数据包络分析在锦州市水资源利用效率分析中的应用

白如双

(锦州市北镇市水利勘测设计队，辽宁 锦州 121300)



数据包络分析在锦州市水资源利用效率分析中的应用

白如双

(锦州市北镇市水利勘测设计队，辽宁 锦州 121300)

目前解决水资源短缺这一问题的主要方式就是提高水资源的综合利用率。但是，这一方法不能从根本上对水资源的投入以及产出比进行分析。对此，文章将重点结合辽宁省不同城市2005-2015年10a间的水资源相关数据，通过选取当地生产以及生活用水等几大主要指标，作为模型分析因子，采用数据包络分析法，对各指标的技术冗余率和规模冗余率进行分析，科学计算、分析该研究区水资源的总体利用效率，从而对其时空分布特征及具体规律进行合理研究，以期为该地区水资源综合利用提供重要参考。

数据包络分析法；锦州市；水资源利用；效率；应用

随着十八大以来五位一体战略布局全面展开，国家对区域生态环境保护的要求越来越高。在此背景下，中国环境保护以及节能减排的技术目标也逐渐被纳入地区“十三五”发展战略规划中。对于辽宁省而言，锦州市作为一大重要的综合性城市，其在辽宁省构建节约型社会和环保型社会中一直发挥着重要作用。但是近年来，由于水资源的滥用，导致区域间水资源相对短缺，制约了当地工业以及农业等社会生产实践活动开展。

1 数据包络分析法简介

随着辽宁省老工业基地振兴步伐不断加快，当地工农业以及生产、生活用水量不断增多。近年来，水资源已成为制约当地经济社会快速发展的主要瓶颈之一。对辽宁省锦州市用水效率相对时空变化规律进行分析，能够进一步找到各个地区相对用水效率存在差异的主要成因[1]。一般而言，在对区域水资源进行分析时，需要构建相关参数模型，而最大熵法以及插值模型及模糊优选模型等是常见的几种参数分析模型。这些方法在中国不同地区水资源可持续利用及安全性分析中，已取得了明显的成效。但是，结合区域地理特征，对水资源利用效率进行分析，以上方法并不适用。基于此，文章将采用Data Envelopment Analysis方法(数据包络分析法)，对当地水资源的投入与产出值进行效率分析，以避免人为主观评价造成分析结果不准的问题出现[2]。

数据包络分析法简称DEA，这一方法最早由美国著名运筹学家W.W.Cooper 学者和A.Charnes学者于20世纪70年代共同提出。这一方法的主要分析思想在于结合数据分析理论，对若干个不同类型的多输入以及多输出模块的决策单元进行相对性及效益展开评价。其中，这一分析方法的主要优点，在于能够结合具体指标的分析值，为其指出具体的调整和优化方向，从而便于时空横向及纵向对比，以此为区域相关部门决策管理奠定重要基础[3]。

2 模型构建及指标选取

文章所采用的数据包络分析法，主要利用DEA模型中的C2R模型进行数据分析，假设该研究区有n个不同的决策单元：

DMUi(j=1,2,…,n)

(1)

在上述决策单元中，每一个单元内分别包含s个输出目标及m个输入目标。文章假设该模型中的输入向量和输出向量分别通过以下指标表示：

Xj=(x1j,x2j,…,xmj)

Yj=(y1j,y2j,…,ysj)T

(2)

结合上述向量指标可构建数据包络分析的DEA模型，具体如下所示：

λj≥0；j=1，2，…，n；S+≥0，S-≥0

(3)

在上述模型中，ε为非阿基米德无穷小，另外模型运算过程中的综合相对效率参数值通过θ表示，这一参数值越大，表明该地区水资源总体利用效率越高；而S+和S-分别表示DEA模型中的松弛变量。

1)若使DEA模型分析的效益最高，即要保证该研究区水资源总体利用效率最高，则需要确保S+=S-=0以及θ=1；此时在该模型n个不同单元组成的经济系统中，水资源投入量为X0时，所获得的经济和社会效益最大。

2)若使DEA模型分析的效益有所提高，即要保证该研究区水资源总体利用效率不断提升，需要确保S+≠0或S-≠0以及θ=1，此时在该模型n个不同单元组成的经济系统中，水资源投入量X0适当减少时，可保证实际产出效益不发生改变，或当水资源投入量X0投入保持不变时，可保证实际产出效益有效提高S+。

3)若DEA模型分析的效益最低，即该研究区水资源总体利用效率不但无明显提升，反而资源实际利用效率在不断降低，此时θ<1，也称之为水资源投入与产出效率不成正比。在此种情况下，可知该研究区水资源遭到严重浪费。因此，要想保证在此条件下，对水资源浪费情况进行合理控制，只需保证在该模型n个不同单元组成的经济系统中，水资源投入量X0适当减少到原始值，同时保证模型运算过程中的综合相对效率参数值θ=1，此时水资源总体投入与利用效率呈等量关系。

3 锦州市水资源利用效率分析中数据包络分析法的具体应用

3.1DEA模型分析中指标的选取

结合上述模型优化条件，文章在对锦州市水资源利用效率进行数据包络分析时，首先需针对区域特征就水资源数据指标进行选取。由于水资源作为一种宝贵的自然资源，其本身并不能带来产出效益，必须通过与相关要素进行组合优化才能提高产出率。因此，本文在结合DEM模型进行数据分析时，通过多输入模型法，结合资金以及劳动力及土地资源和用水量等相关指标，对区域水资源综合利用效率进行合理分析[4]。最终经过因素分析，本文选取的输入指标主要包括生活用水量以及生产用水量和从业人员及土地利用面积、固定资产投资，选择的模型输出指标主要包括GDP。

3.2DEA模型分析中数据选取及处理

本文主要选取辽宁省各城市相关数据与锦州市水资源利用效率分析相关数据指标进行对比分析，数据选取时间段为2009-2015年。在数据选取过程中，考虑到辽宁省各地区农业需水量与降水量之间存在关联性。因此，为了降低数据分析过程的误差，文章采用以下方式，对该研究区内的农业用水量进行处理：

U=U*×σ

(4)

式中：实际农业需水量及农业用水量分别通过U＊和U表示，该研究区年降水量与辽宁省内最大降水量的比值通过σ表示；经过以上数据处理之后，可保证各个地区自然降水量基本处于同一水平线中。

3.3DEA模型分析中参数计算

基于DEA模型可对该研究区各个决策单元内的水资源相对利用效率及各个指标的松弛变量进行分析计算，以此结合该研究区生产以及生活用水中的技术冗余率及规模冗余率，对水资源实际利用效率WURE进行科学计算，具体计算公式为：

WURE=1-αij-βij

βij=1-θ

(5)

通过以上规模冗余率以及技术冗余率，可结合该研究区实际用水情况对某一特定时期，由于自身发展规模及用水方式发生变化，导致水资源出现利用冗余的现象进行分析，以此通过这两大指标，对水资源的实际利用管理情况和投入与产出比值进行评估[5]。通常情况下，技术冗余率和规模冗余率越低，表明该研究区内水资源的实际利用效率越高，反之则越低[6]。因此，也可结合这两大指标对区域水资源利用开发潜力进行分析评估。

表1为辽宁省锦州市2009-2015年城市生活用水规模冗余率和技术冗余率统计数据：

表1 辽宁省锦州市2009—2015年生产、生活用水规模冗余率和技术冗余率

辽宁省锦州市2009—2015年水资源利用效率分析统计数据见表2：

表2 辽宁省锦州市2009—2015年水资源利用效率分析数据

因此，从上述数据对比中可以看出，锦州市2009—2015年生产、生活用水规模冗余率和技术冗余率较高，而水资源利用效率较低，主要原因在于锦州市城市化水平相对较低，而且农业人口所占比重较大[7]。因此，生活用水较多，浪费现象非常严重，最终导致该地区实际生产与生活用水率不高[8]。

4 结 语

综上所述，水是人类及一切生物赖以生存和发展的重要物质资源，也是农业以及工业生产实践中极为宝贵的自然资源。中国水资源总存储量大，但地区分布不均，尤其是人们对水资源的浪费不断增多，导致地区水资源短缺的现象非常严重。故本文试图通过数据包络分析法，对锦州市水资源利用效率进行分析评价，从而就水资源综合利用效率的时空变化特征进行研究，以此找到不同地区水资源利用效率存在差异的主要成因，希望为本地区以及全国同类地区相关政策的制定和实施提供参考建议。

[1]严登华，何岩，王浩，等.生态水文过程对水环境影响研究述评[J].水科学进展，2005(05)：747-752.

[2]高素丽.辽河流域河道生态工程建设方案[J].水土保持应用技术，2011(06)：35-38.

[3]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[4]刘莉.水文生态安全法律保障研究[D].西安：长安大学，2014.

[5]荣洁.城市小流域水量水质模型及水环境容量计算的研究与应用[D].南京：南京大学，2014.

[6]陈俊，王晓玭.我国城市化对水环境的影响及生态化综合治理方法浅谈[J].江西化工，2010(02)：20-22.

[7]金云杰.凌河流域人工湿地对水环境质量影响分析评价[J].水土保持应用技术，2015(05)：27-28.

[8]何鹏.南水北调东线工程受水区水环境累积影响评价[D].邯郸：河北工程大学，2012.

Application of Data Envelopment Analysis in Water Resources Utilization Efficiency Analysis of Jinzhou City

BAI Ru-shuang

(Beizhen Urban Water Conservancy Investigation and Design Group Jinzhou City，Jinzhou 121300，China)

At present，major way to solve the shortage of water resources is to increase the comprehensive utilization efficiency of water resources.However，this method can't analyze the inputs and outputs of water resources fundamentally.For this，combination with the relative data about various cities of Liaoning Province in ten years from 2005 to 2015，by selecting main indicators about local productive and domestic water as the factor of model analysis，the data envelopment analysis method was adopted to analyze the technological redundancy rate and scale redundancy rate of each indicator，and to calculate and analyze the total utilization efficiency of water resources of the researched area，so as to study reasonably the characteristics and specific laws of space-time distribution and supply important references for comprehensive utilization on water resources of the area.

data envelopment analysis method; Jinzhou City; water resources utilization; efficiency; application

1007-7596(2017)02-0124-04

2017-01-12

白如双(1966-)，男，辽宁锦州人，工程师，研究方向为水利工程规划勘测、整编、水利工程建设与管理工作。

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