基于IPAT等式的甘肃省用水影响因素分析*

王 康

(中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州730000)

基于IPAT等式的甘肃省用水影响因素分析*

王 康

(中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州730000)

将经典的IPAT等式扩展为包含人口、富裕程度、用水强度和产业结构4种影响因素的用水分析等式;并利用结构分解模型，将4种影响因素对总用水量变化的贡献分解开，得到不同因素对用水变化的影响。利用模型对1999－2008年甘肃省用水状况进行了实证分析，结果表明:富裕程度对用水量的增加效应最大，最高为2003－2004年(21.07×108m3);而人口变化对用水量的增加效应相对较小，均小于1×108m3;尽管用水效率的提高和产业结构的变化都减少用水量，但产业结构变化对用水量变化的贡献比用水效率的贡献小;此外，单纯地提高用水效率或调整产业结构，并不能保证在环境约束下实现社会经济的发展。因此，随着人口和经济规模的不断扩大，为了满足人民群众不断增长的需求，不仅要从提高用水效率、调整产业结构出发，实现水资源的高效优化配置;更重要的是调整发展思路，摆正人和自然的位置，才能真正实现人和自然的和谐发展。

IPAT等式;结构分解模型;水资源;甘肃省

西北干旱区的水资源问题已经成为经济社会可持续发展必须面对的问题。提高水资源的利用效率，构建节水型社会是实现经济社会可持续发展的长期而艰巨的任务。水资源与人类活动的关系极为密切，水资源问题与人类活动一起形成了复杂的环境问题。现有研究表明，影响环境的人文因素有人口、经济活动、技术、政治和经济制度、态度和信仰［1］。为理解和解决面对的复杂环境问题，显然需要了解每一种人文驱动因素对环境影响的作用大小［2］。本文将从经典IPAT等式入手，以甘肃省1999－2008年的水资源利用状况(暂不考虑生活和生态用水)为例，利用结构分解模型，将甘肃省水资源利用的影响因素进行分解，并对未来经济发展、结构调整进行了一些探讨。

1 IPAT等式及结构分解模型

经典IPAT等式是一个分析人类活动对环境影响的公式。IPAT等式指定环境影响(I)为人口(P)、富裕程度(A)和技术(T)的乘积，建立了人文因素与环境影响之间的账户恒等式［3－5］。尽管IPAT等式只是一个简单的概念框架，但它具有如下特点［1］:1)简单性:融入了关键的人文要素，如人口、富裕程度和技术;2)系统性:指定了环境影响的人文驱动因素与环境影响之间的数学关系式;3)健全性:可以广泛应用于环境影响分析中，如二氧化碳排放［2，6］、虚拟水［7］等。由于 IPAT 等式捕获了自然、社会科学的基本规律，自提出以来，以其为基础的应用研究非常广泛，主要集中在CO2的排放方面。

经典的IPAT等式的方程为［8］:

其中，I为环境影响，可以是能源消耗或污染物排放等，其受到所有因素的影响;P为人口数量，其体现人口规模的变化;A为富裕程度，通常用人均国内生产总值表示;T为技术进步，通常用单位GDP的能源消耗或污染物排放数量表示。显然，P×A是总的国内生产总值，而T表示单位GDP的能耗或污染物排放，这里体现了IPAT等式具有账户恒等式的特点。

当IPAT等式应用于用水分析时，通常也选取单位GDP用水量来表征技术进步(T)。事实上，这忽略了部门间的差异。通常农业部门的用水效率比其他部门低很多。因此，如果从用水效率方面考虑，由于各部门用水强度的差异，产业结构同样会对用水总量产生影响。本文将表征技术进步(T)的单位GDP用水量进一步分解成w和S的乘积(见(2)式)，其中w为各部门单位GDP用水量组成的行向量;而S为各部门GDP占总GDP的份额组成的列向量。

(2)式仅表示某一时间点上，用水量与人口、富裕程度、用水强度以及产业结构之间的静态关系，并不能反映一段时期内的用水变动的特征。为了体现过去一段时期内用水及其影响因素的变化特点，则需要利用结构分解模型，将一段时间内用水变化的影响因素进行分解，以考察各种因素对用水变化的贡献大小。

设基期用水总量为I，基期后的某个时间t的用水总量为It，变化量为ΔI;类似地，人口数量为P和Pt，变化量为ΔP;富裕程度为A和At，变化量为ΔA;部门单位GDP用水向量为w和wt，变化量为Δw;产业结构向量为S和St，变化量为ΔS。

由(2)式可以推出用水总量变化为

(3)式很容易分解成

(4)式的第一行四项为各个因素的纯贡献，即没有任何混合作用的贡献;第二行的六项为两个因素的混合作用的贡献;第三行为三个因素的混合作用的贡献;第四行为四个因素的混合作用的贡献。如果没有依据确定混合作用中各个因素的影响份额，可以将混合作用的影响平均分配给各个因素［9］。例如，人口变化对用水总量变化的贡献(Ep)为(5)式。其余因素的计算公式与此类似。

利用上述模型可以将影响用水总量的四个影响因素的贡献分解开，便于比较不同因素对用水变化的影响。其实，w可以指代任何有关强度的指标。下面将以甘肃省1999－2008年为例，对影响用水总量的因素进行分析。

2 甘肃省产业用水状况分析

甘肃省地处西北内陆地区，水资源短缺已经成为制约甘肃省经济社会发展的主要瓶颈因素之一。水资源的开发利用状况不仅受自然条件的影响，同时与人类活动一起形成了错综复杂的综合问题。甘肃省1999－2008年的社会经济和用水的基本情况如表1所示。

从表1可以看出，甘肃省人口总量从1999年的2 543万人增长到2008年的2 628万人，增长了3.35%;经济总量从1999年的956.33亿元增长到3 176.11亿元，增长了232.12%，经济规模增长很快;用水量相对比较稳定，基本上稳定在111×108m3和115×108m3之间。由式(2)易知，P增长、A也增长，而总的用水量I维持相对稳定，必然是由于技术进步(w×S)缓解了人口和经济增长对环境造成的压力。

根据(2)式对用水量的分解因素，表2给出了1999－2008年各年的人口、人均GDP、三次产业单位GDP的用水量以及三次产业GDP的结构。从表2中可以看出，人口和人均GDP都处于增长状态，10年间甘肃省总人口增加了85万人;人均GDP的增加幅度更大，10年间增加了8 325.02元。各个产业的单位增加值的用水量下降明显，第一产业单位增加值的用水量减少了58.53%，第二产业单位增加值的用水量减少了79.23%，第三产业单位增加值的用水量减少了48.70%。产业结构也有所变化，第一产业在经济中的比重明显下降，第二产业和第三产业的比重有所上升，由于第二产业的快速增长，导致2004年以后第三产业的份额有所下降;直至2008年，第二产业的比重相比2007年下降1%，而第一和第三产业的比重分别上升了0.3%和0.72%。但是，从表1中得知，10年间全省的用水总量相对稳定，那么，在有限的水资源约束下，为了满足人口和社会经济规模的扩张要求，人们开始追逐更高效地利用有限的水资源。

表1 甘肃省1999－2008年社会经济及用水原始数据Tab.1 Basic data of social－economy and water use in Gansu province，1999 －2008

3 甘肃省用水变动的影响因素分解

前已述及，1999－2008年间人口和富裕程度都在增长，而用水总量保持相对稳定。因此需要了解四种影响因素对用水总量的影响分别是多大，为今后的发展提供科学的参考依据。利用第一节提出的分析方法，以表2的数据为基础，计算出不同时间间隔的变动情况。考虑到水资源系统具有较强的时间差异，这里对1年间的变化情况进行了分解。计算结果如表3所示。

从表3可以看出，对用水量的增加效应最大的是富裕程度，其中2003－2004年的值最高(21.07×108m3)，一方面是由于生产规模的扩大，直接对水资源系统形成压力;另一方面是由于人均收入的增加，导致消费量的增加，间接地对水资源系统产生压力。人口变化的效应相对较小，主要是因为人口数量的变化幅度相对较小，从1999年到2008年人口增长了3.35%。其中2004－2005年间是一个特殊年份，由于这段时间的人口数量减少25万人，使水资源使用量减少1.1×108m3，其效应占当期总效应的76.5%。这段时间内用水减少量(1.44×108m3)的3/4是由人口数量的变化引起的。而该时期人口数量的减少主要原因是人口自然增长率较低，根据2005年1%人口抽样调查结果报告，2005年甘肃省人口自然增长率为6.02‰。

表2 1999－2008年IPAT等式中各因素的数值Tab.2 Values of factors in IPAT equation，1999 －2008

表3 不同因素对用水变化的效应分解结果Tab.3 Decomposed impacts of different factors on water use

总体来看，人口变化和富裕程度对用水量的影响主要是增加作用，而用水强度变化和产业结构的变化主要是减少作用。表3的结果表明，所有时间段内用水强度的变化对用水量的变化都是减少的作用，最高为2003－2004年间减少了22.98×108m3，这表明用水效率的提高显著地减少了用水量。同样，产业结构的变化对用水量变化主要是减少的作用，最高减少量为9.40×108m3，有三段时间(2000－2001年间、2003－2004年间和2007－2008年间)的产业结构变化引起了用水量的增加，分别为0.52×108m3、0.49 ×108m3和 1.73 ×108m3，相对较小。因此，从对用水影响的角度来看，产业结构的变化总体趋势是向优化的方向发展的。这反映了在资源约束的情况下，人们通过各种手段在提高适应环境的能力。

为了更直观地对比用水效率和产业结构对总体用水量的影响差异，假设产业结构和用水强度之间相互独立(没有交叉影响)，设定了两种情景:情景1是假设甘肃省2000年－2008年所有年份的产业结构维持在1999年的水平，其余因素(人口、富裕程度和用水强度)为各年份实际值;情景2是假设甘肃省2000年－2008年所有年份的用水强度维持在1999年的水平，其余因素(人口、富裕程度和产业结构)为各年份实际值。计算得到1999－2008年全省用水量如表4所示。表4表明，情景1和情景2的用水量均不断增长，这说明如果单纯地提高用水效率(用水强度降低)或调整产业结构，都无法保证在特定的环境约束下实现社会经济的发展。换言之，只有当产业结构的调整与用水结构相一致时，才能实现满足社会经济的发展。对比两种情景可以发现，总体上情景2下用水量的增加幅度要高于情景1，这与结构分解模型的结论是一致的。如果产业结构保持在1999年不变的情况下，全省用水总量呈不断上升趋势，这说明从水资源利用角度上来看，1999－2008年间产业结构的调整在一定程度上减轻了社会经济发展对水资源系统的压力。

4 结果与讨论

本文从经典的IPAT等式出发，扩展为包含4种影响因素的用水分析等式，并利用结构分解模型，提出不同因素对总影响的贡献。利用模型对1999－2008年甘肃省用水状况进行了实证分析，得出的主要结论如下:富裕程度对用水量的增加效应最大，最高为2003－2004年(21.07×108m3);人口变化对用水量的增加效应相对较小，均小于1×108m3;用水效率的提高显著地减少了用水量;产业结构的变化主要也是减少用水量，但幅度比提高用水效率产生的效果低。然而，通过不同情景的反事实模拟结果的对比，可知单纯提高用水效率(用水强度降低)或单纯调整产业结构，并不能满足社会经济发展的需求。从本文的研究结果来看，虽然总的用水量没有太大变化，但这并不意味着对水资源系统没有压力(或压力较小)。以平水年(2005年)为例，全省缺水量为12.52×108m3，缺水程度为9.2%。这表明规模的扩大对水资源系统实际上产生了较大压力。

生态经济学正确地提出了人类社会发展面临的三个问题，即规模、分配和配置［10］。这三个问题的解决有一定的先后顺序，首先是规模问题，然后是分配问题，最后才是配置问题。然而现实却恰恰相反，更多关注的是配置问题。体现在水资源问题方面，就是人们不断地提高用水效率，降低单位产出的耗水量，然而历史的数据表明，仍然会对水资源系统产生较大压力。因为可更新资源的生产率将趋于稳定值［11］，即单方水的产出值将收敛于某一极限值。不论这一极限值是多少，这都表明不可能无限制地提高用水效率。因此，在面临资源约束的发展中，首要的问题应该是规模，而不是效率。何种规模才是可持续的呢?虽然这个问题至今仍无明确答案，但它至少指明了正确的方向。

随着人口和经济社会的不断发展，不仅要从提高用水效率、调整产业结构出发，提高适应环境的能力，实现水资源的高效优化配置;更重要的是调整发展思路、摆正人与自然的关系，这样才能真正实现人和自然的和谐发展。

表4 不同情景下各年总用水量(108m3)Tab.4 Total water use in different scenarios

References)

［1］徐中民，程国栋.中国人口和富裕对环境的影响［J］.冰川冻土，2005，27(5):767－773.［Xu Zhongmin，Cheng Guodong.Impacts of Population and Affluence on Environment in China［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2005，27(5):767 －773.］

［2］Dietz T，Rosa E.Effects of Population and Affluence on CO2Emissions［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，1997，94(1):175.

［3］Ehrlich P，Holdren J.Impact of Population Growth［J］.Science，1971，171:1212－1217.

［4］Daily G，Ehrlich P.Population，Sustainability，and Earth’s Carrying Capacity［J］.BioScience，1992，42(10):761 － 771.

［5］Waggoner P，Ausubel J.A Framework for Sustainability Science:A Renovated IPAT Identity［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2002，99(12):7860－7865.

［6］Kwon T.Decomposition of Factors Determining the Trend of CO2Emissions from Car Travel in Great Britain(1970 －2000)［J］.Ecological Economics，2005，53(2):261 －275.

［7］焦文献，徐中民，尚海洋，等.基于ImPACT等式的人类活动环境影响分析:以甘肃省虚拟水消费为例［J］.冰川冻土，2006，28(5):748－754.［Jiao Wenxian，Xu Zhongmin，Shang Haiyang，et al.Analysis of Environment Impact of Human Activities Based on Impact Identity:A Case Study of Virtual Water Consumption in Gansu Province［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2006，28(5):748 －754.］

［8］Roca J.The IPAT Formula and Its Limitations［J］.Ecological Economics，2002，42(1－2):1－2.

［9］Sun J.Changes in Energy Consumption and Energy Intensity:A Complete Decomposition Model［J］.Energy Economics，1998，20(1):85－100.

［10］Daly H，Farley J.Ecological Economics:Principles and Applications［M］.Washington，DC:Island Press，2004:373－424.

［11］Daly H，Townsend K.Valuing the Earth:Economics，Ecology，Ethics［M］.Massachusetts:The MIT Press，1993:113 －126.

Analysis of Impact Factors of Water Use Based on IPAT Equation for Gansu Province

WANG Kang
(Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basins，CAS，Lanzhou Gansu 730000，China)

Water shortage is a serious problem for socio-economic sustainable development in northwest China.The classic IPAT equation was extended to four kinds of factors in the analysis of water use，including population，affluence，water use intensity and industrial structure，then the structural decomposition model was applied to decompose the contribution of the four different factors on water use change and obtain the impact of different factors on water use change.Water use in Gansu province from 1999 to 2008 was analyzed by the model.The results showed that:the increase of water use is most influenced by affluence，and the top was 2.107 billion m3one year(2003－2004);the impact of population on the water system had relatively small effect，which was less than 100 million m3;although both improving water use efficiency and changing industrial structure could reduce total water use，the decrease of water use is more influenced by changing the industrial structure.In addition，simply improving water use efficiency or adjusting industrial structure cannot make social-economic development come true under the constraint of environment.Thus，in order to meet the growing demand of people，it is not enough to only improve water use efficiency and adjust industrial structure to achieve optimal allocation of water resources.The more important point is to adjust development ideas，and harmonious development can be realized only when man and nature are rightly positioned.

IPAT equation;structure decomposition model;water resources;Gansu Province

F293.3

A

1002－2104(2011)06－0148－05

10.3969/j.issn.1002－2104.2011.06.024

2010－12－20

王康，硕士生，主要研究方向为生态经济学。

*中科院知识创新工程重要方向项目群(编号:KZCX2－YW－Q10－4－03);中国科学院西部行动计划项目(编号:KZCX2－XB2－09－6)。

(编辑:王爱萍)