省域水利用效率

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水是生命之源,生产之要,生态之基,是人口生产、环境生产与物资生产[1]相互联系的重要纽带,水资源可持续利用直接影响到人口健康与社会生产[2]。我国人均水资源量不足世界平均水平的1/4,资源型水危机、水质型水危机与生态型水危机已成为我国面临的最大挑战之一[3],技术性短缺和制度性短缺则加剧了水资源危机问题[4]。高效可持续地利用水资源至关重要,已成为当前社会管理的重要内容之一。提高利用效率是实现水资源可持续利用的必然选择[5],《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出,到2015年农业灌溉用水有效利用系数提高到0.53,与2010年相比,单位工业增加值用水量降低30%,化学需氧量排放减少8%,氨氮排放减少10%。效率分析是促进水资源可持续利用管理的重要工具[6],省级政府部门是我国提高水资源可持续利用效率重要的责任主体,但各省市水资源利用效率差异很大,相互比较和交流有助于共同提高[7]。科学评价水资源利用效率是提高效率的重要前提。在相对效率评价方面，多数研究以用水量、资本和劳动力为投入变量,以地区生产总值为输出变量,应用效率弹性指数[89]、随机前沿函数[10]、数据包络分析法[11]、DEA-Malmquist指数法[12]测算各地区的水资源利用效率、水资源管理效率和边际水资源利用价值[13]等,分析水资源利用相对效率的时空分异[14]和空间格局分布[15]。在绝对效率评价方面，多数研究用层次分析法综合万元GDP用水、万元工业增加值用水等指标分析水资源利用效率差异[16]。水资源是一种可再生的资源,水资源可持续利用必须考虑水的再生性和承载力[17]。但目前区域水资源利用效率评价分析中多没有考虑土壤、生态环境与水质等因素[18]。由于水质是水资源重复和循环使用的关键指标,将其纳水资源利用效率测算十分必要。为此本文引入了水资源可持续利用效率概念。水资源可持续利用的基本要求是水质没有严重恶化,处于生产、生活和生态用水均可接受的范围内。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(简称为Ⅲ类及以上)水源均可以作为集中式生活饮用水地表水源地,可以同时满足生产、生活和生态用水的要求。在开发利用过程中,能保持Ⅲ类及以上水质的自然水体,属于达到可持续利用要求的水资源。综合考虑水质和土地因素,本文把水资源可持续利用效率界定为单位不可持续(Ⅲ类以下)水资源量带来的社会经济和人口发展水平。测算比较我国各省市水资源可持续利用效率,分析其关键影响因素,对提高水资源利用效率,促进水资源可持续利用具有重要的意义。

1研究方法与数据

1.1研究方法

人口和社会经济发展需要消耗自然资源,可以视为利用自然资源的产出[19]。水资源和土地是环境生产最为重要的生产要素,其占用量或退化量可作为利用自然资源的投入量。本文综合考虑水质水量和土地,将区域内Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类(简称Ⅲ类以下)水资源量看作本地区为社会经济和人口发展付出的水资源代价,作为水资源可持续利用效率测算的一个投入变量,将土地面积作为另一个投入变量。为了减化分析,并突出水资源的利用,并没有考虑土地退化问题。由于土地面积、Ⅲ类以下水资源量、地区生产总值、地区总人口等变量的量纲不一样,难以用成本效益分析法评价其效率。数据包络分析(DEA)无需构造生产函数,可以忽略不同指标间的单位差异,在多投入、多产出分析方面具有优越性,可以得出各决策单元的相对效率,可通过投影理论计算非DEA有效的决策单元的投入冗余量,为形成改进方案提供参考[20]。因此,本文以省(市、自治区)为决策单元,采用DEA-Tobit两步法[21]进行分析。先以国土面积(万km2)、Ⅲ类以下水资源量(亿m3)作为投入变量,以地区生产总值(亿元)、地区总人口(万人)作为产出变量,采用DEA中的BCC模型测算各决策单元的相对效率[22];再以DEA效率值(0~1)为因变量,以经济结构、耕地占国土面积比例、森林覆盖率、有效灌溉面积率、单位国土面积环境保护投资额等作为自变量,应用Tobit模型分析影响效率的因素,具体研究方法和分析框架如图1所示。

1.2数据来源

为了增强数据的客观性和可比性,选择国家统计部门和监测部门正式公布的各省(市、自治区)数据。其中各省(市、自治区)的国土面积、水资源量、地区生产总值、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、有效灌溉面积、环保投资额的数据来自2011年《中国统计年鉴》;耕地面积来自国土资源部,数据变更调查截止时点为2008年12月31日。水质指标选取中华人民共和国环境保护部位于全国各流域的水质监测点2009年的数据,监测点分布情况见全国流域水质监测点位分布图(/)。省域Ⅲ类以下水资源量计算公式为:Ⅲ类以下水资源量=水资源量×(1Ⅰ类水质比率Ⅱ类水质比率Ⅲ类水质比率),其中某地Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类水质的比率为该地本年度监测水质达地表Ⅲ类水、地表Ⅱ类水、地表Ⅰ类水的周数占本年度所有流域内观测点有效监测周数的比例。台湾、香港、澳门、海南、、青海、新疆、贵州等省(区、自治区)由于缺乏国家层面统一监测的水质数据,且地域生态系统特征明显,与其他省份之间的可比性较小,因而没有列入分析范围。纳入比较分析的省份为26个,收集和计算后汇总的数据如表1所示。

2结果与分析

2.1省域水资源可持续利用效率测算与分析

各决策单元(省域)的总效率值、技术效率值、规模效率值和所处的规模报酬阶段如表2所示。综合效率值是决策单元相对效率的综合反映,代表各省份水资源可持续利用效率。从表2可以看出,省域水资源的可持续利用效率很低,均值只有0.303,达到DEA最优(综合效率值为1)的省市只有3个,北京、上海和重庆,占11.5%。这3个地方均为直辖市,但情况有所不同,上海与北京水资源可持续利用效率高的主要原因是社会经济生产力高度发达,能在一个相对较小的地域范围内,只使相对较少的水资源变成了地表Ⅲ类以下的情况下,维持高密度的人口生活和高强度的社会生产。重庆则是处于三峡库区,水资源极为丰富,且处于长江的上游,水生态系统的阈值较大,当地的社会经济发展和居民生产对水资源的利用均处于阈值范围内,所有的监测水质均达地表Ⅲ类及以上,水资源处于可持续利用状态。天津、山东、江苏的综合效率值依次为0.847、0.414、0.405,剩余20个省份综合效率值均低于0.4,且大多数处于0.2以下。综合效率的变异系数高达1.010,表明我国水资源可持续利用效率的省域差异特别大。如果影响水资源可持续利用效率的主要因素是可以改变的,那么通过改变这些因素来提高水资源可持续利用效率的潜力就特别大。

纯技术效率主要反映在既定规模下要素配置的合理性。决策单元总体的技术效率均值为0.592,其中10个决策单元(项目)的技术效率值为1,占全部决策单元的38.5%,14个决策单元的技术效率值小于0.3,占全部决策单元的53.8%,表明技术效率提高的空间很大。由于国土面积是固定的,所以提高技术效率应重点调节Ⅲ类以下水资源量入手,关键是改变水资源开发利用方式。

规模效率主要反映投入要素的规模合理性。决策单元总体的规模效率均值为0.513,只有3个决策单元的规模效率值为1,占全部决策单元的11.5%。这表明要素规模总体上不太合理。在规模效率值不为1的23个省份中,只有天津、甘肃和宁夏3个省份处于规模报酬递增阶段,20个省处于规模报酬递减阶段。决策单元处于规模报酬递减阶段,说明随着规模的增加,报酬是递减的,现有规模是偏大的。所以,从水资源可持续利用效率来看,大多数省份的规模偏大,与适度规模要求的差距很大,减少Ⅲ类以下水资源量或划小省域的国土范围,可以提高水资源可持续利用的规模效率。

2.2省域水资源可持续利用效率的影响因素分析

区域水资源可持续利用效率的影响因素很多,除了直接投入和产出的国土面积、Ⅲ类以下水资源量、地区生产总值、区域人口数量外,还包括一系列社会经济发展结构因素。第一产业、第二产业与第三产业增加值所占比重,是反映区域经济结构和综合发展水平的指要指标,可能会影响水资源可持续利用效率。有效灌溉面积率是反映农业种植旱作与水作的结构和农田水利设施条件的指标,可能会影响区域水资源的可持续利用效率。单位国土面积环保投资额反映了一个地区治理水环境的力度,可能会影响水环境的自净能力和可持续利用效率。森林覆盖率是反映区域生态环境质量、水源涵养和水土保持能力的重要指标,会影响区域水生态系统的自净能力和自然水循环的路径及速度,可能会影响区域水资源的可持续利用效率。耕地面积占国土面积的比重既反映了一个地区可用于农业耕作的自然条件和以农业方式利用水资源的土地面积的比重,又反映了城镇化建设及荒漠化等对耕地资源的侵占情况,也可能会影响水资源利用方式和可持续利用效率。

为了找出影响省域水资源可持续利用效率的关键因素,以各省份水资源可持续利用综合效率值(Y,0≤Y≤1)为因变量,以第一产业、第二产业、第三产业增加值占地区生产总值比重(X1、X2、X3)和有效灌溉面积率(X4)、单位国土面积环保投资额(X5)、森林覆盖率(X6)、耕地占国土面积比重(X7)为自变量,运用Eviews6.0软件进行逐步Tobit回归,结果如表3所示。

由表3可知,单位国土面积环保投资额(X5)在0.05水平显著,第一产业增加值占地区生产总值比重(X1)、耕地占国土面积比重(X7)在0.1水平显著,可以判定这3个因素对水资源可持续利用效率具有显著影响。第一产业增加值占地区生产总值比重(X1)的系数绝对值最大,且为负数,表明第一产业增加值比重对区域水资源可持续利用效率的影响最大,但为负面的影响。其主要原因是第一产业单位用水的经济产出率低于第二产业和第三产业,另外畜牧养殖粪便、水产养殖废水以及农药化肥等农业生产造成的面源污染问题比较严重,直接影响到区域水资源可持续利用效率。因此,大力发展第二产业和第三产业,提高社会生产力的综合水平,降低农业增加值占地区生产总值的比重,同时大力发展生态农业和精致农业,提高农业用水的经济产出效率,减轻农业面源污染,可有效提高区域水资源可持续利用效率。单位国土面积环保投资额(X5)对水资源可持续利用效率的影响也很大,系数为正值,表明环保投资强度越大的区域水资源可持续利用效率越高。其主要原因是加大环境保护投资力度,既可有效保护和修复生态环境,增强生态系统承载力,又可治理社会生产和人口生产对自然环境的污染,减少污染负荷。耕地占国土面积比重(X7)也对水资源可持续利用效率具有明显的正面影响。其主要原因是耕地占国土面积比重越高说明该地区的水土生态系统越适合人类生产与生活,即水土资源系统质量越高。对特定的省份来说,只有通过复垦、垦荒、围湖造田等才能增加耕地面积,但从长期的角度来看,垦荒、围湖造田将会对更大范围的生态系统稳定性产生不利影响,并不可取。因此,重点工作应是尽量维持耕地面积不减少,尽量减少城镇化和工业化建设对耕地的占用,这与国家最严格的土地保护政策是一致的。

第一产业增加值占地区生产总值比重(X1)基本上能反映区域经济结构对水资源可持续利用效率的影响,第二产业和第三产业增加值占地区生产总值比重(X2、X3)与第一产业增加值占地区生产总值比重(X1)是相对应的,相关性很强,因而被剔除出主要影响因素。农业有效灌溉面积率(X4)对省域水资源的可持续利用效率影响并不显著,其主要原因是农业有效灌溉面积虽然影响农业生产用水的设施条件、方便程度和经济成本,但用水方便地区的农业用水效率并不一定高。森林覆盖率(X6)对区域水资源可持续利用效率的影响并不显著,这与原先的设想不一致。其主要原因是森林对水资源可持续利用效率具有双重作用,一方面森林可有效保持水土和涵养水源,提高区域水土生态系统的自净能力和环境质量,有利于提高水资源可持续利用效率;另一方面林地经济产出率较低,许多生态公益林的短期经济产出很低,林地又多为山地,不利于高密度的人口生存,因而森林覆盖率高反而会制约区域经济总产出和总人口数量的增加,不利于水资源可持续利用效率的提高。

3讨论与结论

我国各省域水资源可持续利用效率差异很大,效率提升的空间很大。应用DEA-Tobit两步法可测算省域水资源可持续利用相对效率,并找出关键的影响因素,进而为提高省域水资源可持续利用效率提供决策参考。水资源可持续利用系统的投入和产出变量很多,受数据限制,本文只以国土面积、Ⅲ类以下水资源量作为投入变量,以地区生产总值、人口作为产出变量,提出了一种分析思路和框架。随着生态系统服务价值持续利用效率理论的完善与相关数据的积累,有必要严格按照其投入产出关系将土地退化和流失状况、地下水和地表水水质恶化状况等指标加入投入变量,将居民幸福指数等指标加入产出变量,并扩大样本量,利用长期观测的面版数据进行分析,以增强测算结果的科学性和使用价值。在影响因素分析中,农业内部产业结构、工业结构、区域水土资源时空分布状况、区位条件、人力资源状况、科技创新水平、社会经济发展政策等因素也应逐步被考虑。

造成省域水资源可持续利用效率偏低的直接原因是规模偏大与不合理用水导致的水质恶化。水具有自然流动性,省域国土面积越大,水资源的时空分布差异越大,需要处理的内部水资源与产业、人口之间的关系越复杂,与其他省份之间的水资源协调问题越多。另外,自然–社会二元水循环系统优化技术和管理水平相对有限,省际生态补偿机制并不完善。从水资源高效持续利用的角度来看,“小的往往是美好的”。缩小省域国土面积的政策可能性很小,提高水资源可持续利用效率应该重点从“Ⅲ类以下水资源量”入手。只有少数省份是因为绝对水资源量少,人口和社会生产的水量水质负荷过大导致水环境恶化的,大多数省份则因为没有按照水资源可持续利用的要求安排社会生产和城镇建设。因此,政策的侧重点是按照自然–社会二元水循环系统持续发展的要求来调整经济结构、产业结构和人口空间分布结构等。这需要进一步分析环境生产、人口生产、物资生产的空间耦合状况以及自然社会二元水循环各个环节的成本效益。

产业结构、环保投资强度与耕地占国土面积比重是影响省域水资源可持续利用效率的重要因素。第一产业增加值占地区生产总值比重与省域水资源可持续利用效率负相关,而耕地占国土面积比重与省域水资源可持续利用效率正相关,二者综合起来的政策含义十分明显。也就是要制定城乡统筹、工农协调的社会经济发展政策,既要推进城镇化,提高人口密度,大力发展低消耗低污染高附加值的第二、第三产业,增加经济总产出;又要在不减少耕地的前提下,充分利用现有的耕地发展现代农业,确保粮食安全和生态安全。单位国土面积环保投资额与省域水资源可持续利用效率正相关表明,加大环保投资,通过治理来改善水环境质量,提高水环境容量也是一种提高水资源可持续利用效率的重要途径。