我国水资源可持续利用能力评价

童纪新,梁斐然

(河海大学商学院,江苏 南京 211100)



我国水资源可持续利用能力评价

童纪新,梁斐然

(河海大学商学院,江苏 南京 211100)

选取31个省级单位最新数据,提炼出7大类共计25项反映水资源可持续利用的评价指标体系,运用主成分分析法和DEA模型评价了我国水资源可持续利用的能力。研究结果表明:我国近74.2%的省份水资源可持续利用能力欠佳,呈阶梯状分布,这主要是由于水资源与社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护与可持续利用的不协整所导致的,但仍有很大的发展潜力。

水资源;可持续利用能力;DEA;主成分分析

1 研究背景

水资源作为人类赖以生存的自然资源,正面临着前所未有的危机，水质恶化、水污染加剧、人均水资源占有量减少、水资源时空分布不均、城市和农业生产严重缺水、地下水资源过度开采等问题日益凸显[1]。

可持续发展的概念鉴于描述属性的不同,其内涵也有所不同,但其根本核心是“满足当代人的需求,又不损害子孙后代满足其需求能力的发展”[2]。它以经济增长为前提,以保护自然资源为基础(即与资源及环境的承载力相协调),以改善和提高人类生活质量为目的,来实现自然-经济-社会的协整发展[3-6]。在可持续发展的大概念下,针对可再生水资源利用问题,傅春等[7]提出了水资源持续利用(sustainable utilization)这一概念,其含义是指水资源在其再生极限之内的开发利用。这一概念把水事活动纳入人类生产、生活的整个系统内,强调水资源与人口、经济、社会、环境、灾害、技术发展的协调可持续发展。

1995年,Simonovic[8]从经济效益、技术效率和实施可靠性的视角,提出水利规划要与经济、环境、社会、科学技术协调发展,运用可持续发展的理念来规划水利建设。随后,Zbigniew等[9]提出了相近的观点,进一步证实了Simonovic结论的正确性。Rijsberman[10]以欧洲最大湖为样本,首次运用可持续发展指标对其进行了评价。Hellstrom[11]以城市为样本,建立了水资源可持续利用的指标体系。Rao[12]将遥感技术和GIS相结合,同时将多目标和风险性分析纳入了可持续发展体系。左东启等[13]在近20年不同流域和地区水资源评价工作的基础上,提出了包括自然、人文、经济、管理等方面的简要评价指标体系。卞建民等[14]通过分析水资源可持续利用的涵义及影响因素,建立了包含水资源的可供给性、水资源开发的技术和管理水平以及水资源的综合效益在内的水资源可持续利用评价指标体系。夏军等[15]针对西北干旱区水资源承载力综合研究的一些关键问题,将RS、GIS等信息技术和现有模型方法相结合,同时对区域差异进行了研究。徐良芳等[16]分析了现有区域水资源可持续利用评价指标体系的国内外研究进展和存在的不足,采用离差法、主成分分析法和层次分析法计算指标,运用动态和静态相结合的方法对指标进行评价。黄初龙等[17]对农业水资源的内涵界定及其可持续利用量化表征、农业用水估算方法、生态需水、外调水、土壤水、农业水资源管理等问题进行了探讨和总结。罗军刚等[18]采用风险率、脆弱性、可恢复性、事故周期和风险度作为区域水资源短缺风险的评价指标,建立了水资源短缺综合评价指标体系。Emmanuel[19]研究了英国不同灌区的管理水平,通过对比分析以提高农业用水的效率。Wei等[20]基于机会约束的DEA模型,根据实际的决策单元进行数据收集与选取研究。雷宏军等[21]从水资源可持续利用的概念出发,分析水资源可持续利用的特性,指出水资源可持续利用包括水资源质和量的可持续性、社会经济生态系统的可持续性、系统协调性和水资源利用方式4个方面。韩美等[22]以DPSIR模型为框架,选取21项指标构建水资源可持续利用评价指标体系,对黄河三角洲的整体水平进行了评价。本文综合前人的研究成果,在选取31个省级单位最新数据的基础上,提炼出7大类共计25项反映水资源可持续利用的评价指标体系,运用主成分分析法和DEA模型评价了我国水资源可持续利用的能力。

2 模型介绍及数据来源

2.1 主成分分析法

1933年霍特林(Hotelling)[23]首次提出主成分分析(principal components analysis,PCA),即通过线性组合将存在相关性的原变量综合成几个主成分,用较少的综合指标来代替原来较多的指标(变量)。其数学模型为

(1)

式中:X1,X2,X3,…,Xp为p个原有变量;F1,F2,F3,…,Fm为m个因子变量,m

(2)

式中:F为因子变量或称公共因子,即高维空间中互相垂直的m个坐标轴;A为因子载荷矩阵;ε为特殊因子,表示原有变量不能被因子变量所解释的部分,相当于多元回归分析中的残差部分;apm为因子载荷,即第p个原有变量在第m个因子变量上的负荷。若把变量Xp看成是m维因子空间中的一个向量,则apm为Xp在坐标轴Fm上的投影,相当于多元回归中的标准回归系数。

2.2 DEA模型

数据包络分析(data envelope analyses,DEA)模型的两个基础模型分别是CCR模型与BCC模型,两者的主要区别在于规模报酬是否可变。在计算规模效率、纯技术效率以及综合技术效率时两个模型相辅相成,其遵循的思维逻辑是:DEA模型是一个经济系统(或一个生产过程)在一定条件下,通过投入一定数量的生产要素并产生一定数量的产出结果,以尽可能地使这一系统取得最大效益的研究模型。

假设有N个决策单元,每个决策单元有I种投入,O种产出。第i个决策单元DMU(decision making unit)的投入向量和产出向量分别是xi,yi。在规模收益不变(CRTS)假设下,对第i个决策单元的相对效率度量模型表示为

(3)

式中:μ、ν分别为产出权重和投入权重,μ、ν≥0。在规模收益可变(VRTS)的情况下其模型构造仅需在CRTS模型的对偶形式中加入凸性约束(N×1)Tλ=1即可。表达式为

(4)

式中：θ为1个标量；λ为1个常数矢量。进而可以分理出规模效率SE。实际上,对于同一决策单元满足综合技术效率等于纯技术效率乘以规模效率。

2.3 样本选择及数据来源

综合数据的可得性与实际研究情况,DMU选取了我国除台湾外的22个省、5个自治区、4个直辖市,共计31个省级单位。数据来源于《中国统计年鉴》以及各省公开发布的年度报告,以每年年末的报告数据为依据。

3 我国水资源可持续利用能力评价

3.1 主成分分析法

3.1.1 水资源可持续利用评价指标体系

根据可持续利用的概念及原则,选取经济、社会、环境、技术4个一般性宏观指标,本着具体问题具体分析的思想,纳入水资源、水承载力(正向指标)以及水灾机率(负向指标)3个具体的微观指标,将微观指标与宏观指标相结合,得出衡量我国水资源可持续利用7个方面的二级指标,见图1。

需要说明的是,水资源的可持续利用强调公平性,因此把人均水资源量和人均用水量归入社会因素。水灾机率是指水资源可持续利用不仅需要有效的开发利用,同时还应能预防和治理水灾害。随着科学技术的进步,水资源的开发和利用可以使原先非持续利用的水资源变成可持续利用,如海水淡化。水资源承载力是在保证一定环境质量的前提下,承载该空间人口基本生存和社会经济发展的能力,因而基于我国三大产业衡量水资源的承载力。环境容量主要是指水环境容量,即在一定的水质标准下,水域靠水体的自净能力容纳不同污染物的最大数量。

图1 水资源可持续利用评价指标体系

由于指标变量是从不同单位总体中抽出,因此首先需对25个指标进行标准化,以消除变量在量级或量纲上的影响。采用标准化Z分数即从平均数为U、标准差为σ的总体中抽出一个变量值Q,可得

(5)

经过SPSS.20处理后,发现KMO值为0.68,大于0.6,适合因子分析。同时,Bartlett球度检验给出的相伴概率为0.000,小于显著性水平0.05,进一步佐证了因子分析的可行性。

3.1.2 水资源可持续利用评价指标体系降维

图2 我国31个省级单位社会经济、城市发展、生态保护、农业灌溉和水环境容量得分

水资源可持续利用评价指标变量可降维成5大主成分,如表1所示,社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护的主成分贡献率均超过了85%,基本上反映了我国31个省级单位水资源可持续利用能力。

表1 水资源可持续利用评价指标体系降维结果

由图2可进一步评价我国水资源可持续利用能力。不难发现,2013年社会经济方面,我国长江三角洲、珠江三角洲以及京津唐地区仍保持了领先优势,其中长江三角洲、珠江三角洲地区的经济发展明显优于京津唐地区。我国大多数地区在经济增长与水环境容量方面呈正相关关系,长江三角洲、珠江三角洲地区水环境容量整体优于其他省份,均值达0.42;内陆地区以及黄河流域水环境容量在各省排名中趋于平均水平。但整体来看,我国水环境容量与社会经济发展并不匹配,水资源的可持续利用面临困境。

与社会经济发展分布一致,长江三角洲、珠江三角洲以及京津唐地区的城市发展表现优异,上海和北京表现突出,西藏最差。由图2可以推断,城市发展水平越高,水环境容量越差,两者呈负相关关系,这也进一步表明我国尚未完全从粗放型的经济增长模式中转型。

在生态保护方面,21世纪以前重工业集聚的省份生态环境最差,突出表现为内蒙古和东三省,急需增加资金投入以谋求可持续发展。河北、山西、内蒙古、辽宁、山东、河南、陕西、甘肃等重工业聚集地亟需加强生态保护,增加生态投入。由图2可见,我国大多数省份水环境容量较差,制约了水资源的可持续利用能力。

图3 我国31个省级单位水资源可持续利用能力排名

农业灌溉方面,由图2可见灌溉能力较差的省份主要集中在长江流域以北,特别是黄河流域的各省、西部地区(主要是陕甘宁)以及西藏。长江三角洲、珠江三角洲以及京津唐三大经济带农业灌溉能力表现疲软,也从另一个角度反映了水资源多用于第二、第三产业,农业生产分配较少。

在水环境容量方面,由于新疆等内陆地区常年缺水,投入了大量的人力物力来节约水资源,因此新疆的水环境容量表现优异。部分东部沿海城市的水环境容量表现良好,但整体而言我国的水环境容量不容乐观。

3.2 DEA模型

由于水资源的可持续利用有赖于经济、社会、环境、生态、城市发展等因素的协调发展,因而运用DEA模型将降维后的5大主成分作为水资源可持续利用能力的投入、产出变量,评估各个省级单位水资源可持续利用能力。

但由于新产生的投入、产出变量数据有正有负,且小数点位数较多,无法使用数据包络法,因此采用最典型的T分数对数据加以线性转换,使之成为正的数值。

3.2.1 水资源可持续利用能力投入、产出冗余

综合表2、表3可知,我国大多数省级单位存在投入、产出冗余情况,但就城市发展指标而言,各省表现良好,不存在投入、产出冗余。具体而言,北京市农业灌溉能力严重不足,水环境容量不足2%,天津与北京类似;内蒙古突出表现为生态保护过剩而农业灌溉不足;辽宁、福建以及江苏农业灌溉不足,其中江苏省社会经济发展与水资源可持续利用不匹配,出现了经济过剩而农业发展不足的怪现象。江西、重庆、四川、陕西的共性在于水环境容量不足,陕西表现为生态保护过剩,四川则不仅生态保护投入过多,而且存在社会经济与水环境容量不匹配的问题;河北、山西、安徽、山东、河南生态保护投入过多;浙江和广东主要表现为经济产能过剩,与水资源可持续利用能力不匹配。据此可知,并非经济发展水平越高,水资源可持续利用能力越强,而是各方面因素协整的过程。水资源可持续利用能力投入、产出冗余也表明我国大多数省份存在水资源管理不善的问题。

表2 产出冗余量

表3 投入冗余量

3.2.2DEA模型解的有效性分析

由DEA模型解的有效性判断定理可知,当决策单元满足θ*=l,且s-=s+=0(θ*为θ的最优解，s-，s*为松弛变量)时，该决策单元是相对有效的,反之是无效的。

结合图3,我国各省级单位水资源可持续利用能力呈阶梯状分布,分为4个层次:

a. 综合技术效率等于1,其水资源可持续利用能力优秀,主要集在我国西部内陆地区,包括西藏、安徽、宁夏、湖南、湖北、广西、海南、云南、新疆9个省级单位,但不同省级单位其水资源可持续利用能力优秀的成因不同,如湖北省是水利建设(三峡大坝等)的拉动,而新疆则是由于常年的科研探索以及省级政府的高度重视。

b. 剩余的22个省级单位均DEA无效。综合技术效率介于0.9～1之间,属于水资源可持续利用能力中等偏上的省级单位,主要包括青海、山西、上海、广东、甘肃、黑龙江、重庆等7个省级单位。其中黑龙江、甘肃、青海、重庆、山西5个省级单位是由于管理和技术等因素影响水资源可持续利用能力。上海、广东2个省级单位在目前的技术水平上,其投入资源的使用是可持续的,未能达到水资源综合可持续利用的根本原因在于其水资源开发利用中存在规模无效。

c. 综合技术效率介于0.8～0.9之间,属于水资源可持续利用能力中等偏下的省级单位,包含浙江、贵州、四川、辽宁、福建、江西、陕西等7个省级单位,其中政府管理和科学技术等因素是导致贵州、四川、辽宁、江西、陕西等省级单位水资源可持续利用能力中等偏下的主要因素。而影响浙江和福建水资源利用可持续能力的主要因素则是水资源开发利用中存在规模无效。

d. 综合技术效率低于0.8,属于水资源可持续利用能力较差的省级单位,包括北京、天津、河南、内蒙古、江苏、山东、吉林、河北等8个省级单位。其中北京、天津、吉林、江苏的管理和科学技术水平优秀,特别是江苏,其管理和科学技术能力达到有效,最终导致这4个省级单位水资源可持续利用能力较差的原因是水资源开发利用中的规模无效。河南、内蒙古、山东、河北均属于北方省份,但由于管理不善,科技创新无法与时俱进导致其水资源可持续利用能力较差。

就我国而言,仅25.8%的地区是DEA有效,表明我国水资源问题仍是阻碍和限制经济发展的一大因素。各省综合管理能力、水资源开发利用效率、科技创新发展能力与我国水资源可持续利用能力息息相关。通过分析发现,我国水资源可持续利用能力整体低迷,其中水资源可持续利用能力欠佳的省级单位在社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护方面发展不足,但有很大的提升空间。内蒙古、天津等需要在各方面全面提升,而上海、湖南等则仅需在问题比较突出的方面进行改善。

3.2.3 规模效益分析

由表4可见,我国共有8个省级单位的生产规模与产量之间是协调合理的,与DEA有效性一致,主要表现为规模效率为1的8个省级单位;51.6%的省级单位水资源投入不足,可持续利用能力有待提升,随着经济的发展,其水资源规模效率无法有效满足当地人民的生活需求,粗放型的生产生活方式亟待转变;22.6%的省级单位存在规模效率减少的要求,主要表现为黑龙江、安徽、江西、山东、河南、湖南、四川等,随着规模的不断扩大,社会经济环境无法与之协调配合,阻碍了水资源的有效运行,同时也导致了水资源可持续利用评价较低。

表4 我国31个省级单位规模效益

4 结 语

选取31个省级单位的最新数据,提炼出水资源、环境容量、水资源承载力、水灾机率、经济发展、技术进步及社会因素等7大类共计25项反映水资源可持续利用的评价指标体系,运用主成分分析法,将衡量水资源可持续利用指标降维成社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护5大主成分,通过因子得分初步评价了各省水资源在社会经济、农业灌溉、城市发展、生态保护方面的可持续性。

研究发现,我国近74.2%的省级单位水资源可持续利用能力欠佳,且各省级单位水资源可持续利用能力呈阶梯状分布,这主要是由于我国水环境容量与社会经济发展不匹配,城市发展水平与水环境容量呈负相关关系,且我国大多省份水环境容量较差,制约了水资源的可持续利用能力,同时由于沿海城市经济增长转向第二、第三产业,水资源在农业生产中的分配较少,即社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护与水资源可持续利用的不协整所导致的。

因此,应树立全民节水意识,运用经济手段调控水价,开发利用非常规水源,工业与城市分质供水,污水处理回用实现资源化,加强水利工程安全达标建设,健全水资源管理体制,实现城乡水务一体化管理,合理调配水资源,改善水环境,全面促进社会经济、水环境容量、农业灌溉、城市发展、生态保护的协调发展。同时各个省级单位应根据自身区域特征,因地制宜,因时制宜,实现水资源的可持续利用。

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童纪新(1964—),男,浙江金华人,教授,博士,主要从事技术经济及管理研究。E-mail:janefeir@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2015.06.013

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1003-9511(2015)06-0055-06

2015-05-30 编辑：胡新宇)