黄河流域水资源利用效率与产业结构升级的空间协调发展研究

庞庆华，朱泽原，张丽娜

(河海大学商学院，江苏 常州 213022)

黄河流域中西部地区矿产资源丰富，长期以来形成了以重工业为主要导向的经济发展模式，与此同时付出了较大的环境代价，存在产业结构偏重、单一化等诸多发展与生态问题。黄河流域拥有我国近一半的煤炭基地和七成的煤电基地，2017年黄河流域资源开采及其加工业比重为36.34%，分别高于全国和长江流域9.17和13.62个百分点。而黄河流域中西部地区多处于干旱半干旱地区，生态极为脆弱，这大大加重了黄河流域产业与经济发展的负担。习近平总书记在2019年视察黄河时，提出黄河流域生态保护和高质量发展这一重大国家战略，旨在加快推进黄河流域的产业转型升级与绿色协调发展。产业结构的落后制约着水资源的有效利用，但同时产业升级过程中又受到黄河流域水资源匮乏问题的约束。黄河流域水资源人均占有量仅为全国平均水平的27%，且存在流域水资源利用粗放、基础产业部门用水效率低下等问题，这进一步加大了水资源的供需缺口。黄河流域水资源开发利用率高达80%，远超一般流域生态警戒线的40%，且82.6%的地级行政区水资源存在超载状况[1]。此外，产业生产尤其是重工业的水污染会加剧水资源短缺问题，在全国的各区域中，黄河流域最为严重[2]。面对此类问题，“十四五”规划强调，需立足黄河流域水资源空间均衡配置，实施深度节水控水行动，降低水资源开发利用强度[3-4]，推行“以水定产、量水而行”的战略。产业结构升级能促进水资源的集约利用与污染的减排，是推动绿色可持续发展的必要条件，也是缓解水资源短缺问题的关键所在[5]。通过研究流域水资源利用效率与产业结构升级间的协调关系与空间相关性，有利于为水资源管理及产业结构的区域优化提供决策参考，进而推动黄河流域产业加速升级，促进高质量发展。

在已有文献中，研究水资源利用效率与产业结构的方向主要集中在3类：①从水资源约束条件下出发，研究产业结构的优化升级[6]。其中，水资源约束经历了从用水总量到包含水质等要素的综合约束的过程。王文彬等[7]研究了水资源约束下黄河流域产业结构的变迁规律，发现水效和水质对产业结构合理和高级化均有积极的影响。提升用水效率，是实现黄河流域产业结构升级的重要途径。②从产业结构升级中对水资源利用的影响入手，颜明等[8]通过研究京津冀地区产业结构与水资源利用的变迁发现，由于用水结构在产业间的调整与生产技术的进步，经济的高速增长并未带来明显的水资源消耗增加。③研究水资源与产业结构之间关联关系与协调发展[9],吴丹[10]通过构建主从递阶双层优化模型研究产业结构与水资源的双向关联关系，得出了各研究区域的优化方案和建议。邢霞等[11]通过研究黄河流域水资源利用效率与经济发展的耦合协调关系，得出黄河流域经济发展水平滞后于用水效率的结论。由于水资源利用效率的边际提升在地域上主要分布于西北[12]、东北[13]等较干旱地区，产业结构上主要体现在利用率较低的农业[14]与工业[15]领域，因此对于该类领域研究成果较多。水资源利用效率与生产环节以及环境污染间的关系较为复杂，当前的研究多运用数据包络法及其衍生方法进行测度。赵沁娜等[16]通过SBM-DEA模型研究全国的工业用水效率及其空间关联性，发现用水效率与空间聚集呈较为显著的正相关关系。随着近年来绿色发展意识的提高，对于多阶段用水污染的重视也在用水效率的研究中体现。马海良等[17]在研究中指出，忽略环境污染计算得到的水资源利用效率是不准确和非全面的。庞庆华等[18]运用DEA-Malmquist模型在对全国七大流域进行水资源利用评价时，将废水、化学含氧量等污染指标纳入模型的负向投入以得到更为合理的测算结果。

通过梳理相关文献可以发现，水资源与产业结构的协调发展研究已取得大量成果，但仍有值得进一步探讨的内容：①相关文献对于产业结构升级的衡量多从产业结构的比例入手，却忽略了不同地区的支柱产业集聚带来的高生产率的优势，衡量角度不够全面。②水污染仍是黄河流域的关键问题之一，在“双控”背景下的研究有对水量的“硬约束”，但仍缺乏对于水质的“软约束”。③对黄河流域水资源与产业结构协调发展研究较少，且当前该类研究多数通过面板数据进行时序分析，展开进一步研究的文献更少。黄河流域当前水资源仍十分缺乏，对产业发展升级起到较大的阻碍作用，如何降低二者间的约束，提升协调性是促进黄河流域高质量发展的重要命题。为更有效地评估分析黄河流域水资源利用效率与产业结构的协调发展情况，给予流域发展规划更多参考，本文相较于以往文献在研究中做了如下优化：进行黄河流域产业结构高级化测算时，同时考虑产业结构比例和各产业劳动生产率，以更为客观地反映地区产业发展情况；黄河流域水资源利用效率将从用水量、污染产出及其他投入要素三大方面进行衡量；在黄河流域耦合协调度测算的基础上通过空间相关度分析协调发展的聚集情况。最后在实证分析的基础上给出相应建议。

1 研究方法与数据来源

1.1 指标体系构建

1.1.1水资源利用效率评估

由于数据包络分析法(DEA)具有满足多输入多输出条件、单位不变性等优势，被广泛应用于具有可比性单位的有效性评价之中。Tone[19-20]在原有CCR、BCC模型的基础上演化出非径向角度的SBM-DEA模型和超效率DEA模型，分别用于解决模型中的松弛变量问题及进一步评估技术有效单位。由于水资源利用效率测算中考虑了非期望产出，关系较为复杂，因此DEA方法多输入多输出的特性能较好满足测度需求。本文数据在SBM-DEA模型的测算中结果趋于同质化有效，难以有效衡量区域间差异，因此选择了超效率SBM-DEA模型。由此，本文采用基于非期望产出的超效率SBM-DEA模型对黄河流域9省区进行水资源利用效率的测度，模型计算公式如下：

(1)

(2)

参考马海良等[17]研究成果，具体投入与产出指标如表1所示。在DEA模型运用中，DMU的数量不能低于投入产出指标项总数的2倍，因此在具体模型计算中运用熵值法将农业、工业、生活及生态供水量转化为综合用水量，将主要非期望产出(废水、COD、氨氮排放量)转化为综合污染指标，以提升模型测算结果的可靠性[21]。

表1 水资源利用效率指标体系

1.1.2产业结构升级指标测算

产业结构升级在此主要体现为产业结构高级化，其理论内涵主要表现在两个方面：一是传统意义上产业间比例关系的改变，由农业部门向工业、服务业部门过渡；二是各产业内劳动生产率的提高，从劳动密集型到资本密集型、再到知识技术密集型产业的不断升级[22]。多数文献在考虑产业结构高级化的指标中仅仅将产业部门产值比例作为考量，但产业部门变迁并不是产业升级的真正内涵[23]。如黄河流域的河南省，由于地理条件等因素成为我国的农业大省，农业产值占比较高，这是区域发展的特点，若盲目地进行粗放式产业转移反而有害，不利于经济健康发展。农业生产技术提升，产品附加值增加同样是产业的升级。况且不同区域的产业异质化才能充分发挥各地的优势，以促进区域整体发展水平的提高。因此本文综合考虑三产比例关系和劳动生产率来衡量产业结构升级情况，公式如下：

(3)

式中：H为产业结构升级指标；i=1,2,3代表三次产业；vit为在第t年第i产业的产值在GDP中的比重；Pit为第t年第i产业的劳动生产率。劳动生产率有量纲，但第t年第i产业的产值比重vit无量纲，因此对劳动生产率进行无量纲化处理，具体方法借鉴刘伟等[23]的做法。

1.2 耦合协调度模型

1.2.1耦合机理

“耦合”指在系统演变过程中，两个或两个以上要素相互影响，相互促进的关系。黄河流域产业结构升级对于水资源利用效率的影响可从多角度进行探讨，而在量化层面主要从两方面展开：一是生产用水产出效率的提升，二是用水污染的减少，内在耦合机理如图1所示。

图1 水资源利用与产业结构耦合机理H=∑vitPit

在政府和企业的共同建设下，促进生产技术升级，能够提高黄河流域水资源利用的集约度；与此同时，持续优化管理体系，从生产链各环节突破，做到黄河流域水资源多阶段循环利用。由此在单位产出一定的情况下降低平均用水量，形成水量的“硬约束”。通过政府对于环境保护与污染规制的相关政策引导，加大对黄河流域绿色生产行业的基础设施投资，创建良好的生产平台与供应链，促使市场供需向清洁生产方向转移，逐步淘汰或改造“三高企业”。由此优化黄河流域的水污染问题，达成水质的“软约束”。通过以上两角度约束的协同作用，能够有效促进水资源综合利用效率的提升。水资源利用效率的提升对产业结构升级的反作用可从支持作用和约束作用两个方面进行阐释。水资源利用效率有效提升的背后是生产技术的更新，能够突破经济发展的资源瓶颈，从而推动产业结构升级。水资源利用效率对于产业结构的约束作用体现在企业的成本和风险之上。由此，水资源利用效率与产业结构升级形成了相互作用、彼此影响的耦合结构。

1.2.2耦合协调度模型构建

本文通过构建耦合协调度模型反映黄河流域水资源利用效率与产业结构的协调发展情况。在该模型发展过程中，逯进等[24]将其分解为系统发展模型和系统协调模型，分别侧重于衡量系统的发展与协调水平。

在系统发展模型中，假设该系统基于规模报酬不变的Cobb-Douglas函数，函数形式为

Tit=λfit(x)αgit(y)β

(4)

式中：Tit为i地区t时期的发展度；fit(x)、git(y)指代两子系统第i地区t时期的发展水平，此处分别为水资源利用效率和产业结构升级指标；λ为外生变量；α、β为两子系统占总系统的重要性份额，α+β=1，在此处设两系统重要性相等，即α=β=1/2。

式(5)为系统协调模型，用于衡量产业结构与生态效率间的协同性，Cit为i地区t时期的耦合度。

Cit={fit(x)git(y)/[(fit(x)+git(y))/2]2}1/2

(5)

发展模型可衡量系统的发展程度，而协调模型则衡量了两系统的协同度。将该二者指标结合，便可得到同时综合衡量发展度和协调度的耦合协调度模型：

(6)

式中Dit为i地区t时期的耦合协调度。参考吴文恒等[25]的研究成果，本文根据耦合协调度D划分成10个类别，具体见表2。

表2 耦合协调度的判别标准及划分类型

1.3 空间计量模型构建

为了研究黄河流域水资源利用效率与产业结构升级协调情况的空间特征，本文在耦合模型的基础上借助全局空间莫兰指数(Moran’sI)进行讨论。Moran’sI是一种空间自相关分析的统计指标，用于研究各地区纳入相对地理位置考虑时的空间关联程度。莫兰指数相关性以0为界，等于0时表示不存在空间自相关；莫兰指数大于0时表示具有正向空间相关性，所观测指标趋于空间集聚，值越大，空间相关性越为显著；莫兰指数小于0时则相反，所观测指标趋于发散，相关性随着值的减小而减小。

1.4 数据来源

从流域划分角度来看，研究对象9省区中并非全部属于黄河流域，但考虑到资源投入的整体性和规划协调性，仍以省域为空间单元展开研究[26]。本文所涉及数据时间范围均为2004—2018年。水资源利用效率测度中，农业、工业、生活及生态用水量数据来源于国家统计局网站及水资源公报，固定资产投资通过永续盘存法计算[27]；污染指标中废水、COD、氨氮排放量数据主要来源于《中国环境统计年鉴》，部分数据来源于各省区地方统计年鉴。产业结构数据中各省区GDP、分产业产值、分产业就业人员数据来源于《中国统计年鉴》及国家统计局网站。对于2004—2018年间部分缺失的数据采用插值法进行补缺。在代入耦合协调模型前，对水资源利用效率和产业结构高度指标运用极值法进行归一化处理。

2 实证分析

2.1 水资源利用效率与产业结构升级情况分析

运用式(1)(2)所示的超效率SBM-DEA模型，通过MaxDEA软件测算了2004—2018年黄河流域9省区水资源利用效率值，年均分布情况见图2所示。图2通过ArcGIS软件绘制，采用自然断点法分级。从时间跨度上来看，研究期间各省区均值为0.577，总体处于中度发展阶段。从空间分布上来看，黄河流域各省区水资源利用效率差异显著，呈东高西低的状态，其中以山东省最高，年均值为0.971，达到了黄河流域水资源利用效率前沿面的水平。位于第二区间的是山西省、陕西省和河南省，年均效率分别为0.757、0.648和0.631，其他4省区水资源利用效率指数则在0.4至0.5之间，以内蒙古最低为0.415。由于东部地区产业发展较早，工业基础良好，资本，高技术劳动力聚集程度高，因此生产要素有效转化率相比于西部地区更为可观。

图2 2004—2018年黄河流域水资源利用效率分布情况

在产业结构升级指数测算的基础上同样绘制了2004—2018年黄河流域各省区的空间分布图，如图3所示。产业结构高度总体呈东北高，西南低的态势。其中以内蒙古较为领先，研究期间年均产业结构指数为0.539，其次为山东、陕西、宁夏，产业结构升级指数在0.400左右，其余省份多处于0.3左右，其中以河南的产业结构指数为0.265排在最后。河南省一直以来是华北地区的粮食主产区，相对其他省区而言一产占比较重，且人口基数大，人均生产率不高，产业结构层次偏低。虽然近年来河南地区也在积极进行产业转型，有了一定的成效，但由于新兴资源匮乏，且转型具有滞后效应等原因，相比于东部其他省份仍有相对劣势。内蒙古矿产、林木等资源丰富，2020年内蒙古原煤产量占全国的26.3%，稀土储量占全国的83.7%。由于地广人稀，内蒙古多项人均资源占有量位居全国第一，依靠资源优势的重工业发达，人均劳动生产率较高，在黄河流域处于领先水平。

图3 2004—2018年黄河流域产业结构升级分布情况

2.2 黄河流域水资源利用效率与产业结构升级的耦合协调分析

在水资源利用效率和产业结构升级指标构建的基础上，通过耦合协调度模型测算得出黄河流域2004—2018年9省区的耦合协调度。结合两子系统的时序演变情况，绘制了图4。由图4可见，研究期间内水资源利用效率变化幅度不大，总体来看经历了3个较为完整的“U”型波动周期，分别为2004—2008年、2008—2012年和2012—2018年。水资源利用效率在各周期内经历了“高—低—高”的变动过程，该结论与马海良等[17]、钱文婧等[28]等学者的发现一致。水资源利用效率在2008年出现了拐点，且产生了约3年的持续下滑，这可能与全球金融危机所传导的影响有关。此外2012—2018年的周期波动幅度最大，最低点为2016年的0.514，这同样可能与市场传导的生产链及生产规模变动等因素有关。

图4 2004—2018年黄河流域耦合协调度及子系统时序演变情况

由于近年来我国保持着较好的国民生产总值增长态势，黄河流域各省区的经济规模和劳动生产率也在不断提升。从相对指数角度来看，黄河流域产业结构升级指数从2004年的0.096上升到2018年的0.720，年均增幅达15.5%。从产业结构提升贡献角度来看，黄河流域主要得益于产业规模扩大带来的增益。

由图4的耦合协调度曲线可知，黄河流域水资源利用效率和产业结构升级的耦合协调度呈平稳上升的趋势，从2004年的0.473上升至2018年的0.817，增速逐渐放缓，总体发展状况较为良好。分阶段来看，在2004—2005年两年中处于濒临失调衰退阶段，从2006年开始进入正向耦合协调阶段，逐步从勉强协调阶段过渡到初步协调阶段再到中度协调阶段。通过近年来经济规模的扩大与生产技术的改进，黄河流域水资源利用效率与产业结构升级有了较为可观的协调发展进步。

通过对研究期间进行划分能够更有效地展现不同时期的空间特征。因此，将黄河流域耦合协调发展在研究期间内以5年为一个阶段，共划分为3个阶段，并由此绘制每个阶段的平均耦合协调度空间分布图，如图5所示。

(a) 2004—2008年

(b) 2009—2013年

(c) 2014—2018年图5 黄河流域耦合协调情况

在2004—2008年期间，总体耦合协调水平较低，其中四川、甘肃、青海、宁夏处于濒临失调衰退阶段；黄河流域中部其他省份多数处于协调与衰退的过渡期；山东、内蒙古和山西相对而言协调情况较好，皆处于初级协调发展阶段。在研究阶段中期，即2009—2013年期间，总体水平相对于前5年有所上升，各省区增长效应差别不大。其中甘肃、四川进入了勉强协调发展阶段，青海、宁夏提升较快，跨入了初级协调发展阶段。河南协调增速较为缓慢，可能与产业结构滞后效应有关。在研究阶段后期2014—2018年期间，各省区的协调水平相对于研究阶段中期又有了不同程度的增长。山东继续居于首位，已达到优质协调发展阶段。值得注意的是，在前两阶段表现并不突出的陕西，在该阶段超过了内蒙古与山西，仅次于山东，进入良好协调发展阶段。本研究中，区域耦合协调的发展度主要由产业结构升级推动，在具体指标上表现为劳动生产率的提升。陕西在保持能源化工、装备制造、冶金等传统工业稳定发展的势头下积极拓展新产业，通信医疗行业产值增速加快。作为我国文化大省，陕西省人民政府在2015年发布了《陕西省人民政府关于促进旅游业改革发展的实施意见》，以积极推动文化旅游资源开发，并带动投资、电商及新农业等多领域的发展，兴起经济的新增长点。

表3详细展示了2004—2018年黄河流域各省区水资源利用效率与产业结构升级的耦合协调度数据。从时间序列来看，黄河流域各省区协调发展在2012年之前保持着较为稳定的增速，从2013年开始增速放缓。其中山东省一直处于领先地位，山西省在2011年之前与山东省基本同步，但从2012年开始回落，在2013年下跌显著。而陕西省与山西省衰退趋势相反，从2011年开始增速提升，并在2012年超越山西、内蒙古，仅次于山东居于第二。进入第三研究阶段后，其他省区总体趋势上升伴随着增速放缓的特征。党的十八大以来，环保监管法制不断健全，从《生态文明体制改革总体方案》到《水污染防治行动计划》的发布[29]，对于水资源利用的监管愈发严格。在此背景下，部分重工业污染较为严重的省区如山西、内蒙古出现了水资源与产业结构升级局部不协调，以致衰退的情况，其他省区协调增速也有所放缓。经过4年多的磨合期，进入到“十三五”后，各省区又表现出新的增长趋势，表明在这5年中，产业结构得到了有效的优化，淘汰了部分落后产能，契合新发展理念的落实。

表3 2004—2018年黄河流域各省区耦合协调度

2.3 黄河流域空间聚集特征分析

在耦合协调发展分析的基础上，为进一步探究黄河流域水资源利用效率与产业结构升级的演变特征，本文运用ArcGIS软件计算全局莫兰指数，对黄河流域耦合协调时序演变情况进行自相关检验，结果如表4所示。

由表4可见，黄河流域水资源利用效率与产业结构升级的耦合协调度的自相关情况随时间推移有较为显著的特征。2004—2008年，耦合协调度的莫兰指数处于0.299～0.372的范围内，皆通过了7%的显著性检验，较为显著，说明在该阶段，黄河流域两子系统的发展具有一定的空间聚集特征。在此情况下，相邻省区的生产要素有较强的流动性，包括资本、劳动力、技术，以及市场需求的扩散，对周边的省区产生了较为明显的辐射带动作用；在2009年之后莫兰指数逐步减小，并在2011年变为负值，且结果均不显著，由此2011年之后黄河流域的两系统耦合协调性呈现不显著的空间负相关关系。在更为严格的环境管制与技术要求下，多数企业在生产流程及供应链中进行了调整，而污染较重的企业则进行了跨区域转移。在产业转型的过程中，要素聚集与规模效益不显著。

表4 耦合协调度空间莫兰指数与自相关情况

3 结论与建议

3.1 结论

a.从两子系统的发展情况来看，水资源利用效率总体平稳，在时序上随经济周期的波动有所变化，在空间上呈东高西低的态势。产业结构高度随时间推移呈较出稳定的增长趋势，空间分布上东北高，西南低。

b.两系统耦合协调发展方面，黄河流域总体协调性从2004年的轻度失调衰退阶段不断提升，至2018年已进入良好协调发展阶段。在研究阶段前期，黄河流域东北区域的省区如山东、内蒙古、山西协调情况优于其他省区。从党的十八大以来，内蒙古、山西的协调情况衰退，其他多数省区增速也显著放缓，而陕西协调增速加快，并依次超越山西与内蒙古。

c.空间集聚方面，在2009年之前，黄河流域水资源利用效率与产业结构高级化的耦合协调发展具有弱自相关特征，从2011年开始呈现不显著的空间负相关关系。

3.2 政策建议

a.继续推进黄河流域水资源集约化利用。从政策实施角度来看，严格遵循“三条红线”及水资源双控导向，通过政策规范和引导，使得黄河流域经济社会发展与水资源水环境承载能力相适应。由研究结果可以看出，黄河流域水资源利用效率近年来在宏观层面变化不大，因此短期内生产技术一定的条件下，可更多注重于微观角度的节水宣传，减少居民、企业用水浪费。从省域角度来看，内蒙古自治区为黄河流域水资源利用效率最弱的地区，尽管其人均生产率较高，但产业、区域发展不平衡，经济指标很大程度上依靠当地煤炭、稀土等资源的优势以及高能耗工业支撑。当前内蒙古可充分利用海拔较高、日照时间长的地区优势，首先加大风能、光能等新型能源基础设施的投资，在尽可能稳定就业的情况下推进能源绿色转型[30]，并逐步提升水资源等资源利用效率，实现高质量发展。2014年开展的7个水权试点省区中，有5个在黄河流域，分别为河南、宁夏、内蒙古和甘肃[31]。应继续注重完善水权交易市场，充分调动市场对于水资源的配置作用，并逐步向东部地区推广。

b.结合黄河流域中西部各地区特点，响应扶贫政策，有效规划建设经济产业园区，以推动产业聚集，产业交叉。在政策制定中可引导“京津冀”地区的企业及技术人员流动入驻中西部产业聚集区，加强对宁夏、甘肃、青海等产业层次较低地区的技术与创新资源辐射作用，以优化基础工业、农业为导向，因地制宜培养具有更高附加值的绿色产业，促进黄河流域全流域协调发展。此外，黄河流域是中国重要的能源基地，应在“碳中和”背景下结合相关优惠政策，推动新能源的普及，逐步更新黄河流域的产业与能源结构。

c.进一步健全黄河流域法律规制，落实生态补偿与跨区域生态环境协调治理策略。党的十八大以来，对于企业污染执行了更为严格的规制，山西、内蒙古等产业结构偏重的地区在协调发展指标上出现了停滞甚至下滑的情况，而陕西等部分省区积极开发政策红利，产业转型更为迅速，协调发展指标有了可观的提升。因此，在黄河流域生态保护和高质量发展的背景下需齐头并进，环境生态与经济发展两头抓，不断提升黄河流域高质量发展水平。