京津冀城市群用水效率及其與城市化水平的關系

海 霞,李偉峰,王 朝,周偉奇,韓立建,錢雨果

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

在經濟全球化和信息全球化的大背景下,京津冀城市群城市化發展和一體化進程日漸加快。然而,快速的城市化加劇了該區水資源供需矛盾,南水北調工程極大地緩解了京津冀缺水危機,但是長期依靠客水的供水模式難以長期為繼。為全面緩解京津冀城市群水資源供需矛盾,國家從十八大以來也陸續頒布了“用水效率三條紅線”、《京津冀水資源協同發展規劃》等“剛性約束”文件[1- 3]。目前,京津冀城市群內部用水效率良莠不齊,以2015年單位GDP用水量為例:北京和天津市單位GDP用水量僅分別為12.47 m3/萬元和13.79 m3/萬元,而衡水、邢臺兩市單位GDP用水量分別為92.76 m3/萬元和126.06 m3/萬元,遠高于89.03 m3/萬元的全國平均水平,不同城市存在巨大鴻溝[3]。因此,提高用水效率是緩解京津冀水資源供需矛盾乃至實現京津冀城市群可持續發展的必由之路。

京津冀城市群城市化發展水平與用水效率之間的相互關系尚不明確。截至2015年底,京津冀農業、工業和生活用水量之比為63∶14∶23,然而一產、二產和三產GDP產值比分別為11∶44∶45,各行業用水結構與其經濟貢獻之間嚴重失衡,用水效率差異是造成其失衡的核心根源之一。京津冀城市群用水效率如何？城市化發展對用水效率有何影響？探討不同行業用水效率差異,闡明人口、經濟、社會、土地城市化發展水平與生活、農業和工業用水效率的相互關系,有助于揭示京津冀城市化可持續發展與水資源短缺的激烈矛盾,為進一步優化京津冀城市發展布局和行業用水模式提供理論支撐。

隨著全球城市化的不斷推進,城市地區水資源供需矛盾日益突出,阻礙了城市化的可持續發展,因此近年來探究水資源系統與城市化系統之間相互關系的研究日漸豐富[4]。首先,從城市化系統對水資源系統的脅迫方面,Fitzhugh等人[5]研究得出洛杉磯、紐約、亞特蘭大等美國五大城市的城市化發展擠占了大量的生態用水。Cole等人[6]指出美國、日本等國家隨著居民人均收入的增加用水量呈現大幅上升趨勢。其次,從水資源系統對城市化系統的限制角度,呂素冰等人[7]提出中原城市群隨著城市用水需求的增長,水生態系統遭到破壞,用水效益也不斷下降。王宇飛等人[8]和李娜等人[9]分別表明皖江經濟帶以及遼寧沿海經濟帶的水資源利用水平對城市化進程的約束有所降低。然而,由于水資源系統受自然界與人類活動的綜合影響,單從水資源量角度評價城市化系統與水資源系統的相互關系并不準確[10]。單純地考慮水資源量管理并不能解決缺水問題,從根本上提高水資源利用效率才是解決水資源供需不平衡的有效途徑[11]。

在用水效率與城市化的相關研究中,一方面,孫才志[12]、佟金萍[13]、蓋美[10]等人分析了水資源利用效率的空間效應與區域差異,但沒有深入研究區域經濟發展水平對用水效率的影響。另一方面,陳素景[14]、孫愛軍[15]等人分析了用水效率與經濟發展的相互關系,但是對經濟發展的理解較為單一,沒有系統的研究城市發展的人口、土地、社會等多方面因素對用水效率的聯動效應?；谏鲜鲅芯勘尘芭c進展,關于京津冀城市群水資源利用效率與城市化發展相互關系研究,當前存在的主要問題為:①以京津冀三地為對象的研究居多,缺乏城市群尺度的不同行業用水效率的深入研究;②對于城市化的發展與各行業用水效率的聯動作用,目前尚沒有系統研究。

綜上所述,本研究采用超效率模型,在定量評價京津冀城市群工業、農業和生活三大行業用水效率的基礎上,從人口、社會、經濟、土地各個角度深入分析了京津冀城市化發展與用水效率的相互聯動和匹配效應,以期為優化區域城市發展布局及提高用水效率提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

京津冀城市群包括北京、天津兩個直轄市和河北全境11市(包括石家莊市、唐山市、秦皇島市、保定市、廊坊市、滄州市、衡水市、邢臺市、邯鄲市、張家口市、承德市),位于我國環渤海經濟圈腹地,也處于我國八大流域中水資源最為貧瘠的海河流域,人均水資源量不足500 m3/人[16]。截至2015年底,全區常住人口1.11億人,常住人口城市化率56.52%,人均GDP達5.09萬元/人,是我國典型的人多水少,且自然資源和社會經濟雙重缺水型區域。

本研究以2005—2015年為例,分析了京津冀城市群用水效率及其與城市化發展水平的相互影響。數據來源為2005—2015年《北京市水資源公報》、《天津市水資源公報》、《河北省水資源公報》以及2006—2016年《中國城市統計年鑒》、《北京市統計年鑒》、《天津市統計年鑒》、《河北省統計年鑒》及河北省各地級市統計年鑒等。

2 研究方法

2.1 用水效率評價指標體系及其評價方法

“用水效率”,即水資源生產活動在既定產出的情況下所需的相對最少資源投入量[13]。目前,運用較為廣泛的用水效率評價方法有隨機前沿分析法和數據包絡法。這兩種方法分別由Farrel[17]、Charnes[18]提出,可以將水資源與相關的社會經濟生產要素結合起來,并能夠從投入產出角度全面的衡量水資源利用狀況。其中,數據包絡模型基于線性優化理論,規避了多元非線性參數設定導致的評價結果誤差,更易于揭示系統內部的相互關系,因此更適用于不同區域的比較分析[19]。

首先,用水效率的投入指標層面,主要包括資源投入、勞動力投入和資本投入三大組成(表1)。水資源是京津冀居民生活以及工業、農業、服務業生產的不竭源泉,勞動力即各行業從業人員,是完成各項生產活動的基本載體,資本投入是勞動生產率提高和經濟增長的有力保障。其次,為全面評價用水效率,對生活、工業和農業生產用水指標體系,還分別選取了教育支出、科技支出、農業機械化水平等典型投入要素,選取依據為:①京津冀城市群不同城市教育資源投入水平和教育質量差異較大,北京和天津是全區乃至全國重要的人才培養基地,河北省教育資源相對較少,因此選取教育支出指標可以反映居民文化素質差異對家庭生活用水效率的影響。②由于工業化發展水平的差異,京津冀不同城市在工業生產過程中科技投入力度也差異較大,北京、唐山、天津等市工業化進程相對較快,因此科技支出可以表征科技投入差異對不同城市工業節水的促進作用差異[2]。③由于京津冀城市群不同城市農業經濟占比差異較大,比如保定、石家莊等糧食生產基地的農業機械耕種、收割規模遠高于其他工業或服務業為主導的城市。因此農業機械化水平差異可以充分體現農田水利發展對不同城市農業用水效率的提升差異[1]。最后,產出指標層面,經濟產出是用水活動的最直接績效,因此選取各行業GDP產值[20- 21]。

基于以上指標體系,本研究采用規模報酬不變(CRS)假設下的超效率數據包絡模型(SE-DEA模型)計算京津冀城市群不同行業的用水效率,具體計算過程由DEA-SOLVER Pro 5.0軟件實現。數據包絡模型(data envelopment analysis model,簡稱DEA模型)是基于線性規劃理論評價多個決策單元(DMU)相對效率的非參數方法[17]。它以多個投入產出值構造的生產前沿面為基礎,將處于前沿面以上的決策單元稱為DMU效率有效(效率值θ為1),反之則無效(效率值θ<1)。

由于傳統DEA模型無法為多個效率為1的DMU進行效率排序,Andersen等[22]提出超效率模型(SE-DEA)模型,具體如公式(1)所示。

表1 京津冀城市群用水效率評價投入產出指標體系

生活用水量包括居民家庭生活用水量和服務業用水量。農業機械化水平由機耕面積、機播面積、機收面積綜合表征,權重分別為0.4、0.3和0.3

(1)

式中,x為投入向量,y為產出向量,j代表決策單元,o代表待評價決策單元,n為決策單元的個數,i代表投入要素,m代表投入要素總個數,r代表產出要素,s代表產出要素總個數,λ為權重變量,θ(0<θ≤1)表示決策單元的效率值。

2.2 城市化水平評價指標體系及其測度方法

城市化不僅僅是人口的集聚化過程,還包括土地的集約高效利用、社會經濟的快速發展和人們生活方式的改變[23]。京津冀城市群作為我國社會、經濟、政治、文化的重要腹地,具有綜合發展水平較高,發展速度較快和發展水平差異較大的特點。北京、天津兩地是全區人口、科技、交通等要素凝聚和膨脹的極核,吸引了大量的產業和資本,而河北省11個城市經濟增長相對落后,且不同城市呈現出不同的城市化發展模式。如石家莊、保定、唐山市是重要的工業和農業基地,張家口和承德地區旅游業較為發達,工業發展相對緩慢,滄州、秦皇島等沿海城市服務業增長較快。綜上所述,本研究針對京津冀城市群城市化發展高水平、快節奏、多層次的特點,從人口、社會、土地和經濟4個方面綜合測度京津冀城市群的城市化水平[23- 24]。指標體系中不僅從城市化規模和農轉非程度考慮各類指標的典型性,也兼顧其他對用水效率有較大影響的指標,如教育支出、城鎮居民人均消費支出等(表2)。

本研究主要運用熵權法計算各類城市化率。針對每一個評價指標,為了充分表征京津冀不同城市之間的差異波動對城市化綜合水平的影響,本研究采用了熵權法[24],對各類城市化指標賦權,主要步驟如下:

1)建立原始矩陣:X=(Xij)m×n,其中,Xij為變量原始值,代表第i類城市化水平的第j個指標的數值,m為城市化類型數,r為每類城市化水平的指標數。i=1,2,...,m;j=1,2,...,r。

2)數據無量綱化:為解決各指標不同量綱導致的無法直接匯總問題,本研究運用極差標準化得分法對各指標Xij逐一進行消綱,公式如下:

表2 京津冀城市群城市化水平評價指標體系

(2)

式中,Z(Xij)為變量Xij標準化后值,max(Xij)和min(Xij)分別為變量Xij的最大值和最小值。

3) 計算各評價指標的權重Wij。

4) 計算各類城市化率Ai:

(3)

5) 計算綜合城市化率S: 先計算各類城市化率權重WAi,其次對各類城市化率加權求和:

(4)

2.3 城市化與用水效率的相關性分析方法

為探究京津冀城市化發展與用水效率的相互影響,本研究運用Pearson相關分析法計算了各類城市化水平與各行業用水效率的相關系數。Pearson相關分析的原理為:

(5)

式中,Pc為相關性系數,為N樣本個數,x和y分別對應兩組變量的數據序列,Pc的絕對值越大,x和y相關性越強。

2.4 城市化水平與用水效率的匹配程度分析方法

為進一步明確京津冀城市群內部不同城市的用水效率與城市化發展的關系,本研究結合Z-score標準化的思路將京津冀生活、工業以及農業用水三類用水效率依次分為A(高效型)、B(中效型)、C(低效型)3個梯度,并將京津冀人口、經濟、社會和土地四類城市化水平依次分為Ⅰ(偏高型)、Ⅱ(居中型)、Ⅲ(偏低型)3個梯度,并觀察用水效率梯度與城市化水平梯度是否相互匹配(城市化水平和用水效率均相對較高視為高層次匹配,兩者均相對居中視為中度匹配,兩者均相對最低的情況視為低層次匹配,其他情況視為不匹配)。具體步驟如下:

(1)城市化水平和用水效率原始數據的Z-Score標準化

分別建立城市化和用水效率的原始矩陣:XU=(Xij)m×r和XW=(Xip)m×q,其中,Xij為城市化水平的原始值,代表第i類城市的第j種城市化水平的數值,m為城市數,r為城市化水平類型數。i=1,2,...,m;j=1,2,...,n。Xip為用水效率的原始值,代表第i個城市的第p類用水類型的效率,q為用水效率類型數,p=1,2,...,q。

(6)

(7)

(2)用水效率梯度劃分

分別針對生活、農業和工業三大行業用水,依據Z-score正態分布標準化后的數據分布情況,可將京津冀13個城市大致分為以下3種用水效率水平梯度,分別為高效型(A型,生活、工業、農業和綜合四類用水效率標準化值均大于0,數值符號為“+”),中效型(B型,生活、工業等四類用水效率標準化值負混合,數值符號為“+”或“-”)和低效型(C型,生活、工業等四類用水效率標準化值均小于0,數值符號為“-”)(表3)。

根據劃分結果得,京津冀城市群內部,唐山、滄州和衡水市整體用水效率較高,屬于A(高效)型,綜合、生活、工業和農業用水效率均為正值,高于全區平均水平。其次,北京、天津等8個城市屬于B(中效)型,不同行業用水效率水平參差不齊。最后,邢臺和邯鄲市屬于C(低效)型梯度城市,用水效率整體偏低,體現在綜合、生活、工業和農業用水效率均相對落后。

表3 2006—2015年京津冀城市群用水效率水平梯度

表中數據僅代表各行業用水效率數據的Z-Score標準化值，用于表征城市化水平的高低梯度。正數表征用水效率梯度相對較高，負數表征用水效率梯度相對較低

(3)城市化水平梯度劃分

如表4所示, 綜合考慮人口、土地、社會與經濟四要素,依據Z-score正態分布標準化后的數據分布情況,可將京津冀13個城市大致分為以下3種綜合城市化水平梯度,分別為城市化水平偏高型(Ⅰ型,五類城市化水平標準化值均大于0,符號為“+”),城市化水平居中型(Ⅱ型,五類城市化水平標準化值混合分布,符號為“+”或“-”)和城市化水平偏低型(Ⅲ型,五類城市化水平標準化值均小于0,符號為“-”)

根據分類結果可知,首先,北京和天津市屬于人口、經濟等五類城市化水平均偏高的I型城市,綜合城市化水平標準化值均大于0。其次,石家莊、唐山和秦皇島市城市化水平次之,屬于II型,城市化水平相對居中。最后,邯鄲、邢臺、衡水等其他8個城市各類城市化水平相對最低,整體上城市化水平均低于I型和II型城市。

表4 2006—2015年京津冀城市群城市化水平梯度

表中數據僅代表城市化水平數據的Z-Score標準化值，用于表征城市化水平的高低梯度;正數表征城市化水平梯度相對較高，負數表征城市化水平梯度相對較低

3 研究結果與分析

3.1 用水效率時空變化特征

3.1.1 綜合用水效率時空變化特征

總的來說,2006—2015年間京津冀城市群綜合用水效率呈現上漲趨勢,年均增長1.25%。從空間分布特征來看,唐山、滄州和衡水市綜合用水效率較高,年均綜合用水效率分別為0.90、0.90和0.91,邯鄲、張家口市年均綜合用水效率較低,均不足0.70;從時間變化趨勢來看,綜合用水效率增長最快的依次為天津、廊坊和承德市,年均增長率均高于3.50%,下降較明顯的城市為唐山市,年均下降1.04%(圖1)。

圖1 2006—2015年京津冀城市群綜合用水效率時空變化特征Fig.1 Spatiotemporal characteristics of comprehensive water use efficiency in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion form 2006 to 2015

3.1.2 生活用水效率時空變化特征

總體上,京津冀城市群生活用水效率隨著時間的推移略有下降,由2006年的0.76下降至2015年的0.72,年均下降0.44%。從空間分布特征來看,生活用水效率總體較高的城市為北京、唐山和天津市,年均生活用水效率分別為0.95,0.91和0.90;從時間變化特征來看,天津、衡水和廊坊市生活用水效率提高較快,年均增長分別為4.55%,5.48%,6.52%,天津市生活用水效率提升主要得益于第三行業從業人員和第三行業固定資產投資的投入相對減少和合理化,而衡水和廊坊市提升效率的關鍵是生活用水量冗余的逐年降低。秦皇島市生活用水效率下降明顯,由2006年的1.17下降至2015年的0.82,年均下降5.58%,主要原因為第三行業從業人員和教育支出的過快增長,從而產生了大量投入冗余(圖2)。

圖2 2006—2015年京津冀城市群生活用水效率時空變化特征Fig.2 Spatiotemporal characteristics of domestic water use efficiency in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion form 2006 to 2015

3.1.3 工業用水效率時空變化特征

如圖3所示,2006—2015年,京津冀城市群整體工業用水效率也呈整體下降趨勢,年均下降0.22%。從空間分布特征來看,年均用水效率水平較高的城市為滄州、保定、衡水、廊坊和天津市,年均用水效率均高于0.90,年均用水效率最低的城市為秦皇島和張家口市,年均用水效率值均不足0.60;從時間變化特征來看,其中保定、衡水等4個城市用水效率逐年下降,而天津市工業用水效率增長趨勢明顯,年均增長率3.37%,主要得益于工業用水量的合理控制和第二行業從業人員數量的相對下降。

3.1.4 農業用水效率時空變化特征

如圖4所示,2006年至2015年,京津冀農業用水效率提高較快,平均農業用水效率值由0.60提高至0.93,年均增長率達3.66%。從空間分布特征來看,農業用水效率最高的城市為秦皇島和唐山市,北京和天津市農業用水效率最低;從時間變化特征來看,北京和衡水市農業用水效率略有下降外,其余城市農業用水效率水平均呈快速增長趨勢。其中,秦皇島市增長幅度最大,年均增長率達10.14%,從投入產出冗余角度分析可知,秦皇島市近年來農業用水量快速縮減,且農業用地面積和化肥施用量也相應的快速減少,投入冗余大幅下降,而產出相對不變,因此用水效率提高。

圖4 2006—2015年京津冀城市群農業用水效率時空變化特征Fig.4 Spatiotemporal characteristics of agricultural water use efficiency in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion from 2006 to 2015

3.2 用水效率與城市化的相互關系

3.2.1 Pearson相關性分析結果

總體上,京津冀城市群用水效率與城市化發展水平密切相關,但是,城市化發展水平對不同行業用水效率的聯動影響明顯不同(表5)。

一方面,生活用水效率與城市化水平呈現顯著正相關關系,而工業和農業用水效率與城市化水平呈負相關關系。結果表明,京津冀城市群城市化水平的提升有助于生活用水效率的提高,而對工業和農業用水效率的提高反而是負面影響。原因分析如下:①城市化的發展提高了生活用水效率,從投入角度,生活用水量投入的大幅降低,表明近年來京津冀城市發展過程中再生水回用、節水器具改造、階梯水價制度實施等生活節水工作的成效十分顯著[25- 26]。②人口和土地城市化與農業用水效率負相關,相關系數均為-0.40,表明人口與土地城市化的提升會引起農村勞動力的減少以及建設用地對農用土地的侵占,進而可能會而對農業用水效率產生負向影響[27]。③工業用水效率僅與土地城市化水平顯著負相關,表明土地城市化水平的提高拓展了京津冀工業生產規模,工業資本、勞動力等生產資料投入大幅增加,從而出現投入冗余的局面,工業用水效率下降。

另一方面,京津冀綜合用水效率僅與經濟城市化水平呈顯著相關性,相關系數為0.19,表明京津冀用水效率的變化根本上是受到經濟城市化的帶動和影響,因此為提高全區用水效率,還需要進一步調整和優化行業結構[28]。

表5 京津冀城市群用水效率與城市化水平的相關性分析結果

**表示在.01水平(雙側)上顯著相關,*在0.05水平(雙側)上顯著相關

3.2.2 匹配狀態分析結果

總體上,京津冀城市群不同城市的城市化水平梯度與用水效率梯度的匹配狀態較差。京津冀城市群內部13個城市中,僅有石家莊、秦皇島、邯鄲、邢臺4個城市達到城市化水平和用水效率相對匹配,達到匹配的城市占京津冀城市總數的30.77%,匹配程度較低。京津冀不存在城市化水平和用水效率均較高的AⅠ匹配型城市,因此京津冀城市化水平和用水效率的匹配層次較低(表6)。

表6 京津冀城市群用水效率與城市化水平梯度的匹配狀態

在城市化水平和用水效率匹配的城市中:第一、石家莊和秦皇島城市化水平和用水效率均居中,屬于BⅡ匹配型城市,城市化水平和用水效率均有待提高。第二、邯鄲和邢臺市城市化水平相對較低,用水效率也落后于其他城市,屬于CⅢ匹配型城市,匹配狀態最不理想。從區位布局來看,邯鄲和邢臺市位于京津冀最南端,遠離北京、天津、唐山等經濟高速發展的城市,因此交通、信息相對封閉,科技創新和交流水平較弱,不利于經濟發展,也阻礙了用水效率的提高[2,29]。

在城市化水平和用水效率梯度不匹配的城市中:第一:北京和天津市城市化水平最高,但是城市化水平居中,因此京津冀不存在城市化水平和用水效率均較高的AⅠ匹配型城市。究其原因,雖然京、津兩市具有良好的科技資源,具有較高的節水技術[25],但北京市農業和工業用水過程中勞動力和水資源量投入較多,從而投入產出不合理造成效率較低,而天津市由于農業用水量和用地面積較大也導致農業用水效率較低。第二:唐山、衡水、承德等7個城市城市化水平梯度居中或偏低,但是這些城市的城市化水平梯度均高于用水效率梯度,說明城市化水平高低并不是用水效率優劣的決定性因素,在經濟發展相對較慢的地區,資源開發力度、勞動力聚集密度和資本投入力度也相對較低,因此浪費和冗余現象也較少,即合理的投入產出規模配置才是實現高效用水的關鍵[29- 30]。

4 結論

本研究以我國超大城市群京津冀為例,全面分析了城市化發展水平與用水效率的聯動影響。主要結論如下:

(1)京津冀城市群不同城市以及不同行業的用水效率差異較大

從京津冀城市群整體水平上看,生活和工業用水效率略有下降,農業用水效率大幅提升,年均增長3.36%。從城市群內部的空間分布看,除了唐山、滄州和衡水市各行業用水效率均較高,而邯鄲、邢臺市各行業用水效率均較低之外,其他多數城市不同行業用水效率差異較大,其中,北京和唐山市具有較高的生活用水效率,滄州、保定、衡水、廊坊和天津市工業用水效率突出,秦皇島和唐山市農業用水效率高于其他城市。

(2)京津冀城市化發展水平與用水效率存在密切的聯動作用

總體上,綜合用水效率僅與經濟城市化具有顯著正相關關系,表明經濟行業結構的調整對用水效率有明顯影響;不同行業之間用水效率與城市化的關系差異較大,其中,生活用水效率與人口、社會、經濟及土地城市化水平均呈顯著正相關,農業用水效率與人口、經濟等各類城市化水平負相關,工業用水效率僅與土地城市化水平負相關,揭示了土地城市化促進了工業規模的擴張并導致了工業生產資料的冗余現象。

(3)京津冀城市群不同城市的城市化發展水平與用水效率梯度的匹配狀態較差

城市化水平梯度與用水效率梯度的匹配狀態仍需改善。京津冀城市群達到匹配的城市僅占京津冀城市總數的30.77%,匹配程度較低;而且不存在城市化水平和用水效率均較高的AⅠ組合,匹配層次較低。據不同城市化水平與用水效率的匹配現狀研究,今后的京津冀協作發展應在合理分配水資源以及其他生產資料的基礎上,加快科技創新和交流,積極嘗試“區域復合關聯”、“集群產業鏈”等新型節水模式[29,31- 32]。

本研究明晰了京津冀用水效率特征以及城市化發展對用水效率的總體影響規律,但要揭示影響用水效率的關鍵因素,還需要進一步開展因子分析,明確不同因子對不同行業用水效率的影響程度,進而為不同行業用水效率的進一步提高提供科學指導。