石曉曉，秦長海，汪 妮，趙 勇，何國華

(1.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

作為我國唯一的熱帶島嶼，海南省生態(tài)環(huán)境一流，自然資源豐富，是目前我國最大的經(jīng)濟特區(qū)、21世紀海上絲綢之路的排頭兵和主力軍。受干濕季風和地形條件影響，省內(nèi)降雨量充沛，但具有時空分配不均的特點[1]，在時間上降雨量主要集中在7—10月，空間上降雨量總的變化趨勢是由中部山區(qū)向四周沿海遞減，呈現(xiàn)東南高西北低的特征。河川徑流洪枯懸殊，豐水期暴雨集中，難于調(diào)蓄，枯水期干旱嚴重，基流量小。

2016年水利部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合印發(fā)《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控行動方案》的通知，實施水資源消耗總量和強度雙控行動，全面節(jié)約和高效利用水資源，破解我國水資源短缺瓶頸，確保水資源可持續(xù)利用[2]。要順利實施該項行動，需突出抓好八項重點任務(wù)，第一項就是要健全完善雙控指標體系。用水效率指標是雙控指標的重要內(nèi)容。

用水效率能夠綜合地反映出一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展階段、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水設(shè)施與裝備情況、水資源條件、水資源管理水平等狀況[3]。對海南省用水效率進行測算，評估其在全國的水平及與發(fā)達國家用水效率的差異，分析指標的可達性，一方面可為落實水資源消耗總量和強度雙控行動提供技術(shù)支撐，另一方面測算結(jié)果可為提高用水效率、改革水資源管理體制提供參考。

目前萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量指標已經(jīng)納入《中國統(tǒng)計年鑒》年度發(fā)布指標中，《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控行動方案》也明確將這兩項指標作為評價用水效率的核心指標，明確要求：海南省2020年萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量較2015年下降25%。萬元GDP用水量是一項綜合的用水效率指標，可以反映海南省全省總體用水效率情況；萬元工業(yè)增加值用水量是重要行業(yè)用水效率指標，可以反映海南省工業(yè)領(lǐng)域用水效率狀況。本文的目標是分析《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控行動方案》中相關(guān)指標的可達性，故重點選擇萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量進行分析。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為掌握海南省的用水效率實際狀況及未來發(fā)展趨勢，搜集了海南省1997—2016年人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、供用水量、耗水量等數(shù)據(jù)?；鶞誓隇?016年，預測水平年分別為2020年和2025年。

2.2 用水效率影響因素分析

用水效率是指在一定的投入和技術(shù)條件下，單位水資源所帶來的效益[4]。影響用水效率的因素很多，由于自然狀況和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的不同，不同的研究區(qū)域和發(fā)展階段其主導影響因素可能不完全一致[5]。目前關(guān)于用水效率的研究主要集中于農(nóng)業(yè)[6-8]或工業(yè)[9-11]單個行業(yè)。王學淵等[12]基于經(jīng)濟學視角對中國農(nóng)業(yè)用水效率進行評價，指出各地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局是影響用水效率的顯著變量，農(nóng)田水利設(shè)施、其他投入要素的價格以及農(nóng)村居民人均收入等經(jīng)濟變量也是影響用水效率的重要因素。趙姜等[13]采用面板Tobit模型檢驗了自然條件、水利設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況和社會經(jīng)濟條件等因素對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)全要素用水效率的影響。洪昌紅等[14]認為廣東省各地市的工業(yè)用水效率主要取決于地區(qū)的工業(yè)結(jié)構(gòu)及規(guī)模。姜蓓蕾[15]采用主成分分析法對全國工業(yè)用水效率驅(qū)動因素進行篩選分析，指出水資源條件和高耗水行業(yè)比例對工業(yè)用水效率的提高呈現(xiàn)負向作用，工業(yè)科技投入和技術(shù)進步對提高用水效率有正向作用。

在綜合用水效率影響因素方面，基于已有的研究成果[16-18]，用水效率主要受自然因素、經(jīng)濟因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水狀況和社會因素的影響。定量研究表明人均GDP、城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)比重、水價與用水效率呈正相關(guān)，而人均水資源量、人均生活用水量與其呈負相關(guān)。經(jīng)濟的發(fā)展促進技術(shù)的進步、設(shè)備的改進，進而提高工業(yè)水資源重復利用率、改變農(nóng)業(yè)用水的灌溉方式，并改善城市供水管網(wǎng)老化問題，且節(jié)水工作也貫穿于其中，從而提高了地區(qū)的用水效率；城鎮(zhèn)化率越高，受教育機會越多，即人口文化素質(zhì)越高，節(jié)水意識越強，也就提高了水資源的利用率；與其他產(chǎn)業(yè)相比，第三產(chǎn)業(yè)耗水少；人均水資源量、人均生活用水量越多，公民的節(jié)水意識越弱，用水浪費越嚴重，進而導致用水效率低下。

近年來，海南省人均GDP、水價以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民用水水平等指標均未發(fā)生較大幅度的改變，基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)展。對海南省用水效率指標的預測已將所有影響因素隱含在時間序列中，直接的、間接的、已知的、未知的、明顯的、隱含的因素已或多或少反映在起伏波動的數(shù)據(jù)里。

2.3 研究方法

指標預測常用的方法主要有直觀預測法、時間序列預測法和模型模擬預測法三大類，本文采用時間序列預測法和模型模擬預測法。因為直觀預測法預測效果的客觀性較差，而且適用的是缺乏資料的情況下，相比之下時間序列預測法能夠直觀反映指標序列變化狀況；模型模擬預測法選用的是灰色等維遞補模型[19]，對指標進行動態(tài)預測時優(yōu)先重視現(xiàn)實信息。

2.3.1 時間序列預測法

時間序列預測法也稱階段序列分析法，是指對過去歷年的用水數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析以尋找其隨時間的變化規(guī)律并預測未來用水量的方法。這是以歷史時間、序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用一定的數(shù)學方法使其向外延伸，借此預測指標未來發(fā)展變化趨勢的一種方法[20]。常用的有加權(quán)平均法、平滑指數(shù)法等。時間序列預測法是以已有的統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)來進行預測的，優(yōu)點是其預測結(jié)果人為的主觀因素較少，簡便易行，費用不大；缺點是其預測結(jié)果的可靠性、實用性，由于受歷史時間的限制，可能與現(xiàn)狀趨勢關(guān)系不夠密切。

2.3.2 灰色等維遞補模型

灰色系統(tǒng)理論GM(1，1)是鄧聚龍教授提出的一種處理動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學方法，它提供了信息缺少條件下解決系統(tǒng)問題的新途徑。把一切隨機過程看作是一定范圍內(nèi)變化的、與時間有關(guān)的灰色過程。灰色系統(tǒng)理論基于對原始數(shù)據(jù)進行生成處理，將雜亂無章的序列變?yōu)橛休^強規(guī)律性的數(shù)據(jù)序列，進而來尋找系統(tǒng)變動的規(guī)律[21]。

(1)

式中：a為待辨識參數(shù)，也稱發(fā)展系數(shù)；u為待辨識內(nèi)生變量，也稱灰作用量。按最小二乘法求解，得到灰色預測的離散時間響應(yīng)函數(shù)：

(2)

將預測值還原即可得到原始序列的預測值。

(3)

對于模型的精度檢驗，常采用的方法有：后驗差比值C檢驗和小誤差概率P檢驗。

灰色等維遞補模型以灰色模型為基礎(chǔ)，采用等維遞補的方法對指標進行動態(tài)預測。其數(shù)學原理是：在過去n年數(shù)據(jù)序列中選取t(t

綜合比較上述兩種方法，時間序列預測法與灰色等維動態(tài)遞補模型預測法有著本質(zhì)的區(qū)別，時間序列預測法是基于時間序列的統(tǒng)計特征和幾何規(guī)律來進行預測，是一種歷史、靜態(tài)的預測。灰色等維動態(tài)遞補模型預測是將原始序列數(shù)據(jù)做一次累加生成，建立微分方程，并不斷補充新的數(shù)據(jù)，是一種現(xiàn)實、動態(tài)的預測。這兩種預測方法有一個共同點，都是基于現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的趨勢展開分析，預測區(qū)間有一定范圍，短期預測能夠客觀反映變化情勢，長期預測則易產(chǎn)生較大偏差，需要根據(jù)前期數(shù)據(jù)不斷修正模型，以得到較為準確的結(jié)果。故本文重點分析2020年指標可達性，對2025年僅進行展望，后期將根據(jù)現(xiàn)狀結(jié)果進一步修正。為了降低偏差，文中將兩種方法綜合使用，以期得到更加合理、精確的結(jié)果。

圖1 海南產(chǎn)業(yè)用水量擬合關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 指標預測分析

3.1.1 時間序列模型

根據(jù)1997—2016年系列數(shù)據(jù)，進行萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的趨勢擬合。通過對構(gòu)建的各類模型進行趨勢及相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)更符合萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量的變化趨勢，模型相關(guān)關(guān)系達到了0.96以上，模型擬合關(guān)系見圖1。

WpGDPt=-44.27lnt+195.47
R2=0.985 2

(4)

WpVSt=-36.84lnt+141.41
R2=0.971 8

(5)

式中：WpGDPt為預測水平年萬元GDP用水量，m3/萬元；WpVSt為預測水平年萬元工業(yè)增加值用水量，m3/萬元；t為預測水平年年值。

模型相關(guān)系數(shù)較高，說明擬合曲線符合海南省產(chǎn)業(yè)用水量變化趨勢。并且利用現(xiàn)狀年數(shù)據(jù)對確定的模型進行檢驗，結(jié)果表明，模型模擬值和實際值誤差均在5%以內(nèi)，可作為預測工具進行預測。

3.1.2 灰色等維遞補模型

為了提高模型的預測精度，依據(jù)原始數(shù)據(jù)序列的變化趨勢，建立不同維數(shù)的預測模型進行優(yōu)選。最終提取2011—2015年萬元GDP用水量、2012—2015年萬元工業(yè)增加值用水量數(shù)據(jù)，分別建立5維、4維動態(tài)遞補GM(1，1)模型，通過MATLAB編程對用水效率指標進行預測。根據(jù)數(shù)據(jù)模型預測精度等級的劃分，預測精度等級為“好”，滿足建模精度等級的要求。現(xiàn)狀年模型預測結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)狀年用水效率指標預測結(jié)果

時間序列預測法和灰色等維遞補模型預測法本身都有優(yōu)缺點，但每種方法都對用水效率指標做出了正確的預測。為了消除預測所產(chǎn)生的誤差，取兩種方法預測結(jié)果的平均值作為預測真值，對2020年、2025年用水效率指標進行預測，如表2所示。

表2 水平年用水效率指標預測結(jié)果

3.2 指標合理性分析

3.2.1 與國內(nèi)外用水效率比較

通過相關(guān)計算，海南省2016年萬元GDP用水量為111 m3/萬元，比全國平均水平(81 m3/萬元)高37%。萬元工業(yè)增加值用水量為65.5 m3/萬元，高于全國52.8 m3/萬元的平均水平，說明海南省用水效率在國內(nèi)處于中等偏下水平。另外從全國范圍來看，海南省萬元工業(yè)增加值用水量要高于北方所有省區(qū)，但在南方省區(qū)中屬于相對較高的水平，主要是因為海南省經(jīng)濟發(fā)展以旅游業(yè)為主，第三產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有較大比例。

與國外先進水平相比，海南省萬美元GDP用水效率、工業(yè)用水效率尚與之存在較大差距。日本、英國、韓國、瑞士等國家萬美元工業(yè)增加值用水量均在100 m3以下，不足海南省的25%。從節(jié)水角度考慮，海南省用水效率仍有較大的提升空間。

3.2.2 水平年預測值與考核指標對比

依據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展預估和考核相關(guān)規(guī)定，2020年海南省人口為1 006.5萬人，GDP為5 624.3億元，全省用水總量控制目標為50.3億m3。根據(jù)這3個指標，計算規(guī)劃水平年2020年萬元GDP用水量為89.4 m3/萬元。與模型模擬值88.2 m3/萬元相比，基本一致。

3.2.3 規(guī)劃年指標與考核指標比較

根據(jù)水利部、國家發(fā)展和改革委員會關(guān)于印發(fā)《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控行動方案》的通知，到2020年，海南省萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量需要比2015年分別下降25%。經(jīng)過模型分析，在海南省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)水有效實施的前提下，2020年萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量將分別比2015年下降27.7%和36.2%，能夠達到國家要求的25%控制目標。

根據(jù)模型預測結(jié)果，2025年萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量將分別比2020年下降23.2%和31.5%。一般來講，隨著節(jié)水工作的深入，行業(yè)節(jié)水潛力將逐步減小，很難保持較高的下降率，所以對2025年用水指標僅做探討，未來需要根據(jù)實際數(shù)據(jù)適時修正。

3.3 分區(qū)用水效率可達性分析

以現(xiàn)狀年2015年用水指標為基礎(chǔ)，本著協(xié)同節(jié)水、全面推進的原則，根據(jù)模型模擬全省預測結(jié)果，預測各分區(qū)2020年、2025年萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量指標，見表3。

表3 各分區(qū)水平年用水效率指標預測結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可以看出：各分區(qū)萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量均呈下降趨勢。?？谑泻腿齺喪兄饕且月糜螛I(yè)為龍頭產(chǎn)業(yè)，人均GDP高，且第三產(chǎn)業(yè)相對其他產(chǎn)業(yè)耗水少，致使萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量相對來說明顯低于省內(nèi)其他分區(qū)。萬元GDP用水量最多的是樂東縣，其次是東方市和臨高縣，這3個分區(qū)經(jīng)濟發(fā)展主要以第一產(chǎn)業(yè)為主，且比值比較大。農(nóng)業(yè)是用水大戶，單位產(chǎn)出用水量遠高于其他行業(yè)。2020年各分區(qū)的萬元GDP用水量較現(xiàn)狀年下降27.7%，2025年較2020年下降23.2%，下降速度呈放緩趨勢。萬元工業(yè)增加值用水量最高的是臨高縣，最少的是瓊中縣，極值比接近10.0，可見各市縣的萬元工業(yè)增加值用水量差距比較懸殊，主要是受工業(yè)門類和節(jié)水水平影響。臨高縣現(xiàn)狀工業(yè)結(jié)構(gòu)包含建材、機械、能源、制造業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)，節(jié)水潛力很大；2020年各分區(qū)的萬元工業(yè)增加值用水量較現(xiàn)狀年下降36.2%，2025年較2020年下降31.5%。在最嚴格水資源管理約束下，各分區(qū)的萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量可以達到水利部要求的控制指標。

4 結(jié)論及建議

綜合利用時間序列預測法和灰色等維遞補模型兩種方法，對海南省用水效率進行測算，預估2020年萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量分別為88.2 m3/萬元、66.7 m3/萬元，2025年預測值為 46.5 m3/萬元、31.9 m3/萬元。用水效率逐年增加，但從全國范圍來看，海南省用水效率處于中等居下水平，與國外先進水平相比仍存在較大差異。從節(jié)水角度考慮，用水效率有較大的提升空間。結(jié)合水利部、國家發(fā)展和改革委員會的《“十三五”水資源消耗總量和強度雙控方案》對用水效率可達性進行了分析，認為在海南省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及節(jié)水措施有效實施的前提下，2020年萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量分別較現(xiàn)狀年下降27.7%和36.2%，能夠達到國家要求的25%控制目標。

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重較大是導致分區(qū)用水效率較低的主要原因，要逐步提高地區(qū)用水效率，需積極引導產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局?？偟膩碚f，分析結(jié)果為未來海南省水系統(tǒng)的運行和可持續(xù)利用提供參考依據(jù)，并為海南省經(jīng)濟的發(fā)展和水資源優(yōu)化配置提供強有力的技術(shù)支撐。