大同市水資源利用與經濟高質量發展聯動關系研究

赫振平

（大同市冊田水庫管理中心，山西 大同 037300）

習近平總書記在第十九屆中共中央政治局第二十九次集體學習時強調，生態環境保護和經濟發展是辯證統一、相輔相成的，建設生態文明、推動綠色低碳循環發展，不僅可以滿足人民日益增長的優美生態環境需要，而且可以推動實現更高質量、更有效率、更加公平、更可持續、更為安全的發展，走出一條生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路[1]。大同市作為海河流域的重要城市，是全國嚴重缺水城市之一，人均水資源占有量僅為全國平均水平的15%，地下水資源長期“透支”，地表水沒有充分有效利用，水資源供需矛盾較為突出，成為制約大同市經濟高質量發展的瓶頸[2]。基于水資源生態足跡模型、Tapio脫鉤模型與LMDI模型，對大同市水資源利用與經濟高質量發展聯動關系進行研究，為制定相關政策、緩解水資源壓力、保證水資源安全、推動區域經濟高質量發展提供參考。

1 研究區概況

大同市是海河流域的重要城市，位于山西省北部，是中國首批24個國家歷史文化名城之一、國家新能源示范城市、國家重要能源基地。2020年，全市常住人口310.56萬人，城鎮化率72.7%，地區生產總值1 369.9億元，三產結構比為5.1∶37.0∶57.9。

大同市屬高原溫帶季風型大陸性氣候，多年平均降水量416.4 mm，多年（1956—2014年）平均蒸發量1 011.5 mm，干旱指數2.43，多年（1994—2020年）平均水資源總量7.186億m3，人均水資源量209 m3，遠低于國際公認的維持地區經濟發展必需的1 000 m3的臨界值，屬極度缺水地區。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文數據主要來自于1994—2021年《山西省統計年鑒》《山西省國民經濟和社會發展統計公報》、1997—2020年《大同市國民經濟和社會發展統計公報》、1999—2019年《山西省水資源公報》，同時也收集了其他相關資料數據。對于公報與統計年鑒中的GDP值，以1994年為基準年，運用平減指數法將1994—2020年的大同市地區生產總值換算成可比價與水資源利用相關指標進行研究。

2.2 研究方法

2.2.1 水資源生態足跡模型

水資源在維持生態環境和進行社會生產中具有不可替代的作用，水資源生態足跡是指在特定的人口和經濟狀況下，維持水資源消費和自然環境所必需的生態生產性面積。其意義可表述為兩個方面，一是人類在生活生產中消耗水資源的過程，二是自然環境維持自身不斷進化對水的需求過程[3]。

（1）水資源生態足跡計算公式為：

式中：EFw為水資源生態足跡（hm2）；N為區域人口數（人）；efw為人均水資源生態足跡（hm2/cap）；γw為水資源的全球均衡因子，取5.19；W為人均消耗的水資源量（m3）；ρw為水資源全球平均生產能力（m3/hm2），取3.14×103m3/hm2。

（2）水資源生態承載力。水資源承載力是指某一地區在某一歷史發展階段，水資源所能支持的生產、生活和生態良性持續發展的能力。水資源生態承載力模型可表示為：

式中：ECw為區域水資源承載力（hm2）；eCw為人均水資源承載力（hm2/cap）；Q為水資源量（m3）；φ為區域水資源的產量因子，依據文獻[3]取0.29；其余變量含義同上。相關研究表明，一個地區的水資源開發利用率超過30%～40%時，就有可能引發該區域生態環境的惡化，因此需扣減區域水資源承載力的60%用于維持正常的生態環境需水量。

（3）水資源生態壓力指數。水資源生態壓力指數值可以表明水資源安全受到威脅的程度，越小越安全，其計算公式為：

（4）萬元GDP水資源生態足跡。萬元國內生產總值（GDP）水資源生態足跡是指區域水資源生態足跡與區域GDP的比值，可以用來衡量區域內水資源的利用效率，其計算公式為[4]：

2.2.2 Tapio脫鉤模型

脫鉤理論一般被用于資源消耗或環境污染與經濟增長之間相互糾纏變化的關聯關系研究。脫鉤的本質是指隨著經濟的增長水資源利用效率提高而水資源利用總量增速放緩，直至最終實現零增長甚至負增長[5]。Tapio脫鉤模型可表示為：

式中：e為脫鉤指數；ΔW為水資源利用變化量（億m3）；ΔE為經濟增長變化量（億元）；Wt、Wt-1分別為第t年、第t-1年的水資源利用量（億m3）；Et、Et-1分別為第t年和第t-1年的經濟指標（億元）。根據ΔW和ΔE的正負以及脫鉤指數，現將脫鉤狀態劃分為表1中的8種情況。

表1 水資源利用量與經濟增長脫鉤狀態的劃分標準

2.2.3 LMDI模型

對于極度缺水地區而言，如何解決水資源短缺與經濟增長之間的矛盾，需揭示出引起水資源利用變化的主要驅動因素。基于LMDI模型將大同市水資源利用總量分解為結構效應、技術效應、經濟效應、人口效應，以期找到驅動因素效應的變化規律[5]，計算公式如下：

式中：W為水資源利用總量（億m3）；Wi為第i行業用水量（億m3）；G為國內生產總值（億元）；P為人口（億人）。

在式（6）中加入結構效應、技術效應和經濟效應后可表示為：

式中：Si=Wi/W為第i行業用水量占水資源利用總量的比值，代表結構效應；Y=W/G為單位GDP用水量，代表技術效應；γ=G/P為人均GDP，代表經濟效應；P為人口效應。

本文采用文獻[5]中的LMDI加法分解方式計算水資源利用總量的變化，計算公式如下：

式中：ΔW為水資源利用總量變化（億m3）；Wt為第t年水資源利用總量（億m3）；W0為基準年水資源利用總量（億m3）；ΔWs、ΔWY、ΔWr、ΔWP分別為結構效應、技術效應、經濟效應、人口效應引起的水量變化（億m3）。式（9）—（12）表示各種效應對水資源利用總量變化的影響，當計算值大于0時，表示該效應為正向效應，表現為促進水資源利用量的增加；當計算值小于0時，表示該效應為負向效應，表現為抑制水資源利用量的增加[6]。

3 計算分析

3.1 水資源利用與區域經濟發展

3.1.1 水資源利用

圖1為1994—2020年大同市水資源利用總量及各行業用水量變化。

圖1 1994—2020年大同市水資源利用總量及各行業用水量變化

由圖1可知，1994—2020年大同市水資源利用總量及各行業用水量整體呈上升趨勢[7]，年均增長率約為8.4%。2019年，全市總供水量6.34億m3，其中地表水源供水量2.73億m3，占總供水量的43.1%；地下水供水量3.10億m3，占總供水量的48.9%；其他水源占總供水量的8.0%。2020年，全市用水總量6.16億m3，農業、工業、生活、林牧漁、生態用水量占比分別為57.1%、16.4%、17.7%、1.9%、6.9%，農業用水量占比較大。

（1）水資源開發利用程度。表2為大同市水資源開發利用程度，水資源開發利用程度由水資源開發利用率來體現，為年取用的淡水資源量占可以獲得的或可更新淡水資源量的百分比。由表2可知，大同市水資源開發利用程度由1994—1999年的63.2%逐年攀升至84.0%，2010—2019年全市用水總量與河川年徑流總量比值平均為162.0%，大同市供水以地下水水源為主，地下水水資源長期“透支”，超采歷史欠賬嚴重。自1980年以來，大同市地表水衰減嚴重，逐漸不能滿足生活生產需要，城鎮生活和工業主要使用地下水源，多年來的開發利用導致地下水超采嚴重。水資源生態壓力指數高達0.86，表明大同市水資源在近期雖然可以勉強維持正常的生產生活用水，但從長期來看水資源安全形勢不容樂觀。

表2 大同市水資源開發利用程度

（2）水資源利用的保證率。水資源利用的保證率是指水資源利用在無法采取措施完全免除自然災害或滿足實際需求的情況下抵御風險的程度。采用皮爾遜P-Ⅲ型頻率曲線對1994—2020年大同市水資源總量數據進行計算，得出P-Ⅲ型頻率曲線三參數（Ex、Cv、Cs）分別為7.19億m3、0.2、1.17。

在大同市水生態環境保護“十四五”規劃中，2025年全市水資源配置總量為7.4億m3，其中引用黃河水配置量1.98億m3。由表3可知，在年調用黃河水1.98億m3的情況下，水資源總量扣減30%用于維持正常的生態環境需水量后，2025年規劃水資源配置的保證率僅為29.1%，說明大同市水資源利用抵御風險的能力較弱。

表3 大同市水資源總量保證率

（3）水質安全形勢。2020年，大同市12個國考和省考斷面全部消除劣Ⅴ類水，城市建成區黑臭水體徹底根除，18家飲用水水源地水質均達到或優于Ⅲ類標準，河流生態水量逐步恢復。但總體來看，大同市全域生態系統脆弱問題、結構性污染問題、環境風險隱患問題依然存在，生態環境質量仍是大同市實現高質量發展的突出短板[2]。

3.1.2 區域經濟發展情況

由大同市地區生產總值構成變化圖2可知，1994—2020年大同市地區生產總值由1994年的106.3億元增加到2020年的1 369.9億元，地區經濟發展速度較為迅速。2020年，全市地區生產總值按不變價格計算，比上年增長4.3%，增速全省排名第4。其中，第一產業增加值70.4億元，增長1.4%，占地區生產總值的比重為5.1%；第二產業增加值506.7億元，增長7.0%，占地區生產總值的比重為37.0%；第三產業增加值792.7億元，增長2.8%。三產比重由1994年的12.76%、59.16%、28.08%至2020年變化為5.1%、37.0%、57.9%，第三產業持續攀升。大同市地區生產總值增速雖然在全省排名中位列第4，但是大同市在山西省乃至全國城市經濟總量與人均GDP排名都較為靠后，還存在較大差距。

圖2 大同市地區生產總值構成變化

3.1.3 水資源利用和經濟增長關系

圖3為大同市地區生產總值（不變價）與用水總量變化。由圖3可知，1994—2013年大同市地區生產總值與年用水總量同步增長，相關分析表明兩者呈高度正相關；2013—2020年年用水總量呈下降趨勢，地區生產總值與年用水總量為負相關。2020年，大同市萬元地區生產總值用水量和萬元工業增加值用水量較2015年分別下降了15%和14%，生態環境用水比例持續上升，同期地區生產總值持續上升，表明“十三五”期間大同市水安全保障工作取得了成效，水資源利用效率不斷提高，用水結構逐漸趨于合理。

圖3 大同市地區生產總值（GDP）與總用水量變化

3.2 水資源生態足跡

3.2.1 人均水資源生態足跡變化

表4為大同市1994—2020年水資源生態足跡相關指標。由表4可知，1994—2020年大同市人均水資源生態足跡整體呈緩慢上升趨勢，人均水資源生態足跡增長速率約為1.3‰；農業用水生態足跡和生活用水生態足跡整體也呈緩慢上升趨勢。通過回歸分析表明，只有人均工業用水生態足跡呈下降趨勢，近5 a來人均工業用水生態足跡由前20 a平均的0.067 9 hm2降低到了0.048 5 hm2，降幅達28.5%，而生活用水生態足跡呈緩慢上升趨勢，因而導致了人均生活用水生態足跡于2016年超過了人均工業用水生態足跡。至2019年，人均農業用水生態足跡、工業用水生態足跡、生活用水生態足跡比例為63∶18∶19，說明大同市農業用水在總用水量中占主導地位，工業與生活用水基本持平。具體情況，如圖4所示。

圖4 大同市人均水資源生態足跡生產賬戶的變化

表4 大同市1994—2020年水資源生態足跡相關指標

圖5為大同市萬元GDP與糧食產量水資源生態足跡。由圖5可知，大同市萬元GDP水資源生態足跡與糧食產量水資源生態足跡逐年下降，年下降率分別為2.4%、5.2%，說明大同市經濟結構調整、重工業產業調整轉型、高新技術的應用、實行最嚴格水資源管理制度等在經濟高質量發展中發揮了積極作用，水資源利用效率逐年提升[8]。圖5中糧食產量水資源生態足跡的突起，是由于1999年和2001年大同市遭受了嚴重干旱自然災害，年降雨量減少約120 mm，減少幅度約為30%，糧食等主要農產品產量大幅減產所致。

圖5 大同市萬元GDP與糧食產量水資源生態足跡

3.2.2 水資源生態承載力空間

圖6為大同市人均水資源生態足跡與生態承載力對比。由圖6可知，1994—2020年大同市人均水資源生態足跡與人均水資源生態承載力曲線越來越趨于接近，水資源生態壓力指數多年平均值為0.82，2019年水資源生態壓力指數高達0.87。1994—2020年期間，2001年和2011年水資源生態盈余為負，說明大同市經濟發展超出了水資源的承載能力；1999、2006、2009、2014年水資源生態盈余接近0，說明水資源生態承載力空間嚴重不足[9]。

圖6 大同市人均水資源生態足跡與生態承載力對比

3.3 水資源利用與經濟增長的脫鉤效應

采用Tapio脫鉤模型計算大同市1994—2020年全市水資源利用總量與GDP、工業用水量與工業增加值、農業用水量與農業增加值相應的脫鉤指數，并按照脫鉤狀態的劃分標準（見表1）進行脫鉤評價，評價結果詳見表5。

表5 大同市水資源利用與經濟增長脫鉤評價

（1）工業脫鉤狀態。工業用水與工業增加值增長脫鉤狀態出現強脫鉤11次、弱脫鉤4次、衰退脫鉤3次、擴張連接1次、擴張負脫鉤5次，脫鉤狀態略占優勢，近2 a表現為強脫鉤和弱脫鉤，這反映了用水監管加強與工業產能結構進行逐步調整的狀況。

（2）農業脫鉤狀態。農業用水與農業增加值增長脫鉤狀態出現強脫鉤10次、弱脫鉤6次、弱負脫鉤1次、強負脫鉤4次、擴張連接3次，農業糧食產量與農田灌溉用水量的脫鉤狀態與農業增加值增長與農業用水的脫鉤情況基本一致。近4 a來，大同市農業增加值增長與農業用水脫鉤情況表現為弱脫鉤向強脫鉤狀態的轉變，說明農業與水利實施的灌區渠系節水改造、高標準農田建設以及高效節水灌溉技術應用在一定程度上提高了農業節水水平[10]。

（3）總體脫鉤狀態。1994—2020年大同市水資源利用總量與地區生產總值增長的脫鉤關系出現了4種狀態，共有強脫鉤7次、弱脫鉤14次、擴張負脫鉤2次、衰退脫鉤1次，整體脫鉤態勢良好，近10 a總體脫鉤狀態處于由弱脫鉤向強脫鉤發展。總體而言，大同市水資源利用與經濟增長的脫鉤關系正在向逐步協調的方向發展，兩者的協調程度在不斷加強。

3.4 大同市水資源利用量變化驅動因素

為深入研究大同市水資源利用量變化的驅動因素，以1994年為基準年，采用LMDI模型的加法分解方式將水資源利用量的變化分解為結構效應、技術效應、經濟效應和人口效應。在結構效應中，將農業、工業、城鎮居民、農村居民、林牧漁與生態等用水量均加入模型進行計算。

圖7為1994—2019年大同市水資源利用量變化效應分解。由圖7可知，在影響水資源利用量變化的4種效應中，經濟效應、人口效應與結構效應三者為正值，3種效應促進水資源利用量增加的作用占比分別為46.35 %、6.86%、0.03 %，說明經濟效應是目前促進大同市水資源利用量逐年增加的主要因素，人口效應與結構效應影響較小。在4種效應中，只有技術效應值為負值，技術效應是目前抑制大同市水資源利用量增加的唯一因素，至2019年技術效應累積值為-154.06億m3，累積貢獻率為720.74%，抑制作用占比為46.76%，說明技術進步在促進節水、抑制水資源利用量增加、提高水資源利用效率上作用明顯[11]。

圖7 大同市水資源利用量變化效應分解

在大同市水資源利用中，技術效應的抑制作用小于其他3種效應的促進作用，水資源利用量總效應的線性回歸方程為y=0.09x-17.08。其相關指數為0.774，屬顯著正相關，表明大同市水資源利用量呈逐年增加態勢。

4 結論

基于水資源生態足跡模型、脫鉤模型和LMDI模型，對大同市水資源利用與經濟高質量發展聯動關系進行研究，得出以下結論。

（1）1994—2020年大同市水資源利用量整體呈上升趨勢，人均水資源生態足跡呈緩慢上升趨勢，人均水資源承載力呈下降趨勢，水資源生態承載力空間逐年減小，水資源生態壓力指數持續增高，已接近0.9，水資源生態壓力極大，水資源長期可持續利用安全形勢較為嚴峻。

（2）萬元GDP水資源生態足跡逐年降低，萬元地區生產總值用水量和萬元工業增加值用水量較2015年分別下降了15%和14%，農田灌溉有效利用系數提高到了0.558，生態環境用水比例持續上升，表明大同市水資源利用效率逐年提高。

（3）水資源利用與經濟增長的脫鉤關系由脫鉤略占優勢逐漸轉變為弱脫鉤與強脫鉤占主導地位，說明大同市經濟增長與水資源利用的關系正在向逐步協調方向發展。

（4）在影響水資源利用量變化的4種效應中，技術效應是目前抑制大同市水資源利用量增加的唯一因素，其抑制作用占比為46.76%，說明技術進步在促進節水、抑制水資源利用量增加、提高水資源利用效率上作用明顯。但是，技術效應的抑制作用小于其他3種效應的促進作用，水資源利用總量還在逐年增加。

大同市是國家重化工能源基地，在立足新發展階段、全面貫徹新發展理念、構建新發展格局下的高質量發展中，應認清水資源承載力空間不足嚴重形勢，不斷強化自身實力，進一步優化調整產業結構，加快高效節水灌溉技術的實施，改進煤炭、能源等高耗水行業的生產工藝，大力發展第三產業、新興產業，在新舊動能增長轉換等方面不斷加快創新型驅動戰略的實施。