高水資源利用效率的影響因素，研究水資源與產業發展的關聯程度及變化趨勢，對提高水資源利用效率、推進節水型社會建設具有重要意義。目前，有關水資源利用與經濟發展關聯性的測度方法主要有：利用IPAT方程對用水量與經濟增長的協調關系進行分析[2]、使用耦合協調度模型分析指標間耦合度和協調度[3]、采用LDMI模型計算不同效應對用水量的影響程度[4]、利用脫鉤理論分析水資源利用與經濟發展脫鉤程度[5-7]、利用面板數據及其誤差修正模型等關聯測算方法檢驗水資源利用結構與產業結構之間關系[8]、利用基于數列的匹配度計算水資源與其他指標間的匹配關系[9-12]等。從研究方法看，脫鉤理論和基于數列的匹配度計算方法應用較為廣泛。韓文艷等[5]基于脫鉤理論，對中國4個直轄市2001—2014年水資源利用與經濟增長關系進行研究；彭虹等[6]對重慶市及其38個縣(區)的農業用水量與農業經濟發展之間的脫鉤程度進行了定量評價和綜合分析；朱薇等[9]根據基于數列的匹配度計算方法，確定了1995—2015年哈薩克斯坦16個州(市)水資源利用與人口、GDP的匹配狀況；廉耀康等[10]利用匹配度計算方法，討論了1960—2014年黑山出山口徑流量與源區降水量的相關關系和匹配度。大多數研究更關注測算指標間匹配情況，關于方法間的對比分析較少。本文以新疆為研究區，以2005—2006年、2009—2010年、2013—2014年和2017—2018年作為研究時段，將脫鉤理論和基于數列的匹配度計算兩種方法的計算結果進行比較，分析兩種方法的適用范圍。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北部，地處東經73°40′～96°18′、北緯34°25′～48°10′，總面積 166.5萬km2[13]。新疆屬于典型的溫帶大陸性氣候，遠離海洋，深居內陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達，全年干燥少雨，多年平均降水量大約為150 mm。新疆年平均降水量與中國其他省份相比處于較低水平，且新疆各地降水量相差很大，水資源時空分布極不平衡。截至2018年底，新疆維吾爾自治區下轄4個地級市、5個地區、5個自治州共14個地級行政單位，因發展水平、自然環境等因素影響，各地州產業發展模式及用水結構有很大不同。

表1 區域產值與用水量的適配類型劃分及特征

1.2 數據來源

選取數據進行水資源利用與產業結構的關聯程度分析，主要涉及新疆各地州水資源、經濟指標等方面數據。經濟數據大部分來源于政府報告、統計局網站、《新疆統計年鑒》和各地州統計年鑒。人均用水量、農業單位面積平均用水量、萬元工業增加值用水量、第三產業用水量等數據主要來自《新疆水資源公報》和《新疆統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 基于脫鉤指數的適配度計算

依據Tapio模型[14]，綜合考慮區域水資源利用與產業結構的關聯程度，建立二者適配度的測算指標，即

(1)

式中：αi為適配指數；ΔWi和ΔGi分別為產業i用水量(農業單位面積平均用水量、萬元工業增加值用水量、第三產業用水量)或人均水資源利用量和相應的產業經濟增長量的變化速率；Wif和Wil分別為起始年和末年產業i的水資源利用量；Gif和Gil分別為起始年和末年產業i的產值。

為避免將微小的變化解釋為顯著變化，將0.8和1.2作為適配度指數劃分標準[7,18]，劃定出適配度分級標準(表1)。

2.2 基于數列的匹配度計算

匹配是對兩種或兩種以上系統或要素之間的配合關系(正、負相關)的描述。2014年，左其亭等[15]提出了基于數列的匹配度計算方法，從時間和空間上定量地分析兩種變量之間的匹配關系，目前已應用到水資源利用研究中。計算公式[15]為

(2)

式中：βj為匹配度值；nj和mj分別為j地區K個單元中產業用水和GDP變化速率的排名。

本文使用用水量和產業GDP的增長速率來計算匹配情況，參考基尼系數劃分方法，制定相應的基于數列的匹配度評價標準，0.6為警戒線，0.8為較好匹配標準，匹配度[0,0.5)為極不匹配，[0.5,0.6)為不匹配，[0.6,0.7)為較匹配，[0.7,0.8)為相對匹配，[0.8,1)為高度匹配。

3 結果分析

3.1 基于數列的匹配度分析

3.1.1人均用水量與人均GDP匹配情況

如圖1(a)所示，總體來看，新疆各地州人均用水量與人均GDP匹配度較好，大部分研究年份內匹配關系均屬于高度匹配或相對匹配的程度。但各地州用水匹配狀況存在差異，其中烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、阿勒泰地區和巴音郭楞蒙古自治州(巴州)出現過極不匹配和不匹配的情況。導致該情況的原因不同：烏魯木齊市和哈密市兩地用水量增長速率排名降低而GDP增長速率排名不斷升高導致用水關系不匹配，而克拉瑪依市、阿勒泰地區和巴州情況相反，是由于用水增長速率排名高產值增長速率排名低導致的用水關系不匹配。吐魯番市情況較為復雜，在2005—2006年是由于用水量增長速率排名降低而GDP增長速率排名高，2009—2010年情況相反。其余地州在研究年限均匹配情況較好。

3.1.2產業用水量與產業GDP匹配情況

由圖1(b)可以看出，新疆農業單位面積平均GDP與農業單位面積平均用水量匹配度年際變化大。烏魯木齊市的變化趨勢是不匹配—匹配—不匹配；塔城地區和克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)則是匹配和不匹配交替變化；克拉瑪依市和伊犁州變化趨勢是匹配—不匹配，吐魯番市等5個地州與之相反；哈密市等4個地州的匹配度變化趨勢為匹配—不匹配—匹配。相對而言，烏魯木齊市、塔城地區、阿勒泰地區和克州農業單位面積平均用水量與GDP整體匹配情況較差。烏魯木齊市和塔城地區匹配度值減小，匹配狀況變差，其原因是這些區域大面積推廣高效節水工程或開展休耕工作[16]，導致單位面積平均用水量減小。

如圖1(c)所示，各地州萬元工業增加值用水量與工業增加值的匹配情況差異較大。克拉瑪依市、哈密市及阿克蘇地區匹配狀況較差。其中，克拉瑪依市在2013—2014年和2017—2018年用水增長速率排名高、經濟增長速率排名低，其原因是克拉瑪依市工業以石油開發為主，2010年后克拉瑪依市提出由“單一資源性城市”向“綜合性城市”轉型，發展其他密集型產業[17]，造成工業經濟增長減緩和用水量升高；哈密市和阿克蘇地區匹配情況較差，是因為工業發展水平較高，工業廢水重復利用率較高，用水量小而工業增加值高導致的不匹配。吐魯番市、伊犁州、博爾塔拉蒙古自治州(博州)和喀什地區整體匹配情況較好。烏魯木齊市、昌吉回族自治州在研究年份內匹配度值變化趨勢為先升后降。其余地州工業增加值與萬元工業增加值用水量匹配度則是不斷波動。

(a) 人均用水量與人均GDP

圖1(d)顯示，新疆第三產業用水量與GDP匹配狀態波動較大。相對而言，巴州及喀什地區第三產業用水量與第三產業GDP匹配情況較差，其余地州匹配情況較好。其中，喀什地區匹配狀態逐漸改善，前期是由于產業GDP增長速率排名升高而用水量增長速率排名降低；巴州情況相反。

3.2 基于脫鉤理論的適配度分析

(a) 2005—2006年

3.2.1人均用水量與人均GDP適配情況

如圖2所示，從時間上來看，2005—2018年新疆大部分地州適配情況基本保持不變，適配度情況較好。除克拉瑪依市外，2005—2006年各地州適配情況均為適配或正耦合狀態，沒有出現負適配；在2009—2010年，一些地州適配情況變差，如吐魯番市、阿勒泰地區、博州和克州為弱負適配；2013—2014年適配情況最好，新疆14個地州全部改善為適配或正耦合；2017—2018年，克拉瑪依市、阿勒泰地區、巴州呈現弱負適配，其余地州均為適配。從空間上來看，烏魯木齊市在研究年限內均為強適配，適配狀況較好；克拉瑪依市除2013—2014年為適配狀態，其余年份內均為負適配，克拉瑪依市不斷進行產業轉型，水資源開發利用程度較高，大力發展工業，但存在大量高耗水企業[17]，用水量大但產生效益較低。伊犁州在研究年限內均為擴張性適配，其他地州大致呈現兩種變化趨勢：一種為擴張性適配—弱負適配—強適配的變化趨勢；另一種為擴張性適配—強/弱適配的變化趨勢。

3.2.2產業用水量與產業GDP適配情況

從圖3可以看出，2005—2018年新疆各地州的農業單位面積平均用水量與GDP適配度呈現先好后差的變化趨勢。在2005—2006年、2009—2010年、2013—2014年，各地州農業單位面積平均用水量與GDP適配情況沒有出現過負適配，整體情況較好；但在2017—2018年，所有地州全部呈現負適配，除烏魯木齊市為衰退型負適配外，其余地州均為強負適配。出現該情況的原因是新疆節水器具不斷普及，節水灌溉面積不斷增長，占地方總灌溉面積的48.6%，灌溉用水逐漸減少，并且大部分地州產業不斷轉型，產業結構發生改變，第一產業比例下降，但第一產業GDP下降速率快于用水量，因而呈現負適配的情況。

整體來看，烏魯木齊市農業單位面積平均用水量與GDP適配狀態較好，克拉瑪依市情況最差，只有在2009—2010年內達到適配的狀態，其余年份內均為負適配。阿勒泰地區的適配情況變化為負適配—適配—負適配的趨勢，波動較大。其余地州適配情況類似，均是適配—負適配的變化趨勢。

圖4顯示，萬元工業增加值用水量與工業增加值的適配情況各地州隨時間變化差異較大，在2005—2006年各地州的適配情況均為適配，除哈密市為擴張性適配外，其余地州均為強適配。2009—2010年阿勒泰地區和巴州出現弱負適配和衰退型負適配，其余地州處于適配或耦合的狀態。在2013—2014年適配狀態變差，與2009—2010年相比，處于負適配的地州增加為4個。2017—2018年，克拉瑪依市、昌吉回族自治州、阿勒泰地區和巴州仍呈現弱負適配狀態，出現該狀態是因為這些區域正在進行產業升級，大力發展第二產業，使用水量大，GDP增長較慢，應加快改進工業設配，改善高耗水工藝，促使產業升級，減少工業用水量。

(a) 2005—2006年

(a) 2005—2006年

萬元工業增加值用水量與工業增加值適配狀態在烏魯木齊市、克州、喀什地區及和田地區情況較好，研究年限內均為適配。克拉瑪依市、昌吉回族自治州、阿勒泰地區和巴州的變化趨勢為適配—負適配，但各地州出現負適配的年份不同，其中克拉瑪依市和博州變化趨勢與人均用水量和人均GDP適配變化趨勢一致。

(a) 2005—2006年

從圖5可以看出，在2005—2006年哈密市和克州第三產業用水量和GDP產值為弱負適配，其余地州情況較好。2009—2010年整體情況較好，除和田地區外，其余地州均無負適配情況。但在2013—2014年，大部分地州呈現弱負適配，這和當地產業轉型有關。2017—2018年適配狀況改善不明顯，應提高水資源利用效率，提高第三產業產值的同時節約用水。

第三產業用水量與第三產業產值適配狀態在烏魯木齊市、克拉瑪依市等7個地州適配情況較好，研究年限內沒有出現負適配；吐魯番市情況較差，只有在2005—2006年為適配，其余年份均為負適配，其原因是吐魯番市第三產業用水量波動增長，而產值增長速率較緩。塔城地區、博州等5個地州呈現適配—負適配—適配的變化，其余地州則呈現適配—負適配的變化趨勢。

3.3 兩種方法結果對比

使用兩種方法對新疆產業用水結構與產業GDP關系進行計算，匹配度反映用水量和產值之間的匹配關系；適配度反映兩者之間的變化是否有利于城市的發展，即指標之間的關系是否協調。

兩種方法的計算結果存在一些差異。首先，從計算原理來看，基于脫鉤理論的適配度計算取決于是否利于社會的發展，如當用水速率減小而產業GDP升高時，最有利于社會的發展，會呈現強適配的情況；而基于數列的匹配度計算比較的是用水量增長速率在全疆的排名和產業GDP增長速率排名，當兩者排名相當時，呈現良好的匹配關系，但是，當一方的速率遠大于另一方時，即便有利于社會發展，也會呈現較差的匹配關系。其次，從計算結果來看，一些指標間的匹配度和適配度評價結果不一致，但其代表的意義卻相同。使用兩種方法計算得出的人均用水量與人均GDP的匹配關系見表2，在大部分時間內兩者計算結果有一定的聯系，雖然存在一些差異，其代表的含義一致。如，烏魯木齊市在2013—2014年和2017—2018年使用基于數列的匹配度計算得到的結果為不匹配，是由于其GDP增長速率排名遠遠高出用水量增長速率排名，其代表的意義與基于脫鉤理論計算得出的結論相同。

表2 人均用水量與人均GDP關系對比

在分別計算各產業匹配度或適配度時，兩者結果存在較大的差異。如在計算農業單位面積平均用水量與GDP關聯關系時，雖然各地州用水和GDP變化速率之間差距大小不同，但均是GDP減小速率大于用水減小速率，適配情況較差；計算兩者匹配度時，各地州用水變化速率相近，由于其基于數列的計算原理，對指標進行排序，差異較小的數據排名結果也會存在很大不同，使評價結果存在差異。新疆第三產業用水量小，在研究年限內所有地州第三產業用水量均小于0.5億m3，較小的用水量波動會造成用水速率的大變化，使匹配度和適配度結果呈現差異。

當用水變化速率和GDP變化速率差異顯著時，兩種方法均能準確反映兩者間關聯情況；當指標間數據差距不大時，雖然兩種計算方法均能測算指標關聯程度，但使用基于數列的匹配度計算很難反映出其內在聯系，這種情況下更適宜使用基于脫鉤理論的適配度方法進行計算。而計算新疆第三產業用水與GDP關系時，由于用水量小，變化速率顯著，不適宜使用基于數列的匹配度計算方法。因此可以看出，有時使用一種方法計算指標間關系可能存在偏差，應考慮實際情況及方法原理差異，合理選擇方法進行測算。

3.4 提高經濟發展與水資源適配性的建議

a. 轉變經濟增長方式，大力發展金融業和服務業等產業，克拉瑪依市、巴州的第三產業占比較低，不到30%，但克拉瑪依市被譽為“戈壁明珠”，巴州占地最廣，存在豐富的旅游資源和廣闊的發展空間。因此，需要進行產業結構的戰略性調整和優化，實現以服務業為驅動的經濟增長模式。

b. 完善水資源管理制度，制定與水資源相適應的經濟發展規劃方案。新疆屬于干旱區，水資源短缺嚴重，可以引導節水型產業發展，克州、喀什地區、吐魯番市等地州農田單位面積平均灌溉用水量遠超新疆平均水準，應發展節水農業，加強農業用水效率；在和田地區、哈密市等工業城市開展工業節水等措施。

c. 加強地區間合作，促進產業空間優化。結合各地州的產業經濟發展等情況，相鄰地州之間可積極開展經濟、水資源方面的合作，如天山經濟帶之間實施多領域協作，塔里木河流域各地州間和諧分水等，協調推動各地州產業結構的合理化變遷，促進用水效率的提高，實現水資源利用與經濟社會發展良性發展的目標。

4 結 論

a. 使用一種方法對產業發展和用水量關系進行分析可能存在問題，應根據研究地區條件的不同，選擇合適的方法進行研究。

b. 新疆在研究年限內人均用水量與人均GDP適配情況較好，其中2013—2014年情況最好，2009—2010年情況較差。相對而言，阿勒泰地區情況較差，在2009—2010年和2017—2018年出現負適配情況。

c. 新疆各產業用水量與GDP產值關系存在較大差異。新疆前期農業單位面積平均用水量與GDP適配狀態較好，萬元工業增加值用水量與工業增加值的適配情況較差，各地州第三產業用水量與GDP適配關系隨時間變化差異較大，應提高水資源利用效率。