基于VAR的海南省水资源利用动态影响分析研究

李胜男，郭文体，涂志华

(1.海南省建设项目规划设计研究院有限公司，海南 海口 570203；2.海南水文地质工程地质勘察院，海南 海口 571100；3.海南大学 林学院，海南 海口 570228)

海南省水资源丰富，人均水资源量为3 540 m3，高于全国人均水平，仅为世界平均水平的1/2。海南天然存蓄水能力弱、区域间调剂互补性差、河流水系纳污能力小，随着新型城镇化进程的加快和旅游业的快速发展，用水结构剧烈变化，加之海岛独特的自然条件和经济社会发展特点，导致水资源供需矛盾已成为经济、社会、环境协调发展的重要制约因素[1-3]。分析海南省用水量与用水结构动态变化是解决水资源问题的基础工作，对海南省水资源可持续利用具有重要意义。矢量自回归VAR (Vector Auto Regression) 模型自1980年Sims提出以来，已广泛应用于水资源水环境领域实证研究。以往研究基于VAR模型对水环境、水资源利用等与经济增长之间关系进行了研究，利用VAR模型对用水量及用水结构进行了分析[4-8]。本文分析海南省近20 a用水量动态变化，基于VAR模型分析用水结构与用水量之间变化关系，为加强水资源可持续利用提供理论支持。

1 海南省水资源利用

利用海南省近20 a的用水量及用水结构数据对海南省水资源利用状况进行分析(见图1所示)，海南省年度用水总量在45亿m3水平上下波动，低于海南省2020年用水总量控制指标49.4亿m3，水资源利用总量控制较好，表明海南省严格落实最严格水资源管理制度，水资源管理能力较强，这与海南省严格的水环境管理密不可分，通过水环境管理，维护和重建水生态环境，缓解水污染局面，推进水质达标和污染物总量减排，提升水资源利用效率，有效促进了水资源管理能力提升。

海南省农业发展占据了70%以上的水资源，农业用水量呈现下降趋势，可能是由于大力发展热带特色农业、调整种植结构的产业政策，海南省农业种植主要为粮食、糖料、蔬菜和水果4种，其中糖料作物的耗水量最大，根据海南省统计年鉴，近十几年，海南省的糖料作物减少了50%左右。海南省生活用水量呈现上升趋势，生活用水比重在近20 a间增长了10%，这与海南省总人口逐步增长，年度旅游过夜人数的增长，人民生活水平提高有密切关系。海南省工业用水量逐年下降，这可能是由于环境保护要求提高、产业结构调整、工业内部结构调整、工业用水效率提升等因素综合作用的结果[16]。

(a) (b)注：1.TW：用水总量；AW：农业用水量；IW：工业用水量；LW：生活用水量;2.数据来源于《海南省水资源公报》图1 海南省1999—2018年用水量与用水结构

2 研究方法

向量自回归(VAR)模型，是用所有当期变量对其若干滞后期变量进行回归，通常用来估计相互联系的时间序列系统以及分析随机扰动对变量系统的动态关系[9]，不需要提前设定任何约束条件。VAR方法通过把系统中每一个内生变量作为系统中所有内生变量的滞后值的函数来构造模型，从而回避了结构化模型的需要。一个VAR(p)模型的数学形式[10]：

yt=A1yt-1+…+Apyt-p+Bxt+εt

(1)

式中yt是内生变量；yt-1，…，yt-p表示yt的滞后期；xt是外生变量；A1， …，Ap表示yt的待估系数；B是xt待估系数；εt是随机扰动项。VAR模型转化为矩阵为：

(2)

2.1 模型构建

采用海南省1999—2018年的年度工业、生活用水量占总用水量的比重衡量用水结构水平，采用年用水总量除以海南省十三五期末2020年用水总量控制指标(49.4亿m3)的比值进行表征，构建如下模型：

(3)

式中TW1t为第t期用水总量比重;IW1t为第t期工业用水比重;LW1t为第t期生活用水比重;AW1t为第t期农业用水比重。

2.2 模型应用

2.2.1单位根检验

建立VAR模型，必须满足所有的序列都是平稳的，为了避免伪回归现象，保证结论的可靠性，首先对数据进行ADF检验(见表1)。

表1 变量的ADF检验结果

2.2.2滞后期选择

滞后期的选择是VAR模型建立的重要前提，确定了滞后期，才能确定VAR模型形式。这里分析检验的依据是按照少数服从多数原则，根据LogL、LR、FPE、AIC、SC、HQ 6种检验法则的结果进行综合判断(见表2)。总体来看，VAR模型的最佳滞后期为2。

表2 VAR模型最佳滞后阶数检验结果

2.2.3模型的建立

根据前述单位根检验及滞后期选择结果，将检验过的平稳序列代入到模型中，拟合出式(4)代表VAR模型：

(4)

2.2.4VAR模型稳定性检验

由表3可知所有根的模全部小于1，说明本研究建立的VAR模型是稳定的，基于该VAR模型上的各种检验是有效的。

表3 VAR模型稳定性检验结果

3 结果分析

3.3.1Granger因果检验

因果关系检验是用于检验经济变量之间的时间先后顺序，并不表示这真正存在因果关系，是否存在因果关系需要根据理论、经验和模型进行综合判断。为了考察用水总量结构和农业用水结构、工业用水结构、生活用水结构之间的传导方向，分别对3组数据进行了Granger因果关系检验(见表4)。

表4 Granger因果关系检验结果

通过Granger因果关系检验结果可知，农业用水结构和工业用水结构是用水总量结构的Granger原因，表明工业和农业相关水资源管理政策措施及节水技术开发利用对调整用水结构、提升水资源利用效率具有非常重要作用。

3.3.2脉冲响应分析

本部分采用脉冲响应函数(IRF)来分析经济增长与用水量之间的引致关系。脉冲响应函数描述的是VAR模型中的1个内生变量的冲击给其他内生变量所带来的影响，是系统对某一变量扰动的1个冲击(或新息)所做出的动态反应，并由此判断各个变量间的时滞关系。

注： 1.TW：总用水比重；AW：农业用水比重；IW：工业用水比重；LW：生活用水比重;2.用水总比重=总用水量/用水总控制指标；3.农业、工业、生活用水比重=农业、工业、生活用水量/总用水量图2 用水结构之间脉冲响应函数示意

图2表示了生活用水结构、农业用水结构、工业用水结构对总用水结构的冲击效应以及系统的动态影响。

从农业用水结构对总用水结构的一个标准差新息的冲击，在第1期为峰值，第2、3期逐渐下降，第4、5期之后越来越平稳，说明随着时间的推移，农业用水结构对水资源的利用结构起着决定性作用。

从工业用水结构对总用水结构的一个标准差新息的冲击，第1期为0，但第2期就变为负值，第3期为0，第4期为正值，第5期又将为0，随着时间的推移，越来越收敛。说明伴随着经济的不断发展，工业用水结构的进一步优化对水资源的利用结构优化所能带来促进作用越来越弱。

从生活用水结构对总用水结构的一个标准差新息的冲击，第1期为负值，但第2期之后逐渐增长，随着时间的推移，趋向于发散。说明伴随着经济的不断发展，生活用水结构的进一步优化对水资源的利用结构优化能够带来一定的促进作用。

3.3.3方差分解分析

方差分解是一种描述系统动态变化的方法，通过分析每一个结构冲击对内生变量变化的贡献度，通常以方差来度量，进一步评价不同结构冲击的相对重要性。

由图3可知，用水总量变动对自身变动的贡献率最大，当期达到98%，后虽有下降，但基本稳定在60%左右，表明海南省后一期用水总量的最大影响因素上一期用水总量，以用水总量控制为核心的水资源管理对水资源开发利用程度控制具有决定性作用。因此，未来应严格执行用水总量控制制度，并且不断加强水环境管理，推进水污染物减排和水质改善，提升水资源利用效率，促进水资源管理能力提升。

注： 1.TW：总用水比重；AW：农业用水比重；IW：工业用水比重；LW：生活用水比重;2.用水总比重=总用水量/用水总控制指标；3.农业、工业、生活用水比重=农业、工业、生活用水量/总用水量图3 用水结构之间方差分解示意

工业用水对用水总量变化的当期贡献率很小，从第2期开始逐步增加，到第4期，工业用水对用水总量的贡献度接近并超过20%，第5期以后虽然略有增长，但趋于平缓，最终稳定在25%，表明工业用水对总用水的影响具有一定的粘滞性，主要是由于海南省工业发展过程中，随着工业用水效率提升、工业污水治理环保要求提升，工业用水量减少，工业用水对总用水量的影响增强。因此，未来在用水总量控制基础上应着重加强工业用水开发利用管控，进而促进水资源利用结构优化。

生活用水对用水总量变化的当期贡献率很小，从第2期开始到第4期基本稳定在5%左右，从第5期开始逐步增加，第6期之后生活用水对用水总量的贡献度稳定在10%左右，表明生活用水对总用水的影响具有一定的粘滞性，主要是由于快速城镇化发展，人口总量增加，人民生活水平不断提高，生活用水总量增加，生活用水对总用水量的影响增强。因此，未来在用水总量控制基础上须注重生活用水管控和生活节水的宣传引导。

农业用水对用水总量变化的当期贡献率很小，从第2期开始平缓增加，到第4期之后稳定在5%左右，表明农业用水对总用水的影响具有一定的粘滞性，主要是农业发展过程中，农业现代化程度提高，种植结构调整，农业用水量逐步降低，其对总用水量的变化贡献较弱，但是，农业用水对总用水量变化影响上升的趋势不容忽视，在用水总量控制基础上应注重农业用水开发利用管控。

4 结语

海南省社会经济的快速发展导致了用水总量和用水结构发生了相应变化，研究结果表明海南省用水总量控制较好，这与水资源管理政策[13]密不可分，未来海南省水资源管理应继续落实中共中央关于加快水利改革发展的决定，严格执行用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三项制度”，应继续贯彻水利部关于严格用水定额管理的通知，扩大用水定额标准覆盖范围，提高各行业各领域用水效率；海南农业占据了70%以上的水资源，这可能是由于农业灌溉用水量大，农业用水效率较低导致的[11]，农业用水结构对优化用水结构和提高水资源利用效率具有非常重要作用，未来海南省农业用水管理可着重放在发展高效节水农业、优化农业节水技术结构、增加农业节水设备研发与应用、创新农业用水管理体制机制等方面上[14]；海南省工业用水逐渐减少，工业用水比重对水资源利用变化贡献率较高，这可能是工业节水政策导向，产业结构优化升级，工业节水水平提高和工业节水技术进步[12]等综合作用的结果，未来海南省应不断加强工业节水管理，提高工业用水效率；海南省生活用水量和用水比重呈现双上升趋势，这可能是由于人口增长，生活水平提高，生活用水的重复利用率不高，生活节水效率不高因素导致的，未来海南省应加大生活节水技术与器具的研发和应用，鼓励中水回用，通过水价改革等政策措施促进节约用水保护水资源。