我國水資源可持續利用能力評價

童紀新,梁斐然

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

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我國水資源可持續利用能力評價

童紀新,梁斐然

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

選取31個省級單位最新數據,提煉出7大類共計25項反映水資源可持續利用的評價指標體系,運用主成分分析法和DEA模型評價了我國水資源可持續利用的能力。研究結果表明:我國近74.2%的省份水資源可持續利用能力欠佳,呈階梯狀分布,這主要是由于水資源與社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護與可持續利用的不協整所導致的,但仍有很大的發展潛力。

水資源;可持續利用能力;DEA;主成分分析

1 研究背景

水資源作為人類賴以生存的自然資源,正面臨著前所未有的危機，水質惡化、水污染加劇、人均水資源占有量減少、水資源時空分布不均、城市和農業生產嚴重缺水、地下水資源過度開采等問題日益凸顯[1]。

可持續發展的概念鑒于描述屬性的不同,其內涵也有所不同,但其根本核心是“滿足當代人的需求,又不損害子孫后代滿足其需求能力的發展”[2]。它以經濟增長為前提,以保護自然資源為基礎(即與資源及環境的承載力相協調),以改善和提高人類生活質量為目的,來實現自然-經濟-社會的協整發展[3-6]。在可持續發展的大概念下,針對可再生水資源利用問題,傅春等[7]提出了水資源持續利用(sustainable utilization)這一概念,其含義是指水資源在其再生極限之內的開發利用。這一概念把水事活動納入人類生產、生活的整個系統內,強調水資源與人口、經濟、社會、環境、災害、技術發展的協調可持續發展。

1995年,Simonovic[8]從經濟效益、技術效率和實施可靠性的視角,提出水利規劃要與經濟、環境、社會、科學技術協調發展,運用可持續發展的理念來規劃水利建設。隨后,Zbigniew等[9]提出了相近的觀點,進一步證實了Simonovic結論的正確性。Rijsberman[10]以歐洲最大湖為樣本,首次運用可持續發展指標對其進行了評價。Hellstrom[11]以城市為樣本,建立了水資源可持續利用的指標體系。Rao[12]將遙感技術和GIS相結合,同時將多目標和風險性分析納入了可持續發展體系。左東啟等[13]在近20年不同流域和地區水資源評價工作的基礎上,提出了包括自然、人文、經濟、管理等方面的簡要評價指標體系。卞建民等[14]通過分析水資源可持續利用的涵義及影響因素,建立了包含水資源的可供給性、水資源開發的技術和管理水平以及水資源的綜合效益在內的水資源可持續利用評價指標體系。夏軍等[15]針對西北干旱區水資源承載力綜合研究的一些關鍵問題,將RS、GIS等信息技術和現有模型方法相結合,同時對區域差異進行了研究。徐良芳等[16]分析了現有區域水資源可持續利用評價指標體系的國內外研究進展和存在的不足,采用離差法、主成分分析法和層次分析法計算指標,運用動態和靜態相結合的方法對指標進行評價。黃初龍等[17]對農業水資源的內涵界定及其可持續利用量化表征、農業用水估算方法、生態需水、外調水、土壤水、農業水資源管理等問題進行了探討和總結。羅軍剛等[18]采用風險率、脆弱性、可恢復性、事故周期和風險度作為區域水資源短缺風險的評價指標,建立了水資源短缺綜合評價指標體系。Emmanuel[19]研究了英國不同灌區的管理水平,通過對比分析以提高農業用水的效率。Wei等[20]基于機會約束的DEA模型,根據實際的決策單元進行數據收集與選取研究。雷宏軍等[21]從水資源可持續利用的概念出發,分析水資源可持續利用的特性,指出水資源可持續利用包括水資源質和量的可持續性、社會經濟生態系統的可持續性、系統協調性和水資源利用方式4個方面。韓美等[22]以DPSIR模型為框架,選取21項指標構建水資源可持續利用評價指標體系,對黃河三角洲的整體水平進行了評價。本文綜合前人的研究成果,在選取31個省級單位最新數據的基礎上,提煉出7大類共計25項反映水資源可持續利用的評價指標體系,運用主成分分析法和DEA模型評價了我國水資源可持續利用的能力。

2 模型介紹及數據來源

2.1 主成分分析法

1933年霍特林(Hotelling)[23]首次提出主成分分析(principal components analysis,PCA),即通過線性組合將存在相關性的原變量綜合成幾個主成分,用較少的綜合指標來代替原來較多的指標(變量)。其數學模型為

(1)

式中:X1,X2,X3,…,Xp為p個原有變量;F1,F2,F3,…,Fm為m個因子變量,m

(2)

式中:F為因子變量或稱公共因子,即高維空間中互相垂直的m個坐標軸;A為因子載荷矩陣;ε為特殊因子,表示原有變量不能被因子變量所解釋的部分,相當于多元回歸分析中的殘差部分;apm為因子載荷,即第p個原有變量在第m個因子變量上的負荷。若把變量Xp看成是m維因子空間中的一個向量,則apm為Xp在坐標軸Fm上的投影,相當于多元回歸中的標準回歸系數。

2.2 DEA模型

數據包絡分析(data envelope analyses,DEA)模型的兩個基礎模型分別是CCR模型與BCC模型,兩者的主要區別在于規模報酬是否可變。在計算規模效率、純技術效率以及綜合技術效率時兩個模型相輔相成,其遵循的思維邏輯是:DEA模型是一個經濟系統(或一個生產過程)在一定條件下,通過投入一定數量的生產要素并產生一定數量的產出結果,以盡可能地使這一系統取得最大效益的研究模型。

假設有N個決策單元,每個決策單元有I種投入,O種產出。第i個決策單元DMU(decision making unit)的投入向量和產出向量分別是xi,yi。在規模收益不變(CRTS)假設下,對第i個決策單元的相對效率度量模型表示為

(3)

式中:μ、ν分別為產出權重和投入權重,μ、ν≥0。在規模收益可變(VRTS)的情況下其模型構造僅需在CRTS模型的對偶形式中加入凸性約束(N×1)Tλ=1即可。表達式為

(4)

式中：θ為1個標量；λ為1個常數矢量。進而可以分理出規模效率SE。實際上,對于同一決策單元滿足綜合技術效率等于純技術效率乘以規模效率。

2.3 樣本選擇及數據來源

綜合數據的可得性與實際研究情況,DMU選取了我國除臺灣外的22個省、5個自治區、4個直轄市,共計31個省級單位。數據來源于《中國統計年鑒》以及各省公開發布的年度報告,以每年年末的報告數據為依據。

3 我國水資源可持續利用能力評價

3.1 主成分分析法

3.1.1 水資源可持續利用評價指標體系

根據可持續利用的概念及原則,選取經濟、社會、環境、技術4個一般性宏觀指標,本著具體問題具體分析的思想,納入水資源、水承載力(正向指標)以及水災機率(負向指標)3個具體的微觀指標,將微觀指標與宏觀指標相結合,得出衡量我國水資源可持續利用7個方面的二級指標,見圖1。

需要說明的是,水資源的可持續利用強調公平性,因此把人均水資源量和人均用水量歸入社會因素。水災機率是指水資源可持續利用不僅需要有效的開發利用,同時還應能預防和治理水災害。隨著科學技術的進步,水資源的開發和利用可以使原先非持續利用的水資源變成可持續利用,如海水淡化。水資源承載力是在保證一定環境質量的前提下,承載該空間人口基本生存和社會經濟發展的能力,因而基于我國三大產業衡量水資源的承載力。環境容量主要是指水環境容量,即在一定的水質標準下,水域靠水體的自凈能力容納不同污染物的最大數量。

圖1 水資源可持續利用評價指標體系

由于指標變量是從不同單位總體中抽出,因此首先需對25個指標進行標準化,以消除變量在量級或量綱上的影響。采用標準化Z分數即從平均數為U、標準差為σ的總體中抽出一個變量值Q,可得

(5)

經過SPSS.20處理后,發現KMO值為0.68,大于0.6,適合因子分析。同時,Bartlett球度檢驗給出的相伴概率為0.000,小于顯著性水平0.05,進一步佐證了因子分析的可行性。

3.1.2 水資源可持續利用評價指標體系降維

圖2 我國31個省級單位社會經濟、城市發展、生態保護、農業灌溉和水環境容量得分

水資源可持續利用評價指標變量可降維成5大主成分,如表1所示,社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護的主成分貢獻率均超過了85%,基本上反映了我國31個省級單位水資源可持續利用能力。

表1 水資源可持續利用評價指標體系降維結果

由圖2可進一步評價我國水資源可持續利用能力。不難發現,2013年社會經濟方面,我國長江三角洲、珠江三角洲以及京津唐地區仍保持了領先優勢,其中長江三角洲、珠江三角洲地區的經濟發展明顯優于京津唐地區。我國大多數地區在經濟增長與水環境容量方面呈正相關關系,長江三角洲、珠江三角洲地區水環境容量整體優于其他省份,均值達0.42;內陸地區以及黃河流域水環境容量在各省排名中趨于平均水平。但整體來看,我國水環境容量與社會經濟發展并不匹配,水資源的可持續利用面臨困境。

與社會經濟發展分布一致,長江三角洲、珠江三角洲以及京津唐地區的城市發展表現優異,上海和北京表現突出,西藏最差。由圖2可以推斷,城市發展水平越高,水環境容量越差,兩者呈負相關關系,這也進一步表明我國尚未完全從粗放型的經濟增長模式中轉型。

在生態保護方面,21世紀以前重工業集聚的省份生態環境最差,突出表現為內蒙古和東三省,急需增加資金投入以謀求可持續發展。河北、山西、內蒙古、遼寧、山東、河南、陜西、甘肅等重工業聚集地亟需加強生態保護,增加生態投入。由圖2可見,我國大多數省份水環境容量較差,制約了水資源的可持續利用能力。

圖3 我國31個省級單位水資源可持續利用能力排名

農業灌溉方面,由圖2可見灌溉能力較差的省份主要集中在長江流域以北,特別是黃河流域的各省、西部地區(主要是陜甘寧)以及西藏。長江三角洲、珠江三角洲以及京津唐三大經濟帶農業灌溉能力表現疲軟,也從另一個角度反映了水資源多用于第二、第三產業,農業生產分配較少。

在水環境容量方面,由于新疆等內陸地區常年缺水,投入了大量的人力物力來節約水資源,因此新疆的水環境容量表現優異。部分東部沿海城市的水環境容量表現良好,但整體而言我國的水環境容量不容樂觀。

3.2 DEA模型

由于水資源的可持續利用有賴于經濟、社會、環境、生態、城市發展等因素的協調發展,因而運用DEA模型將降維后的5大主成分作為水資源可持續利用能力的投入、產出變量,評估各個省級單位水資源可持續利用能力。

但由于新產生的投入、產出變量數據有正有負,且小數點位數較多,無法使用數據包絡法,因此采用最典型的T分數對數據加以線性轉換,使之成為正的數值。

3.2.1 水資源可持續利用能力投入、產出冗余

綜合表2、表3可知,我國大多數省級單位存在投入、產出冗余情況,但就城市發展指標而言,各省表現良好,不存在投入、產出冗余。具體而言,北京市農業灌溉能力嚴重不足,水環境容量不足2%,天津與北京類似;內蒙古突出表現為生態保護過剩而農業灌溉不足;遼寧、福建以及江蘇農業灌溉不足,其中江蘇省社會經濟發展與水資源可持續利用不匹配,出現了經濟過剩而農業發展不足的怪現象。江西、重慶、四川、陜西的共性在于水環境容量不足,陜西表現為生態保護過剩,四川則不僅生態保護投入過多,而且存在社會經濟與水環境容量不匹配的問題;河北、山西、安徽、山東、河南生態保護投入過多;浙江和廣東主要表現為經濟產能過剩,與水資源可持續利用能力不匹配。據此可知,并非經濟發展水平越高,水資源可持續利用能力越強,而是各方面因素協整的過程。水資源可持續利用能力投入、產出冗余也表明我國大多數省份存在水資源管理不善的問題。

表2 產出冗余量

表3 投入冗余量

3.2.2DEA模型解的有效性分析

由DEA模型解的有效性判斷定理可知,當決策單元滿足θ*=l,且s-=s+=0(θ*為θ的最優解，s-，s*為松弛變量)時，該決策單元是相對有效的,反之是無效的。

結合圖3,我國各省級單位水資源可持續利用能力呈階梯狀分布,分為4個層次:

a. 綜合技術效率等于1,其水資源可持續利用能力優秀,主要集在我國西部內陸地區,包括西藏、安徽、寧夏、湖南、湖北、廣西、海南、云南、新疆9個省級單位,但不同省級單位其水資源可持續利用能力優秀的成因不同,如湖北省是水利建設(三峽大壩等)的拉動,而新疆則是由于常年的科研探索以及省級政府的高度重視。

b. 剩余的22個省級單位均DEA無效。綜合技術效率介于0.9～1之間,屬于水資源可持續利用能力中等偏上的省級單位,主要包括青海、山西、上海、廣東、甘肅、黑龍江、重慶等7個省級單位。其中黑龍江、甘肅、青海、重慶、山西5個省級單位是由于管理和技術等因素影響水資源可持續利用能力。上海、廣東2個省級單位在目前的技術水平上,其投入資源的使用是可持續的,未能達到水資源綜合可持續利用的根本原因在于其水資源開發利用中存在規模無效。

c. 綜合技術效率介于0.8～0.9之間,屬于水資源可持續利用能力中等偏下的省級單位,包含浙江、貴州、四川、遼寧、福建、江西、陜西等7個省級單位,其中政府管理和科學技術等因素是導致貴州、四川、遼寧、江西、陜西等省級單位水資源可持續利用能力中等偏下的主要因素。而影響浙江和福建水資源利用可持續能力的主要因素則是水資源開發利用中存在規模無效。

d. 綜合技術效率低于0.8,屬于水資源可持續利用能力較差的省級單位,包括北京、天津、河南、內蒙古、江蘇、山東、吉林、河北等8個省級單位。其中北京、天津、吉林、江蘇的管理和科學技術水平優秀,特別是江蘇,其管理和科學技術能力達到有效,最終導致這4個省級單位水資源可持續利用能力較差的原因是水資源開發利用中的規模無效。河南、內蒙古、山東、河北均屬于北方省份,但由于管理不善,科技創新無法與時俱進導致其水資源可持續利用能力較差。

就我國而言,僅25.8%的地區是DEA有效,表明我國水資源問題仍是阻礙和限制經濟發展的一大因素。各省綜合管理能力、水資源開發利用效率、科技創新發展能力與我國水資源可持續利用能力息息相關。通過分析發現,我國水資源可持續利用能力整體低迷,其中水資源可持續利用能力欠佳的省級單位在社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護方面發展不足,但有很大的提升空間。內蒙古、天津等需要在各方面全面提升,而上海、湖南等則僅需在問題比較突出的方面進行改善。

3.2.3 規模效益分析

由表4可見,我國共有8個省級單位的生產規模與產量之間是協調合理的,與DEA有效性一致,主要表現為規模效率為1的8個省級單位;51.6%的省級單位水資源投入不足,可持續利用能力有待提升,隨著經濟的發展,其水資源規模效率無法有效滿足當地人民的生活需求,粗放型的生產生活方式亟待轉變;22.6%的省級單位存在規模效率減少的要求,主要表現為黑龍江、安徽、江西、山東、河南、湖南、四川等,隨著規模的不斷擴大,社會經濟環境無法與之協調配合,阻礙了水資源的有效運行,同時也導致了水資源可持續利用評價較低。

表4 我國31個省級單位規模效益

4 結 語

選取31個省級單位的最新數據,提煉出水資源、環境容量、水資源承載力、水災機率、經濟發展、技術進步及社會因素等7大類共計25項反映水資源可持續利用的評價指標體系,運用主成分分析法,將衡量水資源可持續利用指標降維成社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護5大主成分,通過因子得分初步評價了各省水資源在社會經濟、農業灌溉、城市發展、生態保護方面的可持續性。

研究發現,我國近74.2%的省級單位水資源可持續利用能力欠佳,且各省級單位水資源可持續利用能力呈階梯狀分布,這主要是由于我國水環境容量與社會經濟發展不匹配,城市發展水平與水環境容量呈負相關關系,且我國大多省份水環境容量較差,制約了水資源的可持續利用能力,同時由于沿海城市經濟增長轉向第二、第三產業,水資源在農業生產中的分配較少,即社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護與水資源可持續利用的不協整所導致的。

因此,應樹立全民節水意識,運用經濟手段調控水價,開發利用非常規水源,工業與城市分質供水,污水處理回用實現資源化,加強水利工程安全達標建設,健全水資源管理體制,實現城鄉水務一體化管理,合理調配水資源,改善水環境,全面促進社會經濟、水環境容量、農業灌溉、城市發展、生態保護的協調發展。同時各個省級單位應根據自身區域特征,因地制宜,因時制宜,實現水資源的可持續利用。

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童紀新(1964—),男,浙江金華人,教授,博士,主要從事技術經濟及管理研究。E-mail:janefeir@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2015.06.013

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1003-9511(2015)06-0055-06

2015-05-30 編輯：胡新宇)