基于投入產出表的山東省水資源利用狀況研究

孫秀秀， 王維平， 李文良， 曲士松

(濟南大學 水利與環境學院， 山東 濟南 250022)

投入產出表作為反映一定時期各部門間相互聯系和平衡比例關系的一種平衡表，目前已經廣泛應用于金融[1]、電力[2]、環境保護[3]等領域的研究。通過對傳統的投入產出表進行變形改進，還可得到水資源投入產出表[4]、環境經濟投入產出表[5]、能源投入產出表[6]等數據。相關學者對水資源投入產出表提出了不同的構建方式[7-8]，從而能夠從不同方面分析水在經濟活動中的流動。投入產出表在水利方面的應用非常廣泛，如Hristov等[9]對北馬其頓共和國各經濟部門的用水量及其相關關系進行了分析，發現農業、采礦采石業、食品飲料及電力、機械部門的耗水率很高，給水資源造成了巨大的壓力，并提出必須要促進生產技術和專業化水平的提高；呂平毓等[10]計算了重慶市2007年各產業的耗水系數，結果表明各部門間接耗水隱蔽性較高，不易察覺；Chen等[11]指出中國是虛擬水凈出口國，要減少高耗水產品、增加低耗水產品的出口，節約用水；劉雅婷等[12]核算了北京市2012年虛擬水的消耗和進出口，發現農業和制造業為主要虛擬水進口部門。此外，利用投入產出表還可對部門間用水的協調規劃[13-14]、水價[15]的配置進行分析。一個地區的水資源利用狀況會受產業結構和社會技術變化的影響，如：馬海良等[16]的研究表明，社會進步能夠提高用水效率；Bao等[17]提出產業結構優化有利于提高中國的用水效率；張樂勤等[18]研究發現，技術進步、結構變動因素對安徽省的用水效率都有一定的貢獻作用。在地區的產業結構和社會技術研究方面，投入產出表也發揮了重要作用[19-20]。

山東省是我國北方嚴重缺水的地區之一，多年平均水資源總量為308億m3，僅占全國的1%左右，人均水資源占有量僅315 m3，不足全國的1/6，僅為世界的1/24，水資源已成為制約經濟和社會發展的一個重要因素，因此，對近十幾年山東省的水資源利用情況變化以及其與社會結構、技術進步間的關系進行分析具有非常重要的意義。近年來，多位學者對山東省相關領域利用投入產出表進行了研究分析，如：張秋菊等[21]指出，2004—2014年期間山東省由第二產業帶動型向第二、第三產業“雙輪驅動”型轉變；蔡娜等[22]研究發現，山東省傳統工業所占比例較大；楊媛媛[23]調查了工業品出口貿易中灰色虛擬水問題，發現工業品出口規模的擴大會使得灰色水的輸出量增加，并且雖然山東省出口結構總體表現為優化，但局部存在惡化現象。以上研究涉及的時間序列較短，并且沒有對產業結構變化和社會進步給水資源帶來的影響進行分析。基于此，本文中根據1997、2002、2007、2012年投入產出表計算三大產業的用水效率、用水效益以及虛擬水的凈流出量變化，利用灰色關聯分析法判斷產業結構合理性、社會技術與三大產業用水效率的關系，以期為山東省水資源的合理利用和有效配置等提供判斷依據。

1 研究方法與數據來源

傳統的投入產出表是一個以貨幣為單位的矩陣，表示各部門之間的投入產出關系，與物理單位表示的水資源消耗量結合，就可以得到水資源投入產出分析模型，但是在進行年度間數據對比時，為了消除價格變動等因素，通常需要基于可比價投入產出表來進行。本文中借鑒安蕾等[24]構建的投入產出理論價格模型公式，以分配系數不受部門間產品比價的影響為原則，在投入產出表中存在增加值等于國內生產總值平衡關系的基礎上，首先利用三大產業的生產總值指數分別計算出以1997年為基準年的2002、2007及2012年的可比價附加值，再利用分配系數計算出可比價總投入以及三大產業的可比價中間投入，然后進行進一步分析。

1.1 水資源利用

本文中選取用水效率、用水經濟效益及虛擬水凈輸出量3個指標來反映山東省水資源利用狀況的變化，其中用水效率可從整體層面評價山東省水資源的利用效率，用水經濟效益可反映單位體積的水在產業中創造的經濟價值的變化，虛擬水凈輸出量能夠在一定程度上反映凝結在商品和服務中的水的凈輸出情況，從而能夠從不同方面評價山東省水資源利用的變化狀況，使評價結果較為全面、合理。

1.1.1 用水效率

H=(hj)，hj=wj/xj，

(1)

(2)

(3)

Z=(zj)，zj=wj/cj，

(4)

(5)

1.1.2 用水經濟效益

D=(dj)，dj=cj/wj，

(6)

(7)

(8)

1.1.3 虛擬水凈輸出量

某部門的虛擬水的凈輸出量wi的計算公式為

wi=qioi，

(9)

式中：qi為第i部門的用水定額，m3/萬元；oi為第i部門的凈輸出產品值，萬元。

1.2 產業結構合理化和技術進步變化

根據常浩娟[25]的研究，產業結構的合理化可采用結構偏離度值σSD來表示，即

(10)

式中：Yi為第i部門的產值，萬元；Y為所有部門的產值之和，萬元；Li為第i部門的就業人數；L為總的就業人數。σSD數值越大，產業結構越不合理。

根據代茂兵[26]研究結果，整個社會的社會技術可用指標值K′來表示,K′值越大，社會技術越落后，其表達式為

(11)

1.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析作為一種系統分析技術，將發展態勢量化再進行比較分析，是分析系統中各因素關聯程度的方法。本文中采用了曹明霞[27]提出的改進灰色關聯度模型，即

(12)

1.4 數據來源

我國投入產出表每5 a編制一次，2012年投入產出表是當時可得到的最新投入產出表。本文中選取了1997、2002、2007、2012年的山東省投入產出表，按照國家統計局的三次產業劃分規定，將投入產出表中各個部門合并為3個部門，即三大產業。三大產業國民生產總值指數和就業人口數來自山東省歷年統計年鑒，不同產業的用水量數據來自相應年份的山東省水資源公報。

2 結果分析

2.1 水資源利用情況

2.1.1 用水效率

由式(1)—(5)計算出用水效率的5個指標值，得到15 a來三大產業水資源利用效率的變化情況，如表1所示。

從表中數據的橫向對比發現，直接耗水系數、完全耗水系數、增加值直接耗水系數、增加值完全耗水系數最大的均為第一產業，除2012年第二產業的直接耗水系數外，最小的均為第三產業，說明第一產業的直接和總耗水量都較大，水資源利用效率相對較低，而第三產業的水資源利用率相對較高。除1997年外，耗水乘數最大的為第二產業，說明其間接耗水量非常大，這與第二產業中存在對水資源依賴性較強的產品有關，如：木材加工和家具部門，其原材料為樹木，樹木生長需水量較多；還有糕點、酒類、果脯蜜餞等食品的生產，其原材料主要是糧食、瓜果、酒精等，都對水資源依賴較強。耗水乘數最小的為第一產業。第一產業主要包括農林牧漁業，為原材料生產部門，對其他部門的依賴性不強，所以間接耗水量很小，再加上直接耗水量很大，導致直接與完全用水量之間的差別減小。

從表中數據的縱向對比發現，15 a來三大產業的耗水率均呈現不同程度的下降。其中直接耗水系數和增加值直接耗水系數下降幅度最大的均為第二產業，分別下降了91.96%、90.44%，第一、三產業直接耗水系數分別下降了64.86%、66.13%，增加值直接耗水系數分別下降了57.46%和71.15%；完全耗水系數和增加值完全耗水系數下降幅度最大的均為第三產業，為79.28%、79.19%，第一、二產業完全耗水系數分別下降了61.52%、77.25%，增加值完全耗水系數分別下降了54.02%、76.07%。上述數據說明，第二產業創造單位產值或增加值的直接用水量是減少最快的，第三產業創造單位產值或增加值所造成的整個經濟系統總用水量也是減少最快的，進一步說明了15 a來山東省所采取的節水政策及節水技術取得了一定的效果。第一、二產業的耗水乘數呈現增大趨勢，說明其發展帶來了國民經濟對水資源總需求量的增加。

表1 三大產業用水效率指標

2.1.2 用水效益

根據式(6)—(8)計算出用水效益的3個指標值，得到15 a來三大產業水資源利用效益的變化情況，如表2所示。從表中數據的橫向對比發現，除2012年外，第三產業的直接附加價值系數和完全附加價值系數都是最大的，第一產業的均是最小的，說明第三產業的用水效益最高，第一產業的最低。收入乘數最大的是第一產業，表明其完全附加價值遠遠超過直接附加價值，說明其對山東省的國民收入貢獻是最大的，是山東省的基礎產業；收入乘數最小的是第三產業，說明其收入變化對整個經濟系統總收入的影響程度較小，有待大力發展。

表2 三大產業用水效益指標

由表中數據的縱向對比發現，15 a來三大產業的用水效益顯著提高，其中2012年第一、二、三產業的直接附加價值系數較1997年分別提高了1.35、9.46、2.47倍，完全附加價值系數分別提高了5.13、7.27、2.86倍，第二產業用水效益提高最大。第一產業的收入乘數持續增大，第二產業的收入乘數總體呈現下降趨勢，第三產業的收入乘數則略微波動，說明第一產業作為基礎產業的重要性是不斷增加的，基于山東省水資源緊張的狀況，必須加強第一產業的節水提效。

2.1.3 虛擬水貿易量

根據式(9)計算出三大產業的虛擬水凈輸出量，結果見圖1。從圖中可以看出，第一產業的虛擬水凈輸出量遠遠大于第二、三產業的，并且大約在2004年由凈輸出變為凈輸入[28]，這有利于山東省水資源的節約利用，在一定程度上緩解水資源的緊缺局面。由圖1(b)可以看出，1997—2007年第二產業的凈輸出虛擬水量不斷增加，到2012年又有所減小，比2007年減少了46.05%，相較于1997年減少了10.87%；由圖1(c)可以看出，第三產業的虛擬水凈輸出量不斷增加，2002、2007、2012年增加的虛擬水量分別是1997年的3.00、26.00、45.00倍。只有重視虛擬水的凈輸出，減少高耗水產業部門，增加虛擬水的輸入，才有利于促進山東省水資源的可持續發展。

2.2 產業結構和社會技術

計算1997、2002、2007、2012年的產值和產業結構，結果見圖2、3。由圖2看出，15 a來三大產業的產值不斷增加，總產值增長最快的是2007年，比2002年增加了96.36%；第一、二、三產業產值增長最快的均為2007年，較2002年分別增加了26.67%、121.05%、86.84%，說明山東省經濟發展十分迅速。

由圖3可以看出，15 a來山東省的產業結構也發生了較大的變化，1997、2002、2007、2012年的三大產業結構比例分別為17.91∶47.76∶34.33、13.64∶51.82∶34.55、8.80∶58.33∶32.87、6.20∶60.38∶33.42。第一產業的占比逐漸降低，2012年占比相對于1997年下降了65.39%；第二產業的占比逐漸提高，2012年占比為60.38%，較1997年增加了26.42%； 第三產業的占比變化幅度不大，處于輕微波動狀態。從中可以看出，15 a來山東省第二產業的比例始終處于第一位，并且不斷增加，說明該省的經濟發展在很大程度上是由第二產業帶動的。

(a)第一產業

(b)第二產業

(c)第三產業圖1 山東省三大產業虛擬水凈輸出量圖

圖2 山東省三大產業可比產值變化圖

根據式(10)、(11)計算產業結構合理化程度及社會技術，結果見表3。從表中可以看出，15 a來山東省的產業結構趨于合理，但中間消耗不斷增加，社會技術表現為一定的退步，其原因可能是隨著社會發展，人們對中間消耗較大的產品需求增加，造成了相關部門的增加，如食品制造業、紡織縫紉及皮革工業等部門。

圖3 山東省產業結構變化圖

表3 產業結構合理化程度及社會技術指標

2.3 產業結構合理化、社會技術與用水效率的灰色關聯分析

運用灰色關聯分析法計算三大產業用水效率與產業結構合理化、社會技術的關系。以σSD、K′值作為參考數列，將三大產業的直接耗水系數、完全耗水系數、增加值直接耗水系數和增加值完全耗水系數記為4組，分別與其進行灰色關聯計算，得到相應的關聯度，其中σSD與四大耗水系數的關聯度用R表示，分別記為R1、R2、R3、R4；K′值與四大耗水系數的關聯度用r表示，分別記為r1、r2、r3、r4。計算結果見表4。

表4 產業結構合理化、社會技術與用水效率關聯度

由表可見，除第三產業的直接耗水系數與產業結構合理化程度的關聯度為負值外，產業結構合理化程度與四大耗水系數的關聯度R均為正值，說明產業結構合理化程度與用水效率為正相關關系，即產業結構越合理，越有利于用水效率的提高。其中，關聯度較大的為第二、三產業，說明第二、三產業用水效率的提升與產業結構合理化程度有較強的關聯，這與山東省大力發展新能源、機械設備、電子信息等耗水量較小的產業有關，并且近年來山東省也大力推進第三產業的發展。從社會技術與四大耗水系數的關系r來看，除第三產業的直接耗水系數與社會技術退步的關聯度為正值外，其他均為負值，說明社會技術退步與用水效率的提升為負相關關系，即社會技術進步與用水效率提升為正相關，社會技術進步有利于用水效率的提高，但是關聯度值總體較低，說明社會技術進步與用水效率提高的相關關系不大，一方面用水效率的提高可能與產業結構、部門調整有更強的關系，另一方面可能是K′值的選取存在一定的問題。K′值表示的是社會總中間投入量占社會總產出的比例，在一定程度上可反映社會技術的變化；但是，如果中間消耗水平較高的部門比例增加，就會造成K′值增大，社會技術表現為退步，從而帶來一定的誤差。總體來看，產業結構合理化和社會技術的進步有利于用水效率的提高。

3 結論

本文中依據山東省1997、2002、2007、2012年可比價投入產出表，計算了15 a來山東省三大產業用水效率、用水效益及凈輸出虛擬水量的變化，并利用灰色關聯分析法分析了用水效率與產業結構合理性、社會技術的關聯程度，得到以下主要結論：

1)三大產業直接耗水系數、完全耗水系數、增加值直接耗水系數和增加值完全耗水系數逐年減小，直接附加價值系數、完全附加價值系數逐年增大，說明15 a來山東省的用水效率和用水效益不斷提高。第一產業的虛擬水量由凈輸出轉變為凈輸入，第二、三產業的虛擬水均為凈輸出，但第二產業虛擬水的凈輸出量呈現減小趨勢，而第三產業虛擬水的凈輸出量一直在增加。

2)1997、2002、2007、2012年三大產業結構比例分別為17.91∶47.76∶34.33、13.64∶51.82∶34.55、8.80∶58.33∶32.87、6.20∶60.38∶33.42，第二產業為支柱產業，產業結構趨于合理，基于中間消耗意義的社會技術表現為退步。

3)用水效率與產業結構合理化程度、社會技術存在一定的關系。產業結構合理化和社會技術進步有利于用水效率的提高，總體來看，山東省的水資源利用狀況不斷改善，有利于水資源的可持續利用與發展。在下一步的研究中，應對表征社會技術的指標值進一步分析，尋求更準確的方式來描述社會技術。