区域产业用水需求变化驱动效应测度及空间分异分析

1、区域产业用水需求变化驱动效应测度及空间分异分析白夏;戚晓明;潘争伟;汪艳芳【摘 要】区域产业用水需求驱动效应测度及空间分异分析涉及社会经济、科学技 术、生态环境及行政管理等多方面因素,是制定产业结构与用水结构调控方案、最 大程度地将最严格水资源管理制度落到实处的一项基础性工作.以山东省为例,为科 学阐述全省17 个地市历史年份产业用水需求变化不同因子的驱动效应及空间分异 特征，基于扩展的Kaya恒等式将产业用水驱动效应分解为经济水平、水资源禀赋 条件、水资源开发利用水平、人口规模、产业结构及用水效率 6 类驱动效应,进而 采用 LMDI 因素分解模型量化不同因素的驱动效应贡献程度,并结合基于加

2、速遗传 算法的 ISODATA 聚类模型对不同因子驱动效应进行空间分异分析,由此绘制了山 东省17个地市产业用水变化不同因子驱动效应的GIS空间分布图结果表明:经济 水平效应和用水效率效应是促使区域产业用水变化的两个主要因素,其相对贡献率 均值分别为39.93%、-109.55%,对产业用水变化分别具有正向增量驱动效应和反 向减量驱动效应上述研究成果在一定程度上阐明了山东省近年来产业结构与用水 结构之间的协同演变机制,可为制定和实施最严格水资源管理模式下的产业结构与 用水结构适应性协同发展策略提供科学的决策依据.期刊名称】华北水利水电学院学报年(卷),期】2018(039)004【总页数】8页

3、(P89-96)【关键词】用水结构;驱动因素;驱动效应;空间分异；Kaya恒等式;LMDI;山东省作 者】 白夏;戚晓明;潘争伟;汪艳芳【作者单位】西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室,陕西 西安 710048;蚌埠学院 机械与车辆工程学院,安徽 蚌埠233030;蚌埠学院机械与车辆工 程学院,安徽蚌埠233030;蚌埠学院 机械与车辆工程学院,安徽蚌埠233030;蚌埠 学院机械与车辆工程学院,安徽 蚌埠233030【正文语种】中文【中图分类】TV87水资源是人类社会生存和发展不可或缺的基础性自然资源和战略性经济资源,也是 生态环境建设的控制性要素,水资源供求关系及其影响因素识别分

4、析是制定区域水 资源规划管理战略的基础性工作1-3。随着人口数量的增加及社会生产力的全面 发展,中国经济以每年近10%的速度迅猛增长,预计到2050年,中国国民经济需水量 将达到峰值，为7 000亿8 000亿m3,接近水资源可利用总量（8 000亿9 500 亿m3）3。可见，水资源短缺已成为未来制约国民经济发展的“瓶颈”因素,与水相 关的潜在灾害风险将会成为经济社会发展与生态环境建设的巨大挑战4-6。区域 产业用水需求驱动因素是促使水资源需求变化的最原始和关键的因素,结合区域自 然地理条件和经济社会状况,从驱动机理上分析产业用水需求与不同驱动因素之间 的量化关系,阐明不同驱动因素的时空演变

5、特征及变化规律,可为科学预测区域未来 的水资源供需态势、明晰区域水资源与经济社会发展的复杂作用机理、建立区域最 严格水资源管理体制下的水资源-经济社会-生态环境复杂系统智能仿真与调控模型 提供合理可行的决策依据7。2008年,马黎华等采用信息熵描述用水结构的演变 方向,采用因子分析法提取了用水结构演变驱动因素,指出以农业发展为主的社会经 济因子是石羊河流域用水结构演变的主要驱动力8;粟晓玲等通过引入信息熵探讨 了关中地区用水结构的发展趋势,指出人口规模、城市化率、农业总产值、工业总 产值、耕地面积和GDP等社会经济因子是影响用水结构演变的主要驱动因子9。2010年,孙才志等采用全要素分解模型量

6、化分析了影响产业用水变化的不同因素驱 动效应，并结合模糊聚类划分模型(ISODATA )对不同驱动因素进行了空间聚类分析 10。2011年,孙才志等基于产业用水效率、经济水平、产业结构、用水强度、水 资源禀赋及水资源开发利用率等产业用水驱动因素,分析了中国19972007年不 同产业的用水量及用水效率,计算了不同驱动因素导致用水总量变化的相对贡献率 2,11;张强等通过引入无残差的对数平均迪氏指数分解法(Logarithmic Mean Divisia Index,LMDI),将大连市19802009年的水资源利用量变化序列的影响因 素归纳为用水定额、产业结构变动、经济规模及人口规模等4类效应

7、,并分析了不 同影响因素的历史演变特征12。 2012年,赵菲菲等基于信息熵及因子分析法对建 三江分局历史年份的用水结构驱动力进行了分析,指出建三江分局的用水结构以农 业用水为主,工业及生活用水比例较低13。本文在上述研究的基础上,采用扩展的 Kaya恒等式建立山东省产业用水需求驱动效应因素分解模型，并应用LMDI方法综 合计算经济水平、水资源禀赋、水资源开发利用条件、人口规模、产业结构、用水 效率6类驱动因素对20002010年山东省产业用水需求变化的影响程度;采用基 于加速遗传算法的模糊聚类划分模型阐明不同驱动因子的空间分布特征,最终绘制 了山东省17个地市产业用水变化驱动效应的GIS空间

8、分布图。研究结果为建立最 严格水资源管理体制下的水资源-社会经济-生态环境复杂系统智能仿真模型、制定 和实施区域用水结构与产业结构的联动调控措施提供了科学的理论依据。1 研究方法Kaya恒等式的扩展Kaya恒等式是一种用于识别并量化经济社会发展与其影响因素之间驱动效应的数 学模型，最初用于构建区域经济、政策及人口等因素与CO2排放量之间的相关定量 关系2,11,14。目前,Kaya恒等式已在环境、能源与经济领域得到广泛应用15-16,其基本形式为:（1）式中:ECO2为区域一定时期内的C02排放量;PE、GDP及P分别为区域一次能源消费总量、国内生产总值及人口水平。将上述模型应用于区域产业用水

9、变化驱动效应分解，构建Kaya扩展形式为：（2）式中:i、m分别为产业序号和产业划分总数;Wt为区域t时期的产业用水总量（亿 m3）;GDPt为t时期的国内生产总值（亿元）；Pt为t时期人口总量（亿人）;Rt为t时期 多年平均水资源总量（亿m3）;Wi,t为第i类产业t时期的用水总量（亿m3）;GDPi，t 为第i类产业t时期的国内生产总值（亿元）;gt为t时期的GDP总量（亿元）,反映区 域经济发展水平；rt为水资源禀赋系数，反映区域水资源丰沛程度,rt=Rt/Pt（m3/ 人）;wt为水资源开发利用率，反映区域水资源的开发利用水平,wt=Wt/Rt（无量 纲）;Gi,t为第i类产业t时期所

10、占比重,Gi,t=GDPi,t/GDPt（无量纲）;Hi,t为第i类产 业万元产值的用水量，反映区域产业用水效率的大小，Hi,t二Wi,t/GDPi,t（m3/（万元）。 本文基于Kaya恒等式拓展形式对区域产业用水总量的平方进行分析,原因如下:首 先，这是对区域产业用水总量进行Kaya恒等式扩展分解的必然结果;其次，可在不影 响不同驱动因子贡献率分布规律的前提下,显著增强不同因子的差异程度,从而更有 利于提取主要影响因素2。LMDI因素分解模型LMDI是由ANG B W提出的用于分析能源强度变化的一种完全的、不产生残差的 因素分解模型17-19。根据LMDI模型，若计算初期和第T年区域产业用

11、水量分别 记为WO和WT,则认为从初期到第T年的产业用水变化总效应值AW可分解为如 下6类子效应:经济水平效应 Wg、水资源禀赋效应4Wr、水资源开发利用效应 Ww、人口规模效应 WP、产业结构效应AWG及用水效率效应 WH,即Ww+AWP+AWG+AWH。(3)式中：其中若4Wg.AWr.AWw.AWP.AWG及AWH均为正值，则分别表示经济水平、 水资源禀赋条件、水资源开发利用水平、人口规模、产业结构及用水效率因素均促 使区域产业用水量增加，为正向增量效应;反之，为反向减量效应20-21。1.3基于AGA的模糊聚类划分模型模糊聚类划分(ISODATA )是在系统评价等级标准或聚类中心未知的

12、前提下,通过客 观挖掘数据样本之间的亲疏关系,从而科学划分不同样本所属标准等级类型的一类 数理统计方法ISODATA是由Beazdek提出的一类经典聚类分析方法，针对传统ISODATA算法迭代计算量大的不足，本文建立如下优化模型10-11,22:(4)式中:i、j、k分别为样本序号、指标序号和类别序号;n、m、c分别为样本总数、 指标总数和类别总数;U=(uik)nxc,为样本模糊划分矩阵;uik表示第i个样本隶属 于第k个类别的隶属度;向量vk=(v1k,v2k,.,vjk)，为第k类的聚类中心；vjk为第j 个指标隶属于第k类的聚类中心(k=12.,c)。上述问题是一个以uik|i=1,2

13、，,n; k=1,2，,c为优化变量、以评价样本与评价 类别之间差异度最小为优化目标的非线性优化问题,本文采用模拟生物进化优胜劣 汰规则与染色体信息交换机制的加速遗传算法(Accelerating GeneticAlgorithm,AGA)对上述优化模型进行求解计算23。2 应用实例2.1 山东省产业用水概况 山东省是农业大省、经济大省和水资源消耗大省,水资源紧缺是全省国民经济和社 会发展的重要制约因素。山东省水资源总量为303亿m3,人均水资源占有量仅334 m3(按2000年末统计人口数),位居全国各省(市、自治区)倒数第三位。2010 年,山东省国内生产总值为39 416亿元,人均国内生

14、产总值41 710元,位居全国第 三位。山东省产业结构演变经历了由1970年以前第一产业占绝对优势的“一、二三”阶段转变为1990年以来的“二、三、一”阶段的发展历程,三次产业结构比值由1978年的33.2:52.9:13.8转变为2010年的9.2:54.2:36.6,产业结构调 整取得明显成效。其中,山东省20002010年产业结构及用水结构数据见表1。山东省以占全国1.1%的水资源量,养育着全国7.1%的人口,并产出全国10%的粮食, 完成了全国9.3%的国内生产总值。然而,山东省人均水资源量远小于保障区域经济 社会稳定发展的水资源占有量临界阈值(1 000 m3),属于人均水资源占有量

15、小于 500 m3的严重缺水型地区。针对日益严重的水资源供需形势，山东省人民政府于 2011年颁布了山东省用水总量控制管理办法,从用水总量、用水效率和排污总 量的“三条红线”角度对社会水循环的各个过程进行监督管理。可见,山东省有着 实行最严格水资源管理制度、推进产业结构和用水结构联动调控的自觉行为和迫切 需求,选择山东省作为研究区域具有较强的代表性和典型性,对其他区域具有技术引 领和示范带动作用。表1 山东省20002010年产业结构及用水结构数据 %项目2000年2001年 2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年国民 S115.2214.7

16、913.5312.2612.0510.69 9.77 9.73 9.71 9.52 9.16 生产 S249.9549.5550.4653.6956.4457.0557.4256.8256.8155.7654.22 总值 S334.8435.6736.0134.0531.5032.2632.8233.4433.4934.7236.62 用水量 S171.1072.3874.5974.1074.5376.6477.5275.0774.0273.4671.76S218.0016.58 14.5014.4213.2110.31 9.9810.9911.2311.2312.06S310.9011.04

17、10.9111.4812.2613.0512.5013.9514. 7515.3116.17注:表中S1代表第一产业；S2代表第二产业；S3代表第三产业。 2.2基于LMDI的山东省产业用水需求变化驱动效应测度 对山东省20002010年产业用水总量变化驱动效应进行因素分解,结果见表2。 由表2可知:经济水平是导致山东省产业用水总量增加的主要因素，对产业用水变 化具有正向增量驱动作用（20052006年除外）。山东省人均GDP由2000年的9 265 元/人上升到2010年的41 710 元/人,年均增长率达34%,20002010年经 济水平效应对全省产业用水量变化的相对贡献率均值为37.9

18、9%。水资源禀赋效 应对山东省产业用水量变化整体呈现正向增量驱动效应,但具有一定的波动 性,20002010年水资源禀赋效应对全省产业用水量变化的相对贡献率均值为- 2.59%。区域水资源禀赋越丰富,用水效率往往越低,从而需要进一步增加产业用水 量、调整产业结构和农业种植结构。水资源开发利用效应对山东省产业用水量变 化整体呈现反向减量驱动效应,但具有一定的波动性,20002010年水资源开发利 用效应对全省产业用水量变化的相对贡献率均值为-7.12%。人口规模效应对山 东省产业用水量的变化起到正向增量驱动效应（20052006年除外）,但作用较小,20002010年人口规模效应对全省产业用水量

19、变化的相对贡献率均值为2.03%。产业结构效应对山东省产业用水量的变化起到反向减量驱动效应 （20052007年除外）,20002010年产业结构效应对全省产业用水量变化的相对 贡献率均值为-5.06%。由表1可以看出,随着经济的不断发展,全省第一产业比重正 逐步被用水效率较高的第二、三产业替代,产业结构逐步趋向合理,因此产业用水总 量不断减小。用水效率效应对山东省产业用水量的变化具有反向减量驱动效 应,20002010年用水效率效应对全省产业用水量变化的相对贡献率均值为- 125.26%。 20002010年,随着第一产业所占比例的不断降低,产业结构不断趋向 合理,全省产业用水效率进一步提高

20、,进而产业用水总量不断减小。表2 山东省20002010年用水量变化不同因子驱动效应的相对贡献率 %时段经 济水平效应AWg水资源禀赋效应AWr水资源开发利用效应AWw人口规模效应 WP产业结构效应AWG用水效率效应AWH20002001年59.56 -35.83 45.52 2.90 -8.01 -164.15 20012002年32.32 -60.04 58.34 1.32 -17.75 - 114.19 20022003年19.12 89.59 -106.74 0.56 -10.94 -91.59 20032004 年40.81 -64.26 59.28 1.12 -10.44 -126

21、.52 20042005年31.81 26.35 -30.38 1.17 -11.78 -117.17 20052006年-49.73 39.06 -91.61 -1.86 18.88 -14.75 20062007年21.33 85.74 -106.56 0.81 0.67 -101.99 20072008年61.90 -57.32 56.04 1.81 -0.60 -161.83 20082009年60.40 -98.03 94.63 3.71 - 1.30 -159.40 20092010年102.36 48.87 -49.70 8.77 -9.29 -201.01 平均值 37.99

22、-2.59 -7.12 2.03 -5.06 -125.26 综上所述,在不同驱动效应的综合作用下,山东省20002010年的产业用水量整体 呈现下降趋势。其中,20002002年产业用水总量较大，基本维持在250亿m3左 右;20032010年产业用水量增加较少，由219.35亿m3增加到222.47亿m3,年 均增加率为0.2%,基本实现“零增长”。同时,经济水平、水资源禀赋条件及人口 规模为正向增量驱动效应,水资源开发利用水平、产业结构和用水效率为反向减量 驱动效应,且经济水平和用水效率是影响山东省产业用水变化的主要因素。2.3基于改进ISODATA聚类模型的山东省产业用水需求驱动效应空

23、间分异分析 依据山东省20002010 年17 个地市产业用水变化驱动效应的分解结果,采用基 于加速遗传算法的改进ISODATA模糊聚类模型对不同地市的驱动效应按强、中、 弱效应等级在空间上进行聚类划分,由此得出山东省历史年份产业用水量变化不同 驱动因子强、中、弱效应等级的聚类中心,见表 3。表3 山东省20002010年产业用水总量驱动效应聚类表时段强驱动中驱动弱驱动 20002001 年32.32-1.73-2.912.85-9.12-52.6031.48-2.96-5.282.39-11.19-74.1222.22-5.01-12.991.30-12.88-97.0220012002 年

24、 30.92-7.8215.121.954.25-32.0229.43-10.915.441.503.50- 33.6726.94-18.413.421.201.85-40.18续表3 山东省20002010年产业用水总量驱动效应聚类表时段强驱动中驱动弱驱动 20022003 年 42.4713.11-2.901.11-27.38-89.2139.397.72- 9.771.08-30.36-120.3737.391.26-12.901.07-30.81-132.4620032004 年 50.48-1.34-6.801.42-28.88-105.7744.48-1.63-9.381.29-2

25、9.15- 109.5644.04-1.66-11.301.26-29.86-117.8820042005 年 46.652.95- 7.580.40-24.20-183.8840.591.24-12.050.34-26.19-241.9632.760.87-14.63-1.09-27.23-270.6520052006 年 36.16- 9.5941.392.01-21.76119.7735.58-20.2440.011.79-22.00100.1135.09-22.6529.881.68-22.8791.2220062007年 46.1325.4934.271.66-15.32-140.2

26、441.07-38.7333.111.41-16.36- 149.8038.04-42.31-40.701.35-16.95-181.1720072008年 39.4938.872.441.56-15.91-150.3937.3626.44-27.641.51-16.51-170.9535.95-2.05-39.231.35-17.39-187.2020082009年 23.6226.744.561.93-0.32-120.1720.7626.26-30.071.59-0.41- 126.1719.95-6.30-30.241.43-1.59-134.6820092010年 37.924.69

27、26.293.43-6.38-180.3933.023.05-0.722.76-6.39- 191.5132.76-22.80-4.051.98-7.15-193.62注:表中数字分别表示经济水平、 水资源禀赋、水资源开发利用、人口规模、产业结构及用水效率效应。 依据表3,计算不同区域不同驱动效应所属的效应等级,进而绘制山东省17个地市的 产业用水需求驱动效应聚类区划图,如图1所示。图1 山东省产业用水量变化驱动效应聚类区划图2.3.1 经济水平效应20002010年,山东省17个地市的经济发展水平对产业用水变化呈现正向增量驱 动效应。具体表现为:经济水平效应强驱动的地市为滨州市、德州市、聊城

28、市、 潍坊市等;经济水平效应中驱动的地市为济南市;经济水平效应弱驱动的地市为东营 市、淄博市、青岛市、烟台市等。与中、弱驱动效应地市相比，强驱动效应地市 的经济社会发展对水资源的依赖程度较高，单位经济发展GDP变化引起的产业用水 量变化相对较大。以2010年为例,经济水平强驱动效应地市（滨州市、德州市、聊 城市等）与弱驱动效应地市（东营市、淄博市、莱芜市等）的万元GDP用水量均值分 别为97.68 m3/（万元）和43.92 m3/（万元）。可见，在相同经济发展水平下，经济水平 强驱动效应地市的产业用水量增长要高于其他地市。区域经济发展水平是影响产 业用水变化的主要因素,而经济发展又是社会发展

29、的根本动力,经济发展水平与产业 用水变化之间具有较强的刚性互馈约束作用。水资源禀赋效应 20002010年,山东省17个地市的水资源禀赋水平对产业用水量变化整体呈现正 向增量驱动效应,但具有一定的波动性。其空间分异特征表现为:水资源禀赋效应 强驱动的地市为聊城市、临沂市及威海市 ;水资源禀赋效应中驱动的地市为德州市、 滨州市、东营市、烟台市等;水资源禀赋效应弱驱动的地市为菏泽市和青岛市。 由于不同地市可用水资源总量的年际变化不大,因此水资源禀赋水平对产业用水量 变化的驱动效应较小,全省 20002010 年水资源禀赋驱动效应的相对贡献率均值 为-2.59%。总体而言，区域水资源禀赋越丰富,水资

30、源约束能力越弱，用水效率越 低,导致区域产业用水总量提升速率越快。水资源开发利用效应20002010 年,山东省 17 个地市的水资源开发利用水平对产业用水量的变化整体 呈现反向减量驱动效应,但具有一定的波动性。其空间分异特征表现为:水资源开 发利用效应强驱动的地市为德州市;水资源开发利用效应中驱动的地市为聊城市、 菏泽市、东营市、淄博市等 ;水资源开发利用效应弱驱动的地市为滨州市、济宁市、 济南市等。与水资源禀赋效应相同，由于各地市可用水资源总量的年际变化不大， 导致不同地市水资源开发利用系数的年际变化不明显,对产业用水量变化的驱动效 应较小。随着经济的发展，当区域水资源开发利用水平达到饱和

31、时，进一步开发潜 力变小,此时需要提高用水效率,以缓解产业用水增长压力。人口规模效应20002010 年,山东省 17 个地市人口规模对产业用水变化呈现正向增量驱动效应, 但影响程度不大。具体表现为:人口规模效应强驱动的地市为济南市、德州市、 济宁市等;人口规模效应中驱动的地市为滨州市、东营市、潍坊市等;人口规模效应 弱驱动的地市为淄博市、莱芜市、泰安市等。人口增长促使社会对物质需求的增 加,进一步导致产业用水增加,是产业用水需求总量增长的原始驱动力。如 2000 2010 年,强驱动效应的德州市人口增加 5%,用水总量增加 7%。而弱驱动效应的烟 台市，人口增长5%,产业用水量却由10.86

32、亿m3下降到8.53亿m3,下降了 21%。产业结构效应20002010年,山东省17个地市的产业结构变化对产业用水变化总体呈现反向减 量驱动效应。具体表现为:产业结构效应强驱动的地市为德州市、东营市、淄博 市等;产业结构效应中驱动的地市为聊城市、菏泽市、滨州市等;产业结构效应弱驱 动的地市为济南市和日照市。与中、弱驱动效应地市相比,强驱动效应地市产业 结构调整对产业用水的依赖性较大（特别是第一产业比重较高的地市）。如:强驱动效 应的青岛市,第一产业比重由2000年的12%下降为2010年的5%,下降7%,第一 产业用水量比重却由2000年的57%下降为2010年的41%,下降16%;而弱驱动

33、 效应的济南市第一产业比重由2000年的10%下降为2010年的6%,下降4%,但第 产业用水比重却由2000年的67%下降为2010年的60%,仅下降7%。加快 产业升级、优化产业结构是控制和缓解产业用水变化的主要措施。用水效率效应 20002010年,山东省17个地市不同产业的用水效率对产业的用水总量变化整体 呈现反向减量驱动效应。其空间分异特征表现为:用水效率效应强驱动的地市有 滨州市、东营市、淄博市等;用水效率效应中驱动的地市有德州市、聊城市、菏泽 市等;用水效率效应弱驱动的地市为济南市。用水效率强驱动效应地市，说明初期 社会生产水平较低,用水效率提升潜力较大,应进步引进先进社会生产技

34、术提高产 业用水效率。如烟台市万元GDP用水量由初期的123.47 m3/（万元）提高为2010 年的19.57 m3/（万元），用水效率提高近84%,特别是第一产业万元GDP用水量由 初期的535.91 m3/（万元）提高为2010年的171.01 m3/（万元），提升68%。产 业用水效率对产业用水变化起到反向减量效应,加快技术引进、提升用水效率是控 制和缓解产业用水变化的根本性措施。3 结语基于扩展的Kaya恒等式及LMDI方法,建立了山东省20002010年产业用水变 化驱动因子分解及驱动效应量化模型，并以ArcGIS为工具，采用基于加速遗传算法的ISODATA聚类模型绘制了山东省17

35、个地市产业用水变化驱动效应的空间分布图。研究结果表明:山东省各地市20002010年的产业用水变化是经济水平效应、水资源禀赋效 应、水资源开发利用效应、人口规模效应、产业结构效应及用水效率效应共同作用 的结果。其中,经济水平效应和用水效率效应是促使产业用水发生变化的两个主要 因素,其相对贡献率的均值分别为39.93%、-109.55%,对产业用水变化分别具有正 向增量、反向减量驱动效应。在上述因素的共同作用下,山东省20002010年产业用水总量整体呈现减小趋势。其中,20002002年，全省用水总量基本保持在250亿m3左右；2003 2010年，由219.35亿m3增加到221.47亿m3

36、,年均增长率为0.2%,基本实现产 业用水“零增长”。上述研究成果在一定程度上阐明了山东省近年来产业结构与用水结构之间的协同演 变机制,可为制定和实施最严格水资源管理模式下的产业结构与用水结构适应性协 同发展策略提供科学有效的决策依据。参考文献【相关文献】王浩，严登华,贾仰文，等现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问题J.水科学进 展,2010,21(4):479-489.孙才志，谢巍，邹玮中国水资源利用效率驱动效应测度及空间驱动类型分析J.地理科 学,2011,31(10):1213-1220.ZHOU M,CHEN Q,CAI Y L.Optimizing the industrial

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