基于LMDI和脱钩指数的疏勒河流域水资源利用分析

李 曼，李沁峰，刘焕才

（山西师范大学地理科学学院，太原 030000）

0 引 言

水资源环境状况和水资源禀赋条件是区域走水资源可持续利用、区域经济和谐发展道路不可忽视的因素［1］。据2005-2018年《中国水资源公报》统计，这一时期全国用水总量呈先增加后减少的趋势，自2014年以来，全国用水总量一直处于减少趋势，2018年全国用水总量6 015.54 亿m3，比2014年减少了79.51 亿m3。水资源作为基础性和战略性资源，社会经济发展需要依托水资源消耗，水资源危机依然存在［2］。同时，我国水资源时空分布不均特点给水资源缺乏的干旱半干旱区带来了更加严峻的挑战。

水资源利用一直是各界关注和研究的热点问题，诸多学者从不同角度对其进行了深入研究。颜明等［3］研究了地区产业升级与水资源利用间的关系，潘丹等［4］分析了水资源与农业经济增长的内在动态联系，杨艳昭等［5］在水资源自然禀赋、利用状况的基础上进一步分析区域水资源开发潜力，孙侦等［6］评价了我国水土资源的匹配状况。在分析社会经济要素和水资源利用变动的研究中，LMDI 分解法（对数平均迪氏分解法）以其先进性与灵活性成为衡量社会经济要素和水资源要素间内在联系的有效工具，研究大多基于因素分解模型对水资源利用变动进行分析［7］，对各类水资源利用影响因素进行分解和探究［8，9］，对水资源压力影响因素的分析［10］和水资源利用变化驱动效应与脱钩状态的研究［11］。

疏勒河流域位于河西走廊西端，气候干旱、降水稀少。近年来，受气候变化和人类活动加剧的影响，流域水资源利用与生态环境建设将面临更大的挑战。本文通过分析水资源利用变化机理，通过建立LMDI 完全分解模型分析影响流域水资源利用的主要因素，进而了解水资源和社会经济之间的协调发展状况，对“以水而定”，促进经济社会“量水而行”，优化水资源配置战略格局具有重要意义。

1 研究区概况

疏勒河流域位于甘肃省河西走廊西端，东经92°11′～98°30′，北纬38°00′～42°48′，流域面积约12.90 万km2，是河西走廊三大主要内陆河流域之一。流域多年平均年降水量47～63 mm，年蒸发量2 897～3 042 mm，是甘肃省降雨量最少的地区，属典型的内陆干旱性气候。疏勒河发源于祁连山脉的岗格尔肖合力岭冰川，干流全长670 km，多年平均径流量为10.31 亿m3。流域降水主要集中在上游祁连山区，上游山区以畜牧业为主，对水资源消耗较少；中下游盆地降水少、人口集中，以绿洲灌溉农业为主，农业灌溉用水量占流域总用水量的85%以上［12］，降水和冰川融水是灌溉用水的主要补给来源。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据来源为2005-2018年的《甘肃省水资源公报》，选取的数据有流域各类用水量数据和社会经济数据。由于经济数据和用水数据属于不同统计范围，经济数据是根据产业（第一、二、三产业）划分的，而用水数据通常是以农业、工业、城镇公共、居民生活与生态环境划分的。因此，借鉴贾绍凤等的划分方式［13］，将城镇公共、居民生活和生态环境的用水量组合起来与第三产业经济数据相匹配。同时，为了保持数据计算的一致性，所有经济指标均为以2005年为基期的可比价。

2.2 水资源利用量影响因素分解模型构建

本文选择疏勒河流域作为水资源利用变动分析的研究对象，引用对数平均迪氏分解法（LMDI）对疏勒河流域2005-2018年间的水资源利用变动进行分析。因素分解法由Ang 等［14］提出，用于分析不同驱动因子的变化对研究对象的影响程度。在结构分解方法中，LMDI 分解方法能够对水资源利用的驱动成分进行彻底、无残差的分解剖析，被广泛地用于水资源领域［16］。在原始Kaya恒等式［17］的基础上，构建水资源利用变动的因素分解模型，将流域第t年用水总量Wt分解如下：

式中：Wt表示t时期用水总量；Wi，t表示t时期第i类产业的用水量；GDPt表示t时期国内生产总值；GDPi，t表示t时期第i类产业的国内生产总值；Pt表示t时期常住人口。记Ii，t=Wi，t/GDPi，t为第i产业t时期的用水定额；Si，t=GDPi，t/GDPt为第i产业t时期的产业结构比重；Yt=GDPt/Pt为t时期人均国内生产总值。那么流域第t年用水总量Wt可表示为：

则水资源利用量在第0年至第t年的变动可表达如下：

式中：ΔWI是用水定额效应，即因水资源利用效率变化引起用水量变化；ΔWS是产业结构效应，即各产业经济比重变动导致用水量变化；ΔWY为经济规模效应，即经济增长对用水量的影响；ΔWP为人口效应，即人口数量变化对用水量的影响。若分解效应值为正，则表示该效应对水资源利用起拉动作用，为水资源消耗；若分解效应值为负，则表明该效应对水资源利用起抑制作用，为水资源节约。

针对因素分解中存在残差项的问题，Ang 认为对数平均迪式指数分解法（LMDI）是指数分解法中最优的方法［15，18］。本文选择LMDI加法模型，具体计算公式如下：

2.3 Tapio脱钩弹性法

“脱钩”一词最早出现在物理领域中，后发展成随时间推移资源环境与经济增长相背离的理论［19］，被广泛用于描述资源环境与经济增长间的关系［11］。当脱钩用来表达水资源利用量与经济增长之间的关系时，它是指阻断用水量与经济增长之间的相互影响关系，即用水量和经济之间的脱钩关系一般经历三个阶段：未脱钩-相对脱钩-绝对脱钩状态［20］。本文采用Tapio 脱钩模型构建经济与用水量之间的脱钩关系，可表示为：

式中：Di（Wi，GDPi）为i类产业国内生产总值与i类产业用水量间的脱钩弹性；ΔWi为t时期i类产业用水量与上一时期相比变化量；ΔGDPi为t时期i类产业的国内生产总值与上一时期相比变化量。参照李牧等划分的脱钩状态的临界值［21］，将脱钩状态分为3类情况，进一步细分为8种状态，见表1。

表1 脱钩状态分解表Tab.1 Decoupling state resolution table

3 疏勒河流域水资源利用效应分解

3.1 水资源利用概况

根据2005-2018年《甘肃省水资源公报》，疏勒河流域各产业用水量如下图1所示。2005-2018年，流域年用水量平均值为18.11 亿m3；2005-2009年，流域用水量处于平稳变化期，年用水量平均值为19.28 亿m3；2010年流域用水量急剧增加，达到统计期最高值22.16 亿m3；2010-2018年流域总用水量呈逐渐减少趋势，其中2014年减少速度最快，较上年减少了15.2%。以2018年流域耕地面积16.26 万hm2计算，流域每公顷耕地水资源占有量只有7 823.85 m3，不足我国平均水平的30%。2005-2018年，疏勒河流域GDP 以年均10%的速度增长，而流域的总用水量由2005年的19.12 亿m3下降至2018年的14.21亿m3。流域总用水量逐渐下降，一方面受到流域水资源总量下降的影响，另一方面，国务院批准《敦煌规划》以及“十二五”、“十三五”规划出台后，实行和落实最严格水资源管理制度，在加强用水总量控制与定额管理的同时，推广高效节水灌溉技术、加快流域节水型灌区建设；2018年流域节水灌溉面积达到11.46万hm2，占流域耕地面积的70.5%。

图1 2005-2018年疏勒河流域各产业用水变化Fig.1 Changes of water use by industry in Shule River Basin from 2005 to 2018

从2005-2018年各产业用水量变化来看，疏勒河流域最主要用水产业为第一产业，其中农田灌溉用水约占总用水量的81.3%，随着流域农业种植结构调整和对无序开荒占用水资源的治理，自2011年后，流域第一产业用水量逐渐减少，2018年第一产业用水为12.28 亿m3，年均减少2.4%。第三产业用水量略高于第二产业，其中2005-2013年第三产业用水量表现为阶梯式下降，2013年为统计期最低值0.59 亿m3；2014-2017年第三产业用水量逐年快速增长，年增长率高达43.8%。疏勒河流域第二产业年均用水量为0.83 亿m3，约占流域总用水量的4.6%；其中2005-2010年第二产业用水量经历起伏后缓慢增加；2010-2012年第二产业用水量出现明显增长；2012-2018年第二产业用水量波动变化，呈逐渐减少趋势。

3.2 水资源利用效应分解

整体来看（图2），经济效应和人口效应对疏勒河流域水资源利用变化起到拉动效应，其中经济效应为2.53 亿m3，人口效应为2.13 亿m3；产业结构效应和定额效应为抑制效应，其中定额效应占据主导地位，为-6.49 亿m3。在流域全面普及常规节水技术、降低灌溉定额、提高水利用系数和单方水效益作用下，产业结构效应和定额效应在2010年后均表现出明显规律：结构效应表现为在用水分解值为0 上下波动变化；定额效应与综合效应呈现同步变化趋势，说明流域正在通过产业结构调整和新技术推广应用来减少流域发展对水资源的依赖。

图2 疏勒河流域水资源利用变化LMDI分解Fig.2 LMDI decomposition of water resource use change in Shule River Basin

从经济效应演变轨迹来看（图2），经济效应分解结果可分为两个阶段：2006-2012年，流域内经济快速发展，玉门市整体拆迁工程、国家大型项目高速公路、风电、高速铁路工程相继开工建设，砂石资源市场快速发展；同时，流域管理部门进一步加强河道采砂规范管理，强化对涉河取水、排污企业的监督管理，加快推进农业综合水价改革，这一时期经济效应对水资源利用表现为由拉动效应转变为抑制效应；2013-2018年，经济效应对水资源利用表现为抑制作用，并呈减弱趋势，由-0.32亿m3降低至的-0.01 亿m3，这一阶段流域生产方式正逐步转变，农业生产由粗放式灌溉管理向精细化灌溉管理的转变；工业生产由管理型节水向技术性措施节水转变，导致流域产值出现小幅下降，对水资源利用抑制效应明显，流域水资源利用总量由2013年18.14 亿m3降至2018年的14.21 亿m3。

从人口效应演变轨迹来看（图2），其分解结果均为正值，表明人口增长对流域用水量起到拉动作用，但其拉动效应整体呈下降趋势。2006-2013年，流域人口增长速度快，对水资源利用的年均拉动作用为0.23 亿m3，其中2009年、2010年流域人口较上年减少，表现为拉动效应的迅速下降；2013年后，人口增速放缓，人口效应对水资源利用的拉动作用呈减弱趋势，由2013年的0.31 亿m3下降至2018年的0.06 亿m3。

从产业结构效应演变轨迹看（图2），2006-2009年，结构效应节水量快速下降，并由2006年的抑制效应（-1.19 亿m3）转化为2009年拉动效应（0.81 亿m3），这一时期第一产业比重提高，用水量增加，因此对水资源利用量的影响发生转变；2010年后，流域及时调整，进一步推进节水型灌区建设，对流域内水资源实行统一规划、统一调度、统一管理，产业结构效应对水资源利用的影响在“平衡线”（用水分解值为0）上下波动且数值较小，拉动效应最大值为0.49 亿m3，抑制效应最大值-0.32 亿m3。在2018年，产业结构效应的拉动作用降至0.03 亿m3，未来将继续发挥节水功能。

从定额效应演变轨迹来看（图2），定额效应分解结果以2011年为时间节点：2006-2010年定额效应对水资源利用由抑制效应（-1.10 亿m3）转化为拉动效应（2.98 亿m3）。2011年后，随着各行业节水技术的进步，定额效应对水资源利用的影响呈现波动下降趋势，抑制作用明显。2014年定额效应节水量达到了最大，为-2.69 亿m3，之后定额效应带来的节水量出现下降趋势，各产业单位用水定额也呈现出下降趋势，这可能与流域内水资源优化配置、产业结构调整和用水计划调整有关。同时，定额效应的演变轨迹在2009年后与综合效应基本一致，且同步变化，表明水资源利用变化很大程度受到定额效应影响，未来流域水资源利用走可持续道路，取决于定额效应是否起到抑制作用。

4 疏勒河流域水资源利用量和经济增长脱钩关系

疏勒河流域水资源利用与经济增长的脱钩关系在2006-2018年主要概括为强脱钩、弱脱钩、衰退脱钩、弱负脱钩等脱钩形态；其中脱钩状态出现3 次，占统计期数的23.08%；弱负脱钩出现3次；衰退脱钩出现4次（见表2）。

表2 2006-2018年疏勒河流域水资源利用与经济增长的脱钩关系Tab.2 Decoupling relationship between water resources use and economic growth in Shule River Basin from 2006 to 2018

从流域各产业用水量角度来看，其与经济增长的差异程度较大，各产业的脱钩状态并不同步。第一产业脱钩状态出现次数最多，为7 次；第二产业和第三产业脱钩状态出现次数均为2次。第一产业脱钩状态最好，在保持产值增长的同时，其消耗的水资源量减少，对水资源的压力不断减小，2005-2018年疏勒河流域农业灌溉年均用水16.10 亿m3，占流域总用水量的88.9%，单位面积灌溉用水量与灌溉面积比重减少是第一产业用水量减少的关键，也是流域水资源高效利用的基础。第二产业和第三产业仅在2006年、2007年为弱脱钩和强脱钩状态，2008年后二者脱钩状态不稳定，经历了由强负脱钩-衰退脱钩的变化过程，脱钩状况表现出优化发展趋势。2008-2017年间，第二产业出现强负脱钩5 次，其间以扩张负脱钩和衰退脱钩连接；第三产业出现强负脱钩7 次，其间以衰退脱钩连接；这表明第二、三产业产值增长速度低于水资源消耗速度，即产值增长仍依靠水资源利用。

总体来看，疏勒河流域水资源利用与经济增长脱钩状态较差，其中第一产业脱钩状态较好。2012年后，水资源利用与经济增长脱钩状态出现明显波动，表明流域生产方式在发生改变，正不断优化产业结构，提高生产节水和水资源复用效率，寻找流域水资源利用与经济增长的平衡点，实现可持续发展。根据脱钩状态变化趋势可将流域水资源利用与经济增长间的脱钩状态分为两个阶段：

（1）脱钩转化阶段（2006-2010年）。“十一五”期间，在我国经济高速增长的背景下，疏勒河流域经济以年均3.9%的速度增长，流域GDP 由2005年末的97.86 亿元增加到2010年118.41 亿元；同时，“十一五”期间我国实施了最严格的水资源管理制度，流域用水总量呈现出先增加后减少的倒“V”形变化趋势，用水总量年均增速为0.7%，小于GDP年均增长速度。但这一阶段也是流域水资源利用量和经济增长脱钩关系明显转变、水资源消耗速度加快的时期。

（2）波动变化阶段（2011-2018年）。这一时期流域经济表现为增长-下降趋势，与之相对，流域用水量在持续下降。2010年流域内农业种植结构随着市场需求变化进行大幅度调整，流域总用水量达到统计期间最高，为22.16亿m3，流域经济总量与水资源利用总量均较上年大幅提升，水资源利用与经济增长呈现扩张负脱钩状态。“十二五”以后，我国落实节约优先战略，提升各类资源保障程度，流域通过积极转变配水方式、加强水资源管理等措施在水资源合理利用、水资源节约方面取得了明显成效，流域用水总量由2011年20.73 亿m3下降至2018年14.21亿m3；同时这一时期流域经济产值降幅也达到最大，由2011年118.62 亿元降至2015年111.41亿元。整体来看，流域经济增长和水资源利用脱钩关系在这一时期处于波动变化态势，说明流域经济增长仍需依靠水资源利用为支撑。

5 结 论

本文利用LMDI 因素分解模型估计疏勒河流域2005-2018年的水资源利用量变化，后引入脱钩模型，以各产业经济增长和水资源利用量为研究对象，以求进一步分析经济增长与水资源利用量自身增减变化对彼此的响应。结果表明：

（1）2005-2018年疏勒河流域水资源利用量的变化是经济效应、人口效应、产业结构效应和定额效应等因素共同影响下的结果。在剔除物价波动的影响后，经济效应和人口效应为主要拉动效应；产业结构效应和定额效应为抑制效应，其中定额效应的贡献率在多数年份占主要比重。2008年后，我们国家加强资源节约和管理，加大环境保护力度，流域经济发展减缓，使得经济效应对水资源利用的拉动作用快速下降，特别是在2012年后表现为反向抑制作用。结构效应对水资源利用表现为拉动效应，但数值较小；定额效应对水资源利用变化影响较大，表明流域仍需优化产业结构节水、合理调整用水计划、优化水资源配置。

（2）2005-2018年疏勒河流域水资源利用综合效应整体为负向效应，以2010年为界，可分为两个阶段。第一阶段流域水资源利用综合效应呈上升趋势，为正向变动即水资源消耗加剧，表明流域水资源利用仍维持“粗放型”；第二阶段水资源利用综合效应表现为波动下降趋势，即水资源利用趋向节约型，这一时期流域总用水量开始减少，流域水资源利用开始转入“下降期”，这一时期也是单位面积农业产值增加、节水灌溉技术推广和灌溉面积增大的时期，表明“集约型”水资源利用方式在持续发挥着节水作用。

（3）疏勒河流域水资源利用量与经济增长的脱钩状态经历了强脱钩-强负脱钩-衰退脱钩的过程，流域水资源利用与经济增长表现为脱钩关系仅占到总统计期数的23%。流域内各产业脱钩状态存在差异，其中第一产业脱钩状态最好，表明流域农业产值增长正逐步摆脱以水资源消耗为代价的增长方式；第二产业和第三产业脱钩状态与流域总体脱钩状态大致同步变化，总体脱钩状态受第二、三产业脱钩状态影响较大；“十二五”以来，瓜州县、玉门市深入推进“工业强县”、“工业强市”战略，积极承接中东部产业、不断完善配套设施、优化发展环境，导致这一时期流域水资源利用量与经济增长脱钩状态波动变化，说明流域经济增长仍需依靠水资源作为支撑。

需要特别指出的是，在使用数据过程中，若不考虑物价波动影响，使用当年价作为输入数据会将物价起伏影响保留至最终研究结果，从而对研究结果产生一定影响。因此，在以经济指标作为输入数据的研究中，物价波动是否剔除至关重要，只有剔除物价波动的影响才能更准确表征经济活动与各要素间的关系。在未来的研究工作中，物价变化对研究结果的影响仍不可忽视。