河北省城鎮居民生活層次化用水的影響因素分析

刁子乘，趙 晶，韓宇平，趙澤陽

（華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046）

0 引 言

隨著城鎮化進程的不斷加快，居民生活用水成為新的需水增長點。居民生活用水的影響因素研究也逐漸受到重視，居民生活用水主要受4方面因素的影響:①人口因素，熊升銀等［1］通過研究發現城鎮居民用水人口數增加1%，用水需求則會上升0.943個百分點。董婕等［2］認為在城鎮化進程快速發展中，城市生活用水量具有隨城鎮化率的變化呈現單調上升的特征。②節水技術，節水器具普及率和管網耗損率是生活需水量增長的重要制約因素［3］。Duarte［4］發現用水強度的下降是總用水增長大幅度減少的原因。佟金萍等［5］認為促進節水技術的改進和推廣以提高產業和地區用水效率是進一步降低我國萬元GDP 用水量的主要途徑。③經濟發展水平，左其亭等［6］認為城市人均生活用水量與城市GDP呈現S型曲線關系。劉強等［7］經過研究發現，經濟發展水平的提高帶來了居民用水的增長。④氣候因素，Willis 等［8］在美國亞利桑那州的定量分析表明，年均溫度上升10 ℃，會導致人均居民生活用水量提升6.6%。DuroJ 等［9］研究表明氣溫升高導致蒸發增大，會增加家庭日用水量。

國內外學者采用主成分分析法［10］、灰色關聯分析法［11］、多元逐步回歸分析法［12］、集對分析法［13］等多種方法開展用水影響因素分析研究，但定量表示各影響因子對用水變化的影響程度仍是研究的難點。Ang 等［14］人提出因素分解法，用于分析不同驅動因子的變化對研究對象的影響程度， Ang 認為對數均值迪式指數分解法（Logarith Micmean Divisia Index，LMDI）是因素分解法中的最優方法，該方法不僅解決了零值問題，并且給出了完美的分解，相較于其他方法能夠對影響水資源利用的驅動成分進行全分解、無殘差的分析［15］，因此近年來被廣泛地用于水資源領域。張豫芳［16］通過LMDI因素分解法分析影響烏魯木齊市用水量的因素，經濟發展水平與用水強度是烏魯木齊市用水總量變化的決定因素；產業結構調整和產業技術升級對用水總量增加有一定抑制作用，但作用不強。陳磊等［17］對廣東省城鎮生活用水量變化進行LMDI 分解，發現人口變化效應屬于生活用水總量增加的最主要正向驅動指標，用水強度效應是負向驅動指標。朱世垚等［18］以榆林市為研究區，通過LMDI 因素分解識別人口效應和經濟效應為正向驅動效應，且經濟效應起主導作用，節水技術水平為負向驅動效應。

目前，大多數基于因素分解模型的研究偏向于用水總量的影響因素，對剛性、彈性、奢侈3 個層次的居民生活用水因素的分解未見報道。在層次化需水研究中已將城鎮居民生活用水細分為飲用水、烹飪用水、洗漱用水、環境清潔用水、洗衣用水、洗澡用水及沖廁用水共七部分，針對河北省城鎮居民2016年和2020年用水行為開展問卷調查，基于剛性、彈性、奢侈用水層次理論，構建居民層次化生活需水評判模型，并通過調查問卷進行參數率定，計算各用水行為的層次化用水量。本文在河北省城鎮居民層次化需水研究的基礎上，運用LMDI 因素分解定量分析各影響因素對剛性、彈性和奢侈用水量的影響程度，為提高居民節水水平與保障供水安全提供基礎支撐。

1 研究方法與數據處理

1.1 LMDI因素分解模型構建

本研究運用Kayal 恒等式［19-21］和LMDI 因素分解法，構建因素分解模型來計算各影響因素變化對河北省居民家庭生活用水變化的貢獻率。

Kayal 恒等式由日本教授Yoichi Kaya 提出，它通過數學公式來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的關聯關系［21］。本文對Kayal 恒等式進行擴展，構建了居民生活用水變化的因素分解模型。將河北省第t年各層次城鎮居民各層次生活用水（W）分解如下:

式中:W為河北省城鎮居民剛性、彈性和奢侈用水量，用W1表示剛性用水量，W2表示彈性用水量，W3表示奢侈用水量，萬m3；P為河北省城鎮居民常住人口數，萬；G表示國內生產總值，萬元。

則河北省各層次生活用水總量W可表示為:

則河北省各用水行為在第0 年至第t年的變化可以如下表示:

式中:ΔW為人口規模效應，表示人口數量變化引起的各層次生活用水變化量；ΔA為經濟發展水平效應，表示經濟增長引起的各層次生活用水變化量；ΔT為節水技術水平效應，表示用水強度，該指標越低，說明水資源利用效率越高。若某個分解效應為正，則表示該效應對生活用水耗用量有推進作用，若為負，則表示該效應對生活用水耗用量有抑制作用。

LMDI 加法分解的概念清晰且具有一定物理意義，本研究在Kayal 恒等式的基礎上選用加法分解的形式分析人口規模效應、經濟發展水平效應、節水技術水平效應三種影響因素對居民生活用水的貢獻值［19］，依據LMDI進一步整理得:

1.2 研究區概況

河北省地處華北腹地，2020年河北省水資源總量146.26 億m3（扣除地表水和地下水資源的重復計算量），其中地表水資源量55.71 億m3，地下水資源量130.31 億m3，人均水資源量為196.2 m3，僅為全國人均水資源量的1/7，遠低于國際公認的人均500 m3的“極度缺水標準”，為典型的資源性缺水地區。此外，河北省作為京津冀協同發展的重要組成部分，內部存在水資源分布不均的問題以及社會經濟發展狀況不平衡的問題，為此選擇河北省11個市作為研究區。

河北省2016-2020 年居民生活用水情況變化趨勢如圖1，河北省生活用水總量近五年來保持增長的趨勢，2016年河北省生活用水總量為20.71 億m3，2020年為26.97 億m3，年均增長率為30%；人均生活用水方面，2016 年為117 L/d，2020 年為119 L/d，總體保持先增后降、波動增長的趨勢。

基于河北省城鎮居民層次化需水研究結果，河北省各城市分層次用水量變化情況見圖2。2016年河北省城鎮居民生活用水量最多的城市為石家莊市，為3.21 億m3，其中剛性、彈性、奢侈用水量分別為1.53、1.10 和0.57 億m3。其次為邯鄲市和唐山市，邯鄲市城鎮居民用水總量為2.19 億m3，唐山市城鎮居民用水總量為1.82 億m3。2020 年全省用水量最多的三個城市為石家莊市、邯鄲市和保定市。石家莊市城鎮居民用水總量為3.97億m3，其中剛性、彈性、奢侈用水量分別為1.72、1.16 和1.08 億m3。邯鄲市城鎮居民用水總量為2.67 億m3，保定市城鎮居民用水總量為1.94 億m3。全省來看，剛性用水量最多，其次為彈性用水量，奢侈用水量最少，石家莊市各層次用水量均為最多。

圖2 河北省各城市分層次用水量變化情況Fig.2 Changes in water consumption at different levels in cities in Hebei Province

1.3 數據來源

基準年選擇2016 年和2020 年，所涉及的人口數據、各市城鎮化率、各城市GDP 數據均來源于《河北省統計年鑒》、第七次人口普查數據以及各市國民經濟與社會發展統計公報。各城市2016 年和2020 年各用水行為不同層次的用水量數據來自于上篇文章《河北省城市居民層次化需水研究》。

2 生活用水驅動因素的LMDI分解

生活用水影響因素包括人口、節水技術、經濟發展水平和氣溫［2-10］。根據河北省氣候公報數據，2016 年河北省平均氣溫12.6 ℃，2020 年河北省平均氣溫12.6 ℃，2020 年較2016 年溫度變化不大，故本研究暫不考慮氣溫因素影響。本文選擇人口、節水技術、經濟發展水平3個因素利用LMDI模型測算人口規模效應、經濟發展水平效應、節水技術水平效應對不同區域不同層次生活用水量的影響。

2.1 全省不同層次生活用水驅動因素的LMDI分解

全省人口規模效應、經濟發展水平效應、節水技術水平效應對各層次生活用水變化的貢獻值測算結果如圖3所示。剛性用水中，人口增長和經濟發展對剛性用水的增長起到促進作用，效應值分別為8 606、68 223 萬m3。節水技術進步抑制剛性用水增長，節水技術水平效應值為-71 382 萬m3。對彈性用水中，人口增長和經濟發展對彈性用水的增長起到促進作用，節水技術進步對彈性用水增長具有抑制作用，3 個影響因素的效應值分別為6 024、6 700 和-6 064 萬m3，經濟發展是促進用水量提升的首要因素。在奢侈用水中，人口規模效應和經濟發展水平效應均對奢侈用水的增長起到正向作用，節水技術水平的提升則抑制了奢侈用水的增長，人口規模效應值為3 338 萬m3、經濟發展水平效應值為21 464 萬m3、節水技術水平效應值為-14 276 萬m3。因此，在各層次中人口增長和經濟發展促進用水量的增長，節水技術發展抑制用水量增長。

圖3 河北省用水效應分解圖Fig.3 Decomposition of water effects in Hebei Province

通過以上分析可以得出如下結論:①城鎮居民剛性、彈性和奢侈用水均增長，奢侈用水漲幅最大，其次為彈性用水、剛性用水。②人口規模和經濟發展水平對3個不同層次用水均為正面效應，節水技術水平效應為負面效應，然而節水技術未完全抵消經濟發展和人口規模的影響，河北省城鎮生活用水量總體依然增長。③隨著層次的提升，經濟發展水平效應和人口規模效應和節水技術水平效應均逐漸呈現減弱趨勢。剛性用水中節水技術水平效應值最大，彈性用水和奢侈用水中經濟發展水平效應值最大。

2.2 河北省各城市不同層次生活用水驅動因素的LMDI分解

2.2.1 剛性用水

從人口規模上看，全省除滄州市外，人口規模效應均為正值，說明人口增長對剛性用水量的增長起正向促進作用。根據《滄州市統計年鑒》2016年滄州市城鎮人口379.48 萬，第七次人口普查顯示，2020年滄州市城鎮人口373.33 萬，城鎮人口下降，導致滄州市剛性用水中人口規模效應值為負。

從節水技術水平上看，全省節水技術水平效應值為負值，2016-2020年間節水技術進步有效抑制了剛性用水量的增長。

從經濟發展水平上看，全省經濟發展水平效應值均為正值，且在各城市正向效應中經濟發展水平效應值均為最大，可見經濟發展對城鎮居民剛性用水量的增長起到主要促進作用。

石家莊市、張家口市、邯鄲市、廊坊市、邢臺市和衡水市剛性用水量增長，其中增長最多的為石家莊市，剛性用水量增長1 879 萬m3。唐山市、滄州市和承德市剛性用水量下降，其中降幅最大的為承德市，剛性用水量下降508 萬m3。各城市促進剛性用水增長的主要因素是主要驅動因素是經濟發展，城鎮人口規模的擴大也是剛性用水增長的重要原因。對于剛性用水下降的城市來說，節水技術進步帶來的抑制作用明顯，有效抑制剛性用水量的增長。

在剛性用水中，大部分城市用水量增長，唐山市、滄州市和承德市用水量下降。大部分城市中人口規模效應和經濟發展水平效應對用水量的增長有促進作用，節水技術水平效應值均為負值，用水效率提升，抑制用水量的增長。

表1 河北省各城市剛性用水效應分解表 萬m3Tab.1 Decomposition table of rigid water effect in cities in Hebei Province

2.2.2 彈性用水

從人口規模效應上看，全省除滄州市外，人口規模效應均為正值，人口規模的擴大對彈性用水量的增長有正向的作用。

從經濟發展水平效應上看，各城市經濟發展水平效應為正值，說明經濟的發展會促進彈性用水量的增長，究其原因，是經濟發展使人們用水方式發生轉變，更加追求生活質量。

從節水技術水平上看，除張家口市外，全省節水技術水平效應為負值，節水技術的進步抑制用水量增長。

邢臺市彈性用水量下降，下降477 萬m3，說明邢臺市節水技術水平對邢臺市彈性用水增長的抑制作用明顯，其他城市彈性用水均增長，其中張家口市彈性用水增長最多，為2 083 萬m3，主要原因是經濟發展使人均彈性用水量快速增長，節水技術發展緩慢不能有效抑制用水量增長。由表2 可知，經濟發展是彈性用水增長的主導因素，人口規模擴大是彈性用水增長的重要因素。

表2 河北省各城市彈性用水效應分解表 萬m3Tab.2 Decomposition table of elastic water effect in cities in Hebei Province

表3 河北省各城市奢侈用水效應分解表 萬m3Tab.3 Decomposition table of luxury water effects in cities in Hebei Province

在彈性用水中，大部分城市彈性用水量增長，城鎮人口規模擴大和經濟發展是彈性用水量增長加的主要原因。同時，節水技術的發展進一步提升了用水效率，對彈性用水的增長起到抑制作用，其中抑制效果最明顯的為邢臺市，出現了負增長的情況。

2.2.3 奢侈用水

從人口規模效應來看，除滄州市外，全省的人口規模效應值均為正值，人口增長是城鎮居民奢侈用水量增長的原因之一。

從經濟發展水平上看，全省經濟發展水平效應值均為正值，說明居民生活水平進一步提高，家用電器進一步普及，用水習慣和衛生習慣發生變化，導致奢侈用水量增長。

從節水技術水平效應來看，除石家莊是節水技術水平效應值為負值外，其余城市均為負向作用，全省各市之間技術發展水平速度差距較大，河北省大部分城市的用水技術需要進一步提高。石家莊市2016-2020年期間，經濟發展較緩慢，但石家莊市作為河北省省會，水資源壓力小，城鎮居民更加追求生活質量，水資源需求量增大，人均奢侈用水量增長，節水技術和結構調整后的節水效應跟不上，節水技術不能起到有效的抑制作用。

唐山市、滄州市、秦皇島市和承德市奢侈用水量減少，其中唐山市奢侈用水量下降最快，為1 143 萬m3，唐山市和滄州市處于河北省經濟較發達的區域，節水技術水平較高，節水技術對用水量增長的抑制作用明顯。奢侈用水量增長最多的是石家莊市，為5 084 萬m3，經濟發展是主要原因，同時節水技術不能起到有效的抑制作用，導致奢侈用水增長。

在奢侈用水中，大部分城市奢侈用水量增長，各城市中城鎮人口規模擴大和經濟發展是奢侈用水量增長的重要原因，節水技術發展抑制奢侈用水增長。部分城市（唐山市、滄州市、秦皇島市和承德市）節水技術發展較快，對奢侈用水量的增長抑制作用明顯，這些區域奢侈用水量下降。

3 討 論

除滄州城鎮人口下降外，其他城市人口規模效應值均為正值，主要原因是本地人口增長和外來人口的流入，需要更多生活用水的支撐。同時石家莊市作為河北省省會，吸引大量外來人口，城鎮人口急劇增長，在河北省各城市中人口規模效益較大。在各城市中，經濟發展對3 個層次用水量的增長均起到正向促進作用，居民生活水平提高，更加追求生活質量，用水習慣發生改變。除石家莊市在奢侈用水中節水技術效應值為正值外，節水技術水平效應對用水增長始終起抑制作用，說明技術的改進提高了河北省的用水效率，促進了每單位經濟增長耗用水資源的降低，但值得注意的是，市與市之間節水技術效應差距較大。例如在剛性用水中，邢臺市節水技術效應值為-13 885 萬m3，而秦皇島市為-1 016 萬m3，同時在奢侈用水變化中，節水技術效應值有正有負，河北省各市節水技術發展速度不同，如何縮小市與市間的技術差距，還是現階段亟需解決的一個問題。在剛性、彈性和奢侈用水中，節水技術水平對各層次的抑制作用依次減弱，例如在保定市3 個層次的節水技術水平效應值分別為9 102、5 202、2 797 萬m3 ，加大節水技術對彈性和奢侈用水的影響是當前節水重點。

朱世垚等人［22］以榆林市2000-2017 年用水及影響因素變化為例開展了實證研究。通過LMDI 因素分解識別人口規模、經濟發展水平、節水技術水平對用水變化的影響程度。結果顯示:人口規模和經濟發展水平對用水增長起到正向促進作用，節水技術水平起到負向抑制作用。與本文結論接近，說明本文所構建的模型合理。

統籌考慮人口規模效應、經濟發展效應和節水技術水平效應對水資源利用的影響程度。基于LMDI 分析結果可知，隨著人口增長和經濟發展水平的提高，人們對生活水平的要求越來越高，生活用水也隨之增長。為避免用水量增長過快，未來需進一步強化水資源管理，控制用水指標，尤其是彈性和奢侈用水指標。同時，各市要引進先進的節水器具，對落后的用水器具進行淘汰，提高水資源利用效率，堅持用水總量與經濟發展相匹配的方式，進一步縮小省內各市節水技術差距。加強水情宣傳教育，建立健全節水管理制度，開展節水產品研發，推廣節水設備和器具。

本文2016 年GDP 及人口數據均來自各市的統計年鑒及國民經濟與社會發展公報，2020年部分城市統計年鑒數據還未公布，部分城市人口數據來源于第七次人口普查，統計口徑不一，同時由于保定市2018年之前的數據扣除雄安新區部分，導致部分城市數據可能與實際存在一定誤差。同時在進行河北省城鎮居民層次化需水研究時，由于新冠疫情的影響，2020 年不能進行實地調研，只能通過網絡問卷的形式進行發放，并且填寫問卷的居民以年輕人為主，有可能會對計算出來的剛性、彈性和奢侈用水量產生一些影響。

4 結 論

本文在河北省城鎮居民需水研究的基礎上，運用河北省11個地市2016 年和2020 年生活用水行為及各層次生活用水量數據，采用Kaya 恒等式和LMDI 分解方法，進一步將剛性、彈性和奢侈用水變化量分解為人口規模、經濟發展水平、節水技術水平3個驅動效應，并進行因素分解，研究發現。

（1）LMDI 因素分解表明，人口規模效應和經濟發展水平效應為正向促進效應，節水技術水平為負向抑制效應，顯著緩解了人口和經濟規模擴張導致的用水增長，但隨著層次的提升呈現抑制作用減弱的趨勢。全省來看，剛性用水中節水技術水平效應起主導作用，在彈性用水和奢侈用水中經濟發展水平效應起主導作用。

（2）剛性用水中，大部分城市用水量增長，唐山市、保定市、滄州市和承德市用水量下降。人口規模效應和經濟發展水平效應有明顯的正向促進效應，節水技術進步對用水量增長起到抑制作用。

（3）彈性用水中，除邢臺市彈性用水量為負增長外，其他城市彈性用水量增長。其中大部分城市的人口規模和經濟發展促進彈性用水量的增長，節水技術水平效應對彈性用水量增長起抑制作用，人口規模效應和經濟發展水平效應在全省累計值均為正值，節水技術水平效應全省累計值為負值。

（4）奢侈用水中，唐山市、滄州市、秦皇島市和承德市用水量減少，其他城市用水量增長。人口增長和經濟發展是奢侈用水量增長的主要原因，節水技術發展是抑制奢侈用水量增長的主要因素，但石家莊市人均奢侈用水量增長過快，節水技術無法有效抑制增長。