中国水资源利用效率评价及空间集聚分析.pdf

收稿日期：基金项目：国家社会科学基金资助项目（）作者简介：李可柏（），男，广西柳州人，副教授，博士，主要从事管理系统工程研究工作：【水资源】中国水资源利用效率评价及空间集聚分析李可柏，陶 军，卢 慧（南京信息工程大学 管理工程学院，江苏 南京）摘 要：为测算中国 年 个省份用水效率，运用数据包络法和莫兰指数模型分析动态变化情况和时空分布格局。结果表明：全国用水效率在 年总体较为平稳，年下降幅度较大，用水效率存在显著地区差异，东部、东北地区的用水效率整体高于中部、西部地区的；全要素生产率总体小幅下降，共有 个地区的全要素生产率变化小于；年及 年各地用水效率为正空间自相关，空间集聚存在减弱趋势，集聚类型以低低集聚为主，且局部空间自相关性较弱。因此，我国用水效率还有较大提升空间，中西部地区须大力发展经济、优化用水方式，相邻地区可加强区域合作，缩小区域差异。关键词：水资源利用效率；数据包络分析；指数；空间集聚中图分类号：文献标志码：引用格式：李可柏，陶军，卢慧中国水资源利用效率评价及空间集聚分析人民黄河，（）：，（，）：，：；引言联合国世界水资源开发报告 指出，在过去的 里，全球对水资源的需求正在以每年约 的速度增长，而这一速度在未来 还将大幅加快，这对于水资源利用带来了严峻的考验。多年持续的经济增长与众多的人口数量使得水资源短缺已成为并将长期成为我国的基本水情。本文研究问题为我国用水效率的动态变化和时空格局，期望为缓解水资源供需矛盾、推进节水型社会建设提供参考。目前测算用水效率的研究方法多为数据包络分析法（，）。该方法无须指定生产函数形态，衡量的决策单元不受数据单位影响，如吴向东等采用改进的 模型非期望产出效率（，）模型测算江西的用水效率。但单一的 缺乏动态性，需要引入技术效率变化指数来分析全要素生产率。此外，在用水效率时空格局研究方面，关于水资源空间特性的研究多集中在区域差异及影响因素方面，其优点是涉及农业、工业、生活、生态环境等方面，如杨超等利用基于规模报酬可变的 （）模型和固定效应模型分析了中国城市用水效率，研究结果发现 年城市水资源综合利用效率总体较低；其缺点是较少分析用水效率的时空特性，特别是时第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，空演变特征和空间分布格局。我国省域众多，忽略用水效率的空间效应，可能会忽视相邻地区间的溢出效应。本文针对现有研究不足，综合上述方法，依据 年 个省份的面板数据，运用、指数（即技术效率变化指数）模型进行用水效率静态、动态评价以及空间集聚分析。数据来源由于水资源需求与其他生产要素结合才能带来真正的经济产出，因此将水资源、资本、劳动力以及经济产出纳入模型。其中：输入指标为用水总量、固定资产投资和就业人数，输出指标为地区生产总值。数据横向包括我国 个省份、纵向包括 年，共 个样本（数据主要来源于中国统计年鉴（年）和中国水资源公报（年）。研究方法 模型由于基于规模报酬不变的（）和 两种 模型可以对多投入单产出结构进行效率评价，并分解出规模效率和纯技术效率，因此用其分析本文用水效率。模型为 （）（、，、）（）式中：（）为目标产出最大化的对偶规划；为综合效率；为非阿基米德无穷小量；、分别为输入、输出的松弛变量；为决策单元个数，每个决策单元有 个输入变量和 个输出变量；和 分别为第 个决策单元第 个输入和第 个输出指标值；和 分别为第 个决策单元第 个输入和第 个输出指标值；为输入和输出指标的权重。式（）增加凸性假设，便可计算出纯技术效率 ，得到 模型。令 ，则 为规模效率。若 ，则规模有效；，则规模无效。指数模型在规模收益可变量为（，）假设下，可将全要素生产率变化量（，）分解为综合效率变化量（，）和技术效率变化量（，），前者又可分 为 纯 技 术 效 率 变 化 量（，）和 规 模 效 率 变 化 量（，），（，）为规模收益不变。则 指数模型如下：（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（）式中：（，）为 至 时期生产率变化的指数；（，）、（，）分别为在规模收益可变的条件下，以 、时期的技术为参考，、时期的距离函数；（，）、（，）分别为在规模收益不变的条件下，以 、时期的技术为参考，、时期的距离函数；（，）、（，）分别为以 时期的技术为参考，、时期决策单元的距离函数；（，）、（，）分别为以 时期的技术为参考，、时期决策单元的距离函数；为 至 时期综合效率的变化量；为相邻期间纯技术对效率提高的促进或阻碍作用；为相邻期间规模效率的变化量；为至 时期技术边界的移动对生产率变化的贡献度。莫兰指数采用全局莫兰指数 和局部莫兰指数 进行空间自相关性检验。）全局莫兰指数 计算公式为人 民 黄 河 年第 期 （）（）（）（）局部莫兰指数 计算公式为 （）（）（）式中：为区域 的用水综合效率；为区域 的用水综合效率；为用水综合效率均值；为空间单元总数；为样本方差；为区域 与区域 之间的空间权重，若区域 与区域 有共同的边界或顶点，则、反之 。结果与讨论 分析依据国家统计局 年颁布的东西中部和东北地区划分方法，将我国划分成四大区域：）东部包括北京、天津、河北、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东和海南；）中部包括山西、安徽、江西、河南、湖北和湖南；）西部包括内蒙古、广西、重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆；）东北包括辽宁、吉林和黑龙江。基于 计算的用水效率见表。表 用水效率省份综合效率 纯技术效率 规模效率 年 年 年 年 年 年北京天津河北山西内蒙古辽宁吉林黑龙江上海江苏 浙江安徽福建江西山东河南湖北湖南广东广西海南重庆四川贵州云南西藏陕西甘肃青海宁夏新疆 平均值 由表 可知，北京的综合效率 均为，上海、天津的综合效率 年均为，达到了 强有效，处在生产前沿面上；相反，内西藏、甘肃、青海、宁夏和新疆的综合效率均值为 左右，处在末位，与 有效还有距离，存在提升空间，但随时间推移，均有一定程度提升。这表明节水型社会建设，以及西部大开发“十二五”规划提出的“积极构建比较完善的创新体系和现代产业体系，加强对西部地区人 民 黄 河 年第 期建设投入和生态文明保护，促使西部地区用水效率提升”，取得了效果。东北三省中黑龙江和吉林水用水效率低于辽宁，原因在于黑龙江和吉林农业用水量高于辽宁，但两省 低。例如，年，辽宁 分别是黑龙江和吉林的 和 倍，但农业用水量、固定资产投资却分别约为黑龙江的 和，吉林的 和。按区域划分，研究期间用水综合效率随时间变化的趋势见图。图 用水综合效率变化趋势由图 看出，年全国平均用水综合效率波动不大，较为平稳，平均值维持在 范围内。说明随着经济向高质量发展转变，以及绿色、低碳经济理念的倡导，水资源利用由粗放型向集约型转变取得了较好效果。但 年有较大降幅，降至，降幅为，原因可能是 年新冠肺炎爆发，导致各地生产总值增速放缓。例如，中国统计年鉴（年）显示，湖北 年、年的 分别为 亿元和 亿元，出现负增长。年全国 增速分别为、，、，年较之前增速显著下降。虽然用水总量逐年下降，但是幅度较小，分别为、。而各地固定资产投资和从业人数逐年增长，年均增长率分别约为 和。由于本文研究的用水综合效率衡量的是水资源同其他生产要素综合产生的经济效益，而综合投入增速高于产出增速，因此 年用水综合效率下降较大。我国区域用水效率差异较大。相比全国平均水平，年东北和东部地区的用水效率较高，其次是中部地区，西部地区最低。原因是西部地区农业比重较高，节水灌溉技术应用不足，加上西北地区干旱缺水严重，导致用水效率较低；中部地区多以高耗水的重工业如煤炭、钢铁为支柱产业；东北、东部地区的用水效率分别为、，相比中部、西部地区，这两地经济发展和工业化水平较高，资源投入已由粗放化向集约化转变，科技水平的提高也带动了节水技术的提升，使得用水效率较高。但东北地区用水效率却在 年出现较大降幅，降为，低于中部地区和全国平均水平。原因在于，相比 年用水总量虽然下降了，但是 却下降了，下降幅度远高于前者，导致水资源的投入产出效率下降不少，这也显示了实施新一轮东北振兴战略的必要性和紧迫性。针对非 有效的地区，计算松弛变量，即在产出不变的情况下，投入要素的可减少量，分别以、表示在同样产出条件下用水总量、固定资产投资、从业人数的可减少量，单位分别为亿、亿元、万人。北京、天津、上海、青海和西藏 投入松弛变量均为，除此之外的各地区投入松弛变量见表。表 各省份投入松弛变量省份 年 年 年 年 年 年河北 山西内蒙古辽宁吉林 黑龙江江苏 浙江安徽 福建 江西 山东 河南 湖北 人 民 黄 河 年第 期续表 省份 年 年 年 年 年 年湖南 广东广西 海南重庆 四川 贵州 云南 陕西 甘肃宁夏新疆平均值 由表 可知，以 年为例，的全国平均值为 亿，多数地区在用水总量上存在投入冗余。其中，新疆、黑龙江的用水总量投入冗余较为严重，分别为 亿、亿，结合表 可知，这可能是导致新疆和黑龙江 无效的主要因素。的全国平均值为 亿元，河北、福建、山东、河南和陕西等地在固定资产投资上存在明显的投入冗余。的全国平均值为万人，山西、辽宁、山东、海南、陕西、宁夏的劳动力投入冗余较为显著，较往年有显著增长。但表 中并非投入松弛变量为 意味着该投入已达最优。结合表 中非 强有效的地区规模效率均小于，可能存在投入不足的现象。动态分析按年份对 个省份进行 指数分析，结果见表（表中数据以 年用水效率为基数计算，基数为）。表 逐年 指数年份平均值 由表 可知，年 个省份的用水效率总体呈小幅下降趋势，全要素生产率在 年、年和 年分别比上年下降 、和，而 年和 年则分别比上年增长 和，下降幅度大于增长幅度。全要素生产率年均跌幅为。全要素生产率变化受到综合效率变化和技术效率变化的影响，其中综合效率的年均增长率为，技术效率变化的年均增长率为，前者是后者的 倍。说明综合效率下跌是导致全要素生产率下降的主要因素。纯技术效率变化年均为，年的变化值均大于，表明这段时期管理手段得到持续改进，使用水效率变得更高；而 年纯技术效率变化值小于，降幅较大。规模 效 率 小 幅 下 降，年 均 下 降 幅 度 为。年和 年规模效率变化均小于，表明此段时期决策单元（，）未接近最优规模。但 年的规模效率变化为，表明情况有所改善，开始接近最优规模。按省份进行 指数分析，结果见表。表 按省份进行 指数分析的结果省份北京天津河北山西内蒙古辽宁吉林黑龙江上海江苏浙江安徽福建江西山东河南湖北湖南广东广西海南重庆四川人 民 黄 河 年第 期续表 省份贵州云南西藏陕西甘肃青海宁夏新疆平均值 由表 可知，年共有 的省份全要素生产率变化小于，其中：黑龙江的全要素生产率下跌幅度最大、为；北京、山西、辽宁、上海和甘肃的全要素生产率总体弱增长，平均涨幅为；内蒙古、吉林、安徽、江西、湖北、广西、四川、贵州、云南、陕西的综合效率变化、技术效率变化、纯技术效率变化、规模效率变化和全要素生产率均小于，结合表，说明这些省份在该阶段水资源利用效率呈现明显的下降趋势；天津虽然综合效率变化、技术效率变化、规模效率变化和全要素生产率变化小于，但纯技术效率变化 内均为，且 年均为 强有效，说明天津市该阶段水资源利用效率已达到高水平，几乎不受到技术效率变化的影响。因此，我国 个省份的全要素生产率总体小幅下降。空间集聚分析上述水资源效率分析显示，临近地区的用水效率可能存在空间关联，因此有必要研究用水效率的空间分布。检验用水效率的全局空间自相关性，结果见表，由表 可知，年我国用水综合效率的全局莫兰指数 均大于；和 分别表示标准差的倍数和概率，二者均用于表明置信度，取显著性水平为，年、年的 值均小于，说明此时期各省份之间的用水效率在分布上存在较强空间集聚，为显著正空间自相关，但是莫兰指数 在研究期间内不断降低后略微反弹。年的 值为，用水效率由 年正空间自相关转为 年无空间自相关，在 年又转变为正空间自相关。说明我国水资源利用综合效率空间集聚存在减弱趋势。表 用水效率的全局莫兰指数 检验年份 全局莫兰指数 反映用水效率的全局空间分布特征；局部莫兰指数 反映用水效率的局部空间自相关性，根据 计算的分类结果见表。表 局部莫兰指数 计算的分类结果年份第一象限第二象限第三象限第四象限北京、天津、上海、江苏、黑龙江、辽宁、福建、河北吉林、海南、山西、浙江贵州、宁夏、陕西、云南、西藏、青海、湖北、安徽、重庆、甘肃、新疆、四川、湖南、广西、江西山东、河南、内蒙古、广东北京、天津、上海、江苏、黑龙江河北、吉林、海南、江西、山西、浙江贵州、河南、宁夏、广西、陕西、云南、西藏、青海、湖北、安徽、重庆、甘肃、新疆、福建、四川山东、广东、辽宁、湖南、内蒙古、北京、天津、上海、江苏、浙江河北、吉林、海南、内蒙古、福建贵州、河南、宁夏、广西、陕西、云南、西藏、青海、湖北、安徽、重庆、江西、甘肃、新疆山东、广东、山西、辽宁、湖南、黑龙江北京、天津、上海、江苏、内蒙古、浙江河北、吉林、海南、黑龙江、福建贵州、宁夏、河南、广西、陕西、云南、西藏、青海、湖北、湖南、安徽、重庆、江西、甘肃、四川山东、广东、山西、新疆、辽宁北京、天津、上海、江苏河北、吉林、甘肃、浙江、海南贵州、河南、宁夏、广西、陕西、山东、黑龙江、云南、西藏、青海、湖北、安徽、重庆、江西新疆、四川、湖南、辽宁、山西、福建、内蒙古、广东北京、天津、上海、江苏、福建、浙江河北、海南、吉林、江西、安徽贵州、河南、宁夏、广西、陕西、山东、黑龙江、新疆、四川、云南、西藏、青海、甘肃、湖北、湖南、内蒙古广东、山西、重庆、辽宁 注：第一象限表示本地区用水效率为高值，周边地区也为高值；第二象限表示本地区用水效率为低值，但周边地区用水效率为高值；第三象限表示本地区及周边地区用水效率均为低值；第四象限表示本地区用水效率为高值，但周边地区用水效率为低值。由表 可知，我国用水综合效率局部莫兰指数样本点较多分布在第三象限，其中陕西、青海、宁夏、西藏、湖北、云南、贵州、广西 均位于第三象限内，甘肃除 年在第二象限外、其余年份均位于第三象限内；其余象限样本点分布相对较少。这说明 年我国 个省份的用水综合效率主要表现为低低类型。此外，年第四象限内样本点较 年有所增加，如新疆在 年移至第四象限，辽宁在 年移至第四象限，湖南在 年、年、年 移 至 第 四 象 限，山 西 在 年移至第四象限，四川在 年移至第四象限。其中，湖南由 年低低类型向 年高低类型转变在于该省水资源效率增长显著且均高于周边地区，由 增长为，增速约为；而与之相邻的湖北、贵州、广西、江西、重庆等地 年用水效率分别为、，由此形成高低类人 民 黄 河 年第 期型，这些地区位于我国中西部，用水效率相对较低。同样，新疆、四川由低低类型向高低类型转变，也主要源于当地用水效率的提升。表 中的高高、高低、低低和低高类型省份包括了所有研究单元且缺乏统计含义，为了进一步分析各区域用水综合效率的局部相关类型，以及统计意义上显著的聚集区域，计算了用水综合效率空间关联的局部指标（，）。集聚表中的区域仅为通过了显著性检验的省份，低低集聚、低高集聚、高高集聚、高低集聚分别代表统计意义上显著的低低、低高、高高、高低型聚类，通过将集聚类型进行对比反映出相邻区域用水效率在空间上的关联性及空间分布格局（见表）。表 用水综合效率 集聚年份低低集聚低高集聚高高集聚高低集聚新疆、青海、四川、云南吉林河北新疆、青海、四川、云南河北、吉林新疆、青海、西藏、云南河北四川四川、云南、湖北、湖南河北、吉林新疆河北新疆、四川、湖南四川、青海、西藏、贵州、云南河北浙江 由表 可知，用水效率的局部空间自相关性较差，年每年存在空间聚类的省份分别为、个，每年分别有 、的省份存在空间集聚现象，因此年均约有 的省份不存在空间集聚现象。表明各省份用水综合效率呈现明显分异现象，具有相似用水综合效率的省份分布较为分散。年以及 年，局部空间集聚以低低型为主。其中，年，全国低低集聚类型未发生改变，均为西部地区，分别是新疆、青海、四川和云南；河北因用水效率的下降而从高高转为低高集聚类型。年，西藏为低低集聚类型，主要原因是相邻的新疆、青海和云南的用水效率下降并接近西藏的；四川因本省用水效率提高而转为高低集聚类型。年，全国低低集聚区部分由西北向中南地区转移，新疆因用水效率提升而首次转为高低集聚类型。年，全国首次出现无低低集聚类型，空间集聚类型主要为高低集聚和低高集聚。四川和湖南由 年的低低集聚类型转为高低集聚类型。年，贵州因本省及周边地区用水效率显著下降而转为低低集聚类型。总体而言，我国用水综合效率的空间集聚现象不突出。结论）年全国用水综合效率较为平稳，但 年出现较大降幅，可能与 增速放缓有关。不同省份用水综合效率存在显著差异，东部和东北地区的用水效率整体上高于中部和西部地区，西部地区最低。）北京、上海、天津的用水效率常年达到 有效，其余地区仍有较大提升空间，特别是中西部地区。中西部地区用水效率常年低于全国平均水平，其原因在于经济发展相对滞后，并且农业用水比重较高，用水方式较为粗放。因此，需要大力发展经济，加强节水技术的研发和利用，优化用水方式，不断提高农业用水效率。）个省份的全要素生产率总体小幅下降，个省份的全要素生产率变化小于。其中，黑龙江的全要素生产率下跌幅度最大，农业用水量大但 不高是导致黑龙江用水效率较低的主要原因，可适当扩大低耗水高产出行业规模，改善农业用水情况。）空间自相关性存在减弱现象，各地用水效率空间自相关的类型主要为低低集聚。这表明我国邻近省级行政区水资源利用效率在地理空间上的总体差异减小。低用水效率地区还可通过加强区域合作缩小区域差异。本文采用的是省级数据，如若采用更为详细的数据（如县级），则可以对各区域的用水效率的空间分布格局和集聚效应进一步细化，研究结果将更加精确。值得进一步研究的问题有空间效应对工业、农业、生活和生态用水效率的影响。参考文献：，：，：应卓晖，赵衡，王富强，等基于 和 模型的河南省水资源利用效率评价及影响因素南水北调与水利科技（中英文），（）：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，（）：张国基，吴华清，刘业政，等中国水资源综合利用效率测度及其空间交互分析数量经济技术经济研究，（）：，人 民 黄 河 年第 期（），（）：吴向东，许新发，成静清，等江西省水资源利用效率时空演变及其影响因素人民长江，（）：，沈晓梅，谢雨涵农业绿色水资源利用效率及其影响因素研究中国农村水利水电，（）：，罗芳，田苗，孙彩虹，等长江经济带农业水资源利用效率时空差异分析人民长江，（）：，肖磊，李云，陈佳蕊中国工业绿色水资源效率的区域差异与收敛性研究数量经济研究，（）：雷玉桃，黄丽萍中国工业用水效率及其影响因素的区域差异研究：基于 的省际面板数据中国软科学，（）：雒占福，朱立祥，常飞，等中国城市供水效率时空差异及其变化特征水土保持研究，（）：，胡绵好，廖桂萱，袁菊红，等基于 模型的鄱阳湖生态经济区用水效率时空变化及影响因素分析江西师范大学学报（自然科学版），（）：任玉芬，苏小婉，贺玉晓，等中国生态地理区城市水资源利用效率及影响因素生态学报，（）：杨超，吴立军中国城市水资源利用效率差异性分析：基于 个地级及以上城市面板数据的实证人民长江，（）：朱丽娟，张扬，张改清我国城市土地与水资源利用效率的耦合协调及其时空特征研究经济经纬，（）：钱文婧，贺灿飞中国水资源利用效率区域差异及影响因素研究中国人口资源与环境，（）：，（）：赵晨，王远，谷学明，等基于数据包络分析的江苏省水资源利用效率生态学报，（）：，（）：陈强高级计量经济学及 应用北京：高等教育出版社，：马海良，黄德春，张继国，等中国近年来水资源利用效率的省际差异：技术进步还是技术效率资源科学，（）：姜博骞，刘欣基于 的环渤海经济区水资源利用效率评价资源开发与市场，（）：孙才志，刘玉玉基于 的中国水资源利用相对效率的时空格局分析资源科学，（）：【责任编辑 简 群】（上接第 页）黄河勘测规划设计有限公司黄河水沙变化及古贤入库水沙设计专题报告郑州：黄河勘测规划设计有限公司，：黄河勘测规划设计有限公司黄河流域水文设计成果修订郑州：黄河勘测规划设计有限公司，：高健翎，高云飞，岳本江，等人民治理黄河 年水土保持效益分析人民黄河，（）：水利部黄河水利委员会人民治黄 年黄河治理开发与保护成就及效益郑州：水利部黄河水利委员会，：李景宗，刘立斌近期黄河潼关以上地区淤地坝拦沙量初步分析人民黄河，（）：张金良，刘继祥，万占伟，等黄河 年第 号洪水雨洪泥沙特性分析 人民黄河，（）：，徐建华，高亚军，李晓宇用水泥产量估算黄河上中游河道采砂量人民黄河，（）：，姚文艺，冉大川，陈江南黄河流域近期水沙变化及其趋势预测水科学进展，（）：黄河水利委员会黄河流域综合规划（年）郑州：黄河水利出版社，：景可，陈永宗黄土高原侵蚀环境与侵蚀速率的初步研究地理研究，（）：叶青超黄河流域环境演变与水沙运行规律研究济南：山东科学技术出版社，：李元芳从古黄河三角洲探讨黄土高原自然侵蚀背景值 中国地理学会地貌与第四纪专业委员会地貌环境发展北京：中国环境出版社，：吴祥定历史上黄河中游土壤侵蚀自然背景值的推估人民黄河，（）：，朱照宇，周厚云，谢久兵，等黄土高原全新世以来土壤侵蚀强度的定量分析初探水土保持学报，（）：，师长兴，徐加强，郭立鹏，等近 年来黄河下游沉积量和上中游产沙量变化过程第四纪研究，（）：【责任编辑 张 帅】人 民 黄 河 年第 期