黄河流域工业用水效率提升策略研究

党丽娟

（中国宏观经济研究院 国土开发与地区经济研究所，北京 100038）

1 引 言

黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的主要目标之一是推进水资源节约集约利用。当前我国工业用水量受到总量与效率的双重约束，黄河流域高耗水行业用水量占比超过80%，工业用水供需结构和空间失衡的矛盾在重大区域战略实施过程中更加凸显。因此，在黄河流域水资源紧缺现状与工业快速发展的严峻形势下，如何从增加经济效益和减少环境污染两方面来提高工业用水效率是亟待解决的问题。

目前关于全国和区域工业用水效率问题的研究已有不少成果，大多集中在效率值的计算［1－2］、效率的空间差异以及影响因素［3－4］等方面。从已有研究成果看，区域水资源禀赋和工业发展水平的差异是工业用水效率空间差异的重要原因［5］，且在不同区域尺度上得到广泛验证［6－7］，然而，如何指导地区工业高效用水或如何因地制宜改进工业用水效率的研究则稍显不足。地区的主体功能各异决定了工业用水效率的影响因素及影响程度必定存在差异［8］，忽视差异或将导致研究结果存在偏差［9］。因此，工业用水效率影响因素的空间差异性研究显得尤为必要。为明确黄河流域各地级市工业用水效率的主导因素，本研究将工业用水效率各影响因素按照回归系数进行空间差异性分析，以期有针对性地提出各地区提升工业用水效率的对策，并为水资源配置、产业布局调整、产业结构优化等提供参考。

2 黄河流域工业用水效率时空演变特征分析

数据包络分析（DEA）模型法以评价单元投入产出的比率来表征相对效率值，是较为主流的效率评价方法。本文应用DEA理论，基于用水的期望输出和非期望输出（污水排放）双重视角选择评价指标，利用Super－SBM模型计算2005年、2010年、2015年和2019年黄河流域的工业用水效率。投入指标主要包括水资源投入量、资本和劳动力投入量，产出指标主要包括经济产出（考虑环境影响的研究则需加入污染物的排放等指标）。输入指标包括工业用水量、工业从业人数和工业固定资产投资总额，输出指标包括工业增加值、工业废水排放量、工业COD排放量、工业氨氮排放量、研发占比。其中：各部门用水量数据分别来源于各省（区）相应年份的水资源公报；以按三次产业划分的就业人数表征劳动力投入，以固定投资总额表征资本投入，相关数据均来自于各省（区）相关统计年鉴、《中国城市统计年鉴》《中国区域经济统计年鉴》《中国环境统计年鉴》、Wind数据库以及各地区不同年份的社会经济发展公报等。

（1）黄河流域工业用水效率处于中等水平。利用自然断点法，将各地级市工业用水效率分为低等水平（小于0.6）、中等水平（0.6和1.0之间）和高等水平（大于1.0）。2000—2019年流域用水效率平均值为0.758，上游的用水效率高于中下游的用水效率。从省际层面上看，黄河流域工业用水效率具有明显的空间差异性，2019年流域各省（区）用水效率较高的为宁夏、内蒙古和山东，较低的为山西、甘肃和河南。从市级层面上看，68个地级市的工业用水效率平均值为0.559，且空间差异显著，高效率中心有向下游转移的趋势（见图1）。

图1 黄河流域各地级市典型年份用水效率分布

（2）黄河下游地区工业用水效率总体不高，部分地级市的工业用水效率处于低等水平，说明黄河流域工业化进程中兼有水资源浪费与水环境污染情况，工业用水效率有较大提升空间。2005年各地级市用水效率平均值为0.448，总体上处于低效率水平。其中：用水效率为高等水平的地级市共有11个，占总数的15.94%；上游地区的青海大部分地级市用水效率较高，特殊的地理环境决定了其规模化工业生产受限，生态环境的破坏较小，工业用水效率较高；下游的山东具有较好的工业结构基础和较高的经济技术水平，在一定投入条件下能获得较高的产出；用水效率为中等水平的地级市共有8个，占总数的11.60%；低等水平的地级市主要分布在中上游地区，占总数的72.46%。这些地区有大量煤化工、电力、钢铁等重工业高耗水产业，水资源超载现象严重，同时部分企业用水粗放、工业废水排放量大，工业用水效率低下。

2019年，黄河流域各地级市的工业用水效率水平整体有所提升，平均值为0.606，较2005年提高了26.01%。其中：用水效率为高等水平的地级市数量增加了27.27%，中等水平的地级市数量增加了46.7%，而低等水平的地级市数量减少了22.0%。从工业用水效率的等级变化情况看：6个地级市等级提升，主要位于中游地区的甘陕等地；渭南、洛阳等地级市的汽车、航空、电子信息等新兴非能源产业增长迅速；焦作、黄南州等地级市的工业规模小，近年来在传统产业的升级改造和落后产能淘汰方面力度有所加大，推动了用水效率的提高；位于下游地区的东营、德州、聊城、滨州、菏泽5个地级市的等级降低，这些地级市新旧动能转换的压力较大，工业产出的增速放缓、工业废水排放量显著增加，对工业用水效率产生不利影响。

3 黄河流域工业用水效率影响因素分析

3.1 工业用水效率影响因素

结合已有研究［10］，本文从水资源禀赋、经济发展水平、工业产业结构、工业用水结构、城镇化进程、科学技术和环境污染等方面，选取水资源总量、人均GDP、工业增加值占比、工业用水占比、城镇化率、研发经费占比、工业废水排放量、工业用水重复利用率等指标，分析各地级市工业用水效率的影响因素。首先通过共线性诊断分析（见表1），得出方差膨胀因子（VIF）最大的两个变量（总人口、GDP）；其余指标VIF的平均值为3.16（＜10），满足回归分析基本要求。

表1 最小二乘法模型估计结果

3.2 GWR模型回归分析结果

为分析不同自然条件和社会条件影响下工业用水效率的空间差异，运用地理加权回归（GWR）模型对黄河流域各地级市工业用水效率影响因素的空间异质性进行探究。将通过显著性检验的影响因素作为自变量，构建GWR模型，根据模型的运算结果可得出每个地级市各指标的回归系数，通过分析各回归系数的差异性，可以揭示不同地级市各个指标的影响程度（大或小）和作用方向（正或负）。各地级市的拟合优度R2为0.62～0.84，可见本文选择的6个指标对各地级市工业用水效率的综合解释力较强。回归系数表现出正、负两种不同效应且大小不同，说明影响因素具有显著的空间异质性。从GWR各指标回归系数绝对值的平均值来看，人均GDP对工业用水效率的影响最大，其他依次为研发经费占比、工业用水重复利用率、工业增加值占比、工业用水量占比、水资源总量（见表2）。GWR模型各影响因素回归系数空间分布见图2。

图2 GWR模型各影响因素回归系数空间分布

表2 GWR模型运算结果

（1）水资源总量与工业用水效率负相关。水资源总量的GWR回归系数均为负值，表明水资源越丰富的地区工业用水效率反而越低。从回归系数的空间分布看，高值区主要分布在青海、宁夏的大部分地级市，低值区分布在黄河中下游交界处以及下游入海口区域。这与前人的研究结论相符，丰富的水资源使取水容易、用水成本低，易造成水资源浪费，降低工业用水效率。另外，水资源价格也在一定程度上影响工业用水效率。2019年甘肃内陆河人均用水量高达1 483 m3（而北京仅为114.21 m3），用水价格仅为北京的48%，表明水资源越丰富、水价越低，越容易造成水资源浪费。因此，引入差异化的水资源价格市场机制［11］，能够引导工业节约用水、提升用水效率。

（2）研发经费占比与工业用水效率总体正相关。研发经费占比对83.58%的城市工业用水效率具有正相关效应，这表明研发投入对工业用水效率提升有促进作用。从回归系数的空间分布看，高值区主要分布在呼包鄂榆地区、太原都市圈等地，这些地区虽属于资源型城市和全国老工业基地，但生产工艺先进，其中榆林、吕梁万元工业增加值用水量远低于全国41.3 m3的平均水平。可见，研发投入加大总体上有利于促进技术进步和创新水平提高，以更少的投入获得更多期望产出［12］。然而，研发投入会受到投入成本与产出不相匹配、转化不足或滞后效应等影响［13，15－16］。

（3）人均GDP与工业用水效率总体负相关。人均GDP的GWR回归系数有正有负，但从整体来看表现为负相关关系，这与前人［14，17－18］研究结论一致。人均GDP回归系数的负向影响高值区主要为能源化工分布区，如宁东地区、呼包鄂榆等地，这些地区能源产品生产工艺、用水水平已经属于全国乃至国际较高水平，用水效率的提升空间不大，造成人均GDP越大而工业用水效率提升不显著的结果；人均GDP回归系数的正向影响高值区主要为黄河下游地区，如郑州、济南都市圈，这些沿岸地区经济发展水平较高、工业规模趋于稳定、工业发展模式更加优化，水资源浪费较小。这也证实了在稳定的工业用水水平下，合理的工业结构能够显著提高工业用水效率。

（4）工业用水量占比与工业用水效率负相关。工业用水占比的GWR回归系数与普通最小二乘法（OLS）回归系数一致为负，表明工业用水占比越高的地区，工业用水效率越低。在工业产出一定的条件下，水资源投入量越少，表示工业用水效率越高。高值区主要位于兰州－西宁城市群，其工业发展主要以高耗水的重化工业为主，工业用水工艺及用水水平等与发达地区存在一定差距，工业用水效率低下。针对此类地区，应严格控制高耗水产业发展，实施水资源总量和强度双控行动［18］，加大节水力度。

（5）工业增加值占比与工业用水效率正相关。工业增加值占比的提高对黄河流域工业用水效率表现为正向作用，回归系数的高值区位于银川、兰州、西宁等上游地区，低值区位于西安、郑州、洛阳等中下游地区。在高耗水行业较为集中的地区，提升工业增加值占比并不影响用水效率。这在一定程度上体现了在促进经济社会发展全面绿色转型的背景下，工业用水效率不断提升。随着工业现代化程度不断提升，相同产出条件下水资源的消耗不断减少，工业用水效率不断提高。因此，优化工业产业结构，适度压缩高耗水、高废水的初级产品制造业［19］，加大产业结构绿色转型力度，能够增加产品附加值和竞争力，有效提升水资源效率［20］。

（6）工业用水重复利用率与工业用水效率正相关。提高工业用水重复利用率，可以减少工业用水量的投入，从而提升用水效率。从回归系数的空间分布看，山东各地级市、郑州都市圈等低值区废水排放量较多，中水回用率低［21］；高值区主要集中在兰州－西宁城市群，废水排放量相对较少，表明提高工业用水重复利用率对工业用水效率具有提升作用，且在废水排放量少的地区更为显著。2019年流域各地区平均重复用水率为66.67%，尚有较大提升潜力。在新发展理念下，未来应转变粗放用水模式，挖掘工业重复用水潜力与空间，对能源重化工基地进行生态绿色化改造，科学发展循环型工业，提高工业用水效率［22］。

3.3 工业用水效率的区域类型划分与提升策略

3.3.1 工业用水效率的区域类型划分

从上文的工业用水效率影响因素回归系数分析结果可以看出：水资源总量、工业用水量占比、工业增加值占比、工业用水重复利用率这4个指标的作用方向是同向的，但存在程度上的差异；人均GDP和研发经费占比2个指标的作用方向在不同区域表现出有正有负的显著差异。为进一步因地制宜提出工业用水效率提升策略，在不同地级市的影响因素回归系数具有区域差异性的基础上，引入产业结构合理化指数（即第二产业增加值与第三产业增加值的比值）［23］，作为表征生产效率提升和产业高质量发展的关键指标，对各地区的发展水平、产业结构、工业废水排放与用水效率进行叠加聚类分析，分类分区提出流域工业用水效率提升路径，以增强水资源可持续利用的能力，更好地为地区经济高质量发展提供保障。鉴于黄河流域部分地级市工业用水重复利用率指标统计数据不完整，缺乏该项数据的地级市选取废水排放量这一指标进行分析。据此进行的黄河流域各地级市用水效率水平类型划分见表3。

表3 黄河流域各地级市用水效率水平类型划分

3.3.2 不同类型区工业用水效率的提升策略

对工业用水效率低等水平的地区而言，水资源缺乏地区（如乌海、银川、铜川、白银、兰州等）应鼓励发展水资源集约型产业，优化产业结构，加强水权交易市场建设，通过市场竞争的方式促进产业结构优化升级，提升水资源利用效率；水资源较丰富的地区应实施水资源可持续利用战略，严格水资源保护与监管制度，提升水资源可持续利用和保障能力［24］。

工业用水效率中等水平的地区大多工业废水排放处于中－高水平，应以降低排放水平为主要目标。对于工业废水排放量较大的工业集聚区［15］，可推行集约化生产方式，通过加大对工业废水处理设施的投入，提高工业用水的重复利用率，中长期要推动技术进步或设备更新来实现工业节水。

工业用水效率高等水平的地区仍具有提高用水效率的潜力。产业结构较为合理的地区（如吕梁、鹤壁、海南州等）属于中低排放水平，未来应加大落后产能淘汰力度，提高能源重化工和装备制造业清洁生产水平，大力发展循环经济，提升水资源利用效率；产业结构不太合理的地区（如青海部分地级市（州）、宁夏中卫以及陕西宝鸡等地），应严格执行区域环境容量和浓度管控，倒逼地区煤炭、煤电、钢铁、化工发展规模控制以及矿山开采、有色金属冶炼等高污染、高耗能项目的转型，促进传统工业逐步向战略性新兴产业转变［25］，稳定提升服务业的发展层次和水平，促进现有大型企业的优化整合［26］。

4 结 语

本研究通过Super－SBM模型测算了黄河流域9个省（区）2005—2019年的工业用水效率，结果表明黄河流域工业用水效率整体偏低，高效率中心总体上呈现由西向东转移的趋势。中上游地区部分地级市效率有上升趋势，下游地区地级市则效率等级明显下降。新兴非能源产业增长迅速、传统产业改造升级和落后产能淘汰，有效提升了区域绿色发展能力，推动了地区工业用水效率的提升。人均GDP对工业用水效率的影响最大，其他因素依次为研发经费占比、工业用水重复利用率、工业增加值占比、工业用水量占比、水资源总量。其中：水资源总量、工业用水量占比、工业增加值占比和工业用水重复利用率的影响作用是正向的，但存在程度上的差异；人均GDP和研发经费占比两个指标的影响作用有正有负。

对提升工业用水效率的建议：①延长能源资源类产业链条，调整优化高耗水性产业的结构布局，因地制宜发展新材料、电子信息技术等新兴产业，使水资源供需空间均衡协调；②推进水权水市场建设，开展水权交易试点，通过市场竞争机制和市场监管手段，实现水权跨行业有序合理流动，缓解水资源压力；③实施行业用水定额和用水指标刚性约束，合理确定黄河流域不同区域行业用水量控制指标，确保人口规模、经济结构、产业布局与水资源水环境承载能力相适应；④政府部门应结合节能减排和发展低碳经济的要求，实施分区域、分行业、分用户的节水技术资源有机整合，通过建设工业节水型园区、废污水集中处理、再生水统一调配等措施形成规模化节水；⑤加强用水计量管理和水资源税费管理，树立先进的取水用水理念。