黄河流域国家中心城市水资源利用效率分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）作者简介：刘浩然（），男，河南长葛人，硕士研究生，研究方向为水文水资源 通信作者：党素珍（），女，河南灵宝人，正高级工程师，博士，研究方向为水文水资源：【水资源】黄河流域国家中心城市水资源利用效率分析刘浩然，党素珍，连炎清，（河海大学 水文水资源学院，江苏 南京；黄河水利科学研究院，河南 郑州；河海大学 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京）摘 要：为助力黄河流域国家中心城市水资源高效利用和经济社会高质量发展，基于超效率 模型、指数和 回归模型，对郑州市和西安市水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统的水资源利用效率、年际变化和影响因素进行分析，结果表明：）年郑州市和西安市水资源利用效率适中，水资源利用子系统和社会经济子系统，郑州市的水资源利用效率高于西安市；生态环境子系统，西安市的水资源利用效率高于郑州市；郑州市的综合水资源利用效率高于西安市。）郑州市 个子系统的全要素生产率（指数）整体处于上升状态，西安市社会经济子系统的全要素生产率整体处于上升状态、水资源利用子系统和生态环境子系统则处于下降状态。）经济发展水平与水资源利用效率成较为显著的正相关关系，产业结构、科技创新水平与水资源利用效率相关性不显著，水资源禀赋与水资源利用效率负相关。关键词：水资源利用效率；超效率 模型；指数；回归模型；黄河流域中图分类号：；文献标志码：引用格式：刘浩然，党素珍，连炎清黄河流域国家中心城市水资源利用效率分析人民黄河，（）：，（，；，；，）：，：），；，；），），：；水资源是基础性自然资源和战略性经济资源，城市生活生产与生态文明建设都离不开水资源的保障。国家中心城市建设对水资源的要求越来越高，因而对其水资源利用效率的研究显得尤为重要。研究水资源利用效率的方法有很多，常见的有数据包络分析（）法、随机前沿法、主观类指标体系法和客观类指标体系法等。数据包络分析法无须考虑投入指标和产出指标间的函数关系，其运算过程不受主观因素影响，其中的超效率 模型的评价结果可以大于，且精度高，近年来得到广泛应用。黄河流域水资源利用效率方面的研究目前多分别从工业、农业和生态方面着手，或对这 个方面进行总体效率研究，缺乏从其他视角解析黄河流域水第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，资源利用效率的研究。另外，现有的研究多采用 指数来分析技术进步、技术效率和规模效率这些内因对水资源利用效率的影响，忽略了指标体系中各个评价指标对水资源利用效率的影响。因此，本文采用新的指标体系，从水资源利用、社会经济和生态环境 个方面出发，聚焦黄河流域国家中心城市，基于超效率 模型，解析 年郑州市和西安市的水资源利用效率；利用超效率 模型得到的松弛变量，分析各个指标对水资源利用效率的影响；利用 指数分析全要素生产率的年际变化情况和内在影响因素；基于 模型分析水资源利用效率的外在影响因素，以期为郑州市和西安市水资源可持续利用提供参考。研究方法 评价指标体系的构建关于数据包络分析输入、输出指标的选取，大多数研究是基于柯布道格拉斯生产函数，将劳动力、资源和资金作为投入指标，经济收益作为产出指标。而李腾等从水资源利用、社会经济和生态系统 个方面构建评价指标体系，解析了贵州省的水资源利用效率。本文分水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统构建水资源利用效率评价指标体系，依据各子系统的特点和数据包络分析对投入产出指标的要求，水资源利用子系统，将水资源量作为投入指标，将各行业用水量作为产出指标，将水资源转化为用水量时的转化率作为水资源利用效率；社会经济子系统，将耗水量作为投入指标，将生产总值作为产出指标；生态环境子系统，将劳动力、资源和资金作为投入指标，将绿化覆盖面积作为产出指标，构建水资源利用效率评价指标体系，见图。图 水资源利用效率评价指标体系 层次分析法层次分析法可将人的主观决策量化。首先利用九标度法对水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统进行相互比较，建立比较矩阵，然后利用极差法构造判断矩阵，再计算得到权重矩阵。（，）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为比较矩阵的元素，为判断矩阵的元素，为常数（取），、为中间变量，为水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统的权重。超效率 模型 模型由 提出，是一种基于松弛变量的非径向非角度的 模型。超效率 模型的效率值可以大于等于，此时决策单元 有效，水资源利用效率相对较高。规模收益可变（）的超效率 模型可表示为 （），（）式中：为效率值，、分别为投入、产出指标的个数，为决策单元的数量，为权系数，、分别为投入、产出的松弛变量，和、和 分别为投入、产出指标。指数在 等将 指数（）与 结合后，指数得到了广泛应用。指数测算的是水资源全要素生产率的变化率，可以分解为技术效率指数（技术效率的变化率）和技术进步指数（技术进步的变化率）。其计算方法如下：（）人 民 黄 河 年第 期（，）（，）（）（，）（，）（，）（，）（）（，）（，）（，）（，）（）式中：为纯技术效率指数，为规模效率指数，（，）为 时期的投入产出变量，（，）为决策单元在 时刻的技术效率值，（，）为决策单元在 时刻的值以 时刻的参考集（生产前沿面）得出的技术效率值，表示规模收益不变。回归模型超效率 模型得到的结果是截断的离散分布数据，在分析影响因素时，运用 模型可以避免其他回归分析方法所产生的偏差。其具体形式如下：（）（）（）（）（）式中：为因变量，即综合水资源利用效率；为自变量，选取产业结构、经济发展水平、水资源禀赋和科技创新水平作为外部影响因素，分别以第一产业占比（）、人均（）、人均水资源量（）和科技教育支出占财政支出比重（）来量化；为常数项；为系数；为误差项，服从正态分布。研究对象概况与数据来源郑州市和西安市是黄河流域仅有的两个国家中心城市。郑州是河南省省会，地处黄河中下游分界处，面积 ，地跨黄河、淮河两大流域，人口 万。西安是陕西省省会，位于秦岭北部、渭河南部，面积 ，人口 万。年水资源总量郑州市为 亿、西安市为 亿，两市人均水资源量均远低于全国平均水平。年郑州市用水总量为 亿，其中农业、工业、生活和生态用水量分别为 亿、亿、亿、亿；总耗水量为 亿，其中农业、工业、生活和生态耗水量分别为 亿、亿、亿、亿；生产总值为 亿元，其中第一、第二、第三产业生产总值分别为 亿、亿、亿元；节能环保支出为 亿元，绿化覆盖面积为 万。年西安市用水总量为 亿，其中农业、工业、生活和生态用水量分别为 亿、亿、亿、亿；总耗水量为 亿，其中农业、工业、生活和生态耗水量分别为 亿、亿、亿、亿；生产总值为 亿元，其中第一、第二、第三产业生产总值分别为 亿、亿、亿元；节能环保支出为 亿元，绿化覆盖面积为 万。基于构建的评价指标体系，收集了 年郑州市和西安市的降水量、水资源量、各行业用水量、耗水量、地区生产总值、节能环保支出、绿化覆盖面积和人口数据，其中：各行业用水量包括农业、工业、生活和生态用水量，耗水量包括农业、工业和总耗水量，地区生产总值包括第一、第二产业产值和生产总值。数据来源于河南统计年鉴陕西统计年鉴以及郑州市和西安市历年水资源公报。结果分析 权重计算采用层次分析法，计算得到水资源利用、社会经济和生态环境权重分别为、。水资源利用效率分析 水资源利用效率计算结果利用 方法中的超效率 模型，分别对 年水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统的水资源利用效率进行测算，并通过加权求和得到综合水资源利用效率，结果见表。表 黄河流域国家中心城市水资源利用效率年份水资源利用郑州市 西安市社会经济郑州市 西安市生态环境郑州市 西安市综合郑州市 西安市平均由表 可知，水资源利用子系统，郑州市有的年份水资源利用效率大于，达到了 有效，水资源利用水平较高；西安市则有 的年份水资源利用效率达到了 有效，最近 两个城市的水资源利用效率均较高。社会经济子系统，郑州市和西安市的水资源利用效率适中，郑州市略高于西安市，二者达到人 民 黄 河 年第 期 有效的年份较少，近 社会经济子系统的水资源利用效率均明显高于之前的。生态环境子系统，西安市有 的年份水资源利用效率达到了 有效，而郑州市只有 的年份达到了 有效，两个城市生态环境子系统的水资源利用效率还有较大提升空间。从综合水资源利用效率看，郑州市略高于西安市。各指标对水资源利用效率的影响分析通过 模型中的松弛变量来判断各指标对水资源利用效率的影响，当某项投入指标或产出指标的松弛变量不为 时，说明该投入指标未充分利用或产出指标不达标，导致模型未达到最优。水资源利用子系统，郑州市未达到 有效的年份未充分利用降水和地下水资源，生活用水量和生态环境用水量转化率不足，导致水资源利用效率偏低；西安市未充分利用降水和地表水资源，工业用水量和生态环境用水量转化率不足，导致部分年份水资源利用效率较低而未达到 有效。社会经济子系统，郑州市第一产业水资源利用效率相对较低，整体水资源转化率较低，导致部分年份水资源利用效率较低而未达到 有效；西安市未达到 有效的年份第二产业耗水量偏大，而第二产业产出不足，导致水资源利用效率偏低。生态环境子系统，郑州市未达到 有效的年份未充分利用节能环保支出，生态环境耗水量偏大，绿化覆盖面积不足，水资源利用效率偏低，这种情况在近 尤为明显；西安市近 未充分利用生态环境耗水量和节能环保支出，导致部分年份水资源利用效率较低而未达到 有效。水资源全要素生产率年际变化与内在驱动因素分析基于 水 资 源 利 用、社 会 经 济 和 生 态 环 境 的 指数，分析 年郑州市和西安市水资源全要素生产率的年际变化情况，从技术效率变化、技术进步变化、纯技术效率变化和规模效率变化 个方面分析全要素生产率变化的内在驱动因素，结果见表。由表 可知，水资源利用子系统，郑州市的 指数为，表明其全要素生产率整体处于上升状态，西安市的 指数为，表明其全要素生产率整体处于下降状态，郑州市的技术进步指数大于，表明技术进步推动了全要素生产率提高，西安市的技术进步指数和规模效率指数均小于，表明西安市技术进步减缓和开发规模不当造成全要素生产率下降，但这种趋势在近 有所缓和。社会经济子系统，郑州市和西安市的 指数分别为和，表明二者社会经济子系统的全要素生产率整体处于上升状态，郑州市的内在驱动因素是技术进步和科技创新，技术进步、管理水平的提升和适宜的经济发展规模推动了西安市社会经济子系统全要素生产率的提升。生态环境子系统，郑州市的 指数为，全要素生产率整体处于上升状态，西安市的 指数为，全要素生产率整体处于下降状态，郑州市技术进步推动了全要素生产率的提升，投入规模不当则抑制了这种态势，西安市生态环境子系统的技术进步减缓造成了全要素生产率的下降。表 年黄河流域国家中心城市水资源利用效率 指数及分解子系统技术效率指数郑州市西安市技术进步指数郑州市西安市纯技术效率指数郑州市西安市规模效率指数郑州市西安市 指数郑州市西安市水资源利用社会经济生态环境 水资源利用效率的外在影响因素分析利用 回归模型对 年郑州市和西安市水资源利用效率的影响因素进行分析，结果见表。经济发展水平（人均）对郑州市和西安市的水资源利用效率有正向影响，水资源禀赋（人均水资源量）对水资源利用效率有负向影响，二者分别通过了、的显著性检验。产业结构（第一产业占比）和科技创新水平（科技教育支出占财政支出比重）均与水资源利用效率成正相关关系，但均未通过显著性检验。郑州市和西安市的经济发展水平对水资源利用效率有显著正向影响，这与孟庆军等对我国最近 表 回归模型结果指标回归系数标准差 统计量 值第一产业占比（）人均（）人均水资源量（）科技教育支出占财政支出比重（）常数项 注：、分别代表、的显著性水平。的水资源利用效率与经济发展高度关联的研究结果一致。经济发展的背后是技术的进步和管理水平的提升，这势必会推动水资源的高效利用。水资源禀赋对水资源利用效率有负向影响，这与吴向东等的研究结果一致。传统观点认为水资源丰富的地区易受“资人 民 黄 河 年第 期源诅咒”的影响导致水资源利用效率偏低；但也有研究表明，一些人均水资源量较高的地区水资源利用效率并不低，“路径依赖”不是影响水资源丰富地区水资源利用效率的唯一因素，管理水平对水资源利用效率影响很大。产业结构和科技创新水平均与水资源利用效率成不显著的正相关关系。郑州市和西安市应结合自身发展实际，优化产业结构，加强高新技术在水资源利用中的应用，提升科技创新在水资源利用方面的产出投入比，以提高水资源利用效率。结论）黄河流域国家中心城市郑州市和西安市水资源利用效率适中，还有一定的提升空间。水资源利用子系统，水资源效率郑州市（）西安市（）；社会经济子系统，水资源效率郑州市（）西安市（）；生态环境子系统，水资源效率西安市（）郑州市（）；综合水资源利用效率，郑州市（）西安市（）。）根据 模型中的松弛变量分析，水资源利用子系统，郑州市应提升生活用水量和生态环境用水量的转化率来提高水资源利用效率，西安市应充分利用降水和地表水资源；社会经济子系统，郑州市应着重提升第一产业水资源利用效率，西安市则应严格控制工业耗水量；生态环境子系统，郑州市和西安市均应充分利用节能环保支出，压缩生态耗水量，控制节能环保支出和生态耗水量的投入，提升生态环境用水效率。）从 指数来看，年郑州市水资源利用、社会经济和生态环境 个子系统的水资源利用全要素生产率（指数）整体均处于上升状态，西安市社会经济子系统的水资源利用全要素生产率整体处于上升状态，而水资源利用子系统和生态环境子系统的全要素生产率则处于下降状态。技术进步推动了全要素生产率的提高，全要素生产率下降的原因则是技术进步减缓和开发规模不当。）利用 回归模型分析水资源利用影响因素发现，经济发展水平与水资源利用效率成较为显著的正相关关系，产业结构、科技创新水平与水资源利用效率相关性不显著，水资源禀赋与水资源利用效率成负相关关系。参考文献：李运涛，王亚迪，暴占军国家中心城市水资源及供水结构的地区差异性分析人民黄河，（）：，李志敏，廖虎昌中国 省市 年水资源投入产出分析资源科学，（）：廖虎昌，董毅明基于 和 指数的西部 省水资源利用效率研究资源科学，（）：李腾，李博，屈伟，等基于 方法的贵州省岩溶地区水资源可持续利用效率评价水资源与水工程学报，（）：盖美，吴慧歌，曲本亮新一轮东北振兴背景下的辽宁省水资源利用效率及其空间关联格局研究资源科学，（）：张凯，吴凤平，成长春三重属性的承载力约束下中国水资源利用效率动态演进特征分析环境科学，（）：康爱红基于主成分分析的城市水资源分析及优化配置邯郸：河北工程大学，：余兴奎，何士华，高飞云南省水资源利用效率评价中国农村水利水电，（）：高媛媛，许新宜，王红瑞，等中国水资源利用效率评估模型构建及应用系统工程理论与实践，（）：管新建，梁胜行基于熵权模型的黄河流域水资源利用效率综合评价中国农村水利水电，（）：孟钰，杜琼英，管新建，等黄河流域水资源利用效率评估及空间分异研究中国农村水利水电，（）：何伟，王语苓黄河流域城市水资源利用效率测算及影响因素分析环境科学学报，（）：高孟菲，于浩，郑晶黄河流域绿色水资源效率及空间驱动因素研究生态经济，（）：，张永凯，孙雪梅黄河流域水资源利用效率测度与评价水资源保护，（）：，杨明明基于 和 方法对山西省水资源利用效率评估的比较研究太原：太原理工大学，：郭耀煌，胡运权运筹学教程 版北京：清华大学出版社，：张岩祥，肖长来，刘泓志，等模糊综合评价法和层次分析法在白城市水质评价中的应用节水灌溉，（）：，（）：，（）：，：，（）：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期表 含水层水文地质参数计算结果计算方法渗透系数（）导水系数（）贮水系数越流系数（）软件地下水数值模拟法由表 可知，两种方法得出的八里庄水源地浅层越流承压含水层组水文地质参数在同一个数量级，求参结果基本一致，相对误差在 以内。在保证计算精度要求的前提下，利用 软件计算水文地质参数可以减少计算工作量，降低计算过程出现人为错误的概率，更简便快捷地计算出越流承压含水层的各项水文地质参数。计算方法分析在八里庄水源地浅层越流承压含水层组抽水试验中，软件计算水文地质参数方法简便、快捷，可以利用抽水试验的全部数据。在自动拟合标准曲线配准方法的基础上，可以利用计算者所掌握的试验地水文地质条件，使用自动或手动方法拟合试验数据与理论曲线，使求参结果更加符合试验地的实际水文地质条件。数值模拟法通过对实际水文地质条件高度概化，在建立水文地质概念模型的基础上，构建试验地的地下水渗流数学模型，继而利用地下水数值模拟软件 进行计算求解，因此采用数值模拟法计算出的水文地质参数可代表实际的水文地质条件。但利用数值模拟法计算越流承压含水层组水文地质参数需要计算者具有较高专业素养，且需要的相关资料多、工作量大、花费时间长。结论）利用 软件中的 理论分析法计算八里庄水源地浅层越流承压含水层组非稳定流抽水试验水文地质参数，计算者在利用软件自动拟合曲线功能基础上，可根据所掌握的水文地质背景条件，避开异常数据点，保证所求含水层参数值的准确性和可靠性。）利用 软件与数值模拟法计算出的水文地质参数基本一致，结果相差在 以内，表明 软件计算水文地质参数是可靠的，可基本反映水源地浅层承压含水层组水文地质条件。采用 软件求解越流承压含水层水文地质参数具有简便、快捷的优势，特别在小型水文地质勘探工程中有很强的实用性。参考文献：薛禹群，吴吉春地下水动力学 版北京：地质出版社，：，（）：李云峰供水水文地质计算北京：地质出版社，：李培月非稳定流抽水试验确定越流承压含水层水文地质参数方法对比研究西安：长安大学，：张苗苗 软件与人工配线法计算矿区水文地质参数现代矿业，（）：韩其婷，刘建刚，侯保升基于 和 求解水文地质参数工程勘察，（）：萨日娜，孙颖娜，陈实基于 和大井法对安太堡露天矿涌水量的估算煤炭与化工，（）：张方亮，王军领，董芯岑，等河南省清丰县城八里庄水源地供水水文地质勘探报告郑州：河南省水文地质工程地质勘察院，：杜川，梁秀娟，张茜，等全程曲线拟合法和 水文地质求参人民黄河，（）：，刘兆昌，李广贺，朱琨供水水文地质 版北京：中国建筑工业出版社，：中华人民共和国建设部供水水文地质勘察规范：北京：中国建筑工业出版社，：蒋辉基于 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