中國地級及以上城市水資源利用效率的時空格局分析

韓文艷, 陳興鵬, 張子龍， 王寧飛， 于原浩

(1.蘭州大學 資源環境學院, 蘭州 730000; 2. 蘭州大學 西部環境教育部重點實驗室,蘭州 730000; 3.蘭州大學 中國西部循環經濟研究中心, 蘭州 730000)

水資源作為經濟社會發展的戰略資源和經濟資源，是人類賴以生存和發展的基本條件，對于經濟社會發展起到重要作用。水資源短缺和水生態環境惡化是目前制約中國水資源利用的兩大主要問題，也是制約經濟社會可持續發展的主要瓶頸[1]。水資源領域的相關研究已經得到社會的普遍關注，及政府和專家學者的高度重視。因此，水資源利用效率的相關研究分析，對于水資源的可持續利用政策的制定具有重要參考意義。

目前在國內水資源利用領域，水資源利用效率方面的研究相對較多，主要集中在以下幾方面：一是水資源利用效率評估模型的研究，高媛媛等[2]構建了一種基于投影尋蹤及遺傳算法的水資源利用效率評估模型；高雄等[3]基于迭代修正的思路，對基于單一評價方法(熵值法、均方差法、離差法)的水資源利用效率評價模型進行了修正和應用。二是不同尺度水資源利用效率的測算評價，主要運用空間Durbin計量模型[1]、DEA和Malmquist指數[4]等，評價并分析了省[5]、市[6]、區縣[7]等不同空間尺度的水資源利用效率。三是區域水資源利用效率影響因素的探討，利用SBM-DEA[8]、DEA[9]、Tobit回歸模型[10]以及參考文獻法[11]等探討分析了不同區域(三大地帶、省區市)水資源利用效率的影響因素。四是不同產業水資源利用效率的研究，買亞宗等[12]在全要素生產框架下實證研究了中國省級行政區工業水資源效率；佟金萍等[13]將農業技術進步分解為科技進步率和技術效率，探討了廣義技術進步與農業用水效率的關系。

綜上所述，國內目前關于水資源利用效率的研究主要集中在省域及縣域尺度，或者工農業的水資源利用效率評價及影響因素方面，對于城市尺度的研究相對較少，尤其是全國地級市尺度水資源利用效率時空演變的研究較少。城市作為區域經濟發展的增長極，其經濟發展狀況強烈影響著所在區域的經濟發展[14]，而且城市作為區域的政治、經濟、文化、人口、生產和消費的集聚中心，其水資源利用效率狀況對鄰近地區有重要輻射作用、對區域水資源利用有重要影響。近年來，我國水資源開發利用逼近紅線，水資源短缺已經成為制約經濟社會發展的重要瓶頸，因此，水資源利用效率的相關研究對于水資源環境與經濟社會的和諧發展具有重要意義。本文基于2010—2014年中國地級及以上城市水資源利用的相關數據，運用數據包絡分析(DEA)方法和GIS對中國城市水資源利用效率進行測度，探討城市水資源利用效率的時空異質性規律，分析中國城市水資源利用效率的空間差異，以期為相關研究提供基礎，為區域水資源政策的制定和城市水資源利用效率的提高提供理論參考，以促進最嚴格水資源管理制度的落實和水生態文明建設。

1　研究方法與數據來源

1.1　數據包絡分析

設有n個決策單元，每個決策單元有m項投入，x2j，…，xmj和s項產出，y1j，y2j，…，ysj其中xij，yij>0)，λj為各市投入和產出的權向量。對于投入主導型的BC2模型而言，每個決策單元DMUj都有相應的效率評價指數θ，滿足[4]：

(1)

式中:λ≥0，j=1，2，…，n?；谠撌?，每個決策單元選取3項投入指標：從業人員期末人數(x1，萬人)、供水總量(x2，萬t)、資本存量(x3，萬元);1項產出指標：地區生產總值(y1，萬元)，運用軟件DEAP 2.1，以投入為導向可計算出各城市水資源利用的綜合效率、純技術效率和規模效率值及其規模收益情況。其中，當θ=1時，表明該決策單元是DEA有效，城市的水資源利用效率同時為純技術有效和規模有效；當θ<1時，表明該決策單元不是DEA有效，城市的水資源利用效率可能表現為純技術無效或規模無效。

1.2　數據來源

根據指標選取的代表性和可獲得性原則[21]，基于錢文婧[9]，董戰峰[22]等關于水資源利用效率的研究，本文選取中國284個地級及以上城市作為研究對象(其中拉薩、三沙、海東、銅陵、畢節、銅仁由于統計數據不全面，故不包含于研究對象內)，以市轄區年總供水量、資本、勞動人口、GDP等指標反映城市水資源利用效率。數據主要源于2010—2014年的《中國城市統計年鑒》，個別城市的缺失數據取前后兩年的均值。城市水資源利用體系的投入、產出變量有：

(1) 資本投入。選取資本存量作為資本投入指標，參照張軍等[23]的研究成果，采用“永續盤存法”進行估算，計算公式為：

Kit=Kit(1-δ)+Iit

(2)

式中：Kit為基年資本存量；Iit指第t年i省區市的投資；δ為經濟折舊率。

(2) 勞動力投入。選取社會各行業年從業人員總人數。

(3) 水資源投入。年供水總量是指各城市年供出的全部水量，包括各類用戶實際的用水量及供用過程中的漏損水量，考慮數據的可獲得性和代表性，選擇各城市年供水總量表示水資源投入。

(4) 國內生產總值(GDP)。期望產出為各城市GDP，并利用GDP平減指數將歷年名義GDP以2010年為不變價格進行縮減。

2　中國城市水資源利用效率測算

2.1　總體特點

利用DEAP 2.1統計分析軟件，對2010—2014年中國284個地級及以上城市水資源利用效率進行測算。由計算結果可知，總體上中國城市水資源利用效率平均水平較低，且高低交錯中呈現波動上升的趨勢，見圖1，由2010年的0.422增長至2014年的0.497。就三大地帶而言，東、中、西部城市水資源利用效率的變化趨勢與全國城市平均水平的趨勢一致，均呈波動上升狀態西部城市水資源利用效率趨勢線與全國的基本吻合。東、中、西部城市水資源利用效率值分別由2010年的0.473，0.374與0.419上升到2014年的0.541，0.450與0.500；區域城市水資源利用效率總體較低，研究期內均呈現為東部城市水資源利用效率平均水平最高，西部次之，而中部城市水資源利用效率平均值最低。

圖1　區域水資源利用效率變化趨勢

圖2顯示了中國不同行政級別城市水資源利用效率的變化趨勢，總體上直轄市、省會城市、地級市城市水資源利用效率的變化趨勢與全國城市平均水平的趨勢一致，皆呈波動上升狀態，地級市城市的趨勢線與全國的基本吻合，且研究期內省會城市與地級市城市水資源利用效率相對于直轄市較平穩，直轄市、省會城市、地級市城市水資源利用效率平均值分別由2010年的0.544，0.395與0.423上升到2014年的0.618，0.499與0.495；各行政級別城市水資源利用效率總體較低，與DEA有效時的θ值仍有一定差距，研究期內直轄市城市水資源利用效率平均值最高，均在0.5以上，地級市城市次之，而省會城市水資源利用效率平均水平最低，均在0.5以下。

圖2　不同行政級別城市水資源利用效率變化趨勢

2.2　城市水資源利用效率空間分布

將DEAP2.1統計分析軟件測算的2010—2014年中國284個地級及以上城市水資源利用效率結果同ArcGIS相結合，根據DEA中θ的取值范圍，θ=1時決策單元有效，θ<1時決策單元無效，即θ值越接近于1效率值越高，參照陳群元[24]、潘竟虎[25]等關于城市發展效率的研究，基于2010—2014年中國城市水資源利用效率的實際值，設定crste/vrste/scale=1為高效率，0.75≤crste/vrste/scale≤0.999為中等效率，0.5≤crste/vrste/scale≤0.749為低效率，crste/vrste/scale≤0.499為無效，2010—2014年中國地級及以上城市水資源利用效率的空間分布見圖3。綜合效率方面，2010—2014年全國城市綜合效率平均值為0.454，處于無效狀態，且呈東部>西部>中部的格局；從綜合效率值的高低來看，高效城市有3個，占比為1.06%；中效城市有11個，占比為3.87%；低效城市有70個，占比為24.65%；無效城市有200個，占比為70.42%，這充分說明中國城市水資源利用效率遠未達到理想狀態。

圖3　2010-2014年中國城市水資源利用效率空間分布

純技術效率方面，2010—2014年全國城市純技術效率平均值為0.58，處于低效狀態，且呈西部>東部>中部的格局；從純技術效率值的高低來看，高效城市有12個，占比為4.23%；中效城市有37個，占比為13.03%；低效城市有121個，占比為42.61%；無效城市有114個，占比為40.14%，說明中國大部分城市水資源利用已達到純技術有效狀態，但效率值很低，尚未達到理想狀態。

規模效率方面，2010—2014年全國城市規模效率平均值為0.8，處于中效狀態，且與三大地帶的經濟發展格局相一致，呈現“東高西低”的態勢[25]；從規模效率值的高低來看，高效城市有3個，占比為1.06%；中效城市有190個，占比為66.9%；低效城市有73個，占比為25.7%；無效城市有18個，占比為6.34%，說明中國地級及以上城市水資源利用基本達到規模中效狀態，但高效城市極少，仍未達到理想狀態。

總之，中國城市水資源利用效率較低，在空間格局上呈現東中西部的差異，且綜合效率、純技術效率、規模效率的空間差異亦有所不同?？傮w上城市水資源利用效率低主要是由純技術效率低導致的，因此提高城市水資源利用效率還應在技術進步方面努力，加大科技投入促進技術水平的提高，提高水資源重復利用率促進水資源的循環利用。此外，還應注意改善部分城市水資源利用的規模無效狀態。

2.3　技術效率和規模效率特征

如表1所示，2010—2014年中國地級及以上城市水資源利用純技術效率平均值為0.580，純技術效率高效的城市由2010年的19個增長至2014年的24個，總體上全國城市水資源利用純技術效率較低，但呈波動上升的趨勢。具體到三大地帶而言，東、中、西部城市的純技術效率值均呈逐年增長狀態，分別由2010年的0.555，0.498，0.601增長至2014年的0.629，0.558，0.670，且研究期內西部>東部>中部，東部城市與全國城市平均水平的變化趨勢基本吻合。說明西部經濟技術長期處于落后狀態，但近年隨著經濟發展與技術引進，使得水資源利用效率的純技術效率較佳。就各行政級別城市而言，直轄市水資源利用純技術效率值2013年前呈上升趨勢，2014年則有所下降，省會城市、地級市則呈上升趨勢，且省會城市變化較明顯，分別由2010年的0.878，0.442，0.555上升至2014年的0.901，0.570，0.616，反映出不同行政級別城市間的純技術效率相差較大，特別是直轄市純技術效率皆在0.87以上，遠高于省會城市，與綜合效率相比較，在空間上分布較為不均勻。

表1　2010-2014年中國城市水資源利用純技術效率和規模效率

從規模效率來看，2010—2014年中國地級及以上城市水資源利用規模效率的平均值為0.800，規模效率高效的城市由2010年的8個增長至2014年的12個，總體上全國城市規模效率平均水平要高于綜合效率與純技術效率，皆在0.75以上，且呈現波動上升狀態。研究期內，東、中、西部城市的規模效率均呈波動上升趨勢，但變化不明顯；東、中、西部城市的規模效率平均值分別為0.862，0.790，0.739，顯然東部>中部>西部，與城市綜合效率和純技術效率的分布規律不同，東、中部城市主要是通過規模效率改善城市水資源利用效率，而西部城市仍然以粗放型的規模增長為主，尚未突破“規模瓶頸”，但從另一個角度來看，如果東、中部地區能夠有效提高技術效率，在現有的投入水平下，將顯著提高城市水資源利用效率。不同行政級別城市除省會城市外規模效率均呈逐年緩慢增長趨勢，地級市與全國城市規模效率平均水平趨勢線基本吻合，而省會城市則是先下降后上升狀態。2010—2014年直轄市、省會城市、地級市水資源利用規模效率平均值分別為0.641，0.893，0.794，顯然省會城市>地級市>直轄市，這與城市水資源利用綜合效率和純技術效率的分布規律亦不同，省會城市和地級市城市水資源利用的規模效率顯著，而直轄市則依靠技術提高城市水資源利用效率，規模增長較粗放，這也證實了Henderson提到的大城市相關要素的過度集中反而可能會產生規模不經濟的結論。

城市水資源利用的規模收益方面，2014年有14個城市處于規模報酬不變階段，包括12個規模效率有效的城市，說明該城市水資源利用投入的資源得到了合理分配利用，投入—產出比實現了帕累托最優配置原則。而非規模效率有效的270個城市中，城市水資源利用體系處于規模報酬遞減階段的有68個，占全部城市的23.94%，這些城市的水資源利用普遍存在規模過大的情況；處于規模報酬遞增階段的城市有202個，占全部城市的71.13%，該類城市水資源利用則普遍處于規模不足狀態。

3　中國城市水資源利用效率的時空演化

3.1　總體變化趨勢

表2顯示了2010—2014年中國地級及以上城市水資源利用效率值，5 a間綜合效率的平均值為0.454，一直處于低效率狀態，但呈現逐年上升的演變態勢，2014年達到近五年的最高值，為0.497；其中5 a間水資源利用效率平均值最高的10個城市依次為玉溪市(1)、茂名市(1)、鄂爾多斯市(1)、朔州市(0.925)、佛山市(0.924)、中山市(0.893)、大慶市(0.880)、東莞市(0.852)、克拉瑪依市(0.843)、東營市(0.836)，相應的效率值最低的10個城市依次為黃岡市(0.204)、渭南市(0.209)、阜新市(0.229)、臨滄市(0.231)、麗江市(0.231)、普洱市(0.241)、上饒市(0.242)、伊春市(0.246)、云浮市(0.261)、貴陽市(0.261)。2014年與2010年相比，有多達240個城市的水資源利用效率有所增加，增幅最大的3個城市依次是西安市(+2.058)、烏海市(+0.719)和安康市(+0.71)；有35個城市的水資源利用效率有所降低，降幅最大的3個城市依次為宜昌市(-0.425)、中山市(-0.332)及東莞市(-0.327)；有5個城市的水資源利用效率保持不變，包括鄂爾多斯市、茂名市、梅州市、酬市、玉溪市，其中除梅州市和酬市外，其余三城市均處于水資源利用有效階段。表明中國城市發展中水資源高效利用的潛力較大，隨著經濟社會的發展，資源環境與經濟發展的協調問題日益得到重視，資源配置逐步優化，城市水資源利用效率逐年提高，仍有較大的改善空間。

表2　2010-2014年中國城市水資源利用綜合效率平均值

3.2　三大地帶、不同行政級別城市水資源利用效率演化差異

中國三大地帶方面(表2)，2010—2014年城市水資源利用效率的分布與三大地帶的經濟發展格局有所不同，呈現出東、西、中遞減分布的特點，體現了“東高中低”的分布態勢，效率較高的城市集中于經濟最為發達的東部地區，而效率較低的城市則集中于中部。具體來看，2010—2014年東部地區的城市水資源利用效率平均水平為0.5；西部地區次之，為0.457；中部地區最低，僅為0.406。三大地帶中，僅東部城市水資源利用效率均值超過全國平均水平，西部城市水資源利用效率均值與全國水平基本吻合，而中部城市水資源利用效率則在全國平均水平以下。

如表2所示，2010—2014年中國城市水資源利用效率的分布與城市行政級別格局亦不同，呈現出按直轄市、地級市、省會城市遞減的分布態勢。研究期內，中國直轄市、省會城市、地級市的城市水資源利用效率平均值分別為0.566，0.433，0.455，直轄市水資源利用效率均值超過全國平均水平，地級市于2010—2013年亦如此，而省會城市水資源利用效率均值則一直低于全國均值。

3.3　規模報酬時空演化

2010—2014年，中國大多數地級及以上城市水資源利用效率皆處于規模報酬遞增階段，說明中國城市水資源利用體系仍沒擺脫粗放式發展，但隨著經濟社會發展和技術進步，城市水資源利用效率有所提高。此外，5年間有38個城市一直處于規模報酬遞減階段，分別為北京市、天津市、唐山市、太原市、包頭市、沈陽市、大連市、鞍山市、長春市、哈爾濱市、上海市、南京市、無錫市、常州市、蘇州市、杭州市、寧波市、溫州市、臺州市、合肥市、福州市、廈門市、泉州市、濟南市、青島市、淄博市、鄭州市、武漢市、廣州市、深圳市、珠海市、汕頭市、江門市、惠州市、重慶市、成都市、貴陽市、烏魯木齊市。其中大部分城市位于東部發達地區，19個城市為直轄市或省會城市，大多具有全國或區域中心城市的共同特征。相比于中國其他城市，這些城市的發展水平較高，擁有較多區位優勢，生產要素投入增加的比率大于產出的比率。因此，該類城市應優化水資源利用體系的投入要素，從關注要素的數量向要素的質量轉變，合理分配利用投入資源，優化產業結構，提高技術水平和勞動力素質，加強節水意識，以提高城市水資源利用效率。

研究期間，有3個城市(鄂爾多斯市、茂名市和玉溪市)水資源利用綜合效率一直有效(效率值為1)且始終處于規模收益不變階段，這3個城市均已達到技術和規模有效，其投入的資源得到合理分配利用，投入—產出比實現了帕累托最優配置。其中鄂爾多斯市和玉溪市為經濟比較單一的資源型城市，而茂名市作為濱海城市具有較強經濟實力，是中國南方重要的石化生產出口基地和廣東省的能源基地。

3.4　城市水資源利用效率的空間演化

圖4顯示了2010年與2014年中國地級及以上城市水資源利用效率的時空特征。顯然，總體上2014年城市水資源利用效率相較2010年有所提高，且東部地區的城市水資源利用效率一直高于中西部地區。三大地帶方面，2010年與2014年城市水資源利用效率的格局均為東部>西部>中部；2014年與2010年城市水資源利用效率相比，增長幅度由大到小依次為中部(+0.203)、西部(+0.193)、東部(+0.144)。城市行政級別方面，2010年城市水資源利用效率的格局為直轄市>地級市>省會城市，而2014年城市水資源利用效率的格局為直轄市>省會城市>地級市；2014年與2010年城市水資源利用效率相比，增長幅度由大到小依次為省會城市(+0.263)、地級市(+0.170)、直轄市(+0.136)，這與空間格局的變化相一致，說明近5年省會城市水資源利用效率水平有較大提升。

圖42010年與2014年中國城市水資源利用效率空間分布

4　結 論

(1) 中國城市水資源利用效率總體較低，大多處于無效狀態，但近五年有緩慢提高的趨勢，且東部城市和省會城市增幅較大；(2) 三大地帶方面，2010—2014年城市水資源利用綜合效率呈現東部>西部>中部的格局，純技術效率呈西部>東部>中部的態勢，規模效率則為東部>中部>西部；(3) 城市行政級別方面，2010—2014年城市水資源利用綜合效率和純技術效率皆呈直轄市>地級市>省會城市，規模效率則為省會城市>地級市>直轄市；(4) 中國城市水資源利用效率低總體上是由純技術效率低導致的，但空間上存在差異，中部和省會城市主要是純技術無效，而西部和地級市城市則主要是規模無效；(5) 2010—2014年中國大多數地級及以上城市水資源利用效率皆處于規模報酬遞增階段，水資源利用體系仍未擺脫粗放式發展。因此，提高城市水資源利用效率，應根據三大地帶及不同行政級別城市的空間差異，在水資源利用技術進步和合理優化配置投入要素等方面采取相應措施，構建集約節約的水資源利用體系，提高水資源重復利用率，促進水資源循環利用。與已有研究相比，本文得出中國絕大多數地區水資源利用沒達到DEA有效，但近年來水資源利用效率呈緩慢上升趨勢，總體上由東向西依次遞減，這與已有研究結果一致。同時從城市層面，對城市行政級別和規模報酬進行了分析，探討了中國水資源利用效率的時空格局，為水資源利用與城鎮化、經濟協調可持續發展區域政策制定提供了參考，有一定的應用價值。此外，由于數據可獲得性等局限，本文的研究對象未包含中國所有地級及以上城市，僅探討了2010—2014年中國284個地級及以上城市水資源利用效率的時空格局，對其時空差異僅有初步的理解與判斷，而對造成其演變的原因并未進行深入分析，還需進一步探討，且僅選取勞動力、供水總量、資本存量、生產總值作為DEA模型的輸入輸出參量，可能會在一定程度上影響水資源效率分析精度，這亦需在以后的研究中進一步深化。

參考文獻:

[1]趙良仕,孫才志,鄭德鳳.中國省際水資源利用效率與空間溢出效應測度[J].地理學報,2014,69(1):121-133.

[2]高媛媛,許新宜,王紅瑞,等.中國水資源利用效率評估模型構建及應用[J].系統工程理論與實踐,2013,33(3):776-783.

[3]高雄,王紅瑞,高媛媛,等.基于迭代修正的水資源利用效率評價模型及其應用[J].水利學報,2013,44(4):478-488.

[4]廖虎昌,董毅明.基于DEA和Malmquist指數的西部12省水資源利用效率研究[J].資源科學,2011,33(2):273-279.

[5]趙晨,王遠,谷學明,等.基于數據包絡分析的江蘇省水資源利用效率[J].生態學報,2013,3(5):1636-1644.

[6]Ren C, Guo P, Yang G, et al. Spatial and temporal analyses of water resources use efficiency based on data envelope analysis and malmquist index: Case study in Gansu Province, China[J]. Journal of Water Resources Planning & Management, 2016,142(12):04016066.

[7]竇燕.烏魯木齊市各區縣水資源利用效率研究[J].干旱區資源與環境,2014,28(10):164-168.

[8]Deng G, Li L, Song Y. Provincial water use efficiency measurement and factor analysis in China: Based on SBM-DEA model[J]. Ecological Indicators, 2016,69:12-18.

[9]錢文婧,賀燦飛.中國水資源利用效率區域差異及影響因素研究[J].中國人口·資源與環境,2011,21(2):54-60.

[10]馬海良,黃德春,張繼國.考慮非合意產出的水資源利用效率及影響因素研究[J].中國人口·資源與環境,2012,22(10):35-42.

[11]魏楚,沈滿洪.水資源效率的測度及影響因素:基于文獻的述評[J].長江流域資源與環境,2014,23(2):197-204.

[12]買亞宗,孫福麗,石磊.基于DEA的中國工業水資源利用效率評價研究[J].干旱區資源與環境,2014,28(11):42-47.

[13]佟金萍,馬劍鋒,王慧敏,等.農業用水效率與技術進步:基于中國農業面板數據的實證研究[J].資源科學,2014,36(9):1765-1772.

[14]戴永安.中國城市效率差異及其影響因素:基于地級及以上城市面板數據的研究[J].上海經濟研究,2010(12):12-19.

[15]賀正楚,吳艷,周震虹.中國各省市農業投入與產出的效率評價[J].經濟地理,2011,31(6):999-1002.

[16]Charnes A, Cooper W W, Rhdes E L. Measuring the efficiency of dicision makingunits[J]. European Journal of Operational Research, 1978,2(6):429-444.

[17]劉文菊.基于DEA的區域水資源利用效率研究[D].沈陽:遼寧大學,2015.

[18]沈滿洪,陳慶能.水資源經濟學[M].北京:中國環境科學出版社,2008.

[19]吳文斌,劉燕妮,胡崢.基于DEA模型的省際水資源利用效益比較[J].中國新技術新產品,2008(8):190-191.

[20]張嬌,殷群.我國企業孵化器運行效率差異研究:基于DEA及聚類分析方法[J].科學與科學技術管理,2010(5):171-177.

[21]黃潔,吝濤,胡燈進.基于網絡分析的生態建設評估指標體系定量選取:以福建省為例[J].生態學報,2015,35(3):686-695.

[22]董戰峰,喻恩源,裘浪,等.基于DEA模型的中國省級地區水資源效率評價[J].生態經濟,2012(10):43-47.

[23]張軍,吳桂英,張吉鵬.中國省際物質資本存量估算:1952—2000[J].經濟研究,2004(10):35-44.

[24]陳群元,宋玉祥.城市群空間范圍的綜合界定方法研究:以長株潭城市群為例[J].地理科學,2010,30(5):660-666.

[25]潘竟虎,尹君.中國地級及以上城市發展效率差異的DEA-ESDA測度[J].經濟地理,2012,32(12):53-60.