黄河流域用水效率及空间溢出效应研究

查建平，蔡威熙

（1.山东农业大学经济管理学院，山东泰安271018；2.山东农业大学马克思主义学院，山东泰安271018）

提高用水效率是黄河流域生态保护和高质量发展的重要内容。黄河流域以不到全国2%的水资源量，承载着全国近9%的人[1]，水资源短缺成为制约黄河流域发展的重要瓶颈。习近平总书记提出：推进水资源节约集约利用，推动用水方式由粗放向节约集约转变。提高用水效率是水资源节约集约利用、解决水资源短缺的关键。当前，黄河流域用水效率如何？用水效率受哪些因素影响？如何按照以水而定、量水而行的原则提高黄河流域用水效率？回答上述问题，对于缓解水资源瓶颈，实现黄河流域生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。

水资源利用效率研究对水资源利用效率提高和水资源可持续利用具有十分重要的意义[2]。当前，国内学者从多个方面对用水效率进行了分析。从研究方法来看，学者主要运用比值分析法[3]、随机前沿分析方法（SFA）[4]、数据包络方法（DEA）[5]、综合评价法[6]、CRITIC—TOPSIS—灰色关联度评估模型[7]对用水效率进行了测度，并分别运用泰尔指数[8]和Malmquist指数[9]分析其空间差异和时空演变趋势；从研究对象来看，既包括全国用水效率[10]，也包括特定省份[11]或特定区域[12]；从影响因素来看，经济越发达的地区，水资源利用效率越高[13]；水资源的丰富程度影响地区居民的节水意识，人均水资源量拥有量与水资源利用效率呈现负相关[14]；水权交易对水资源利用效率有积极的促进作用[15]。此外，还有学者对农业用水效率[16]和城市生活用水效率[17]进行了探讨。随着空间计量分析技术的成熟，促使广大学者愈发重视空间因素，针对水资源利用效率空间关联关系的研究也日益增多[18]，例如，运用探索性空间分析模型分析用水效率的时空格局演变[19]，运用空间杜宾模型[20]和地理加权回归模型[10]分析用水效率的空间效应。

诸多研究为本研究提供了理论基础和思路借鉴。黄河流域是我国重要的生态屏障，一方面，黄河流域水资源严重短缺；另一方面，黄河流域城市水体、湖泊和内陆河水污染较重[21]，面临环境压力。因此，测度沿黄九省（区）用水效率，并分析其影响因素，对于黄河流域水资源可持续利用具有现实意义。本文在前人研究的基础上，进行以下改进：①同时考虑黄河流域水资源短缺和水污染的双重压力，运用非期望超效率SBM 模型测度沿黄九省（区）用水效率；②分析沿黄九省（区）用水效率的空间溢出效应，并运用空间杜宾模型（SDM）将其进一步分解为直接效应和间接效应；③传统研究以固定资产投资额表征资本投入，忽视了资本折旧率的变动性，本文运用永续盘存法对地区固定资产投资额进行计算，得到物质资本存量，以此表征资本投入。

1 研究方法与数据来源

1.1 非期望产出超效率SBM模型

本文考虑黄河流域水资源短缺和水污染双重压力下的用水效率，因此在选取产出指标时，不仅考虑到水资源投入带来的经济增长，也考虑到水资源投入带来的水污染问题。因此本文运用非期望产出超效率SBM 模型，测度沿黄九省（区）用水效率。非期望产出超效率SBM 模型结合了非期望SBM 模型和超效率DEA 模型的特点，避免了非期望SBM 模型中DMU效率值同时为1的情况，实现了多个决策单元的相互比较，既包含了生产要素投入带来的经济产出，又考虑了生产带来的废水、废气等非合意产出。非期望产出超效率SBM 模型公式如下（令n为决策单元数量，m、s1、s2分别表示投入指标、期望产出指标和非期望产出指标的数量）：

式中：xik、ygrk和ybtk为生产的投入值、期望产出值和非期望产出值；si、sgr和sbt为投入、期望产出和非期望产出的冗余值。

当ρ*＜1 时，表示该决策单元处于无效率状态，当ρ*= 1时，则表示决策单元达到有效状态。

用水效率具体公式为：

1.2 空间计量模型

目前，常用的空间计量模型主要包括3种形式：空间滞后模型（SAR）、空间误差模型（SEM） 和空间杜宾模型（SDM）。与其他2 者相比，空间杜宾模型（SDM）同时考虑了解释变量的空间误差项和空间滞后项，实现了空间误差模型和空间滞后模型的融合。此外，空间杜宾模型（SDM）可以对空间溢出效应进一步分解为直接效应和间接效应。基于此，本文选择空间杜宾模型（SDM）对沿黄九省（区）用水效率的空间溢出效应进行分析，模型形式如下：

式中：Yi和Xi分别表示被解释变量和解释变量的向量集；WYi和WXi分别表示被解释变量与解释变量的空间滞后项；ρ表示空间自回归滞后系数；W表示空间权重矩阵，本文选择邻接空间权重矩阵，若2 地区相邻则W= 1，不相邻则W= 0；θ、λ分别为待定系数；ε表示残差值。

1.3 指标选取

1.3.1 测度用水效率的指标选取

能源、资本和劳动是影响经济增长的重要指标。本文参考孙才志等[10]和丁绪辉等[14]的研究，选择水资源、资本和劳动力作为投入指标，将实际GDP 作为期望产出，将废水排放总量作为非期望产出（如表1所示）。具体指标选取如下：

表1 用水效率指标体系

（1）水资源。本文选取农业用水、工业用水和生活用水的总和作为地区用水总量，以此表征水资源投入量。

（2）资本。本文运用永续盘存法对地区固定资产投资额进行计算，得到物质资本存量，以此表征资本投入。

（3）劳动力。本文选取各地区每年年末城乡从业人员数量表征劳动力投入。

（4）实际GDP。本文以2007年为基期计算各地区实际GDP，以此去除因价格变动带来的影响。

（5）废水排放总量。本文选取各地区废水排放总量表示水资源投入带来的非期望产出。

1.3.2 用水效率的影响因素选取

在水资源禀赋不足的地区，人们节水意识较高，因此，水资源越稀缺的地区用水效率越高。随着经济社会的不断进步，用水效率也随之提高。此外，政府的政策支持也会提高人们节水积极性，提高用水效率。随着科学技术的发展，科技投入对用水效率的影响越来越重要。因此，本文选取自然因素、经济社会因素、政策支持因素和科技投入因素作为用水效率的影响因素。具体变量选取见表2。

表2 用水效率的影响因素及描述

（1）自然因素。自然因素是指由于自然资源禀赋等客观自然条件影响用水效率的因素，本文选取人均水资源占有量表征自然因素。

（2）经济社会因素。本文选取经济发展水平、产业结构、水资源利用结构和城镇化水平表示经济社会因素。其中，经济发展水平以各地区人均GDP 表示，本文以2007年为基期计算人均实际GDP，并将人均实际GDP 取对数进行回归；产业结构以第1 产业增加值与第2 产业增加值的比值表示；水资源利用结构以工农用水总和占用水总量的比重表示；城镇化水平以城镇人口占总人口的比重来衡量。

（3）政策支持因素。本文分别选取工业污染治理水平、废水治理水平、环保投入和政策倾斜表示政策支持因素。其中，本文以工业污染治理完成投资占地区GDP 比重表示工业污染治理水平；以治理废水支出占地区GDP 比重表示废水治理水平；以环境保护支出占地区GDP 比重表示环保投入；政策倾斜用农林水务支出占一般预算支出的比重表示，以此表示政策投入向农林水务方面的倾斜程度。

（4）科技投入因素。加大科技投入，提高技术水平，可以为用水效率提供技术支撑。因此，本文选择各地区研究与试验发展(R&D)投入占地区GDP比重表示科技投入。

1.4 数据来源

本文研究2007-2018年沿黄九省（区）用水效率及其影响因素，所有数据均来源于《中国统计年鉴》、《中国环境年鉴》、《中国水资源公报》以及各省（区）统计年鉴。对于缺失数据，本文运用插值法等方法进行处理。

2 结果分析

2.1 用水效率分析

运用MATLAB 软件测度沿黄九省（区）用水效率，本文以9个省（区）的平均值作为沿黄九省（区）用水效率。具体结果见表3。

表3 沿黄九省（区）用水效率测度结果

从时间序列来看，沿黄九省（区）用水效率呈现先下降后上升的趋势。2007-2010年，沿黄九省（区）用水效率呈现下降趋势，与2007年相比，2010年用水效率值减少了0.264，下降了37.16%。2011-2018年，沿黄九省（区）用水效率逐年上升，自2011年的0.460 上升到2018年的0.745，提高了61.96%。尽管沿黄九省（区）用水效率呈现上升态势，但2018年用水效率值为0.745，且只有内蒙古和山东2 个省达到有效状态（用水效率值为1），表明沿黄九省（区）用水效率不高，还存在较大的节水潜力。

从空间差异来看，沿黄九省（区）用水效率区域差异较大，总体呈现上游低下游高的特点。用水效率最高的地区是山东，平均用水效率为0.953，2007-2018年中仅有2个年份用水效率未达到有效状态。用水效率最低的地区是宁夏，平均用水效率为0.307，仅为山东的32.21%。此外，青海、四川用水效率较低，均不足0.500。总体来看，沿黄九省（区）用水效率呈现上游低下游高的特点。一方面，上游地区水资源充足，容易陷入“资源诅咒”陷阱，导致用水效率较低；另一方面，下游地区经济发展水平和科技水平较高，为提高用水效率提供了技术支持。

2.2 沿黄九省（区）用水效率的影响因素分析

首先，本文运用Stata 15.0 软件对计量模型进行LM 检验，以此验证模型是否存在空间效应。在空间滞后效应检验中，LR 统计量通过了10%的显著性检验，表明模型存在空间滞后效应，模型使用空间计量模型是有必要的。

其次，本文进行Hausman 检验，以此判断空间杜宾模型应当使用固定效应模型还是随机效应模型。结果表明，模型在5%的统计水平上拒绝了原假设，使用空间杜宾固定效应模型是合理的。

最后，本文进行稳健性检验，以此检验模型是否稳健，是否会退化为空间滞后模型（SAR）或空间误差模型（SEM）。通过LR 检验得，SAR 和SEM 检验均在1%的统计水平上显著；Wald检验同样在1%统计水平上拒绝了原假设。表明采用空间杜宾模型是稳健的。因此，本文选择空间杜宾固定效应模型进行分析。

固定效应分为个体固定效应、时间固定效应和个体时间双固定效应。3 种模型估计结果见表4。通过比较，本文选择空间杜宾时间固定效应模型，并进一步将总效应分解为直接效应和间接效应。其中，直接效应表示本地区解释变量对本地区用水效率的影响；间接效应表示邻近地区解释变量对本地区用水效率的影响。估计结果如表4所示。

表4 固定效应估计结果

如表5所示，经济发展水平对用水效率的直接效应通过了1%的显著性检验，且方向为正，经济发展水平越高，本地区的用水效率越高，这表明沿黄九省（区）经济发展水平已经到达环境库兹涅茨曲线“拐点”，随着经济经济发展水平不断提高，环境质量得到改善，用水效率逐渐提升。经济发展水平对用水效率的间接效应为负，但是不显著。一方面，沿黄九省（区）各地区之间没有建立协同发展机制，各地区经济联系不紧密；另一方面，经济发展水平提高带来生产规模的扩大，由此产生的规模经济降低了用水需求量，因此本地区用水效率不断提升，而不会影响到邻近地区用水效率。

表5 用水效率影响因素的空间效应分解

产业结构对用水效率的间接效应在1%的统计水平上通过了检验，产业结构对邻近地区的用水效率具有负向影响，即第1产业所占比重越大，邻近地区用水效率越低。可能是因为第1产业用水大部分直接来源于河流，而流域内上游地区用水量的增加势必影响下游地区用水效率。

水资源利用结构的直接效应在10%的统计水平上正向影响用水效率，即工农用水量的增加提高了本地区的用水效率，这表明沿黄九省（区）逐渐建立了工业和农业的节水机制，并逐渐提高污水处理技术，从而提高了本地区的用水效率。

城镇化水平的直接效应负向影响用水效率，且通过了10%的显著性检验。城镇化水平的提高抑制了本地区用水效率的提高，说明尽管沿黄九省（区）经济不断发展，但城镇化仍处于起步阶段，基础设施不完善，节水机制不健全，节水技术不成熟，城镇化的快速扩张加大了水资源浪费，降低了用水效率。城镇化的间接效应不显著，主要是因为沿黄九省（区）城镇化水平较低，各地区之间没有建立城镇化协调发展机制。

工业污染治理水平对用水效率的间接效应在1%的统计水平上负向影响显著，本地区加大工业污染治理投资会降低邻近地区的用水效率。本地区增加工业污染治理投资会造成本地区用水需求较大、污水处理技术较弱的企业转移到周边地区，造成邻近地区用水量和废水排放量增加，降低了邻近地区的用水效率。

废水治理水平的直接效应在5%的统计水平上影响显著，方向为负。增加废水治理支出抑制了本地区用水效率，可能的原因是废水治理财政资金来源于财政拨款，而非企业，因此国家和地方财政加大废水治理支出在治理废水的同时，也间接刺激了企业加大污水排放。

政策倾斜对用水效率的间接效应通过了10%的显著性检验，且方向为正，表明财政政策向农业领域倾斜会提高邻近地区的用水效率。流域内水资源具有流动性，水污染也具有转移性，因此本地区加大农林水务支出，修建水利设施，加强污染修复，会影响邻近地区用水效率。

科技投入的间接效应通过了1%的显著性检验，对邻近地区用水效率具有负向影响。本地区加大科技投入，会吸引邻近地区人才和技术向本地区集聚，而技术的扩散效应在短时期内难以显现，造成邻近地区科技水平下降，用水效率降低，出现技术的“虹吸效应”。而科技投入的直接效应不显著，主要是因为科技投入是一项长期投入行为，技术进步在短时期内难以发挥作用，因此短时期内科技投入难以有效提高用水效率。

人均水资源占用量的直接效应和间接效应不显著，主要是因为沿黄九省（区）不仅存在“水量型”缺水，还存在“水质型”缺水，因此水资源禀赋对用水效率的影响不显著。环保投入的直接效应和间接效应不显著，可能是环保投入主要向大气污染、土地污染等领域倾斜，没有显著提高水环境质量。

3 结论与建议

本文运用非期望SBM 模型测度沿黄九省（区）用水效率，并运用空间杜宾模型（SDM）分析其影响因素。研究结论如下。

（1）从时间序列来看，沿黄九省（区）用水效率呈现先下降后上升的趋势。2007-2010年，沿黄九省（区）用水效率呈现下降趋势；2011-2018年，用水效率逐年上升。从空间差异来看，沿黄九省（区）用水效率区域差异较大，总体呈现上游低下游高的特点。

（2）从直接效应来看，经济发展水平和水资源利用结构对用水效率具有正向影响，城镇化水平和废水治理水平具有负向影响；从间接效应来看，政策倾斜对用水效率有正向影响，产业结构、工业污染治理水平和科技投入具有负向影响。

为提高沿黄九省（区）用水效率，促进黄河流域生态保护和高质量发展，本文提出以下措施。

（1）建立节水机制，发展节水技术。一方面，通过水价改革等措施逐渐建立节约用水的长效运营机制；另一方面，加大科技投入，发展节水技术和污水处理技术，为提高用水效率提供技术支撑。

（2）合理引导沿黄九省（区）城镇化建设。盲目的城镇化扩张抑制了用水效率的提升，各地区要加快新型城镇化建设，优化城镇化空间布局，加快基础设施建设，禁止不合理的盲目扩张。

（3）建立黄河流域水资源开发和保护的协同发展机制。通过建立流域生态补偿机制等措施，加强各地区对水资源利用的交流合作，引导各地区对水资源的合理利用与分配，促进黄河流域水资源的协调有序利用。