本发明涉及一种分行业分层次、可同时测算来水丰枯和社会经济发展贡献的用水总量驱动因子识别方法。
背景技术：
：用水总量是河道外生产、生活和生态取用的包括输水损失在内的水量。随着人口增加和社会经济发展，取用水总量快速增加，水资源供需矛盾突出，水资源短缺问题严重。在部分地区，例如黄河和海河流域，用水总量过大，水资源过度开发，深刻影响了水文生态过程，引发了系列生态环境问题。识别影响用水总量变化的驱动因子，揭示驱动机制，对于掌握用水量变化趋势，制定水资源管理政策，抑制用水总量不合理增长，缓解水资源供需矛盾，维持良好生态环境具有重要意义。用水总量驱动因子识别和驱动机制分析非常复杂。从用水总量确定过程来看，用水总量是水资源供需调配结果，用水总量受供水和需水影响。其中供水量受来水丰枯、供水能力、流域水利工程体系调度运行方式等水资源条件影响，而需水量则同时受社会经济发展和来水丰枯影响。因此来水丰枯和社会经济发展变化是用水总量的两类驱动因子。从用水总量组成来看，用水总量由生活、生产和生态三生用水组成。不同行业用水量驱动因子各不相同。以生活用水量为例，生活用水量由总人口、城市化率、农村居民人均生活用水量和城镇居民人均生活用水总量等因素决定。对于这四个因素，还可以逐层深入挖掘其影响因子。用水总量驱动因子识别应分行业进行。从用水总量计算方法来看，用水总量是用水规模(例如各工业增加值和农田灌溉面积)和用水效率的乘积。其中用水规模主要由社会经济发展规模和工业结构决定，而用水效率则主要由用水环境和用水行业特性决定。这里的用水环境主要由气象条件(例如温度和降雨)、水资源管理制度政策(例如水价政策)和供水条件等要素构成。用水行业特性主要指用水行业自身的工艺技术水平、经济水平(居民收入)、节水意识等。用水效率可能影响用水规模。以工业用水为例，技术进步与工艺革新在提高工业用水效率的同时，也促进了工业发展，引起了工业用水规模变化。用水总量驱动因子之间可能相互关联。现有研究主要以社会经济因子为主，对来水丰枯考虑不够，现有驱动因子识别方法无法同时考虑来水丰枯和社会经济发展的贡献，也无法测算来水丰枯变化的贡献。技术实现要素：本发明目的在于提供一种分行业分层次可同时测算来水丰枯和社会经济发展贡献的用水总量驱动因子识别方法。本发明通过以下技术方案实现：分行业分层次、可同时测算来水丰枯和社会经济发展贡献的用水总量驱动因子识别方法，其步骤包括：(1)将用水总量twt分成农田灌溉用水量wat、工业用水量wit和生活用水量wlt、林牧渔畜用水量wyt和河道外生态环境用水量wet共5个行业用水量，并将这5个行业用水量作为用水总量一级驱动因子，再将农田灌溉用水分解成有效灌溉规模iact、实际灌溉比例pir、灌溉用水有效利用系数wer和亩均净灌溉用水量wir四个驱动因子；工业用水分解成行业用水效率iwue、工业结构istr和工业增加值eact三个驱动因子，生活用水分解成人口数量pact、城市化率pstr和居民人均生活用水量wle三个驱动因子，将这3个行业的10个驱动因子作为用水总量二级驱动因子；最终建立了两级、5个行业、12个驱动因子构成的用水总量驱动因子集，如图1所示，其中实际灌溉比例、亩均净灌溉用水量两个因子主要反映来水丰枯对用水总量贡献，其他10个驱动因子则反映社会经济发展贡献；t～t+1年期间用水总量变化δtw和两级驱动因子贡献值关系如式(1)所示：式中：δ(·)为驱动因子贡献值，t分表示年份；(2)收集第t年和第t+1年林牧渔畜用水量wyt和wyt+1，河道外生态环境用水量wet和wet+1数据，利用式(2)计算林牧渔畜用水贡献值δwy，利用式(3)计算河道外生态环境用水贡献值δwe；δwy＝wyt+1-wyt(2)δwe＝wet+1-wet(3)(3)识别农田灌溉用水量驱动因子获取第t年和第t+1年实际灌溉面积irrt和irrt+1、有效灌溉面积irat和irat+1、农田灌溉用水量wat和wat+1和灌溉用水有效利用系数ηt和ηt+1数据；利用式(4)，将农田灌溉用水量分解成有效灌溉规模iact、实际灌溉比例pir、灌溉用水有效利用系数wer和亩均净灌溉用水量wir四个二级驱动因子乘积：式中：wert＝(watηt)/irrt，wirt＝1/ηt，pirt＝irrt/irat，iactt＝irat，则第t～t+1年期间农田灌溉用水量变化量δwa可表示为：利用对数平均迪氏指数法(logarithmicmeandivisiaindex，lmdi)方法，推导出如式(6)所示的有效灌溉面积iact、实际灌溉比例pir、灌溉用水有效利用系数wer和亩均净灌溉用水量wir四个驱动因子贡献值测算公式，利用这一公式测算驱动因子贡献值：式中：wert＝(watηt)/irrt，wirt＝1/ηt，pirt＝irrt/irat，iactt＝irat，l(wat+1,wat)＝(wat+1-wat)/(ln(wat+1)-ln(wat))；(4)识别工业用水量驱动因子收集第t年和第t+1年工业分行业的用水量和可比价的工业分行业的增加值igdpit和igdpit+1数据，可比价的工业增加值igdpt和igdpt+1；利用式(7)，将工业水量分解成行业用水效率iwue、工业结构istr和工业增加值eact三个二级驱动因子乘积：式中：eactt＝igdpt，第t～t+1年期间工业用水变化量δwi可表示为：利用lmdi方法，推导出如式(9)所示的工业用水效率iwue、工业结构istr和工业增加值eact三个驱动因子贡献值测算公式，利用这一公式测算驱动因子贡献值：式中eactt＝igdpt，l(iwit+1,iwit)＝(iwit+1-iwit)/ln(iwit+1/iwit)；(5)识别生活用水量驱动因子收集第t年和第t+1年的城镇居民年末常住人口p1t和p1t+1、农村居民年末常住人口和城镇生活用水量和农村居民生活用水量和和生活用水量wlt和wlt+1；利用式(10)，将生活用水量的变化分解成人口pact、城市化率pstr和居民人均生活用水量wle三个二级驱动因子乘积：式中：i＝1和2分别表示城镇和农村生活用水量，pactt＝tpt。考虑这三个因子贡献，第t～t+1年期间生活用水变化量δwl可表示为：利用lmdi方法，推导出如式(12)所示的人口pact、城市化率pstr和居民人均生活用水量wle三个驱动因子贡献值测算公式，利用这一公式测算驱动因子贡献值：式中：pactt＝tpt，在测算出用水总量12个驱动因子贡献值后，通过驱动因子贡献值大小和正负，定量地解释任意两年间用水总量变化，分析驱动机制。当因子贡献值为负值时，表示它是抑制用水量增长的因子，简称抑制因子，反之则为推动用水总量增长的因素，简称推动因子。贡献值绝对值大小表示抑制和推动作用的强弱。贡献值绝对值较大的因子是主要驱动因子。本发明将将用水总量分成农田灌溉、工业、生活、林牧渔畜和河道外生态环境5个行业，并将它们作为一级驱动因子，随后分别识别农田灌溉用水、工业用水与生活用水的驱动因子，得到了10个二级驱动因子，最终建立了两级、5个行业、12个驱动因子构成的用水总量驱动因子集，其中实际灌溉比例、亩均净灌溉用水量两个因子主要反映来水丰枯对用水总量贡献，其他10个驱动因子则反映社会经济发展贡献。在驱动因子识别过程中，用lmdi方法，建立驱动因子贡献值测算公式，测算驱动因子贡献值，测算来水丰枯和社会经济发展贡献，并通过驱动因子贡献值大小辨识主要驱动因子，定量解释任意两年间用水总量变化，分析驱动机制。附图说明图1为用水总量驱动因子体系。具体实施方式实施例山东省分行业分层次用水总量驱动因子识别的步骤包括：(1)收集山东省2002年、2007年和2012年农田灌溉用水量、工业用水量、生活用水量、林牧渔畜用水量、河道外生态环境用水量和用水总量数据，如表1所示；依据式(2)和式(3)，分别计算2002～2007年、2007～2012年和2002～2012年三个时间段林牧渔畜用水量变化值δwy和河道外生态环境变化值δwe，计算结果如表2所示。δwy＝wyt+1-wyt(2)δwe＝wet+1-wet(3)(2)识别山东省农田灌溉用水量驱动因子首先，获取山东省2002年、2007年和2012年实际灌溉面积irrt(t＝2002,2007,2012)、有效灌溉面积irat、农田灌溉用水量wat和灌溉用水有效利用系数ηt数据。然后，利用农田灌溉用水量恒等式(即式(4))，将农田灌溉用水量wat分解成有效灌溉规模iact、实际灌溉比例pir、灌溉用水有效利用系数wer和亩均净灌溉用水量wir四个二级驱动因子乘积：式中：wert＝(watηt)/irrt，wirt＝1/ηt，pirt＝irrt/irat，iactt＝irat。则第t～t+1年期间农田灌溉用水量的变化量δwa可表示为：最后，基于lmdi方法，通过式(6)测算有效灌溉面积iact、实际灌溉比例pir、灌溉用水有效利用系数wer和亩均净灌溉用水量wir四个驱动因子的贡献值：式中：wert＝(watηt)/irrt，wirt＝1/ηt，pirt＝irrt/irat，iactt＝irat，l(wat+1,wat)＝(wat+1-wat)/(ln(wat+1)-ln(wat))，计算结果如表2所示。(3)识别山东省工业用水量驱动因子首先收集山东省2002年、2007年和2012年24个工业行业用水量wiit(t＝2002,2007,2012；i＝1,2,…,24)，以2010年为基准的24个工业行业可比价增加值igdpit和工业增加值igdpt。然后，利用工业用水量恒等式(即式(7))，将工业水量分解成工业行业用水效率iwue、工业结构istr和工业增加值eact三个二级驱动因子乘积：式中：eactt＝igdpt。第t～t+1年期间工业用水变化量δwi可表示为：接着，基于lmdi方法，通过式(9)测算行业用水效率iwue、工业结构istr和工业增加值eact三个驱动因子的贡献值：式中：eactt＝igdp，l(iwit+1,iwit)＝(iwit+1-iwit)/ln(iwit+1/iwit)。计算结果如表2所示。(4)识别山东省居民生活用水量驱动因子首先，收集山东省2002年、2007年和2012年城镇居民年末常住人口p1t(t＝2002,2007,2012)、农村居民年末常住人口城镇生活用水量农村居民生活用水量和生活用水量wlt。然后，利用居民生活用水量恒等式(即式(10))，将居民生活用水量分解成人口pact、城市化率pstr和居民人均生活用水量wle三个二级驱动因子乘积：式中：i＝1和2分别表示城镇和农村生活用水量，pactt＝tpt。考虑这三个因子贡献，第t～t+1年期间居民生活用水变化量δwl可表示为：最后，基于lmdi方法，通过式(12)测算人口pact、城市化率pstr和居民人均生活用水量wle三个驱动因子的贡献值：式中：pactt＝tpt，计算结果如表2所示。表1山东省2002、2007和2012年分行业用水量与用水总量，单位亿m3指标200220072012农田灌溉用水量170.89144.53133.29工业用水量36.5824.1228.10生活用水量22.6127.4232.71林牧渔畜用水量21.8920.2720.93生态环境用水量03.26.66用水总量251.97219.54221.69表2山东省2002～2012年用水总量驱动因子识别结果，单位亿m32002～20072007～20122002～2012用水总量变化量-32.432.15-30.28农田灌溉用水变化量-26.36-11.24-37.60亩均净灌溉用水量-20.11-3.75-23.43农田灌溉水有效利用系数-6.08-12.97-19.98实际灌溉比例-1.451.24-0.05有效灌溉面积1.284.245.86工业用水变化量-12.463.98-8.48工业行业用水效率-34.51-13.91-52.13工业内部结构-7.076.61-1.37工业规模29.1311.2845.02生活用水变化量4.815.2910.10人均生活用水量3.933.697.69城市化率0.110.60.67人口0.7711.74林牧渔畜用水变化量-1.620.66-0.96生态环境用水变化量3.23.466.66(6)在测算出用水总量12个驱动因子贡献值后，通过驱动因子贡献值大小和正负，定量地解释任意两年间用水总量变化，分析驱动机制。当因子贡献值为负值时，表示它是抑制用水量增长的因子，简称抑制因子，反之则为推动用水总量增长的因素，简称推动因子。贡献值绝对值大小表示抑制和推动作用的强弱。贡献值绝对值较大的因子是主要驱动因子。由表2知，2002～2012年期间，工业行业用水效率和农田灌溉用水有效利用系数提高分别使用水总量下降了52.13亿m3和19.98亿m3。而工业规模扩张、人均生活用水量提高、有效灌溉面积增加分别使用水总量增长了45.02亿m3、7.69亿m3和5.86亿m3。从贡献值的绝对值来看，工业行业用水效率农田灌溉用水有效利用系数提高和是用水总量增长的主要抑制因子，而工业规模扩张、人均生活用水量提高、有效灌溉面积增加是用水总量增长的主要促进因子。水资源条件丰枯变化对用水总量影响主要体现在亩均净灌溉用水量和实际灌溉比例的贡献。2002～2012年，亩均净灌溉用水量和实际灌溉比例的贡献值分别为-23.43亿m3和-0.05亿m3，水资源条件丰枯变化贡献约为-23.48亿m3。而社会经济贡献值为-6.66亿m3。因此，基于驱动因子识别结果判断，山东省用水总量下降主要由水资源条件丰枯变化造成。2002年全省平均降水量为420.2mm，属于枯水年；而2012年全省平均降水量为650.8，属于偏枯年。从降水量来看，2002～2012年山东省水资源条件由枯变丰，造成用水总量下降。因此，模型测算出，水资源条件丰枯变化贡献约为-23.48亿m3，是造成山东省用水总量下降主要原因的结论合理。当前第1页12