江蘇省生產用水利用效率分析

江麗麗，趙 敏

(1.河海大學水利經濟研究所，江蘇 南京 211100； 2.河海大學商學院，江蘇 南京 211100)

目前，水資源的利用狀況令人堪憂，資源短缺和時空分布失衡的先天不足，再加上水資源管理技術落后、公民節水意識差、水資源重復利用率不高等因素[1-3]，使得用水效率低下、浪費等現象頻繁發生。江蘇省雖客水資源豐富，但本省水資源卻有限，2017年人均水資源量為490.3 m3，僅占全國人均水資源總量的26.3%。作為經濟大省，江蘇省每年投入生產中的水資源達總用水量的90%以上，因此如何有效利用生產用水成為解決水危機和經濟持續發展的關鍵。本文利用三階段DEA法分析江蘇省近年來的生產用水利用效率，以為江蘇省的節水型社會建設和經濟可持續發展奠定基礎，也可以為其他省市地區提供借鑒。

1 研究現狀

水資源與經濟發展密不可分，縱觀全球，發達地區對于水資源的管理更為嚴苛，且更早開始對水資源利用效率的研究。到20世紀，發達國家對于水資源的系列研究已有了顯著的成果，認識到了水資源的稀缺性，預測在未來可能影響水資源儲量變化的因素主要有氣候、污染以及需求增加[4]等。面對日益減少的水資源，過度開發是不可取的，因此水資源管理成為迫在眉睫的任務[5]。Barki等[6]通過研究澳大利亞20世紀80年代開始的水改革運動發現：水資源可持續管理必須在生態環境保護和經濟發展中取得平衡，且生態環境對水資源可持續管理有重要的作用。

國內學者在近十幾年中也對水資源進行了大量研究，早期研究重點在水資源利用效率和經濟發展的關系上。研究發現：發達地區用水效率高于欠發達地區，并隨著社會經濟的發展，水資源利用效率也在穩步提高[7-9]。近幾年來，如何全面而深刻地評價水資源利用效率成為學者們關注的重心，單項指標衡量忽略了政策影響、社會制度、技術水平等因素，因此多指標體系的測度方法應運而生。高媛媛等[10]綜合考慮主客觀因素后，采用投影尋蹤和遺傳算法構建新的評價模型；宋國君等[11]則是運用正態分布函數建立國內地級市以上城市的水資源利用效率標桿，該標桿不僅詳細考慮影響水資源利用效率的客觀因素，也為中國城市水資源的科學化管理提供了依據。但測量水資源利用效率的最常用方法仍是數據包絡分析法(Data Envelopment Analysis，DEA)。數據包絡分析法是由Charnes等在1978年提出的一種評價生產效率的非參數方法。在運用DEA法研究時，大多基于面板數據確定生產前沿面，對水資源利用的相對有效性進行分析評價[12-13]，在一定程度上避免了主觀因素的影響，減少了誤差的產生。

綜合看來，有關水資源利用與經濟發展的關系、評價利用效率方法選用的研究成果已很豐富，但①測量利用效率的方法過于局限，指標選取單一，忽略了環境、隨機干擾和管理無效等影響因素；②研究對象較為固定，要么是全國范圍或某一流域的水資源利用效率，要么是單一產業用水效率的分析，如工業用水或農業用水[14]效率的分析，較少有整個經濟生產用水利用效率的研究。

本文采用隨機前沿生產函數和數據包絡分析法相結合的三階段DEA法測量江蘇省2010—2017年間生產用水的利用效率：①根據文獻搜索，首次采用三階段DEA法測量江蘇省生產用水利用效率；②剔除了總用水量中居民用水和生態用水，單獨評價生產用水利用效率可以更好地衡量江蘇水資源的經濟效益。

2 模型構建

2.1 三階段DEA法簡述

DEA法通過選取投入產出指標對生產效率進行綜合分析，不僅適用領域廣泛，而且不需要確定指標間的函數關系[3]，操作簡單。但傳統DEA法忽略了環境變量、管理無效率和隨機干擾項的影響，三階段DEA法在傳統方法的基礎上加入隨機前沿分析法(Stochastic Frontier Analysis，SFA)，用于剔除影響因素對用水效率的作用。本文從江蘇省生產用水投入產出方面研究水資源的利用效率，采用三階段DEA法，摒棄其他影響因素，可以得到更加合理、科學的結果。

2.2 指標選取

根據江蘇省生產用水的實際情況和相關參考文獻[15-17]，投入、產出指標和環境變量的選取見表1。

表1 評價指標

a. 生產用水量。通過表2可以看到用水量分為三類：居民用水、生態用水和生產用水，其中生產用水占總用水量的90%以上，生產用水的利用效率一定程度上決定江蘇省水資源的利用效率，且最終讓水資源轉化為經濟效益的為生產用水部分，所以選取生產用水量作為投入指標之一。

表2 江蘇省各類用水量

注：數據來源于2010—2017年《江蘇省水資源公報》

b. 勞動力。人作為水資源的使用者和管理者，與水資源利用效率息息相關，選取從事三大產業的從業人員來反映勞動力對于生產用水利用效率的影響。

c. 產業部門固定資產投入。生產活動成果的獲得離不開人和物兩大基本要素，在水資源利用過程中的物既可以說是水資源本身，又可以說是為利用水資源而提供的技術、資金等支持。水資源本身指的是生產用水量，技術資金的支持就選用三大產業部門的固定資產投入來衡量。

d. 地區生產總值。水資源的利用除了滿足人們基本生活需求外，最主要的是帶來經濟的發展和效益的獲取。經濟效益最直接的反映數據為生產總值，因此選取江蘇省地區生產總值(Gross Domestic Product，GDP)作為水資源利用效率的產出指標。

e. 年降水量。在生產用水的利用過程中不可避免地會受到自然、社會、制度等一系列因素的影響，降水量屬于其中一個易測量的自然因素。地區的降水量將改變水資源儲量，從而影響水資源的供給，且對于生產用水中第一產業的用水量產生直接作用。

f. 水功能區達標率。水功能區是人類根據水資源的自然情況以及對它開發利用的狀況劃分的不同級別的水域。水功能區主要分為5類，生產用水主要集中在最低的兩個級別。達標率是指達到對應水質標準的水功能區數量占所有水功能區的比例。水功能區達標率一定程度上代表一個地區水資源可以使用的比例，也反映出該地區的水質情況。考慮到生態環境對于生產用水效率的影響，因此選取水功能區達標率作為其中一個環境變量。

g. 人均水資源擁有量。人均水資源擁有量不僅反映一個地區水資源量的豐富與否，也會在一定程度上影響居民對水資源保護的理念和用水行為。人均水資源擁有量高的地區，居民對于水資源的獲取毫不費力，用水易造成浪費，從而影響水的利用效率。

本文數據來源于《江蘇省水資源公報》和《江蘇省統計年鑒》，由于公報中的數據最早為2010年，鑒于數據的一致性和準確性，選用2010—2017年的數據研究江蘇省水資源利用效率。

2.3 三階段DEA模型構建

2.3.1第一階段DEA模型

選擇投入導向的BCC模型。在該模型中，綜合技術效率(Technical Efficiency，TE)=規模效率(Scale Efficiency，SE)×純技術效率(Pure Technical Efficiency，PTE)，具體模型表達如下：有i個決策單元，每年有m個投入和s個產出，則第i個決策單元的投入X和產出Y分別表示為

Xi=(X1i,X2i,…,Xmi)T
Yi=(Y1i,Y2i,…,Ysi)T

(1)

其中：Xi,Yi>0,i=1,2,…,8,m=3,s=1。

BCC模型的表達式為

(2)

式中:s-為投入的松弛值；s+為產出的松弛值；θ為效率指數，當θ=1、且s-=s+=0時，表明第i個單元有效，當0<θ<1時，表明該單元無效，投入需要減少s-或者產出增加s+。

2.3.2第二階段SFA回歸

在使用DEA法時，決策單元不可避免地會受到環境變量和管理無效率等因素的影響，所以第二階段借用SFA回歸剔除這些影響因素，調整投入變量。SFA回歸模型如下：

sni=f(Zi,βn)+νni+μni(i=1,2,…,8;n=1,2,3)

(3)

對投入的松弛值和環境變量進行SFA回歸，用回歸分析得到的參數值調整原始投入：

(4)

2.3.3第三階段DEA模型

(5)

3 結果分析

3.1 第一階段DEA模型效率分析

根據三階段DEA法對江蘇省2010—2017年間相關數據進行處理，第一階段運用DEAP2.1軟件，得到各類效率值見表3和圖1。

目前對于生產用水的研究已具體到不同產業，但通過表2可以發現，不同產業用水量占總生產用水量比例不一，如第一產業占比約60%，第三產業占比不足5%，單純分析三類生產用水均不能充分代表生產用水給江蘇省帶來的經濟效益。分析圖1可見：三類生產用水的效率與總生產用水效率變化趨勢相同，效率值在2010—2015年間逐年下降，在2015年后逐年上升直至有效狀態即綜合效率值為1。因此選用生產用水總量評價江蘇省生產用水利用效率，既能充分衡量生產用水帶來的經濟效益，又能在一定程度上反映三類生產用水的利用效率。

圖1 生產用水綜合效率

年份綜合效率值純技術效率值規模效率值規模報酬2010111-2011111-20120.9610.9990.962irs20130.97410.974irs20140.9470.9990.948irs20150.94210.942irs20160.96210.962irs2017111-平均值0.97310.974

注：-為規模報酬達到最佳，irs為規模報酬遞增

從表3可以看出：

a. 2010—2017年間DEA有效的是2010、2011以及2017年，這3年間技術和規模都有效，表明生產用水的投入產出組合達到最佳。其余5年為非DEA有效，其中有4年的綜合效率低于平均值0.973。非DEA有效是由于江蘇在“十二五”規劃期間為區域協調發展，組織實施重大工程，促進農業現代化、規模化，生產用水在基礎建設和農業上的投入還未帶來實際的經濟效益，從而影響生產用水利用效率。

b. 從純技術層面上來看，2012年和2014年技術無效，在生產用水使用過程中，目前的技術并不能合理利用資源，需要改進技術以提高純技術效率。其余6年技術有效，表明在當年的技術水平下，水資源投入得到充分利用，組合達到最佳狀態。

c. 從規模有效性上來看，2010年、2011年、2017年3年規模有效，規模報酬也達到最佳。2012—2016年的規模無效，但規模報酬處于遞增狀態，說明這5年的規模無效是因為投入不足，加大投入即可提高規模效率。

3.2 第二階段SFA回歸分析

3.2.1松弛變量分析

第一階段分析得出并非所有年份均為DEA有效，導致這一現象可能的原因為投入存在冗余或產出不足，可以通過改變投入或產出提高生產用水效率值。松弛變量即為指標變量可以改善的額度。

分析表4可見：投入存在冗余的為2012年和2014年。2012年江蘇省處于“十二五”規劃實施的關鍵時期，現代化基礎設施的建設和城鄉發展一體化的進程都離不開生產用水、勞動力以及產業部門固定資產投入，大量資源的投入再加上技術水平的限制從而造成生產用水方面的投入冗余。2014年江蘇省首批水生態文明城市試點得到批復并開始實施，用水量得到有效控制，但在城市建設過程中加大了對人力和資金的投入，從而產生大量剩余。水生態文明城市的建設重視水資源帶來的生態效益，一定程度上影響經濟效益，使得2014年的地區生產總值較目標值減少1 118.047億元。在生產用水使用過程中，應更加注重資源的合理配置，避免投入冗余和產出不足的情況出現。

表4 松弛變量

注：s-=原始值-目標值；s+=目標值-原始值

3.2.2SFA回歸分析

利用軟件Frontier 4.1對環境變量和投入的松弛變量進行SFA回歸，并代入第二階段公式調整原始投入，獲得全新的投入值。

從表5可以看到：在剔除環境變量、管理無效率以及隨機干擾的影響后，三類投入值均發生不同幅度的變化，其中2013年的生產用水量和2014年的勞動力、產業部門固定資產投入不受環境變量的影響，均無變動。生產用水量的漲幅在2014年以前均不超過2.2億m3，但2015年以后漲幅加大，其中2016年變動最大，差值占原始投入的2%，表明生產用水量從2015年開始更容易受到環境變量等因素的影響。勞動力投入的變動均在2.8萬人以下，各類因素對其影響不大。產業部門固定資產投入變動值看似最大，但變動值最大一年僅占原始投入的0.09%。上述數據分析表明，年降水量、水功能區達標率以及人均水資源擁有量這些環境變量在不同程度上影響生產用水的供給量和使用量，而勞動力和產業部門固定資產投入的影響較小。

表6 第一、三階段效率值及其變化

3.3 第三階段DEA效率分析

運用軟件DEAP2.1對調整后的投入及產出進行處理運算，得到新效率值，且與第一階段的效率進行比較。

從表6可以看出：

a. 綜合效率平均值較第一階段提高0.003，綜合效率在2012—2015年均有所提高，僅2016年下降0.001。綜合效率的提高是因為投入產出經過調整，資源組合得到優化；由于綜合技術效率=規模效率×純技術效率，所以2016年效率值的降低是同年的規模效率下降導致的。

b. 純技術效率值在2014年提高0.001，使得技術達到有效狀態，表明調整過后的投入產出在當年的技術水平下得到充分利用。投入產出優化調整后，7年的純技術效率為1，但2012年技術效率仍未達到有效，說明生產用水的使用技術存在問題，未能有效利用資源。

c. 規模效率在2013—2015年有所提高，并帶動平均值提高0.002，2016年效率值下降0.001。規模報酬在最佳或者遞增狀態下，投入的增加勢必會帶來規模效率的提高，而2016年卻出現下降的情況。綜合表5中投入的調整情況，筆者認為是生產用水量增加過多，勞動力和產業部門固定資產投入未達到相應比例，造成規模效率的下降。

由圖2可以更直觀地看出：通過對環境等因素的考量，調整投入產出后，生產用水的利用效率比之前第一階段有所提高，但整體利用效率趨勢相同；2011—2015年間綜合效率下降明顯，2015年為近年來效率的最低值，但2015年后效率值逐年上升。2011—2015年，江蘇省處于大力發展工業以拉動經濟增長階段，水資源用量大、污染嚴重，造成利用效率偏低的情況。2015年后，江蘇省進入“十三五”規劃時期，產業結構升級調整，“低耗水”的服務業占比超過48%，并不斷堅持生態文明城市的建設，使得水資源的利用效率得到整體提升。

圖2 第一、三階段綜合效率

4 提高江蘇省生產用水利用效率的建議

a. 擴大資源供給量，優化資源配置。結合表5與表6，對比2016年江蘇省生產用水利用效率在第三階段的下降與2014年的上升，可以發現2014年的投入僅生產用水量增加1.46億m3，2016年的投入每項均有變動且變動幅度很大，生產用水量的增加為歷年之最，資源配置的不合理導致利用效率的下降。對此可以通過調整資源供給量、優化資源配置以改善生產用水利用效率。①適當擴大水資源供給量。水資源總量有限，提高供給量主要是利用再生水和改善未達標水功能區的水質，提高可利用的水資源比例。②提供更多的資金支持，一方面用于水資源供給配套設施設備的完善，另一方面用于管理及使用過程中的技術升級，提高水的重復使用效率。通過提供合理的水資源供給量和資金，優化資源組合，提高利用效率。

b. 調整產業結構，扶持低耗水產業發展。江蘇省“十二五”期間大力發展高耗水產業帶來2011—2015年整體利用效率的下降，因此調整產業結構，扶持低耗水產業發展成為提高生產用水利用效率的另一途徑。不可淘汰的高耗水產業通過改善節水技術，加強環保意識，從而減少水資源利用量并減輕水污染。

c. 加強對水資源的保護，嚴格控制廢水排放。通過表6分析得知環境變量會對生產用水的利用效率產生影響，環境變量中年降水量和人均水資源擁有量不可控，唯有水功能區達標率是可控的。江蘇省水功能區達標率在2015年前均在60%以內，2016和2017年的達標率達70%以上，在一定程度上提高了生產用水利用效率。因此通過加強對水資源的保護和對水污染情況的監督，嚴格控制污水、廢水的排放，提高水功能區達標率，擴大水資源可利用的范圍和比例，從而改善生產用水的利用效率。