一体化进程中京津冀水资源利用与城市经济发展关系时空分析（​余灏哲，李丽娟等）

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一体化进程中京津冀水资源利用与城市经济发展关系时空分析

余灏哲１，２，李丽娟１，李九一１

（１．中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101 ；２．中国科学院大学 资源与环境学院，北京100049）

作者

余灏哲（1992－），男，陕西汉中人，在读博士研究生，主要从事水文水资源研究。

通信作者： 

李丽娟（1961－），女，吉林吉林人，研究员，博士生导师，主要从事水文与水资源研究。

引用格式

余灏哲，李丽娟，李九一．一体化进程中京津冀水资源利用与城市经济发展关系时空分析［J］．南水北调与水利科技，2019，17（２）：２９－３９.

摘要

京津冀位于中国的“首都圈”,具有极其重要的战略地位,而水资源短缺已成为严重制约京津冀经济社会发展的因素之一｡利用2000-2016年京津冀水资源利用与城市经济发展指标等数据,首先 基 于变 异 系 数､锡尔系数对京津冀用水数量､用水结构与用水量效率进行时空分析;其次采用灰色关联法,探讨了水资源利用类型与城市经济发展指标之间的关联程度;在此基础上,利用二次回归模型分析了产业结构对农业､工业用水的影响,并且重点分析了城市经济发展与生活用水量之间的关系｡结果表明:(1)京津冀地区受经济基础､发展条件等因素影响,各城市间用水类别空间差异较大,尤其是生活用水量与工业用水量空间不均衡度加剧,空间差异明显;(2)京津冀地区城市经济发展指标与水资源利用类型之间存在较高的关联度,产业结构对水资源利用量的关联度最大;北京市生活用水量受城市经济发展影响显著,天津市则为工业用水量,河北省为工业､农业用水量｡(3)京津冀地区产业结构与各用水量之间存在较优的回归关系(p<0.01),其中北京市､天 津 市 生 活 用 水 量 增 速 最 快,而水 价 的 提 升 并 未 起 到 对 该 地区生活用水量的抑制与减少作用｡

关键词

水资源利用；城市经济发展；空间差异分析；灰色关联；回归分析；京津冀

基金项目

国家重点研发计划(2016YFC0401402)

水资源是人类社会不可或缺的重要资源，水资源与城市的兴起、发展关系紧密。一方面伴随着城市化的进程，城市范围逐步扩张，人口向城市集聚，产业数量与类型剧增，势必对水资源的需求量加大，形成供不应求的局面；另一方面，为了继续保持经济的快速发展，通过不断挤占生态环境用水、超采地下水等来填补城市用水缺口，并且工农业生产带来的废污水排放量增大，水污染的外部不经济性反过来又将影响或阻碍城市的发展［1-2］。

水资源利用与经济发展关系的研究一直以来受到学界的广泛关注,主要研究内容集中在以下几个方面:城 镇 化 进 程 中 用 水 特 征､用 水 结 构 时 空 分析[3-4];用水指标与经济发展指标关联度､耦 合 度 等研究[5-6];水资源利用与经济发展的和 谐 度､匹 配 度分析[7-9];水 资 源 利 用 与 经 济 发 展 之 间 脱 钩 分析[10-11];基于库兹涅茨曲线的水资源-水环境拟合评价分析[12-13];基于空间计量经济模型的水资源利用效率评价[14-15]等｡目前针对京津冀地区城市水资源的研究主要围绕着用水结构分析､水资源配置､水资源承载力等研究[16-19],而对不同用水类型与城市经济发展之间定量关系研究相对较少｡京津冀地区是我国人类活动对水循环扰动强度最大､水资源承载压力最大､水资源安全保障难度最大的地区之一,京津冀地区多 年 平 均 水 资 源 量 不 足 全 国 平 均 的1%,人均水资 源 量 仅 为 全 国 平 均 值 的 1/9,以 占 全 国0.63%的水资源量,生产 了 全 国10.1%的 GDP,承载着全国8.1%的 人 口,水 资 源 条 件 与 经 济 社 会 布局极不相称,水资源问题十分突出[20-21]｡因此,亟需科学认识京津冀地区水资源与城市经济发展之间的相互关系,有效解决由城市经济发展对水资源造成的负效益,做到水资源与城市发展和谐共生｡这不仅是面向国家重大战略需求,更是学界关于大型城市群水资源与经济发展和谐共生的科学命题｡

为此，本研究利用变异系数、锡尔系数、灰色关联、回归分析等方法，定量分析京津冀地区城市经济发展因素与水资源利用间的相互关系，揭示水资源与经济社会之间矛盾，以期为区域水资源可持续开发利用与管理提供分析依据与参考。

1

研究方法与数据来源

1.1

空间差异分析法

（１）变异系数。

变异系数［２２－２４］是衡量某类数据中各观测值变异程度的一个统计量，能够反映某项指标偏离总体平均状态的差异，计算公式如下：

（２）锡尔系数。

锡尔 系 数 又 称 锡 尔 熵［２４］，最 早 是 由 Ｔｈｅｉｌ和Ｈｅｎｒｉ提出来的，原本用来对经济发展、收入分配等均衡（不均衡）状况进行定量化描述，计算公式如下：

1.2

灰色关联分析法

灰色关联分析［25-27］是由著名学者邓聚龙教授首创的一种分析方法，其基本思想是通过因素之间发展趋势的相似或相异程度，即“灰色关联度”作为衡量因素间关联程度的一种方法，主要计算过程如下。

（１）确定分析数列。
确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列。反映系统行为特征的数据序列，称为参考数列。影响系统行为的因素组成的数据序列，称比较数列。

（２）无量纲化处理。

由于系统 中各因 素 列 中 的 数 据 可 能 因 量 纲 不同，因此在进行灰色关联度分析时，一般都要进行数据的无量纲化处理。

（３）计算灰色关联系数。

（４）计算灰色关联度。

1.3

回归分析法

回归分析指的是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。在本研究中文中，主要利用回归模型构建了用水类型与城市经济发展指标之间的数学关系。

1.4

指标构建与数据来源

用水类型遵循水资源公报的类别划分，即农业用水、工业用水、生活用水及生态用水。城市经济发展指标，主要从城市化进程、产业结构、国民经济发展状况及居民生活水平等四个方面来考虑［21，28-31］，具体指标见图１。

所有指标数据均来源于2000-2016年北京市、天津市与河北省 《统计年鉴》《统计 公 报》《水 资 源公报》

2

结果与分析

2.1

京津冀水资源利用时空差异分析

2.1.1 用水总量分析

将京津冀１３个城市的用水量数据进行空间差异计算，其锡尔系数、变异系数变化见图２、图３。由图２、图３可得，生活用水量跃升为第一 位，并 且 逐渐递增；工业用水量先有一个急剧下降的阶段，后期逐渐平稳；农业用水量和 用水总量变化不明显。生活用水量反映的是城市人口规模的空间不均衡，北京、天津作为首都与直辖市，城市基础设施、医疗、教育等条件优越，人口不断涌向这两个地市，导致其生活用水量不断增加并与其他城市拉开差距，，表现出空间差异大的特征。工业用水量的空间均衡性之所以先提升后保持稳定，一方面由于一些工业发展基础好的城市不断通过技术革新、产业升级改造等途径实现了工 业 用 水 的 下 降，并 且 保 持 平 稳；另 一 方面，早期一些工业欠发达的城市，通过不断提升工业规模，从而增加了工业用水量。

2016年 京 津 冀 地 区 城 市 群 用 水 总 量 为 248.6亿 m³,与 2000 年 相 比,用水 总 量 下 降 了 12.3%,2000-2005 年 的 平 均 变 化 率 为 -1.7%,2006-2010年的平均变化率为-0.6%,2011-2016年为-0.1%,在此阶 段 用 水 量 基 本 保 持 稳 定｡京 津 冀地区发展 历 史 早､产 业 发 达､人 口 稠 密,对 水 资 源的需求量 极 大,而 京 津 冀 地 区 多 年 平 均 降水 量 仅为526mm,人均 水 资 源 量 为218m³,仅为 全 国 平均 值 的1/9,远 低 于 国 际 公 认 的 人 均500m³的 极度缺水标准,水资 源 本 底 数 量 不 足,水资 源 开 发 利用率高｡用水量的 变 化 是 与 城 市 经 济 发 展 状 况 紧密相关,2011年 以 后用 水 总 量 平 均 值 为 251.4亿m³,表明水资源利用已进入零 增 长 阶 段,即 在 水 资源极度短 缺 和 水 资 源 开 发 利 用 率 极 高 的 条 件 下,京津冀各 城 市 通 过 产 业 结 构 调 整 和 升 级 改 造,淘汰高耗水的产业,发 展 节 水 产 业,提 高 水 资 源 的 循环利用率 等 途 径 来控 制 用 水 量,使 得 水 资 源 利 用能够满足 经 济 发 展 的 需 求,促 进 经 济 社 会 与 水 资源利用可持续发展｡

2.1.2 用水结构分析

2000年京津冀用水总量为283.4亿 m³,北京､天津､河北省占比为14∶8∶78,2016年为248.6亿m³,占 比 分 别 为 16∶11∶73,用 水 总 量 下 降 了12.2%,其中北京用水总量从2000年的40.4亿 m³下降到2016年的38.8亿 m³,天 津 市 由2000年 的22.6亿 m³增长到27.2亿 m³,河北省由2000年的
219.3亿 m³ 下降为2016年的182.5亿 m³,变化率为-16.7%,河北省对京津冀地区用水总量的下降贡献率最大｡依据京津冀各城市2000-2016年用水结构的特征,可以将京津冀地区各城市划分为以下3类:

第一类是农业用水占主导的城市,主要包括河北省下辖的所有地市,各城市农业用水比重均高于60%,按照工业用水与生活用水的比例大小可进一步细分,具体情况见表1｡

第二类生活用水占主导的城市:北京市｡北京市生活用水量自2000年开始一直高于工业用水量,并在2005年超越农业用水量｡2016年北京市生活用水量是农业用水量的2.9倍,是工业用水量的4.8倍｡

第三类是生活用水与工业用水共同主导的城市:天津市｡天津市2012-2016年平均农业用水､工 业 用 水 量 和 生 活 用 水 比 例 分 别 为 47.6%､21.4%､20.4%,工业用水与生活用水量相当｡

2.1.3 用水效率分析

将京津冀13个城市的万元 GDP用水量､万元工业增加值用水量､万元农业增加值用水量进行锡尔系数､变异 系 数 计 算,结 果 见 图 4､图 5｡万 元GDP用水量是一种综合反映用水效率的指标,表征了经济社会 用 水 效 率 的 整 体 状 况,从 数 值 的 绝 对值来看,万元 GDP用水量锡尔系数和变异系数均最大,表明在空间上分布不均衡､地区之间地区差异大｡从变化趋势分析,万元 GDP用水量的两种系数呈现递 增 态 势;万 元 工 业 增 加 值 用水 量 波 动变化较大,期间在2000-2003年先 是 一 个递 减 趋势,2003-2008 年 为 递 增 态 势,2008 年以 后 呈 现递减趋势;万元农业增加值用水量呈现小幅度的递增趋势｡

2.2

城市经济发展指标与水资源利用类 型关系分析

2.2.1 灰色关联度分析

基于图１构建的指标体系，利用灰色关联分析方法分别计算了京津冀城市经济发展指标与水资源利用量之间的相互关联性，结果见图６、图７。

01

分析城市经济发展指标对水资源利用量的关联度｡由图6可知,第三产业比重与城市化率对北京市水资源 利 用 量 的 灰 色 关联 度 为0.81､0.74,可见这两项指标对北京市水资源利用量影响程度最大｡影响天津市水资源利用量最大的指标为第二产业比重 (0.61)､第 三 产 业 比 重 (0.68)与 城 市 化 率(0.71)｡河北 省 则 有 所 不 同,其 中 第 一 产 业 比 重(0.67)､第二产业比重(0.78)是影响河北省最大的两个指标因素｡综合分析得到,产业结构指标对水资源利用量的关联度最大｡

02

分析水资源利用类型对城市经济发展指标的关联度｡由图7可知,北京:生活用水(0.88)>工业用水 (0.70)> 农 业 用 水 (0.61)> 生态 用 水(0.48)｡天津:工业用水(0.83)>生活用水(0.77)>农业用水(0.72)>生态用水(0.49)｡河北:工业用水(0.79)>农业用水(0.76)>生活用水(0.75)>生态用水(0.33)｡之所以京津冀三省市灰色关联度不同,是由于不同的用水类型与不同的城市经济发展是相互对应的,一方面经济社会发展会对用水量产生影响,反过来,不同类型的用水变化能够反映经济发展的变化｡北京市生活用水(0.88)对城市经济发展指标的关联度最高,表明生活用水受到城市发展影响最大,生活用水量的变化能够反映城市经济发展的变化｡目前北京市水资源紧张､用水压力大,生活用水量占据首位,如果通过转移人口､调整用水政策､水价等手段可以减少生活用水量,进而推动产业结构的升级,就能使区域向可持续发展的方向转变｡天津市工业用水(0.83)对城市经济发展指标的关联度最高,表明工业用水受到城市发展影响最大｡河北省的工业用水(0.79)､农业用水(0.76)则灰色关联度最高,表明河北省城市经济发展对工农业用水影响较大｡

2.2.2 水资源利用与经济社会发展回归分析

通过3.2.1小节的灰色关联分析得到，产业结构对水资源利用的影响较大，关系紧密。因此，在本小节将利用回归模型对产业结构与水资源利用类型进行分析。此外，京津冀生活用水量呈现明显的递增，成为用水量的大户，生活用水量与城市经济发展紧密相关，因此也将对关系进行分析研究。

（１）农业结构变化对农业用水的影响。

将2005-2016年第一产业比重作为自变量,农业用水量作为因变量,基于 Eurequa软件进行曲线拟合,该软件可以同时拟合不同类型的函数,并返回各拟合函数的方程表达式,以及各方程的决定系数､相关系数､均方根误差､方程复杂度等指标,供研究参考｡本研 究 通 过 不 断 尝 试,从 决 定 系 数､相 关 系数､均方根误差､方程复杂度等综合考虑,构建了二次函数回归模型,结果见图8｡

由图8可得,北京､天津和河北的第一产业比重都是逐年减少,伴随第一产业比重降低,农业用水量也呈现递减态势;造成农业用水减少的原因,一是通过降低农业种植面积,从而减少农业用水量;二是通过优化农业种植结构,减少高耗水型作物种植比例,间接减少了农业用水量｡

北京市第 一 产 业 比 重 最 低,2016年 仅 为 全 市GDP的0.51%,农业用水量为6亿 m³,北京市经济主要以高附加值的第三产业为主,农业种植面积逐年减小,农业比重降低,因此农业用水量逐年递减｡天津市的变化与北京市相类似,2010年以前,递减变率较大,2010年以后第一产 业 比 重 基 本 维 持 在1.34%,递减变率变小,表明天津市第一产业基本维持在瓶底期｡2005年以来,河北省农业比例也在逐年下降,使得农业用水递减｡但是一方面由于体量大,农业用水量仍然居高;另一方面,由于河北省冬小麦的种植面积较大,但该地 区 降 水 主 要 集 中 在 夏季,而冬小麦种植主要依靠 超 采 地 下 水 灌溉,是造成区域地 下 水 超 采 的 主 要 原 因｡另 外,河 北 省 农业用水存在浪费也是一个原因,2016年河北省农业有效灌溉面积4457.6千 hm²,而 高 效 节 水 灌 溉面积仅为1800千hm²,大水漫灌现象还比较普遍,灌溉水有 效 利 用 系 数 为 0.67,与 发 达 国 家 0.7~0.8的水平还具有一定差距｡因此,河北省在调整优化农业结构､农业水资源高效利用等方面仍亟待加强与提升｡

（２）工业结构变化对工业用水的影响。

分别选择2005-2016年第二产业比重､规模以上工业增加值(以下简称工业增加值)与工业用水量做回归分析,结果见图9｡北京市工业用水量伴随第二产业比重下降而下降,在2008-2014年期间,出现了比较明显的“团簇”现象,即第二产业比重在此期间稳定在21.31%~23.33%,变化率不大,而工业用水量也停滞在5.08亿 m³ 上下波动,这反映了一个过程,在前期,通过转移与关停重化工等高耗水的产业,从而使得工业用水呈现快速下降,但是当下降到一定阶段时候,出现了瓶颈期,工业用水下降速率变缓,当第二产业比重下降到20%以下时,工业用水量也相应陡坡式下降到3.8亿 m³;工业增加值与工业用水量也呈现类似的变化｡河北省工业用水量在2005-2014年变化呈现一种波动式下降的趋势,总体上是递减,但在小范围内波动,造成这种情况的原因可能是由于河北省比 较 独 特 的 工 业 结构,河北的高耗水产业比重较大,钢铁､化工､火电等高耗水行业占65%以上,粗钢､成品钢和生铁的产量占全国总产量的 25% 以上,焦 炭 产 量 占 全 国 的14%,工业水资源利用效率较低,因此河北省在这样较短时间段内想要彻底淘汰一些高耗水的产业比较困难,但是从外部经济形势来看,为了可持续发展就必须得萎缩或者优化一些高耗水的重工业｡

天津市则有所不同,天津市的第二产业比重逐年降低,但是工业用水量则是上升,从工业增加值与工业用水量来也印证了这一变化,即工业用水量是从曲线底部开始缓慢增加,这就说明天津市工业节水空间开始萎缩,但是工业产值是逐年增加的,工业规模在不断扩大,从而引起用水量的增加｡

（３）城市经济发展指标对生活用水量的影响。

生活用水 量的变 化 受 城 市 经 济 发 展 的 影 响 较大,因此为了更加清晰的反映生活用水量的变化特征,故选取城市经济发展因子中的第三产业比重､城市化率､人均 GDP与城镇居民可支配收入四项指标与生活用水量进行回归分析,结果见图10｡各回归因子与生活用水量之间均存在拟合度较高的回归关系,更加表明经济发展与生活用水量之间关系最紧密,对生活用水量的变化影响较大,其中北京市的拟合度最优,拟合优度R2 均高于0.87｡生活用水在所有供水中是首要满足的,但是在日常生活中,城市水资源浪费的现象比比皆是,给原本严峻的水资源供给形势增加了负担｡水价能够从经济学的角度反映了一个城市生活用水量的变化,一般情况下当区域供水丰盈时,水价相对较低;相反,当水资源供给紧张时,用水需求增大时,水价会随之提升,因此,再选取水价与生活用水量进行分析[32-34](由于河北省各地市水价资料不全,暂未分析河北省),结果见图11｡

由图11可得,天津市的随着水价升高,生活用水量有所下降,但随着水价的继续升高反而用水量剧增｡北京市则表现的更为显著,水价的抬升并未阻止生活用水量的增加｡由此看可以看出北京､天津居民经济基础好,可支配收入高,经济的快速发展改变了居民的生活方式､影响了居民的用水观念,这两个城市居民生活要求质量高,除了满足正常的用水基本需求外,也更注重了高层次的用水享受,因此,水价的增加并未给其经济上带来较大的负担,所以他们的用水行为是需求大于经济成本,所以单纯通过上调水价并未对这两个地区产生较大影响,也反映出城市在制定水价方面还存在漏洞｡

3

结论与政策建议

3.1

结论

01

基于锡尔系数、变异系数计算分析，京津冀地区各用水类型空间变异程度不同，其中生活用水量空间不均衡性与差异性最大，工业用水量的空间不均衡性有减小的趋势，表明用水量的变化是与城市经济发展状况紧密相关。针对不同城市的用水结构特点，将京津冀地区各城市划分出农业用水占主导、生活用水占主导、生活用水与工业用水共同主导等类别。伴随经济发展、技术进步等，京津冀地区用水效率普遍快速提升，用水效率的空间分布差异呈现先增大后减小的趋势，其中万元工业增加值用水量的空间差异较大，波动起伏明显，万元 ＧＤＰ 用水量后期总体持稳，万元农业增加值用水量变化幅度不大。

02

基于灰色关联分析，京津冀水资源利用与城市经济发展指标之间有较强的关联性，产业结构变化对水资源利用量影响最大；北京市生活用水量受到城市经济发展影响最大，天津市为工业用水量，河北省则为工业、农业用水量。

03

基于回归拟合，京津冀地区产业结构与水资源利用类型之间均存在较优的回归关系。北京、天津市生活用水量在城市发展的过程中受到城镇居民收入水平、人均 ＧＤＰ等指标的影响较大，决定其居民生活用水量的多寡主要取决于需求行为，水价的提高并未直接起到抑制用水量、节约用水等作用，这也反映出城市水价仍存在一些问题。

3.2

政策建议

01

以水定城、以水定产的核心就是要把水资源作为刚性前置约束条件，重视 水 资 源—水 生 态———水环境承载力，充分依据城市水资源禀赋，控制城市发展规模，确定空间布局，调整产业结构，以实现城市的良性运行和可持续发展。北京市、天津市是首都圈中最为重要的两座城市，吸引大量的外来人口，因此该区域的水资源供需矛盾日益尖锐，以水定城就是根据城市水资源条件，合理控制北京、天津城市规模，逐步将人口向外围周边区域引导疏散。天津市在产业发展中，充分考虑城市水资源利用水平，发展低耗水、节水产业、逐步改造或淘汰高耗水产业。

02

河北省农业用水比例较高，尤其是冬小麦的种植面积大，抽取地下水进行灌溉现象普遍，导致灌溉水有效利用系数不高，因此河北省在调整农业结构、农业水资源高效利用等方面仍亟待加强与提升，因地制宜发展节水农业，不断优化升级种植结构。

03

重新审视现有水价的不足，科学制定更加具有弹性的水价，因地制宜，充分发挥经济杠杆作用，推进节约用水。从以上分析得到，北京、天津等大城市，由于城市整体经济基础好、竞争力强，因此定居在该城市居民可支配收入水平较高，现有水价并没有很好起到节水。从经济学需求理论来看，水价的升高能抑制城市居民生活用水量，但是反观用水现状，生活节水收效甚微，这暴露出现有水价的制定存在滞后与不匹配性。因此必须要综合考虑不同地域的经济条件基础、居民用水行为等因素，深入研究不同城市水价与水消耗的内在关系以及定价的福利影响，科学制定 更 具 有 弹 性 的 水 价 制 度，做 到 因 地 制宜。此外，对居民进行节水宣传与节水教育亟待进行，这能从源头起到节水效果。因此可以将节水教育纳入作为大中小学的教育课程，培养学生的节水意识，从而带动全社会，最终培养与形成全民节水习惯、节水意识。

参考文献略

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引用格式如下：

余灏哲,李丽娟,李九一.一体化进程中京津冀水资源利用与城市经济发展关系时空分析[J].南水北调与水利科技,2019,17(2):29-39.

本期编辑：阿丹、海超、檬檬             

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