王 婷,王保乾,曹婷婷
(河海大學(xué)商學(xué)院,南京 210000)
經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)存在著復(fù)雜的耦合機理,經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境造成壓力,傳導(dǎo)到反映經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀的相應(yīng)指標之上,繼而對水環(huán)境系統(tǒng)帶來較大影響,而水環(huán)境系統(tǒng)同樣可以對上述壓力、狀態(tài)進行必要的環(huán)境反饋,形成整個系統(tǒng)的響應(yīng)機制[1],二者構(gòu)成“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”的關(guān)系。北京作為我國經(jīng)濟和政治中心,其人口高度集中,經(jīng)濟高度發(fā)達,2014年,北京常住人口2 151.6萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值21 330.8 億元,實際利用外資90.4億美元,主要經(jīng)濟指標位居全國前列。但是北京水資源問題日益嚴重,屬于典型的水資源短缺型城市,2014年,北京人均水資源占有量只有94 m3,Ⅴ類和劣Ⅴ類水的比例較高,且北京水資源供給能力有限,相應(yīng)的水資源承載能力、自身消化、轉(zhuǎn)化污水的能力相對不足。
在理論研究上,目前,國內(nèi)外學(xué)者針對經(jīng)濟與水環(huán)境關(guān)系的研究主要集中在水資源供給、水資源污染以及引申的虛擬水貿(mào)易與水權(quán)交易這3個方面。Thomas M. Missimer, NoreddineGhaffour(2015)[2]等人從水循環(huán)經(jīng)濟的角度,對國內(nèi)外水資源開發(fā)狀況進行了梳理,運用投入產(chǎn)出分析法探究水資源開發(fā)與經(jīng)濟增長之間的互動關(guān)系。Andrea Fracasso(2014年)[3]對虛擬水與糧食安全的關(guān)系進行了分析,引入時空匹配的概念,解析水資源與對應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展間的互動關(guān)系。文榮、哈布都熱合曼·哈力克(2015年)[4]通過協(xié)調(diào)發(fā)展模型分析和田地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)以及二者之間的協(xié)調(diào)度。王延梅、曹升樂(2015年)[5]等人以山東省為例,采用距離協(xié)調(diào)度模型得到水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)度,并對二者間的協(xié)調(diào)度作定量分析。尹慶民、顧華玉(2014年)[6]通過分析經(jīng)濟增長與水資源需求量之間的分布規(guī)律,建立水資源供給量的Logistic預(yù)測模型,分析江蘇沿海水資源量與經(jīng)濟增長之間的關(guān)系。王雪妮、孫才志(2011年)[7]等人則在探究經(jīng)濟、水環(huán)境間的空間耦合關(guān)系時,引入貧困指數(shù)的概念,對我國水貧困狀況及其對應(yīng)的經(jīng)濟貧困狀況,及二者之間的對應(yīng)關(guān)系進行科學(xué)評價。鄧朝暉、劉洋(2012年)[8]等利用VAR模型,引入脈沖響應(yīng)的概念,對我國經(jīng)濟增長與水資源利用間的動態(tài)關(guān)系進行深入研究。許長新、馬超(2011年)[9]等依據(jù)帕累托最優(yōu)原理,對虛擬水貿(mào)易與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展間的關(guān)系進行了詳盡探討,并且測算出其對應(yīng)的貢獻份額。這些研究取得了重大的成果,但存在水環(huán)境經(jīng)濟指標不足、研究主要以定性分析為主,主觀性較強,對經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)二者具體的動態(tài)演進關(guān)系研究不足。因此,本文以北京市為研究對象,基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)”框架構(gòu)建經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)的指標體系,運用協(xié)調(diào)發(fā)展度模型對系統(tǒng)間的耦合機理進行量化分析。
本文根據(jù)科學(xué)性、可行性、實用性的原則和PSR框架,一方面,選擇人口總數(shù)、人口自然增長率、城鎮(zhèn)化率構(gòu)成人口社會子系統(tǒng);選取人均地區(qū)生產(chǎn)總值,供水領(lǐng)域投資額,萬元GDP水耗構(gòu)成經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)。另一方面,選擇供水總量、工業(yè)用水總量、生活用水總量構(gòu)成水環(huán)境供給子系統(tǒng);選取水體功能達標率、污水集中處理率、污水處理量、污水排放量構(gòu)成水環(huán)境承載子系統(tǒng)。經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)指標體系見表1。
表1 經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)指標體系Tab.1 Index system of economic systemand water environment system
人口社會子系統(tǒng)為經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)提供了必要的勞動力資本,而經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的良性運轉(zhuǎn)則進一步促進了人口社會子系統(tǒng)的發(fā)展,二者有機統(tǒng)一,共同構(gòu)成經(jīng)濟系統(tǒng)。水環(huán)境供給子系統(tǒng)提供了經(jīng)濟社會運轉(zhuǎn)的必要水資源,而水環(huán)境承載子系統(tǒng)則吸收了經(jīng)濟活動所產(chǎn)生的各類污水、廢水,水環(huán)境供給與承載子系統(tǒng)二者相互影響,有機統(tǒng)一,共同構(gòu)成水環(huán)境系統(tǒng)。經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)運行機理與耦合關(guān)系見圖1。
圖1 經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)運行機理與耦合關(guān)系Fig.1 Operation mechanism and coupling of economic system and water environment system
1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
本文采用極差標準化法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。評價指標主要存在效益型指標和成本型指標2大類指標,其中效益型指標表示指標屬性值與所需目標值呈正相關(guān)的指標,其值越大越好;成本型指標表示其屬性值與所需目標值呈負相關(guān)的指標。
效益型指標:
(1)
成本型指標:
(2)
式中:Xij表示第i年第j指標的原始數(shù)據(jù)值,X′ij為其標準化值;max (Xj)和min (Xj)則表示第j指標的最大值和最小值。
1.2.2 變異系數(shù)法確定權(quán)重
(4)
1.2.3 經(jīng)濟系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)計算
根據(jù)上文計算的指標標準化值,乘以對應(yīng)的權(quán)重,得到經(jīng)濟系統(tǒng)綜合指數(shù)f(x)和水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)g(y):
(6)
式中:X′ij表示X的標準化值;Wx表示其權(quán)重;Y′ij表示Y的標準化值;Wy表示其權(quán)重。
1.2.4 協(xié)調(diào)度計算
引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù),用以反映不同系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度:
(7)
T=αf(x)+βg(y)
(9)
式中:C表示協(xié)調(diào)度;k表示調(diào)節(jié)系數(shù)(本文取k=2);T表示經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)的綜合評價指數(shù);α與β均表示待定系數(shù),本文中經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境保護的重要程度相同,因此取α=β=0.5;D表示協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)。
水資源利用效率是經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)耦合的現(xiàn)實反映,同時也是經(jīng)濟與水環(huán)境之間運轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)程度的客觀體現(xiàn)。水資源利用效率的高低,既能體現(xiàn)城市經(jīng)濟社會發(fā)展的結(jié)構(gòu)特點,又能真實反映城市水資源環(huán)境對經(jīng)濟社會發(fā)展的支持是否合理。城市水資源利用效率越高,證明該城市節(jié)能經(jīng)濟發(fā)展得越好,即經(jīng)濟發(fā)展模式越先進,并且表明對應(yīng)的水環(huán)境資源與其經(jīng)濟社會發(fā)展的匹配性越佳,見圖2。
圖2 經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)耦合效果Fig.2 Coupling effect of economic system and water environment system
(1)耦合度。城市水資源利用效率是經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)的體現(xiàn),2個系統(tǒng)間的實際耦合狀態(tài)必然會影響水資源的利用效率。本文的耦合度用協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)來表示。
(2)萬元GDP水耗下降率。萬元GDP水耗體現(xiàn)了某一地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的合理化程度,隨著萬元GDP水耗的下降,城市水資源的利用效率會得到相應(yīng)的提升。
(3)污水處理率。污水處理率體現(xiàn)了城市水環(huán)境治理的能力,通過對污水的處理,可以實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用,提升了城市水資源利用效率。
隨機前沿分析廣泛應(yīng)用于技術(shù)效率的計算中,基本思想是基于生產(chǎn)前沿面理論,根據(jù)函數(shù)具體的誤差項分布特征及其對應(yīng)的復(fù)雜分布結(jié)構(gòu),構(gòu)建符合特定現(xiàn)實狀況的生產(chǎn)函數(shù)模型,這種方法測算的技術(shù)效率較為科學(xué)準確,并且充分考慮到了由于人為行為所引起的不可避免的誤差,使用優(yōu)勢明顯,應(yīng)用廣泛[10]。超越對數(shù)形式的隨機前沿面函數(shù),對于數(shù)據(jù)大幅震動具有一定的抑制作用,在處理一段時期范圍內(nèi),振幅較大的數(shù)據(jù)時,具有良好的平滑屬性。經(jīng)濟系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián),有機統(tǒng)一,共同構(gòu)成一個耦合系統(tǒng)。而對其耦合狀況的現(xiàn)實體現(xiàn)——城市水資源利用效率的測算可以視其為一個投入產(chǎn)出過程,經(jīng)濟與水環(huán)境耦合系統(tǒng)內(nèi)部的勞動力、資本投入、資源供給作為3個投入變量,耦合系統(tǒng)的收益總額為產(chǎn)出變量。在實際測算過程中,就業(yè)人口、固定資產(chǎn)投資以及該城市的全年供水總量分別對應(yīng)耦合系統(tǒng)內(nèi)部的勞動力、資本投入、資源供給這3個變量,而該城市的地區(qū)GDP則對應(yīng)耦合系統(tǒng)的收益總額作為其產(chǎn)出變量。
基于上述分析,本文以Battese-Coelli(1995年)模型為研究基礎(chǔ),利用超越對數(shù)的投入產(chǎn)出函數(shù)形式,構(gòu)建城市水資源利用效率測算模型。構(gòu)建的具體表達式為:
lnYit=β0+β1lnKit+β2lnLit+β3lnWit+
β4(lnKit)(lnLit)+β5(lnKit)(lnWit)+β6(lnLit)(lnWit)+
β7ln2(Kit)+β8ln2(Lit)+β9ln2(Wit)+γit-uit
(10)
式中:β0~β9為待估參數(shù);Yit表示第t個時期時第i城市的地區(qū)GDP;Kit表示第t個時期時第i城市的固定資產(chǎn)投資;Lit表示第t個時期時第i城市的就業(yè)人口;Wit表示第t個時期時第i城市
的全年供水總量;γit表示隨機誤差項,是對產(chǎn)出過程中非可控因素的體現(xiàn),服從對稱的正態(tài)分布,即滿足γit~N(0,σ2γ);uit表示技術(shù)無效率所引起的誤差,服從非負斷尾正態(tài)分布,uit~N(mit,σ2it),uit≥0。
mit=δ0+δ1Z1it+δ2Z2it+δ3Z3it
(11)
式中:Z1it、Z2it、Z3it反映影響城市水資源利用效率各個因素的情況;Z1it表示第t個時期時第i個城市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)的耦合度指標(協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù));Z2it表示第t個時期時第i個城市的萬元GDP水耗下降率;Z3it表示的是第t個時期時第i個城市的水污染處理率;δ1、δ2、δ3為各影響因素的對應(yīng)待估參數(shù)向量。
在隨機前沿分析模型中,基于投入產(chǎn)出函數(shù)的形式,城市水資源的利用技術(shù)效率可由以下公式得出:
(12)
Xit=(Kit,Lit,Wit)
式中:Xit為對應(yīng)要素的投入向量。
3.1.1 指標權(quán)重計算
根據(jù)《北京市統(tǒng)計年鑒》和《北京市水資源公報》選取了1997-2014年共18 a的北京市的經(jīng)濟與水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù),依照上文的極差標準化法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,根據(jù)均方差權(quán)重判定法計算各指標的權(quán)重值,各指標的具體結(jié)果見表2。
表2 北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)指標權(quán)重Tab.2 Index weights of economic system and water environment system of Beijing City
3.1.2 耦合協(xié)調(diào)度分析
將得到的標準化值代入耦合協(xié)調(diào)度模型公式,從而得到表3的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
表3 1997-2014年北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)Tab.3 The coordinated development coefficient results of Beijing’seconomic system and water environment system from 1997 to 2014
續(xù)表3 1997-2014年北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)
3.1.3 結(jié)果分析
根據(jù)表3繪制出北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)走勢圖,見圖3。
圖3 1997-2014年北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)走勢圖Fig.3 The coordinated development coefficient chart of Beijing’ seconomic system and water environment system from 1997 to 2014
從圖3中可以看到,1997-2014年共計18 a期間,北京市的經(jīng)濟與水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,并且二者之間的協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出總體上升的態(tài)勢,其耦合程度不斷優(yōu)化。北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)從1997年的最低值0.342 875增長到2014年的最高值0.900 995,其系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展經(jīng)歷了基本協(xié)調(diào)(1997-2001)、良好協(xié)調(diào)(2002-2006)、優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)(2007-2013)、完美協(xié)調(diào)(2014)4個階段。劃分標準見表4。
表4 協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)劃分標準Tab.4 Partition criterion of coordinated development coefficient
本文采用Frontier 4.1軟件對隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)進行參數(shù)估計,根據(jù)收集到的數(shù)據(jù),其隨機前沿估計結(jié)果見表5。
表5 隨機前沿參數(shù)估計結(jié)果Tab.5 The estimation of stochastic frontier parameter
從δ1、δ2、δ3的估計值可以看出,經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)間的耦合度指標對城市水資源利用的技術(shù)效率的影響程度明顯大于其他2個因素,按照影響程度的大小分別為:系統(tǒng)耦合度、污水處理率以及萬元GDP水耗下降率。由此可見,優(yōu)化經(jīng)濟與水環(huán)境之間的運轉(zhuǎn)狀態(tài),3者之中提高系統(tǒng)的耦合度,對優(yōu)化城市水資源利用效率的效果最為明顯。
由Frontier 4.1得到1997-2014年北京市水資源利用的技術(shù)效率,并與北京市經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)之間的耦合狀態(tài),即協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)值進行比較,結(jié)果見表6,其對應(yīng)的折線圖見圖4。
由表6及圖4可知,1997-2014年這18 a中北京市經(jīng)濟與水環(huán)境系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的耦合度與水資源利用效率的走勢基本保持一致,均呈現(xiàn)出整體上升的態(tài)勢??傮w而言,城市水資源利用效率隨著系統(tǒng)間耦合度的提高而提高,系統(tǒng)的耦合度與對應(yīng)城市水資源利用的技術(shù)效率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,并且耦合度因素對系統(tǒng)的技術(shù)效率影響最為顯著,耦合度的提高可以降低系統(tǒng)的非效率,從而提高系統(tǒng)整體的技術(shù)效率。
表6 1997-2014年北京市水資源利用效率與耦合度數(shù)據(jù)Tab.6 Water resources utilization efficiency andcoupling degree of Beijing City from 1997 to 2014
圖4 1997-2014年北京市水資源利用效率與耦合度走勢Fig.4 Water resources utilization efficiency and coupling degree trend chart of Beijing from 1997 to 2014
本文以我國最具代表性的大都市北京市為例,運用耦合協(xié)調(diào)度模型,測算經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)耦合系統(tǒng)間的運轉(zhuǎn)狀況,采用水資源利用效率這一指標具體體現(xiàn)經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)的運行狀態(tài)。主要結(jié)論和建議如下:
經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián),存在著復(fù)雜的耦合機理,且其系統(tǒng)間的耦合度整體呈現(xiàn)出上升態(tài)勢。城市水資源利用效率真實體現(xiàn)了經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)間的耦合效果,且經(jīng)濟系統(tǒng)與水環(huán)境系統(tǒng)間的耦合度,對城市水
資源利用效率起到重要影響。因此,為實現(xiàn)經(jīng)濟與水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,必須做到經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境保護并重,走生態(tài)發(fā)展,協(xié)調(diào)發(fā)展的道路;優(yōu)化經(jīng)濟發(fā)展模式;通過提高污水處理率,降低GDP水耗等提升城市水資源利用效率。
□
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