基于投入产出模型的北京市水资源经济效益评价与分析

杨 硕，张 丽，张春玲，付意成

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

水资源是可再生的基础性自然资源，同时也是有限的紧缺性战略资源[1]。北京市多年平均水资源总量为37.39亿m3，2015年人均水资源占有量仅为123m3。人多水少是北京市的基本水情[2]。在京津冀一体化发展的时代大背景下，未来20年北京将全面围绕“全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心”的定位发展[3]。北京市将通过“禁、关、控、转、调”5种方式来完成疏解非首都功能目标，严格按照新增产业的禁止和限制目录，就地关停“三高一低”小微企业。在新的功能定位发展过程中，北京市的产业结构势必会得到调整，用水结构将会发生变动。基于此，选取适宜的分析方法，开展北京市行业用水经济效益评价，并依据高效运行的原则，明确在水资源短缺条件下，确定适合区域发展的高效用水行业和亟待逐步退出的低效用水行业，以推动产业结构调整，为建立高效用水模式、实现北京市水资源的优化配置与管理提供依据。

水资源经济效益评价研究备受各国学者关注。目前多种经济效益分析方法展现的分析结果较整体化，而投入产出模型能展现出具体到每个行业的经济效益高低，与其它分析方法相比，结果更为全面具体。多年来，国内外学者将投入产出模型应用于多方面问题研究中。1936年，美国经济学家Leontief[4]发表第一篇有关投入产出技术的文章——“美国经济系统中的投入产出数量关系”。1968年，Canion[5]使用投入产出模型来评估水资源开发的经济影响，构建了流域经济活动的基本投入产出模型，确定了水资源与总产量的功能关系。1980年，Mensah[6]建立投入产出和目标规划的多目标模型，预测水资源是否满足未来经济和人口的需求，为水资源配置提供指导。2003年，Hassan[7]采用投入产出框架来衡量鳄鱼河流域的用水经济效益。提出不仅要考虑用水活动的直接经济效益，还要考虑其与多部门的联系，进而评估水资源分配制度和政策。倪红珍等[8]对2005年北京市产业部门经济特征和用水属性进行了界定和分析，借助结果判断分析水价的作用效益，合理制定水价改革政策。2009年，刘冠飞[9]根据投入产出原理，对天津国民经济行业用水特性和天津市虚拟水贸易进行研究分析。2013年，Suttinon等[10]提出使用区域间投入产出模型，将其与用水账户体系结合起来，用以评估日本四国地区每个工业部门的水资源需求和用水政策影响。2016年，李玮等[11]利用水资源投入产出模型对社会水循环演变的经济驱动因素进行归因分析。水资源利用的经济效益评价，不能仅从水资源单方面考虑，应该把水资源利用与用水部门相结合，既要考虑宏观经济体系中的投入产出关系，也要注重宏观经济发展与水资源分配之间相互制约、相互促进的关系[12]。本文采用投入产出模型计算了北京市各行业的用水产出系数、相对产出系数和相对产出乘数，用于分析行业的现状用水效益及潜在用水效益；以此为基础，借助主成分分析法确定主导行业及相应的产业关联度，对北京市2015年水资源开发利用的经济效益进行评价与分析。

2 水资源经济效益评价方法

2.1 投入产出模型投入产出模型由美国经济学家瓦西里·列昂惕夫提出，用于分析经济体系内部各行业间的交易状况。投入产出表以棋盘式平衡表的形式展现，主要表征特定经济体系内部投入与产出间的依存关系[13]。笔者将水资源作为产业部门添加到投入产出表中，形成水资源投入产出表，借助用水产出系数（用水直接产出系数、用水完全产出系数和用水产出乘数）研究用水效益，将各行业产值与用水量联系起来，用于反映各行业对水的占用情况。

用水直接产出系数（即增加值产出系数）是某行业使用单方水后所产生的增加值量，可以反映经济行业生产用水的直接经济效益[8]。增加值产出系数行向量记为B。第j行业用水增加值产出系数为：

式中：Vj为第j行业总产出，万元；Wj为第j行业的用水量，万m3。

用水完全产出系数（即完全增加值产出系数）从绝对量的角度考察产业用水产出的扩张程度，是某一行业增加或减少单方水的使用所引起的整个经济体系的价值量变化，包括行业本身的直接利益以及相关其他行业的间接利益[14]。完全增加值产出系数矩阵记为C，计算公式为：

式中：I为单位矩阵；A为直接消耗系数矩阵；为增加值产出系数对角矩阵；Zij为第j行业总产品的生产过程中对第i行业产品的消耗量；Xj为第j行业总投入；(I-A)-1为列昂惕夫逆矩阵。

第j行业完全增加值产出系数为：

用水产出乘数指某行业每增加单位取水量因关联生产效应所引起的整个经济系统产出价值的增加量，即关联产业产出的放大系数。第j行业用水产出乘数为：

相对用水产出系数包括相对产出系数和相对产出乘数，用来比较不同行业间的用水差异，得出各行业的用水效益在整个经济体系中的高低程度。相对产出系数借助某行业的增加值产出系数Bj除以整个经济体系平均增加值产出系数BN计算。第j行业增加值相对产出系数RB为：

相对产出乘数借助某行业的产出乘数除以全部行业的平均产出乘数计算。第j行业相对产出乘数计算公式为：

笔者借助相关研究文献[8]，当行业相对产出系数RB≥1时，为相对高效用水行业；反之，为相对低效用水行业；当行业相对产出乘数RO≥1时，为潜在高效用水行业；反之，为潜在低效用水行业。

2.2 主成分分析法主成分分析法通常采用降维技术将原来多变量重新组合成一组新的主成分变量，每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。主成分分析法根据各指标间的相关性给出指标包含的信息量权数，确定各指标最后得分，有助于客观地反映样本指标间的现实关系[15]。本文利用主成分分析法对投入产出表中的完全消耗系数进行计算，得出各行业对整个经济系统中的影响力大小，确定国民经济主导行业，明确行业关联度大小，为后期行业结构调整提供依据。

主成分分析法的主要步骤为：由m个样本n个指标组成原始数据矩阵对原始指标数据进行标准化处理：计算标准化矩阵的相关矩阵R；求相关矩阵R的特征值λ和特征向量u，确定主成分个数t，方差贡献率计算主成分得分计算各样本的综合得分

3 北京市用水效益评价

本文借助投入产出表编制方法将各行业用水量作为要素代入投入产出表，编制北京市的水资源投入产出表，计算相应的用水产出系数及相对系数，进而分析北京市各行业用水效益情况。

3.1 水资源投入产出表编制本文以北京市统计局发布的2012年投入产出表（投入产出表的统计周期为5年）为基础进行行业用水效益分析；结合北京市2015年水资源公报、北京市2016年统计年鉴及北京市水务局行业用水2015年统计数据，整理得出各行业用水量，形成北京市水资源投入产出表。笔者依据北京市行业用水数据划分情况，将42个国民经济行业合并成18个行业（农林牧渔产品和服务、冶金、石油化工等18个重点行业）进行分析计算。本文收集到的数据具有较高的可信度，因此，在数据有限的情况下，计算结果可靠。

3.2 用水效益计算结果北京市第一产业、第二产业、第三产业之间用水效益差异悬殊，单方用水增加值分别为12.53、4673.02和5818.07元，计算结果见表1。北京市第一产业、第二产业、第三产业内部不同行业间用水效益差异明显；第二产业中，交通运输设备制造业单方用水增加值最高，为17 458.88元，其次是建筑材料制造业，为10 477.52元；第三产业中，交通运输、仓储和邮政行业单方用水增加值最高，为19 254.40元，其次是租赁和商务服务行业，为6717.87元，水利、环境和公共设施管理行业单方用水增加值最低，为82.46元。

北京市第一产业、第二产业、第三产业单方用水完全经济效益分别为40.35、20 551.94和16 572元。产业内部不同行业单方用水完全经济效益差异明显。第二产业中，交通运输设备制造业的单方用水完全经济效益最高，为74 426.21元，其次是建筑材料制造业，为47 631.09元。第三产业中，交通运输仓储和邮政行业单方用水完全经济效益最高，为68 874.77元，其次是金融和房地产行业，为39 741.36元；水利、环境和公共设施管理行业的单方用水完全经济效益最低，为279.45元。

表1 北京市用水效益评价

北京市用水产出乘数基本处于2—5之间，见图1（各行业名均为简称）。电力工业的用水产出乘数最高，为5.02。金融和房地产行业的用水产出乘数最低，为2.07。本文根据表1、图1的结果，对北京市各行业用水性质进行综合评价，结果见表2。

图1 北京市各行业用水产出乘数

将投入产出完全消耗系数表的数据导入SPSS软件进行计算。把各行业看作样本，即X1至X18依次对应表1中第1至18行业，得出各主成分的特征值及方差贡献率结果如表3所示。主成分有7个，累计方差贡献率为73.3%。各行业最终综合得分及排名情况如表4所示。

4 北京市用水效益分析

目前，北京市用水效益总体表现为第一产业低，第二、第三产业较高。计算数据显示，在有限的范围内，减少一立方米第一产业用水，补给第二产业，可多产生超过2万元的增加值。从现状用水产出程度分析可知，目前北京市第一产业、第二产业的电力行业、第三产业的住宿和餐饮、水利、环境和公共设施管理、教育等行业相对产出系数小于1，即用水效益低。从潜在用水产出程度分析可知，未来北京市第一产业、第二产业的石油化工、食品、交通运输设备制造业、第三产业的金融和房地产、租赁和商务服务、教育、公共管理、社会保障和社会组织等行业相对产出乘数小于1，即潜在用水效益低。

表2 北京市行业用水性质分类

表3 各主成分的特征值及方差贡献率

表4 各行业对经济拉动综合得分

此前，有学者对2005年北京市水资源经济效益进行了研究[8]，对比本文研究成果发现，2005—2015年十年间，北京市冶金、石油化工行业经过产业技术升级，从低效用水行业发展到相对高效行业，用水效益提升显著。农林牧渔产品和服务、电力工业、住宿和餐饮、水利、环境和公共设施管理、教育等行业用水效益一直处于低效状态。其中，农林牧渔产品和服务和教育行业潜在用水效益仍较低。未来北京市行业用水特性，工业相关行业用水效益会得到提升，而农林牧渔产品和服务和教育行业将继续处于用水低效状态。

笔者结合现状和潜在用水产出程度，对用水效益高低进行简单分析。北京市第一产业用水效益较低，主要表现在种植模式尚未完善，农业节水设施尚未普及，再生水利用率低，畜禽养殖总量较大；第二产业中，电力工业的用水效益较低，主要表现在生产工艺落后，冷却方式耗水量大，废水处理系统不完善，再生水利用率低；冶金、电子仪表和建筑材料制造业的用水效益较高，在生产过程中提升水资源重复利用率利于用水效益提升；第三产业中，教育行业的用水效益较低，节水意识低，节水设备未完全普及；交通运输仓储和邮政业、科学研究和技术服务业、卫生和社会工作、文化体育和娱乐业的用水效益较高，因此，在产品的生产、流通、仓储、消费等各环节应严控水耗水量。

在北京市新的功能定位发展过程中，在水资源承载能力下，未来产业结构调整应向高效用水行业方向发展，需从整体化原则出发，推进产业节水改造，提高用水效率，实现水资源消耗总量和强度“双控”管理，从而促进水资源经济效益的提高。对此，笔者借助主成分分析法得出7个主导行业为交通运输仓储和邮政、交通运输设备制造业、金融和房地产、建筑材料制造业、公共管理社会保障和社会组织、租赁和商务服务、电子仪表行业。主导行业中，仅有交通运输仓储和邮政、建筑材料制造业、电子仪表3个为潜在高效用水行业。主导行业与其他行业关联度较高，其结构调整，会牵动经济系统其他行业变化。在调整产业结构时，此类问题需得到重视。针对第一产业，推进农业水价改革，提高对再生水的利用，改善种植结构，严格控制畜禽养殖总量。针对居民家庭与高校，加强节水宣传，推进高效节水器具换装。针对工业行业，推进新型节水生产工艺，加强水价管理，实施奖罚制度。

5 结论

（1）本文借助北京市水资源投入产出表，结合现状和潜在用水产出程度得出，北京市第一产业、第二产业中的电力工业、第三产业中的教育行业用水效益较低。而用水效益较高行业主要分布在第二、第三产业中。未来北京市发展过程中，工业相关行业的用水效益会得到提升，而农业和教育行业将继续处于用水低效状态。

（2）本文借助SPSS软件的主成分分析法得出北京市主导行业有7个，分别为交通运输仓储和邮政、交通运输设备制造业、金融和房地产、建筑材料制造业、公共管理社会保障和社会组织、租赁和商务服务、电子仪表行业。尚有交通运输设备制造业、金融和房地产、公共管理社会保障和社会组织、租赁和商务服务4个主导行业为潜在用水低效行业，需做出调整。但因主导行业与其他行业关联度较大，其结构调整会牵动经济系统其他行业变化，将会限制调整力度。分析结果可为北京市产业调整提供技术支撑。

（3）目前，京津冀协同发展、疏解非首都功能正在分层次、有梯度推进，谨遵“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”和“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的发展思路，调整产业结构，就地淘汰耗水较高的行业和生产工艺，将用水效益低且为典型非首都功能的教育行业部分疏解迁出，加强对农业节水工作的推进。