京津冀地区产业结构与水资源的关联性分析及双向优化模型构建

摘要 京津冀地区水资源产业优化配置对于推进京津冀经济社会持续协同发展具有重要的支撑作用。京津冀地区水资源产业优化，是以京津冀整体发展目标为主、京津冀各地区产业发展目标为从的主从递阶双层优化过程。但目前鲜有学者提出采用主从递阶双层优化的思路实现京津冀地区水资源产业优化。为此，在明确京津冀地区水资源产业优化方向基础上，结合京津冀整体和各地区的经济社会发展目标，构建主从递阶双层优化模型，实现京津冀地区水资源产业优化配置。首先，探讨京津冀地区产业结构与用水结构的演变态势，剖析三次产业结构的变动差异与水资源利用结构的演变成因，测算三次产业结构变动系数和用水结构弹性系数；结合京津冀三次产业发展与水资源利用的长时间序列数据，建立产业结构与水资源关联性分析模型，测算产业结构与水资源之间关联度，以确定京津冀地区产业结构与水资源优化的方向。其次，合理界定京津冀地区产业结构与水资源双向优化的内涵，应用主从递阶双层优化模型，构建京津冀整体的经济、社会与生态环境目标函数与约束条件，以及各地区三次产业发展的目标函数与约束条件，集成建立京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型。最终对模型参数进行合理预测并求解模型，确定京津冀地区产业结构与水资源双向优化方案，实现京津冀地区水资源产业优化配置，并进一步提出保障京津冀水资源产业优化配置的对策建议。

关键词 京津冀地区；产业结构；水资源；关联度；优化

中图分类号 TV 213.4

文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2018）09-0158-09 DOI：10.12062/cpre.20180311

京津冀地区产业结构优化体现了一定时期京津冀地区三次产业构成的演变态势，有利于加快京津冀地区经济社会发展方式的转变，快速推动国民经济和社会发展。京津冀地区产业结构优化受到其科技创新能力、资源要素禀赋、以及产业政策导向等综合因素的影响制约。其中，水资源作为京津冀地区国民经济和社会发展的自然基础资源、经济战略资源与生态控制资源，现已成为产业结构优化的主要制约因素。如何从理论上、方法上和技术上破解京津冀地区国民经济和社会发展中产业结构与水资源双向优化的途径，促进京津冀地区产业结构的转型与升级，实现水资源在不同地区、三次产业之间的优化配置，提高三次产业发展的水资源利用效率和综合效益，保障京津冀地区产业结构的高级化与三次产业发展的综合效益最大化，成为学者们日益关注的热点问题。

1 文献回顾

目前，众多学者应用模拟技术、动态规划分析等相关优化理论，研究了地区产业结构与水资源的关联性和优化问题。结合系统动力学、投入产出模型、多目标决策模型、灰色系统模型、多元统计回归分析法等方法，学者们对产业结构优化与水资源利用的相关性[1-5]、基于模拟技术与灵敏性分析的水资源系统规划和管理[6-7]、公共安全、经济等因素对产业结构与水资源优化的影响[8]、用水结构与产业结构优化模式、机制与路径以及优化仿真模型[9-19]等问题进行了系统深入探讨。如刘轶芳等[3]从生产帕累托最优条件出发，构建了结构偏差系数，测算产业结构与水资源消耗结构的关联关系；吴丽[13]结合经济效益、产业结构贴近度、用水量等目标，构建了产业结构与用水结构协调的多目标优化模型，并通过宁夏实证研究验证了模型的可行性；徐志伟[14]基于地区—产业双重维度，建立了经济发展、资源集约和环境保护的多目标决策模型，优化京津冀地区水资源配置；张玲玲等[16]根据江苏省产业结构用水需求与经济社会发展指标的互动反馈，应用系统动力学模型，动态模拟水资源供求变化和用水结构变化，提出了总量控制下用水结构与产业结构优化方案；Gallagher[17]创新运用自然资本核算法，提出了水资源优化配置影响产业结构路径、存在的风险及规避措施；吴丹等[19]结合流域各地区经济社会发展以及产业结构高级化的目标，建立了双控行动下流域初始水权分配的多层递阶决策模型，并提出多层递阶决策模型的迭代算法进行求解，实现流域各地区产业结构与水资源优化配置。

综合学者们的观点，地区产业结构与水资源优化的目标体现在经济产值最大化与用水总量最小化等方面。同时，部分学者提出地区产业优化不仅反映了不同产业水资源使用效率的差异，也体现了不同产业单位产值水污染排放量的差异。因此，地区产业结构与水资源优化的目标也体现在废水排放量最小化或化学需氧量排放量最小化等方面。地区产业结构与水资源优化的途径是建立节水防污型社会经济体系，大力发展节水防污型产业，将水资源优化配置到水资源利用效率高、经济效益好、水污染排放量小的产业。

京津冀地区产业结构与水资源优化，既涉及京津冀整体的经济、社会与生态环境目标，又涉及京津冀各地區的三次产业发展目标。因此可理解为以京津冀整体发展目标为主、京津冀各地区产业发展目标为从的主从递阶双层优化过程。但目前鲜有学者提出采用主从递阶双层优化的思路实现京津冀地区产业结构与水资源优化。为此，以京津冀地区为研究对象，首先，根据京津冀地区产业结构发展趋势，剖析京津冀地区与高收入国家之间产业结构的差异，测算京津冀地区三次产业结构变动系数，揭示产业结构演变规律及其变动方向；同时，探讨京津冀地区用水结构的变化趋势及其成因，测算京津冀地区用水弹性系数、以及产业结构与水资源之间关联度，从而确定京津冀地区产业结构与水资源优化方向。其次，合理界定京津冀地区产业结构与水资源双向优化的内涵，以保障京津冀整体的生活用水需求与生态环境用水需求为基础条件，在京津冀地区水资源供给总量与三次产业发展的约束条件下，构建京津冀整体的目标函数与约束条件、以及京津冀各地区的目标函数与约束条件，建立京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型，优化京津冀地区产业结构布局，实现京津冀地区三次产业之间水资源优化配置。

2 京津冀地区产业结构与水资源关联性分析

2.1 产业结构演变态势及变动系数

2.1.1 京津冀地区三次产业结构变动差异

“十二五”期间，随着京津冀地区产业结构的转型升级，第三产业比重逐渐上升，京津冀整体三次产业产值分别增长了33.74%、40.65%、77.28%，重工业、第三产业和轻工业在京津冀经济总量构成中排名前三位，京津冀第二产业的重工业化倾向明显。同时，京津冀整体三次产业结构变动差异明显，三次产业的产值比不断扩大。“十二五”期末，京津冀整体三次产业结构比为5.46∶38.40∶56.14。京津冀整体第二产业与第一产业的产值比高达7.03倍，而北京市、天津市第二产业与第一产业的产值比急剧扩大到32.40倍、36.89倍。京津冀整体第三产业与第二产业的产值比扩大为1.46倍，而北京市、天津市第三产业与第二产业的产值比快速扩大到4.04倍、1.12倍。由于京津冀各地区工业化进程存在较大差异，河北省第三产业与第二产业的产值比、第二产业与第一产业的产值比不断缩小至0.83倍、4.18倍。按照钱纳里工业化阶段理论可初步判断，京津冀整体总体处于工业化中期阶段。

“十二五”期末，北京市三次产业结构比为0.61∶19.74∶79.65，已达到高收入国家水平。同期，天津市三次产业结构比为1.26∶46.58∶52.15，第三产业比重突破50%，产业结构转型升级加速，第三产业成为主导产业。天津市第一产业比重已达到高收入国家水平，但第二产业比重相对于高收入国家的26.1%仍偏高，属于中等偏下收入国家水平。第三产业比重相对于高收入国家的72.5%仍偏低，属于中低收入国家水平。因此，北京市产业结构升级进度明显快于天津市，处于后工业化阶段，而天津市处于工业化后期阶段。“十二五”期间，河北省第三产业比重继续上升，第一产业、第二产业比重逐渐下降。“十二五”期末，河北省三次产业结构比为11.54∶48.27∶40.19，第二产业仍为主导产业，因此，河北省产业结构有待进一步转型升级，处于工业化中期阶段。河北省第一产业、第二产业、第三产业的比重相对于高收入国家的1.4%、26.1%、72.5%均存在巨大差距，属于中低收入国家水平。

2.1.2 京津冀地区三次产业结构变动系数测算

三次产业结构变动系数主要是通过三次产业的当期产值比重与基期产值比重的比较，揭示产业结构变动的方向。经测算，“十二五”期间，京津冀整体第一产业结构变动系数为负值，第一产业呈现逐步收缩态势，第一产业的收缩速率表现为“先快、后慢、再逐步加快”的变化趋势。京津冀整体第二产业结构变动系数呈现由正到负的变动态势，2010—2011年，在“4万亿”投资刺激下第二产业快速从收缩中反弹，2012年开始减弱，第二产业结构变动系数变为负值，收缩趋势明显。除2011年之外，京津冀整体第三产业结构变动系数为正值，说明第三产业基本维持较为稳定的扩张态势。“十二五”期间京津冀地区三次产业结构变动系数，见图1。

从图1中可以看出，“十二五”期间，北京市、天津市第一产业、第二产业的结构变动系数常年为负值，而北京市、天津市第三产业结构变动系数一直为正值，说明北京市、天津市第一产业、第二产业一直处于收缩态势。同期，北京市、天津市第三产业处于扩张态势。2010—2011年，由于经济刺激计划的作用，河北省第二产业再次扩张；自2012年开始，伴随国家产业结果的调整和经济形势的变化，由于产能过剩等因素的作用，工业企业效益大幅下滑，第二产业再次进入收缩期，而第三产业处于扩张态势，但第三产业发展程度要弱于北京市、天津市，传统制造业仍在国民经济中占据主导地位，产业升级进度并不明显。

2.2 水资源利用结构演变成因及弹性系数

2.2.1 用水结构演变成因

“十二五”期间，京津冀整体用水总量控制在251～255億m3的区间内。其中，北京市、天津市、河北省的用水总量分别控制在35～38亿m3、22～26亿m3、187～196亿m3的区间内，占京津冀整体用水总量的比重分别约为

14.5%、9.5%、76%。京津冀地区水资源利用分布情况基本保持稳定，农业用水占比最高，始终高于用水总量的60%。工业用水占比有所下降，稳定在14%左右。生活和生态用水占比逐年提升，分别稳定在18%、6%左右。“十二五”期末京津冀地区用水结构见表1。

根据表1，“十二五”期末，北京市与京津冀整体之间的用水结构存在明显差异，北京市生活用水占比突出，达

到45%以上。生态用水占比排在第二位，比京津冀整体高出近10个百分点。而农业用水占比仅排名第三位。同时，北京市工业用水占比略低于京津冀整体水平。北京市用水结构在我国所有省市级行政区划中具有独特性和唯一性。与北京市相比较，天津市农业和工业用水量明显偏高，生活和生态用水量明显偏低。河北省用水分布较北京市和天津市存在明显差异，农业用水占比极高，是京津冀地区水资源首要消耗大户。

京津冀整体的生活和生态用水量占比均超过全国平均水平，农业用水比例几乎与全国持平，而工业用水比重则较全国平均水平低了近9个百分点。其主要原因与京津冀产业结构有关。研究表明，河北省工业结构中，黑色金属冶炼及压延加工，电力、热力的生产与供应等重工业仍占据主导地位，而占到全区域工业产值50%的北京市

和天津市，水资源耗用水平较低的通信设备、计算机制造、交通运输设备制造等行业居于主导地位。但在全国工业

产值中，居于前列的煤炭开采和洗选、石油和天然气开采、黑色金属矿采选和有色金属矿采选等行业都属于用水大

户。因此，工业内部的结构差异性导致了水资源使用结构的差异性。

2.2.2 水资源利用弹性系数测算

“十二五”期间，尽管京津冀整体第三产业处于快速扩张态势，但农业、工业用水下降，加速京津冀整体用水量下降，实现京津冀整体用水弹性系数为负。“十二五”期间京津冀地区水资源利用弹性系数见表2。

根據表2，“十二五”期间，从京津冀各地区的农业、工业、第三产业水资源利用弹性变化差异来看，尽管天津市第三产业处于扩张态势，但第三产业用水得到有效控制，第三产业用水弹性系数为负。而农业用水与工业用水增

长，加速天津市用水量增长。与天津市相反，尽管北京市农业、工业用水弹性系数为负，但第三产业处于快速扩张态势，第三产业用水增长，加速北京市用水量增长，并加速京津冀整体第三产业用水的增长。而河北省第二产业进入收缩期，第三产业处于扩张态势，因此农业、工业用水下降，第三产业用水增长。

2.3 产业结构与水资源关联度测算

根据不同时期京津冀地区产业结构和水资源利用的变化趋势，结合灰色关联评价法，测算京津冀产业结构与水资源之间的关联度。将2005—2015年京津冀地区水资源利用情况作为母变量，产业结构作为子变量，对京津冀地区的水资源利用变量和产业结构变量进行无量纲化处理，确定京津冀地区产业结构和水资源利用之间的关联度，可用公式表示为：

根据式（1），测算2005—2015年京津冀地区产业结构与水资源利用的关联度，见表3。

京津冀整体第一产业与水资源利用的关联度最高，第二产业次之，第三产业最低（见表3）。可判定京津冀地区水资源优化的方向为：在保障粮食生产安全的前提下，适当减少第一产业和第二产业水资源利用，增加第三产业的水资源利用，实现京津冀地区水资源约束条件下的高产出水平。其中，北京市、天津市水资源优化的基本方向为：通过农业节水技术等措施严格控制第一产业用水，增加第三产业用水。由于河北省第一产业与水资源关联度明显低于北京市和天津市，在保障粮食安全前提下，适当将河北省第一产业水资源利用转移到其他地区和其

他产业。

3 京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型构建

在不同水平年、不同保证率条件下，京津冀地区水资源供给能力受到经济、产业、技术、自然条件等综合因素的影响制约，随着京津冀地区国民经济和社会发展用水增长，可供给的水资源总量（包括地表水、地下水、本区内河段允许利用的过境水）已无法满足其用水需求。京津冀地区产业结构与水资源双向优化是指，在水资源可利用总量的约束条件下，基于产业结构与水资源利用的关联性，充分考虑京津冀地区水资源系统与经济产业系统之间的相互制约关系，根据国民经济与社会发展规划，以优先满足生活用水和生态用水为基本前提，参照京津冀整体的经济发展、社会用水总量控制和生态环境保护目标以及三次产业发展目标，通过水资源在京津冀各地区及其三次产业之间的合理配置，优化京津冀地区产业结构布局与三次产业发展的用水结构，保障三次产业发展的水资源利用综合效益最大化。

京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型的构建以GDP最大化、用水总量最小化和废水排放量最小化作为综合优化目标。其中，GDP最大化目标反映了京津冀地区水资源利用的经济效益；用水总量最小化目标衡量了京津冀地区水资源消耗强度与总量控制，优化了京津冀地区三次产业用水结构；废水排放量最小化目标控制了京津冀地区产业部门废水排放量，保护京津冀地区生态环境。京津冀地区产业结构与水资源双向优化包括两个层面：一是地区层面，通过水资源在京津冀三个地区之间的分配，实现京津冀整体的经济、社会以及生态综合效益；二是产业层面，通过京津冀各地区三次产业间水资源的分配，实现产业结构优化。因此，京津冀地区产业结构与水资源双向优化的决策变量为京津冀各地区优化的三次产业用水量和三次产业结构比重。

3.1 京津冀整体的目标函数与约束条件

3.3 京津冀地区产业结构与水资源双向优化结果

京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型涉及京津冀整体的GDP最大化、用水总量最小化以及废水排放量最小化的综合效益目标，以及京津冀各地区的三次产业发展目标。为此，可依据宏观经济、产业结构、水资源利用、废水排放和粮食生产等数据，预测规划年京津冀地区产业结构与水资源双向优化方案，见表4。

根据表4和公式（1）～（4），求解得到2020年京津冀地区产业结构与水资源双向优化方案，见表5。

从表5的京津冀地区产业结构与水资源双向优化结果来看，2020年京津冀地区第一产业用水量占比仍较大，但下降了7个百分点；第二产业、第三产业的用水量占比分别上升了3个百分点、4个百分点。京津冀整体的三次产业结构比为3.30∶29.65∶67.05。2020年，北京市和天津市增加的产业用水量从河北省调入，河北省第一产业用水是京津冀地区跨区域调水的主要来源。在京津冀地区减少的第一产业用水量中，北京市减少幅度最大，其次为天津市。北京市和天津市第二产业用水量均有所增加，河北省第二产业用水量略有减少。同时，京津冀各地区第三产业用水量均有所增加。

4 结 语

京津冀地区产业结构与水资源双向优化，是以京津冀整体发展目标为主、各地区产业发展目标为从的主从递阶双层优化过程。通过测算京津冀地区用水弹性系数可知，“十二五”期间，北京市第三产业处于快速扩张态势，第三产业用水增长较快。而天津市农业用水与工业用水仍处于增长阶段。河北省第二产业进入收缩期，因此农业、工业用水下降。“十二五”期末，京津冀整体第一产业与水资源利用的关联度最高，河北省第一产业与水资源关联度明显低于北京市和天津市，在保障粮食安全前提下，应适当将河北省第一产业水资源利用转移到其他地区和其他产业。在明确京津冀地区产业结构与水资源优化方向基础上，结合京津冀整体的经济发展、社会用水总量控制、生态环境保护目标，以及京津冀各地区的三次产业用水发展目标，应用双层优化模型，通过构建京津冀地区产业结构与水资源双向优化模型，实现了京津冀地区产业结构优化与水资源优化配置，推进了京津冀地区产业结构高级化。京津冀整体三次产业结构比将从现状年的5.46∶38.40∶56.14调整为2020年的3.30∶29.65∶67.05。

伴随着京津冀地区工业化进程的加快和城市化程度的提高，京津冀将逐步进入产业结构高级化的发展阶段，但用水成为制约京津冀产业发展的重要因素。为保障京津冀水资源产业优化配置，一方面，将农业用水的用途转变为工业用水或第三产业用水，由于农业部门和非农部门存在巨大的用水价差，为了提升农业用水效率，在水资源“农转非”过程中，必须对农业部门实施必要的水资源补偿。另一方面，通过“开源”（包括区外调水、海水淡化、污水净化）和“节流”（通过制度创新进行水资源优化利用），形成用水增量和提升用水效率。此外，在分析京津冀地区用水效率差异的基础上，可以看出京津冀开展水资源交易存在巨大的市场潜力，必须构建水资源优化方案实施的法律保障体系，不断完善京津冀水权交易市场制度，实现“依法治水”。

（编辑：刘照胜）

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Abstract The optimization allocation of water resources utilization and industrial structure has important supporting functions for the sustainable and coordinated development of ecosociety in BeijingTianjinHebei region. The optimization of industrial structure and water resources is a principlesubordinate hierarchical bidirectional optimization process. It takes overall BeijingTianjinHebei regions development goals as a primary goal， and takes industrial development goals among Beijing， Tianjin and Hebei as a subordinate goal. But few scholars put forward an idea of principlesubordinate hierarchical bidirectional optimization to optimize industrial structure and water resources utilization in BeijingTianjinHebei region. Therefore， based on clarifying the optimization direction of industrial structure and water resources utilization in BeijingTianjinHebei region， principlesubordinate hierarchical optimization model combined with the development goals in BeijingTianjinHebei region was established to optimize the industrial structure and water resources allocation. Firstly， this paper discussed the evolution of industrial structure and water resources utilization structure in BeijingTianjinHebei region. The variation of industrial structure and evolution origin of water resources utilization structure were analyzed. And the paper measured the changing coefficient of industrial structure and the elastic coefficient of water resources utilization in BeijingTianjinHebei region. Then， combined with long time sequence data of three industries development and water resources utilization， the relevant degree of industrial structure and water resources utilization based on the relevant analysis model was constructed， to determine the direction of industrial structure and water resources optimization in BeijingTianjinHebei region. Secondly， the connotation of bidirectional optimization of industrial structure and water resources was defined reasonably in BeijingTianjinHebei region. The objective function and constraints of both economic， social and ecological environment and industrial development were given， to get bidirectional optimization model of industrial structure and water resources in BeijingTianjinHebei region. Finally， the paper predicted reasonable model parameters， and proposed the solving method of the model， to determine bidirectional optimization scheme of industrial structure and water resources， and to optimize industrial structure and water resources utilization in BeijingTianjinHebei region. Then， the paper further put forward the suggestions of ensuring the optimal allocation of water resources industry in BeijingTianjinHebei region.

Key words BeijingTianjinHebei region； industrial structure； water resource； correlation degree； optimization