廣州市產業用水驅動效應測度及機制研究

陳 怡，于海霞，2*，劉丙軍，2

(1.中山大學土木工程學院，廣東 珠海 519085；2.中山大學水資源與環境研究中心，廣東 廣州 510275)

產業用水集中體現了經濟發展對水資源的需求，研究區域內產業用水結構及其驅動機制，是實現水資源合理配置的重要措施，能為協調區域產業結構和用水布局、評估節水政策實施效果等提供科學決策依據[1]。

分析用水結構及其驅動機制已成為水資源領域研究的熱點，翟遠征等[2]通過研究1980—2009 年北京市用水量及其結構的變化模式，認為推動北京市用水量及結構變化的主要因素是產業結構調整、人口持續增長及環境問題。 何慧爽[3]使用信息熵和灰色關聯分析法，建立了分析河南省用水結構及驅動因素變化的模型。 吳昊等[4]利用主成分分析(PCA)和灰色關聯分析法研究了引起南京市用水結構變化的驅動力。 莊立等[5]運用因子分解模型研究了2003—2013 年京津冀地區工業用水量變化的規模、結構和技術效應，提出了緩解水資源緊缺的有效措施。 佟金萍等[6]根據中國1997—2009 年用水效率的變動，從產業和地區2 個層面，利用Laspeyres指數及其完全分解方法對驅動因素進行分解分析。Yang Jie等[7]分析了2005—2015 年廣東省生產部門用水變化的影響因素，采用Laspeyres、對數平均除數指數(LMDI)和Shapley值分解模型量化了人口、富裕程度、結構和技術的相對貢獻，并將3 種方法的計算結果進行比較。 結果表明，LMDI分解模型擬合最佳，具有精度高、使用方便、表達方便等優點。 張陳俊等[8]運用LMDI方法分析了考慮區域人口分布的1998—2013 年中國用水量變化分解因素效應。 葛通達等[9]在LMDI分解法的基礎上，提出了區域水資源利用驅動因素的分析及評價方法，并將此方法應用于江蘇鹽城市的水資源利用合理程度的評價研究。 綜合分析現有研究，盡管有關產業用水的研究方法各異，但研究結果均驗證了經濟發展、人口增長對用水量增加的正向驅動作用，以及對產業結構調整、用水效率提升的抑增效應。

廣州市是廣東省省會，粵港澳大灣區、泛珠江三角洲經濟區的中心城市以及一帶一路的樞紐城市。近年來廣州市用水量逐年穩定下降，但陳雯等[10]分析廣州市水資源承載力結果表明，廣州市水資源承載力逐年降低，水資源供需矛盾突出；田濤等[11]通過預測發現廣州市依然存在較高的紅線控制風險，而工業與農業用水仍是廣州市用水總量控制的制約關鍵點，研究兩者間的驅動響應關系顯得尤其重要。然而有關廣州市產業用水的驅動效應研究相對較少。 解析廣州市產業用水變化的驅動因素效應及驅動機制，不僅可進一步識別廣州市用水規律，也可為該市水資源可持續利用提供直接依據，而且對于粵港澳大灣區優化水資源配置及加強水安全保障也具有借鑒作用。

本文基于國內外相關研究基礎，根據2000—2015 年廣州市產業用水量變化，從逐年時段和三階段(“十五”時期、“十一五”時期、“十二五”時期)，采用擴展的KAYA恒等式建立廣州市產業用水驅動效應因素分解模型，應用LMDI分解方法分析經濟發展水平、人口規模、產業結構、用水效率等因素的用水驅動效應，綜合評價其對廣州市產業用水的影響程度。

1 廣州市及其產業用水現狀

廣州地處中國南部、珠江下游、瀕臨南海，是西江、北江、東江三江匯合處，陸域范圍為112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N。 2015 年末全市常住人口1 350 萬人，地區生產總值18 100 億元，人均GDP超過13 萬元，人口城鎮化率達85.53%，三產業比例為1.13:32.07:66.80，第三產業為全市經濟發展的支柱產業。 分析2000—2015 年廣州市用水結果，得出如下結論。

a)廣州市產業用水呈現總體先增后減的趨勢。產業用水量的發展于2004—2005 年出現突變點，以此為分界點，2000—2004 年產業用水量快速增加，由2000 年的63.9 億m3增長至2004 年的86.0 億m3，年均增長率達8.65%。 2005—2015 年產業用水量逐漸緩慢下降，由2004 年的86.0 億m3緩慢下降到2015 年的54.94 億m3，年均下降率達3.28%。2004—2005 年出現較大幅度的下降，可能是由于當年廣州市啟動節水型社會建設所致；在此之后的研究時段內，產業用水量持續下降，可能是廣州市出臺《廣州市城市計劃用水管理辦法》且認真貫徹落實中央最嚴格水資源管理制度執行的積極影響。

b)從構成來看，廣州市第二產業為用水主體，第一、第三產業用水位列其次。 第一產業用水所占比例略有下降，從2000 年26.92%下降至2015 年的19.35%，隨著廣州市城鎮化進程的不斷推進，農業節水技術的不斷發展，近年來農業用水逐步減小，廣州市第一產業用水總體呈現緩慢下降趨勢。 作為廣州市生產用水主體，第二產業用水量整體呈現先上升后下降的態勢，與產業用水總量曲線呈現高度相似性，較大的節水潛力使得近年來廣州市第二產業用水持續下降。 第三產業用水比例逐年上升，從2000 年2.63%增長至2015 年的9.59%，見圖1。

圖1 2000—2015 年廣州市產業用水情況

2 研究方法

2.1 KAYA恒等式

KAYA恒等式是用以描述碳排放與能源效率、能源結構、經濟水平和人口規模之間關系的恒等式[12]，可以識別并量化經濟社會發展與影響因素的驅動效應[13]，由日本學者KAYA[14]提出。 本文將KAYA恒等式的理念運用于廣州市產業用水變化的研究，將影響因素分解為經濟水平效應、產業結構效應、人口規模效應和用水效率效應，從而進行各產業用水驅動效應的測度及機制研究。

式中 W——產業用水量；Wi——第i產業用水量；Wi，t——第 i產業第 t年的用水量；GDPi，t——第i產業第t年的生產總值；GDPt——第t年的地區生產總值；Pt——第t年的人口；Ti，t=Wi，t/GDPi，t，為第i產業萬元GDP用水量，反映該地區用水效率；Si，t=GDPi，t/GDPt，為第i產業增加值占GDP的比例，反映該地區的產業結構；Et=GDPt/Pt——人均GDP，表征該地區經濟水平。

2.2 LMDI因素分解法

影響因素對整體的貢獻值能夠通過因素分解法計算得出，故近年來，Ang等[15]提出的LMDI因素分解法被廣泛運用于資源和環境領域[13]。 LMDI分析方法分解完全且無殘差，其結果唯一且易解釋[16]。根據LMDI模型，基準年和第t年產業用水量可分別表示為W0和Wt，則產業用水在基準年至第t年的差異為ΔW，即

式中 ΔWT——用水效率效應；ΔWS——產業結構效應；ΔWE——經濟發展效應；ΔWP——人口規模效應對產業用水量的影響。

產業用水LMDI分解式如下:

計算得出的各項效應結果，表示在此因素影響下引起用水量變動的數量值[17]。 分解結果中為正值的，表征對用水驅動有著正效應，數值越大，相對貢獻率越大，效應越顯著；相反地，分解結果中為負值的，表征對用水驅動有著負效應，絕對值越大，負效應越顯著。

3 研究結果分析

3.1 用水結構驅動效應總體分析

圖2 顯示了2000—2015 年三階段廣州市產業用水總量變化驅動效應分解結果。 由圖2 可見，用水效率效應以及產業結構效對廣州市產業用水的增長應起到負效應；經濟發展效應、人口規模效應則起到負效應。 第一、二、三階段總效應分別變化了7.21 億、-10.68 億、-8.69 億m3。

圖2 各階段產業用水驅動因素效應分解結果

a)“十五”時期用水量逐年上升，各因素對用水量增長的驅動效應為正。 第一階段處于新世紀伊始，廣州市工作重心以經濟發展為主，作為重要的生產要素之一，水資源的需求因經濟持續發展而增加。且推動產業用水量上升的經濟增長與人口規模，并且完全抵消了產業結構優化升級和用水效率提升對產業用水量的促減作用，產業用水量增加。

b)“十一五”時期用水量呈現減少趨勢，各因素對用水量增長的驅動效應為負。 第二階段，頒布了《廣州市城市供水用水條例》制定節水計劃，并加快實施節水管理及技術措施；與此同時，廣州市產業結構升級改造加快；提升用水效率和產業結構優化升級對廣州市產業用水量的增長起負向驅動力，用水量減少。

c)“十二五”時期各因素對用水量增長的驅動效應為負，用水效率效應為抑制用水增長的主要驅動因素。 第三階段產業用水量持續下降，但較第二階段的下降率有所減小。 此階段節水技術不斷發展而到達瓶頸，提升空間有限，由圖2 可見通過提高用水效率而降低產業用水的驅動效應正逐漸減小。 另外，廣州市第一產業的產值占GDP比重不及1%，第二產業占比三成左右且逐年降低，由圖2 可見產業結構負向驅動效應較第一、二階段穩步增加。

3.2 用水結構驅動因素效應分析

3.2.1 經濟發展效應

總體上，2000—2015 年，經濟發展因素累計貢獻效應值為85.38 億m3，相對貢獻率均值為31.1%，說明對促進用水增長呈現了正向驅動力，由圖2 可見是廣州市產業用水增長的主要因素。 研究期間廣州市經濟高速發展，地區生產總值從2000 年的2 505.58 億元到2015 年的22 859.35 億元，增長8 倍。 經濟增長需要投入生產要素，而水資源是要素之一[8]，因此廣州市對水資源的需求逐年增加。但從圖2 可看出，經濟規模效應在逐漸減小。

為分析廣州市產業用水與經濟發展間的關系，本文引入“脫鉤”概念對其進行解析。 “脫鉤”描述的是經濟發展與資源損耗間的關聯度[18]。 脫鉤指數越小，兩者間的脫鉤關系越顯著，即資源消耗與經濟發展的背離程度不斷加大。 參考姜明棟等[19]構建的京津冀地區水脫鉤模型，廣州市產業用水與經濟增長脫鉤模型構建結果見圖3。

圖3 2000—2015 年廣州市產業用水與經濟增長脫鉤狀態

由圖3 可知，廣州市產業用水與經濟增長之間存在“增長連接”“弱脫鉤”“強脫鉤”3 種狀態。2001—2004 年，脫鉤指數介于0.22 與1.13，存在“增長連接”和“弱脫鉤”2 種狀態。 此時處于經濟高速發展階段，對水資源的需求不斷擴大，GDP快速上漲的同時用水量也持續增加，而這期間隨著產業發展，后者增加的幅度逐漸小于前者。 2005 年廣州市啟動節水型社會建設，產業用水量得到有效控制，在此之后脫鉤指數小于0，進入“強脫鉤”狀態。雖然2013 年農業及工業用水量稍有上升，脫鉤指數為0.11，呈現“弱脫鉤”，但總的來說，廣州市產業用水與經濟發展間的脫鉤狀態呈現穩定發展趨勢，經濟發展效應對用水量的促增作用在逐漸減弱。

3.2.2 人口規模效應

人口規模效應是廣州市產業用水增長的因素之一。 總體上看，人口規模效應累計貢獻效應值為45.83 億m3，貢獻率均值為16.7%，對廣州市產業用水的增加呈現正向驅動力。

圖4 反映的是廣州市常住人口與產業用水量的變化情況。 2004 年以前，廣州市人口數量與產業用水量同步增長；而在2005—2015 年，常住人口數持續增長，產業用水量卻逐漸減少，與圖2 反映的規律一致，人口規模因素的增長驅動作用在逐漸減弱。楊中文等[20]認為消費水平提高驅動各行業用水增長。 由此可見，人口增加促進消費，進而擴大經濟發展規模，引起用水量增加。 3.2.1 節提及，2005 年后廣州市產業用水與經濟發展進入“強脫鉤”狀態，因此，人口規模效應也逐年趨于減弱。

圖4 廣州市2000—2015 年人口規模與產業用水量的變化情況

3.2.3 用水效率效應

用水效率效應反映了各產業因用水效率的變化而引起的產業用水總量的變動。 2000—2015 年，用水效率因素對產業用水的抑增驅動作用明顯，累計貢獻效應值為-117.89 億m3，相對貢獻率均值為-42.9%。 由圖5 可見用水效率提高是抑制廣州市產業用水增長的主要因素。 以萬元GDP耗水量反映用水效率，圖5a反映了廣州市2000—2015 年用水效率與產業用水量的變化情況。 由圖5a可見，廣州市萬元GDP用水量呈整體下降趨勢，從2000 年的255 m3/萬元下降至2015 年的30 m3/萬元，而產業用水量則降低36.1%，可見用水效率大幅提升對抑制產業用水有顯著作用。

圖5b 反映的是各產業用水效率變化情況，由圖5b 可見，2000—2015 年廣州市第一產業、第二產業的用水效率顯著提高，萬元GDP用水量均下降近70%；而第三產業用水效率較高，研究期間用水效率提升趨勢平緩。 廣州市的節水技術的進步較快，用水效率較高。 然而現階段節水技術提升空間有限，由圖5 可見用水效率效應正不斷減弱。 因此需要加強節水技術創新，提高用水效率。 2015 年廣州市第一產業萬元GDP耗水量仍接近500 m3/萬元，農業用水有更大的節水潛力，可通過推廣先進的節水技術，合理布局農作物的種植結構，采取有效措施提高農田灌溉水有效利用系數，實現農業水資源的優化配置。 其次，需不斷推進第二、第三產業技術節水，進一步加強工業用水定額管理，通過實施階梯水價等措施鼓勵企業推進低耗水工藝而達到控制用水的目的。

圖5 廣州市2000—2015 年產業用水與用水效率變化情況

3.2.4 產業結構效應

在經濟發展過程中，由于各產業部門對于水資源的需求不同，各產業的相對比重將引起用水量的變動。 產業結構效應反映了由產業結構調整引起的用水變化量[17]。 2000—2015 年，廣州市產業結構效應呈現負向驅動力，累計貢獻值為-25.47 億m3，相對貢獻率均值為-9.3%。 近年來，廣州市第三產業產值比重不斷增大，研究期間年均增幅15.8%。2015 年廣州市第三產業產值(12 086.11 億元)占廣州市生產總值(18 100.41 億元)近70%，但其用水量(5.27 億m3)僅占產業總用水量(54.94 億m3)9.59%，相比于農業的灌溉用水以及工業的生產用水需求，第三產業對于水資源的需求相對較小，因此，經濟結構向第三產業調整優化的過程中，對產業用水的增長呈現負向驅動力。

參考劉洋等[21]對產業結構與用水結構協調度的定量分析，本文引入“產業結構偏水度(P)[22]”“用水結構粗放度(C)[23]”與“產業結構與用水結構協調度(H)[24]”作為分析廣州市產業結構與用水結構的依據。 產業結構偏水度P、用水結構粗放度C分別是指某區域產業結構、用水結構偏向用水效率較低的產業的程度，0 ＜P＜1，0 ＜C＜1，結果越接近于1 表明偏向程度越高；而產業結構與用水結構協調度H(0 ＜H＜1)愈大則表明兩者愈協調。

計算結果見圖6，研究期間廣州市產業結構偏水度小于0.3 且逐年減小，由2000 年0.243 降至2015 年0.172，降幅達29.1%，說明隨著產業結構持續優化升級，廣州市產業結構愈發偏向用水效率高的產業。 同樣地，近年來廣州市用水結構粗放度整體呈現下降趨勢，由2000 年0.621 降至2015 年0.549，降幅為11.7%，說明用水結構越來越偏向用水效率較高的產業。 而產業與用水協調度則整體呈上升趨勢，研究期間年均升幅0.85%，表明產業結構與用水結構越來越協調。

圖6 廣州市產業結構與用水結構協調性情況

4 結論

本文利用KAYA恒等式和LMDI因素分解方法，對廣州市2000—2015 年產業用水變化驅動效應進行分析，將驅動效應分解為經濟發展效應、人口規模效應、用水效率效應和產業結構效應，并從三階段(“十五”時期、“十一五”時期、“十二五”時期)和逐年時段分別測度了不同驅動因素的影響，主要研究結論如下。

a)“十五”時期以經濟建設為中心，廣州市水資源的需求因經濟持續發展而增加，產業用水量呈持續增加趨勢。 “十一五”期間，廣州市制定節水計劃并加速產業結構升級改造，提升用水效率和產業結構優化升級對廣州市產業用水量的增長起負向驅動力，產業用水量不斷減少。 “十二五”期間廣州市產業用水量持續下降，但較第二階段的下降率有所減小。 此階段隨著節水技術不斷發展到達瓶頸，提升空間有限，通過提高用水效率而降低產業用水量的驅動效應正逐漸減小；而隨著產業結構優化升級，產業與用水協調度逐年上升，產業結構驅動效應將隨之減小。

b)2000—2015 年時期，廣州市經濟高速發展，人口規模不斷擴大，對水資源的需求逐年增加，經濟發展效應和人口規模效應分別是促進廣州市產業用水量增加的主次因素，其累計貢獻值分別為85.38億、45.83 億m3；但因近年來廣州市產業用水與經濟發展間呈現穩定的“強脫鉤”狀態，經濟發展與人口規模效應對用水量的增長效應在逐漸減弱。 因廣州市節水技術發展較快，產業結構持續優化升級，用水效率效應和產業結構效應分別是抑制廣州市產業用水量增加的主次因素，其累計貢獻值分別為-117.89 億、-25.47 億m3；近年來廣州市產業結構與用水結構越來越協調，產業結構效應呈穩定上升趨勢。