河北省城镇居民生活层次化用水的影响因素分析

刁子乘，赵 晶，韩宇平，赵泽阳

（华北水利水电大学水资源学院，河南 郑州 450046）

0 引 言

随着城镇化进程的不断加快，居民生活用水成为新的需水增长点。居民生活用水的影响因素研究也逐渐受到重视，居民生活用水主要受4方面因素的影响:①人口因素，熊升银等［1］通过研究发现城镇居民用水人口数增加1%，用水需求则会上升0.943个百分点。董婕等［2］认为在城镇化进程快速发展中，城市生活用水量具有随城镇化率的变化呈现单调上升的特征。②节水技术，节水器具普及率和管网耗损率是生活需水量增长的重要制约因素［3］。Duarte［4］发现用水强度的下降是总用水增长大幅度减少的原因。佟金萍等［5］认为促进节水技术的改进和推广以提高产业和地区用水效率是进一步降低我国万元GDP 用水量的主要途径。③经济发展水平，左其亭等［6］认为城市人均生活用水量与城市GDP呈现S型曲线关系。刘强等［7］经过研究发现，经济发展水平的提高带来了居民用水的增长。④气候因素，Willis 等［8］在美国亚利桑那州的定量分析表明，年均温度上升10 ℃，会导致人均居民生活用水量提升6.6%。DuroJ 等［9］研究表明气温升高导致蒸发增大，会增加家庭日用水量。

国内外学者采用主成分分析法［10］、灰色关联分析法［11］、多元逐步回归分析法［12］、集对分析法［13］等多种方法开展用水影响因素分析研究，但定量表示各影响因子对用水变化的影响程度仍是研究的难点。Ang 等［14］人提出因素分解法，用于分析不同驱动因子的变化对研究对象的影响程度， Ang 认为对数均值迪式指数分解法（Logarith Micmean Divisia Index，LMDI）是因素分解法中的最优方法，该方法不仅解决了零值问题，并且给出了完美的分解，相较于其他方法能够对影响水资源利用的驱动成分进行全分解、无残差的分析［15］，因此近年来被广泛地用于水资源领域。张豫芳［16］通过LMDI因素分解法分析影响乌鲁木齐市用水量的因素，经济发展水平与用水强度是乌鲁木齐市用水总量变化的决定因素；产业结构调整和产业技术升级对用水总量增加有一定抑制作用，但作用不强。陈磊等［17］对广东省城镇生活用水量变化进行LMDI 分解，发现人口变化效应属于生活用水总量增加的最主要正向驱动指标，用水强度效应是负向驱动指标。朱世垚等［18］以榆林市为研究区，通过LMDI 因素分解识别人口效应和经济效应为正向驱动效应，且经济效应起主导作用，节水技术水平为负向驱动效应。

目前，大多数基于因素分解模型的研究偏向于用水总量的影响因素，对刚性、弹性、奢侈3 个层次的居民生活用水因素的分解未见报道。在层次化需水研究中已将城镇居民生活用水细分为饮用水、烹饪用水、洗漱用水、环境清洁用水、洗衣用水、洗澡用水及冲厕用水共七部分，针对河北省城镇居民2016年和2020年用水行为开展问卷调查，基于刚性、弹性、奢侈用水层次理论，构建居民层次化生活需水评判模型，并通过调查问卷进行参数率定，计算各用水行为的层次化用水量。本文在河北省城镇居民层次化需水研究的基础上，运用LMDI 因素分解定量分析各影响因素对刚性、弹性和奢侈用水量的影响程度，为提高居民节水水平与保障供水安全提供基础支撑。

1 研究方法与数据处理

1.1 LMDI因素分解模型构建

本研究运用Kayal 恒等式［19-21］和LMDI 因素分解法，构建因素分解模型来计算各影响因素变化对河北省居民家庭生活用水变化的贡献率。

Kayal 恒等式由日本教授Yoichi Kaya 提出，它通过数学公式来描述碳排放与能源效率、能源结构、经济水平和人口规模之间的关联关系［21］。本文对Kayal 恒等式进行扩展，构建了居民生活用水变化的因素分解模型。将河北省第t年各层次城镇居民各层次生活用水（W）分解如下:

式中:W为河北省城镇居民刚性、弹性和奢侈用水量，用W1表示刚性用水量，W2表示弹性用水量，W3表示奢侈用水量，万m³；P为河北省城镇居民常住人口数，万；G表示国内生产总值，万元。

则河北省各层次生活用水总量W可表示为:

则河北省各用水行为在第0 年至第t年的变化可以如下表示:

式中:ΔW为人口规模效应，表示人口数量变化引起的各层次生活用水变化量；ΔA为经济发展水平效应，表示经济增长引起的各层次生活用水变化量；ΔT为节水技术水平效应，表示用水强度，该指标越低，说明水资源利用效率越高。若某个分解效应为正，则表示该效应对生活用水耗用量有推进作用，若为负，则表示该效应对生活用水耗用量有抑制作用。

LMDI 加法分解的概念清晰且具有一定物理意义，本研究在Kayal 恒等式的基础上选用加法分解的形式分析人口规模效应、经济发展水平效应、节水技术水平效应三种影响因素对居民生活用水的贡献值［19］，依据LMDI进一步整理得:

1.2 研究区概况

河北省地处华北腹地，2020年河北省水资源总量146.26 亿m³（扣除地表水和地下水资源的重复计算量），其中地表水资源量55.71 亿m³，地下水资源量130.31 亿m³，人均水资源量为196.2 m³，仅为全国人均水资源量的1/7，远低于国际公认的人均500 m3的“极度缺水标准”，为典型的资源性缺水地区。此外，河北省作为京津冀协同发展的重要组成部分，内部存在水资源分布不均的问题以及社会经济发展状况不平衡的问题，为此选择河北省11个市作为研究区。

河北省2016-2020 年居民生活用水情况变化趋势如图1，河北省生活用水总量近五年来保持增长的趋势，2016年河北省生活用水总量为20.71 亿m³，2020年为26.97 亿m³，年均增长率为30%；人均生活用水方面，2016 年为117 L/d，2020 年为119 L/d，总体保持先增后降、波动增长的趋势。

基于河北省城镇居民层次化需水研究结果，河北省各城市分层次用水量变化情况见图2。2016年河北省城镇居民生活用水量最多的城市为石家庄市，为3.21 亿m³，其中刚性、弹性、奢侈用水量分别为1.53、1.10 和0.57 亿m³。其次为邯郸市和唐山市，邯郸市城镇居民用水总量为2.19 亿m³，唐山市城镇居民用水总量为1.82 亿m³。2020 年全省用水量最多的三个城市为石家庄市、邯郸市和保定市。石家庄市城镇居民用水总量为3.97亿m³，其中刚性、弹性、奢侈用水量分别为1.72、1.16 和1.08 亿m³。邯郸市城镇居民用水总量为2.67 亿m³，保定市城镇居民用水总量为1.94 亿m³。全省来看，刚性用水量最多，其次为弹性用水量，奢侈用水量最少，石家庄市各层次用水量均为最多。

图2 河北省各城市分层次用水量变化情况Fig.2 Changes in water consumption at different levels in cities in Hebei Province

1.3 数据来源

基准年选择2016 年和2020 年，所涉及的人口数据、各市城镇化率、各城市GDP 数据均来源于《河北省统计年鉴》、第七次人口普查数据以及各市国民经济与社会发展统计公报。各城市2016 年和2020 年各用水行为不同层次的用水量数据来自于上篇文章《河北省城市居民层次化需水研究》。

2 生活用水驱动因素的LMDI分解

生活用水影响因素包括人口、节水技术、经济发展水平和气温［2-10］。根据河北省气候公报数据，2016 年河北省平均气温12.6 ℃，2020 年河北省平均气温12.6 ℃，2020 年较2016 年温度变化不大，故本研究暂不考虑气温因素影响。本文选择人口、节水技术、经济发展水平3个因素利用LMDI模型测算人口规模效应、经济发展水平效应、节水技术水平效应对不同区域不同层次生活用水量的影响。

2.1 全省不同层次生活用水驱动因素的LMDI分解

全省人口规模效应、经济发展水平效应、节水技术水平效应对各层次生活用水变化的贡献值测算结果如图3所示。刚性用水中，人口增长和经济发展对刚性用水的增长起到促进作用，效应值分别为8 606、68 223 万m³。节水技术进步抑制刚性用水增长，节水技术水平效应值为-71 382 万m³。对弹性用水中，人口增长和经济发展对弹性用水的增长起到促进作用，节水技术进步对弹性用水增长具有抑制作用，3 个影响因素的效应值分别为6 024、6 700 和-6 064 万m³，经济发展是促进用水量提升的首要因素。在奢侈用水中，人口规模效应和经济发展水平效应均对奢侈用水的增长起到正向作用，节水技术水平的提升则抑制了奢侈用水的增长，人口规模效应值为3 338 万m³、经济发展水平效应值为21 464 万m³、节水技术水平效应值为-14 276 万m³。因此，在各层次中人口增长和经济发展促进用水量的增长，节水技术发展抑制用水量增长。

图3 河北省用水效应分解图Fig.3 Decomposition of water effects in Hebei Province

通过以上分析可以得出如下结论:①城镇居民刚性、弹性和奢侈用水均增长，奢侈用水涨幅最大，其次为弹性用水、刚性用水。②人口规模和经济发展水平对3个不同层次用水均为正面效应，节水技术水平效应为负面效应，然而节水技术未完全抵消经济发展和人口规模的影响，河北省城镇生活用水量总体依然增长。③随着层次的提升，经济发展水平效应和人口规模效应和节水技术水平效应均逐渐呈现减弱趋势。刚性用水中节水技术水平效应值最大，弹性用水和奢侈用水中经济发展水平效应值最大。

2.2 河北省各城市不同层次生活用水驱动因素的LMDI分解

2.2.1 刚性用水

从人口规模上看，全省除沧州市外，人口规模效应均为正值，说明人口增长对刚性用水量的增长起正向促进作用。根据《沧州市统计年鉴》2016年沧州市城镇人口379.48 万，第七次人口普查显示，2020年沧州市城镇人口373.33 万，城镇人口下降，导致沧州市刚性用水中人口规模效应值为负。

从节水技术水平上看，全省节水技术水平效应值为负值，2016-2020年间节水技术进步有效抑制了刚性用水量的增长。

从经济发展水平上看，全省经济发展水平效应值均为正值，且在各城市正向效应中经济发展水平效应值均为最大，可见经济发展对城镇居民刚性用水量的增长起到主要促进作用。

石家庄市、张家口市、邯郸市、廊坊市、邢台市和衡水市刚性用水量增长，其中增长最多的为石家庄市，刚性用水量增长1 879 万m³。唐山市、沧州市和承德市刚性用水量下降，其中降幅最大的为承德市，刚性用水量下降508 万m³。各城市促进刚性用水增长的主要因素是主要驱动因素是经济发展，城镇人口规模的扩大也是刚性用水增长的重要原因。对于刚性用水下降的城市来说，节水技术进步带来的抑制作用明显，有效抑制刚性用水量的增长。

在刚性用水中，大部分城市用水量增长，唐山市、沧州市和承德市用水量下降。大部分城市中人口规模效应和经济发展水平效应对用水量的增长有促进作用，节水技术水平效应值均为负值，用水效率提升，抑制用水量的增长。

表1 河北省各城市刚性用水效应分解表 万m³Tab.1 Decomposition table of rigid water effect in cities in Hebei Province

2.2.2 弹性用水

从人口规模效应上看，全省除沧州市外，人口规模效应均为正值，人口规模的扩大对弹性用水量的增长有正向的作用。

从经济发展水平效应上看，各城市经济发展水平效应为正值，说明经济的发展会促进弹性用水量的增长，究其原因，是经济发展使人们用水方式发生转变，更加追求生活质量。

从节水技术水平上看，除张家口市外，全省节水技术水平效应为负值，节水技术的进步抑制用水量增长。

邢台市弹性用水量下降，下降477 万m³，说明邢台市节水技术水平对邢台市弹性用水增长的抑制作用明显，其他城市弹性用水均增长，其中张家口市弹性用水增长最多，为2 083 万m³，主要原因是经济发展使人均弹性用水量快速增长，节水技术发展缓慢不能有效抑制用水量增长。由表2 可知，经济发展是弹性用水增长的主导因素，人口规模扩大是弹性用水增长的重要因素。

表2 河北省各城市弹性用水效应分解表 万m³Tab.2 Decomposition table of elastic water effect in cities in Hebei Province

表3 河北省各城市奢侈用水效应分解表 万m³Tab.3 Decomposition table of luxury water effects in cities in Hebei Province

在弹性用水中，大部分城市弹性用水量增长，城镇人口规模扩大和经济发展是弹性用水量增长加的主要原因。同时，节水技术的发展进一步提升了用水效率，对弹性用水的增长起到抑制作用，其中抑制效果最明显的为邢台市，出现了负增长的情况。

2.2.3 奢侈用水

从人口规模效应来看，除沧州市外，全省的人口规模效应值均为正值，人口增长是城镇居民奢侈用水量增长的原因之一。

从经济发展水平上看，全省经济发展水平效应值均为正值，说明居民生活水平进一步提高，家用电器进一步普及，用水习惯和卫生习惯发生变化，导致奢侈用水量增长。

从节水技术水平效应来看，除石家庄是节水技术水平效应值为负值外，其余城市均为负向作用，全省各市之间技术发展水平速度差距较大，河北省大部分城市的用水技术需要进一步提高。石家庄市2016-2020年期间，经济发展较缓慢，但石家庄市作为河北省省会，水资源压力小，城镇居民更加追求生活质量，水资源需求量增大，人均奢侈用水量增长，节水技术和结构调整后的节水效应跟不上，节水技术不能起到有效的抑制作用。

唐山市、沧州市、秦皇岛市和承德市奢侈用水量减少，其中唐山市奢侈用水量下降最快，为1 143 万m³，唐山市和沧州市处于河北省经济较发达的区域，节水技术水平较高，节水技术对用水量增长的抑制作用明显。奢侈用水量增长最多的是石家庄市，为5 084 万m³，经济发展是主要原因，同时节水技术不能起到有效的抑制作用，导致奢侈用水增长。

在奢侈用水中，大部分城市奢侈用水量增长，各城市中城镇人口规模扩大和经济发展是奢侈用水量增长的重要原因，节水技术发展抑制奢侈用水增长。部分城市（唐山市、沧州市、秦皇岛市和承德市）节水技术发展较快，对奢侈用水量的增长抑制作用明显，这些区域奢侈用水量下降。

3 讨 论

除沧州城镇人口下降外，其他城市人口规模效应值均为正值，主要原因是本地人口增长和外来人口的流入，需要更多生活用水的支撑。同时石家庄市作为河北省省会，吸引大量外来人口，城镇人口急剧增长，在河北省各城市中人口规模效益较大。在各城市中，经济发展对3 个层次用水量的增长均起到正向促进作用，居民生活水平提高，更加追求生活质量，用水习惯发生改变。除石家庄市在奢侈用水中节水技术效应值为正值外，节水技术水平效应对用水增长始终起抑制作用，说明技术的改进提高了河北省的用水效率，促进了每单位经济增长耗用水资源的降低，但值得注意的是，市与市之间节水技术效应差距较大。例如在刚性用水中，邢台市节水技术效应值为-13 885 万m³，而秦皇岛市为-1 016 万m³，同时在奢侈用水变化中，节水技术效应值有正有负，河北省各市节水技术发展速度不同，如何缩小市与市间的技术差距，还是现阶段亟需解决的一个问题。在刚性、弹性和奢侈用水中，节水技术水平对各层次的抑制作用依次减弱，例如在保定市3 个层次的节水技术水平效应值分别为9 102、5 202、2 797 万m³ ，加大节水技术对弹性和奢侈用水的影响是当前节水重点。

朱世垚等人［22］以榆林市2000-2017 年用水及影响因素变化为例开展了实证研究。通过LMDI 因素分解识别人口规模、经济发展水平、节水技术水平对用水变化的影响程度。结果显示:人口规模和经济发展水平对用水增长起到正向促进作用，节水技术水平起到负向抑制作用。与本文结论接近，说明本文所构建的模型合理。

统筹考虑人口规模效应、经济发展效应和节水技术水平效应对水资源利用的影响程度。基于LMDI 分析结果可知，随着人口增长和经济发展水平的提高，人们对生活水平的要求越来越高，生活用水也随之增长。为避免用水量增长过快，未来需进一步强化水资源管理，控制用水指标，尤其是弹性和奢侈用水指标。同时，各市要引进先进的节水器具，对落后的用水器具进行淘汰，提高水资源利用效率，坚持用水总量与经济发展相匹配的方式，进一步缩小省内各市节水技术差距。加强水情宣传教育，建立健全节水管理制度，开展节水产品研发，推广节水设备和器具。

本文2016 年GDP 及人口数据均来自各市的统计年鉴及国民经济与社会发展公报，2020年部分城市统计年鉴数据还未公布，部分城市人口数据来源于第七次人口普查，统计口径不一，同时由于保定市2018年之前的数据扣除雄安新区部分，导致部分城市数据可能与实际存在一定误差。同时在进行河北省城镇居民层次化需水研究时，由于新冠疫情的影响，2020 年不能进行实地调研，只能通过网络问卷的形式进行发放，并且填写问卷的居民以年轻人为主，有可能会对计算出来的刚性、弹性和奢侈用水量产生一些影响。

4 结 论

本文在河北省城镇居民需水研究的基础上，运用河北省11个地市2016 年和2020 年生活用水行为及各层次生活用水量数据，采用Kaya 恒等式和LMDI 分解方法，进一步将刚性、弹性和奢侈用水变化量分解为人口规模、经济发展水平、节水技术水平3个驱动效应，并进行因素分解，研究发现。

（1）LMDI 因素分解表明，人口规模效应和经济发展水平效应为正向促进效应，节水技术水平为负向抑制效应，显著缓解了人口和经济规模扩张导致的用水增长，但随着层次的提升呈现抑制作用减弱的趋势。全省来看，刚性用水中节水技术水平效应起主导作用，在弹性用水和奢侈用水中经济发展水平效应起主导作用。

（2）刚性用水中，大部分城市用水量增长，唐山市、保定市、沧州市和承德市用水量下降。人口规模效应和经济发展水平效应有明显的正向促进效应，节水技术进步对用水量增长起到抑制作用。

（3）弹性用水中，除邢台市弹性用水量为负增长外，其他城市弹性用水量增长。其中大部分城市的人口规模和经济发展促进弹性用水量的增长，节水技术水平效应对弹性用水量增长起抑制作用，人口规模效应和经济发展水平效应在全省累计值均为正值，节水技术水平效应全省累计值为负值。

（4）奢侈用水中，唐山市、沧州市、秦皇岛市和承德市用水量减少，其他城市用水量增长。人口增长和经济发展是奢侈用水量增长的主要原因，节水技术发展是抑制奢侈用水量增长的主要因素，但石家庄市人均奢侈用水量增长过快，节水技术无法有效抑制增长。