焦士興，王安周，張崇崇，趙榮欽，尹義星，劉亞奇，馬曉蕾

(1.安陽師范學院資源環(huán)境與旅游學院，河南 安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南 洛陽 471000；3.河北工程大學地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056038； 4.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046； 5.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044；6.水利部黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004)

水是人類賴以生存和發(fā)展的基礎性自然資源和戰(zhàn)略性物質資源[1]。河南省常年人均水資源僅 440 m3，不足全國平均水平的1/5，屬水資源嚴重短缺地區(qū)。隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，河南省用水量及廢水排放量不斷增長，據(jù)統(tǒng)計，2018年比2017年分別增加0.8億m3和0.2億t，水資源供需矛盾和水環(huán)境污染問題日益凸顯[2]，因此提高用水效率成為解決水資源問題的重要途徑。

國內(nèi)外在測評方法、評價指標等方面開展了水資源效率相關研究。在評價方法方面，主要有比值分析法[3]、指標體系法[4]、隨機前沿分析法(stochastic frontier analysis, SFA)[5-6]、生態(tài)功能法[7]、Leontief二次成本函數(shù)法[8]和數(shù)據(jù)包絡分析法(data envelopment analysis, DEA)等[9-10]，其中DEA法避免了投入產(chǎn)出的函數(shù)關系及人為賦權的主觀性，評價結果客觀準確，運用最為廣泛；在評價指標方面，多采用水資源、勞動力和資本等作為投入指標，以GDP為期望產(chǎn)出[11]，部分學者將灰水足跡、廢水排放量等作為非期望產(chǎn)出[12]，用以分析水資源利用效率；在研究尺度和領域上，分別從國家、省域、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面對水資源效率進行評價[13-16]。

綜上，國內(nèi)外對水資源效率開展了大量理論和實踐探索，但從水資源社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益視角開展綠色效率的研究較少[17-18]，且基于非期望產(chǎn)出的市域層面研究相對薄弱。河南省作為糧食生產(chǎn)核心區(qū)和中原經(jīng)濟重點建設區(qū)，水資源短缺問題日益突出，因此，明確水資源效率狀況并提出相應戰(zhàn)略對策，對解決水資源問題具有重要現(xiàn)實意義。基于此，本文以河南省18市為研究單元，采用基于松弛變量的測量(slack-based measurement, SBM)-DEA模型研究2005—2017年水資源綠色效率，并與環(huán)境效率、經(jīng)濟效率進行對比分析，同時運用ArcGIS、GeoDa軟件分析水資源效率時空特征和相關性，以期為促進河南省水資源持續(xù)利用提供參考。

1 水資源效率研究方法

1.1 水資源效率的界定

水資源效率是水資源產(chǎn)出效益與水資源及相關資源投入的比值[19]，是衡量水資源及相關資源投入與產(chǎn)出效益的重要標準。基于綠色發(fā)展的核心理念，水資源綠色效率用以綜合測評水資源在經(jīng)濟、生態(tài)和社會等產(chǎn)出的效益，從而盡量減少水資源投入及非期望產(chǎn)出(如水環(huán)境污染等)、增大期望產(chǎn)出(如水資源產(chǎn)生的社會效益等)。根據(jù)孫才志等[18]對水資源效率的界定方法，衡量水資源經(jīng)濟效率是為了減少水資源及相關資源投入，使經(jīng)濟產(chǎn)出最大化；衡量水資源環(huán)境效率的目的是在水資源經(jīng)濟效率基礎上，將污水排放總量作為非期望產(chǎn)出，以實現(xiàn)經(jīng)濟產(chǎn)出最大化、水污染最小化；衡量水資源綠色效率的目的則是在水資源環(huán)境效率基礎上，將社會發(fā)展指數(shù)納入期望產(chǎn)出，以實現(xiàn)經(jīng)濟產(chǎn)出最大化、社會最和諧化、水污染最小化，3種類型的水資源效率均以用水總量、勞動力和固定資產(chǎn)投資作為投入，但其產(chǎn)出有所區(qū)別。在水資源經(jīng)濟效率測評系統(tǒng)中，期望產(chǎn)出指標為國民生產(chǎn)總值(GDP)，應用模型為CCR(Charnes A, Cooper W W, Rhodes E)-DEA[16]；在水資源環(huán)境效率測評系統(tǒng)中，期望產(chǎn)出指標為GDP，非期望產(chǎn)出指標為污水排放總量，應用模型為SBM-DEA[18]；在水資源綠色效率測評系統(tǒng)中，期望產(chǎn)出指標為GDP和社會發(fā)展指數(shù)，非期望產(chǎn)出指標為污水排放總量，應用模型為SBM-DEA[18]。

1.2 SBM-DEA模型

傳統(tǒng)的DEA模型僅考慮期望產(chǎn)出，未將非期望產(chǎn)出納入，致使測度值與實際值之間存在誤差。因此，本文采用Tone[20]提出的非徑向、非角度的SBM模型，將投入產(chǎn)出的松弛變量寫入函數(shù)中，使測度值更加準確。松弛變量即為冗余量，當評價單元存在效率損失(即水資源效率值ρ≠1)時，通過減少評價單元投入量或者增加期望產(chǎn)出量、減少非期望產(chǎn)出量，可使ρ=1，而增減部分即為冗余量。水資源效率值計算公式[16]如下：

(1)

(2)

1.3 空間自相關分析方法

空間自相關系數(shù)是度量地理單元空間相關性的指標，表征研究區(qū)域內(nèi)集聚或者離散程度，被測空間之間距離越近相關性越強，距離越遠相關性越弱?？臻g自相關系數(shù)包含全局空間自相關系數(shù)和局部空間自相關系數(shù)。

1.3.1全局空間自相關

全局空間自相關表示某一單元在整個空間范圍內(nèi)對空間的依賴程度，常用構成的莫蘭指數(shù)散點圖表示空間分布情況。計算公式[18]如下：

(3)

1.3.2局部空間自相關

局部空間自相關用以描述不同地理單元相似程度，常用LISA(local indicators of spatial association)呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)地理單元間的空間集聚程度和分布狀況；其空間集聚模式有4種類型：高-高關聯(lián)、低-低關聯(lián)、高-低關聯(lián)、低-高關聯(lián)。公式[21]如下：

(4)

式中Ii為城市i水資源效率的局部空間自相關指數(shù)。當Ii>0時，表示同一類型的城市存在空間集聚；當Ii=0時，表示不存空間集聚現(xiàn)象；當Ii<0時，表示不同類型的城市存在空間集聚。

2 指標構建及數(shù)據(jù)來源

河南省位于華北平原的南部，地貌東西差異明顯，總面積16.7萬km2，占國土總量的1.74%，是全國小麥、玉米、棉花、油料等農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地之一。河南省地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為 767.37 mm，多年平均水資源總量為405億m3，居全國第19位。河南省轄18個市，2018年末總人口10 906萬人，2018年國內(nèi)生產(chǎn)總值48 055.86億元，居全國第5位，經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2.1 評價指標體系構建

水資源的開發(fā)利用是多種生產(chǎn)要素協(xié)同作用的結果，水資源、勞動力和資本等生產(chǎn)要素相結合才能帶來經(jīng)濟產(chǎn)出和社會效益，根據(jù)柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)以及相關成果[6,9-11,18]，投入指標多為勞動力、水資源量、資本存量、生活用水量，期望產(chǎn)出為區(qū)域GDP。

基于此，考慮數(shù)據(jù)的代表性、完整性和可獲得性，選取河南省從業(yè)人員數(shù)量(代表勞動力投入，選用三大產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量作為間接衡量勞動力的指標)、用水總量(代表水資源投入，即工農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)生活環(huán)境用水量之和)和社會固定資產(chǎn)投資總額(代表資本投入)作為投入指標，將GDP、社會發(fā)展指數(shù)(分別代表經(jīng)濟產(chǎn)出和社會效益產(chǎn)出)作為期望產(chǎn)出，將污水排放總量(代表用水過程中產(chǎn)生負效應)作為非期望產(chǎn)出，構建水資源效率評價指標體系。

2.2 社會發(fā)展指數(shù)計算方法

社會發(fā)展指數(shù)可衡量社會發(fā)展水平狀況。本文選取總撫養(yǎng)系數(shù)、城鄉(xiāng)收入差距比等2個負向指標,萬人中受高等教育人數(shù)、教育支出在財政支出中占比、城鎮(zhèn)化率、萬人擁有衛(wèi)生技術人員、科技投入在財政支出中占比等5個正向指標，構建社會發(fā)展指數(shù)評價體系。

由于指標之間度量單位及數(shù)量級的差別而存在不可公度性，為反映真實情況，對數(shù)據(jù)采用極差化法進行標準化處理[11]，進而計算社會發(fā)展指數(shù)。計算公式[18]如下：

(5)

式中：Gj為第j年社會發(fā)展指數(shù)；Xij為某一地區(qū)第j年指標i標準化后的值；e為指標數(shù)量。社會發(fā)展指數(shù)越大，社會發(fā)展水平越高，反之較差。

2.3 數(shù)據(jù)來源

從業(yè)人員數(shù)量、固定資產(chǎn)投資、總撫養(yǎng)系數(shù)、城鎮(zhèn)化率、萬人中受高等教育人數(shù)、萬人擁有衛(wèi)生技術人員、教育支出在財政支出中占比、科技投入在財政支出中占比、城鄉(xiāng)收入差距比等數(shù)據(jù)來源于《河南統(tǒng)計年鑒》(2007—2018年)；用水總量(包括工農(nóng)業(yè)和生活用水量)和污水排放量等數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報》(2005—2017年)。

3 結果與分析

3.1 河南省水資源效率的時序演化

依據(jù)水資源經(jīng)濟效率、環(huán)境效率和綠色效率內(nèi)涵，采用相應計算模型[16,18]，基于河南省18市2005—2017年的數(shù)據(jù)，計算得出水資源效率值。

3.1.1河南省水資源效率評價

由表1可見，河南省水資源經(jīng)濟效率從2005年的0.878降至2017年的0.832，呈微小下降趨勢，水資源經(jīng)濟效率呈下降趨勢的地市包括洛陽、平頂山、安陽、鶴壁、焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、濟源等12市。2012年，河南省進入經(jīng)濟新常態(tài)階段，產(chǎn)業(yè)結構調整導致第二、第三產(chǎn)業(yè)用水量增加，但對于DEA評價模型來說，只有投入產(chǎn)出比例協(xié)調一致時，其評價效率才會呈增長的趨勢，因此，即使經(jīng)濟快速發(fā)展，仍會出現(xiàn)水資源經(jīng)濟效率不增反降的現(xiàn)象。河南省水資源環(huán)境效率從2005年的0.389提升至2017年的0.466，且河南省18市水資源環(huán)境效率均呈現(xiàn)波動增長趨勢，表明河南省加大了水資源管理和技術投入，水環(huán)境質量得到不斷改善。河南省水資源綠色效率從2005年的0.426提升到2017年的0.496，表明伴隨著河南省社會發(fā)展、文明程度的提高，水資源綠色效率不斷提升。

從河南省水資源經(jīng)濟、環(huán)境和綠色效率變化趨勢來看，僅將GDP作為期望產(chǎn)出指標的水資源經(jīng)濟效率，其測評結果是下降的；當不斷完善測評系統(tǒng)時，對于考慮非期望產(chǎn)出(污水排放總量)的水資源環(huán)境效率，以及不僅考慮污水排放總量，同時將社會發(fā)展指數(shù)作為期望產(chǎn)出指標的水資源綠色效率，測評結果均呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢。因此，加強水資源管理、加大污水處理資金投入和提高社會文明程度等，能夠促使水資源綜合效率不斷提升。

3.1.2河南省18市水資源效率差距變化趨勢

從河南省水資源效率變異系數(shù)來看(表1)，經(jīng)濟效率變異系數(shù)由2005年的0.131減小到2017年的0.096，環(huán)境效率變異系數(shù)由2005年的0.168增加到2017年的0.321，綠色效率變異系數(shù)則由2005年的0.183增加到2017年的0.311，表明河南省18市水資源經(jīng)濟效率差距不斷縮小，而環(huán)境效率和綠色效率差距則呈增大趨勢。從水資源經(jīng)濟、環(huán)境和綠色效率平均值來看(表1)，河南省水資源經(jīng)濟效率多年均值高達0.870，而環(huán)境效率和綠色效率多年均值分別為0.434和0.480。因此僅將GDP作為期望產(chǎn)出指標時，水資源經(jīng)濟效益較高；在此基礎上，考慮非期望產(chǎn)出污水排放總量，即考慮污水處理的環(huán)境成本時，水資源的環(huán)境效率低于經(jīng)濟效率；在期望產(chǎn)出指標中納入社會維度指標后，水資源綠色效率略有提高。因此水環(huán)境污染對水資源效率的提升具有抑制作用，社會發(fā)展進步、文明程度提升能優(yōu)化水資源效率測評系統(tǒng)，對提高水資源效率有正向促進作用。

3.2 河南省水資源效率空間分異

3.2.1河南省水資源效率等級分布

基于河南省2005—2017年水資源效率平均值，利用ArcGIS自然斷裂點法，將3種類型的水資源效率劃分為4個等級，如表2所示。自然斷裂點法是進行空間聚類分級的方法，其聚類約束條件為組間方差最大、組內(nèi)方差最小。

表2 水資源效率等級劃分

河南省水資源效率等級的空間分布如圖1所示。水資源經(jīng)濟效率與環(huán)境效率等級空間分布基本一致。圖1表明，水資源環(huán)境效率中高、高等級的城市有10個(占55.6%)，分別為鄭州、開封、許昌、漯河、濟源、平頂山、三門峽、洛陽、駐馬店和周口等市；除三門峽市外，其余9個城市(占50%)也屬于水資源經(jīng)濟效率中高、高等級的城市。水資源環(huán)境效率中低、低等級的城市有8個(占44.4%)，分別為信陽、南陽、商丘、焦作、新鄉(xiāng)、濮陽、安陽和鶴壁等市；水資源經(jīng)濟效率中低、低等級的城市有9個(占50%)，與水資源環(huán)境效率同等級的城市相比，僅多了三門峽市。

(a)經(jīng)濟效率

河南省水資源綠色效率中高、高等級的城市占55.6%。圖1表明，水資源綠色效率高等級的城市為鄭州、許昌、三門峽、漯河、濟源、開封、平頂山等7市；中高等級城市為洛陽、鶴壁、駐馬店等3市。鄭州、許昌、漯河、濟源等市屬于經(jīng)濟發(fā)展質量相對較高區(qū)域[22]，用水技術水平較高，水資源綠色效率相對較高。三門峽市社會發(fā)展指數(shù)多年平均值約為0.680，位居河南省第三，且經(jīng)濟結構和效益發(fā)展良好[22]，效率值相對較高，表明優(yōu)化投入產(chǎn)出量、減少投入冗余量能有效提高水資源綠色效率。駐馬店市是經(jīng)濟發(fā)展水平相對落后地區(qū)[23]，水環(huán)境污染較小且水資源量較為充足，水資源綠色效率較高，因此水資源綠色效率與經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)]有必然聯(lián)系[10]。

河南省水資源綠色效率中低、低等級城市占44.4%。圖1表明，水資源綠色效率中低等級的城市包括安陽、焦作、南陽、周口、商丘等5市，低等級的城市為濮陽、新鄉(xiāng)和信陽等3市。2017年安陽市用水總量12.274億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水6.204億m3，污水排放量2.609億m3，17個地表水體監(jiān)測斷面中IV～劣V類水質比例為68.75%，導致水資源綠色效率偏低；焦作市年均社會發(fā)展指數(shù)約為0.734，在河南省排名第二，但是生態(tài)環(huán)境較差[17]，綠色效率偏低，由此看來，投入與產(chǎn)出匹配差會在很大程度上降低評價單元的效率值。南陽、周口和商丘等市經(jīng)濟發(fā)展水平相對較弱，節(jié)水技術較為落后，人口數(shù)量較多且耗水量大，致使綠色效率偏低。信陽市水資源總量充足，年均總量可達88.527億m3，但是期望產(chǎn)出GDP和社會發(fā)展指數(shù)不高，導致水資源綠色效率值較低。

3.2.2河南省水資源效率的空間相關性

基于2005和2017年河南省18市水資源效率值，借助GeoDa軟件中的單變量全局及局部空間自相關功能，分析2005—2017年河南省水資源利用效率空間相關性。

a.河南省水資源效率的全局空間相關性不明顯。表3表明，2005年和2017年水資源效率的空間自相關顯著性檢驗值P均大于0.1(2005年環(huán)境效率除外)，說明置信度小于90%，水資源效率空間關聯(lián)性較弱；3種類型水資源效率的全局空間自相關指數(shù)I值都大于0，說明河南省水資源效率相似地區(qū)具有空間正相關性且存在空間集聚效應。水資源經(jīng)濟效率全局空間自相關性緩慢增強，2017年全局空間自相關指數(shù)相比2005年略有增加，表明各市相似地區(qū)集聚效應有所增強；水資源環(huán)境效率全局空間自相關性減弱，2017年全局空間自相關指數(shù)相比2005年降低了0.145，表明各市相似地區(qū)分散程度加劇，進一步說明相鄰各市水環(huán)境治理能力差異呈現(xiàn)擴大趨勢；水資源綠色效率的全局空間自相關性減弱，2017年全局空間自相關指數(shù)相比2005年降低了0.068，說明各市相似地區(qū)的聚集程度有所下降，鄰近地市的社會進步與環(huán)境治理能力差異會減弱水資源綠色效率的空間自相關性。

表3 河南省水資源效率全局空間自相關指數(shù)

b.河南省水資源效率局部空間自相關性較差。圖2表明，水資源經(jīng)濟效率不存在空間聚類的城市為13個，環(huán)境效率和綠色效率不存在空間聚類的城市均為15個，3種類型水資源效率超過72.2%的區(qū)域均不存在空間聚類現(xiàn)象，表明各鄰市間水資源利用效率呈現(xiàn)明顯的分異現(xiàn)象，具有相似水資源效率值的城市分布較為分散。圖2表明，水資源經(jīng)濟效率高-高集聚區(qū)有4個，分別是平頂山、許昌、漯河和周口等市；水資源環(huán)境效率高-高集聚區(qū)有2個，分別是平頂山和許昌市；水資源綠色效率高-高集聚區(qū)有2個，分別是洛陽和許昌市，許昌市是3種類型水資源效率高-高集聚區(qū)。3種類型水資源效率低-低集聚地區(qū)僅有1個安陽市，而低-高與高-低集聚地區(qū)數(shù)都為0。3種類型水資源效率高-高集聚區(qū)與低-低集聚區(qū)P值分別為0.05和0.01，說明高-高集聚區(qū)、低-低集聚區(qū)的空間自相關分別在1%和5%的水平下顯著。

(a) 經(jīng)濟效率

4 結 論

a.河南省不同類型水資源效率變化趨勢不同，水資源經(jīng)濟效率呈現(xiàn)下降趨勢，環(huán)境效率和綠色效率呈現(xiàn)波動上升趨勢；水資源經(jīng)濟效率明顯高于環(huán)境效率和綠色效率，且綠色效率略高于環(huán)境效率。

b.河南省18市不同類型水資源效率差距變化趨勢不同，其中經(jīng)濟效率差距呈縮小趨勢，環(huán)境效率和綠色效率差距呈增大趨勢；河南省水資源經(jīng)濟效率高和中高等級城市、低和中低等級城市分別占50%；而水資源環(huán)境效率和綠色效率高和中高等級城市、低和中低等級城市則分別占55.6%和44.4%。

c.河南省水資源效率相似的地區(qū)存在空間集聚現(xiàn)象，其中經(jīng)濟效率全局空間自相關性呈增強趨勢，環(huán)境效率和綠色效率全局空間自相關性則呈減弱趨勢。河南省水資源經(jīng)濟效率、環(huán)境效率和綠色效率高-高集聚區(qū)分別有4個、2個和2個，低-低集聚地區(qū)僅有1個安陽市，低-高與高-低集聚地區(qū)數(shù)均為0。

d.河南省應在經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展基礎上，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，促進水資源優(yōu)化配置，提升社會服務及技術創(chuàng)新水平，確保水資源、資本、勞動力等投入最小化，期望產(chǎn)出GDP和社會發(fā)展指數(shù)最大化，非期望產(chǎn)出污水排放最小化，不斷提高水資源經(jīng)濟效率。

e.河南省應提升水資源綠色效率與水資源環(huán)境效率，以農(nóng)業(yè)為重點的地區(qū)，應加強農(nóng)業(yè)基礎設施投入，不斷提高農(nóng)田節(jié)水灌溉效率；以工業(yè)為重點的地區(qū)，加強管理力度，提升污水處理和循環(huán)利用水平；經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū)，應增強節(jié)水意識，提高用水效率。

f.河南省應加強水環(huán)境治理，增強社會公平性，同時注重調配水資源，確保水資源量充足的區(qū)域用水實現(xiàn)有效利用，水資源量匱乏的區(qū)域用水需求得到保障，縮小水資源環(huán)境效率、水資源綠色效率的區(qū)域差異。