管新建，梁勝行(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

0 引 言

近年來國內(nèi)外學(xué)者廣泛開展了對水資源利用效率的研究，包括對水資源利用效率評估的研究與其提高措施的研究。2010年許新宜指出區(qū)域的氣候差異影響作物耗水量和總供水量，在一定程度上也影響著農(nóng)業(yè)水資源利用效率，因此，提出了去區(qū)域氣候變異的農(nóng)業(yè)水資源利用效率指標(biāo)，有效評估并比較了全國農(nóng)業(yè)水資源利用效率[1]。2012年Naim Haie提出了宏觀、中觀與微觀層面不同的水資源利用效率公式，指出評價水資源利用效率不能僅僅從一個層面來判斷，從不同的層面分析，能夠充分了解水資源利用效率高低的原因[2]。但在水資源利用效率評價中，單指標(biāo)的評估不能全面反映區(qū)域的水資源利用效率狀況，因此，國內(nèi)外學(xué)者考慮采用綜合模型分析多個指標(biāo)對水資源利用效率進(jìn)行評價。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)[3]與隨機(jī)前沿函數(shù)法[4,5](SFA)在水資源利用效率的綜合評估中應(yīng)用較多，也有學(xué)者將兩者進(jìn)行比較[6]，但兩種方法在計算結(jié)果上往往存在較大差異。近年來，隨著研究的深入，熵權(quán)評估模型和遺傳投影尋蹤模型等綜合評估模型在水資源利用效率評價中得到了很好的應(yīng)用[7,8]，評估效果較好。本文以黃河流域為研究對象，采用條件廣義方差極小法篩選出黃河流域水資源利用效率綜合評估指標(biāo)，根據(jù)所建立的指標(biāo)體系，利用熵權(quán)評估模型將評估指標(biāo)體系中的多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個具有代表性的綜合指數(shù)，對黃河流域及其各省水資源利用效率進(jìn)行綜合評價，并分析其差異性。研究成果對深入了解黃河流域水資源利用效率現(xiàn)狀，以及指導(dǎo)水資源管理決策具有重要的實用價值。

1 黃河流域水資源利用效率綜合評價

1.1 黃河流域概況

黃河流域多年平均河川徑流量580 億m3，在我國七大江河中居第4位，地下水資源不重復(fù)計算量139 億m3，總水資源量為719 億m3。按總水資源量扣除調(diào)出流域的100 億m3水量，流域內(nèi)人均占有水量和單位面積人均占有水量分別為578 m3和4 905 m3/hm2，遠(yuǎn)低于全國的平均水平。2011年黃河流域各類工程總供水量512.05 億m3，內(nèi)蒙古供水量最大，為102.7 億m3，占黃河流域的25.3%，寧夏次之，四川供水量最小，僅0.31 億m3，不足黃河流域的0.1%。黃河流域無論是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是工業(yè)發(fā)展都是中國經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，但是其水資源利用效率并不樂觀，而且黃河流域正面臨著水資源日益短缺的嚴(yán)重問題。若要實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，提高水資源利用效率至關(guān)重要[9]。

1.2 評估指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2.1評估指標(biāo)體系構(gòu)建原則和依據(jù)

水資源利用效率的評估指標(biāo)多達(dá)200多個，要全部考慮到綜合評價中是不切實際的。 在選取指標(biāo)時應(yīng)遵循科學(xué)性和可比性相結(jié)合的原則、系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合原則、動態(tài)性與靜態(tài)性相結(jié)合原則和定性化與定量化相結(jié)合的原則，同時指標(biāo)體系應(yīng)分綜合、農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境5個方面的內(nèi)容，但是由于生態(tài)環(huán)境方面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料不易獲取，所以沒有考慮，只選取了綜合、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活4個方面的指標(biāo)。每個行業(yè)在水資源利用效率綜合評價中的重要程度不同，并且某些行業(yè)的水資源利用效率不能僅僅用一個指標(biāo)來表示，因此，本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃河流域的現(xiàn)狀分析和專家經(jīng)驗在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活指標(biāo)中遴選出3～4個指標(biāo)作為指標(biāo)基本集，采用廣義方差極小法對指標(biāo)基本集中的指標(biāo)進(jìn)行排序，從中篩選出不多于10個指標(biāo)作為評估指標(biāo)體系，以便進(jìn)行水資源利用效率的綜合評價。

1.2.2條件廣義方差極小法

條件廣義方差極小法的基本思路[10]是：設(shè)有p個指標(biāo)(X1,X2, …,Xp)的n組觀察數(shù)據(jù)Xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,p)，由X可以計算得到指標(biāo)的協(xié)方差矩陣(Sij)p×p，X與S如下式所示。

(1)

S(X(2)|X(1))=S22-S21S-111S12

(2)

條件協(xié)方差反映出X(2)中的指標(biāo)在X(1)中指標(biāo)被保留的條件下的變化情況，若S(X(2)|X(1))很小，則表明X(2)的變化情況不大，可以用X(1)中的指標(biāo)來表示，將X(2)舍去。

1.2.3篩選結(jié)果

根據(jù)綜合分析和專家意見，從各行業(yè)的水資源利用效率評估指標(biāo)中遴選出14個指標(biāo)，組建黃河流域評估指標(biāo)基本集，如表1所示。

采用條件廣義方差極小法從指標(biāo)基本集中篩選指標(biāo)。將(X2, …,Xp)看做X(1)，剩下的X1看做X(2)，計算S(X(2)|X(1))，計算結(jié)果是一個數(shù)值，記為t1。類似的，可以依次計算得到(t1,t2, …,tp)。確定一個閾值γ，比較(t1,t2, …,tp)與γ的大小關(guān)系，若小于γ，則舍去其對應(yīng)的指標(biāo)。各指標(biāo)的(t1,t2, …,tp)計算結(jié)果如表1所示。本文選取的閾值γ為0，舍去部分指標(biāo)后，得到黃河流域水資源利用效率評估指標(biāo)體系，如表2所示。本文中的數(shù)據(jù)由黃河水利委員會提供，主要來源于2011年《黃河流域水資源公報》與《黃河流域水資源綜合規(guī)劃報告》。

表1 指標(biāo)基本集及其各指標(biāo)的條件協(xié)方差

表2 黃河流域水資源利用效率評估指標(biāo)體系及其數(shù)值

1.3 綜合指數(shù)計算

1.3.1熵權(quán)法

熵權(quán)法[11]是一種將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個具有代表性綜合指數(shù)的方法，其基本思想是認(rèn)為指標(biāo)的差異程度越大就越重要，即權(quán)重會越大[12]。熵權(quán)法的計算結(jié)果由指標(biāo)值決定，具有客觀合理性，能夠一定程度消除人為因素和主觀性[13]。根據(jù)廣義方差極小法構(gòu)建的水資源評估指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法計算各指標(biāo)的權(quán)重，再進(jìn)行加權(quán)平均，得到水資源利用效率的綜合指數(shù)，以此來反映黃河流域及其各省水資源利用效率的高低。熵權(quán)法具體計算步驟如下。

(1)計算各指標(biāo)的熵。構(gòu)建水資源利用效率的m個評價指標(biāo)n個評價對象的判斷矩陣，并將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果如式(3)所示。確定各水資源利用效率評價指標(biāo)的熵Hi，第i個評價指標(biāo)的熵如式(4)所示。

R=(rij)m×n,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(3)

(4)

fij=rij/∑mi=1rij

(5)

式中：rij為第j個評價對象在第i個水資源利用效率評價指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈[0,1]。為使lnfij有意義，一般假定fij=0時，lnfij=0。

(2)計算各指標(biāo)的熵權(quán)。第i個評價指標(biāo)的熵權(quán)ωi如式(6)所示。式中，0≤ωi≤1，∑mi=1ωi=1。

ωi=(1-Hi)/(m-∑mi=1Hi)

(6)

(3)計算綜合指數(shù)。計算不同評價對象的水資源利用效率綜合評價指數(shù)Ij，如式(7)所示。

Ij=∑mi-1ωi×rij

(7)

1.3.2計算結(jié)果

根據(jù)熵權(quán)模型計算出評估指標(biāo)體系各指標(biāo)的權(quán)重值，再由各省的指標(biāo)通過權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)平均，得到黃河流域及其各省水資源利用效率綜合指數(shù)。各指標(biāo)的權(quán)重值見表3，各省水資源利用效率綜合指數(shù)與排名見圖1。

表3 黃河流域水資源利用效率評估指標(biāo)的熵權(quán)

圖1 黃河流域及其各省水資源利用效率綜合指數(shù)排名

由表3可知，單位GDP用水量、單位面積灌溉用水量與單位工業(yè)增加值用水量的熵權(quán)值較大，表明這3個指標(biāo)對黃河流域及其各省水資源利用效率綜合指數(shù)的影響較大。水資源利用效率受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響最大，其次，農(nóng)業(yè)與工業(yè)作為第一、第二產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及其行業(yè)水資源利用效率對綜合利用效率也存在較大的影響。

由圖1可知，山西(0.818)、山東(0.815)與河南(0.768)的水資源利用效率較大，遠(yuǎn)高于黃河流域平均水平(0.622)；陜西(0.691)、內(nèi)蒙古(0.649)與四川(0.626)的綜合指數(shù)略高于黃河流域平均水平，水資源利用效率中等；甘肅(0.464)、青海(0.443)與寧夏(0.111)的水資源利用效率最差。

2 黃河流域水資源利用效率合理性及差異分析

水資源利用效率的高低與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相關(guān)。黃河流域上游省份的水資源利用效率較低，主要為寧夏、青海、甘肅。這些省份地理位置相對劣勢，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低。這些省份的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量資金投入，且運輸條件較差、運輸成本高。因此，在各方面節(jié)水設(shè)施的更新上較困難。中下游省份的水資源利用效率較高，這些省份地處內(nèi)陸與沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高且交通便利。其中，山東省是中國東部的經(jīng)濟(jì)大省，在水資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面積極探索“點、線、面”發(fā)展模式[14]。河南省是中國重要的交通樞紐，交通便利能夠有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠有效促進(jìn)節(jié)水技術(shù)提高。當(dāng)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展到一定程度時，人口增長率會得到控制、科技水平得到提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，水資源利用效率也會得到提高。

水資源利用效率的高低與各省的水資源儲備有關(guān)。青海是長江、黃河、瀾滄江和黑河等重要江河的發(fā)源地，是國家水資源、水生態(tài)的戰(zhàn)略基地[15]。青海省黃河流域內(nèi)人口稀少，水資源量卻很豐富。四川省水資源總量豐富，人均水資源量高于全國，河道迂回曲折，有利于農(nóng)業(yè)灌溉。正是由于這些省份的水資源儲備較豐，導(dǎo)致用水浪費、節(jié)水意識低下等現(xiàn)象。山西省地處黃土高原，水資源匱乏，節(jié)水自然成為發(fā)展之本。近年來，山西省廣泛采用節(jié)水農(nóng)業(yè)[16]，去變異農(nóng)業(yè)水資源利用效率達(dá)到9省最高，其農(nóng)業(yè)水資源利用效率已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。近年來，甘肅省實行最嚴(yán)格水資源管理制度[17]，但甘肅省水資源量十分短缺，在全國32個省份中排第29位，水資源開發(fā)利用難度很大，因此，其水資源利用效率較低。

水資源利用效率的高低與各省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)。內(nèi)蒙古的區(qū)域重點工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)集中區(qū)主要沿黃河沿線，工業(yè)布局以節(jié)水為先，加快淘汰落后用水工藝、設(shè)備和器具，因此，其單位工業(yè)增加值用水量為黃河流域最高，帶動水資源綜合利用效率的提高。陜西省從合理布局全省產(chǎn)業(yè)的角度出發(fā)，通過政府宏觀規(guī)劃與水價政策，實施“北廠南移戰(zhàn)略”，嚴(yán)格在關(guān)中與陜北地區(qū)興建新的耗水量大的企業(yè)[18]。寧夏的水資源量少質(zhì)差，北部引黃灌區(qū)渠道滲漏與季節(jié)性缺水并存，而南部山區(qū)水資源相對較豐，但缺少大型調(diào)水工程，因此，水資源利用效率低下[19,20]。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整能夠促進(jìn)科學(xué)合理使用水資源，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源承載能力的和諧統(tǒng)一，已成為提高水資源利用效率和效益的強(qiáng)力引擎。

3 結(jié) 語

本文采用條件廣義方差極小法構(gòu)建黃河流域水資源利用效率評估指標(biāo)體系，采用熵權(quán)模型計算綜合指數(shù)，給出了黃河流域及其各省水資源綜合利用效率的定量分析結(jié)果。結(jié)果表明，山西、山東與河南的水資源綜合利用效率較高，甘肅、青海與寧夏的較差，其余省份處于中等水平。通過對黃河流域及其各省水資源利用效率差異的成因分析，得出了水資源利用效率的高低與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源儲備量及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有較大的關(guān)系。本文的研究結(jié)果對于進(jìn)一步了解黃河流域及其各省水資源利用效率現(xiàn)狀具有重要的作用，同時為管理部門制定合理的水資源決策提供一定參考。

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