基于LMDI和STIRPAT模型的长江流域水资源利用效率动因分析.pdf

中国农村水利水电China Rural Water and H基于LMDI和STIRPAT模型的长江流域水资源利用效率动因分析陈述1，2，吕文芳1，王建平1（1.三峡大学 经济与管理学院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省水电工程施工与管理重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002）摘要：为了提升长江流域水资源利用效率，以长江流域11省市为研究对象，运用LMDI方法分解长江流域水资源利用效率驱动因素，识别劳动力规模效应、经济发展水平效应、技术进步效应和用水规模效应对水资源利用效率的影响程度；并构建水资源利用效率STIRPAT模型，揭示水资源利用效率对各驱动因素的变动响应关系。研究结果表明：江西、青海、重庆、四川、上海、西藏、云南、安徽劳动力规模效应对水资源利用效率增长起到正向促进作用，而所有省市经济发展水平效应始终起到推动作用，技术进步效应和用水规模效应起到抑制作用。长江流域水资源利用效率对于经济发展水平、技术进步水平和用水规模的敏感度较高，且经济发展水平是促进水资源利用效率提高的关键驱动因素。关键词：驱动因素；长江流域；LMDI；STIRPAT模型；水资源利用效率文献标识码：A DOI：10.12396/znsd.221467陈 述，吕文芳，王建平.基于LMDI和STIRPAT模型的长江流域水资源利用效率动因分析 J.中国农村水利水电，2023（8）：13-17+24.DOI：10.12396/znsd.221467.CHEN S，L W F，WANG J P.Motivation analysis of water resources utilization efficiency in the Yangtze River BasinJ.China Rural Water and Hydropower，2023（8）：13-17+24.DOI：10.12396/znsd.221467.Motivation Analysis of Water Resources Utilization Efficiency in the Yangtze River BasinCHEN Shu1，2，L Wen-fang1，WANG Jian-ping1（1.School of Economics and Management，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei Province，China；2.Hubei Provincial Key Laboratory of Hydropower Engineering Construction and Management，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei Province，China）Abstract：The LMDI model for evaluation of water resources utilization efficiency in the Yangtze River Basin was established with 11 provinces in the Yangtze River Basin.It is used as a research object to identify the impact of labor scale effect，economic development level effect，technological progress effect，and water use scale on water use efficiency.And the STIRPAT model of water use efficiency is constructed to reveal the response relationship between water use efficiency and various influencing factors.According to the findings of the study，the labor scale effect of Qinghai，Tibet，Sichuan，Yunnan，Chongqing，Jiangxi，Anhui，and Shanghai has always played a positive role in promoting the growth of water resource utilization efficiency，and the effect of the economic development level of all the other provinces and cities has always played a role in promotion.The progress effect of technology and the scale effect of water consumption both have a negative inhibiting effect.The Yangtze River Basin is particularly sensitive to economic growth，technical advancement，and the size of water usage，yet economic development is a fundamental influencing element that encourages improved water resource utilization efficiency.Key words：influencing factors；Yangtze River Basin；LMDI；STIRPAT model；water resources utilization efficiency文章编号：1007-2284（2023）08-0013-05收稿日期：2022-07-23基金项目：国家自然科学基金（52079073）；湖北省高等学校哲学社会科学研究项目（21Y042）。作者简介：陈述（1986-），男，副教授，博士，从事水资源管理研究。E-mail：。通讯作者：王建平（1972-），副教授，博士，研究方向为水资源管理。E-mail：。水文水资源13基于LMDI和STIRPAT 模型的长江流域水资源利用效率动因分析 陈述 吕文芳 王建平0引 言长江流域横跨中国11省市，在我国经济发展具有举足轻重的战略性作用1。而在经济社会不断发展的过程中，水资源短缺问题已经成为了长江流域可持续发展的最大瓶颈2。因此，面对长江流域经济社会发展中日益严峻的水资源约束挑战，找出影响长江流域水资源利用效率变化的主要因素，切实解决好水资源供需矛盾问题至关重要3。针对水资源利用效率的驱动因素分析，国内外学者已开展了系列研究。张振龙等4采用收敛法和Tobit模型分析西北5省区水资源利用效率的影响因素及收敛性；巩灿娟等5 运用 GMM模型，对2010-2017年黄河中下游地区城镇用水效率进行空间分布特征分析，并对其影响因素进行研究然而，如何定量描述驱动因素对水资源利用效率变化的影响以及水资源利用效率与其驱动因素之间的变化响应关系仍然困难重重。近年来，因素分解法被广泛应用于各领域。吴兆丹等2采用LMDI（Logarithmetic Mean Divisia Index）方法量化长江经济带水利风景区规模演化的影响因素；王建雄等6运用 LMDI 法与 STIRPAT模型拟合京津冀地区的碳排放量与其影响因素并进行回归结果分析；孙才志等7建立了基于扩展Kaya恒等式的因子分解模型，并利用LMDI分解方法分析了1997-2008年中国水资源利用效率的变化；以上研究为分析水资源利用效率的动因与交互效应供了重要的方法，但现有动因分析研究主要基于独立性原则建立水资源利用效率的驱动指标体系，往往忽略了水资源利用效率动因之间的耦合关联，难以准确反映水资源利用效率与其动因之间的变动响应关系。LMDI因素分解法可以较好的分析水资源利用效率动因的效应值，同时当某一个动因发生变化时，STIRPAT（Stochastic Impacts by Regression on Population Affluence and Technology）模型能定量识别该影响因素造成的水资源利用效率变化。基于这种情况，拟采用 LMDI因素分解方法，识别劳动力规模效应、技术进步效应、用水规模效应和经济发展水平效应等对长江流域水资源使用效率产生的影响，并构建STIRPAT模型，希望能够揭示出水资源利用效率与各驱动因素的变化响应关系，为提升长江流域的水资源利用效率提供依据。1研究区域概况与数据说明1.1研究区域概况长江是中国最大的河流，流经江苏、云南、安徽、西藏、重庆、青海、四川、上海、湖南、湖北、江西11个省级行政区，全长 6 300多km，总面积占全国的1/5，长江流域自然资源丰富，是我国水量最大的河流8。长江流域图如图1所示。长江经济带作为我国“十四五”规划的战略之一，是中华民族永续发展的关键支撑。1.2数据说明以2013-2019年为研究年份，以长江干流流经的11省市为研究区域。通过对水资源利用效率内涵的分析，从经济、社会、可持续发展3个角度出发，立足于一定的现实统计基础，选取GDP作为表现经济对水资源利用效率的影响因素，从业人员表示社会对水资源利用效率的影响因素，用水总量表示可持续发展对水资源利用效率的影响因素，建立4个长江流域水资源利用效率驱动因素指标9。具体指标说明如下：（1）用水总量。中国幅员辽阔，水资源分布不均匀，东西差异较大，西部地区缺水严重，水资源消耗总量是影响水资源利用效率的重要指标10，具体来说，用水量主要包含4种用水方式，分别是生态、工业、农业、生活11，以“亿立方米”为单位，数据来自各省市的水资源公报及各年的 统计年鉴。（2）从业人员。从业人员的数量可以反映一个地区参与经济活动的人口密集程度11，是影响水资源利用效率的重要因素。如果增加了从业人员数量，那么一方面就意味着有了更多的水资源的消耗，这可能会对水资源使用效率造成一定的负面影响；另一方面，还意味着参与经济活动人数的提升，从而提高水资源利用效率。以 2013-2019年长江流域11个省市的城镇单位就业人员数量作为劳动力驱动因素，以“万人”为单位，数据采自2013-2019年 中国统计年鉴。（3）GDP。GDP通常可以表示一个国家或地区经济发展的水平，相较于落后地区，发达地区对水资源的利用更容易产生规模效应13。以2013-2019年长江流域11个省市的地区生产总值作为驱动因素之一，为了减轻价格对于GDP的影响，2013-2019年实际的GDP根据GDP指数得出，以“亿元”为单位，GDP指数来自国家统计局网站，GDP数据来自 中国统计年鉴。（4）水资源利用效率。水资源利用效率是一种能够有效地开发、利用和管理水资源的经济体系的重要指标。这是一个关系到各类微观输入与输出的经济变量10。考虑水资源利用效率指标体系与数据的科学性及可得性的情况下，长江流域水资源利用效率值由长江流域SEDEA视窗模型得出14。2研究方法2.1LMDI因素分解根据水资源利用效率与从业人员G、生产总值G、水资源总量W之间的投入产出关系，建立长江流域水资源利用效率的Kaya恒等式方程15，描述水资源利用效率与劳动力规模P、经济发展水平T、技术进步水平M、用水规模N等参数间的内部关联16：=P GP WG 1W-1=P T M N（1）T=GP为GDP与从业人数的比值，从某种意义上讲，它能反图1长江流域示意图Fig.1 Schematic diagram of the Yangtze River Basin14基于LMDI和STIRPAT 模型的长江流域水资源利用效率动因分析 陈述 吕文芳 王建平映出经济发展水平，用来表示经济发展水平；M=WG为水资源用量与GDP的比值，即用水强度，用来表示技术进步水平；N=1W-1为用水总量与水资源利用效率比值的相反数，用水总量与水资源利用效率比值在一定程度上可以反映区域用水情况，用来表示用水规模，该指标越低，说明水资源利用效率越低。根据第t年水资源利用效率t与基准年水资源利用效率0的差值，计算水资源利用效率变化总效应，并利用LMDI加法分解理论17，将水资源利用效率变化总效应分解为劳动力规模效应P、经济发展水平效应T、技术进步效应M、用水规模效应N18：=t-0=P+T+M+N（2）通过水资源利用效率的分解结果和水资源利用效率变化总效应，利用对数平均法计算影响长江流域水资源利用效率因素效应值19：X=t-0lnt-ln0 lnXtX0(X=P，T，M，N)（3）在加法分解模式下，若驱动效应值为正，表示个要素的变化促使水资源利用效率的提高，为增量效应，反之，为负则为减量效应，绝对值越大影响越强20。2.2STIRPAT模型STIRPAT模型消除了只能简单地将驱动因素与因变量之间的关系视为具有比例相同的关系的不足，可以分析各驱动因素对水资源利用效率的贡献程度21。加入水资源利用效率因素变量指数b、c、d、f、系数a和误差e，建立长江流域水资源利用效率的STIRPAT等式：=a Pb Tc Md Nf e（4）为消除时间序列中的波动性，并克服其异方差，对式（4）的两端取对数，得到水资源利用效率回归方程22：ln=lna+b(lnP)+c(lnT)+d(lnM)+f(lnN)+lne（5）式中：b、c、d、f为方程回归系数，反映了劳动力规模P、经济发展水平T、技术进步水平M、用水规模N与水资源利用效率之间的回归关系。在其他系数不变的情况下，P、T、M、N每改变1%，就会引起 变化b%、c%、d%、f%23。如果b、c、d、f为正，说明自变量对水资源利用效率具有促进的作用，如果为负，则说明自变量对水资源利用效率具有抑制的作用24。根据历年特征值，计算回归方程系数b、c、d、f及常数值，探讨长江流域各省市动因间相互作用机理，揭示水资源利用效率动因之间的变动响应关系。3结果分析3.1基于LMDI的驱动因素分解分析通过长江流域水资源利用效率LMDI因素分解模型，计算长江流域2013-2019年不同年份各驱动因素对水资源利用效率变化的效应值，如图2所示。（1）从区域维度来看，在2013-2019年，青海、西藏、四川、云南、重庆、江西、安徽、上海的劳动力规模效应起到正向促进作用，湖北、湖南、江苏的劳动力规模效应则起到抑制作用。而除上海外，各省市经济发展水平始终为正值，其中湖南、湖北的促进作用最明显，青海、西藏的促进作用最小。技术进步效应和用水规模效应对长江流域水资源利用效率均起到抑制作用，除上海抑制作用较为明显外，其余省市无明显差异。（2）从时间维度来看，2014-2016年部分省市劳动力规模效应呈负向增长，表明该时间段部分省市参与经济活动的人口逐年递减，对水资源利用效率起到抑制作用。长江流域经济发展水平效应在各年间出现轻微波动，但始终为正值，表明经济发展效应是促进长江流域水资源利用效率增加的重要驱动因素。相反，除四川外，技术进步效应则始终为负值，表明技术进步效应降低是抑制水资源利用效率增长的主要因素。大部分省市图22013-2019年长江流域水资源利用效率驱动因素效应值Fig.2 2013-2019 The effect value of the influencing factors of water resources utilization efficiency in the Yangtze River Basin15基于LMDI和STIRPAT 模型的长江流域水资源利用效率动因分析 陈述 吕文芳 王建平用水规模效应在2016-2017年呈正向促进作用，其余年份起抑制作用，说明各省市仍存在水资源短缺的情况。（3）长江流域地区各地方经济社会的迅速发展和人口的稳定增加，均促进了水资源效率的提高，但在科技进步和节约用水等方面仍有不足。为此，长江流域各省市企业要坚持以发展科技为主线，强化与先进科学技术和管理方法的有机融合，推动传统企业技术改造提升，积极采用先进节水科技和工艺，开发推广公司内部的污水回收利用装置，实现一水多用。3.2基于STIRPAT的变动响应关系分析为了更合理地预测水资源利用效率与各驱动因素之间的变动响应关系，需要测试各个驱动因素之间是否有着多重共线的问题。多重共线性是线性回归模型中解释变量之间产生线性相互作用，而导致模型失去稳定性的一种现象。它会造成无法识别每个解释变量的独立影响程度，可使用衡量其驱动因素的方差膨胀因子（VIF）来检验。方差膨胀因子代表了一个自变量观测的复共线性度25。线性回归分析中，回归系数估计量的方差为2Cjj，其中Cjj=(1-Rj)-1，称Cjj为估计量的方差膨胀因子，这里Rj是估计值与剩余自变量的复相关系数的平方。假设VIF值超过十，则表示存在着明显的多重共线性，而VIF值越大，共线性就越强。共线性诊断结果如表1所列。由于各变量间存在严重的多重共线性，为正确地估计模型的参数，减少误差，提高回归模型的稳定性，选用岭回归对2013-2019年长江流域水资源利用效率的STIRPAT模型各变量进行多元回归分析，如图3所示。（1）各省市岭回归决定系数R2在0.990到0.999之间，表示所选取的自变量对于水资源利用效率变化有99%的解释能力，说明模型整体拟合良好，回归方程有意义。从整体来看，经济发展水平对水资源利用效率总是有积极的影响，这表明目前提高长江流域水资源利用效率主要取决于各省市经济的快速发展的情况。用水规模和技术进步则有明显的负向作用，表明各省市应重视水资源过度使用带来的水资源短缺问题，加强研发和投入大量新技术，通过技术的创新及发展提高水资源利用效率。而对于人口规模，除湖南、江西、江苏、上海外，其余省市均表现为正相关性，人口规模的浮动，会影响水资源的用量，这必然导致了水资源利用效率的变化。（2）从系数来看，青海、重庆、湖南、江西对技术进步的敏感度最高；四川、云南、江苏对经济发展水平的敏感度最高；西藏、湖北、安徽、上海对用水规模的敏感度最高；这说明各省市应明确自身的定位，发挥自身优势，根据自身的情况制定合理的政策，加强对于自身薄弱环节的建设。其次，不同省市之间需要加强协调沟通，在兼顾整体原则的基础上又能考虑自身实际情况，实现长江流域的协同增效。4结 论将人口规模、经济发展水平、技术进步、用水规模4个驱动因素整合到一个统一的分析框架中，构建LMDI 因素分解模型和STIRPAT模型，定量分析了长江流域各驱动因素与水资源利用效率之间的关系。（1）LMDI 因素分解结果表明，经济发展水平效应对水资源利用效率的提升具有积极的影响，并且起到关键的主导作用；技术进步效应和用水规模效应为负向抑制效应，但近年来抑制作用逐渐降低。（2）STIRPAT 模型能明显的反映水资源利用效率与驱动因素间的关系，显示人口规模、经济发展水平、用水规模和技术进步对水资源利用效率的影响程度。分析表明各省市对不同驱动因素的敏感程度不同，但经济发展水平效应仍是影响水资源利用效率的关键因素。（3）结合分析结果，长江流域在未来仍需要积极推动节约用水技术的进步，从而提升水资源利用效率。关于新增的产业项目，应当根据各省市不同的水资源条件，因地制宜，在优化产业规模、提高技术水平的同时，坚持适水发展，健全基础设施，为节约用水的准确计量提供基本保障。另外，各省市政府也要增强对水资源循环回收与污水处理的管理力度，从而有效开发节约用水的能力，并加强对环境保护的宣传力度，以推动节水型社会的建设。同时，也要做好技术总结、掌握更完善的科学管理技术与办法，从而形成有效水资源评估制度，更高效率的利用水资源。（4）在制度层面，除政府严格把控取水审批工作，妥善处理表1STIRPAT模型各变量方差膨胀因子结果Tab.1 Variance expansion factor results of each variable in the STIRPAT modellnPlnTlnMlnN青海206.28394.82243.9346.48西藏58.275.76356.2680.76四川804.84138.01171.6919.14云南4.24282.24406.9221.27重庆10.4328.49134.1056.77湖北68.26157.33151.0211.31湖南68.32910.13914.9644.98江西9.502 198.144 096.10319.67安徽16.9059.23129.839.99江苏403.17142.93149.3118.99上海206.28394.82243.9346.48图3长江流域水资源利用效率回归系数图Fig.3 Regression coefficient of water resources utilization efficiency in the Yangtze River Basin16基于LMDI和STIRPAT 模型的长江流域水资源利用效率动因分析 陈述 吕文芳 王建平水资源开发利用与保护的关系，完善水资源利用效率评价体系，丰富长江流域水资源管理理论体系外，还应要求企业加强内部管理，优化水资源配置，坚持统筹兼顾，制定相应的控制措施，为创新水资源的运营管理提供企业级的制度保障。参考文献：1 杨高升，谢秋皓.长江经济带绿色水资源效率时空分异研究：基于SE-SBM 与 ML 指数法 J.长江流域资源与环境，2019，28（2）：349-358.YANG G S，XIE Q H.Study on the time and space difference of green water resource efficiency in The Yangtze River Economic Belt：Based on SE-SBM and ML Index MethodJ.Yangtze River Basin Resources and Environment，2019，28（2）：349-358.2 吴兆丹，华钰，李彤，等.基于LMDI的长江经济带沿线水利风景区规模演变影响因素分析 J.长江流域资源与环境，2021，30（4）：869-878.WU Z D，HUA Y，LI T，et al.Influencing factor analysis of the scale evolution of water conservancy scenic spots along the yangtze river economic belt based on LMDI J.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2021，30（4）：869-878.3 章恒全，杨柳，张陈俊.长江经济带用水量演变的驱动因素与预测：基于 LMDI 与 SD 模型J.工业技术经济，2021，40（6）：143-152.ZHANG H Q，YANG L，ZHANG C J.Drivers and forecasts of the evolution of water use 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