黃河流域水資源利用效率與產業結構升級的空間協調發展研究

龐慶華，朱澤原，張麗娜

(河海大學商學院，江蘇 常州 213022)

黃河流域中西部地區礦產資源豐富，長期以來形成了以重工業為主要導向的經濟發展模式，與此同時付出了較大的環境代價，存在產業結構偏重、單一化等諸多發展與生態問題。黃河流域擁有我國近一半的煤炭基地和七成的煤電基地，2017年黃河流域資源開采及其加工業比重為36.34%，分別高于全國和長江流域9.17和13.62個百分點。而黃河流域中西部地區多處于干旱半干旱地區，生態極為脆弱，這大大加重了黃河流域產業與經濟發展的負擔。習近平總書記在2019年視察黃河時，提出黃河流域生態保護和高質量發展這一重大國家戰略，旨在加快推進黃河流域的產業轉型升級與綠色協調發展。產業結構的落后制約著水資源的有效利用，但同時產業升級過程中又受到黃河流域水資源匱乏問題的約束。黃河流域水資源人均占有量僅為全國平均水平的27%，且存在流域水資源利用粗放、基礎產業部門用水效率低下等問題，這進一步加大了水資源的供需缺口。黃河流域水資源開發利用率高達80%，遠超一般流域生態警戒線的40%，且82.6%的地級行政區水資源存在超載狀況[1]。此外，產業生產尤其是重工業的水污染會加劇水資源短缺問題，在全國的各區域中，黃河流域最為嚴重[2]。面對此類問題，“十四五”規劃強調，需立足黃河流域水資源空間均衡配置，實施深度節水控水行動，降低水資源開發利用強度[3-4]，推行“以水定產、量水而行”的戰略。產業結構升級能促進水資源的集約利用與污染的減排，是推動綠色可持續發展的必要條件，也是緩解水資源短缺問題的關鍵所在[5]。通過研究流域水資源利用效率與產業結構升級間的協調關系與空間相關性，有利于為水資源管理及產業結構的區域優化提供決策參考，進而推動黃河流域產業加速升級，促進高質量發展。

在已有文獻中，研究水資源利用效率與產業結構的方向主要集中在3類：①從水資源約束條件下出發，研究產業結構的優化升級[6]。其中，水資源約束經歷了從用水總量到包含水質等要素的綜合約束的過程。王文彬等[7]研究了水資源約束下黃河流域產業結構的變遷規律，發現水效和水質對產業結構合理和高級化均有積極的影響。提升用水效率，是實現黃河流域產業結構升級的重要途徑。②從產業結構升級中對水資源利用的影響入手，顏明等[8]通過研究京津冀地區產業結構與水資源利用的變遷發現，由于用水結構在產業間的調整與生產技術的進步，經濟的高速增長并未帶來明顯的水資源消耗增加。③研究水資源與產業結構之間關聯關系與協調發展[9],吳丹[10]通過構建主從遞階雙層優化模型研究產業結構與水資源的雙向關聯關系，得出了各研究區域的優化方案和建議。邢霞等[11]通過研究黃河流域水資源利用效率與經濟發展的耦合協調關系，得出黃河流域經濟發展水平滯后于用水效率的結論。由于水資源利用效率的邊際提升在地域上主要分布于西北[12]、東北[13]等較干旱地區，產業結構上主要體現在利用率較低的農業[14]與工業[15]領域，因此對于該類領域研究成果較多。水資源利用效率與生產環節以及環境污染間的關系較為復雜，當前的研究多運用數據包絡法及其衍生方法進行測度。趙沁娜等[16]通過SBM-DEA模型研究全國的工業用水效率及其空間關聯性，發現用水效率與空間聚集呈較為顯著的正相關關系。隨著近年來綠色發展意識的提高，對于多階段用水污染的重視也在用水效率的研究中體現。馬海良等[17]在研究中指出，忽略環境污染計算得到的水資源利用效率是不準確和非全面的。龐慶華等[18]運用DEA-Malmquist模型在對全國七大流域進行水資源利用評價時，將廢水、化學含氧量等污染指標納入模型的負向投入以得到更為合理的測算結果。

通過梳理相關文獻可以發現，水資源與產業結構的協調發展研究已取得大量成果，但仍有值得進一步探討的內容：①相關文獻對于產業結構升級的衡量多從產業結構的比例入手，卻忽略了不同地區的支柱產業集聚帶來的高生產率的優勢，衡量角度不夠全面。②水污染仍是黃河流域的關鍵問題之一，在“雙控”背景下的研究有對水量的“硬約束”，但仍缺乏對于水質的“軟約束”。③對黃河流域水資源與產業結構協調發展研究較少，且當前該類研究多數通過面板數據進行時序分析，展開進一步研究的文獻更少。黃河流域當前水資源仍十分缺乏，對產業發展升級起到較大的阻礙作用，如何降低二者間的約束，提升協調性是促進黃河流域高質量發展的重要命題。為更有效地評估分析黃河流域水資源利用效率與產業結構的協調發展情況，給予流域發展規劃更多參考，本文相較于以往文獻在研究中做了如下優化：進行黃河流域產業結構高級化測算時，同時考慮產業結構比例和各產業勞動生產率，以更為客觀地反映地區產業發展情況；黃河流域水資源利用效率將從用水量、污染產出及其他投入要素三大方面進行衡量；在黃河流域耦合協調度測算的基礎上通過空間相關度分析協調發展的聚集情況。最后在實證分析的基礎上給出相應建議。

1 研究方法與數據來源

1.1 指標體系構建

1.1.1水資源利用效率評估

由于數據包絡分析法(DEA)具有滿足多輸入多輸出條件、單位不變性等優勢，被廣泛應用于具有可比性單位的有效性評價之中。Tone[19-20]在原有CCR、BCC模型的基礎上演化出非徑向角度的SBM-DEA模型和超效率DEA模型，分別用于解決模型中的松弛變量問題及進一步評估技術有效單位。由于水資源利用效率測算中考慮了非期望產出，關系較為復雜，因此DEA方法多輸入多輸出的特性能較好滿足測度需求。本文數據在SBM-DEA模型的測算中結果趨于同質化有效，難以有效衡量區域間差異，因此選擇了超效率SBM-DEA模型。由此，本文采用基于非期望產出的超效率SBM-DEA模型對黃河流域9省區進行水資源利用效率的測度，模型計算公式如下：

(1)

(2)

參考馬海良等[17]研究成果，具體投入與產出指標如表1所示。在DEA模型運用中，DMU的數量不能低于投入產出指標項總數的2倍，因此在具體模型計算中運用熵值法將農業、工業、生活及生態供水量轉化為綜合用水量，將主要非期望產出(廢水、COD、氨氮排放量)轉化為綜合污染指標，以提升模型測算結果的可靠性[21]。

表1 水資源利用效率指標體系

1.1.2產業結構升級指標測算

產業結構升級在此主要體現為產業結構高級化，其理論內涵主要表現在兩個方面：一是傳統意義上產業間比例關系的改變，由農業部門向工業、服務業部門過渡；二是各產業內勞動生產率的提高，從勞動密集型到資本密集型、再到知識技術密集型產業的不斷升級[22]。多數文獻在考慮產業結構高級化的指標中僅僅將產業部門產值比例作為考量，但產業部門變遷并不是產業升級的真正內涵[23]。如黃河流域的河南省，由于地理條件等因素成為我國的農業大省，農業產值占比較高，這是區域發展的特點，若盲目地進行粗放式產業轉移反而有害，不利于經濟健康發展。農業生產技術提升，產品附加值增加同樣是產業的升級。況且不同區域的產業異質化才能充分發揮各地的優勢，以促進區域整體發展水平的提高。因此本文綜合考慮三產比例關系和勞動生產率來衡量產業結構升級情況，公式如下：

(3)

式中：H為產業結構升級指標；i=1,2,3代表三次產業；vit為在第t年第i產業的產值在GDP中的比重；Pit為第t年第i產業的勞動生產率。勞動生產率有量綱，但第t年第i產業的產值比重vit無量綱，因此對勞動生產率進行無量綱化處理，具體方法借鑒劉偉等[23]的做法。

1.2 耦合協調度模型

1.2.1耦合機理

“耦合”指在系統演變過程中，兩個或兩個以上要素相互影響，相互促進的關系。黃河流域產業結構升級對于水資源利用效率的影響可從多角度進行探討，而在量化層面主要從兩方面展開：一是生產用水產出效率的提升，二是用水污染的減少，內在耦合機理如圖1所示。

圖1 水資源利用與產業結構耦合機理H=∑vitPit

在政府和企業的共同建設下，促進生產技術升級，能夠提高黃河流域水資源利用的集約度；與此同時，持續優化管理體系，從生產鏈各環節突破，做到黃河流域水資源多階段循環利用。由此在單位產出一定的情況下降低平均用水量，形成水量的“硬約束”。通過政府對于環境保護與污染規制的相關政策引導，加大對黃河流域綠色生產行業的基礎設施投資，創建良好的生產平臺與供應鏈，促使市場供需向清潔生產方向轉移，逐步淘汰或改造“三高企業”。由此優化黃河流域的水污染問題，達成水質的“軟約束”。通過以上兩角度約束的協同作用，能夠有效促進水資源綜合利用效率的提升。水資源利用效率的提升對產業結構升級的反作用可從支持作用和約束作用兩個方面進行闡釋。水資源利用效率有效提升的背后是生產技術的更新，能夠突破經濟發展的資源瓶頸，從而推動產業結構升級。水資源利用效率對于產業結構的約束作用體現在企業的成本和風險之上。由此，水資源利用效率與產業結構升級形成了相互作用、彼此影響的耦合結構。

1.2.2耦合協調度模型構建

本文通過構建耦合協調度模型反映黃河流域水資源利用效率與產業結構的協調發展情況。在該模型發展過程中，逯進等[24]將其分解為系統發展模型和系統協調模型，分別側重于衡量系統的發展與協調水平。

在系統發展模型中，假設該系統基于規模報酬不變的Cobb-Douglas函數，函數形式為

Tit=λfit(x)αgit(y)β

(4)

式中：Tit為i地區t時期的發展度；fit(x)、git(y)指代兩子系統第i地區t時期的發展水平，此處分別為水資源利用效率和產業結構升級指標；λ為外生變量；α、β為兩子系統占總系統的重要性份額，α+β=1，在此處設兩系統重要性相等，即α=β=1/2。

式(5)為系統協調模型，用于衡量產業結構與生態效率間的協同性，Cit為i地區t時期的耦合度。

Cit={fit(x)git(y)/[(fit(x)+git(y))/2]2}1/2

(5)

發展模型可衡量系統的發展程度，而協調模型則衡量了兩系統的協同度。將該二者指標結合，便可得到同時綜合衡量發展度和協調度的耦合協調度模型：

(6)

式中Dit為i地區t時期的耦合協調度。參考吳文恒等[25]的研究成果，本文根據耦合協調度D劃分成10個類別，具體見表2。

表2 耦合協調度的判別標準及劃分類型

1.3 空間計量模型構建

為了研究黃河流域水資源利用效率與產業結構升級協調情況的空間特征，本文在耦合模型的基礎上借助全局空間莫蘭指數(Moran’sI)進行討論。Moran’sI是一種空間自相關分析的統計指標，用于研究各地區納入相對地理位置考慮時的空間關聯程度。莫蘭指數相關性以0為界，等于0時表示不存在空間自相關；莫蘭指數大于0時表示具有正向空間相關性，所觀測指標趨于空間集聚，值越大，空間相關性越為顯著；莫蘭指數小于0時則相反，所觀測指標趨于發散，相關性隨著值的減小而減小。

1.4 數據來源

從流域劃分角度來看，研究對象9省區中并非全部屬于黃河流域，但考慮到資源投入的整體性和規劃協調性，仍以省域為空間單元展開研究[26]。本文所涉及數據時間范圍均為2004—2018年。水資源利用效率測度中，農業、工業、生活及生態用水量數據來源于國家統計局網站及水資源公報，固定資產投資通過永續盤存法計算[27]；污染指標中廢水、COD、氨氮排放量數據主要來源于《中國環境統計年鑒》，部分數據來源于各省區地方統計年鑒。產業結構數據中各省區GDP、分產業產值、分產業就業人員數據來源于《中國統計年鑒》及國家統計局網站。對于2004—2018年間部分缺失的數據采用插值法進行補缺。在代入耦合協調模型前，對水資源利用效率和產業結構高度指標運用極值法進行歸一化處理。

2 實證分析

2.1 水資源利用效率與產業結構升級情況分析

運用式(1)(2)所示的超效率SBM-DEA模型，通過MaxDEA軟件測算了2004—2018年黃河流域9省區水資源利用效率值，年均分布情況見圖2所示。圖2通過ArcGIS軟件繪制，采用自然斷點法分級。從時間跨度上來看，研究期間各省區均值為0.577，總體處于中度發展階段。從空間分布上來看，黃河流域各省區水資源利用效率差異顯著，呈東高西低的狀態，其中以山東省最高，年均值為0.971，達到了黃河流域水資源利用效率前沿面的水平。位于第二區間的是山西省、陜西省和河南省，年均效率分別為0.757、0.648和0.631，其他4省區水資源利用效率指數則在0.4至0.5之間，以內蒙古最低為0.415。由于東部地區產業發展較早，工業基礎良好，資本，高技術勞動力聚集程度高，因此生產要素有效轉化率相比于西部地區更為可觀。

圖2 2004—2018年黃河流域水資源利用效率分布情況

在產業結構升級指數測算的基礎上同樣繪制了2004—2018年黃河流域各省區的空間分布圖，如圖3所示。產業結構高度總體呈東北高，西南低的態勢。其中以內蒙古較為領先，研究期間年均產業結構指數為0.539，其次為山東、陜西、寧夏，產業結構升級指數在0.400左右，其余省份多處于0.3左右，其中以河南的產業結構指數為0.265排在最后。河南省一直以來是華北地區的糧食主產區，相對其他省區而言一產占比較重，且人口基數大，人均生產率不高，產業結構層次偏低。雖然近年來河南地區也在積極進行產業轉型，有了一定的成效，但由于新興資源匱乏，且轉型具有滯后效應等原因，相比于東部其他省份仍有相對劣勢。內蒙古礦產、林木等資源豐富，2020年內蒙古原煤產量占全國的26.3%，稀土儲量占全國的83.7%。由于地廣人稀，內蒙古多項人均資源占有量位居全國第一，依靠資源優勢的重工業發達，人均勞動生產率較高，在黃河流域處于領先水平。

圖3 2004—2018年黃河流域產業結構升級分布情況

2.2 黃河流域水資源利用效率與產業結構升級的耦合協調分析

在水資源利用效率和產業結構升級指標構建的基礎上，通過耦合協調度模型測算得出黃河流域2004—2018年9省區的耦合協調度。結合兩子系統的時序演變情況，繪制了圖4。由圖4可見，研究期間內水資源利用效率變化幅度不大，總體來看經歷了3個較為完整的“U”型波動周期，分別為2004—2008年、2008—2012年和2012—2018年。水資源利用效率在各周期內經歷了“高—低—高”的變動過程，該結論與馬海良等[17]、錢文婧等[28]等學者的發現一致。水資源利用效率在2008年出現了拐點，且產生了約3年的持續下滑，這可能與全球金融危機所傳導的影響有關。此外2012—2018年的周期波動幅度最大，最低點為2016年的0.514，這同樣可能與市場傳導的生產鏈及生產規模變動等因素有關。

圖4 2004—2018年黃河流域耦合協調度及子系統時序演變情況

由于近年來我國保持著較好的國民生產總值增長態勢，黃河流域各省區的經濟規模和勞動生產率也在不斷提升。從相對指數角度來看，黃河流域產業結構升級指數從2004年的0.096上升到2018年的0.720，年均增幅達15.5%。從產業結構提升貢獻角度來看，黃河流域主要得益于產業規模擴大帶來的增益。

由圖4的耦合協調度曲線可知，黃河流域水資源利用效率和產業結構升級的耦合協調度呈平穩上升的趨勢，從2004年的0.473上升至2018年的0.817，增速逐漸放緩，總體發展狀況較為良好。分階段來看，在2004—2005年兩年中處于瀕臨失調衰退階段，從2006年開始進入正向耦合協調階段，逐步從勉強協調階段過渡到初步協調階段再到中度協調階段。通過近年來經濟規模的擴大與生產技術的改進，黃河流域水資源利用效率與產業結構升級有了較為可觀的協調發展進步。

通過對研究期間進行劃分能夠更有效地展現不同時期的空間特征。因此，將黃河流域耦合協調發展在研究期間內以5年為一個階段，共劃分為3個階段，并由此繪制每個階段的平均耦合協調度空間分布圖，如圖5所示。

(a) 2004—2008年

(b) 2009—2013年

(c) 2014—2018年圖5 黃河流域耦合協調情況

在2004—2008年期間，總體耦合協調水平較低，其中四川、甘肅、青海、寧夏處于瀕臨失調衰退階段；黃河流域中部其他省份多數處于協調與衰退的過渡期；山東、內蒙古和山西相對而言協調情況較好，皆處于初級協調發展階段。在研究階段中期，即2009—2013年期間，總體水平相對于前5年有所上升，各省區增長效應差別不大。其中甘肅、四川進入了勉強協調發展階段，青海、寧夏提升較快，跨入了初級協調發展階段。河南協調增速較為緩慢，可能與產業結構滯后效應有關。在研究階段后期2014—2018年期間，各省區的協調水平相對于研究階段中期又有了不同程度的增長。山東繼續居于首位，已達到優質協調發展階段。值得注意的是，在前兩階段表現并不突出的陜西，在該階段超過了內蒙古與山西，僅次于山東，進入良好協調發展階段。本研究中，區域耦合協調的發展度主要由產業結構升級推動，在具體指標上表現為勞動生產率的提升。陜西在保持能源化工、裝備制造、冶金等傳統工業穩定發展的勢頭下積極拓展新產業，通信醫療行業產值增速加快。作為我國文化大省，陜西省人民政府在2015年發布了《陜西省人民政府關于促進旅游業改革發展的實施意見》，以積極推動文化旅游資源開發，并帶動投資、電商及新農業等多領域的發展，興起經濟的新增長點。

表3詳細展示了2004—2018年黃河流域各省區水資源利用效率與產業結構升級的耦合協調度數據。從時間序列來看，黃河流域各省區協調發展在2012年之前保持著較為穩定的增速，從2013年開始增速放緩。其中山東省一直處于領先地位，山西省在2011年之前與山東省基本同步，但從2012年開始回落，在2013年下跌顯著。而陜西省與山西省衰退趨勢相反，從2011年開始增速提升，并在2012年超越山西、內蒙古，僅次于山東居于第二。進入第三研究階段后，其他省區總體趨勢上升伴隨著增速放緩的特征。黨的十八大以來，環保監管法制不斷健全，從《生態文明體制改革總體方案》到《水污染防治行動計劃》的發布[29]，對于水資源利用的監管愈發嚴格。在此背景下，部分重工業污染較為嚴重的省區如山西、內蒙古出現了水資源與產業結構升級局部不協調，以致衰退的情況，其他省區協調增速也有所放緩。經過4年多的磨合期，進入到“十三五”后，各省區又表現出新的增長趨勢，表明在這5年中，產業結構得到了有效的優化，淘汰了部分落后產能，契合新發展理念的落實。

表3 2004—2018年黃河流域各省區耦合協調度

2.3 黃河流域空間聚集特征分析

在耦合協調發展分析的基礎上，為進一步探究黃河流域水資源利用效率與產業結構升級的演變特征，本文運用ArcGIS軟件計算全局莫蘭指數，對黃河流域耦合協調時序演變情況進行自相關檢驗，結果如表4所示。

由表4可見，黃河流域水資源利用效率與產業結構升級的耦合協調度的自相關情況隨時間推移有較為顯著的特征。2004—2008年，耦合協調度的莫蘭指數處于0.299～0.372的范圍內，皆通過了7%的顯著性檢驗，較為顯著，說明在該階段，黃河流域兩子系統的發展具有一定的空間聚集特征。在此情況下，相鄰省區的生產要素有較強的流動性，包括資本、勞動力、技術，以及市場需求的擴散，對周邊的省區產生了較為明顯的輻射帶動作用；在2009年之后莫蘭指數逐步減小，并在2011年變為負值，且結果均不顯著，由此2011年之后黃河流域的兩系統耦合協調性呈現不顯著的空間負相關關系。在更為嚴格的環境管制與技術要求下，多數企業在生產流程及供應鏈中進行了調整，而污染較重的企業則進行了跨區域轉移。在產業轉型的過程中，要素聚集與規模效益不顯著。

表4 耦合協調度空間莫蘭指數與自相關情況

3 結論與建議

3.1 結論

a.從兩子系統的發展情況來看，水資源利用效率總體平穩，在時序上隨經濟周期的波動有所變化，在空間上呈東高西低的態勢。產業結構高度隨時間推移呈較出穩定的增長趨勢，空間分布上東北高，西南低。

b.兩系統耦合協調發展方面，黃河流域總體協調性從2004年的輕度失調衰退階段不斷提升，至2018年已進入良好協調發展階段。在研究階段前期，黃河流域東北區域的省區如山東、內蒙古、山西協調情況優于其他省區。從黨的十八大以來，內蒙古、山西的協調情況衰退，其他多數省區增速也顯著放緩，而陜西協調增速加快，并依次超越山西與內蒙古。

c.空間集聚方面，在2009年之前，黃河流域水資源利用效率與產業結構高級化的耦合協調發展具有弱自相關特征，從2011年開始呈現不顯著的空間負相關關系。

3.2 政策建議

a.繼續推進黃河流域水資源集約化利用。從政策實施角度來看，嚴格遵循“三條紅線”及水資源雙控導向，通過政策規范和引導，使得黃河流域經濟社會發展與水資源水環境承載能力相適應。由研究結果可以看出，黃河流域水資源利用效率近年來在宏觀層面變化不大，因此短期內生產技術一定的條件下，可更多注重于微觀角度的節水宣傳，減少居民、企業用水浪費。從省域角度來看，內蒙古自治區為黃河流域水資源利用效率最弱的地區，盡管其人均生產率較高，但產業、區域發展不平衡，經濟指標很大程度上依靠當地煤炭、稀土等資源的優勢以及高能耗工業支撐。當前內蒙古可充分利用海拔較高、日照時間長的地區優勢，首先加大風能、光能等新型能源基礎設施的投資，在盡可能穩定就業的情況下推進能源綠色轉型[30]，并逐步提升水資源等資源利用效率，實現高質量發展。2014年開展的7個水權試點省區中，有5個在黃河流域，分別為河南、寧夏、內蒙古和甘肅[31]。應繼續注重完善水權交易市場，充分調動市場對于水資源的配置作用，并逐步向東部地區推廣。

b.結合黃河流域中西部各地區特點，響應扶貧政策，有效規劃建設經濟產業園區，以推動產業聚集，產業交叉。在政策制定中可引導“京津冀”地區的企業及技術人員流動入駐中西部產業聚集區，加強對寧夏、甘肅、青海等產業層次較低地區的技術與創新資源輻射作用，以優化基礎工業、農業為導向，因地制宜培養具有更高附加值的綠色產業，促進黃河流域全流域協調發展。此外，黃河流域是中國重要的能源基地，應在“碳中和”背景下結合相關優惠政策，推動新能源的普及，逐步更新黃河流域的產業與能源結構。

c.進一步健全黃河流域法律規制，落實生態補償與跨區域生態環境協調治理策略。黨的十八大以來，對于企業污染執行了更為嚴格的規制，山西、內蒙古等產業結構偏重的地區在協調發展指標上出現了停滯甚至下滑的情況，而陜西等部分省區積極開發政策紅利，產業轉型更為迅速，協調發展指標有了可觀的提升。因此，在黃河流域生態保護和高質量發展的背景下需齊頭并進，環境生態與經濟發展兩頭抓，不斷提升黃河流域高質量發展水平。