劉秀麗,張 標(biāo)

(中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100190)

我國(guó)水資源利用效率和節(jié)水潛力

劉秀麗,張 標(biāo)

(中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100190)

為分析我國(guó)水資源利用效率和節(jié)水潛力,以海河流域?yàn)閰⒄盏貐^(qū),基于1999年、2002年和2007年全國(guó)和海河流域水利投入占用產(chǎn)出表,通過比較全國(guó)和海河流域分部門的用水效率,建立了分部門節(jié)水潛力的計(jì)算模型,并應(yīng)用該模型計(jì)算了全國(guó)相對(duì)海河流域生產(chǎn)部門中分三次產(chǎn)業(yè)和分51部門及消費(fèi)部門中居民部門的節(jié)水潛力。計(jì)算結(jié)果表明:全國(guó)相對(duì)海河流域的總節(jié)水潛力在1999—2007年期間不斷擴(kuò)大;全國(guó)第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)中的工業(yè)部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力較大,第二產(chǎn)業(yè)中的建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力較小;全國(guó)居民部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在農(nóng)村居民部門,城鎮(zhèn)居民部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力為負(fù)。從細(xì)分的51部門來看,除農(nóng)業(yè)部門以外,全國(guó)相對(duì)海河流域節(jié)水潛力較大的部門主要有電力及蒸汽熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(不含水電)、化學(xué)工業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、造紙印刷及文教用品制造業(yè)、食品制造及煙草加工業(yè)等。

用水效率;節(jié)水潛力;水利投入占用產(chǎn)出表;細(xì)分產(chǎn)業(yè)部門;海河流域

我國(guó)是一個(gè)水資源十分短缺的國(guó)家,大力提高水資源的利用效率,挖掘各部門的節(jié)水潛力是我國(guó)水資源管理的必然選擇。深入研究我國(guó)各部門的用水效率和節(jié)水潛力,不僅能在部門層面為我國(guó)制定節(jié)水目標(biāo)提供定量依據(jù),而且有利于解決與水相關(guān)的環(huán)境問題和水資源戰(zhàn)略規(guī)劃,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

從已有成果[1-8]來看,計(jì)算節(jié)水潛力的方法主要有通過與國(guó)外用水效率高的國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行比較、與國(guó)內(nèi)用水效率高的省份及地區(qū)進(jìn)行比較和與用水定額進(jìn)行比較等。與國(guó)外用水效率高的國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行比較的研究主要集中于對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)的借鑒,如賈金生等[1]比較了我國(guó)和美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)的用水總量和用水效率,認(rèn)為我國(guó)應(yīng)該調(diào)整用水結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)水資源管理,從而提高用水效率;馮杰[2]比較分析了我國(guó)和美國(guó)的用水總量和用水效益,認(rèn)為用水總量主要取決于經(jīng)濟(jì)規(guī)模和用水效益,而不是人口規(guī)模;馬靜等[3]將我國(guó)水資源利用效率與美國(guó)、日本等國(guó)家進(jìn)行了比較,認(rèn)為我國(guó)水資源利用效率與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距明顯,節(jié)水潛力很大;秦福興等[4]分析了南水北調(diào)中線和東線受水區(qū)的城鎮(zhèn)生活用水節(jié)水現(xiàn)狀與世界先進(jìn)節(jié)水水平的差距和節(jié)水潛力。與國(guó)內(nèi)用水效率高的省份及地區(qū)進(jìn)行比較的研究主要基于如下假定:國(guó)內(nèi)各省份及地區(qū)在相似的國(guó)家宏觀管理體制下,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口等多個(gè)方面存在較高的相似性,參照省份及地區(qū)的用水效率是研究對(duì)象可能達(dá)到的目標(biāo)。如王錚等[5]對(duì)中國(guó)未來發(fā)展中的水資源問題進(jìn)行了分析,認(rèn)為如果我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)沒有明顯進(jìn)步,Brown等[6]對(duì)中國(guó)會(huì)因缺水影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的預(yù)言將成為現(xiàn)實(shí),但如果調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)到北京的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平,我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展是可能的,并測(cè)算了在此情景下我國(guó)2010年和2030年的節(jié)水潛力;朱啟榮[7]對(duì)我國(guó)各地區(qū)的工業(yè)用水效率和節(jié)水潛力進(jìn)行了實(shí)證研究,認(rèn)為我國(guó)工業(yè)用水資源配置偏離了效率原則,各地區(qū)工業(yè)用水效率存在較大差異,并以山東省的用水效率為參照,測(cè)算了其他省份和地區(qū)相對(duì)于山東省的節(jié)水潛力。用水定額法通過比較實(shí)際用水與用水定額的差額計(jì)算節(jié)水潛力,但過度依賴于用水定額的設(shè)定。如鄭在洲等[8]運(yùn)用定額需求計(jì)算法和給用排分別計(jì)算法計(jì)算了黃淮海流域2010年的工業(yè)節(jié)水潛力,認(rèn)為未來節(jié)水指標(biāo)的變動(dòng)主要由工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和新發(fā)展工業(yè)用水的高低決定;張國(guó)輝等[9]運(yùn)用定額用水法,結(jié)合用水規(guī)劃分別計(jì)算了灤河流域2015年和2030年的城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和第三產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力。除此之外,劉建剛等[10]采用水資源合理配置模型WACM計(jì)算分析了徒駭馬頰流域不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力;程普云[11]以2000年為現(xiàn)狀水平年,從推行節(jié)水型器具及城鎮(zhèn)管網(wǎng)改造兩個(gè)方面,預(yù)測(cè)分析了2010年、2020年及2030年不同水平年山西省城鎮(zhèn)生活用水節(jié)水潛力。

從研究對(duì)象來看,已有對(duì)節(jié)水潛力的研究主要集中在整體層面,從部門層面對(duì)節(jié)水潛力進(jìn)行的研究很少,導(dǎo)致對(duì)各部門節(jié)水目標(biāo)設(shè)定的決策支持力度不足。通過計(jì)算各部門的節(jié)水潛力,有利于掌握各部門的節(jié)水情況,明確重點(diǎn)節(jié)水部門,進(jìn)而提高節(jié)水政策制定的有效性和可操作性。本文在對(duì)現(xiàn)有節(jié)水潛力計(jì)算模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,選擇與國(guó)內(nèi)用水效率高的省份和地區(qū)進(jìn)行比較的節(jié)水潛力計(jì)算模型,以海河流域作為參照地區(qū)計(jì)算全國(guó)各部門的節(jié)水潛力。選擇海河流域作為參照地區(qū)主要是因?yàn)楹：恿饔蚴俏覈?guó)九大流域中用水效率最高的流域[12-13],且相對(duì)北京、山東等單一省市或地區(qū)覆蓋的地域更廣,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更加多樣;此外,國(guó)際上和我國(guó)的水資源管理均主要以流域管理為主[14]。

1 節(jié)水潛力計(jì)算模型與數(shù)據(jù)來源

1.1 直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)

某部門j的直接用水系數(shù)awj定義為該行業(yè)實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)出的用水量:

(1)

式中:wj為部門j的直接用水量;xj為部門j的總產(chǎn)出。

某部門j的完全用水系數(shù)bwj定義為生產(chǎn)該部門單位產(chǎn)出所引致的整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的總用水量:

(2)

將式(2)用矩陣形式表示為:

(3)

經(jīng)過簡(jiǎn)單的矩陣變換得到:

(4)

式中：A為直接消耗系數(shù)矩陣,A=[aij]n×n;n為投入產(chǎn)出表中生產(chǎn)部門的個(gè)數(shù)。

直接用水系數(shù)反映了單位產(chǎn)值的直接用水量,但是一個(gè)部門生產(chǎn)產(chǎn)品除了需要水的投入之外,還需要其他投入,而這些投入在生產(chǎn)過程中也需要水的投入,在研究各部門用水效率時(shí)還需要考慮蘊(yùn)涵于投入品中的用水量,以及更下一級(jí)的用水量等,這就是完全用水量的經(jīng)濟(jì)含義[15-24]。

對(duì)于居民部門,定義用水效率awr為年人均用水量:

(5)

式中:wr為居民部門的直接用水量;p為當(dāng)期的人口數(shù)。

1.2 節(jié)水潛力計(jì)算模型

以用水效率最高的海河流域?yàn)閰⒄盏貐^(qū),全國(guó)各生產(chǎn)部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力可以用公式(6)計(jì)算,全國(guó)居民部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力可以用公式(7)計(jì)算。全國(guó)總節(jié)水潛力如公式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

式中:Wspj為全國(guó)表中生產(chǎn)部門j的節(jié)水潛力;Wspr為全國(guó)表中居民部門的節(jié)水潛力;Wsp為全國(guó)總節(jié)水潛力;ahwj為海河流域部門j的直接用水系數(shù);xj為全國(guó)表中部門j的總產(chǎn)出;wj為全國(guó)表中部門j的用水量;ahwr為海河流域居民部門的人均用水量;p為全國(guó)人口數(shù)。與Wsp的計(jì)算方法類似,還可以計(jì)算全國(guó)三次產(chǎn)業(yè)相對(duì)海河流域的總節(jié)水潛力。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究采用由中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院水資源課題組編制的1999年、2002年和2007年51部門的全國(guó)和海河流域水利投入占用產(chǎn)出表(以下簡(jiǎn)稱全國(guó)表和海河流域表),51部門的具體分類見文獻(xiàn)[14，22],其中投入產(chǎn)出部分是以國(guó)家統(tǒng)計(jì)局頒布的投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ)編制的,各部門用水量是以相應(yīng)年份的《水資源公報(bào)》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制的。

2 節(jié)水潛力計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 整體層面的分析

應(yīng)用上述節(jié)水潛力計(jì)算模型,首先計(jì)算51個(gè)細(xì)分部門的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù),2002年全國(guó)和海河流域的計(jì)算結(jié)果見表1?；诒?的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算整體層面三次產(chǎn)業(yè)和居民部門的節(jié)水潛力,測(cè)算結(jié)果見表2。

由表2可知,我國(guó)1999年的總節(jié)水潛力為1226.23億m3,占當(dāng)年用水量的21.9%;2007年的總節(jié)水潛力為2621.41億m3,占當(dāng)年用水量的45.0%。節(jié)水潛力在1999—2007年期間增加了1395.18億m3,并且占各年用水量的比例增加較多。這說明在此期間雖然我國(guó)用水總量增加不大,但與海河流域用水效率的差距卻在擴(kuò)大,導(dǎo)致我國(guó)節(jié)水潛力總量和占各年用水量的比例增加。

對(duì)于三次產(chǎn)業(yè)部門,我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力最大,1999年和2007年第一產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力均超過了節(jié)水潛力總量的50%。第二產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在工業(yè)部門,1999年第二產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力占節(jié)水潛力總量的45.5%,其中工業(yè)部門的節(jié)水潛力占第二產(chǎn)業(yè)節(jié)水潛力的98.9%;2007年第二產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力占節(jié)水潛力總量的40.7%,其中工業(yè)部門的節(jié)水潛力占第二產(chǎn)業(yè)節(jié)水潛力的97.9%。第二產(chǎn)業(yè)中建筑業(yè)的節(jié)水潛力相對(duì)較小,但在此期間的變化較大,1999年至2007年增加了2倍多。第三產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力相對(duì)較小,在此期間第三產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力先增加后減少。

對(duì)于居民部門,節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在農(nóng)村居民部門。從1999年到2007年,全國(guó)農(nóng)村居民的節(jié)水潛力從57.13億m3增加到了133.19億m3,主要原因是海河流域?qū)儆谫Y源型嚴(yán)重缺水地區(qū),在建設(shè)節(jié)水型社會(huì)方面實(shí)施了多項(xiàng)強(qiáng)有力的措施,如2007年河北省試點(diǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活節(jié)水達(dá)40%～50%。

表1 2002年全國(guó)和海河流域51部門的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù) m3/萬元

表2 我國(guó)三次產(chǎn)業(yè)和居民部門節(jié)水潛力測(cè)算結(jié)果 億m3

年份第一產(chǎn)業(yè)第二產(chǎn)業(yè)工業(yè)建筑業(yè)第三產(chǎn)業(yè)居民部門農(nóng)村城鎮(zhèn)總量1999666.64552.136.2423.0357.13-78.941226.232002930.75516.4018.1784.97118.34-11.531657.0920071375.531044.8322.0149.71133.19-3.872621.41

海河流域農(nóng)村居民用水效率的大幅提高,使得全國(guó)農(nóng)村居民的節(jié)水潛力顯著增加。全國(guó)城鎮(zhèn)居民相對(duì)海河流域城鎮(zhèn)居民的節(jié)水潛力為負(fù),說明全國(guó)城鎮(zhèn)居民年人均用水量比海河流域少,這主要是因?yàn)楹：恿饔蚪?jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá),城鎮(zhèn)居民收入相對(duì)較高,非基本生活用水量較高。

2.2 主要細(xì)分部門層面的分析

農(nóng)業(yè)部門(即第一產(chǎn)業(yè))和居民部門的節(jié)水潛力已經(jīng)在整體層面部分進(jìn)行了分析,本節(jié)主要分析除此以外的其余部門的節(jié)水潛力。將其余部門按照節(jié)水潛力從高到低排序,在1999年、2002年和2007年節(jié)水潛力均靠前的部門有電力及蒸汽熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(不含水電)、化學(xué)工業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、造紙印刷及文教用品制造業(yè)、食品制造及煙草加工業(yè)等,這幾個(gè)部門在1999年、2002年和2007年的節(jié)水潛力見表3。

表3 重點(diǎn)部門節(jié)水潛力測(cè)算結(jié)果 億m3

為了分析表3中這幾個(gè)重點(diǎn)部門節(jié)水潛力變動(dòng)的影響因素,本文從用水效率和因素分解分析兩個(gè)角度進(jìn)行分析。用水效率采用直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)(見表4和表5)；因素分解分析采用兩極分解法,將交互效應(yīng)平均分配到兩個(gè)因素的純效應(yīng)中。由公式(6)有

(9)

將式(9)通過因素分解分析中的兩極分解法可得

(10)

式中下標(biāo)0、1分別表示期初和期末。因素分解結(jié)果見表6。

表4 全國(guó)表部分部門用水效率測(cè)算結(jié)果 m3/萬元

部 門直接用水系數(shù)完全用水系數(shù)1999年2002年2007年1999年2002年2007年電力及蒸汽熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(不含水電)8111541451087949597化學(xué)工業(yè)9410942114519931047金屬冶煉及壓延加工業(yè)69962358815711037造紙印刷及文教用品制造業(yè)284201114547881370食品制造及煙草加工業(yè)7672307417021146

表5 海河流域表部分部門用水效率測(cè)算結(jié)果 m3/萬元

表6 全國(guó)表部分部門節(jié)水潛力變動(dòng)因素分解結(jié)果 億m3

注:Δawj、Δxwj分別為awj和xj變動(dòng)引起的用水量變動(dòng)的大小。

由表3可知,在1999年部門24(電力及蒸汽熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(不含水電))的節(jié)水潛力占工業(yè)部門節(jié)水潛力總量的41%;2007年該占比為31%,部門24的節(jié)水潛力在1999—2007年期間增加了90.41億m3。由表1知,全國(guó)表中部門24的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)相對(duì)海河流域都減小很多。由表6知,相對(duì)用水效率的變動(dòng)使得部門24的節(jié)水潛力減少了665.59億m3,總產(chǎn)出的變動(dòng)使得節(jié)水潛力增加了756億m3,總產(chǎn)出變動(dòng)是節(jié)水潛力增加的主要影響因素。類似地,在1999—2007年期間,部門12(化學(xué)工業(yè))、部門14(金屬冶煉及壓延加工業(yè))的節(jié)水潛力都增加了,總產(chǎn)出的增加是其節(jié)水潛力增大的主要影響因素。這說明對(duì)這些部門來說,用水效率提高的效應(yīng)沒有抵消掉總產(chǎn)出增加而帶來的用水增加的效應(yīng)。

根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),這些工業(yè)部門的總產(chǎn)值不可能一直高速增長(zhǎng),工業(yè)用水量也不會(huì)一直增長(zhǎng),而是有停止增長(zhǎng)甚至轉(zhuǎn)而下降的時(shí)候。表6中所列的這些部門在1999—2007年均為勞動(dòng)-資本密集型的工業(yè)部門,根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)(即產(chǎn)業(yè)類型由耗水多的勞動(dòng)-資本密集型向耗水少的技術(shù)-知識(shí)密集型轉(zhuǎn)變)是發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)用水減少的根本原因之一。產(chǎn)業(yè)升級(jí)的主要途徑是:①在第二產(chǎn)業(yè)內(nèi)部,勞動(dòng)-資本密集型的紡織、冶金、石油化工等行業(yè)逐步讓位給技術(shù)-知識(shí)密集型的電子、新材料等新興行業(yè);②在傳統(tǒng)行業(yè)內(nèi)部,尤其是高耗能、高污染的加工環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國(guó)家,在發(fā)達(dá)國(guó)家只保留研究開發(fā)、市場(chǎng)營(yíng)銷等部門。我國(guó)可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),一方面促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí),另一方面考慮將高耗水部門的加工環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到水資源豐富和經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后需要投資扶持的國(guó)家和地區(qū)[23]。

3 結(jié) 論

a. 全國(guó)相對(duì)海河流域的總節(jié)水潛力在1999—2007年期間不斷擴(kuò)大。

b. 全國(guó)第一產(chǎn)業(yè)相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力最大,超過了總節(jié)水潛力的50%;第二產(chǎn)業(yè)中的工業(yè)部門的節(jié)水潛力也較大,占第二產(chǎn)業(yè)節(jié)水潛力的80%以上;第二產(chǎn)業(yè)中的建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的節(jié)水潛力較小,但兩者的變化較大。

c. 全國(guó)居民部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在農(nóng)村居民部門。全國(guó)農(nóng)村居民部門相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力由1999年的57.13億m3增加到2007年的133.19億m3。我國(guó)城鎮(zhèn)居民相對(duì)海河流域的節(jié)水潛力為負(fù),說明我國(guó)城鎮(zhèn)居民年人均用水量比海河流域少。

d. 全國(guó)相對(duì)海河流域節(jié)水潛力較大的部門有農(nóng)業(yè)、電力及蒸汽熱水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)(不含水電)、化學(xué)工業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、造紙印刷及文教用品制造業(yè)、食品制造及煙草加工業(yè)等,總產(chǎn)出的增長(zhǎng)是這些部門節(jié)水潛力變大的主要影響因素。

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Water use efficiency and water conservation potential in China//

LIU Xiuli,ZHANG Biao

(AcademyofMathematicsandSystemsSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190)

To analyze water use efficiency and water saving potential in China, based on the water conservancy input-occupancy-output tables of China and Haihe River basin in 1999, 2002 and 2007, we proposed a model to calculate water saving potential by sector compared with Haihe River basin, and a model to calculated the water conservation potential by sector. We applied the model in China compared with Haihe River basin and we found that the total water conservation potential of the national economy, compared with Haihe River basin, expanded from 1999 to 2007. Water conservation potential in the primary industry and the secondary industry was relatively large while water conservation potential in the tertiary industry and construction industry was small. In comparison with urban residents, rural residents showed more water conservation potential. Besides the agricultural sector, sectors, such as electricity, steam, hot water production and supply industry(without water electricity), chemical industry, metal smelting and rolling processing industry, paper printing and stationery manufacturing industry, food production and tobacco processing industry, among others, also showed great water conservation potential.

water use efficiency; water-saving potential; water conservancy input-occupancy-output table; detailed sector classification; Haihe River Basin

國(guó)家自然科學(xué)基金(71173210，70701034)

劉秀麗(1975—)，女，山東菏澤人，副研究員，博士，主要從事資源環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail:xiuli.liu@amss.ac.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.002

TV213

A

1006-7647(2015)03-0005-06

2014-03-20 編輯：熊水斌)