河南省水資源效率綜合測度及時空分異

焦士興，王安周，張崇崇，趙榮欽，尹義星，劉亞奇，馬曉蕾

(1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南 洛陽 471000；3.河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038； 4.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046； 5.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044；6.水利部黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004)

水是人類賴以生存和發展的基礎性自然資源和戰略性物質資源[1]。河南省常年人均水資源僅 440 m3，不足全國平均水平的1/5，屬水資源嚴重短缺地區。隨著社會經濟高速發展，河南省用水量及廢水排放量不斷增長，據統計，2018年比2017年分別增加0.8億m3和0.2億t，水資源供需矛盾和水環境污染問題日益凸顯[2]，因此提高用水效率成為解決水資源問題的重要途徑。

國內外在測評方法、評價指標等方面開展了水資源效率相關研究。在評價方法方面，主要有比值分析法[3]、指標體系法[4]、隨機前沿分析法(stochastic frontier analysis, SFA)[5-6]、生態功能法[7]、Leontief二次成本函數法[8]和數據包絡分析法(data envelopment analysis, DEA)等[9-10]，其中DEA法避免了投入產出的函數關系及人為賦權的主觀性，評價結果客觀準確，運用最為廣泛；在評價指標方面，多采用水資源、勞動力和資本等作為投入指標，以GDP為期望產出[11]，部分學者將灰水足跡、廢水排放量等作為非期望產出[12]，用以分析水資源利用效率；在研究尺度和領域上，分別從國家、省域、農業、工業等方面對水資源效率進行評價[13-16]。

綜上，國內外對水資源效率開展了大量理論和實踐探索，但從水資源社會、經濟和生態效益視角開展綠色效率的研究較少[17-18]，且基于非期望產出的市域層面研究相對薄弱。河南省作為糧食生產核心區和中原經濟重點建設區，水資源短缺問題日益突出，因此，明確水資源效率狀況并提出相應戰略對策，對解決水資源問題具有重要現實意義。基于此，本文以河南省18市為研究單元，采用基于松弛變量的測量(slack-based measurement, SBM)-DEA模型研究2005—2017年水資源綠色效率，并與環境效率、經濟效率進行對比分析，同時運用ArcGIS、GeoDa軟件分析水資源效率時空特征和相關性，以期為促進河南省水資源持續利用提供參考。

1 水資源效率研究方法

1.1 水資源效率的界定

水資源效率是水資源產出效益與水資源及相關資源投入的比值[19]，是衡量水資源及相關資源投入與產出效益的重要標準。基于綠色發展的核心理念，水資源綠色效率用以綜合測評水資源在經濟、生態和社會等產出的效益，從而盡量減少水資源投入及非期望產出(如水環境污染等)、增大期望產出(如水資源產生的社會效益等)。根據孫才志等[18]對水資源效率的界定方法，衡量水資源經濟效率是為了減少水資源及相關資源投入，使經濟產出最大化；衡量水資源環境效率的目的是在水資源經濟效率基礎上，將污水排放總量作為非期望產出，以實現經濟產出最大化、水污染最小化；衡量水資源綠色效率的目的則是在水資源環境效率基礎上，將社會發展指數納入期望產出，以實現經濟產出最大化、社會最和諧化、水污染最小化，3種類型的水資源效率均以用水總量、勞動力和固定資產投資作為投入，但其產出有所區別。在水資源經濟效率測評系統中，期望產出指標為國民生產總值(GDP)，應用模型為CCR(Charnes A, Cooper W W, Rhodes E)-DEA[16]；在水資源環境效率測評系統中，期望產出指標為GDP，非期望產出指標為污水排放總量，應用模型為SBM-DEA[18]；在水資源綠色效率測評系統中，期望產出指標為GDP和社會發展指數，非期望產出指標為污水排放總量，應用模型為SBM-DEA[18]。

1.2 SBM-DEA模型

傳統的DEA模型僅考慮期望產出，未將非期望產出納入，致使測度值與實際值之間存在誤差。因此，本文采用Tone[20]提出的非徑向、非角度的SBM模型，將投入產出的松弛變量寫入函數中，使測度值更加準確。松弛變量即為冗余量，當評價單元存在效率損失(即水資源效率值ρ≠1)時，通過減少評價單元投入量或者增加期望產出量、減少非期望產出量，可使ρ=1，而增減部分即為冗余量。水資源效率值計算公式[16]如下：

(1)

(2)

1.3 空間自相關分析方法

空間自相關系數是度量地理單元空間相關性的指標，表征研究區域內集聚或者離散程度，被測空間之間距離越近相關性越強，距離越遠相關性越弱。空間自相關系數包含全局空間自相關系數和局部空間自相關系數。

1.3.1全局空間自相關

全局空間自相關表示某一單元在整個空間范圍內對空間的依賴程度，常用構成的莫蘭指數散點圖表示空間分布情況。計算公式[18]如下：

(3)

1.3.2局部空間自相關

局部空間自相關用以描述不同地理單元相似程度，常用LISA(local indicators of spatial association)呈現區域內地理單元間的空間集聚程度和分布狀況；其空間集聚模式有4種類型：高-高關聯、低-低關聯、高-低關聯、低-高關聯。公式[21]如下：

(4)

式中Ii為城市i水資源效率的局部空間自相關指數。當Ii>0時，表示同一類型的城市存在空間集聚；當Ii=0時，表示不存空間集聚現象；當Ii<0時，表示不同類型的城市存在空間集聚。

2 指標構建及數據來源

河南省位于華北平原的南部，地貌東西差異明顯，總面積16.7萬km2，占國土總量的1.74%，是全國小麥、玉米、棉花、油料等農產品的重要生產基地之一。河南省地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為 767.37 mm，多年平均水資源總量為405億m3，居全國第19位。河南省轄18個市，2018年末總人口10 906萬人，2018年國內生產總值48 055.86億元，居全國第5位，經濟發展潛力巨大。

2.1 評價指標體系構建

水資源的開發利用是多種生產要素協同作用的結果，水資源、勞動力和資本等生產要素相結合才能帶來經濟產出和社會效益，根據柯布-道格拉斯生產函數以及相關成果[6,9-11,18]，投入指標多為勞動力、水資源量、資本存量、生活用水量，期望產出為區域GDP。

基于此，考慮數據的代表性、完整性和可獲得性，選取河南省從業人員數量(代表勞動力投入，選用三大產業從業人員數量作為間接衡量勞動力的指標)、用水總量(代表水資源投入，即工農業和城鄉生活環境用水量之和)和社會固定資產投資總額(代表資本投入)作為投入指標，將GDP、社會發展指數(分別代表經濟產出和社會效益產出)作為期望產出，將污水排放總量(代表用水過程中產生負效應)作為非期望產出，構建水資源效率評價指標體系。

2.2 社會發展指數計算方法

社會發展指數可衡量社會發展水平狀況。本文選取總撫養系數、城鄉收入差距比等2個負向指標,萬人中受高等教育人數、教育支出在財政支出中占比、城鎮化率、萬人擁有衛生技術人員、科技投入在財政支出中占比等5個正向指標，構建社會發展指數評價體系。

由于指標之間度量單位及數量級的差別而存在不可公度性，為反映真實情況，對數據采用極差化法進行標準化處理[11]，進而計算社會發展指數。計算公式[18]如下：

(5)

式中：Gj為第j年社會發展指數；Xij為某一地區第j年指標i標準化后的值；e為指標數量。社會發展指數越大，社會發展水平越高，反之較差。

2.3 數據來源

從業人員數量、固定資產投資、總撫養系數、城鎮化率、萬人中受高等教育人數、萬人擁有衛生技術人員、教育支出在財政支出中占比、科技投入在財政支出中占比、城鄉收入差距比等數據來源于《河南統計年鑒》(2007—2018年)；用水總量(包括工農業和生活用水量)和污水排放量等數據來源于《河南省水資源公報》(2005—2017年)。

3 結果與分析

3.1 河南省水資源效率的時序演化

依據水資源經濟效率、環境效率和綠色效率內涵，采用相應計算模型[16,18]，基于河南省18市2005—2017年的數據，計算得出水資源效率值。

3.1.1河南省水資源效率評價

由表1可見，河南省水資源經濟效率從2005年的0.878降至2017年的0.832，呈微小下降趨勢，水資源經濟效率呈下降趨勢的地市包括洛陽、平頂山、安陽、鶴壁、焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、濟源等12市。2012年，河南省進入經濟新常態階段，產業結構調整導致第二、第三產業用水量增加，但對于DEA評價模型來說，只有投入產出比例協調一致時，其評價效率才會呈增長的趨勢，因此，即使經濟快速發展，仍會出現水資源經濟效率不增反降的現象。河南省水資源環境效率從2005年的0.389提升至2017年的0.466，且河南省18市水資源環境效率均呈現波動增長趨勢，表明河南省加大了水資源管理和技術投入，水環境質量得到不斷改善。河南省水資源綠色效率從2005年的0.426提升到2017年的0.496，表明伴隨著河南省社會發展、文明程度的提高，水資源綠色效率不斷提升。

從河南省水資源經濟、環境和綠色效率變化趨勢來看，僅將GDP作為期望產出指標的水資源經濟效率，其測評結果是下降的；當不斷完善測評系統時，對于考慮非期望產出(污水排放總量)的水資源環境效率，以及不僅考慮污水排放總量，同時將社會發展指數作為期望產出指標的水資源綠色效率，測評結果均呈現良性發展趨勢。因此，加強水資源管理、加大污水處理資金投入和提高社會文明程度等，能夠促使水資源綜合效率不斷提升。

3.1.2河南省18市水資源效率差距變化趨勢

從河南省水資源效率變異系數來看(表1)，經濟效率變異系數由2005年的0.131減小到2017年的0.096，環境效率變異系數由2005年的0.168增加到2017年的0.321，綠色效率變異系數則由2005年的0.183增加到2017年的0.311，表明河南省18市水資源經濟效率差距不斷縮小，而環境效率和綠色效率差距則呈增大趨勢。從水資源經濟、環境和綠色效率平均值來看(表1)，河南省水資源經濟效率多年均值高達0.870，而環境效率和綠色效率多年均值分別為0.434和0.480。因此僅將GDP作為期望產出指標時，水資源經濟效益較高；在此基礎上，考慮非期望產出污水排放總量，即考慮污水處理的環境成本時，水資源的環境效率低于經濟效率；在期望產出指標中納入社會維度指標后，水資源綠色效率略有提高。因此水環境污染對水資源效率的提升具有抑制作用，社會發展進步、文明程度提升能優化水資源效率測評系統，對提高水資源效率有正向促進作用。

3.2 河南省水資源效率空間分異

3.2.1河南省水資源效率等級分布

基于河南省2005—2017年水資源效率平均值，利用ArcGIS自然斷裂點法，將3種類型的水資源效率劃分為4個等級，如表2所示。自然斷裂點法是進行空間聚類分級的方法，其聚類約束條件為組間方差最大、組內方差最小。

表2 水資源效率等級劃分

河南省水資源效率等級的空間分布如圖1所示。水資源經濟效率與環境效率等級空間分布基本一致。圖1表明，水資源環境效率中高、高等級的城市有10個(占55.6%)，分別為鄭州、開封、許昌、漯河、濟源、平頂山、三門峽、洛陽、駐馬店和周口等市；除三門峽市外，其余9個城市(占50%)也屬于水資源經濟效率中高、高等級的城市。水資源環境效率中低、低等級的城市有8個(占44.4%)，分別為信陽、南陽、商丘、焦作、新鄉、濮陽、安陽和鶴壁等市；水資源經濟效率中低、低等級的城市有9個(占50%)，與水資源環境效率同等級的城市相比，僅多了三門峽市。

(a)經濟效率

河南省水資源綠色效率中高、高等級的城市占55.6%。圖1表明，水資源綠色效率高等級的城市為鄭州、許昌、三門峽、漯河、濟源、開封、平頂山等7市；中高等級城市為洛陽、鶴壁、駐馬店等3市。鄭州、許昌、漯河、濟源等市屬于經濟發展質量相對較高區域[22]，用水技術水平較高，水資源綠色效率相對較高。三門峽市社會發展指數多年平均值約為0.680，位居河南省第三，且經濟結構和效益發展良好[22]，效率值相對較高，表明優化投入產出量、減少投入冗余量能有效提高水資源綠色效率。駐馬店市是經濟發展水平相對落后地區[23]，水環境污染較小且水資源量較為充足，水資源綠色效率較高，因此水資源綠色效率與經濟發展水平沒有必然聯系[10]。

河南省水資源綠色效率中低、低等級城市占44.4%。圖1表明，水資源綠色效率中低等級的城市包括安陽、焦作、南陽、周口、商丘等5市，低等級的城市為濮陽、新鄉和信陽等3市。2017年安陽市用水總量12.274億m3，其中農業灌溉用水6.204億m3，污水排放量2.609億m3，17個地表水體監測斷面中IV～劣V類水質比例為68.75%，導致水資源綠色效率偏低；焦作市年均社會發展指數約為0.734，在河南省排名第二，但是生態環境較差[17]，綠色效率偏低，由此看來，投入與產出匹配差會在很大程度上降低評價單元的效率值。南陽、周口和商丘等市經濟發展水平相對較弱，節水技術較為落后，人口數量較多且耗水量大，致使綠色效率偏低。信陽市水資源總量充足，年均總量可達88.527億m3，但是期望產出GDP和社會發展指數不高，導致水資源綠色效率值較低。

3.2.2河南省水資源效率的空間相關性

基于2005和2017年河南省18市水資源效率值，借助GeoDa軟件中的單變量全局及局部空間自相關功能，分析2005—2017年河南省水資源利用效率空間相關性。

a.河南省水資源效率的全局空間相關性不明顯。表3表明，2005年和2017年水資源效率的空間自相關顯著性檢驗值P均大于0.1(2005年環境效率除外)，說明置信度小于90%，水資源效率空間關聯性較弱；3種類型水資源效率的全局空間自相關指數I值都大于0，說明河南省水資源效率相似地區具有空間正相關性且存在空間集聚效應。水資源經濟效率全局空間自相關性緩慢增強，2017年全局空間自相關指數相比2005年略有增加，表明各市相似地區集聚效應有所增強；水資源環境效率全局空間自相關性減弱，2017年全局空間自相關指數相比2005年降低了0.145，表明各市相似地區分散程度加劇，進一步說明相鄰各市水環境治理能力差異呈現擴大趨勢；水資源綠色效率的全局空間自相關性減弱，2017年全局空間自相關指數相比2005年降低了0.068，說明各市相似地區的聚集程度有所下降，鄰近地市的社會進步與環境治理能力差異會減弱水資源綠色效率的空間自相關性。

表3 河南省水資源效率全局空間自相關指數

b.河南省水資源效率局部空間自相關性較差。圖2表明，水資源經濟效率不存在空間聚類的城市為13個，環境效率和綠色效率不存在空間聚類的城市均為15個，3種類型水資源效率超過72.2%的區域均不存在空間聚類現象，表明各鄰市間水資源利用效率呈現明顯的分異現象，具有相似水資源效率值的城市分布較為分散。圖2表明，水資源經濟效率高-高集聚區有4個，分別是平頂山、許昌、漯河和周口等市；水資源環境效率高-高集聚區有2個，分別是平頂山和許昌市；水資源綠色效率高-高集聚區有2個，分別是洛陽和許昌市，許昌市是3種類型水資源效率高-高集聚區。3種類型水資源效率低-低集聚地區僅有1個安陽市，而低-高與高-低集聚地區數都為0。3種類型水資源效率高-高集聚區與低-低集聚區P值分別為0.05和0.01，說明高-高集聚區、低-低集聚區的空間自相關分別在1%和5%的水平下顯著。

(a) 經濟效率

4 結 論

a.河南省不同類型水資源效率變化趨勢不同，水資源經濟效率呈現下降趨勢，環境效率和綠色效率呈現波動上升趨勢；水資源經濟效率明顯高于環境效率和綠色效率，且綠色效率略高于環境效率。

b.河南省18市不同類型水資源效率差距變化趨勢不同，其中經濟效率差距呈縮小趨勢，環境效率和綠色效率差距呈增大趨勢；河南省水資源經濟效率高和中高等級城市、低和中低等級城市分別占50%；而水資源環境效率和綠色效率高和中高等級城市、低和中低等級城市則分別占55.6%和44.4%。

c.河南省水資源效率相似的地區存在空間集聚現象，其中經濟效率全局空間自相關性呈增強趨勢，環境效率和綠色效率全局空間自相關性則呈減弱趨勢。河南省水資源經濟效率、環境效率和綠色效率高-高集聚區分別有4個、2個和2個，低-低集聚地區僅有1個安陽市，低-高與高-低集聚地區數均為0。

d.河南省應在經濟穩定發展基礎上，不斷優化產業結構，促進水資源優化配置，提升社會服務及技術創新水平，確保水資源、資本、勞動力等投入最小化，期望產出GDP和社會發展指數最大化，非期望產出污水排放最小化，不斷提高水資源經濟效率。

e.河南省應提升水資源綠色效率與水資源環境效率，以農業為重點的地區，應加強農業基礎設施投入，不斷提高農田節水灌溉效率；以工業為重點的地區，加強管理力度，提升污水處理和循環利用水平；經濟相對發達地區，應增強節水意識，提高用水效率。

f.河南省應加強水環境治理，增強社會公平性，同時注重調配水資源，確保水資源量充足的區域用水實現有效利用，水資源量匱乏的區域用水需求得到保障，縮小水資源環境效率、水資源綠色效率的區域差異。