基于水足迹-扩展LMDI模型的河南省水资源利用与经济发展脱钩关系研究

陆秋雨

(河南财经政法大学工程管理与房地产学院，河南 郑州 450000)

水资源作为经济社会发展不可或缺的基础自然资源，其丰富程度对可持续发展战略有着重要影响[1]。 而河南省人口众多，作为黄河流域重要粮食产区，工业和农业的发展需求导致河南省不仅水资源消耗量较大，水资源的短缺也在一定程度上制约了河南省的经济发展。 为实现河南省城镇发展规模、人口规模等经济社会发展要素与水资源的协调发展。 河南省实施了《河南省“十三五”水资源消耗总量和强度双控工作实施方案》，严格控制水资源消耗强度，水资源利用方面有所改善但仍存在不足。为全面推进节水型社会建设，河南省在2020 年以十四五规划精神为指引，要求进一步加强双控约束性力度。 基于此，如何实现河南省水资源利用的可持续发展，不仅是河南省突破水资源短缺制约面对的新机会新挑战，同时也是对河南省水利的高质量发展提出的新要求。

目前国内外研究水资源的方法多集中在水资源生态足迹定量分析[2]，水资源利用效率[3]及可持续利用情况评价[4]，水资源开发利用和水生态承载力[5]，水资源利用效率与经济发展的脱钩关系探究[6]等方面。 如潘安娥等[7]利用水足迹定量分析湖北省水资源用水量的真实情况，构建协调发展脱钩评价模型对水资源消耗和经济增长的协调关系进行分析，章恒全等[8]和管驰明等[9]用LMDI-Tapio两阶段法分解脱钩指数分别探究长江三角洲地区和西北5 省总用水量与农业用水量变化与脱钩状态之间相关联系；焦隆等[10]基于DPSIR模型和水足迹理论评价了桂林市水资源现状与水资源生态承载情况；刘玉邦等[11]运用水生态足迹计算模型和LMDI分解法探究成都市水生态足迹影响因素；陈海涛等[12]采用熵权模糊综合评价模型，对河南省水资源综合承载力进行评价；尚瑞朝等[13]基于邯郸市农业用水的结构特征，分析其水资源优化配置并做出预测。

综上所述，在对于水资源利用方面的研究领域，尤其是水资源经济发展与脱钩关系方面，已经取得了一定的成果，但仍存在一些不足。 一是在水资源研究的指标选取方面，多为选取用水量指标，并未考虑与虚拟水理论结合的基于水足迹模型的相关水资源利用分析；二是在分析水资源利用与脱钩状态方面，虽然有关于脱钩分解驱动因素的相关研究，但脱钩分解驱动因素指标仍待改进。 三是在农业水资源利用方面，与不同水文年对比分析农业用水脱钩状态的研究较少。 基于此，本文选取河南省2004—2018 年数据，构建水足迹-扩展LMDI模型及脱钩驱动因素分解模型，从技术改进、产业结构、规模经济、常住人口4 个影响方面，从工业用水量和不同水文条件下农业虚拟用水量2 个角度，研究河南省水资源利用与经济发展的相关关系，为河南省推动节水型城市建设，以及加强水资源利用效率，突破水资源短缺制约瓶颈，实现经济高质量发展提供理论支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 水足迹及评价模型

水足迹模型主要用来衡量一个地区境内生产与服务与境外虚拟水进出口的总用水量，其中，在境内生产服务用水方面，主要由农业用水、工业用水、生活用水、生态用水4 个方面构成。 在水资源的水足迹计算模型之中，大多文献选取农业用水量为基础指标，忽略了农业隐藏水资源，即农业虚拟水，在农业生产当中的影响。 因此，本文参考余灏哲等[14]学者研究方法，选取农业虚拟水与实体水相结合构建水足迹评价模型，以期真实反映河南省水资源利用情况(表1)。 计算公式如下:

表1 水足迹评价公式

式中 WF——河南省水足迹总量；IWE——境内水足迹总量； AWU——农业虚拟水总量；IWU——工业用水总量；DWU——生活用水总量；EWU——生态用水总量；EWE——境外消耗虚拟水总量，由VWI(进口虚拟水量)和VWE(进口虚拟水再出口总量)构成，由于考虑到进口虚拟水再出口的数据获取难度，一般选择忽略不计。

1.2 基于水足迹的脱钩模型构建

脱钩模型广泛用于资源环境与经济发展之间不再互相依赖的程度和方向。 若水资源利用总量随着经济效益的增长而增加，即水资源利用效率与经济增长呈现出耦合趋势；若水资源利用总量随着经济效益的增长而减少，则称之为水资源利用效率与经济增长之间的脱钩趋势。 一般刻画脱钩模型的方法为基于完全分解技术的脱钩分析法、LMDI-脱钩弹性两阶段法、OECD脱钩因子法、Tapio脱钩弹性指数、Vehmast脱钩指数模型等，但目前各种模型构建方法均在界定状态方面存在一定的弊端。 因此，本文参考刘明胜等[15]研究，选择不收量纲变化影响的Tapio脱钩弹性指数构建水资源利用与经济增长的脱钩模型(表2)。

表2 脱钩状态分类表

式中 ΔWF——水足迹变化率；ΔGDP——河南省生产总值变化量；WFt、WF0、GDPt、GDP0——第t期和第0 期的河南省水足迹与生产总值。

脱钩是水资源保持与经济增长之间持续稳定链接趋势的过程，依据不同的指标状，参考路瑞等[16]、朱光磊等[17]脱钩评价指标划分方法，划分为8 种脱钩状态。

1.3 水足迹-LMDI脱钩模型构建及驱动因素分析

仅分析水资源利用与经济发展的脱钩分析，并不能很好地显示出河南省水资源与经济发展脱钩态势的影响方面，因此，本文在Tapio脱钩模型定量分析的基础上，参照孙付华等[18]对于分解脱钩模型的理解与推导，引用扩展的LDIM模型，从技术改进、产业结构、规模经济、常住人口4 个方面，进一步深化对河南省水资源利用与经济发展脱钩驱动因素的分化与分析。 分解公式如下:

式中 WFi——第i行业水足迹总量；GDPi——第i行业生产总值；P——河南省常住人口；Ii——第i行业用水强度；Si——第i行业生产产值在河南省生产总值占有比重；ln c——河南省人均生产总值。

基于以上分解因素，可以将水足迹总量分为以下4 个因素组成部分。

式中，分解因素WFI、WFS、WFlnc、WFP分别反映技术改进、产业结构、规模经济、常住人口的4 个效应，并基于以上推到公式分解脱钩模型，公式如下:

式中 eI、eS、elnc、eP——技术效应、产业结构效应、规模效应、人口效应引起的脱钩因子变化。

1.4 数据来源与处理

本文涉及河南省2004—2018 年指标与数据，如农业、畜牧业生产产量、工业用水、生态用水、生活用水均，水文年份均来自于《河南省水资源公报》《河南省统计年鉴》《中国环境统计年鉴》。 在水足迹测算方面，依照2004—2018 年中国对美元市场汇率，将贸易值的美元单位依照汇率转换为以人民币单位对进出口虚拟水量进行计算。 生产总值指标处理方面，对河南省生产总值，第一产业增加值，第二产业增加值，均以1998 年为基准进行换算。 在计算农业生产产生的农业虚拟水方面，参照焦士兴等[19]、潘忠文等[20]学者的研究，选取河南省主要粮食作物、水产品、畜牧产品计算农业产品的虚拟水含量。 具体农产品虚拟水含量见表3。

表3 单位产品虚拟水含量单位:m3/kg

2 实证分析

2.1 河南省水足迹变化分析

在河南省水足迹总量之中，农业虚拟用水量占很大一部分，工业用水位列第二。 在2004—2018 年期间，农业虚拟水、工业用水、生活用水和生态用水的用水总量年份均值中分别占比94.88%、2.86%、1.95%、0.5%，并于2008 年达到水足迹总量的最大值1 956.787 亿m3(表4)。 农业虚拟水足迹呈现出先上升后减小的倒U型波动趋势。 工业，生活水足迹则在此期间保持持续的增长趋势，而生态水足迹波动较为不稳定，经历了上升后短暂下降，又上升的变化趋势。 水足迹的变动与河南省水资源相关政策和当年降雨量有一定的关联，河南属于农业大省，农业用水量较大，虽然农业技术方面的相关推广和测试在不断进行，但仍有部分区域存在农业灌溉技术粗放，存在水资源短缺和水资源承载力较弱的问题，人均水足迹占有量也相对较高，15 年总均值为1 917.97 m3/人，最高为2007 年2 082.12 m3/人，高于全国2007 年平均水平1 409.09 m3/人，即河南省人均水足迹与预期仍存在一定差距。

表4 2004—2018 年水足迹构成及相关评价指标

河南省水资源自给率相对较高，出口虚拟水量大于进口虚拟水量，处于虚拟水贸易顺差，但从水资源匮乏指数在2004—2018 年间，除2013 年水资源匮乏指数达到8.38，其余年份波动范围均在3.0 ～6.5，表明河南省水资源仍处于紧缺状态。 面对严峻的水资源利用现状，河南省在2013 年出台《关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》，严格把控用水效率控制红线，水资源利用效率有所提升，到2014 年南水北调中线正式通水后，也在一定程度上缓解了河南省的用水压力，水资源匮乏指数自2014年后逐渐下降，水资源利用效率则逐渐上升。/

2.2 河南省脱钩分析

2.2.1 河南省整体脱钩分析

对于水资源利用效率和经济增长的脱钩分析强调的是脱钩过程的趋势分析，而以往文献多以1 年为周期进行相关研究，可能会存在效应影响难以体现的问题，因此本文设置2 年为一个周期，对河南省水资源利用效率与经济增长进行脱钩分析。

河南省水资源利用与经济增长之间整体呈现出弱脱钩的趋势状态。 在2004—2016 年段，河南省处于随着经济增长水资源利用效率也增长的弱脱钩关系状态之中，弱脱钩因子在0.3 以下，在弱脱钩状态之中属于良好阶段。 自2016 年之后，河南省脱钩状态趋于稳定，有多于2/3 的年份处于弱脱钩趋势状态，即处于随着经济增长河南省水资源用水量也在增多的状态。 在2016—2018 年间，河南省水资源利用与经济增长的脱钩指数有着明显的变化，强脱钩趋势加深，这与河南省严格控制用水效率有关，水资源利用效率提升，经济增长的同时总用水量得以下降。

2.2.2 河南省工业与经济增长的脱钩分析

河南省工业用水利用效率与经济增长的脱钩状态整体由弱脱钩状态向好发展。 在2004—2012 年，5 个年段间均处于弱脱钩状态，占年段总数的71.4%(表5)。 在此期间，随着河南省工业生产总值持续增长，工业用水总量也在不断增加，用水资源紧张且工业化程度加深，进一步加重了水环境污染问题。 在2012—2014 年度间，河南省工业脱钩指数逐向强脱钩状态靠拢，提出严格把控节水环节，提高工业用水重复率等措施，脱钩程度转向经济增长与用水资源相背离的状态。 在2016—2018 年段之中，河南省工业脱钩指数处于弱脱钩转态，脱钩指数小于0.015，尚处于脱钩的良好状态。

表5 2004—2018 年河南省脱钩状态分析

2.2.3 不同水文条件下农业用水量变化及农业脱钩分析

水文年是依据每年区域降水量等因素影响划分制定，而降雨量的丰富程度对于农业的生产存在着一定的影响。 根据河南省2004—2018 年不同水文年份，可知河南省在平水年、偏枯年、偏丰年、枯水年的农业用水量均值分别为126.47 亿、130.03 亿、120.96 亿、141.65 亿m3(表6)。 在降雨量较多的偏丰年，农业用水明显少于偏枯年与枯水年。 水文年份的不同对农业虚拟用水量也存在影响，在平水期进入偏枯水文年份，农业虚拟水足迹总量明显高于偏枯水文年进入平水年，而农业生产总值的差别相对并不大，可以初步判断降雨量对于农业脱钩状态可能存在一定的影响。

表6 不同水文年及河南省农业用水情况

河南省农业虚拟用水量与经济增长脱钩状态整体趋于稳定。 在2004—2016 年段间，河南省农业脱钩处于弱脱钩趋势状态，在2006—2008 年段脱钩指数由0.502 下降到0.470，接近扩张链接阶段，表明经济增长的同时农业虚拟用水量也在快速的增加，农业耗水加大。 由于河南省属于农业大省，在部分地区存在灌溉水节水不到位，农业水资源利用效率低下等问题，因此农业用水一直处于河南省用水消耗量的重要组成部分。 从2008 年开始，河南省加大对大型灌区节水改造，并积极推动水利工程建设，在2008—2018 年段间，河南省农业水资源利用与经济增长的脱钩状态向强脱钩趋势状态靠拢，并呈现出持续加强的态势，这一结果与雷玉桃等[21]、彭虹等[22]学者对农作物虚拟水及农业用水量变化趋势的预测大致相同。 在2017 年，河南省出台了《河南省“十三五”水资源消耗总量和强度双控工作实施方案》，为减少水资源消耗、提高用水效率提出了严格的要求，促进用水方式与经济发展方式转变，进一步控制水资源利用率，农业用水量与农业产值增长逐渐向理想状态趋近。

2.3 河南省脱钩驱动因子及效应分析

本文主要运用扩展的LMDI分解法，在Tapio脱钩弹性模型的基础上，结合Kaya恒等式，将河南省水资源利用与经济发展脱钩弹性指数分解为技术效应、产业结构效应、规模效应、人口效应四大脱钩变化因子。

2004—2018 年，河南省水资源利用效率与经济增长脱钩因子分为以技术效应和人口效应为主的负相驱动因子变化，和以规模效应和产业结构效应为主的正向脱钩因子变化(表7)。 其中，技术脱钩因子效应的绝对值持续下降，对河南省脱钩的脱钩贡献率整体均值为负的6.84，脱钩因子为河南省水资源脱钩的主要促进因子。 技术效应绝对值从2004年的356.99 下降到2018 年的340.19，下降幅度并不大，表明河南省水资源利用技术在15 年间持续增长，但由于农业灌溉技术推广尚不成熟，部分地区农业灌溉技术较为粗放，技术改进推广成果较慢等原因，技术效应虽然对水资源利用效率和经济增长的脱钩趋势有所贡献，但仍存不足。 而河南省产业脱钩因子变化则对河南省水资源利用效率和经济增长的脱钩贡献率为0.29，产业脱钩效应绝对值呈现先下降后上升的波动趋势，变动趋势并不稳定，产业驱动因子则为河南省水资源脱钩的次要促进因子。 在正向脱钩因子变化之中，规模脱钩因子对河南省脱钩趋势有着正向驱动作用，为主要抑制因子，规模脱钩效应贡献率整体均值为7.59，但在2004—2018年规模驱动效应逐年减弱。 而人口驱动因子变化对于河南省脱钩趋势的作用较小，对河南脱钩效应整体贡献率均值为负值0.04，人口脱钩因子呈现先下降后上升的波动趋势，对河南省脱钩抑制作用并不明显。

表7 河南省脱钩因子分析

3 结论及建议

a)河南省人均水足迹占有量和自给率相对较高，处于虚拟水贸易顺差状态，整体水资源匮乏情况有所缓解但仍处于紧缺状态。 在用水量方面，农业虚拟水足迹呈现出先上升后减小的倒U型波动趋势，工业、生活水足迹则在此期间保持持续的增长趋势，而生态水足迹波动较为不稳定。

b)河南省水资源利用与经济增长之间整体呈现出弱脱钩的趋势状态，工业用水利用效率与经济增长的脱钩状态整体较弱。 农业虚拟用水量与经济增长脱钩状态则整体趋向于稳定，且水文年份的不同对农业虚拟用水量存在着影响，在平水期进入偏枯水文年份，农业虚拟水足迹总量明显高于偏枯水文年进入平水年。

c)河南省脱钩因素分解方面，技术效应对水资源利用效率和经济增长的脱钩趋势有所贡献，但仍存不足，人口驱动因子变化对于河南省脱钩趋势的作用较小，规模脱钩效应对河南省脱钩趋势有着正向驱动作用，但驱动效应逐年减弱，而产业脱钩因子变化变动趋势并不稳定，且对河南省水资源利用效率和经济增长的脱钩贡献并不明显。