基于水足跡-擴展LMDI模型的河南省水資源利用與經濟發展脫鉤關系研究

陸秋雨

(河南財經政法大學工程管理與房地產學院，河南 鄭州 450000)

水資源作為經濟社會發展不可或缺的基礎自然資源，其豐富程度對可持續發展戰略有著重要影響[1]。 而河南省人口眾多，作為黃河流域重要糧食產區，工業和農業的發展需求導致河南省不僅水資源消耗量較大，水資源的短缺也在一定程度上制約了河南省的經濟發展。 為實現河南省城鎮發展規模、人口規模等經濟社會發展要素與水資源的協調發展。 河南省實施了《河南省“十三五”水資源消耗總量和強度雙控工作實施方案》，嚴格控制水資源消耗強度，水資源利用方面有所改善但仍存在不足。為全面推進節水型社會建設，河南省在2020 年以十四五規劃精神為指引，要求進一步加強雙控約束性力度。 基于此，如何實現河南省水資源利用的可持續發展，不僅是河南省突破水資源短缺制約面對的新機會新挑戰，同時也是對河南省水利的高質量發展提出的新要求。

目前國內外研究水資源的方法多集中在水資源生態足跡定量分析[2]，水資源利用效率[3]及可持續利用情況評價[4]，水資源開發利用和水生態承載力[5]，水資源利用效率與經濟發展的脫鉤關系探究[6]等方面。 如潘安娥等[7]利用水足跡定量分析湖北省水資源用水量的真實情況，構建協調發展脫鉤評價模型對水資源消耗和經濟增長的協調關系進行分析，章恒全等[8]和管馳明等[9]用LMDI-Tapio兩階段法分解脫鉤指數分別探究長江三角洲地區和西北5 省總用水量與農業用水量變化與脫鉤狀態之間相關聯系；焦隆等[10]基于DPSIR模型和水足跡理論評價了桂林市水資源現狀與水資源生態承載情況；劉玉邦等[11]運用水生態足跡計算模型和LMDI分解法探究成都市水生態足跡影響因素；陳海濤等[12]采用熵權模糊綜合評價模型，對河南省水資源綜合承載力進行評價；尚瑞朝等[13]基于邯鄲市農業用水的結構特征，分析其水資源優化配置并做出預測。

綜上所述，在對于水資源利用方面的研究領域，尤其是水資源經濟發展與脫鉤關系方面，已經取得了一定的成果，但仍存在一些不足。 一是在水資源研究的指標選取方面，多為選取用水量指標，并未考慮與虛擬水理論結合的基于水足跡模型的相關水資源利用分析；二是在分析水資源利用與脫鉤狀態方面，雖然有關于脫鉤分解驅動因素的相關研究，但脫鉤分解驅動因素指標仍待改進。 三是在農業水資源利用方面，與不同水文年對比分析農業用水脫鉤狀態的研究較少。 基于此，本文選取河南省2004—2018 年數據，構建水足跡-擴展LMDI模型及脫鉤驅動因素分解模型，從技術改進、產業結構、規模經濟、常住人口4 個影響方面，從工業用水量和不同水文條件下農業虛擬用水量2 個角度，研究河南省水資源利用與經濟發展的相關關系，為河南省推動節水型城市建設，以及加強水資源利用效率，突破水資源短缺制約瓶頸，實現經濟高質量發展提供理論支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 水足跡及評價模型

水足跡模型主要用來衡量一個地區境內生產與服務與境外虛擬水進出口的總用水量，其中，在境內生產服務用水方面，主要由農業用水、工業用水、生活用水、生態用水4 個方面構成。 在水資源的水足跡計算模型之中，大多文獻選取農業用水量為基礎指標，忽略了農業隱藏水資源，即農業虛擬水，在農業生產當中的影響。 因此，本文參考余灝哲等[14]學者研究方法，選取農業虛擬水與實體水相結合構建水足跡評價模型，以期真實反映河南省水資源利用情況(表1)。 計算公式如下:

表1 水足跡評價公式

式中 WF——河南省水足跡總量；IWE——境內水足跡總量； AWU——農業虛擬水總量；IWU——工業用水總量；DWU——生活用水總量；EWU——生態用水總量；EWE——境外消耗虛擬水總量，由VWI(進口虛擬水量)和VWE(進口虛擬水再出口總量)構成，由于考慮到進口虛擬水再出口的數據獲取難度，一般選擇忽略不計。

1.2 基于水足跡的脫鉤模型構建

脫鉤模型廣泛用于資源環境與經濟發展之間不再互相依賴的程度和方向。 若水資源利用總量隨著經濟效益的增長而增加，即水資源利用效率與經濟增長呈現出耦合趨勢；若水資源利用總量隨著經濟效益的增長而減少，則稱之為水資源利用效率與經濟增長之間的脫鉤趨勢。 一般刻畫脫鉤模型的方法為基于完全分解技術的脫鉤分析法、LMDI-脫鉤彈性兩階段法、OECD脫鉤因子法、Tapio脫鉤彈性指數、Vehmast脫鉤指數模型等，但目前各種模型構建方法均在界定狀態方面存在一定的弊端。 因此，本文參考劉明勝等[15]研究，選擇不收量綱變化影響的Tapio脫鉤彈性指數構建水資源利用與經濟增長的脫鉤模型(表2)。

表2 脫鉤狀態分類表

式中 ΔWF——水足跡變化率；ΔGDP——河南省生產總值變化量；WFt、WF0、GDPt、GDP0——第t期和第0 期的河南省水足跡與生產總值。

脫鉤是水資源保持與經濟增長之間持續穩定鏈接趨勢的過程，依據不同的指標狀，參考路瑞等[16]、朱光磊等[17]脫鉤評價指標劃分方法，劃分為8 種脫鉤狀態。

1.3 水足跡-LMDI脫鉤模型構建及驅動因素分析

僅分析水資源利用與經濟發展的脫鉤分析，并不能很好地顯示出河南省水資源與經濟發展脫鉤態勢的影響方面，因此，本文在Tapio脫鉤模型定量分析的基礎上，參照孫付華等[18]對于分解脫鉤模型的理解與推導，引用擴展的LDIM模型，從技術改進、產業結構、規模經濟、常住人口4 個方面，進一步深化對河南省水資源利用與經濟發展脫鉤驅動因素的分化與分析。 分解公式如下:

式中 WFi——第i行業水足跡總量；GDPi——第i行業生產總值；P——河南省常住人口；Ii——第i行業用水強度；Si——第i行業生產產值在河南省生產總值占有比重；ln c——河南省人均生產總值。

基于以上分解因素，可以將水足跡總量分為以下4 個因素組成部分。

式中，分解因素WFI、WFS、WFlnc、WFP分別反映技術改進、產業結構、規模經濟、常住人口的4 個效應，并基于以上推到公式分解脫鉤模型，公式如下:

式中 eI、eS、elnc、eP——技術效應、產業結構效應、規模效應、人口效應引起的脫鉤因子變化。

1.4 數據來源與處理

本文涉及河南省2004—2018 年指標與數據，如農業、畜牧業生產產量、工業用水、生態用水、生活用水均，水文年份均來自于《河南省水資源公報》《河南省統計年鑒》《中國環境統計年鑒》。 在水足跡測算方面，依照2004—2018 年中國對美元市場匯率，將貿易值的美元單位依照匯率轉換為以人民幣單位對進出口虛擬水量進行計算。 生產總值指標處理方面，對河南省生產總值，第一產業增加值，第二產業增加值，均以1998 年為基準進行換算。 在計算農業生產產生的農業虛擬水方面，參照焦士興等[19]、潘忠文等[20]學者的研究，選取河南省主要糧食作物、水產品、畜牧產品計算農業產品的虛擬水含量。 具體農產品虛擬水含量見表3。

表3 單位產品虛擬水含量單位:m3/kg

2 實證分析

2.1 河南省水足跡變化分析

在河南省水足跡總量之中，農業虛擬用水量占很大一部分，工業用水位列第二。 在2004—2018 年期間，農業虛擬水、工業用水、生活用水和生態用水的用水總量年份均值中分別占比94.88%、2.86%、1.95%、0.5%，并于2008 年達到水足跡總量的最大值1 956.787 億m3(表4)。 農業虛擬水足跡呈現出先上升后減小的倒U型波動趨勢。 工業，生活水足跡則在此期間保持持續的增長趨勢，而生態水足跡波動較為不穩定，經歷了上升后短暫下降，又上升的變化趨勢。 水足跡的變動與河南省水資源相關政策和當年降雨量有一定的關聯，河南屬于農業大省，農業用水量較大，雖然農業技術方面的相關推廣和測試在不斷進行，但仍有部分區域存在農業灌溉技術粗放，存在水資源短缺和水資源承載力較弱的問題，人均水足跡占有量也相對較高，15 年總均值為1 917.97 m3/人，最高為2007 年2 082.12 m3/人，高于全國2007 年平均水平1 409.09 m3/人，即河南省人均水足跡與預期仍存在一定差距。

表4 2004—2018 年水足跡構成及相關評價指標

河南省水資源自給率相對較高，出口虛擬水量大于進口虛擬水量，處于虛擬水貿易順差，但從水資源匱乏指數在2004—2018 年間，除2013 年水資源匱乏指數達到8.38，其余年份波動范圍均在3.0 ～6.5，表明河南省水資源仍處于緊缺狀態。 面對嚴峻的水資源利用現狀，河南省在2013 年出臺《關于實行最嚴格水資源管理制度的實施意見》，嚴格把控用水效率控制紅線，水資源利用效率有所提升，到2014 年南水北調中線正式通水后，也在一定程度上緩解了河南省的用水壓力，水資源匱乏指數自2014年后逐漸下降，水資源利用效率則逐漸上升。/

2.2 河南省脫鉤分析

2.2.1 河南省整體脫鉤分析

對于水資源利用效率和經濟增長的脫鉤分析強調的是脫鉤過程的趨勢分析，而以往文獻多以1 年為周期進行相關研究，可能會存在效應影響難以體現的問題，因此本文設置2 年為一個周期，對河南省水資源利用效率與經濟增長進行脫鉤分析。

河南省水資源利用與經濟增長之間整體呈現出弱脫鉤的趨勢狀態。 在2004—2016 年段，河南省處于隨著經濟增長水資源利用效率也增長的弱脫鉤關系狀態之中，弱脫鉤因子在0.3 以下，在弱脫鉤狀態之中屬于良好階段。 自2016 年之后，河南省脫鉤狀態趨于穩定，有多于2/3 的年份處于弱脫鉤趨勢狀態，即處于隨著經濟增長河南省水資源用水量也在增多的狀態。 在2016—2018 年間，河南省水資源利用與經濟增長的脫鉤指數有著明顯的變化，強脫鉤趨勢加深，這與河南省嚴格控制用水效率有關，水資源利用效率提升，經濟增長的同時總用水量得以下降。

2.2.2 河南省工業與經濟增長的脫鉤分析

河南省工業用水利用效率與經濟增長的脫鉤狀態整體由弱脫鉤狀態向好發展。 在2004—2012 年，5 個年段間均處于弱脫鉤狀態，占年段總數的71.4%(表5)。 在此期間，隨著河南省工業生產總值持續增長，工業用水總量也在不斷增加，用水資源緊張且工業化程度加深，進一步加重了水環境污染問題。 在2012—2014 年度間，河南省工業脫鉤指數逐向強脫鉤狀態靠攏，提出嚴格把控節水環節，提高工業用水重復率等措施，脫鉤程度轉向經濟增長與用水資源相背離的狀態。 在2016—2018 年段之中，河南省工業脫鉤指數處于弱脫鉤轉態，脫鉤指數小于0.015，尚處于脫鉤的良好狀態。

表5 2004—2018 年河南省脫鉤狀態分析

2.2.3 不同水文條件下農業用水量變化及農業脫鉤分析

水文年是依據每年區域降水量等因素影響劃分制定，而降雨量的豐富程度對于農業的生產存在著一定的影響。 根據河南省2004—2018 年不同水文年份，可知河南省在平水年、偏枯年、偏豐年、枯水年的農業用水量均值分別為126.47 億、130.03 億、120.96 億、141.65 億m3(表6)。 在降雨量較多的偏豐年，農業用水明顯少于偏枯年與枯水年。 水文年份的不同對農業虛擬用水量也存在影響，在平水期進入偏枯水文年份，農業虛擬水足跡總量明顯高于偏枯水文年進入平水年，而農業生產總值的差別相對并不大，可以初步判斷降雨量對于農業脫鉤狀態可能存在一定的影響。

表6 不同水文年及河南省農業用水情況

河南省農業虛擬用水量與經濟增長脫鉤狀態整體趨于穩定。 在2004—2016 年段間，河南省農業脫鉤處于弱脫鉤趨勢狀態，在2006—2008 年段脫鉤指數由0.502 下降到0.470，接近擴張鏈接階段，表明經濟增長的同時農業虛擬用水量也在快速的增加，農業耗水加大。 由于河南省屬于農業大省，在部分地區存在灌溉水節水不到位，農業水資源利用效率低下等問題，因此農業用水一直處于河南省用水消耗量的重要組成部分。 從2008 年開始，河南省加大對大型灌區節水改造，并積極推動水利工程建設，在2008—2018 年段間，河南省農業水資源利用與經濟增長的脫鉤狀態向強脫鉤趨勢狀態靠攏，并呈現出持續加強的態勢，這一結果與雷玉桃等[21]、彭虹等[22]學者對農作物虛擬水及農業用水量變化趨勢的預測大致相同。 在2017 年，河南省出臺了《河南省“十三五”水資源消耗總量和強度雙控工作實施方案》，為減少水資源消耗、提高用水效率提出了嚴格的要求，促進用水方式與經濟發展方式轉變，進一步控制水資源利用率，農業用水量與農業產值增長逐漸向理想狀態趨近。

2.3 河南省脫鉤驅動因子及效應分析

本文主要運用擴展的LMDI分解法，在Tapio脫鉤彈性模型的基礎上，結合Kaya恒等式，將河南省水資源利用與經濟發展脫鉤彈性指數分解為技術效應、產業結構效應、規模效應、人口效應四大脫鉤變化因子。

2004—2018 年，河南省水資源利用效率與經濟增長脫鉤因子分為以技術效應和人口效應為主的負相驅動因子變化，和以規模效應和產業結構效應為主的正向脫鉤因子變化(表7)。 其中，技術脫鉤因子效應的絕對值持續下降，對河南省脫鉤的脫鉤貢獻率整體均值為負的6.84，脫鉤因子為河南省水資源脫鉤的主要促進因子。 技術效應絕對值從2004年的356.99 下降到2018 年的340.19，下降幅度并不大，表明河南省水資源利用技術在15 年間持續增長，但由于農業灌溉技術推廣尚不成熟，部分地區農業灌溉技術較為粗放，技術改進推廣成果較慢等原因，技術效應雖然對水資源利用效率和經濟增長的脫鉤趨勢有所貢獻，但仍存不足。 而河南省產業脫鉤因子變化則對河南省水資源利用效率和經濟增長的脫鉤貢獻率為0.29，產業脫鉤效應絕對值呈現先下降后上升的波動趨勢，變動趨勢并不穩定，產業驅動因子則為河南省水資源脫鉤的次要促進因子。 在正向脫鉤因子變化之中，規模脫鉤因子對河南省脫鉤趨勢有著正向驅動作用，為主要抑制因子，規模脫鉤效應貢獻率整體均值為7.59，但在2004—2018年規模驅動效應逐年減弱。 而人口驅動因子變化對于河南省脫鉤趨勢的作用較小，對河南脫鉤效應整體貢獻率均值為負值0.04，人口脫鉤因子呈現先下降后上升的波動趨勢，對河南省脫鉤抑制作用并不明顯。

表7 河南省脫鉤因子分析

3 結論及建議

a)河南省人均水足跡占有量和自給率相對較高，處于虛擬水貿易順差狀態，整體水資源匱乏情況有所緩解但仍處于緊缺狀態。 在用水量方面，農業虛擬水足跡呈現出先上升后減小的倒U型波動趨勢，工業、生活水足跡則在此期間保持持續的增長趨勢，而生態水足跡波動較為不穩定。

b)河南省水資源利用與經濟增長之間整體呈現出弱脫鉤的趨勢狀態，工業用水利用效率與經濟增長的脫鉤狀態整體較弱。 農業虛擬用水量與經濟增長脫鉤狀態則整體趨向于穩定，且水文年份的不同對農業虛擬用水量存在著影響，在平水期進入偏枯水文年份，農業虛擬水足跡總量明顯高于偏枯水文年進入平水年。

c)河南省脫鉤因素分解方面，技術效應對水資源利用效率和經濟增長的脫鉤趨勢有所貢獻，但仍存不足，人口驅動因子變化對于河南省脫鉤趨勢的作用較小，規模脫鉤效應對河南省脫鉤趨勢有著正向驅動作用，但驅動效應逐年減弱，而產業脫鉤因子變化變動趨勢并不穩定，且對河南省水資源利用效率和經濟增長的脫鉤貢獻并不明顯。