中國城鎮水資源利用效率測度及空間格局

摘要：構建基于方向距離函數的水資源系統混合網絡DEA模型，測算中國城鎮水資源利用整體效率、用水階段效率和污水處理階段效率，并通過Moran’s I指數研究其空間格局。結果表明，2008—2017年，中國城鎮水資源利用整體效率偏低，不同地區間的水資源利用效率差異明顯；用水階段效率普遍高于污水處理階段效率，二者均表現出上升趨勢；城鎮水資源利用整體效率存在較顯著的空間相關性，空間集聚現象呈先下降后增強的趨勢。

關鍵詞：城鎮用水；水資源利用效率；網絡結構；數據包絡分析；空間格局

中圖分類號：F323.213" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）07-0024-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.07.005 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The DEA model of the hybrid network structure of the water resources system based on the direction distance function was constructed to measure the overall efficiency， water use stage and sewage treatment stage efficiency of urban water resource utilization" "in China， and the spatial pattern was studied by Moran’s I index. The results showed that， from 2008 to 2017， the overall efficiency of urban water resources utilization was low and the level of water resources utilization efficiency varied significantly between regions. The efficiency of the water use stage was generally higher than that of the sewage treatment stage， both of them showed an upward trend. There was a significant spatial correlation between the overall efficiency of urban water resource utilization， and the phenomenon of spatial agglomeration presented a trend of first declining and then increasing.

Key words： urban water use； water resource utilization efficiency； network structure； data envelopment analysis； spatial pattern

隨著中國工業化與城鎮化的快速推進，水資源短缺和水環境污染問題成為制約中國經濟社會可持續發展的瓶頸［1］。2020年，全國水資源總量為31 605.2億m3，但人均水資源量僅為2 994 m3/人［2］，略高于中度缺水線（2 000 m3/人）。在全國水資源總量中，北方6區水資源總量為6 645.0億m3，南方4區水資源總量為24 960.2億m3，水資源分布不均衡［2］。中國污水年排放量持續增加，2019年中國城市污水排放量為554.65億m3，相比于2010年的378.70億m3，增長了46.46%，水資源污染問題使水資源短缺矛盾日益突出。提高水資源利用及污水處理效率是緩解水資源短缺矛盾的重要途徑，科學測算中國各省水資源利用效率具有重要意義。

水資源效率研究可為中國相關政策的制定起到指導和參考作用。國內外學者對水資源效率的評價方法和評價指標進行了相關研究，并取得了一定的成果。在評價方法方面，常見方法包括比值分析法［3］、松弛變量法［4-6］、隨機前沿法［7，8］、數據包絡分析法［9-11］等。其中，數據包絡分析法（DEA）有無需事先確定函數關系、非主觀賦權以及可分析決策單元的無效因素等諸多優點，是評價多投入多產出決策單元效率的有效方法，成為評價相對效率的主流技術工具之一［12］。馬海良等［13］選取基于投入導向的DEA模型并結合Malmquist指數測算出各省全要素水資源利用效率。俞雅乖等［14］運用超效率DEA-Tobit兩階段模型將人均地區生產總值作為水資源效率評價中的產出指標對水資源效率進行評價。楊騫等［15］運用DEA構建非徑向性的方向距離函數，釆用全要素水資源效率的測算方法對污染物排放約束下中國各省份和區域的農業水資源效率進行測算。然而，這些運用DEA模型測算用水效率的方法僅能計算出水資源初次使用時的效率。考慮分階段測算水資源利用效率的研究不斷涌現。Bian等［16］將水資源利用系統細分為初次用水階段和污水處理階段，并據此建立了兩階段DEA模型來測度用水效率、污水處理效率和水資源系統的整體利用效率。張國基等［1］構建基于水資源系統混合網絡結構的DEA模型，分初次用水和污水處理2個階段、工業和生活2個部門測算出水資源綜合利用效率。為分析水資源系統的真實利用情況，本研究采用包括用水階段和污水處理階段的水資源系統模型。

在評價指標方面，水資源利用效率的測度通常以用水量、勞動力和資本作為投入指標，以GDP作為產出指標［17］，以環境污染等為非期望產出。孫才志等［18］將灰色水足跡作為非期望產出通過數據包絡分析方法測算出水資源全局環境技術效率，并與未考慮非期望產出的數據包絡分析方法測算出的水資源技術效率進行了對比。張峰等［19］將工業廢水排放量作為非期望產出，利用引入松弛變量的方向距離函數構建了工業綠色全要素水資源效率測算模型。對此，本研究選取城鎮污水排放量作為用水階段的非期望產出指標和污水處理階段的投入指標，以測算更為精確的水資源利用效率。

綜合以上，本研究以污水排放量為中間變量，作為用水階段的非期望產出和污水處理階段的投入，構建基于方向距離函數的水資源系統混合網絡結構DEA模型來測算城鎮水資源系統2個階段的效率和水資源利用整體效率，再運用空間自相關方法揭示區域城鎮水資源利用整體效率的空間格局，最后為中國城鎮水資源高效利用政策制定提供建議，以期促進各省份城鎮水資源利用效率的協同提升。

1 模型構建

1.1 2個階段水資源利用系統與方向距離函數模型

考慮到城鎮水資源利用系統中用水階段和污水處理階段的關聯性與相互制約性，本研究將這2個階段看作城鎮水資源利用系統中串聯的2個子系統（圖1）。

在用水階段，人均GDP為期望產出，污水排放量為非期望產出。為了治理用水階段造成的水污染，在污水處理階段，通過治理性的投資和勞動力投入降低污水的排放量，使城鎮水資源利用系統成為一個環境友好的系統。

式中，I*為局部自相關指數；其他變量含義同模型（4）。根據局部 Moran’s I 指數的正負和大小可以判斷空間單元的集聚特征。其中，高-高集聚區域類型為水資源利用整體效率高值空間關聯區，表示水資源利用整體效率較高的單元被水資源利用整體效率較高的鄰近單元包圍；低-低集聚區域類型為水資源利用整體效率低值空間關聯區，表示水資源利用整體效率較低的單元被水資源利用整體效率較低的鄰近單元包圍；高-低集聚區域類型為水資源利用整體效率高-低值空間關聯區，表示水資源利用整體效率較高的單元被水資源利用整體效率較低的鄰近單元包圍；低-高集聚區域類型為水資源利用整體效率低-高空間關聯區，表示水資源利用整體效率較低的單元被水資源利用整體效率較高的鄰近單元包圍；另外，高-高和低-低集聚區域類型為正的空間自相關，低-高和高-低集聚區域類型為負的空間自相關。

1.3 指標選取與數據來源

由于中國2018—2019年的城鎮固定資產投資的數據尚未公布，考慮到數據的可得性，本研究選取2008—2017年中國30個省級行政區（不包含港澳臺、西藏）的城鎮水資源系統投入與產出數據作為研究對象。在用水階段，選取城鎮用水量、城鎮就業人數（城鎮單位就業人數+城鎮私營企業就業人數+城鎮個體就業人數）、城鎮固定資產投資作為投入指標，選取人均GDP為期望產出指標。而城鎮污水排放量由于造成了環境污染，將作為用水階段的非期望產出指標。在污水處理階段，城鎮污水排放量作為中間變量，與污水處理廠數、生態保護和環境治理業從業人數、治理廢水完成投資一起作為投入指標，城鎮污水再生利用量和COD排放量作為產出指標。所有數據來源于《中國統計年鑒》《中國環境年鑒》等。

2 實證結果與分析

2.1 城鎮水資源利用效率測度

2.1.1 全國及各地區城鎮水資源利用整體效率 基于已構建的方向距離函數模型，計算出中國30個省（市、自治區）的城鎮水資源利用系統的整體和各階段的效率，結果見表1。從表1可以看出，從宏觀或整體上看，中國城鎮水資源利用整體效率均值為0.51，結果偏低。在30個省（市、自治區）的城鎮水資源利用整體效率中，有19個省（市、自治區）的均值低于0.50，占比為63.3%；僅有5個省（市）在研究期間水資源利用整體效率始終為1.00，即同時實現用水階段和污水處理階段均有效。這表明全國城鎮水資源利用整體效率處于較低水平，仍有較大程度的改進與提升空間。從時間趨勢上看，2008—2017年，城鎮水資源利用整體效率年均增長率為2.3%，總體呈上升趨勢，但進展緩慢。其中，2008—2014年，全國城鎮水資源利用整體效率呈較明顯的上升趨勢，然而在2014—2017年，城鎮水資源利用整體效率開始出現波動下降。這一水資源利用效率的變化特征與高甜等［21］的研究結果相符。中國城鎮水資源利用效率總體表現出發展向好的態勢，但也存在水資源利用不當從而導致利用效率下降的隱患，因此更需要注重城鎮水環境污染防治和生態治理，走可持續發展道路。

從各省（市、自治區）的城鎮水資源利用整體效率看，排名靠前的有北京市、天津市、上海市、廣東省、青海省。這些省（市）依據自身優勢，研究期間始終保持DEA有效。北京市、天津市、上海市、廣東省擁有較高的城鎮水資源利用整體效率，主要在于經濟實力雄厚，人均GDP水平高；資源配置合理、技術水平先進，從而能夠通過投入一定的水資源、固定資產和勞動力得到最大的期望產出并降低廢水排放量以減少非期望產出；同時由于這些地區的城鎮水污染相關管制政策的出臺與大力實施，使得在污水處理階段也能達到投入與產出相匹配，進而實現水資源利用整體效率的DEA有效。青海省作為三江發源地，被稱為“中華水塔”，人均水資源量豐富，同時，青海省始終將生態環境的保護與治理放在首位，從“十一五”時期開始大力發展循環經濟，經濟發展水平不斷提升，同時加強污染治理力度，生態保護成效良好，從而實現了城鎮水資源利用的高效。安徽省、廣西壯族自治區、河南省的城鎮水資源利用整體效率始終偏低，城鎮水資源利用整體效率均值分別為0.20、0.18、0.14。這與這些地區的經濟落后、人口密集導致人均GDP水平低，技術落后和政策重視度低導致城鎮污水排放量大有關，且這些地區的第二產業多處于工業化中期后半階段和工業化后期前半階段，第三產業發展相對滯后，工業污水的大量排放加劇了環境污染，致使城鎮水資源利用效率較低。

在各省（市、自治區）的城鎮水資源利用整體效率測度的基礎上，得出中國各地區的城鎮水資源利用整體效率，如圖2所示。從區域層面來看，東部、中部、西部、東北地區的水資源利用整體效率均值分別為0.70、0.28、0.52和0.31。東部地區城鎮水資源利用系統整體效率遙遙領先，其次是西部、東北地區，最后是中部地區。這一城鎮水資源利用整體效率的空間特征與楊騫等［22］的研究結果相一致。東部、中部、西部和東北地區的水資源利用整體效率均值的年均增長率分別為2.1%、4.9%、0.6%和5.7%，中部地區和東北地區增長較快，上升幅度明顯，而東部上升幅度較小，西部地區增長速度較低。全國城鎮水資源利用整體效率的絕大部分是由東部和西部地區的效率值構成，而全國整體效率的增長主要依靠中部和東北地區。

從圖2可以看出，在研究期間東部地區總體增長幅度較小，這與東部地區中北京市、天津市、上海市、廣東省等地多年城鎮水資源利用整體效率保持在前沿面有關，這些地區經濟發展水平高，擁有先進的技術水平，因此城鎮水資源利用效率較高。而同樣位于東部地區的河北省、浙江省和山東省，其城鎮水資源利用整體效率均不足0.5，體現出東部地區區域內效率差異明顯。國家應制定相關政策，以北京市、天津市、上海市、廣東省為中心，發揮輻射作用，帶動周邊省（市、自治區）城鎮水資源高效利用，從而促進東部地區的城鎮水資源利用效率的協同提升，為東部地區城鎮水資源利用整體效率的增長提供動力。中部、東北地區城鎮水資源利用整體效率均值雖處于較低水平，但是年均增長率較高，體現出中部地區和東北地區在分別實施中部崛起戰略和振興東北戰略注重經濟發展的同時對生態環境的重視程度也在持續增強，城鎮水資源利用整體效率不斷提升。西部地區城鎮水資源利用整體效率較高，呈先增長后下降的趨勢，年均增長率最低。“十一五”到“十三五”期間，中國著力推進西部大開發戰略，加快西部地區基礎設施工程建設，促進西部地區的產業發展，而西部地區生態環境脆弱，大部分地區水資源短缺矛盾仍然突出，因此政府要統籌規劃生態保護與經濟增長，因地制宜促進西部地區的發展。

2.1.2 全國及各地區城鎮水資源用水階段與污水處理階段效率 將中國城鎮水資源利用系統分為用水階段和污水處理階段2個子系統，全國及各地區各階段城鎮水資源利用效率如圖3和圖4所示。東部、中部、西部和東北地區的城鎮水資源用水階段的效率均值分別為0.74、0.28、0.59和0.37，污水處理階段的效率均值分別為0.65、0.27、0.45和0.25，各地區不同階段的效率均值的差異較明顯。中國各地區城鎮水資源用水階段效率大部分都高于污水處理階段效率，表明中國城鎮水資源利用整體效率較低主要受污水處理階段效率影響。這一結果與張國基等［1］的研究相符，總體上中國水資源利用仍然處在“先污染后治理”階段，因此在城鎮用水方面相關政策的制定和執行仍待進一步改善。

由圖3可知，全國城鎮水資源用水階段效率2008—2012年呈上升趨勢，2012—2017年有所下降，總體來看呈微弱的上升趨勢，年均增長率為2.7%。全國四大地區也呈較明顯的上升趨勢。2008年后城鎮水資源用水階段效率的提高與同年原國家環境保護總局等部門頒布的《關于加強重點湖泊水環境保護工作的意見》密切相關，政府不斷加強工業污染防治和城市生活污水處理力度，使城鎮污水排放量減少，進而促進了城鎮水資源用水階段效率的提升。從區域層面看，東部地區城鎮水資源用水階段效率均值最高，西部、東北地區次之，中部地區最低，這與城鎮水資源利用整體效率均值的大小順序一致。中部和東北地區的城鎮水資源用水階段效率均值分別為0.28和0.37，水平偏低，政府應加大城鎮水資源高效利用重視程度，引入先進生產技術，加大污染物處理力度。在各區域中，東北地區和中部地區城鎮水資源用水階段效率年均增長率較大，分別為7.7%和3.8%，相比于東部和西部地區，增長幅度明顯，擁有較大的提升空間。

由圖4可知，全國四大地區中，除東部地區污水處理階段的效率均值大于0.5外，其余3個地區的效率均值均小于0.5，處于較低水平。全國城鎮水資源污水處理階段的效率2008—2014年波動上升，2014—2017年增長停滯，期間始終保持同一效率水平。全國城鎮水資源污水處理階段效率均值總體上呈較小幅度的上升趨勢，年均增長率為2.3%。其中，東部地區和西部地區的城鎮水資源污水處理階段的效率均值明顯高于中部和東北地區效率，不同地區間的效率均值差異明顯，與城鎮水資源用水階段效率均值的地區增長情況相同，中部和東北地區表現出相對較強的增長勢頭。此外，全國大部分地區城鎮水資源污水處理階段的效率在2011年后開始表現出較明顯的上升趨勢，這與同年推出的《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》有關，政府不斷加強主要污染物總量減排監管力度，使大部分地區的城鎮污水處理效率有所改善。2012年，國務院辦公廳印發《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》，提出加快建設全國城鎮污水處理及再生利用設施，促進主要污染物減排、改善水環境質量，這些都促進了城鎮水資源污水處理階段效率的提升。

綜合來看，中國城鎮水資源利用整體效率受用水階段效率和污水處理階段效率的共同影響。在用水階段和污水處理階段，各地區水資源利用效率均值都呈上升趨勢，進而促進了中國城鎮水資源利用整體效率均值的上升；東部地區和西部地區的水資源利用效率均值都明顯高于中部與東北地區，使得東部地區和西部地區的整體效率均值也明顯高于中部與東北地區，區域間差異明顯。城鎮水資源用水階段效率與污水處理階段效率總體上在均值與增長率上也存在較大差距。因此，要想提高城鎮水資源利用整體效率，需要促進用水階段效率和污水處理階段效率的共同提升，且著重提高污水處理階段效率。

2.2 空間自相關檢驗

2.2.1 全局Moran’s I指數 根據2008—2017年中國30個省（市、自治區）的城鎮水資源利用整體效率數據，通過空間統計的Moran’s I指數，基于空間鄰接矩陣，進行空間相關性檢驗，結果如表2所示。

根據結果顯示，城鎮水資源利用整體效率的Moran’s I指數均為正，且表現出比較明顯的波動特征，2008—2012年呈波動下降趨勢，在2012年達最低點后開始呈波動上升趨勢。其中，2008年、2013年、2015—2017年的城鎮水資源利用整體效率的Moran’s I均通過了10%的顯著性檢驗。這說明各省（市、自治區）城鎮水資源系統整體效率在空間地理位置上具有較顯著的正相關關系，各省（市、自治區）城鎮水資源利用整體效率受鄰近省（市、自治區）水資源利用的影響較顯著，存在高-高或低-低的空間集聚現象，并且這種空間集聚現象呈先下降后增強的動態趨勢。

2.2.2 局部Moran’s I指數 根據“2.2.1”結果，選擇空間關聯關系較強的年份（2008年、2013年、2015年、2017年），利用局部空間自相關指數探明中國城鎮水資源系統整體效率局部集聚現象的具體特征，結果如表3所示。由表3可知，2008—2013年，高-高集聚區域中北京市、天津市、上海市和海南省始終存在，減少了四川省和湖南省，增加了福建省和廣東省；低-低集聚區域中河南省、安徽省、山東省、湖北省、江西省、山西省、遼寧省和吉林省始終存在，減少了黑龍江省和云南省，增加了貴州省和陜西省。2013—2017年，高-高集聚區域中北京市、天津市始終保持不變，在2015年減少了上海市、廣東省和海南省，增加了寧夏回族自治區，在2017年增加了上海市、廣東省、江蘇省、湖南省、海南省；低-低集聚區域中河南省、安徽省、湖北省、山西省、陜西省保持不變，在2015年減少了貴州省、遼寧省和吉林省，在2017年減少了山東省和江西省，增加了貴州省、云南省和吉林省。

在高-高集聚區域中，較穩定出現的有北京市、天津市等，均位于中國東部沿海地區。該區域的大部分地區地理位置優越、經濟發展水平較高、產業結構合理，并且擁有較先進的技術水平，政策對生態保護的支持力度大，因此整體上水資源利用效率較高，區域城鎮水資源整體利用效率形成較強的輻射與擴散效應。

在低-低集聚區中，較穩定出現的有河南省、安徽省、湖北省和山西省，均位于中部地區。這與中部地區經濟發展水平較低、人口密集、產業結構待改進、對環境保護政策的重視程度低有關。在施行“中部崛起”戰略后，大批東部產業向中部地區轉移，污水排放量增多，使水資源利用效率下降。這些都使得中部地區城鎮水資源利用整體效率一直處于低-低集聚狀態。

由局部自相關指數的輸出結果可知，城鎮水資源系統總效率的高-高集聚現象主要出現在東部地區，低-低集聚現象則主要出現在中部地區。可以看出，不同地區的城鎮水資源利用整體效率的空間關聯格局與空間分布格局在結果上總體一致。

3 小結與建議

3.1 小結

本研究通過建立水資源系統混合網絡結構，將中國城鎮水資源系統分為用水階段和污水處理階段，計算了水資源利用的整體效率和不同階段的效率，并運用全局和局部空間自相關指數對其利用整體效率進行空間格局研究，得到以下結果。①全國城鎮水資源利用整體效率均值為0.51，年均增長率為2.3%，大部分省（市、自治區）的效率均值小于0.5，總體水平偏低，并且增長速率較慢，城鎮水資源利用系統仍有較大的改善與提升空間。中國地區間的城鎮水資源利用整體效率差異明顯，東部和西部地區效率遠高于中部和東北地區，但是中部和東北地區增長速率較快，有利于在未來縮小區域間的差距。②從用水和污水處理階段來看，用水階段效率均值普遍高于污水處理階段效率均值，二者均表現出上升趨勢，城鎮水資源利用系統發展前景較好，要著重提高污水處理階段效率。東部地區的水資源利用效率在2個階段中均處于較高水平，而中部地區由于實施“中部崛起”戰略承接東部地區產業轉移導致2個階段的效率均較低。③中國城鎮水資源利用效率在空間分布方面存在較顯著的相關性，空間集聚呈先減弱后增強的趨勢，高-高集聚現象主要出現在東部地區，低-低集聚現象則主要出現在中部地區，地區間的內部差異也較明顯。

3.2 建議

在城鎮水資源利用方面，在保障民生和經濟社會發展的基礎上，要對工業和城鎮開展節約集約用水，深化水價、水權水市場改革，激發內生動力。要通過科學管理和技術創新降低單位產品所需用水量，通過優化配置水資源、合理調整經濟結構和產業布局來實現水資源的高效利用。

在城鎮污水處理方面，各省（市、自治區）要根據國家減排指導意見和產業政策要求，制定和完善相關減排政策，削減污染排放量。對于生活源污染，一方面要加強城市污水收集系統和污水處理設施建設，促進污廢水處理提質增效，另一方面要加強綠色發展理念宣傳力度，凝聚綠色環保生活共識，引導居民自覺參與節水型社會建設過程，打造新型城鎮綠色環保生活圈；對于工業源污染，要加強工業企業清潔生產和排污許可證管理，減少工業污水排放。

在地區差異方面，要根據各省（市、自治區）的城鎮水資源利用和經濟社會發展的實際情況制定相應的政策，促進區域城鎮水資源利用效率的空間協同提升，推動全國城鎮水資源利用效率的整體改善。東部和西部地區應依據自身優勢，在保持較高水平水資源利用效率的同時，輻射和帶動周邊地區城鎮水資源利用效率提高，協同推動新型城鎮化進程。中部和東北地區則應合理規劃城鎮轉型政策，改善產業結構，促進生產要素優化配置，提升城鎮水資源利用效率。

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