淮安市用水指标与城市化指标关联性分析及用水潜力预测

华 佳，柏双友，李治阳，周宏仓

（1.无锡环境科学与工程研究中心，江苏 无锡 214153；2.南京信息工程大学 环境科学与工程学院， 江苏 南京 210044）

1 研究背景

近年来，在快速城市化和经济持续高速发展背景下，我国城市水资源供需矛盾日益突出，已成为制约许多城市社会经济持续发展的瓶颈之一，城市化水平和水资源利用的相互关联机制成为研究热点。国外关于城市化与水资源关系的研究始于1980年代。目前，大多数发达国家已进入城市化发展后期并实现了需水零增长，其研究内容主要为水环境污染和水资源管理。中国的相关研究始于20世纪末，研究主要集中在城市水质、水量供求和水循环等单个方面。如田禹等［1］通过对山东省城市化发展与污水排放关系的研究，认为随着山东省城市化的快速发展，污水排放量呈上升趋势；王东东等［2］研究表明，随着城市化进程的加快，水资源的供需矛盾变得日益突出；姜昀等［3］研究了城市化进程引起的水文演化规律，并提出多种水文循环演化的解决对策。也有学者研究了水资源约束下的城市化进程，如鲍超等［4］探讨了与水资源约束相适应的城市化发展模式，陈妍彦等［5］探讨了在水资源总量控制约束下，用水和产业结构的关系。这些研究从不同角度和层次对城市化与水资源关系进行了探索，取得了一定成果。目前，国内外关于城市化发展与水资源系统关系的研究还存在很多不足之处，主要体现在：对城市化和水资源单方面的静态研究较多，对二者相互关系动态演变及趋势预测的研究较少；关于城市化发展对水资源产生影响作用的研究多，而有关水资源对城市化发展反作用机制的研究较少；对西北等干旱、半干旱地区的研究较多，对相对丰水地区（如沿海地区）的研究很少。

淮安市虽被誉为“运河之都”，其人均可利用的水资源只占全国人均指标的四分之一，是典型的水资源短缺城市，在苏北城市中具有代表性。本文基于淮安市［6-9］和全国［10-11］2005—2014年间水资源利用及社会发展相关数据，分析淮安市用水指标及与城市化水平的关联性，预测该市人均需水量和水资源人口承载力。以期为提高淮安市用水效率、促进节水节能、提升用水管理水平以及制定科学的水资源远景规划提供实证依据。

2 研究方法

灰色关联分析法是根据比较数列曲线与参考数列曲线间的几何相似程度来判断两数列间的关联程度［12-16］。在水资源承载力评价系统中，分别将用水指标和城市化指标作为参考序列和比较数列，用灰色系统评价原理来评价两序列的关联度，找出与人均用水量变化呈较强相关性的用水指标，用多元回归分析法建立人均需水量预测模型［17］，对用水潜力和人口承载力进行预测。

2.1 城市化水平指标的划分为了能够全面反映水资源利用和城市化水平之间的相互关系，本文在诸多城市化影响因素中选取城市化率（X1）、产业结构（X2）、经济发展水平（X3）和居民生活水平（X4）作为淮安市城市化水平的衡量指标。

（1）城市化率X1：

式中，X1为农业人口转化为城市人口的比率，反映了农村生活方式向城市生活方式、农村传统自然经济向城市社会化大生产转变程度。

（2）产业结构X2：

式中，X2为反映国民经济各产业部门之间以及各产业部门内部的构成比例，合理的产业结构有利于国民经济的平稳快速发展。

（3）经济发展水平X3：

式中，X3为衡量经济发展状况的指标，是了解和把握一个国家或地区宏观经济运行状况的有效工具，反映了经济的发达程度。

（4）X4=居民可支配收入。X4为反映居民生活状况和生活质量的重要指标，是居民储蓄、消费支出和非义务性支出之和。

2.2 用水指标选取用水指标有多种，本文选取人均用水量（Y1）、万元GDP用水量（Y2）、万元工业增加值用水量（Y3）、农田灌溉亩均用水量（Y4）和水资源产出率（Y5）等5个典型指标进行分析。

其中：

式中，工业用水量指工业企业在生产过程中用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水量（不包括企业内部的重复利用水量）；工业增加值是指工业企业总产值减去物质产品和劳务价值后的差值，是生产过程中新的价值。

式中，水资源产出率是指消耗单位水资源所产出的产值，该项指标的比率越高，水资源利用效益越好。

2.3 城市化水平与用水指标的灰色关联分析方法

（1）确定参考数列和比较数列。分别将X1、X2、X3和X4等城市化水平指标和Y1、Y2、Y3、Y4和Y5等用水指标作为参考数列和比较数列。

（2）对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。采用均值化方法（将数列各项与平均值相比）形成新数列。

（3）求参考数列与比较数列的灰色关联系数ξ(ki)［18］

式中，ρ取0.5。

（4）求关联度ri

式中，ri值越接近1，说明相关性越好。

（5）关联度排序。对关联度大小排序，以判断待识别对象对研究对象的影响程度。

2.4人均需水量Cp的预测［13］将人均需水量作为因变量y，将各影响因素作为自变量xi（i=1，2…，n），对于已有的一组数据，因变量y与其相应自变量xi之 间的关系可以描述为：

该公式可表示为Y=XB。其中的Y、X和B分别为：

自变量x的选取要考虑与人均需水量Cp的相关性，本文将其确定的多元回归预测模型表示为：

式中：Cp为人均需水量（m3/人·年）；Qs为总用水量（亿m3/年）；Wi为万元工业增加值用水量（m3/万元）；Vw为水资源产出率（元/m3）；Wa为农田灌溉亩均用水量（m3/亩）。

3 淮安市用水指标分析

3.1 人均用水量2005—2014年间淮安市、江苏省和全国人均用水量比较见图1。近10年来，淮安市人均用水量虽有波动，但基本维持在670 m3/人·年左右。江苏省人均用水量约为690 m3/人·年，近年有下降趋势。对全国而言，这一指标多年维持在450 m3/人·年左右。虽然江苏省是水资源大省，目前人均用水量较高，但可用的水资源量低于全国平均水平。特别是淮安市，可利用的水资源只占全国人均指标的四分之一，而人均用水量比全国平均水平高出48.9%，随着城市化的快速推进，淮安市对水资源的需求和依赖越来越大，节水建设迫在眉睫。

图1 淮安市、江苏省和全国的人均用水量比较

3.2 万元GDP用水量和水资源产出率2005—2014年间淮安市、江苏省和全国的万元GDP用水量比和水资源产出率的比较见图2。万元GDP用水量反映了单位地区生产总值的用水效率，水资源产出率反映了单位水量对地区生产总值的贡献率。这两个用水指标从不同视角对用水效率作出诠释。淮安市2005年的万元GDP用水量为636 m3/万元，远高于江苏省的284 m3/万元和全国的304 m3/万元；同时当年淮安市、江苏省和全国的水资源产出率分别为15.7、35.9和33.0元/m3。用水效率的排序为：江苏省＞全国＞淮安市，可见淮安市的用水效率非常低下。

随着近年来人们节水意识提高、节水技术的应用和节水型社会建设的推进，我国用水效率得以大幅提高。到2014年，淮安市、江苏省和全国的万元GDP用水量分别降为130、73.8和96 m3/万元，水资源产出率分别提高到77.1、135.4和104.3元/m3。尽管淮安市的用水效率提高较大，仍然没有达到江苏省甚至全国的平均水平，还有较大的提升空间。

图2 淮安市、江苏省和全国的万元GDP用水量和水资源产出率比较

3.3 万元工业增加值用水量万元工业增加值用水量是指在工业生产中每生产1万元工业增加值所需的水量。该指标既能反映工业行业用水效率的高低，也能反映工业产业结构调整对工业用水和节水的影响，比万元工业产值用水量更能体现水资源投向产品附加值高、技术密集产业的优化配置水平。

2005—2014年间淮安市、江苏省和全国的万元工业增加值用水量比较见图3。10年间淮安市（除2006年指标异常外）、江苏省和全国的万元工业增加值用水量分别从2005年的83、64和169 m3/万元下降到2014年的14.3、17.4和59.5 m3/万元，工业生产用水效率都在提高。从2008年开始，淮安市工业用水效率不仅比全国平均水平高出较多，还超过了全省的平均水平，这与该市部门结构调整和用水定额下降有关，也与该市严格限制工业清洁水取用、努力提高工业用水重复利用率有关。例如，2015年淮安市工业用水重复利用率已达93%，超过国家节水型城市考核标准10个百分点。

3.4 农田灌溉亩均用水量农田灌溉亩均用水量反映了农业生产的用水效率。由于农业生产在用水结构中所占比重较大，因此这一指标对总用水量的影响比较关键。2005—2014年间淮安市、江苏省和全国的农田灌溉亩均用水量比较见图4。

图3 淮安市、江苏省和全国的万元工业增加值用水量比较

图4 淮安市、江苏省和全国的农田灌溉亩均用水量比较

总体而言，淮安市、江苏省和全国的农田灌溉亩均用水量呈下降趋势，它们分别从2005年的540、442和448 m3/亩下降到2014年的382、433和402 m3/亩，但下降幅度较小，农业用水效率提高缓慢。对于这一指标，淮安市近两年基本和全省、全国处在同一水平上。这种情况也说明我国在解决农业用水效率方面还没有取得重大进展，应当成为未来节水型社会建设的重点关注方向。

4 淮安市用水指标与城市化指标关联度分析

有研究表明，城市化水平同用水效率之间关系密切［19］，对城市节水建设具有指导价值。用水效率主要体现在用水指标上，因此，本文基于淮安市2005—2014年间城市化指标（城市化率X1、产业结构X2、经济发展水平X3、居民生活水平X4）和用水指标（人均用水量Y1、万元GDP用水量Y2、万元工

业增加值用水量Y3、农田灌溉亩均用水量Y4、水资源产出率Y5）的基础数据，利用2.3所述灰色关联分析方法对二者进行关联性分析。

4.1城市化（Xi）对用水指标（Yi）的关联度城市化对用水指标关联度的分析结果见表1。

表1 Xi-Yi关联度分析结果

根据关联度划分标准，当关联度 ri∈［0，0.35），为弱关联；ri∈［0.35，0.65），为中度关联；ri∈［0.65，1］，为强关联。从表1关联度分析可以看出，产业结构与城市化率对人均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉亩均用水量等4个用水指标的影响较大，其关联度为强关联；居民生活水平和经济发展水平对这4个用水指标的影响较小，为中度关联。在城市化水平指标中，产业结构和城市化率是“因”、经济发展水平和居民生活水平是“果”。即只有合理调整产业结构、并提高城市化率促进农村剩余劳动力转移，才有利于城市社会经济的快速发展，进而促进居民生活水平的提升。关联性分析结果提示我们，提高城市用水效率要以产业结构调整为抓手，综合运用经济、政策和技术手段，才能达到较好的效果。

另外，经济发展水平和居民生活水平与水资源产出率表现出强关联性。因为科技进步与经济发展是相互促进、协同发展的，水资源产出率的提高与节水技术进步有关，上述强关联性正是体现了经济发展与技术进步之间的相互关系。水资源产出率越高用水效率越好，提高城市用水效率不能单靠某项技术措施，而应从经济社会发展的全局考虑、综合解决。

4.2用水指标（Yi）对城市化（Xi）的关联度用水指标对城市化的关联度的分析结果见表2。

表2 Yi-Xi关联度的分析结果

从表2关联度分析可以发现：（1）人均用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉亩均用水量等3个用水指标对城市化率和产业结构的影响较大，为强关联；而水资源产出率和万元GDP用水量的影响较小，为中度关联。（2）水资源产出率、人均用水量和万元工业增加值用水量等3个用水指标对经济发展水平和居民生活水平的影响较大，为强关联；而农田灌溉亩均用水量、万元GDP用水量对经济发展水平和居民生活水平的影响较小，为中度关联。

从这些结论可以看出，农业生产和工业生产用水效率对城市化发展的影响较大，城市化进程必须将产业结构合理调整放到一个重要位置。

5 淮安市用水潜力预测

在一定时期内，一个城市可利用的水资源总量（本地水资源量、区外调水量、污水和雨水的资源化利用量）是能够预测的。用水潜力预测的准确性主要取决于人均需水量预测的准确性。在城市各项用水指标中，如果能找到与人均需水量相关的要素并建立相关模型，就可以利用历史数据模拟出符合未来发展的人均需水量，进而就可以较准确地计算出水资源的人口承载力，为城市发展的未来规划提供支撑依据。

5.1 人均需水量模型的建立经过第4章中的灰色关联分析可以看出，淮安市人均用水量的变化趋势与总用水量、万元工业增加值用水量、水资源产出率的变化趋势呈现出较强的相关性。因此，采用2.4节中多元回归分析法来研究包含上述指标在内的数学关系，建立人均需水量预测模型。

将淮安市2005—2014年用水指标的原始数据列于表3，并对表3中的数据进行回归分析，得到人均需水量的多元回归模型：

为检验回归效果，利用该多元回归模型对历年人均用水量拟合，结果见图5；对模型的检验结果见表4。

表3 2005—2014年用水指标原始数据

图5 多元回归分析人均需水量数据拟合

本例R=0.9836表明自变量与因变量之间高度正相关。复测定系数是R2，用以表征自变量解释因变量变差的程度，测定拟合效果。本例中R2为0.9675，即自变量可解释因变量变差的96.75%。调整后的R2为0.9415，与R比较接近，自变量能说明因变量的94.15%，仅有5.85%由其他因素来解释。一般而言，调整后的复测系数大于0.85即表明关系显著，本例为0.9415，说明回归模型比较可靠。此外，本例回归分析的平均相对误差仅为0.01%，最大相对误差也只有-1.41%，说明具有较好的拟合效果。P值为0.0007，小于0.05的显著性水平，说明本例回归效果显著。

表4 模型检验参数

5.2 淮安市人均需水量预测通过以上分析可以看出，在水利部门规划好未来某年该市的总用水量、万元工业增加值用水量、水资源产出率和农田灌溉亩均用水量等具体指标的前提下，可以利用上述回归模型对人均需水量进行预测，以此为依据进一步对该市的水资源人口承载力进行计算。

根据《淮安市水利现代化规划（2011—2020）》［20］，2020年淮安市的万元工业增加值用水量规划指标为18 m3/万元，水资源产出率规划指标为100元/m3，用水总用水量规划指标为32亿m3/年，农田灌溉亩均用水量规划指标为510 m3/亩。将上述指标数据代入回归模型，可以计算出2020年淮安市的人均用水量为562 m3/人·年。

5.3 淮安市水资源人口承载力分析由以上分析可知，到2020年，淮安市用水总量控制目标为32亿m3，预测的人均需水量为562 m3/人·年，据此可以计算得出淮安市2020年水资源可承载人口为569万。这一预测值与《淮安市城市总体规划2009—2030》中规划的中期目标（2020年）总人口560万人非常接近［21］。

需要指出的是，目前对用水总量的控制主要是针对取用水量，即地表水和地下水资源。随着科技的进步和人们环保意识的不断增强，污水处理的成本越来越低，再生利用水等非常规水源正在成为水资源利用的一种重要补充。因此，城市水资源的人口承载力也会得到相应提高。

6 结论

（1）淮安市可利用的水资源量仅为全国人均指标的四分之一，但近年来该市人均用水量维持在670 m3/人·年左右，比全国平均水平高出48.9%，节水建设迫在眉睫。

（2）2005—2014年间，尽管淮安市万元GDP用水量不断降低、水资源产出率不断升高，用水效率提高明显，但仍没达到江苏省甚至全国的平均水平，还有较大提升空间。

（3）近年淮安市工业用水效率不断提升，不仅比全国平均水平高出较多，还超过了全省平均水平，进步较大；淮安市农田灌溉亩均用水量逐年下降，但降幅较小，近两年基本和全省、全国处在同一水平上。

（4）淮安市的产业结构与城市化率对人均用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉亩均用水量等4个用水指标的影响较大，属于强关联；居民生活水平和经济发展水平对这4个用水指标的影响较小，为中度关联。提高城市用水效率应综合运用经济、政策和技术手段，才能达到较好的效果。

（5）淮安市人均用水量、万元工业增加值用水量和农田灌溉亩均用水量等3个用水指标与城市化率和产业结构之间为强关联关系；水资源产出率、人均用水量和万元工业增加值用水量等3个用水指标与经济发展水平和居民生活水平之间也呈强关联。农业生产和工业生产用水效率对城市化发展影响较大，城市化进程应将产业结构调整放到一个重要位置。

（6）根据淮安市人均需水量预测结果，在制定该市未来发展规划时应充分考虑用水指标和城市化水平之间的关联性，兼顾水资源利用量、利用效率和城市发展规模，将淮安市2020年人均需水量控制在562 m3/人·年左右，人口控制在569万人左右。