中国省域水利信息化发展综合评价——基于市场嵌入理论的分析

张 宁，左 丽，张 澜

(杭州电子科技大学 管理学院，浙江 杭州 310018)

水利信息化指的是充分运用大数据、互联网、云计算、人工智能等新一代信息技术，构建全要素动态感知监测体系、高速运行的水利信息网络、高度集成的水利大数据中心。水利信息化着力于在水文监测、水资源配置、水利建设和管理标准化等方面加强技术研究，提升水利监督的效能，从而有利于促进新技术与水利建设和管理的深度融合。党的十九大报告强调要建设网络强国、数字中国，把城市基础设施建设作为创新型国家的重要内容。为响应党的号召，国家水利部明确表示，要全面加快水利信息化建设，大力推进水利科技创新和信息水利建设，使“云、网、端、台”基础建设实现重大突破，带动基础设施水网加快升级，大幅提升管理效率，使水利信息化进入发展新阶段。近年来，我国始终坚持以生态文明建设新理念为统领，不断运用信息化技术积极创新，打造出河更畅、水更清、岸更绿、景更美的良好生态，将信息化延伸到水利工作的各个方面，实现了水利信息化管理。疫情期间，我国将水污染防治工程的监测与水环境治理等重心落在水利信息化发展上，以提升前期水质为基础打造水利信息化平台，有效地提高了水环境保护的科学性、精准性和实效性。新冠肺炎疫情的发生，全国城市的水生态环境治理被作为疫情防控的重要手段，我国对医疗污水、城镇生活污水处理设施及时进行现场排查，强化各地区水利信息化的在线监控，通过智慧治水方法监督水利企业完成治水任务并依法查处水污染超标等问题。

一、文献回顾

国内外水利信息化实践取得了丰硕成果，水利信息化经验及理论研究不断涌现。2017年水利部参事咨询委员会在浙江等地的专题调研报告中论述了水利信息化建设的必要性及其初步设想。梅丹等[1]认为水利信息化是借助水智能系统形成的水利管理模式，在常规的水处理与管理技术基础上，采用信息控制融合系统，对自来水、污水等各种水处理设施的运行数据进行一元化管理，从而提高城市整体的水循环经营效率。张建新等[2]分析了水利信息化现状，对水利信息化建设的透彻感知、全面互联、整合共享、智能应用等内容提出了建议。国际上对水利信息化的认识偏向于技术领域，对其概念解释也相对缺乏。Choi等[3]提出将具有丰富经验的水管理技术与先进的信息通信技术(ICT)相融合，覆盖整个水循环过程，强调用标准化框架来构建一个综合的水利信息化管理模型。Victor等[4]和Kulkarni等[5]认为将ICT运用于监测和管理城市水系统，可以通过手机实时数据了解供需情况。根据我国国情以及水利信息化发展情况，将水利信息化解释为通过在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化的方式有机整合水利管理部门与供排水设施，形成“水利物联网”，及时分析处理海量水利信息，做出相应处理结果辅助决策，以更加精细和动态的管理方式促进水利系统服务流程，从而达到水利信息化的状态。

本文结合国内实践工作(管理)者及部分学者的研究成果[6-7]，针对我国水利信息化发展综合评价与管理现状，在综合审视各省域水利建设的发展水平基础上，重点制定水利信息化发展战略和模式，促进水利产业市场的良性运行及水资源配置的全面优化。基于新社会经济学中的市场嵌入理论，采用熵值-核主成分分析模型[8]构建我国水利信息化发展综合评价指标体系，科学度量水利信息化进程并对各省市各地区建设成效提供有效的评估方法。最后运用该评价指标体系对我国30个省(自治区、直辖市)进行综合评价分析，总结当前我国各地区水利信息化发展水平与空间差异，并制定相关政策与发展模式及建议。

二、水利信息化发展综合评价指标体系

(一)水利信息化评价指标体系构建的理论基础

在评价指标的选取方面，始终遵循科学性、全面性、系统性与可操作性原则，并以实现经济、生态、社会效益的统一为目标。在梳理现有相关研究成果的基础上，通过理论分析发现，公共产品市场化对优化资源配置具有重要作用[9]，对水资源这类直接影响公众日常生活的公共产品来说，尤为如此。Granovetter[10]提出新社会经济学中的市场嵌入理论，将经济行为嵌入社会关系网络之中，为水利信息化的市场嵌入机制提供了理论基础。市场嵌入理论是指行为主体之间互依、相适的过程[11]。本文鉴于此概念，结合我国水利信息化的发展现状，构建了水利信息化与市场嵌入的理论关系。在大数据背景下我国水利建设要想实现水利管理智能化、信息化，离不开传感器、通信移动设备等硬件技术的辅助以及物联网、云计算等应用系统软件的支持。因此以大数据平台为基础的水利信息化管理平台，需要通过实时监测、数据共享，将有关水利信息进行分类整合，为水利工作者提供参考。高效的信息与技术市场是水利管理实现水利信息化的重要保障，也应是重要的指标体系。完善国家水利部水利信息化综合评价体系[12]，将智慧城市指标体系研究成果[13-15]与水利信息化实际情况相结合，可进一步构成水利信息化发展综合评价体系的理论框架，如图1所示。

图1 水利信息化与市场嵌入理论关系图

(二)指标筛选与评价体系

首先，根据水利信息化发展综合评价指标体系及市场嵌入理论框架，预选评价指标集；其次，通过德尔菲法——专家打分法筛选指标，构建出具有6个二级指标、24个三级指标的水利信息化发展综合评价指标体系，如表1所示；最后，检验指标设置是否涵盖了社会经济发展、电子政务管理、资本市场注入、信息市场共享、技术市场支撑、人才市场支持等领域，力求符合我国现阶段水利信息化市场发展情况。

表1 水利信息化发展综合评价指标体系

我国现代信息技术的发展有效促进了水利行业技术的发展，水利信息化进一步促进了国民经济的协调发展，信息技术、水利信息化、社会经济三者互惠互利、共同发展。因此将社会经济发展作为一项二级评价指标具有一定的现实意义。社会经济发展指标主要用于衡量各地区经济发展、人均经济收入和水资源拥有量的综合水平，反映水利信息化的社会环境。电子政务管理指标用于衡量地区政府管理部门在水利信息化工程以及水利网络安全建设方面的综合水平，反映水利信息化在政府管控下的发展情况。资本市场注入指标用于衡量水利信息化项目规模、资本投入与运营维护的综合水平，继而反映水利信息化的资本投入规模。信息市场共享指标衡量水利信息化建设中信息采集、工程建设管理与网络安全建设的综合水平，反映水利信息化的信息传输与系统平台建设情况。技术市场支撑指标主要用于衡量物联网、云计算、大数据、移动终端以及遥感终端的综合应用水平，反映新一代信息技术在水利信息化向深层次发展中的引领作用。人力市场支持指标用于衡量高层次人才与制度化管理综合水平，反映水利信息化中人才资源发展的需要及其作用。

(三)熵值-核主成分模型构建

根据上述水利信息化发展综合评价指标体系的构建，运用熵值-核主成分模型来评价其发展水平。核主成分分析法(简称KPCA法)是对指标数据进行特征提取后降维，进而通过数据集的主要成分有效地解决数据非线性问题的一种特有方法，但其缺点是运用方差贡献率作为权重尚存在着一定的主观成分。为此，研究加入熵值法来描述信息源的无序程度，判断水利信息化评价指标的离散程度，不失是一种相对客观的赋权方法。两种方法的综合应用，可以有效地避免评价指标权重赋值的主观性与片面性。

第一步，假设评价对象个数为n，评价指标个数为m，则可得到相对应的数据矩阵yi。

yi={yi1,yi2,…,yij}(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(1)

第二步，采用极值法对指标数据无量纲化处理。

(2)

第三步，利用变换T对样本空间Xm中的数据映射到特征空间F，并选取核函数进行内积计算，得到矩阵K。设映射后的像为Φ(Xi)，可得到映射后协方差矩阵如式(3)所示。

(3)

(4)

其中Fiz为第i个省份第z个主成分的得分，λzj为第z个主成分中第j个指标的特征向量。

第五步，熵值法计算某年份时第j个指标下编号为i省份指标值的比重pij:

(5)

第六步，计算各主成分的熵值e与差异性系数g。第j项指标的熵值ej为：

(6)

第j项指标的差异性系数gj为：

gj=1-ej

(7)

第七步，确定各主成分的熵权重。指标间差异越大，熵值越小，对应的权重系数越大；反之亦然。若z为主成分个数，则第j项指标的权重为：

(8)

第八步，利用R语言软件进行核主成分分析与熵值运算，计算得到各主成分得分与其对应熵权，由此得到水利信息化发展综合评价指标体系的综合得分。第i个省份的综合得分为：

(9)

综合得分反映了水利信息化发展的总体水平，让抽象概念实现量化，其得分S越大，表明水利信息化发展在该省发展水平越高、应用程度越好。

三、熵值-核主成分模型的省域水利信息化发展综合评价

(一)样本选择及数据来源

研究运用表1水利信息化发展综合评价指标体系，对2018年我国30个省(自治区、直辖市)的水利信息化发展水平进行综合评价。其中有关社会经济发展的宏观指标及人力市场支持的相关数据主要来源于《中国统计年鉴》及各省份的统计年鉴；信息市场共享数据是通过整理《中国科技统计年鉴》及各省份科技统计年鉴中的数据计算得出；其余水利市场数据均来源于国家水利部发行的《全国水利网信发展报告》，2017年更名为《中国水利信息化发展报告》。

(二)评价结果与分析

在标准化转换的基础上，对原始数据进行相关性检验，结果显示：KMO统计量为0.753，Bartlett球形检验的近似卡方值为895.3，显著性概率为0.000，小于标准值0.05，应拒绝原假设，表示变量间存在显著的相关性，适合进行深入分析。将数据代入模型中，运用MATLAB编写程序，经过多次数据实验，发现选取多项式核函数：K(x,y)=0.63×(x·y+7.3)6时，前六项主成分累计贡献率达到96.73%，满足综合评价要求。根据熵值法可得2018年我国30个省(自治区、直辖市)水利信息化发展评价指标体系中6个主成分的熵值、差异性系数以及熵权，具体计算结果见表2。

表2 2018年我国水利信息化发展综合评价中各主成分的熵值及权重

结合原始数据构建矩阵yi，并进行无量纲化Xij处理，将式(4)的主成分得分与熵权wj的计算结果代入式(9)，可以进一步计算出2018年我国30个省市(自治区)水利信息化发展综合评价系数、各类市场嵌入评价指数的综合得分及排名，如表3所示。

表3 2018年我国30省(自治区、直辖市)水利信息化发展综合评价结果

根据评价指标与评价系数的相关性及大小关系，发现人均地区生产总值A1，水利信息化项目年度投资C11，水利信息资源数据总量D14，大数据应用系统比重E18，遥感应用系统比重E20，硕士及以上学历人员占职工比重F22与水利信息化发展水平综合得分的皮尔逊相关系数最大。考虑到KPCA法提取的主成分指标物理意义不明确，不利于对评价结果进行深入分析，可用聚类分析对这一缺陷进行改进。以水利信息化发展综合评价系数与综合得分为聚类变量，采用平方欧氏距离测量，使用组间联接得到聚类分析结果，如表4所示。

表4 我国省域水利信息化综合发展水平聚类分析结果

总体而言，我国省域间水利信息化发展水平可分为五个类别，分别为发达领先型、相对优势型、积累成长型、提升赶超型以及相对落后型。从评价得分来看，发展水平最好的省份是上海市，综合得分为2.50，而排名最后的是青海，得分仅为-0.86，存在较大的发展空间。评价得分超过标准值的省份仅有10个，占比仅为33.3%，表明大部分省份水利信息化发展水平较低，水利信息化程度不高。各省份的水利信息化发展都具有不同程度的提升空间，不存在某个省份发展水平绝对领先。从各区域分布态势来看，水利信息化发展水平整体上呈现“东快西慢”的发展格局，各省域间差异较大，呈现出由东部逐渐向西北部递减的特点，表现为东部地区省份水利信息化发展水平高于西部地区、南部地区高于北部地区。其中东部地区发挥着核心主导的引领作用，发展水平较高，如上海、江苏、广东等省(直辖市)均属于发达领先型区域，浙江、北京、山西等地也具有相对发展优势。不同于浙江、北京在水利信息化方面具有得天独厚的技术资本条件，山西的各项评价指标均无明显优势，但仍依靠其在水利信息化的六项指标中的均衡得分在全国处于前列，其中信息市场共享程度和社会经济发展指标得分较高，说明从全国来看，山西水利信息化市场的投资建设做的相对较好。“山西之长在于煤，山西之短在于水”，山西省的水资源一直较为匮乏，政府也深知此项短板带来的经济弊端，因此通过广泛利用信息化技术手段来监测水资源的可持续发展，及时带动水利信息化的发展并取得了一定成效。天津、山东、广西、河北等中北部省份则处于积累发展阶段。其他17个省份均位于提升赶超型行列，占了超过一半的份额。江西、云南、青海属于相对落后型，且大多位于西部地区，表明我国水利信息化发展不平衡、全国总体发展情况不容乐观。综上所述，我国水利信息化要坚持求同存异、协调发展的方针。一方面要继续鼓励东南沿海地区又好又快地发展，保持发展优势，另一方面也要加大对西北部地区的支持力度，推动其走上快速发展道路。水利行业作为民生基础性行业，与民众关系密切，而水利信息化则是信息技术与传统水利的有效融合，如何进一步协调各区域的平衡来综合发展水利信息化，将是未来建设中应重点关注的内容。

(三)市场嵌入视角下不同省域水利信息化发展的差异分析

从市场嵌入视角出发，将各省域在各主成分上的得分系数作为聚类因子进行分析，深入把握水利信息化发达领先型、相对优势型、积累成长型、提升赶超型以及相对落后型区域在各类市场维度上的综合表现与影响因素，进一步为促进各省域水利信息化发展提出针对性建议，如图2所示。

图2 各省域水利信息化科技发展的市场嵌入关系示意图

首先，发达领先型地区(上海、江苏、广东)的水利信息化发展优势主要归因于稳固的社会经济基础以及雄厚的资本市场，三个地区作为我国经济大省，人均GDP远高于全国平均水平。2018年水利信息化投资分别达到1 708万元、2 296万元、2 566万元，水利资本投入促进了该类地区的信息化发展水平。

其次，相对优势型地区(浙江、北京、山西)电子政务、技术与人力市场综合状况相对较强。水利信息化强调系统智能化，对技术层面的要求相对较高，对高层次人才需求更加迫切，技术与人力市场为水利信息化的提升创建了坚实的基础。如近年来浙江省大力发展“数字经济”，通过新信息技术研发和高层次人才市场，为水利信息化提供技术与人才保障，“最多跑一次”有效地提高了电子政务能力。

再次，积累成长型地区(天津、山东、广西、河北)社会经济发展具有一定优势，资本、信息、技术与人力市场却表现一般，尚存在较大的提升空间。如图2所示，天津在水利信息化领域的资本市场投入力度相对不足，山东信息市场建设力度不够，河北人力市场供给不足以及广西省技术市场发展落后等成为其主要限制因素。

最后，提升赶超型地区(湖南、内蒙古等17个省)以及江西、云南、青海等相对落后型地区多数位于我国中西部，社会经济与信息技术发展水平相比沿海地区处于相对劣势。且近年来该类地区的高层次人才流失现象较为严重，导致其水利信息化发展受到了一定的阻碍，尤其受技术市场影响，多数地区的评价得分值远低于全国平均水平。

综上所述，我国水利信息化发展水平与社会经济、电子政务、资本市场、信息市场、技术市场、人力市场六个指标均有不同程度的相关，其中信息市场的共享程度、资本市场的投资力度与技术市场的推广应用是水利信息化发展的重要因素，且正向影响较为显著，市场经济越发达的地区，其水利信息化发展综合实力越强。在水利信息化发展评价中嵌入市场机制，提高水利信息化的资本市场投入，提升技术市场创新能力，激发市场活力，将会是水利信息化未来发展中值得关注的问题。针对实证结果提出如下建议：一是加大水利信息化项目投资力度，政府引导社会资本注入，探索诸如PPP融资模式的新思路与新方法。以陕西省为例，近年来该省水利集团积极探索创新，开展县城供水服务，以PPP融资模式破解县城供水难题，使水利市场化成效显著；二是加大对水利行业新一代信息技术的研发力度，提高信息共享率。水利信息化自然离不开新信息技术的保障，加大水利信息化投入力度，提倡创新型、实用型研究，能够增强水利信息化建设的核心竞争力，进而推动智慧水务的发展；三是要重视水利行业高层次人才队伍建设，引导其在水利信息化中发挥更大的作用。

四、结语

水利信息化是智慧水利的重要组成部分，尤其是在大数据发展背景下，全国各地都非常重视其科技发展，相关水利信息化项目也在如火如荼地展开。本文从新信息技术中的市场嵌入视角，构建了我国水利信息化科技发展综合评价指标体系，并对30个省(自治区、直辖市)的水利信息化发展水平进行了实证分析。研究在指标体系的建设与选择上，充分考虑到数据的可获得性、真实性和科学性，尽量保持指标相对完整，具备一定的评价原则和依据，为其他各省的水利信息化发展提供一定的参考价值。但随着数字经济的快速发展，还需对未来数字化发展指标加以补充和完善。另外，研究发现各省域水利信息化发展水平参差不齐，且差距明显，聚类分析结果也表明，区域发展整体上呈现出“东快西慢”的发展格局，由东部地区逐渐向西北部地区递减，且出现五种层级分化，分别为以上海为代表的发达领先区，以浙江为代表的相对优势区，以天津为代表的积累成长区，以湖南、内蒙古为代表的提升赶超区及以青海、云南为代表的相对落后区。此外，从市场嵌入聚类细化分析发现，水利信息化发展水平与资本市场注入、信息市场共享、技术市场支撑等三个市场维度有显著正相关，从而为未来我国各省域的水利信息化建设提供理论依据与实践基础。