黃河流域水資源利用效率測度與評價

張永凱，孫雪梅

(1.蘭州財經大學農林經濟管理學院，甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州財經大學經濟學院，甘肅 蘭州 730020)

黃河流域作為我國生態安全屏障、能源化工基地和重要經濟地帶，在國家生態環境建設和社會經濟發展中具有舉足輕重的地位[1]。隨著黃河流域生態保護和高質量發展上升成為國家戰略，該流域迎來了千載難逢的歷史機遇，國家將在該地區部署一系列重大項目，推動生態環境建設和高質量發展。然而，黃河流域生態環境極其脆弱，水資源嚴重短缺，水土流失嚴重，自然災害頻發，加之貧困人口分布集中，經濟社會發展相對滯后，扶貧攻堅任務十分艱巨，給該流域可持續發展提出了嚴峻挑戰。制約黃河流域發展的一個關鍵性問題就是“水”，水資源合理利用是黃河流域高質量發展的核心。因此，黃河流域經濟高質量發展需要水資源作為強有力的保障，并根據區域人口承載力和生態環境容量，合理利用有限的水資源，堅持“以水而定、量水而行”的基本原則，充分發揮水資源對黃河流域經濟社會可持續發展的有效支撐作用。

目前，我國關于水資源利用效率問題的研究較多，其研究尺度卻不盡相同。高媛媛等[2-3]對全國31個省(市、區)的水資源利用效率進行了測算，均認為北京、天津、山西用水效率高，寧夏、廣西用水效率低；張坤等[4]通過測算長江經濟帶11個省(市、區)的水資源利用效率，認為技術發展是其主要制約因素；鄭樂等[5]對寧夏5市工業用水進行測算后，對其所處現狀分別做出解釋；任玉芬等[6]通過對全國283個城市的水資源利用效率進行分析，發現全國62.2%的城市水資源利用效率變化趨勢不明顯。20世紀70年代末，國內學者陸續開始關注黃河流域水資源利用問題。劉善建[7]認為，我國的水資源利用水平落后于發達國家，應對水資源的開發利用做好規劃；張曉濤等[8]利用基尼系數分析黃河流域的經濟發展與水資源匹配關系，發現經濟發展水平與水資源利用量之間匹配較為合理，但水資源與生產要素之間的匹配狀況具有顯著差異；王猛飛等[9]利用同樣方法，發現基尼系數有緩慢減少的趨勢，說明黃河流域的水資源在區域間的合理配置起到良好效果；張慧等[10]利用熵權法測算黃河流域的農業水資源利用效率，結果發現利用效率低下；周帥等[11]運用Mann-Kendal與重標極差耦合的方法預測了黃河流域未來的水資源時空變化；左其亭等[12]針對黃河流域九省區構建了涵蓋水資源、生態環境、經濟社會3個準則層的評價指標體系，采用層次分析法和熵權法組合賦權的TOPSIS模型對九省區2002年、2007年、2012年、2017年的水資源承載力進行了綜合評價。

然而，對黃河流域水資源利用效率的研究相對較少，且側重于農業水資源利用效率，從微觀尺度上考察整個流域水資源利用效率的研究成果不足。鑒于此，在已有研究基礎上，本文基于地級行政單元的空間尺度，運用數據包絡分析法(data envelopment analysis, DEA)和Malmquist指數，測算黃河流域水資源利用效率，旨在為該區域人口、資源與環境經濟協調發展提供思路和借鑒。

1 研究區概況

黃河是我國的第二大河，發源于青藏高原的約古宗列盆地，最后注入渤海，干流河道全長 5 464 km，自西向東分別流經我國青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南和山東9個省區，整個流域面積約為752 443 km2(圖1)。本研究以黃河流域9省區中的68個地級行政單元(地級市、州、盟)為研究對象。

圖1 黃河流域概況

一般而言，黃河以內蒙古呼和浩特河口鎮與河南洛陽孟津縣為節點劃分上、中、下游，由于本研究以地級市為空間尺度進行分析，所以按上述地級行政單元所屬節點分別表述上、中、下游地區。黃河流域作為中華文明的重要發祥地，經濟發展早期主要以農業為主，上游河套平原、中游汾渭盆地以及下游引黃灌區都是其主要的農業生產基地。工業方面雖然起步較晚，但該流域擁有豐富的自然資源，為工業發展提供了良好的條件，是我國重要的能源化工基地。由于黃河地理位置的特殊性，黃河流域呈現“水少沙多、水沙異源”的特征，水量主要來自蘭州以上、秦嶺北麓，泥沙主要來自河口鎮至龍門區間與涇河、北洛河及渭河上游地區[13]。隨著區域經濟的發展，工農業生產對水資源的需求不斷增大，加之水資源的時空分布不均，導致水資源短缺成為黃河流域經濟發展的重要瓶頸。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選取2009—2017年黃河流域68個地級行政單元(市、自治州、盟)的相關統計數據，其中，固定資產投資額、農業用水、工業用水、生活用水、人口為投入指標；GDP、工業生產總值、農業生產總值為產出指標。勞動力本應采用就業人數，但鑒于數據缺失，因此用人口數乘以0.64(該標準參照2019年國家統計局勞動力人口計算)的指標替代。投入、產出指標數據均來自各省、市、自治州和盟的統計年鑒與水資源公報。鑒于數據可得性，各省份的統計口徑不一致，部分數據通過間接測算和取中值的方式加以處理。

2.2 研究方法

2.2.1DEA

(1)

2.2.2Malmquist指數

3 結果與分析

3.1 黃河流域水資源利用效率現狀分析

采用DEAP2.1軟件測算2017年黃河流域68個地級行政單元水資源配置效率(表1)，可見2017年黃河流域的水資源利用效率整體水平不高，綜合效率平均值僅為0.834，各區域的水資源綜合利用效率依次為上游(0.808)、中游(0.851)、下游(0.856)，上游地區低于全國平均水平，青海省海東的水資源綜合效率值最低，為0.408。綜合效率值達到DEA有效的地區有26個，即投入產出都達到了最優狀態，主要集中于中部和沿海地區，流經內蒙古境內的地級行政單元均為DEA有效。綜合效率的高低受技術因素和規模因素共同的影響，為便于了解不同影響因素的空間差異，分別從技術效率與規模效率角度進行分析。

從技術效率角度看，黃河流域平均值為0.867，高于綜合效率，有13.3%的提升空間。其中，有35個地級行政單元實現技術有效，即水資源之間的組合達到了最優。除去綜合效率值達到DEA有效的決策單元外，海南州、西安、銅川、晉城、運城、洛陽、濟寧、泰安、菏澤也實現了技術有效，這些城市主要位于中、下游地區。通過對黃河流域的上、中、下游進行比較發現，下游地區(0.894)技術效率最高，中游地區(0.888)和上游地區(0.833)次之。從規模效率角度看，除去綜合效率值達到DEA有效的決策單元外，大同和晉中的規模效率也保持不變，處于最優狀態。黃河流域的規模效率整體高于0.7，平均值為0.963，其中上游地區的規模效率最高，為0.968；其次為中游地區，為0.961；最后為下游地區，為0.959。在未實現規模有效的40個決策單元中，有18個決策單元規模效率遞減，表示投入過多，有必要減少投入來提高規模效率；有22個決策單元規模效率遞增，表示它們可以通過擴大生產規模、增加產出來進一步提高規模效率。

由此可見，黃河流域的技術效率與規模效率有明顯的空間差異。從表1看，上、中、下游的規模效率平均值均大于技術效率。通過縱向比較，上游地區規模效率高，技術效率低；下游地區技術效率高，規模效率低；中游地區的技術效率與規模效率均處于中等水平。這主要是由于下游地區經濟發展水平高于上、中游地區，技術設備相對先進，技術效率較高，但隨著下游地區生產規模不斷擴大，生產的各個方面難以得到有效協調，從而降低了規模效率。

表1 2017年黃河流域68個地級行政單元水資源配置效率

根據上述DEA有效性分析，對42個非DEA有效地區采取生產前沿面投影分析方法，從投入角度剖析非DEA有效地區未能達到DEA有效的原因。從投入角度看(表2)，西寧、海東、阿壩、天水、定西、臨夏、吳忠、安康、大同、晉中、忻州、臨汾、安陽、新鄉、濮陽、晉中存在投入冗余，主要集中在上、中游地區。要素的投入冗余率反映資源利用程度，投入冗余率為0，表示資源配置有效，資源得到充分利用；投入冗余率越大，表明資源利用效率越低，浪費越多。

表2 非DEA有效地區投入角度的投影分析

在農業用水方面，共有14個地區的農業水資源利用效率低，其中吳忠的投入冗余率為443.48%，說明這個地區在農業用水的過程中存在非常嚴重的浪費現象，需要加強對資源的整合來優化水資源利用效率；在工業用水方面，共有15個地區的利用效率低，濮陽的投入冗余率最高，為113.39%；在生活用水方面，共有15個地區的生活水資源利用效率低，其中阿壩(198.32%)、吳忠(97.80%)、安陽(244.76%)、新鄉(157.61%)的冗余率均超過了90%。由此可見，要素投入冗余大都集中在上述地區，提高水資源要素的利用效率，降低水資源浪費是解決問題的主要手段。42個非DEA有效地區中有27個地區投入冗余率為0，說明決策單元未達到DEA有效的原因是規模效率小于1，因此，提高規模效率是實現DEA有效的關鍵。

3.2 基于Malmquist指數的黃河流域水資源利用效率變化分析

為了從更長時間序列考察黃河流域水資源利用效率的變化情況，在水資源利用現狀的基礎上，運用DEAP2.1軟件，對2009—2017年黃河流域68個地級行政單元的面板數據進行Malmquist指數分析，測算出68個地級行政單元分年和分地區的全要素生產率(total factor productivity, TFP)指數，從而分析黃河流域水資源利用的年際變化情況。由表3可知，在2009—2017年，黃河流域水資源利用效率的總體平均水平為0.957，整個過程呈波動式變化，僅在2011—2013年出現上升，2012—2013年利用效率達到最高，TFP為1.146。從技術進步率的角度看，2009—2017年平均每年進步2.225%，波動趨勢與TFP相似。其中，2009—2010年水資源利用效率最低，TFP為0.831，只有技術進步率是負增長，小于1；2012—2013年技術進步率最高，為1.133，同期水資源利用效率也達到最高。由此可知，技術進步率的高低對TFP的影響較大。從技術效率的角度看，總體呈下降趨勢：先是在2010—2012年呈現遞減趨勢后呈小幅上升趨勢，又在2014—2016年呈現遞減趨勢，最后在2016—2017年達到1.011，較低于2009—2010年。由于技術效率可進一步分解為純技術效率指數和規模效率指數，所以其增減情況與技術效率類似。技術效率的高低決定了各生產要素能否被充分利用，技術效率的提高并未明顯帶動TFP的增長，其對TFP的影響較小，可見TFP的提高主要依賴于技術進步，技術進步是提高黃河流域水資源利用效率的關鍵因素。

表3 2009—2017年黃河流域TFP指數及分解

表4為2009—2017年黃河流域68個地級行政單元水資源TFP指數及分解結果，可見，在2009—2017年，我國黃河流域流經的68個地級行政單元中有50個地區水資源利用效率為負增長率。因此，受大部分地區的影響，黃河流域水資源的TFP為0.957，增長率為負。黃河流域水資源在上、中、下游的TFP均小于1，呈衰退趨勢，主要是因為我國水資源本身存在利用率低、浪費嚴重等問題。通過對比上、中、下游TFP可知，下游地區的水資源利用效率高于上、中游地區，也高于黃河流域的平均水平，中游地區水資源利用效率最低，存在較大提升空間。上游地區的水資源利用效率平均每年降低0.47%，上游地區地處我國中西部，經濟發展水平不高，技術進步率較低，再加之規模效率為負增長，水資源利用與配置之間的協調度還需進一步提高[16]。中游地區地處汾渭平原，水土流失嚴重，汾河、渭河、涑水河、清澗河存在持續重度污染，提高技術水平，改善水質是解決水資源利用效率低下的關鍵。其中，阿拉善地域廣闊，水資源分布不均，雖有較多湖泊河流流經阿拉善，但用水浪費嚴重，且用水結構不合理，對水資源未能實現優質優用[17-18]，所以阿拉善的水資源利用效率最低。下游地區的技術進步率在黃河流域最高，為0.969，技術效率為1.008，水資源利用效率平均每年降低0.26%，技術水平對其影響較大。然而，下游地區人口數量大體上是上游地區的兩倍，其人均水資源的擁有量和使用量遠小于上游地區，人多水少的矛盾相對突出，僅通過增強技術水平并不能有效提升水資源利用效率，需同時提高節水意識，促進水資源的重復利用。雖然西寧、海東、海西、臨夏、石嘴山、安康、臨汾、安陽、聊城、菏澤等地區技術進步率低，技術效率較高，致使TFP大于1，但是整體而言，黃河流域TFP為負增長，主要受技術進步率影響，因此提高技術水平是解決水資源利用效率低下問題的關鍵。

表4 黃河流域68個地級行政單元水資源TFP指數及分解

4 結 論

a.2017年黃河流域水資源利用效率達到DEA有效的地級行政單元有26個、非DEA有效的地級行政單元有42個；通過對42個非DEA有效行政單元的投入冗余測算，發現由于規模效率不高造成的有27個、技術效率低下造成的有15個。

b.通過對黃河流域進行分年份與分地區的TFP分解，發現在2009—2017年黃河流域的水資源利用效率呈“先上升、后下降、且波動大”的特點，且受技術進步率影響較大，水資源利用效率整體有所提升。

c.從流域來看，2009—2017年黃河流域水資源TFP指數的綜合平均值為0.957，其中，下游地區的水資源利用效率最高，TFP指數為0.977；上游和中游地區次之，TFP指數分別為0.958和0.948。