黃河流域水資源利用效率分區(qū)研究

黨麗娟

(1.國家發(fā)改委國土開發(fā)與地區(qū)經(jīng)濟研究所，北京 100038；2.中國宏觀經(jīng)濟研究院國土開發(fā)與地區(qū)經(jīng)濟研究所，北京 100038)

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略。作為我國重要的生態(tài)屏障和重要的經(jīng)濟地帶，流域水資源短缺嚴重限制了流域的經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，威脅著流域乃至全國的生態(tài)文明安全。2018年，黃河流域地表水開發(fā)利用率高達71.6%，遠超過國際公認的40.0%的水資源開發(fā)生態(tài)警戒線。在有限的水資源供給條件下，提高水資源利用效率是平衡社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、水資源需求與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾的關鍵。因此，必須破除資源環(huán)境約束瓶頸，科學高效地利用水資源，促使發(fā)展方式由投入型向效率型轉(zhuǎn)變，使節(jié)水和生產(chǎn)相互協(xié)調(diào)，并促進產(chǎn)業(yè)增長方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化與結(jié)構(gòu)升級，真正實現(xiàn)綠色發(fā)展，從而推進流域生態(tài)文明建設和高質(zhì)量發(fā)展。

為保持重要生態(tài)系統(tǒng)的完整性、資源配置的合理性，按照地區(qū)經(jīng)濟和資源利用與黃河流域的關聯(lián)性原則，在分析生態(tài)保護和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展等領域時，根據(jù)實際情況將黃河干支流流經(jīng)的69個地市(州)確定為研究對象。受到數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑的限制，本文研究范圍中個別單元涉及長江、內(nèi)陸湖、海河等其他流域。

1 黃河流域水資源開發(fā)利用特征

1.1 黃河流域農(nóng)業(yè)用水占比高、水資源超載問題突出

黃河流域水資源貧乏且空間差異顯著，2018年流域水資源約占全國總量的2.70%，流域水資源總量在空間上呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢。流域以地表供水為主，地表供水占比達77.30%，地下水供水量相比其他流域較高。用水方面，農(nóng)業(yè)用水占比約70.00%，遠高于世界發(fā)達國家農(nóng)業(yè)用水占比40.00%的水平，但近20年來流域農(nóng)業(yè)用水占比已下降11.44%；工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水占比分別為14.36%、12.21%、4.37%，遠低于長江流域56.69%、37.98%、14.76%的水平[1]。

黃河流域水資源開發(fā)程度總體較高，屬重度利用類型。甘肅、河南、山西、內(nèi)蒙古的黃河水資源利用率分別為46.97%、54.03%、54.30%、59.54%，均超過40.00%的國際公認水資源開發(fā)警戒線；山東省水資源利用率為89.01%，水資源嚴重短缺，面臨生態(tài)惡化等問題；寧夏超過100%，為極限利用狀態(tài)，且該地區(qū)88.05%的供水來源為黃河水，如遇上連豐水或枯水年份，會造成頻繁的水旱災害，水資源安全受到極大挑戰(zhàn)。黃河流域高達37.14%的城市處于水資源極限利用狀態(tài)，水資源超載問題突出。

1.2 流域上游地區(qū)用水水平低于中下游地區(qū)，工業(yè)用水較為節(jié)約

黃河流域各項用水指標中，黃河流域工、農(nóng)業(yè)用水較為節(jié)約，2018年黃河流域灌溉畝均用水量、萬元工業(yè)增加值用水量相當于全國平均值的63%，流域上游地區(qū)的用水水平低于中下游地區(qū)。

農(nóng)業(yè)用水方面，受氣候土壤條件、作物結(jié)構(gòu)及需水量、灌溉設施技術等影響，上游農(nóng)業(yè)用水量明顯高于下游地區(qū)，低于全國平均水平的地市占比約62.90%；海西州(730m3/畝，流域最高值)為呂梁(51m3/畝，流域最低值)的14倍，空間差異顯著。寧蒙河套灌區(qū)和下游引黃灌區(qū)用水方式粗放低效，漫灌用水量占比高達80.00%，流域農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.490，低于全國0.554的平均水平，更與發(fā)達國家0.700～0.800的系數(shù)存在較大差距，表明黃河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力仍有進一步挖掘空間。

工業(yè)用水方面，黃河流域萬元GDP用水量為85.69m3，低于全國66.80m3的平均用水量；萬元工業(yè)增加值用水量為25.96m3，小于全國41.30m3的用水量，工業(yè)用水較為節(jié)約，用水水平已達到發(fā)達國家的用水水平。受自然資源稟賦、經(jīng)濟社會發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與空間布局及節(jié)水技術等影響，黃河流域高達68.60%的地市工業(yè)用水水平高于流域平均值，主要分布在太原城市群、呼包鄂榆地區(qū)、中原經(jīng)濟區(qū)、關中—天水地區(qū)等地，最高值、最低值相差約89倍，空間差異顯著。近20年來，黃河流域萬元工業(yè)增加值用水量減少約90.00%，這與我國實行最嚴格的水資源管理制度密切相關，可見通過合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)、推廣先進節(jié)水技術工藝，提高工業(yè)重復水利用率、減少工業(yè)廢水排放等措施能夠促進工業(yè)用水水平的提升。

2 基于DEA模型的水資源利用效率分析

2.1 水資源利用效率的測算評價方法與指標體系

目前水資源利用效率常用的評價方法為數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)模型法[2]。因此，本文利用數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)理論，基于用水的期望輸出(直接經(jīng)濟產(chǎn)出)和非期望輸出(污水排放)雙重視角選擇評價指標[3]，利用CCR模型對2000年、2018年黃河流域各地市的用水效率進行評價。輸入指標包括農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、生活用水量、勞動力和固定資產(chǎn)投資總額，其中各部門用水量數(shù)據(jù)分別來源于各省相應年份的水資源公報；以按三次產(chǎn)業(yè)劃分的就業(yè)人員總數(shù)表征勞動力投入；以固定投資總額表征資本投入，相關數(shù)據(jù)來自于各省份或各市的統(tǒng)計年鑒。輸出指標包括農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、生活污水集中處理率、地方財政一般預算內(nèi)收入、居民平均工資，相關數(shù)據(jù)均來自于各省相關統(tǒng)計年鑒、《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、各省水資源公報以及wind數(shù)據(jù)庫等，個別地市2000年的生活污水集中處理率指標無統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照該地市所在省份均值或相鄰前后年份數(shù)據(jù)的均值補齊。

2.2 黃河流域水資源利用的時空分異特征

根據(jù)已有研究[4]，決策單元是否為DEA有效的評價標準為效率值是否達到1，即當θ=1時，決策單元有效；當θ<1時，決策單元無效；θ值越接近1效率值越高。基于2000—2018年黃河流域各地市水資源利用效率的實際值，為便于進行對比，本研究中將θ=1設定為高效率，0.7<θ<1為中效率，θ≤0.7為低效率。利用該標準，對各個地市州用水效率水平進行分析。2000年、2018年黃河流域各地市用水效率空間分布見圖1。

圖1 2000年、2018年黃河流域各地市用水效率空間分布情況

總體上，基于投入和產(chǎn)出的DEA CCR模型計算結(jié)果，黃河流域用水效率處于高等效率水平，2000—2018年用水效率平均值為0.83，且上游的用水效率高于中下游的用水效率。從空間分布來看，黃河流域各地市用水效率呈現(xiàn)“東低西高”的空間分布特征，2018年流域內(nèi)各省份用水效率值較高的有內(nèi)蒙古、陜西和山東，較低的有四川阿壩和甘孜州、河南和山西；流域內(nèi)用水效率較高的地區(qū)分布在流域上游的烏蘭察布、呂梁、巴彥淖爾、鄂爾多斯、阿拉善盟、陽泉、玉樹州等地，效率較低的地區(qū)主要集中在中下游地區(qū)的山東、河南、山西和陜西的沿河地帶，如石嘴山、海東、甘孜州、德州、白銀、吳忠、濮陽、濱州等地。

從時間變化趨勢上看，2000年各地市用水效率平均值為0.88，處于高等效率狀態(tài)。其中，用水效率為高等水平的地市單元共有35個，占總數(shù)的50.00%，主要分布在青海、內(nèi)蒙古、山西大部分地市，這些地市水資源利用效率處于較高水平；用水效率為中等水平的地市共有22個，包括忻州、開封、焦作、鄭州、臨汾、海北州、烏海、洛陽、新鄉(xiāng)等，占總數(shù)的31.43%；用水效率為低等水平的地市主要分布在榆林、石嘴山、德州、吳忠、濟寧、濱州、白銀、泰安、寶雞、聊城，占總數(shù)的18.57%。用水效率較低的地區(qū)，主要是因為該地區(qū)有大量的煤化工、電力、鋼鐵等高耗水產(chǎn)業(yè)，且黃河流域普遍存在農(nóng)業(yè)用水占比較大的問題，使這些地區(qū)水資源過度利用的現(xiàn)象較為嚴重，同時這些地區(qū)該年份工農(nóng)業(yè)節(jié)水科技含量低，節(jié)水技術與設施推廣范圍有限，部分企業(yè)用水粗放、單位產(chǎn)品耗水量較高，導致用水效率低下。

到2018年，黃河流域用水效率水平整體有所下降，各地市用水效率平均值降為0.80。其中，高效率的地市單元數(shù)量減少了17.14%，用水效率降低的地市主要分布在西寧、運城、濟源、慶陽、朔州、晉中、安陽、長治、定西、晉城等。中等效率水平的地市單元數(shù)量雖變化不大，但空間分布有明顯變化，其中包括2000年用水效率降低的地市，如淄博、中衛(wèi)、太原、包頭、武威、甘南州、阿壩州；此外還包括用水效率提升的地區(qū)，如石嘴山、德州、吳忠、濟寧、濱州等，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的大幅增加，以及該年份水資源總量超出多年均值是其效率上升的主要原因。低等效率水平的地市單元數(shù)量增加了14.29%，主要分布在延安、晉城、定西、長治、安陽、晉中、朔州、慶陽、濟源、運城等地，這些地區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)出均較高，但污水排放和處理率偏低，如延安市生活污水處理率、工業(yè)用水重復利用率分別為91.80%、16.67%，遠低于全國95.00%、89.82%的平均水平，可見水污染會導致流域用水水平普遍下降。

從空間分布特征的變化趨勢來看，用水效率中等及以下水平的地區(qū)開始向黃河流域中游及中下游地區(qū)轉(zhuǎn)移，用水低效地區(qū)的空間分布與我國能源化工基地和資源型城市的空間分布重合度較高。這些地市大多位于西北地區(qū)，是我國最大的煤炭開采和煤炭深加工基地、天然氣和水能開發(fā)基地、鋼鐵工業(yè)基地、有色金屬工業(yè)基地、奶業(yè)基地，行業(yè)本身具有高耗水特性，同時產(chǎn)生了大量的污水排放，因此用水效率較低。而上游地區(qū)，如內(nèi)蒙古的大部分地市用水效率比較穩(wěn)定，2000—2018年水資源效率均值穩(wěn)定在0.96左右，這與黃河干流分水方案使內(nèi)蒙古的分水取得良好效果有關。用水效率等級降低的地區(qū)主要以黃河沿岸地區(qū)為主，如淄博、中衛(wèi)、太原、包頭、武威、甘南州、阿壩州、慶陽、延安、臨汾、運城、焦作、新鄉(xiāng)、開封。這一結(jié)果在一定程度上表明了近20年來黃河流域大部分地市水資源的利用方式是以“高消耗、高污染、低產(chǎn)出”的粗放型利用為主，而在水資源長期短缺情況下，提高水資源利用效率這一問題未能得到重視。

為進一步對比各項用水水平與用水效率之間的關系，本研究對三類用水效率水平下各地市各項用水指標的平均值進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示用水效率為高水平的地區(qū)各項用水指標均優(yōu)，反之亦然(見表1)。萬元GDP用水量這一指標體現(xiàn)最為明顯，高用水效率地區(qū)的萬元GDP用水量僅為57.56m3，分別為中、低效率地區(qū)指標值的81.23%、47.01%。從用水效率提升的地區(qū)分布特征來看，這些地區(qū)主要包括榆林、濟寧、渭南、石嘴山、吳忠、咸陽、德州、濱州、呼和浩特等，是我國最大的煤炭開采和煤炭深加工基地、天然氣和水能開發(fā)基地、鋼鐵及有色金屬工業(yè)基地，作為典型的資源型城市，這些地區(qū)近年來通過技術革新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，各項用水指標在全國處于領先水平。以榆林市為例，該市以能源化工行業(yè)為主導產(chǎn)業(yè)，其萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量僅為7.12m3、3.23m3，遠低于全國73.00m3、45.60m3的平均水平，這與榆林多年來致力于集約化、集聚化的循環(huán)產(chǎn)業(yè)密不可分，以“煤制油”為例，新型專利技術能將耗水量下降75%，這也證明了通過提高技術水平可以達到水資源的產(chǎn)出最大化。

表1 水資源利用效率分類的用水指標均值對比情況

2.3 基于主體功能區(qū)劃的類型區(qū)劃分

黃河流域范圍內(nèi)主體功能區(qū)類型較多，上中下游資源稟賦和經(jīng)濟發(fā)展階段空間分異特征顯著，各地區(qū)承擔的功能類型不同，勢必會造成水資源效率值高低不一的特征，即使同等水資源效率水平也會因為功能區(qū)類型不同產(chǎn)生不同涵義。

將全國主體功能區(qū)劃中農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)和主要城市化地區(qū)的空間分布特征，與前文的水資源利用效率的分級結(jié)果進行疊加分析。結(jié)果表明：在全國主要的農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)中，中上游地區(qū)主要以鄂爾多斯市的高效率水平為主；中游地區(qū)分化特征較顯著，以低效率水平為主的地區(qū)分布于山西省的晉中、長治、臨汾、運城等地，而以高效率水平為主的地區(qū)主要位于陜西省的渭南、咸陽等市；下游地區(qū)呈現(xiàn)出由西向東遞增的趨勢，河南省境內(nèi)主要是低效率水平，而山東境內(nèi)主要以中高等效率水平為顯著特征。重點生態(tài)功能區(qū)的水資源效率水平則呈現(xiàn)出由北向南、由西向東遞減的趨勢，高效率水平主要有海西、玉樹、果洛、海南州、固原、呂梁等地，中低效率水平主要有甘南、黃南州、慶陽、臨汾和甘孜、阿壩州等地。主要城市化地區(qū)除呼包鄂榆地區(qū)、關中—天水地區(qū)、山東半島為高中效率水平地區(qū)外，其余均為中低效率水平。

同樣的主體功能類型區(qū)在不同的地區(qū)其水資源利用效率不同，水資源利用效率產(chǎn)生差異是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源管理配置等和技術進步(如技術引進、產(chǎn)品研發(fā)等)共同作用的結(jié)果[4]。這也意味著只有針對水資源利用加大技術投資，才能有效提升水資源利用效率；除在生產(chǎn)過程中要注重節(jié)水外，水環(huán)境的提升也對提高水資源利用效率至關重要[5]。

2.4 基于用水與排污的水資源效率類型區(qū)劃分

為了綜合分析用水技術和排污這兩個維度對用水效率的影響，本文采用R&D經(jīng)費內(nèi)部支出占比表征技術投入，用萬元GDP工業(yè)污水排放量表征污水排放情況，取各個指標現(xiàn)狀值的中位數(shù)值繪制象限圖，見圖2。從圖2中可以看出，第一象限內(nèi)分布了寶雞、濟源、泰安、吳忠、東營、烏海、晉城、長治、淄博、焦作、新鄉(xiāng)、中衛(wèi)、濱州共13個地市單元，這些地市排污量相對較大，R&D投入占比也較大，故將此類地區(qū)劃分為“優(yōu)先減排型”地市。在未來的水資源開發(fā)利用和管理過程中，主要任務是在保持或提高現(xiàn)有用水效率的基礎上，重點關注工業(yè)和生活廢水排放情況，根據(jù)國家節(jié)能減排的要求，加大減排防控力度，提高污水處理率，以提升用水效率。

圖2 中低等用水效率地區(qū)技術投入水平與污染排放分類分區(qū)

第二象限分布了咸陽、西寧、臨夏、呂梁、石嘴山、巴彥淖爾、臨汾等11個地市，這類地市排污量相對較大，R&D投入占比較小，可將此類地區(qū)歸納為“節(jié)水減排并重型”地區(qū)。該類地區(qū)大多是以重化工業(yè)和農(nóng)業(yè)為主導產(chǎn)業(yè)，工農(nóng)業(yè)排污量大，灌溉設施和技術水平較低，工業(yè)節(jié)水和重復利用水平較差，未來提升用水效率需從提升用水技術水平，以及控制污水排放和提升污水處理率等方面同時施力[6]，以滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的需要。

第三象限分布了阿拉善盟、甘孜、甘南、慶陽、定西、天水等13個地市單元，以低污水排放和低R&D投入占比為主要特征，污染排放量低，污染排放防控壓力小，可將此類地區(qū)劃分為“優(yōu)先節(jié)水型”地區(qū)。為滿足經(jīng)濟發(fā)展速度與質(zhì)量要求，在保持污染防治力度的基礎上，應盡快加大用水和節(jié)水科技水平的發(fā)展力度，大力推廣節(jié)水灌溉技術的應用，提升工業(yè)節(jié)水水平[7]，提高用水效率。

第四象限內(nèi)共有10個地市，分別是西安、白銀、濟南、鄭州等地，這些地市排污量相對較小，R&D投入占比較大，且經(jīng)濟人口產(chǎn)業(yè)集聚規(guī)模較大，面臨著水資源的大量需求和消耗，可將此類地區(qū)劃分為“總量控制型”。未來水資源管理中，需要控制水資源的總量增長[8]，繼續(xù)減少污水排放，適當提升水資源管理水平和技術水平，保證流域經(jīng)濟社會高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

黃河流域用水效率處于高等效率水平，呈現(xiàn)出東低西高的空間分布特征，高效率地區(qū)集中分布在流域上游地區(qū)，效率較低的地區(qū)主要集中于中下游地區(qū)的沿河地帶。2000—2018年，流域用水效率水平整體有所下降，高效率地區(qū)占比減少了17.14%，低效率水平增加了14.29%，中等效率水平的地市空間分布有明顯變化。用水效率提升的地區(qū)主要是我國最大的能源化工基地，技術革新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級顯著提升了用水效率。用水效率降低的地市向黃河流域中游及中下游地區(qū)轉(zhuǎn)移，長期以往“高消耗、高污染、低產(chǎn)出”的粗放型利用為主的方式是流域用水效率低下的主要原因。

3.2 建議

針對“優(yōu)先節(jié)水型”城市：?應適當調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)水資源稟賦條件調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，尤其是在地下水超采區(qū)適當減少高耗水作物的面積，增加小雜糧、向日葵、馬鈴薯等低耗水作物種植面積，這類作物已被證實在黃河流域用水量最少，且最適應地域特色，可開辟特色產(chǎn)業(yè)化差異化發(fā)展途徑；?對于巴彥淖爾、德州等灌溉用水大戶，應大力推廣噴灌、滴灌、低壓管灌溉等先進的節(jié)水技術，形成完整、高效的農(nóng)業(yè)節(jié)水體系[9]；?推行合同節(jié)水管理，建立農(nóng)業(yè)用水制約機制，減少農(nóng)業(yè)占用地下水資源現(xiàn)象[10]。

針對“優(yōu)先減排型”城市：?減少高污染企業(yè)數(shù)量，加快呼包鄂榆和烏海等地減排技術的改造和推廣，使城市的減排技術水平與經(jīng)濟發(fā)展速度相適應；?推廣榆林經(jīng)驗，發(fā)展規(guī)模集聚經(jīng)營，建立延長產(chǎn)業(yè)鏈，促進企業(yè)技術升級，實現(xiàn)工業(yè)用水循環(huán)利用，加大廢污水處理能力，提高污水回用率，建立相關激勵政策，鼓勵用水戶減少污水排放量，推廣發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和清潔生產(chǎn)；?全面落實最嚴格環(huán)境保護標準，形成嚴格的生態(tài)紅線和環(huán)境底線，制定最嚴格環(huán)境標準體系，嚴格污染物排放標準等。

針對“節(jié)水減排并重型”城市：?進一步落實最嚴格水資源管理制度，強化節(jié)水建設的監(jiān)督考核，從法律法規(guī)上為實施最嚴格水資源管理制度提供保障；?以節(jié)水型社會為載體，建立用水總量和排污總量的考核制度、取用水統(tǒng)計報表和監(jiān)控制度、水源地和重點水功能區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測制度等，從“需求側(cè)”解決清潔水源水量不足，從“供給側(cè)”解決污水排放水量過多的水質(zhì)型缺水問題[11]。

針對“總量控制型”城市：?應在提高效率的同時，保持用水總量和排污總量不增加的可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)；?繼續(xù)減少污水排放，適當提升水資源管理水平和技術水平，保證流域經(jīng)濟社會高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展；?在水資源利用技術進步和合理優(yōu)化配置投入要素等方面采取相應措施，構(gòu)建集約節(jié)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(huán)利用。