考虑水资源承载力的郑州市产业结构优化研究

2021-03-28陈恬董增川姚弘祎

人民黄河 2021年3期

陈恬董增川姚弘祎

摘要：为实现地区产业结构升级及水资源高效利用，利用相关分析理论与灰色系统理论，研究产业结构同用水量之间的关系，在确定产业结构优化方向基础上，构建考虑水资源承载力的郑州市产业结构优化模型，对不同水平年的区域产业结构进行优化，确定产业优化方案并进行分析。2025年、2030年郑州市第一、第二、第三产业产值比优化后分别为1.28∶36.78∶61.94、1.13∶35.88∶62.99。模型优化结果表明，郑州市产业结构在优化的同时可提高水资源的利用效率。

关键词：水资源承载力;产业结构;优化;郑州市

Abstract：Aiming at upgrading the regional industrial structure and achieving efficient use of water resources， this paper used relevant analysis theory and grey system theory to study the relationship between industrial structure and water consumption. On the basis of determination of the direction of industrial structure optimization， an industrial structure optimization model considering water carrying capacity was constructed， optimized the regional industrial structure under different level years， determined the industrial optimization scheme and analyzed them. The proportion of industrial structure in 2025 and 2030 will be 1.28：36.78：61.94 and 1.13：35.88：62.99， respectively. The model optimization results show that the optimized industrial structure of Zhengzhou in the future level years will improve the efficiency of water resources utilization.

Key words： water resources carrying capacity; industrial structure; optimization; Zhengzhou City

地区产业结构同经济增长及自然资源限制等因素息息相关，产业结构优化受科技创新能力、自然资源状况及产业政策导向等诸多条件影响。水资源作为一种重要的自然资源，考虑水资源承载能力约束下的地区产业结构优化，有助于使地区在产业结构升级的同时，实现水资源在不同产业间的优化配置，对于提高水资源综合利用效率具有现实意义。

目前，已有諸多学者分析研究地区产业结构和环境资源两者关联性及优化问题。其中：王辅信等[1]提出为使经济发展与资源环境良性循环，倡导优化产业结构;董锁成等[2]提出资源性城市的经济转型需要多元化产业结构优化;原毅军等[3]运用门槛回归模型验证了环境规制可作为产业结构调整的新动力;凡炳文等[4]、姜泽华等[5]、刘洋等[6]、苏喜军等[7]针对水资源结构与产业结构之间的关联性及优化问题进行了研究;雷社平等[8]采用相关分析理论和方法，以北京市为例说明1993—2001年产业结构同用水量之间有着高度相关关系;孙爱军等[9]运用回归分析法研究了淮安市产业结构同用水量占比之间的关系，量化用水比例同产业比例之间的关系，分析产值比例变化引起用水比例变化的机理;张玲玲等[10]基于用水结构、产业结构及社会经济发展指标的互动反馈，应用系统动力学模型，提出了江苏省用水结构调控方案;吴丹[11]在测算产业结构及水资源之间的关联度并确定两者优化方向后，按照主从递阶双层优化思路构建双向优化模型，对京津冀地区水资源产业进行了优化研究。

现有文献多集中于研究水资源与产业结构之间的相关关系，较少聚焦于受水资源承载力约束的产业结构优化。鉴于此，本文选择社会经济发展处于产业转型期的郑州市作为研究对象，对其产业产值与水资源关联性进行定量分析，在未来不同水平年水资源承载能力的基础上，构建多目标产业结构优化模型，以期为优化区域产业结构、促进区域社会经济发展、提高水资源利用效率提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

郑州市地处河南省中北部，位于东经112°42′—114°14′、北纬34°16′—34°58′之间，总面积7 446 km2。截至2018年年底，全市总人口1 016万，其中：城镇人口745.83万，城镇化率约为73.4%。地区生产总值2018年为10 143亿元，第一、第二、第三产业产值比例为1.57∶41.45∶56.98。郑州市地跨黄河、淮河两大流域，共有大小河流124条。郑州市多年平均水资源总量为13.23亿m3，其中：多年平均地表水资源量7.04亿m3，地下水资源量7.72亿m3，重复计算量1.53亿m3。2018年，全市总用水量20.71亿m3，地表水源供水量11.05亿m3（包括南水北调及引黄水量8.85亿m3），地下水源供水量7.01亿m3以及非常规水源供水量2.65亿m3。

1.2 数据来源

研究数据包括：水资源总量、总供水量、总用水量、供用水结构、万元GDP用水量、灌溉水利用效率、工业用水定额、生活用水定额、总人口、GDP、城镇化率、产业产值、未来不同规划年社会经济发展数据与水资源开发利用规划值及用水效率规划值。水资源相关数据来源于《郑州市水资源公报》（2008—2018年）、《河南省水资源公报》（2008—2018年），社会经济数据来源于《郑州统计年鉴》（2008—2018年）、《河南省统计年鉴》（2008—2018年），规划数据来源于《郑州大都市区空间规划（2018—2035年）》《河南省实行最严格水资源管理制度考核办法》《郑州市水资源综合规划》等。

2 规划水平年供需水预测及水资源最大承载能力计算

2.1 需水预测

将2018年作为现状年，对郑州市用水情况进行分析。2018年郑州市总用水量为20.71亿m3，生活、农业、工业及生态环境用水占比分别为31.9%、20.4%、25.4%及22.3%。结合现状年郑州用水效率和《河南省实行最严格水资源管理制度考核办法》中对郑州市未来水资源开发利用红线及用水效率控制目标的要求，分别对规划水平年2025年和2030年生活、生产和生态需水量进行预测。

生活需水量由城镇生活需水量和农村生活需水量两部分组成，采用人均日用水定额指标法进行预测。参考《河南省工业与城镇生活用水定额》及《农业与农村生活用水定额》等确定规划水平年居民生活用水定额，根据《郑州大都市区空间规划（2018—2035年）》中制定的人口规划发展指标并结合实际情况，预测规划水平年的人口发展指标。

通过灰色模型预测郑州市规划水平年有效灌溉面积等农业发展规模指标，结合城市规划中拟定的农业用水效率指标，运用定额法对郑州市农业用水量进行预测，并根据城市发展条件将来水频率设定为50%。第二产业需水量分为工业需水量与建筑业需水量，预估未来郑州市工业产值并结合现状工业用水情况，借鉴发展水平相似地区工业用水标准，确定规划年用水定额，通过定额法计算得出不同规划年工业需水量;建筑业需水量采用万元建筑业增加值用水量法进行预测。第三产业需水量采用万元第三产业增加值用水量法进行预测。生态环境需水量分别采用Tennant法和定额法预测河道内、河道外生态环境需水量。

计算后得到的郑州市2025年及2030年需水量见表1。

2.2 可供水量计算

根据郑州市水资源发展规划，将可供水源分为当地地表水、地下水、黄河干流取水、南水北调水、雨水利用、中水回用及其他水源。《郑州都市区给水工程专项规划》中规划有郑州市未来水平年新擴建引黄供水等引调水供水工程，以解决未来可能出现的水资源供需矛盾。考虑河南省其他地市同郑州市进行水权交易后确定不同规划年的外调水量以及未来水平年城市雨水利用效率的规划指标值，确定城市中水回用量。综合考虑当地水资源供水、黄河干流取水、南水北调取水及市内大型水库输水能力，得出来水频率为50%时2025年与2030年郑州市各行政区可供水量，见表2。

2.3 区域水资源承载能力计算

国内外许多学者对水资源承载力进行过研究。夏军等[12]认为水资源承载力是在一定的发展阶段，水资源在满足生态可持续发展的前提下，可利用水量能够支撑的最大社会-经济规模。在对2025年及2030年郑州市社会经济指标及需水量进行预测后，对可用于产业发展水量所能承载的最大经济及人口规模进行预测，并将结果作为产业结构优化模型的约束条件。

根据不同情境下研究区产业发展规模、产业结构和用水定额指标可以得到相应的单位GDP用水量：

郑州市各分区2025年和2030年来水频率为50%情况下水资源可承载最大经济规模和人口规模见表3。

3 郑州市产业结构与用水量关系分析

3.1 相关度分析

利用相关分析理论，对2009—2018年郑州市各产业产值及用水量数据进行相关分析（见表4），并对结果进行显著性检验[13]。以各产业多年占比的均值作为权重系数，可得各产业产值同用水量之间的加权相关系数r为0.876，检验统计量t=4.805。考虑样本数据量，采取适用于小样本的双尾显著性检验方法，显著性水平α取0.05，则有tα/2=3.69，|t|> tα/2说明变量间存在显著相关性。由此可以得出，郑州市产业产值同用水量之间具有显著相关性，考虑区域水资源条件进行产业结构调整具有现实意义。

3.2 灰色关联度分析

关联度是表征一个系统内两个参数之间互相影响的程度，关联度即关联性大小的度量[14]。利用灰色系统理论分析方法计算得到2009—2018年郑州市各产业灰色关联度系数，整理得到灰色关联矩阵R，并对系数进行横向及纵向累加求和。各指标间灰色关联度系数及计算结果见表5。

由表5可知，第一产业、第二产业、第三产业产值与其相应用水量的关联度系数分别为r11=0.80、r22=0.69、r33=0.62，r11>r22>r33说明第一产业与其用水量之间的关联性最大，在相同的增长率下，农业所需的用水量最大，说明农业节水潜力较大;第二产业与其用水量之间的关联性次之，第三产业的最小，两者皆可通过较少的用水量获得较高的产值。

对矩阵R横向求和所得Rm（m=1，2，3，4）为第一、第二、第三产业产值和总产值与其用水量的综合关联度系数，数值越大表示对产业用水的影响越明显。由表5可知：R1>R3>R2>R4，即第一产业与其用水量的关联性最大，第三产业的关联性次之，第二产业的关联性最小，表明第一产业对用水量依赖性最强。纵向求和所得Rn（n=1，2，3，4）为产业用水量与产业产值的综合关联度系数，数值小说明用较少的水量就可以得到较高的产值。由表5可知：R1>R4>R2>R3，表明第二、第三产业为郑州市经济发展的优势产业。

4 产业结构优化配置模型

产业结构优化配置应遵循可持续、协调发展等原则，在统筹考虑区域发展的基础上，注重水资源配置同经济发展之间的协调关系，兼顾水资源最大可承载能力，根据水资源状况不断优化产业结构与经济发展模式。以用水量最小和经济效益最大为目标，构建郑州市产业结构多目标优化模型，考虑当地水资源条件及社会经济发展情况，对郑州市2025年及2030年产业结构进行优化。

4.1 目标函数

4.3 模型参数

2025年及2030年郑州市经济发展规模下限值、人均GDP下限值、人口发展规模下限值、城镇化率下限值、单方水粮食产量、经济产值年复合增长率、单位GDP用水量上限值等参考现状社会经济发展水平设定，各行业用水定额根据2018年实际用水效率指标值并参考城市发展规划与2025年模型输出优化结果进行拟定与修正。模型主要约束条件参数见表6。

4.4 模型求解及应用分析

采用权重法求解郑州市产业结构优化模型，通过设定不同目标函数权重系数，将多目标优化问题转化为单目标决策问题，并采用遗传算法进行求解，具体过程：①将优化配置问题模拟成生物进化问题，将模型的决策变量转化为二进制编码，相当于进化问题中的基因，而由若干个基因组成的染色体即为优化配置方案;②将随机生成的部分染色体代入设定好的模型中，计算各个染色体的适应度（目标值），将结果进行优选，将适应度较好的一些方案保留作为下一次遗传操作的母代;③在经历多次迭代后得到优化方案，优化配置的结果（见表7）可实现区域综合效益最佳。由表7可知，2025年优化结果较预测结果总产值提高661.51亿元、总用水量减少0.1 亿m3;2030年优化结果较预测结果总产值提高770.72亿元、总用水量减少0.16亿m3。

5 结语

（1）在对郑州市水资源及社会经济现状研究的基础上，进行未来不同水平年供、需水量预测与区域水资源承载能力计算。利用相关分析理论及灰色关联理论，得出了产业结构与水资源利用的关系。在明确郑州市产业结构优化方向的基础上，结合社会经济发展目标、用水总量控制及水资源承载能力等约束，构建产业结构多目标优化模型，并将模型转化为单目标进行求解。郑州市第一、第二、第三产业结构比例从2018年的1.57∶41.45∶56.98经优化后变为2025年的1.28∶36.78∶61.94以及2030年的1.13∶35.88∶62.99。

（2）郑州市可通过外调水、中水回用、污水净化及水资源优化配置，实现在水资源承载力约束条件下产业结构的进一步优化。一方面可通过技术进步提高用水效率及工业用水回用率，另一方面在水资源由第一产业转向第二、第三产业的过程中，需对农业部门进行合理补偿。

（3）区域产业结构优化影响因素复杂，其中很多指标难以量化。本文将水资源承载力作为产业结构优化约束条件，对区域水资源与产业结构的关系尝试进行定量分析，模型还需在今后的应用中进一步完善。

参考文献：

[1] 王辅信，胡国强，张许颖，等.中国各地区投入产出分析与产业结构变化研究[J].数量经济技术经济研究，1998（9）：3-5.

[2] 董锁成，李泽红，李斌，等.中国资源型城市经济转型问题与战略探索[J].中国人口·资源与环境，2007，17（5）：12-17.

[3] 原毅军，谢荣辉.环境规制的产业结构调整效应研究：基于中国省际面板数据的实证检验[J].中国工业经济，2014（8）：57-69.

[4] 凡炳文，陈文.基于GST的甘肃省产业结构与用水系统分析[J].人民黄河，2012，34（5）：92-95.

[5] 姜泽华，白艳.产业结构升级的内涵与影响因素分析[J].当代经济研究，2006（10）：53-56.

[6] 刘洋，李丽娟.京津冀地区产业结构和用水结构变动关系[J].南水北调与水利科技，2019，17（2）：1-9.

[7] 苏喜军，李松华，桂黄宝，等.河南省水资源对产业结构调整影响的实证研究[J].人民黄河，2018，40（12）：72-75.

[8] 雷社平，解建仓，阮本清.产业结构与水资源相关分析理论及其实证[J].运筹与管理，2004（1）：100-105.

[9] 孙爱军，胡永法.产业结构与水资源的相关分析与实证研究：以淮安市为例[J].水利经济，2007（2）：8-11，81.