陕西省与山西省用水消耗时空差异分解效应研究

张旖旎,陈璇璇,刘浩锋,汪丽娜

（华南师范大学地理科学学院，广州510631）

1 引言

水在人类生产生活关系中是重要的自然资源。2011年，国务院明确提出实行最严格的水资源管理制度，建立三条红线。可见，水资源消耗总量和强度需与经济产业结构、技术等密切适应，以实现可持续发展。

目前有关水资源消耗方面的影响因素已有大量的研究。研究能源消耗影响因素的主要方法之一是分解法。陈东景等［1］通过建立因素分解模型，得出技术进步是影响全国工农业水资源强度下降的最主要因素。国内关于水资源分解的相关研究主要应用对数平均迪氏指数法。张陈俊、章恒全等［2］通过利用LDMI方法，进而得出用水效率与用水强度的分解效应在中国的不同地区之间存在差异的结论。苏飞、董增川等［3］通过建立产业节水效应优化模型，对浙江省近十年来的产业节水效应进行分析。贾绍凤等［4］将工业用水随收入增长的演变模式用库兹涅茨曲线的形式来表示，得到用水效率的提高和经济结构调整在工业用水下降中的直接贡献。张陈俊、许静茹等［5］采用LMDI方法，探讨了用水强度和用水总量分解效应在长江经济带各省份的空间差异。李鹏飞、张艳芳［6］基于Laspeyres指数分解模型的分析，得到在1980—2011年期间结构调整和技术进步在提高中国工农业水资源利用效率方面发挥了积极作用的结论。

在现有研究中，研究区域多为某省份或全中国，针对黄河流域的研究较少。位于黄河中游下游段的陕西省和山西省，水资源匮乏是当地社会经济发展所面临的一项难题。据相关统计数据显示，陕西省人均水资源不到全国平均水平的一半；山西省水资源总量持续减少，时空分布不均匀［7］。因此，针对陕西省和山西省进行水资源消耗演变效应分析对当地经济发展与改革调整具有一定的现实作用。

2 模型构建

LMDI （Logarithmic Mean Divisia Index） 方 法由Ang［8］等提出，对数平均迪氏方法在指数分解法中最具优势。多数关于水资源消耗因素分解研究只针对用水总量这个总效应，例如孙才志、王妍等［9］将用水强度作为用水利用总量因素分解中的一个效应。然而在水资源消耗的因素分解中，用水强度在比较各地区水资源对经济发展的约束性更为合理，这也为本文进行空间差异分析铺垫基础。因此，将用水总量和用水强度作为两个总效应，细化用水强度的因素分解效应，建立时空差异分解模型。

2.1 用水总量的时空差异分解模型

规定模型变量如下：W为某年（某城市）用水总量；Wi和Gi分别表示陕西省和山西省内某年（某城市）第i产业用水量和国内生产总值；表示某年（某城市）国内生产总值；Si=Gi/G表示某年（某城市）第i产业国内生产总值占国内生产总值的比重，反映产业结构情况；Ii=Wi/Gi表示某年（某城市）第i产业用水总量与国内生产总值的比值，反映产业用水强度情况。则第t年（城市t）用水总量可以表示为：

假设用水总量从第R0年变化到第R1年的变化量（城市R0 与城市R1 的用水总量的差值）为ΔWR1，R0，可以分解为3个驱动效应：

式中，W R1i、W R0i分别表示R1年和R0年（城市R1和城市R0）第i产业国内生产总值。定义为经济规模效应，即因经济规模变化带来的水资源利用效率变化对用水总量的影响；定义为产业结构效应，反映各产业经济比重发生变动是对用水总量的影响；定义为技术进步效应，即技术进步对用水总量变化的贡献。

2.2 用水强度时空差异分解模型

同理，用水强度从R0年变化到R1年（城市R0 与城市R1）的变化量ΔIR0，R1可以分解为2 个驱动效应：

3 数据来源与说明

本研究所采用的数据为2003—2017年陕西省、山西省各个城市经济系统、用水系统数据，数据来源于《陕西省统计年鉴》、《山西省统计年鉴》、《陕西省水资源公报》和《山西省水资源公报》。在以下的研究中，将用水总量指标划分进行一定的调整处理：将农业用水作为第一产业用水、工业用水作为第二产业用水，近似将生活用水作为第三产业用水，用水总量为三次产业用水总量相加而得。产业用水强度由产业用水量除以产业生产总值得到。

在以下的统计图表中，为使其更加直观，按照各城市所处的地理位置以及历史习惯上的划分，将山西省、陕西省23个城市（除去韩城市）分成8个地区：关中地区、陕北地区、陕南地区、晋北地区、晋中地区、晋南地区、晋东南地区和晋中地区。在陕西省中，关中地区包括西安、宝鸡、咸阳、铜川、渭南和杨凌区五个城市；陕北地区包括榆林和延安两个城市；陕南地区包括汉中、商洛两个城市。在山西省中，晋北地区包括大同市、朔州市和忻州市三个城市；晋中地区包括太原市、晋中市和阳泉市；晋东南地区包括长治市、晋城市；晋南地区包括临汾市和运城市；晋西地区则包括吕梁市。

4 水资源消耗时空差异分解分析

4.1 水资源消耗时空变化趋势

图1显示了2003—2017年陕西省、山西省两省的用水总量、用水强度（分时段）变化趋势。两省用水总量呈现上升的趋势，用水强度呈现递减趋势。

图1 2003-2017年陕西省、山西省分时段用水总量、用水强度变化趋势Fig.1 The trend of water consumption and water intensity in the Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

图2表示2003—2017年陕西省、山西省八大地区用水总量、用水强度平均值。用水总量最大的是晋南地区（9.918 亿m3），最小的是晋东南地区（3.822 亿m3），前者是后者的3 倍。同时在这八大地区中，平均用水强度最大的地区为陕南地区（0.025 m3/万元），最小的地区为陕北地区（0.006 m3/万元），前者是后者的4.17 倍。可见，陕西省、山西省内用水总量、用水强度存在显著的空间差异。

图2 2003-2017年陕西省、山西省各地区各城市用水总量、用水强度的平均值Fig.2 The average value of water consumption and water intensity in each zone of the Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

4.2 水资源消耗时间差异分解分析

4.2.1 用水总量时间差异分解分析

（1）用水总量变化驱动因素效应差异 由公式可以得到2003—2017年陕西省、山西省用水总量分解效应，如表1所示。陕西省、山西省用水量累计上升19.26 亿m3，其中经济规模效应达到246.392 5 亿m3，产业结构效应累计达到-64.0259亿m3，技术进步效应达到-163.1066 亿m3，说明后两者对用水总量的上升起到抑制作用，技术进步效应的贡献更加显著。在2003—2017年15年间，经济规模效应始终是促进用水总量上升的因素，并且抵消了产业结构优化和技术进步效应的抑制作用，导致用水总量累计上升。产业结构效应在2007—2008年促进作用最明显，达到26.626 6 亿m3，在2003—2004年抑制作用最显著，达到-43.057 8亿m3。

表1 2003-2017年陕西省、山西省用水总量的分解因素效应 （亿m3）Tab.1 Decomposition factor effect of water use change in Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

（2）分时段驱动效应在三次产业内部的差异本文将研究时段2003—2017年分为3 个时间段：2003—2008年，2008—2013年，2013—2017年。图3体现了分时段在三次产业内产业结构和技术进步效应的差异。各个时间段三次产业用水效率都普遍提高，对用水总量下降都起到一定贡献。其中，第一产业的贡献最大，第三产业的贡献最小。当产业结构效应在某产业内部为负值时，说明该产业比重下降，导致用水量下降。在图3中，可以得到第一产业、第二产业三个时段的比重都出现下降的结论，第三产业在2003—2008年、2013—2017年两个时段比重逐渐上升，在2008—2013年则出现下降。可见陕西省、山西省的产业结构从第一产业、第二产业向第三产业转移。

图3 2003—2017年陕西省、山西省用水总量分阶段因素效应的产业差异Fig.3 The industrial differences of factor effect of water consumption in stages in the Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

图4是2003—2017年陕西省、山西省产业结构效应和技术进步效应在三次产业累计的效应值。图4明显地体现了第一产业对抑制用水总量的贡献最大，第三产业的贡献最小。其中，第一产业技术进步效应对抑制用水总量的作用随年份的增长比重逐渐增加，在2003—2017年累计达到-108.967 亿m3。第三产业技术进步效应在2007年促进用水总量增加作用最大，达30.148 87 亿m3。相比起第二产业与第三产业，第一产业结构调整效应较大，说明第一产业比重下降幅度相对较大。

图4 2003-2017年陕西省、山西省用水总量因素效应累计贡献的产业差异Fig.4 The industrial differences of effect cumulative contribution of water consumption in stages in the Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

4.2.1 用水强度时间差异分解分析

（1）用水强度分解因素变化驱动效应 表2展示了2003—2017年陕西省、山西省用水强度的分解因素效应。从表2中可以得到2003—2017年用水强度下降了0.780 6 亿m3/万元，其中产业结构效应为-0.189 4 亿m3/万元，技术进步效应为-0.591 3亿m3/万元。技术进步效应是用水强度下降的主要促进因素，产业结构效应为次要因素。

表2 2003—2017年陕西省、山西省用水强度的分解因素效应 （亿m3/万元）Tab.2 Decomposition factor effect of water use intensity in Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

图5 2003—2017年陕西省、山西省用水强度分阶段因素效应的产业差异Fig.5 The industrial differences of factor effect of water use intensity in stages in the Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

（2）驱动效应在三次产业内部的差异 图5显示了2003—2017年陕西省、山西省用水强度分阶段产业结构、技术进步效应在三次产业内部的差异。三个阶段的用水强度总体呈现下降的趋势，说明陕西省、山西省用水效率已有明显的提高。但从图中来看，第一产业技术进步的贡献在前两个阶段都较为突出，说明在这两个阶段有技术进步作为主导因素使用水效率有所上升。但同时也需要注意，随着技术进步和产业结构改革的持续推进，用水强度的下降程度明显呈现递减状态。这在2013—2017年表现最为显著，说明提高用水效率需寻找新的途径，比如政策或者社会宣传等方面。图6为2003—2017年陕西省、山西省产业结构效应和技术进步效应在三次产业内部的累计贡献。总体上而言，在2010年前，三次产业的产业规模效应和技术进步效应变化波动较大，在2010年后较为平稳。第一产业的贡献最大，达到-0.207 88 亿m3/万元，第三产业的贡献最小，达到-0.029 56亿m3/万元。

图6 2003-2017年陕西省、山西省用水强度因素效应累计贡献的产业差异Fig.6 The industrial differences of factor affect cumulative contribution of water intensity in stages in Shaanxi Province and Shanxi Province from 2003 to 2017

4.3 水资源消耗空间差异分解分析

4.3.1 用水总量空间差异分解分析 选择用水总量最小的铜川市作为比较对象，计算得到用水总量空间差异驱动效应的分解结果，利用ArcGIS 空间分析法，绘制2003年、2017年用水总量效应分解指数分布图（图7）。西安市与铜川市用水总量在2003年和2017年的差距最大，分别达到15.71亿m3和14.4 亿m3。各个城市在2017年相较铜川市的技术进步效应都是正值，说明用水效率较低不足以使用水总量降低，存在一定空间差异。在2003年，仅有西安的产业结构效应为负值，说明西安市的产业结构相较铜川市较为高级。到了2017年，西安市、杨凌区、太原市、阳泉市、长治市、晋城市、朔州市和吕梁市的产业结构效应均为正值，说明晋中地区、晋东南地区的产业结构调整有了一定的成效，用水效率上升。仅有杨凌区的经济规模效应相比铜川市为负值，因为杨凌区的GDP 为119.2 万元（2003年），比铜川市少了192.41万元（2003年），其他城市的GDP 都比铜川市多，经济规模较大，推动用水总量上升，其中效应最强的城市为西安市，可见西安市作为省会城市经济之发达。

图7 2003年和2017年陕西省、山西省用水总量效应分解图Fig.7 Breakdown of total water use effect in Shaanxi Province and Shanxi Province in 2003 and 2017

与时间角度一致，用水总量空间分解效应差异也在三次产业内进行分析（表3）。在2003 和2017年陕南地区和晋南地区的产业结构效应在第一产业中都为正值，说明陕南地区和晋南地区的城市第一产业比重都大于铜川市第一产业比重。2017年，仅晋东南地区的产业结构效应在第一产业内为负值，说明晋东南地区的产业结构相较铜川市较为高级，用水效率提升，可促进用水总量空间差异减小。关中地区、陕南地区、晋北地区、晋西地区和晋南地区的技术进步效应在第一产业内部都为正值，说明这些地区第一产业用水强度都大于铜川；除了陕北地区、晋中地区和晋东南地区，其他地区的技术进步效应在第一产业内部都是正值，扩大了用水总量空间差异。陕南地区、晋西地区和晋南地区的技术进步效应在第三产业内部是负值，说明这些地区用水强度相比铜川市较小，并且用水总量空间差异进一步缩小。

表3 2003、2017年陕西省、山西省用水总量空间差异因素效应的产业差异 （亿m3）Tab.3 The industrial differences of factor effect of spatial difference of water consumption in the Shaanxi Province and Shanxi Province in 2003 and 2017

4.3.2 用水强度空间差异分解分析 根据比较陕西省、山西省22 个城市用水强度的大小，选择用水强度最小的晋城市作为比较对象，通过LDMI 方法计算得到的用水强度空间差异驱动效应的分解结果如表4所示。在2003 和2017年，汉中市与晋城市的用水强度差异都是最大的，分别为0.084 911 亿m3/万 元 和0.008 811 亿m3/万 元。在2003 和2017年，与晋城市用水强度差异最小的都是延安市，2003年为-0.001 939 1亿m3/万元，2017年为-0.001 555 亿m3/万元。2003年，只有太原市和长治市的技术进步效应为负值，说明其用水强度在2003年小于晋城市，对用水强度空间差异缩小起到促进作用。晋中地区大部分城市产业结构效应相比晋城市为负值，说明晋中地区产业结构较为高级，利于用水强度空间差异进一步缩小。

表4表明2003、2017年陕西省、山西省用水强度产业结构效应、技术进步效应在三次产业内部的差异。2003年，技术进步效应在第一产业内部都是正值，说明这些地区的城市用水强度都大于晋城市，扩大了用水强度空间差异。除了位于晋中地区的大同市，其他地区的城市第二产业技术进步效应都为负值，促进黄河中游下游段城市用水强度的空间差异减小。2017年，陕南地区、晋西地区、晋东南地区的城市的技术进步效应在第三产业内都是正值，表明这些地区用水强度大于晋城市。相比起2003年，用水效率有所提高。除了两个省会城市（西安市和太原市），其他地区第一产业的产业结构规模效应都为正值，这表明两个省会城市经济较为发达，产业转型合理，第一产业比重下降，其他城市产业结构相较晋城市较为低级，产业结构调整有待提升。

5 结论与建议

5.1 结论

5.1.1 时间差异 经济规模效应在用水总量上升的贡献始终最大，在大部分年份抵消了技术进步、产业结构的抑制作用。在三次产业中，第一产业产业结构、技术进步效应在用水总量减少的贡献最大，而第三产业的贡献较小，并且在2003—2017年间第一产业比重持续下降。陕西省、山西省用水强度持续下降，下降幅度不稳定，其主次原因分别是技术进步和产业结构调整。

图8 2003年和2017年陕西省、山西省用水强度效应分解图Fig.8 Breakdown of water intensity effect in Shaanxi and Shanxi in 2003 and 2017

表4 2003、2017年陕西省和山西省用水强度空间差异因素效应的产业差异 （亿m3/万元）Tab.4 The industrial differences of factor effect of spatial difference of water intensity in the Shaanxi Province and Shanxi Province in 2003 and 2017

5.1.2 空间差异 陕西省、山西省所有城市产业用水在2017年的技术进步效应值相比起铜川市为正值，这些城市的用水强度比铜川市大，不利于用水总量下降以至于缩小用水总量空间差异。西安市和太原市的经济较为发达，产业转型合理，第一产业比重下降，其他城市产业结构相较晋城市较为低级，产业结构调整有待提升。

5.2 建议

黄河中游下游段周围城市普遍用水效率不高，在追求经济发展与环境保护两者兼顾时，需围绕优化产业结构与提高用水技术两方面予以实施。在三次产业中，第三产业的节水贡献最小，用水效率需普遍提高。关中地区、晋中地区的高新技术产业在黄河中游下游段地区较为先进，可带动周边技术进步，促进其他地区城市三次产业技术进步效应在用水总量下降贡献中增大。晋北地区、陕北地区的城市产业结构调整还较为低级，有待调整，需要优化升级产业结构以适应经济与资源协调发展。