基于LMDI模型的广东省产业用水驱动力和驱动效应分析

易晶晶,陈志和

(1.广东省水文局佛山水文分局，广东 佛山 528000；2.中山大学土木工程学院，广东 广州 512275)

随着社会经济快速发展带来的城市化进程不断加剧、人口数量快速膨胀，人口规模、经济规模、产业结构、用水强度等影响要素之间交互作用，导致区域用水变化与经济社会发展之间的关系产生新的变化，其研究已经成为水文水资源的热点前沿问题。

国内外众多学者们在区域用水变化规律与成因分析影响方面，开展了诸多创新性研究。研究方法上从最初的定性描述，已发展到利用统计和计量模型进行定量分析。当前，常见的因素分解形式有指数分解法IDA(Index Decomposition Analysis)和结构分解法SDA(Structure Decomposition Analysis)2种。其中，IDA法只需要部门加总数据，适用于分解因素少、包含时间序列数据的模型，已经获得广泛运用[1-2]。Ang[3]在其研究中认为IDA方法中的LMDI(Log Mean Divisia Index，对数平均迪氏分解法)在理论基础、适用性和合理性方面具有更大的优势。该方法通过简洁的方式表明了集合数据和原始数据之间的联系，具备分解后无残差、可以处理零值问题、总体分解效果一致的优点，已广泛应用于能源、环境、水资源和经济领域。张礼兵等[4]利用LMDI模型将安徽省工业用水量变化因素分解为工业节水效应、经济规模效应、产业结构效应和用水强度效应，对该省工业行业用水变化进行了因素分解，得出工业经济规模的增长是该省工业用水增长的主导因素。张陈俊等[5]运用LMDI模型构建了用水量变化的因素分解模型，将1998—2013年中国用水量变化的驱动力分解为人口效应、区域人口分布效应、区域经济发达效应、区域产业结构效应和区域技术进步效应，定量解析了东、中、西部用水量变化的特点。Shang等[6]将天津市的工业用水变化驱动因素分解为经济规模、技术进步、产业变动，得出工业产值和技术革新对用水量的变化产生持续的驱动力。

广东省地处中国南方大陆，水资源总量丰富，但时空分布不均，人均水资源占有量少。近年来，随着经济社会快速发展，该省产业用水与经济发展之间关系产生显著变化。2000—2015年，广东省经济总量持续增长，年均增长率达到14.6%，但产业用水量持续下降，年均下降3.3%。经济总量则持续保持上升态势，由2000年1.07万亿元上升到2015年7.28万亿元，年均增长14.6%，社会经济发展对用水的依赖程度明显下降，两者的关系越来越复杂。现有研究表明，经济规模、产业结构、科技水平、人口规模是影响用水量变化的主要驱动因素[7-8]。基于此，本文引入LMDI方法，定量测度经济规模、用水强度、产业结构和人口规模等要素对产业用水量的驱动效应，以期进一步识别广东省用水规律，为该区域用水管理提供决策参考。

1 LMDI因素分解模型

1.1 扩展的Kaya恒等式

Kaya恒等式是一种可以识别并量化经济社会发展与影响因素驱动效应的数学模型[9]。本文将Kaya恒等式的理念运用于产业用水变化的研究，将引起用水变化的因素分解为经济规模效应、用水强度效应、产业结构效应和人口规模效应，以测度经济发展水平提高、产业结构变动、水资源利用技术进步以及人口规模扩张对广东省水资源利用的影响。Kaya恒等式的扩展形式如下：

(1)

式中W——产业用水总量；Wi——第i产业用水量；Wi,t——i产业第t年的用水量；GDPt——第t年的GDP总量；GDPi,t——第i产业第t年的GDP；Pt——第t年的人口；Et=GDPt/Pt——该地区的经济规模；Ti,t=GDPi,t/GDPt——该地区的产业结构；Ii,t=Wi,t/GDPi,t——万元GDP用水量，用以表征用水强度。

1.2 LMDI分解法

根据LMDI模型，基期和第t年产业用水量可分别表示为W0和Wt，则从基期到第t年的总用水量变化值为总效应值ΔW，由4部分构成：经济规模效应(ΔWE)、产业结构效应(ΔWT)、用水强度效应(ΔWI)和人口规模效应(ΔWP)。则产业用水量在第0～t年间的变动可用下式表示：

ΔW=Wt-W0=ΔWE+ΔWT+ΔWI+ΔWP

(2)

式中

(3)

(4)

(5)

(6)

2 产业用水结构变化的驱动效应解析

2.1 产业用水现状分析

分析广东省2000—2015年三次产业占国民经济总量的比重以及三次产业用水比重，见图1。广东省三次产业结构比值从2000年的9.2∶46.5∶44.3转变为2015年的4.6∶44.7∶50.0，实现了由“二三一”向“三二一”转变，符合产业结构演变的一般性规律，即广东省第一产业比重持续下降，第三产业比重不断上升，表明广东省产业结构随着经济的发展不断优化升级。分析产业用水结构，第一产业用水比例依然占据用水主体，用水比例由2000年的67.4%下降到2015年的61.6%。第二产业和第三产业用水比例略微增长，分别从2000年的29.7%和2.9%增长到2015年的30.6%和7.8%。

图1 2000—2015年广东省产业结构与用水结构

统计分析用水强度的变化，以反映经济活动的用水效率和科技水平对产业用水的影响[10]，见图2。2000—2015年，广东省万元GDP用水量呈下降趋势，从2000年的355 m3下降到2015年的51 m3。其中，第一产业用水强度下降最快，从2000年的2 602 m3下降到2015年的679 m3；其次是第二产业，从2000年的227 m3下降到35 m3；第三产业用水强度下降速度最慢，从2000年的23 m3下降到8 m3。可以看出广东省总体用水效率在不断提高，但第一产业用水效率依然偏低，各产业之间用水效率差距较大。这与中国总体的水资源利用效率情况相一致[11]。

图2 2000—2015年广东省用水强度变化

2.2 影响因素的驱动效应分解

运用式(3)～(6)，分析经济规模、人口规模、用水强度和产业结构等4个要素对广东省产业用水的驱动效应(图3)，得出如下结论。

a) 经济规模效应。经济规模效应以一个区域的人均GDP来表示，反映了该区域经济水平和人民的生活水平[12]。图3a表明经济规模效应对产业用水量产生正向驱动力，研究期间累计贡献效应值为654.9亿m3，均值为43.66亿m3，相对贡献率均值达到42.98%，表明经济规模是广东用水量增长的最主要驱动因素。广东省人均GDP从2000年的12 417元/人上升到2015年的67 114元/人。图3b表明研究期间产业用水量与人均GDP之间的关系。2004年之前，产业用水量和人均GDP同步增长；2005—2010年，在产业用水量基本不变情况下，人均GDP依然以一定的速度增长；2010—2015年，人均GDP持续增长，产业用水量逐渐减少。这说明2010年之后广东省经济发展与水资源利用已经实现“脱钩”，经济规模效应对用水量的增长效应也逐渐减弱。根据发达国家经验，这是社会经济发展到一定水平，人类发展与水资源和谐相处的必然趋势[13]。

b) 人口规模效应。人口规模效应以一个区域常住人口来表示。分析图3a，人口规模效应对产业用水量产生正向驱动力，但影响较小，累计贡献效应值为87.90亿m3。2000—2015年人口年均增长率为1.6%，对全省产业用水量的贡献效应均值为5.86 m3，相对贡献率均值为6.38%。人口增加势必引起居民消费增加，造成经济规模扩大，进而引起用水量的上升，对用水量产生正向效应，但作用有限[14]。

a) 产业用水量的驱动因素效应分解

b) 人均GDP与产业用水总量的关系

c) 广东省产业结构偏水度

d) 产业结构和用水强度驱动效应关系图3 4个要素对广东省产业用水的驱动效应

c) 产业结构效应。产业结构效应主要反映不同产业部门结构变化对产业用水的影响。2000—2015年间，产业结构效应对产业用水量的增长呈现负向驱动力，研究期间累计贡献效应值分别为-167.99亿m3，相对贡献率均值为-13.50%。为量化不同产业对用水量的影响,选用产业结构偏水度P来衡量产业结构对产业耗水的偏向程度。P越靠近1，表明城市产业结构愈偏向于高耗水的方向，反之亦然，见图3c。广东省产业结构P值一直小于0.5并且逐年减少，表明目前广东省产业结构偏向于低耗水方向并且产业用水结构愈来愈合理。

d) 用水强度效应。2000—2015年期间，用水强度效应对产业用水量产生了抑制作用，累计贡献效应值为-587.48亿m3，相对贡献率均值为-37.20%。分析各产业用水强度效应，见图3d。第一产业和第二产业用水强度变化幅度较大，第三产业用水强度变化幅度较小，年际间效应变化值分别为-21.08亿、-16.49亿、-1.59亿m3。广东省总体以及各产业万元GDP用水量均呈现明显下降的趋势。

根据上述分析，广东省经济水平较高且持续保持高速增长，对用水量增长的拉动效应虽逐渐减弱，却始终构成较强的拉动效应。因此，要实现水资源量的“零增长”或者“负增长”，需通过产业结构的优化和用水效率的提高来削弱经济规模扩张带来的用水增长。提高用水效率是抑制用水量增长的重要途径，广东省用水效率由第一产业所支配，因此首先需进一步降低第一产业比重，提高农业用水效率，推广先进节水技术，合理布局农作物种植结构，实现农业水资源的优化配置；其次，第二产业用水效率驱动效应显著，需进一步强化节水意识，通过关闭或者减少高耗水行业，鼓励低耗水行业来达到控制用水的目的[15]。

3 结论

本文基于Kaya恒等式和LMDI方法，利用2000—2015年广东省水资源开发利用数据，分析了经济规模、产业结构、用水强度和人口规模等影响因素对广东省产业用水变化的驱动效应，得出如下结论。

a) 由于广东省的经济总量大，第一产业用水比重大且科技水平不断提升，经济规模效应和用水强度效应始终是产业用水量变化的主要驱动力，其相对贡献率均值分别为42.96%、-37.20%；随着产业结构越来越合理，人口增长速度减缓，产业结构效应和人口规模效应较弱且逐渐减弱，其相对贡献率均值分别为-13.50%、6.38%。

b) 广东省产业用水量变化是经济规模效应、用水强度效应、产业结构效应和人口规模效应共同作用的效果。驱动因素测度结果显示，2000—2015年，经济规模效应和人口规模效应产生正向驱动力，用水强度效应和产业结构效应产生负向驱动力，累计效应值分别为654.90亿、87.90亿、-587.48亿、-166.99亿m3。