朱曉梅,魏加華,3,楊海嬌,吳國(guó)宏,康倍銘,唐晨洋,楊夢(mèng)瑤

(1.青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.黃河上游生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

黃河流域橫跨我國(guó)溫帶季風(fēng)、大陸干旱和高寒三大氣候帶，連接青藏高原、黃土高原、華北平原，是“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶和歐亞大陸橋的重要走廊。黃河流域內(nèi)有多個(gè)城市群和國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)區(qū)，是我國(guó)重要的糧食和能源基地，也是我國(guó)推進(jìn)西部大開發(fā)，形成新格局的主體承載區(qū)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)格局中具有溝通南北方、協(xié)同東中西的作用。黃河流域7大城市群的經(jīng)濟(jì)總量占整個(gè)流域的70%以上，聚集了流域內(nèi)60%以上的人口，供水總量占流域總耗水量的14%左右。1990年以來(lái)，沿黃九省(區(qū))GDP增長(zhǎng)了近50倍；2000年以來(lái)流域內(nèi)植被覆蓋率持續(xù)增長(zhǎng)，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)平均每10 a增長(zhǎng)0.055[1]。面對(duì)國(guó)家實(shí)施的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大戰(zhàn)略，水資源保障形勢(shì)嚴(yán)峻、發(fā)展質(zhì)量有待提高。新時(shí)期國(guó)家提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，在水資源剛性約束下，水資源利用效率的提升，是落實(shí)節(jié)水優(yōu)先、支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

水資源利用效率是指單位水資源所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)或生態(tài)等效益[2]，是衡量水資源利用水平的重要指標(biāo)[3-4]，亦是反映節(jié)水效能的重要指標(biāo)，具有復(fù)雜性[5]、系統(tǒng)性[6]、投入產(chǎn)出性[7]和相對(duì)有效性[8]等特性。常用的評(píng)價(jià)方法有指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法、隨機(jī)前沿分析法(stochastic frontier analysis, SFA)和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(data envelopment analysis, DEA)等。孫愛軍等[9]基于生產(chǎn)函數(shù)，運(yùn)用SFA對(duì)我國(guó)工業(yè)用水技術(shù)效率進(jìn)行了分析。李世祥等[10]選用比值分析法對(duì)我國(guó)東、中、西部各省(市、區(qū))水資源利用效率進(jìn)行了分析。劉曉君等[11]基于松弛測(cè)度(slack based measure, SBM)-undesirable超效率包絡(luò)法分析了我國(guó)西部各省(市、區(qū))水資源利用效率的動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)，選用Tobit模型進(jìn)行了影響因素研究。郭一鳴等[12]基于兩階段super-SBM模型分析了我國(guó)城市的能源效率空間特征，并從內(nèi)生因素和外部環(huán)境剖析了影響因素。左其亭等[13]結(jié)合super-DEA模型得出黃河流域九省(區(qū))2012—2018年水資源利用效率總體呈增加趨勢(shì)，用水水平具有顯著空間差異性，并通過(guò)Malmquist全要素生產(chǎn)率指數(shù)(下稱Malmquist指數(shù))分解水資源利用效率，分析效率變動(dòng)的內(nèi)在原因，得出九省(區(qū))水資源利用效率的提升主要得益于技術(shù)進(jìn)步。

DEA是一種非參數(shù)相對(duì)效率評(píng)價(jià)方法，可評(píng)價(jià)多投入、多產(chǎn)出的效率問(wèn)題，不需統(tǒng)一量綱、估計(jì)生產(chǎn)函數(shù)、確定權(quán)重，操作性強(qiáng)，可得到內(nèi)涵豐富的測(cè)度結(jié)果。在處理多目標(biāo)決策問(wèn)題時(shí)，DEA可針對(duì)每個(gè)決策單元進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行排序，并提供具體的優(yōu)化建議，具有更好的適用性[14-15]。本文以黃河流域7大城市群(48個(gè)大中型城市)為研究對(duì)象，從投入產(chǎn)出視角對(duì)1989—2018年城市群水資源利用效率進(jìn)行研究，采用super-SBM模型評(píng)估靜態(tài)水資源利用效率，結(jié)合Malmquist指數(shù)對(duì)水資源利用效率進(jìn)行動(dòng)態(tài)分解，選用Tobit回歸模型探討7大城市群水資源利用效率整體變化的驅(qū)動(dòng)因子。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與指標(biāo)構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》(1990—2019年)、國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)和水資源公報(bào)等。研究對(duì)象為城市區(qū)域(即市轄區(qū))(圖1)，以非農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主，故本研究剔除了轄區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水的輸入和輸出。依據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》，以城區(qū)常住人口為統(tǒng)計(jì)口徑，將城市劃分為五類七檔。按2017年城區(qū)常住人口統(tǒng)計(jì)，沿黃省(區(qū))有75個(gè)大中型城市，選擇48個(gè)較具備研究條件的大中型城市作為黃河流域7大城市群的研究對(duì)象。

圖1 黃河流域7大城市群Fig.1 Seven large urban agglomerationsin the Yellow River Basin

1.2 指標(biāo)構(gòu)建

從投入-產(chǎn)出和水資源消耗關(guān)系出發(fā)，以單位水資源消耗產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益衡量水資源利用效率，選擇直接反映經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的地區(qū)生產(chǎn)總值作為產(chǎn)出指標(biāo)，地區(qū)供水總量作為反映自然資源要素的投入指標(biāo)，固定資產(chǎn)投資作為反映資本要素的投入指標(biāo)，地區(qū)從業(yè)人員(當(dāng)年年末與上年度年末從業(yè)人員的平均值)作為反映勞動(dòng)力要素的投入指標(biāo)[14-18]。

基于數(shù)據(jù)可獲得性，選取經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口密度和科技創(chuàng)新作為水資源利用效率的驅(qū)動(dòng)因子。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平用人均GDP衡量，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與水資源保護(hù)和利用政策密切相關(guān)，直接影響水資源利用效率；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)水資源利用效率有控制性作用，減少高耗水產(chǎn)業(yè)，增加低耗水產(chǎn)業(yè)，可顯著提升水資源利用效率；人口密度直觀反映地區(qū)的緊湊程度，建設(shè)緊湊型城市可更好地實(shí)施自然資源集約化，降低水資源消耗；科技創(chuàng)新對(duì)水資源利用效率提升有助推作用[19-20]。

建立的水資源利用效率和驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)體系如圖2所示。

2 研究方法

2.1 super-SBM模型

DEA測(cè)算的是相對(duì)效率，徑向DEA對(duì)無(wú)效率程度測(cè)算僅限于所有投入(產(chǎn)出)等比例縮減(增加)的比例，為此，Tone[21]提出的SBM模型解決了徑向DEA對(duì)無(wú)效率測(cè)量不包含松弛變量的問(wèn)題。針對(duì)SBM測(cè)出效率最大值為1，且對(duì)于同為1的效率值無(wú)法進(jìn)一步區(qū)分效率高低的問(wèn)題，Tone[22]又提出了super-SBM模型(式(1)(2))，其核心思想是將被評(píng)價(jià)的決策單元(decision making unit, DMU)分為參考組和待評(píng)價(jià)組，待評(píng)價(jià)組DMU效率值基于參考組的前沿計(jì)算得出，因此待評(píng)價(jià)組的有效DMU效率值通常會(huì)大于1。

(1)

(2)

2.2 Malmquist指數(shù)

DEA模型通常只能測(cè)算單一時(shí)期DMU效率，當(dāng)數(shù)據(jù)包含多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)將技術(shù)效率和技術(shù)進(jìn)步對(duì)水資源利用效率所起的作用進(jìn)行分解。因此，將Malmquist指數(shù)分解為技術(shù)效率變化(technical efficiency change, TEC)指數(shù)和生產(chǎn)技術(shù)變化(technological change, TC)指數(shù)：

CTEk,t→t+1CTk,t→t+1

(3)

式中：Mk,t→t+1為評(píng)價(jià)單元k從t到t+1時(shí)刻Malmquist全要素生產(chǎn)率變化率，即Malmquist指數(shù)；Dk,t、Dk,t+1分別為評(píng)價(jià)單元k在t、t+1時(shí)刻的技術(shù)效率值；Dk,t→t+1為評(píng)價(jià)單元k以t時(shí)刻為參考，得到的t+1時(shí)刻的技術(shù)效率值；Dk,t+1→t為評(píng)價(jià)單元k以t+1時(shí)刻為參考，得到的t時(shí)刻的技術(shù)效率值；CTEk,t→t+1為評(píng)價(jià)單元k從t到t+1時(shí)刻技術(shù)效率變化率，即TEC指數(shù)；CTk,t→t+1為評(píng)價(jià)單元k從t到t+1時(shí)刻生產(chǎn)技術(shù)的變化率，即TC指數(shù)。Mk,t→t+1、CTEk,t→t+1、CTk,t→t+1大于1則效率(或技術(shù))提高，小于1則效率(或技術(shù))降低。

2.3 Tobit模型

將驅(qū)動(dòng)因子作為自變量，水資源利用效率值作為因變量，建立Tobit回歸模型：

(4)

(5)

式中：d′為原始因變量，即水資源利用效率的實(shí)際測(cè)算值；d為截?cái)嘁蜃兞?；cj為驅(qū)動(dòng)因子j的值；β0為常數(shù)項(xiàng)；βj為驅(qū)動(dòng)因子j的回歸系數(shù)；ε為誤差項(xiàng)，獨(dú)立且服從正態(tài)分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于super-SBM模型的靜態(tài)水資源利用效率

采用super-SBM模型測(cè)算48個(gè)大中型城市水資源利用效率，得到7大城市群不同時(shí)期水資源利用效率均值(表1)，結(jié)果表明，與1989—1990年相比，2016—2018年7大城市群水資源利用效率均值整體提升了0.12。

青海人均水資源量大，但水資源利用條件差；甘肅水資源開發(fā)利用難度大。蘭西城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平總體偏低，科技和城市節(jié)水投入不足，技術(shù)落后，水資源利用效率偏低，1989—2018年水資源利用效率在流域中處于最低水平，均值0.42；水資源利用效率從1989—1990年的0.39提升到2016—2018年的0.43，整體穩(wěn)定提升，但增幅不大。

山東半島和呼包鄂榆城市群水資源利用效率均處于較高水平，均值分別為0.82和0.83。山東半島城市群地處沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平位于全國(guó)前列，水資源利用效率處于流域較高水平，2000年以來(lái)出現(xiàn)波動(dòng)，2006—2010年山東半島城市群把工業(yè)節(jié)水確定為節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的重點(diǎn)，水資源利用效率提高到0.81，2011—2015年以水資源消耗為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致水資源利用效率略有下降，2016—2018年順應(yīng)國(guó)家提出的綠色、創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、開放、共享五大發(fā)展理念，水資源利用效率回升到0.79。

表1 黃河流域7大城市群不同時(shí)期水資源利用效率Table 1 Water resources utilization efficiency of seven large urban agglomerations in the Yellow River Basin in different periods

呼包鄂榆城市群水資源利用效率從1989—1990年的0.63穩(wěn)步提升，1991—2010年較穩(wěn)定，均值為0.79，2011—2015年，城市群第三產(chǎn)業(yè)占比顯著提高，群眾節(jié)水意識(shí)增強(qiáng)，城市群通過(guò)大批建設(shè)工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)集中區(qū)，實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)裝備技術(shù)達(dá)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，使呼包鄂榆城市群水資源利用效率達(dá)到1.13，2016—2018年略有下降，但仍達(dá)到0.90。

表2 黃河流域7大城市群Malmquist指數(shù)Table 2 Malmquist index for seven large urban agglomerations in the Yellow River Basin

關(guān)中平原、晉中和中原城市群水資源利用效率總體平穩(wěn)。關(guān)中平原城市群水資源利用效率維持在0.63～0.74，整體接近0.69；晉中城市群整體提升幅度相對(duì)較大，從1989—1990年的0.49提升到2016—2018年的0.60；中原城市群人口數(shù)量大、城市群空間大、分布相對(duì)分散、供水管網(wǎng)漏損嚴(yán)重，水資源利用效率在流域中偏低，均值為0.50。

寧夏沿黃城市群水資源利用效率均值為0.66，處于流域中等水平，但波動(dòng)較大，從1989—1990年的0.51持續(xù)增長(zhǎng)到1996—2000年的0.69，2001—2005年可能由于用水結(jié)構(gòu)不合理、污水排放量大等原因，導(dǎo)致水資源利用效率降低，2006年以來(lái)通過(guò)政策調(diào)控，水資源利用效率持續(xù)增長(zhǎng)，2016—2018年達(dá)到0.89。

3.2 基于Malmquist指數(shù)的水資源利用效率動(dòng)態(tài)分解

從表2的Malmquist指數(shù)變化分析發(fā)現(xiàn)，黃河流域7大城市群Malmquist指數(shù)基本大于1，表明黃河流域主要城市水資源利用效率整體提升。從空間分布看，下游城市群水資源利用效率高于中游，上游蘭西城市群水資源利用效率相對(duì)較低；從時(shí)間分布看，水資源利用效率提升幅度略有差異，2000年以來(lái)水資源利用效率提升幅度較大。近30年來(lái)，山東半島城市群水資源利用效率呈略降—較大提升—大幅提升；中原和關(guān)中平原城市群呈略降—較大提升—穩(wěn)定提升—大幅提升；晉中城市群呈持續(xù)提升，增幅變化較大；呼包鄂榆城市群呈穩(wěn)定提升—較大提升—穩(wěn)定提升；寧夏沿黃和蘭西城市群呈基本不變—穩(wěn)定提升。

從TEC指數(shù)和TC指數(shù)看(表3和表4)，1990—2018年黃河流域7大城市群TC指數(shù)的均值為1.10，表明7大城市群水資源利用技術(shù)整體不斷提升，2016年后快速發(fā)展，TC指數(shù)均值達(dá)到1.39；1990—2018年7大城市群TEC指數(shù)在1.0附近波動(dòng)，均值為1.04，需因時(shí)因地調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)和水資源管理模式。技術(shù)效率提高和技術(shù)進(jìn)步均推動(dòng)了Malmquist指數(shù)的提升，表明城市群在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、提高管理水平和優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)模方面不斷進(jìn)步，其中技術(shù)進(jìn)步是主導(dǎo)因素。30年來(lái)，7大城市群的技術(shù)效率提升幅度差距不大，而山東半島和晉中城市群的Malmquist指數(shù)及TC指數(shù)提升幅度較大，能源和重工業(yè)的創(chuàng)新和技術(shù)水平大幅提升，中上游地區(qū)由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口分布、氣候和地理?xiàng)l件等影響，水資源利用效率提升幅度相對(duì)較小。

表3 黃河流域7大城市群TEC指數(shù)Table 3 TEC index for seven large urban agglomerations in the Yellow River Basin

表4 黃河流域7大城市群TC指數(shù)Table 4 TC index for seven large urban agglomerations in the Yellow River Basin

表5 黃河流域城市群不同時(shí)期驅(qū)動(dòng)因子Table 5 Driving factors of urban agglomerations in the Yellow River Basin in different periods

1990年以來(lái)，7大城市群技術(shù)效率總體穩(wěn)中求進(jìn)，1996—2000年寧夏沿黃和蘭西城市群有輕微衰退，用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不匹配情況，2016年以來(lái)呼包鄂榆城市群電力、煤炭和化工等高耗水產(chǎn)業(yè)急劇增加，導(dǎo)致技術(shù)效率下降。1995年以來(lái)，國(guó)家調(diào)整水資源開發(fā)利用管理策略，不斷提出新的用水理念，強(qiáng)調(diào)水資源供給側(cè)改革，使得技術(shù)進(jìn)步對(duì)黃河流域7大城市群水資源利用效率提升起到顯著的推動(dòng)影響，但少數(shù)城市群技術(shù)效率的下降抵消了同時(shí)期技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的水資源利用效率的提升程度。

3.3 水資源利用效率驅(qū)動(dòng)因子分析

采用Tobit回歸模型分析驅(qū)動(dòng)因子(圖2)對(duì)7大城市群整體水資源利用效率的影響程度。不同時(shí)期的驅(qū)動(dòng)因子值見表5，回歸分析結(jié)果見表6。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平代表生產(chǎn)、管理技術(shù)及產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)等水平，1989—2018年7大城市群人均GDP增長(zhǎng)了數(shù)十倍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)推動(dòng)黃河流域城市群水資源利用效率提升起著顯著的促進(jìn)作用，各時(shí)期的回歸系數(shù)均通過(guò)1%顯著水平檢驗(yàn)。

1989年以來(lái)，第三產(chǎn)業(yè)占比逐步上升，2016—2018年達(dá)52.21%，比第二產(chǎn)業(yè)占比高出6.82%；1989—2018年7大城市群的第二產(chǎn)業(yè)占比變化不大?；貧w分析結(jié)果顯示，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對(duì)城市群水資源利用效率變化起著較小的抑制作用，表明黃河流域城市群的工業(yè)水平尚處于初級(jí)階段，增長(zhǎng)方式屬粗放型的擴(kuò)大再生產(chǎn)，流域城市群的水資源消耗量大，整體水資源利用效率有待提高，有較大的節(jié)水空間。

表6 不同時(shí)期Tobit回歸分析結(jié)果Table 6 Tobit regression analysis results in different periods

人口密度的變化受基數(shù)和國(guó)家政策影響較大，變化趨勢(shì)顯著，人口密度的增加對(duì)流域內(nèi)水資源利用效率總體呈現(xiàn)輕微的抑制作用，2000年以后，回歸系數(shù)均通過(guò)1%顯著水平檢驗(yàn)，反映出居民節(jié)水意識(shí)有待加強(qiáng)。

科技創(chuàng)新的回歸系數(shù)在2001—2005年和2011—2015年通過(guò)10%顯著水平檢驗(yàn)，表明黃河流域城市群還需要加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)在水資源利用效率提升方面的支撐力度。技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了城市群整體水資源利用效率的提升，但科技創(chuàng)新的影響不顯著，兩者結(jié)果差異與上中游和中下游各城市群科技創(chuàng)新投入力度差異大等因素有關(guān)。

4 結(jié) 論

a.7大城市群水資源利用效率提升幅度略有差異，2000年以來(lái)提升幅度較大。下游城市群水資源利用效率整體高于中上游城市群，上游蘭西城市群水資源利用效率相對(duì)較低。技術(shù)效率提高和技術(shù)進(jìn)步均推動(dòng)了水資源利用效率的提升，其中技術(shù)進(jìn)步是主導(dǎo)因素，這與我國(guó)穩(wěn)步推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、實(shí)施水價(jià)改革、推行最嚴(yán)格水資源管理制度和節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略密不可分。

b.1989—2018年7大城市群人均GDP增長(zhǎng)了數(shù)十倍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平顯著促進(jìn)了城市群水資源利用效率的提升。7大城市群的產(chǎn)業(yè)整體水資源消耗量逐步趨穩(wěn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)城市群水資源利用效率的提升有抑制作用；居民節(jié)水意識(shí)薄弱，導(dǎo)致人口密度對(duì)水資源利用效率的提升起輕微抑制作用。黃河流域城市群需加大科技投入，工業(yè)向創(chuàng)新型、集約化用水方式轉(zhuǎn)變，通過(guò)節(jié)水科普、階梯水價(jià)等途徑提高節(jié)水水平。

c.2016—2018年7大城市群水資源利用效率均值為0.67，空間差異大，中上游水資源利用效率較低，在黃河水資源剛性約束下，需強(qiáng)化節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，重視城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和水資源稟賦差異，提高水資源利用效率，穩(wěn)步推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。