黃河流域國家中心城市水資源利用效率分析

劉浩然，黨素珍，連炎清

（1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3.河海大學 長江保護與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098）

水資源是基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經濟資源，城市生活生產與生態(tài)文明建設都離不開水資源的保障［1］。國家中心城市建設對水資源的要求越來越高，因而對其水資源利用效率的研究顯得尤為重要。研究水資源利用效率的方法有很多，常見的有數據包絡分析（DEA）法［2－4］、隨機前沿法［5－6］、主觀類指標體系法［7－8］和客觀類指標體系法［9－11］等。數據包絡分析法無須考慮投入指標和產出指標間的函數關系，其運算過程不受主觀因素影響［12］，其中的超效率SBM 模型的評價結果可以大于1，且精度高，近年來得到廣泛應用。

黃河流域水資源利用效率方面的研究［13－15］目前多分別從工業(yè)、農業(yè)和生態(tài)方面著手，或對這3 個方面進行總體效率研究，缺乏從其他視角解析黃河流域水資源利用效率的研究。另外，現有的研究多采用Malmquist 指數來分析技術進步、技術效率和規(guī)模效率這些內因對水資源利用效率的影響，忽略了指標體系中各個評價指標對水資源利用效率的影響。因此，本文采用新的指標體系，從水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3 個方面出發(fā)，聚焦黃河流域國家中心城市，基于超效率SBM 模型，解析2005—2020 年鄭州市和西安市的水資源利用效率；利用超效率SBM 模型得到的松弛變量，分析各個指標對水資源利用效率的影響；利用Malmquist 指數分析全要素生產率的年際變化情況和內在影響因素；基于Tobit 模型分析水資源利用效率的外在影響因素，以期為鄭州市和西安市水資源可持續(xù)利用提供參考。

1 研究方法

1.1 評價指標體系的構建

關于數據包絡分析輸入、輸出指標的選取，大多數研究是基于柯布－道格拉斯生產函數，將勞動力、資源和資金作為投入指標，經濟收益作為產出指標。而李騰等［4］從水資源利用、社會經濟和生態(tài)系統(tǒng)3 個方面構建評價指標體系，解析了貴州省的水資源利用效率。本文分水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3 個子系統(tǒng)構建水資源利用效率評價指標體系，依據各子系統(tǒng)的特點和數據包絡分析對投入產出指標的要求，水資源利用子系統(tǒng)，將水資源量作為投入指標，將各行業(yè)用水量作為產出指標，將水資源轉化為用水量時的轉化率作為水資源利用效率；社會經濟子系統(tǒng)，將耗水量作為投入指標，將生產總值作為產出指標；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，將勞動力、資源和資金作為投入指標，將綠化覆蓋面積作為產出指標，構建水資源利用效率評價指標體系，見圖1。

1.2 層次分析法

層次分析法［16－17］可將人的主觀決策量化。首先利用九標度法對水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)進行相互比較，建立比較矩陣A，然后利用極差法構造判斷矩陣C，再計算得到權重矩陣B。

式中：aij為比較矩陣的元素，cij為判斷矩陣的元素，cb為常數（取5），R、Mi、Wi、ri、rj為中間變量，Bi為水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3 個子系統(tǒng)的權重。

1.3 超效率SBM 模型

SBM 模型由Tone［18－19］提出，是一種基于松弛變量的非徑向非角度的DEA 模型。超效率SBM 模型的效率值可以大于等于1，此時決策單元DEA 有效，水資源利用效率相對較高。規(guī)模收益可變（VRS）的超效率SBM 模型可表示為

式中：ρ為效率值，m、s分別為投入、產出指標的個數，n為決策單元的數量，λj為權系數，分別為投入、產出的松弛變量，xi0和xij、yk0和ykj分別為投入、產出指標。

1.4 Malmquist 指數

在Fre 等［20］將Malmquist 指數（IM）與DEA 結合后，Malmquist 指數得到了廣泛應用。Malmquist 指數測算的是水資源全要素生產率的變化率，可以分解為技術效率指數IEC（技術效率的變化率）和技術進步指數ITC（技術進步的變化率）。其計算方法［21］如下：

式中：IPEC為純技術效率指數，ISEC為規(guī)模效率指數，（xt，yt）為t時期的投入產出變量，Et＋1（xt＋1，yt＋1）為決策單元在t＋1 時刻的技術效率值，Et（xt＋1，yt＋1）為決策單元在t＋1 時刻的值以t時刻的參考集（生產前沿面）得出的技術效率值，CRS 表示規(guī)模收益不變。

1.5 Tobit 回歸模型

超效率SBM 模型得到的結果是截斷的離散分布數據［22］，在分析影響因素時，運用Tobit 模型可以避免其他回歸分析方法所產生的偏差。其具體形式［23］如下：

式中：Yi為因變量，即綜合水資源利用效率；Xi為自變量，選取產業(yè)結構、經濟發(fā)展水平、水資源稟賦和科技創(chuàng)新水平作為外部影響因素，分別以第一產業(yè)占比（X1）、人均GDP（X2）、人均水資源量（X3）和科技教育支出占財政支出比重（X4）來量化；α為常數項；βi為系數；ui為誤差項，服從正態(tài)分布。

2 研究對象概況與數據來源

鄭州市和西安市是黃河流域僅有的兩個國家中心城市。鄭州是河南省省會，地處黃河中下游分界處，面積7 567 km2，地跨黃河、淮河兩大流域，人口1 274 萬。西安是陜西省省會，位于秦嶺北部、渭河南部，面積10 752 km2，人口1 295 萬。2020 年水資源總量鄭州市為8.59 億m3、西安市為26.78 億m3，兩市人均水資源量均遠低于全國平均水平。2020 年鄭州市用水總量為20.73 億m3，其中農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量分別為3.91 億、4.39 億、7.34 億、5.09 億m3；總耗水量為10.06 億m3，其中農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)耗水量分別為2.83 億、1.22 億、2.19 億、3.82 億m3；生產總值為12 003 億元，其中第一、第二、第三產業(yè)生產總值分別為157 億、4 760 億、7 086 億元；節(jié)能環(huán)保支出為53.42億元，綠化覆蓋面積為2.96 萬hm2。2020 年西安市用水總量為17.95 億m3，其中農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量分別為5.79 億、1.78 億、7.21 億、3.17 億m3；總耗水量為8.10 億m3，其中農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)耗水量分別為3.93 億、0.81 億、2.46 億、0.90 億m3；生產總值為10 020 億元，其中第一、第二、第三產業(yè)生產總值分別為313 億、3 328 億、6 379 億元；節(jié)能環(huán)保支出為57.95 億元，綠化覆蓋面積為4.06 萬hm2。

基于構建的評價指標體系，收集了2005—2020 年鄭州市和西安市的降水量、水資源量、各行業(yè)用水量、耗水量、地區(qū)生產總值、節(jié)能環(huán)保支出、綠化覆蓋面積和人口數據，其中：各行業(yè)用水量包括農業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量，耗水量包括農業(yè)、工業(yè)和總耗水量，地區(qū)生產總值包括第一、第二產業(yè)產值和生產總值。數據來源于《河南統(tǒng)計年鑒》《陜西統(tǒng)計年鑒》以及鄭州市和西安市歷年水資源公報。

3 結果分析

3.1 權重計算

采用層次分析法，計算得到水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境權重分別為0.316、0.401、0.283。

3.2 水資源利用效率分析

3.2.1 水資源利用效率計算結果

利用DEA 方法中的超效率SBM 模型，分別對2005—2020 年水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3 個子系統(tǒng)的水資源利用效率進行測算，并通過加權求和得到綜合水資源利用效率，結果見表1。

表1 黃河流域國家中心城市水資源利用效率

由表1 可知，水資源利用子系統(tǒng)，鄭州市有81%的年份水資源利用效率大于1，達到了DEA 有效，水資源利用水平較高；西安市則有25%的年份水資源利用效率達到了DEA 有效，最近5 a 兩個城市的水資源利用效率均較高。社會經濟子系統(tǒng)，鄭州市和西安市的水資源利用效率適中，鄭州市略高于西安市，二者達到DEA 有效的年份較少，近5 a 社會經濟子系統(tǒng)的水資源利用效率均明顯高于之前的。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，西安市有50%的年份水資源利用效率達到了DEA 有效，而鄭州市只有19%的年份達到了DEA 有效，兩個城市生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的水資源利用效率還有較大提升空間。從綜合水資源利用效率看，鄭州市略高于西安市。

3.2.2 各指標對水資源利用效率的影響分析

通過SBM 模型中的松弛變量來判斷各指標對水資源利用效率的影響，當某項投入指標或產出指標的松弛變量不為0 時，說明該投入指標未充分利用或產出指標不達標，導致模型未達到最優(yōu)。水資源利用子系統(tǒng)，鄭州市未達到DEA 有效的年份未充分利用降水和地下水資源，生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量轉化率不足，導致水資源利用效率偏低；西安市未充分利用降水和地表水資源，工業(yè)用水量和生態(tài)環(huán)境用水量轉化率不足，導致部分年份水資源利用效率較低而未達到DEA 有效。社會經濟子系統(tǒng)，鄭州市第一產業(yè)水資源利用效率相對較低，整體水資源轉化率較低，導致部分年份水資源利用效率較低而未達到DEA 有效；西安市未達到DEA 有效的年份第二產業(yè)耗水量偏大，而第二產業(yè)產出不足，導致水資源利用效率偏低。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，鄭州市未達到DEA 有效的年份未充分利用節(jié)能環(huán)保支出，生態(tài)環(huán)境耗水量偏大，綠化覆蓋面積不足，水資源利用效率偏低，這種情況在近5 a 尤為明顯；西安市近5 a 未充分利用生態(tài)環(huán)境耗水量和節(jié)能環(huán)保支出，導致部分年份水資源利用效率較低而未達到DEA 有效。

3.3 水資源全要素生產率年際變化與內在驅動因素分析

基于水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境的Malmquist 指數，分析2005—2020 年鄭州市和西安市水資源全要素生產率的年際變化情況，從技術效率變化、技術進步變化、純技術效率變化和規(guī)模效率變化4個方面分析全要素生產率變化的內在驅動因素，結果見表2。由表2 可知，水資源利用子系統(tǒng)，鄭州市的Malmquist 指數為1.061，表明其全要素生產率整體處于上升狀態(tài)，西安市的Malmquist 指數為0.981，表明其全要素生產率整體處于下降狀態(tài)，鄭州市的技術進步指數大于1，表明技術進步推動了全要素生產率提高，西安市的技術進步指數和規(guī)模效率指數均小于1，表明西安市技術進步減緩和開發(fā)規(guī)模不當造成全要素生產率下降，但這種趨勢在近5 a 有所緩和。社會經濟子系統(tǒng)，鄭州市和西安市的Malmquist 指數分別為1.116和1.146，表明二者社會經濟子系統(tǒng)的全要素生產率整體處于上升狀態(tài)，鄭州市的內在驅動因素是技術進步和科技創(chuàng)新，技術進步、管理水平的提升和適宜的經濟發(fā)展規(guī)模推動了西安市社會經濟子系統(tǒng)全要素生產率的提升。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，鄭州市的Malmquist指數為1.036，全要素生產率整體處于上升狀態(tài)，西安市的Malmquist 指數為0.945，全要素生產率整體處于下降狀態(tài)，鄭州市技術進步推動了全要素生產率的提升，投入規(guī)模不當則抑制了這種態(tài)勢，西安市生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的技術進步減緩造成了全要素生產率的下降。

表2 2005—2020 年黃河流域國家中心城市水資源利用效率DEA－Malmquist 指數及分解

3.4 水資源利用效率的外在影響因素分析

利用Tobit 回歸模型對2005—2020 年鄭州市和西安市水資源利用效率的影響因素進行分析，結果見表3。經濟發(fā)展水平（人均GDP）對鄭州市和西安市的水資源利用效率有正向影響，水資源稟賦（人均水資源量）對水資源利用效率有負向影響，二者分別通過了5%、10%的顯著性檢驗。產業(yè)結構（第一產業(yè)占比）和科技創(chuàng)新水平（科技教育支出占財政支出比重）均與水資源利用效率成正相關關系，但均未通過顯著性檢驗。

表3 Tobit 回歸模型結果

鄭州市和西安市的經濟發(fā)展水平對水資源利用效率有顯著正向影響，這與孟慶軍等［24］對我國最近10 a的水資源利用效率與經濟發(fā)展高度關聯的研究結果一致。經濟發(fā)展的背后是技術的進步和管理水平的提升，這勢必會推動水資源的高效利用。水資源稟賦對水資源利用效率有負向影響，這與吳向東等［25］的研究結果一致。傳統(tǒng)觀點認為水資源豐富的地區(qū)易受“資源詛咒”的影響導致水資源利用效率偏低［26］；但也有研究［12］表明，一些人均水資源量較高的地區(qū)水資源利用效率并不低，“路徑依賴”不是影響水資源豐富地區(qū)水資源利用效率的唯一因素，管理水平對水資源利用效率影響很大。產業(yè)結構和科技創(chuàng)新水平均與水資源利用效率成不顯著的正相關關系。鄭州市和西安市應結合自身發(fā)展實際，優(yōu)化產業(yè)結構，加強高新技術在水資源利用中的應用，提升科技創(chuàng)新在水資源利用方面的產出投入比，以提高水資源利用效率。

4 結論

1）黃河流域國家中心城市鄭州市和西安市水資源利用效率適中，還有一定的提升空間。水資源利用子系統(tǒng)，水資源效率鄭州市（0.971）＞西安市（0.648）；社會經濟子系統(tǒng)，水資源效率鄭州市（0.656）＞西安市（0.435）；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，水資源效率西安市（0.977）＞鄭州市（0.618）；綜合水資源利用效率，鄭州市（0.745）＞西安市（0.656）。

2）根據SBM 模型中的松弛變量分析，水資源利用子系統(tǒng)，鄭州市應提升生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量的轉化率來提高水資源利用效率，西安市應充分利用降水和地表水資源；社會經濟子系統(tǒng)，鄭州市應著重提升第一產業(yè)水資源利用效率，西安市則應嚴格控制工業(yè)耗水量；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，鄭州市和西安市均應充分利用節(jié)能環(huán)保支出，壓縮生態(tài)耗水量，控制節(jié)能環(huán)保支出和生態(tài)耗水量的投入，提升生態(tài)環(huán)境用水效率。

3）從Malmquist 指數來看，2005—2020 年鄭州市水資源利用、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3 個子系統(tǒng)的水資源利用全要素生產率（Malmquist 指數）整體均處于上升狀態(tài)，西安市社會經濟子系統(tǒng)的水資源利用全要素生產率整體處于上升狀態(tài)，而水資源利用子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的全要素生產率則處于下降狀態(tài)。技術進步推動了全要素生產率的提高，全要素生產率下降的原因則是技術進步減緩和開發(fā)規(guī)模不當。

4）利用Tobit 回歸模型分析水資源利用影響因素發(fā)現，經濟發(fā)展水平與水資源利用效率成較為顯著的正相關關系，產業(yè)結構、科技創(chuàng)新水平與水資源利用效率相關性不顯著，水資源稟賦與水資源利用效率成負相關關系。