黄河流域水资源利用效率测度与评价

2021-08-14张永凯孙雪梅

水资源保护 2021年4期

张永凯，孙雪梅

(1.兰州财经大学农林经济管理学院，甘肃兰州 730020； 2.兰州财经大学经济学院，甘肃兰州 730020)

黄河流域作为我国生态安全屏障、能源化工基地和重要经济地带，在国家生态环境建设和社会经济发展中具有举足轻重的地位[1]。随着黄河流域生态保护和高质量发展上升成为国家战略，该流域迎来了千载难逢的历史机遇，国家将在该地区部署一系列重大项目，推动生态环境建设和高质量发展。然而，黄河流域生态环境极其脆弱，水资源严重短缺，水土流失严重，自然灾害频发，加之贫困人口分布集中，经济社会发展相对滞后，扶贫攻坚任务十分艰巨，给该流域可持续发展提出了严峻挑战。制约黄河流域发展的一个关键性问题就是“水”，水资源合理利用是黄河流域高质量发展的核心。因此，黄河流域经济高质量发展需要水资源作为强有力的保障，并根据区域人口承载力和生态环境容量，合理利用有限的水资源，坚持“以水而定、量水而行”的基本原则，充分发挥水资源对黄河流域经济社会可持续发展的有效支撑作用。

目前，我国关于水资源利用效率问题的研究较多，其研究尺度却不尽相同。高媛媛等[2-3]对全国31个省(市、区)的水资源利用效率进行了测算，均认为北京、天津、山西用水效率高，宁夏、广西用水效率低；张坤等[4]通过测算长江经济带11个省(市、区)的水资源利用效率，认为技术发展是其主要制约因素；郑乐等[5]对宁夏5市工业用水进行测算后，对其所处现状分别做出解释；任玉芬等[6]通过对全国283个城市的水资源利用效率进行分析，发现全国62.2%的城市水资源利用效率变化趋势不明显。20世纪70年代末，国内学者陆续开始关注黄河流域水资源利用问题。刘善建[7]认为，我国的水资源利用水平落后于发达国家，应对水资源的开发利用做好规划；张晓涛等[8]利用基尼系数分析黄河流域的经济发展与水资源匹配关系，发现经济发展水平与水资源利用量之间匹配较为合理，但水资源与生产要素之间的匹配状况具有显著差异；王猛飞等[9]利用同样方法，发现基尼系数有缓慢减少的趋势，说明黄河流域的水资源在区域间的合理配置起到良好效果；张慧等[10]利用熵权法测算黄河流域的农业水资源利用效率，结果发现利用效率低下；周帅等[11]运用Mann-Kendal与重标极差耦合的方法预测了黄河流域未来的水资源时空变化；左其亭等[12]针对黄河流域九省区构建了涵盖水资源、生态环境、经济社会3个准则层的评价指标体系，采用层次分析法和熵权法组合赋权的TOPSIS模型对九省区2002年、2007年、2012年、2017年的水资源承载力进行了综合评价。

然而，对黄河流域水资源利用效率的研究相对较少，且侧重于农业水资源利用效率，从微观尺度上考察整个流域水资源利用效率的研究成果不足。鉴于此，在已有研究基础上，本文基于地级行政单元的空间尺度，运用数据包络分析法(data envelopment analysis, DEA)和Malmquist指数，测算黄河流域水资源利用效率，旨在为该区域人口、资源与环境经济协调发展提供思路和借鉴。

1 研究区概况

黄河是我国的第二大河，发源于青藏高原的约古宗列盆地，最后注入渤海，干流河道全长 5 464 km，自西向东分别流经我国青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东9个省区，整个流域面积约为752 443 km2(图1)。本研究以黄河流域9省区中的68个地级行政单元(地级市、州、盟)为研究对象。

图1 黄河流域概况

一般而言，黄河以内蒙古呼和浩特河口镇与河南洛阳孟津县为节点划分上、中、下游，由于本研究以地级市为空间尺度进行分析，所以按上述地级行政单元所属节点分别表述上、中、下游地区。黄河流域作为中华文明的重要发祥地，经济发展早期主要以农业为主，上游河套平原、中游汾渭盆地以及下游引黄灌区都是其主要的农业生产基地。工业方面虽然起步较晚，但该流域拥有丰富的自然资源，为工业发展提供了良好的条件，是我国重要的能源化工基地。由于黄河地理位置的特殊性，黄河流域呈现“水少沙多、水沙异源”的特征，水量主要来自兰州以上、秦岭北麓，泥沙主要来自河口镇至龙门区间与泾河、北洛河及渭河上游地区[13]。随着区域经济的发展，工农业生产对水资源的需求不断增大，加之水资源的时空分布不均，导致水资源短缺成为黄河流域经济发展的重要瓶颈。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取2009—2017年黄河流域68个地级行政单元(市、自治州、盟)的相关统计数据，其中，固定资产投资额、农业用水、工业用水、生活用水、人口为投入指标；GDP、工业生产总值、农业生产总值为产出指标。劳动力本应采用就业人数，但鉴于数据缺失，因此用人口数乘以0.64(该标准参照2019年国家统计局劳动力人口计算)的指标替代。投入、产出指标数据均来自各省、市、自治州和盟的统计年鉴与水资源公报。鉴于数据可得性，各省份的统计口径不一致，部分数据通过间接测算和取中值的方式加以处理。

2.2 研究方法

2.2.1DEA

(1)

2.2.2Malmquist指数

3 结果与分析

3.1 黄河流域水资源利用效率现状分析

采用DEAP2.1软件测算2017年黄河流域68个地级行政单元水资源配置效率(表1)，可见2017年黄河流域的水资源利用效率整体水平不高，综合效率平均值仅为0.834，各区域的水资源综合利用效率依次为上游(0.808)、中游(0.851)、下游(0.856)，上游地区低于全国平均水平，青海省海东的水资源综合效率值最低，为0.408。综合效率值达到DEA有效的地区有26个，即投入产出都达到了最优状态，主要集中于中部和沿海地区，流经内蒙古境内的地级行政单元均为DEA有效。综合效率的高低受技术因素和规模因素共同的影响，为便于了解不同影响因素的空间差异，分别从技术效率与规模效率角度进行分析。

从技术效率角度看，黄河流域平均值为0.867，高于综合效率，有13.3%的提升空间。其中，有35个地级行政单元实现技术有效，即水资源之间的组合达到了最优。除去综合效率值达到DEA有效的决策单元外，海南州、西安、铜川、晋城、运城、洛阳、济宁、泰安、菏泽也实现了技术有效，这些城市主要位于中、下游地区。通过对黄河流域的上、中、下游进行比较发现，下游地区(0.894)技术效率最高，中游地区(0.888)和上游地区(0.833)次之。从规模效率角度看，除去综合效率值达到DEA有效的决策单元外，大同和晋中的规模效率也保持不变，处于最优状态。黄河流域的规模效率整体高于0.7，平均值为0.963，其中上游地区的规模效率最高，为0.968；其次为中游地区，为0.961；最后为下游地区，为0.959。在未实现规模有效的40个决策单元中，有18个决策单元规模效率递减，表示投入过多，有必要减少投入来提高规模效率；有22个决策单元规模效率递增，表示它们可以通过扩大生产规模、增加产出来进一步提高规模效率。

由此可见，黄河流域的技术效率与规模效率有明显的空间差异。从表1看，上、中、下游的规模效率平均值均大于技术效率。通过纵向比较，上游地区规模效率高，技术效率低；下游地区技术效率高，规模效率低；中游地区的技术效率与规模效率均处于中等水平。这主要是由于下游地区经济发展水平高于上、中游地区，技术设备相对先进，技术效率较高，但随着下游地区生产规模不断扩大，生产的各个方面难以得到有效协调，从而降低了规模效率。

表1 2017年黄河流域68个地级行政单元水资源配置效率

根据上述DEA有效性分析，对42个非DEA有效地区采取生产前沿面投影分析方法，从投入角度剖析非DEA有效地区未能达到DEA有效的原因。从投入角度看(表2)，西宁、海东、阿坝、天水、定西、临夏、吴忠、安康、大同、晋中、忻州、临汾、安阳、新乡、濮阳、晋中存在投入冗余，主要集中在上、中游地区。要素的投入冗余率反映资源利用程度，投入冗余率为0，表示资源配置有效，资源得到充分利用；投入冗余率越大，表明资源利用效率越低，浪费越多。

表2 非DEA有效地区投入角度的投影分析

在农业用水方面，共有14个地区的农业水资源利用效率低，其中吴忠的投入冗余率为443.48%，说明这个地区在农业用水的过程中存在非常严重的浪费现象，需要加强对资源的整合来优化水资源利用效率；在工业用水方面，共有15个地区的利用效率低，濮阳的投入冗余率最高，为113.39%；在生活用水方面，共有15个地区的生活水资源利用效率低，其中阿坝(198.32%)、吴忠(97.80%)、安阳(244.76%)、新乡(157.61%)的冗余率均超过了90%。由此可见，要素投入冗余大都集中在上述地区，提高水资源要素的利用效率，降低水资源浪费是解决问题的主要手段。42个非DEA有效地区中有27个地区投入冗余率为0，说明决策单元未达到DEA有效的原因是规模效率小于1，因此，提高规模效率是实现DEA有效的关键。

3.2 基于Malmquist指数的黄河流域水资源利用效率变化分析

为了从更长时间序列考察黄河流域水资源利用效率的变化情况，在水资源利用现状的基础上，运用DEAP2.1软件，对2009—2017年黄河流域68个地级行政单元的面板数据进行Malmquist指数分析，测算出68个地级行政单元分年和分地区的全要素生产率(total factor productivity, TFP)指数，从而分析黄河流域水资源利用的年际变化情况。由表3可知，在2009—2017年，黄河流域水资源利用效率的总体平均水平为0.957，整个过程呈波动式变化，仅在2011—2013年出现上升，2012—2013年利用效率达到最高，TFP为1.146。从技术进步率的角度看，2009—2017年平均每年进步2.225%，波动趋势与TFP相似。其中，2009—2010年水资源利用效率最低，TFP为0.831，只有技术进步率是负增长，小于1；2012—2013年技术进步率最高，为1.133，同期水资源利用效率也达到最高。由此可知，技术进步率的高低对TFP的影响较大。从技术效率的角度看，总体呈下降趋势：先是在2010—2012年呈现递减趋势后呈小幅上升趋势，又在2014—2016年呈现递减趋势，最后在2016—2017年达到1.011，较低于2009—2010年。由于技术效率可进一步分解为纯技术效率指数和规模效率指数，所以其增减情况与技术效率类似。技术效率的高低决定了各生产要素能否被充分利用，技术效率的提高并未明显带动TFP的增长，其对TFP的影响较小，可见TFP的提高主要依赖于技术进步，技术进步是提高黄河流域水资源利用效率的关键因素。

表3 2009—2017年黄河流域TFP指数及分解

表4为2009—2017年黄河流域68个地级行政单元水资源TFP指数及分解结果，可见，在2009—2017年，我国黄河流域流经的68个地级行政单元中有50个地区水资源利用效率为负增长率。因此，受大部分地区的影响，黄河流域水资源的TFP为0.957，增长率为负。黄河流域水资源在上、中、下游的TFP均小于1，呈衰退趋势，主要是因为我国水资源本身存在利用率低、浪费严重等问题。通过对比上、中、下游TFP可知，下游地区的水资源利用效率高于上、中游地区，也高于黄河流域的平均水平，中游地区水资源利用效率最低，存在较大提升空间。上游地区的水资源利用效率平均每年降低0.47%，上游地区地处我国中西部，经济发展水平不高，技术进步率较低，再加之规模效率为负增长，水资源利用与配置之间的协调度还需进一步提高[16]。中游地区地处汾渭平原，水土流失严重，汾河、渭河、涑水河、清涧河存在持续重度污染，提高技术水平，改善水质是解决水资源利用效率低下的关键。其中，阿拉善地域广阔，水资源分布不均，虽有较多湖泊河流流经阿拉善，但用水浪费严重，且用水结构不合理，对水资源未能实现优质优用[17-18]，所以阿拉善的水资源利用效率最低。下游地区的技术进步率在黄河流域最高，为0.969，技术效率为1.008，水资源利用效率平均每年降低0.26%，技术水平对其影响较大。然而，下游地区人口数量大体上是上游地区的两倍，其人均水资源的拥有量和使用量远小于上游地区，人多水少的矛盾相对突出，仅通过增强技术水平并不能有效提升水资源利用效率，需同时提高节水意识，促进水资源的重复利用。虽然西宁、海东、海西、临夏、石嘴山、安康、临汾、安阳、聊城、菏泽等地区技术进步率低，技术效率较高，致使TFP大于1，但是整体而言，黄河流域TFP为负增长，主要受技术进步率影响，因此提高技术水平是解决水资源利用效率低下问题的关键。