工业集聚下中国工业用水效率和重心迁移研究

朱玲億，潘钰霞，吴易桐，吴 敏

(河海大学 商学院，江苏 常州 213022)

水资源是“三大战略资源”之一，对城市工业安全和长远发展具有重要影响。我国工业生产存在工业用水增长快、工业用水效率低、工业废水排放量大等问题，制约了工业可持续发展。1949年，工业用水量仅为24亿m3，占全国用水量的2.3%，而到2018年，工业用水量达1 261.6亿m3，占全国用水量的20.9%。工业活动的不断加强，不可避免地造成工业用水需求的大幅增加，水资源供需矛盾更加突出。为进一步加强工业节水工作，建立节水型工业，提高用水效率，缓解我国水资源的供需矛盾，实现经济和社会的可持续发展，工业和信息化部、水利部编制完成了《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录(2019年)》，致力于加快工业高效节水工艺、技术和装备的推广应用，提升工业用水效率，促进工业绿色发展。舒欢等[1]指出针对工业生产过程中水资源消耗影响因素进行研究，对化解我国水资源短缺危机和工业可持续发展至关重要。因此，研究工业用水效率在时间和空间上的变化规律，探索地区间工业用水效率差异，发现各地区工业用水存在的问题，从而为地区政府制定法规政策，实现工业可持续发展提供相关依据。

目前有关工业水资源利用状态的研究内容主要为地区工业用水效率[2-3]和工业节水措施，研究方法主要包括数据包络分析(DEA)模型[4]、Tobit模型[5]等。FU等[6]首次结合混合模型和窗口分析测算2006—2015年绿色工业转型的动态效率。HU等[7]采用CCR模型评估资源效率和环境效率，发现水污染问题比水资源消耗问题更严重，因此采用了以非合意产出为中心的生态效率模型来评价用水效率。李静等[8]利用最新DEA模型评估工业用水效率，同时借助Tobit模型考察了不同区域的影响因子对工业用水效率的作用。曹思齐等[9]在最严格水资源管理制度、情景假定条件下，运用DEA窗口分析方法测算了历史条件下长三角地区的工业用水效率。姜蓓蕾等[10]指出先进的“技术”与“管理”手段的引入，对提高工业用水量、建立节水型社会起到了重要的推进作用。

综上，大多数学者选择的是单箭头的工业用水效率分析方法，这种方法忽视了生产与治理之间的关联关系，不能充分反映水资源利用在实际工业活动中的复杂性，不利于实现工业用水效率的整体分析和综合管理。笔者将工业发展研究分为工业生产阶段和环境治理阶段，考虑了废水资源在工业活动中被综合再生利用后的情况，同时引入外生变量工业集聚，运用两阶段动态DDF模型剖析我国30个省(市、自治区)工业用水效率的区域差异。此外，工业用水效率的空间变迁势态较为复杂，多种因素相互交织影响，因此笔者增加了空间治理视角，借助重心迁移模型分析工业用水效率的空间迁移势态，以期为全国工业生产结构的优化调整、水资源的充分利用提供对策建议，促进全国工业的可持续发展。

1 模型构建及指标选取

1.1 模型构建

1.1.1 两阶段动态DDF模型

笔者以传统DDF模型为基础，结合动态DEA模型、随机前沿分析方法和CHANG等[11]提出的两阶段方法对效率进行分析，并考虑非合意产出和外生变量的问题，构建了一个外生变量影响下两阶段动态DDF模型来探讨全国各省、市、自治区的工业用水效率。

(1)

(2)

两个阶段的联系如式(3)所示，两个时期的联系如式(4)所示，利用两阶段动态DDF模型测算工业用水效率，如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

通过两阶段动态DDF模型，还可以测算时期效率ρt*和总效率ρ*：

(6)

(7)

1.1.2 重心迁移模型

为把握工业用水效率在空间分布上的总体变化趋势，借助重心迁移模型来研究其重心迁移轨迹。由于区域影响工业发展的各要素在工业生产阶段和环境治理阶段不断变化，因此工业用水效率重心位置处于不断变动之中，重心的移动客观反映了区域工业发展诸要素空间集聚及其位移规律。根据区域重心迁移模型，30个省、市、自治区的工业用水效率的重心计算公式如式(8)和式(9)所示[12]。

(8)

(9)

用迁移角度θ、迁移距离D表示不同年份之间效率重心的移动方向、移动距离。假定第t年工业可持续发展的重心为(LONGt，LATt)，第t′年工业可持续发展为(LONGt′，LATt′)，则迁移角度θt′-t和迁移距离D分别为：

(10)

(11)

式中：R为地理坐标与平面投影坐标之间的转换率，一般认为是常数，取111.111 km[13]。采用ArcGIS确定30个地区的地理坐标，依据重心迁移模型即可计算出2014—2018年全国工业用水效率重心的迁移轨迹。

1.2 指标体系构建

1.2.1 指标选取

基于工业可持续发展活动的复杂性，为准确把握工业水资源利用协调水平，遵循科学性、系统性和全面性原则，分为工业生产阶段和环境治理阶段进行研究。考虑到单一投入产出指标要素的片面性与不完整性，从多维投入与多维产出角度进行指标构建分析。在工业生产阶段，工业就业人数、工业用水总量是投入变量，工业增加值是合意产出指标，工业废水排放量是非合意产出指标，同时也是连接两个阶段的中间变量；在环境治理阶段，针对工业废水排放量的处理，投入变量为环境治理从业人员人数和工业污染治理完成投资，从而得到工业废水再生产利用量，重新投入工业生产阶段，以实现工业水资源的循环利用。此外，参考已有研究成果[14]，考虑了特定地理区域工业资本的汇聚对各地区工业用水效率的影响，选择工业集聚作为外生变量。具体变量如表1所示。

表1 工业投入产出变量指标体系

1.2.2 数据来源

研究所用数据来源于国家统计局、《全国统计年鉴》、各地区统计年鉴、国家基础地理信息系统 1∶400万数据集。考虑到数据的有效性和可用性，以30个省、市、自治区为研究对象，不包括香港、澳门、台湾和西藏自治区。根据各地区所处的地理位置，将其分为东部、中部和西部3个区域。

2 实证分析

2.1 总效率分析

2014—2018年全国各省份工业总效率如表2所示，可以看出：①东部区域的总效率优于其他两区域，11个东部地区中有5个地区总效率达到1，分别是北京、广东、海南、江苏、山东，说明这些地区在工业生产阶段和环境治理阶段都较为领先；东部区域的平均总效率为0.935，辽宁的效率水平最低，为0.800。②中部区域的平均总效率为0.774，安徽、河南、湖北、湖南、江西高于平均总效率，而黑龙江、吉林、山西低于平均总效率，湖北总效率最高，为0.873，吉林最低，仅为0.669。③西部区域的总效率呈现两极分化，青海总效率达到了1，重庆也高于0.9，而广西、云南总效率均低于0.65，云南总效率仅有0.608，且除2017年以外均低于0.6，西部区域的平均总效率为0.798。④整体来看，3个区域的效率存在明显差异，东部区域表现最好，其次是西部区域，中部区域表现最差。同时，东部区域中，北京、天津、山东、江苏、浙江等总效率较高的地区大多位于沿海地区，可见水资源丰富为工业发展起到了促进作用，而黑龙江、吉林、云南、广西总效率处于0～0.7之间，相对较低。

表2 2014—2018年全国各地区工业总效率

2.2 分阶段的效率分析

2014—2018年3个区域在两个阶段的效率水平和总效率的变化如表3所示。①从工业生产阶段来看，东部区域的效率最高，显著领先于其他两个区域。在东部区域，工业生产阶段效率在0.939～0.980之间波动，在2017年效率值达到最高。在中部区域，工业生产阶段效率总体呈现上升趋势，但在2014—2015年呈现下降趋势，2015年下降至0.697，仍需继续关注效率，争取保持稳定上升趋势。在西部区域，工业生产阶段效率相对稳定，变化幅度较小，相较于2016年，2017年效率仅增长了0.765%。②从环境治理阶段来看，东部区域的效率仍然高于西部和中部区域，但相较于工业生产阶段差异缩小。在东部区域，环境治理阶段效率在2017年达到最大值0.959，相较于2016年增长了12.559%。在中部与西部区域，环境治理阶段效率总体上均呈现上升趋势，两区域也在2017年达到自身的最大效率，进步空间较大。③由于工业生产阶段与环境治理阶段共同影响，各区域的总效率呈现波动上升趋势。在东部区域，总效率在2017年达到最大值0.970，其余3年的总效率都不低于0.906，最为稳定，表现最好。中部区域总效率低于其他两区域，与东部区域差距较为明显，具有一定的提升空间。西部区域的总效率也在2017年达到最大值0.849。

表3 2014年—2018年3个区域分阶段效率及总体效率

此外，东部区域第一阶段效率高于第二阶段，中部和西部区域第二阶段效率高于第一阶段。在良好的经济发展环境和资源的明显优势下，还集中了重要的工业基地，因此东部区域在两阶段均表现最好。30个地区在两个阶段的效率如图1所示。

图1 2014—2018年30个地区两阶段效率分布

2.3 工业用水效率重心迁移分析

2014—2018年我国工业用水效率重心空间动态迁移轨迹如表4所示，可以看出工业用水效率重心2014年到2015年向西南方向移动，2016年移动轨迹持续向西，而后两年均向东北方向迁移。从经纬度上看，研究期内工业用水效率重心位置位于N33.236°～N33.625°、E112.378°～E112.758°之间，即效率重心基本落在河南省。2014年工业用水效率重心的坐标为N33.236°、E112.758°，2018年工业用水效率重心迁移至N33.625°、E112.751°。从效率重心的移动距离来看，2014—2018年效率重心的平均迁移距离为27.637 km。其中，2014—2015年的效率重心移动距离为19.278 km，2016—2017年的效率重心移动距离达到41.399 km，是前者的两倍多。将效率重心的位移在东西与南北方向上进行分解，发现效率重心在南北方向上的移动幅度大于东西方向，说明工业用水效率的南北差异大于东西差异。

表4 2014—2018年工业用水效率重心空间动态迁移轨迹

2014—2018年，工业用水效率重心经历了 “西南-西北-东北”方向迁移的时空演变过程，且总体呈现由南向北迁移的趋势，但始终位于河南省。2014、2015年效率重心位于南召县，2016、2017年效率重心位于嵩县，2018年效率重心迁移至汝阳县，具体情况如图2所示。

图2 2014—2018年全国工业用水效率重心迁移

3 结论与建议

3.1 结论

笔者构建了一个外生变量影响下的两阶段动态DDF模型，探讨2014—2018年全国各省、市、自治区的工业用水效率，同时借助重心迁移模型来观测工业用水效率重心在空间分布上的变化特点，得出以下结论：

(1)我国工业用水效率呈现不均匀分布现象，3个区域存在明显的差异。东部区域工业用水效率最高，其次是西部区域，中部区域在工业生产阶段和环境治理阶段效率普遍较低，3个区域整体上呈现为“东部-西部-中部”依次递减的格局。出现这一格局的主要原因在于东部区域位于沿海地区，水资源充足，工业集聚导致工业生产有相对较高的规模效率以及环境治理环节投入了更多的人力物力。这也表明中部、西部区域在环境、资源先天劣势的情况下，更需注重工业资源配置、废水治理循环利用等方面。

(2)我国工业用水效率重心经历了向“西南-西北-东北”方向迁移的时空演变过程，且总体呈现出由南向北迁移的趋势，我国工业用水效率重心落点基本分布在河南省。在特定期间内，当某区域的效率值所占比重较大且快速增长时，效率重心就会向该位置渐趋移动。从效率重心的落点来看，重心落点变化范围不大，均在河南省，这与山东等邻近省份效率值所占比重大相契合；从效率重心的移动方向看来，河南以北方向，如山西、河北、内蒙古等省份效率值的快速增长使效率重心呈现明显的由南向北迁移趋势；从效率重心的移动距离来看，2016—2017年移动距离最大，这与工业用水效率在这期间变化最大的事实相符。

(3)从全国层面探索中国工业用水效率问题，选取相关投入产出变量探索中国地区的工业用水存在的缺陷和问题，可以从宏观层面对中国工业用水进行把控；考虑了特定地理区域工业资本的汇聚对各地区工业用水效率的影响，将工业集聚作为外生变量投入到模型分析中，使得模型更加贴近工业用水生产的实际情况。

3.2 建议

由于我国各省份工业用水效率存在较大差异，根据上述模型分析结果，结合各省份工业生产特点、环境治理投资等因素，提出如下建议：

(1)积极推行清洁生产，实现废水减量化。我国工业废水排放量大，而工业用水重复利用率较低，加剧了水资源供需矛盾。各省份在工业生产设计中需要统筹考虑工业生产阶段和环境治理阶段的协调发展关系，坚持废水综合再生利用原则。在工业生产阶段，要不断学习先进技术与工艺，积极推行清洁生产，提高工业生产效率，加快工业行业提质增效的升级步伐；在环境治理阶段，需不断创新对污水的处理技术，加快污水处理设备的研究开发，加大环境治理的投资，提高工业污水重复利用量。

(2)加强立法和监督，重视节水管理。在中部、西部的缺水地区，如果工业发展超过环境承载力，将加速生态恶化，降低水资源利用率。因此，相关省份在制定政策时应重视保护水资源基础，限制地下水开采，通过政策的执行和法律的约束，严格执行工业用水定额。同时，要关注工业布局的合理性，避免高用水行业过度集中在缺水地区，减小水资源、环境的恶化。各省份在一定程度上应淘汰高耗水耗能的落后项目，鼓励发展耗水耗能小的绿色环保项目，以低需水、能源代替高需水、能源。

(3)优化工业产业的布局，加强工业集聚度。工业集聚度低导致高消耗、粗加工式的工业生产，单位工业增加值需要消耗更多的水资源。研究表明工业集聚可以对效率提升产生促进作用，在不断降低水资源消耗水平的同时，要不断改变工业粗放式发展模式，完善基础设施建设，探索开放性更高的工业系统，建立具有低环境成本和高生产效率的工业产业集群，提升工业用水效率。