天山北坡经济带主要城市用水效率的时空差异

刘鸶瑛, 吕光辉, 张雪妮, 滕德雄

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 干旱生态环境研究所,新疆 乌鲁木齐 830046; 3.新疆绿洲生态重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046)

在生态系统中，水资源无疑是其中重要的组成部分，也是维系生态系统正常运行的必要条件。对生态系统进行系统化分析，通过调研、模拟或者计算，合理配置水资源成为当前研究的一个重要热点[1]。中国是世界13个贫水国家之一，在水资源有统计的国家中排名第127位，位居后列[2]。新疆地处中国西北内陆，不仅地域辽阔、资源丰富，而且成为了丝绸之路经济带的核心区域[3]，迎来经济社会发展的新机遇。但与中国其他省份相比，新疆远离海洋，“三山夹两盆”的地貌特征使其形成了典型的干旱气候，生态环境十分脆弱，水资源相对紧缺，经济社会发展对水资源压力巨大[1]。因此，处理好经济发展与资源保护的关系，探索水资源可持续利用与主要耗水产业系统协调发展，是新疆社会各界高度重视的重大课题，也是探索生态与经济、人与自然协调发展新模式的重要方面。

天山北坡经济带是新疆经济总量最高、最发达的区域，也是丝绸之路中面向中亚通向欧洲的重要枢纽[3]。在国家“一带一路”的总体战略下，天山北坡经济带迎来了一个重要的发展阶段。但基于其水资源短缺、水环境退化等基本水情的严峻现实，在优势资源转换的战略格局和发展形势下，都要求我们必须建立健全水资源统一管理体制，加快传统水利向现代水利、可持续发展水利转变,优化配置水资源,实现可持续发展[4]。

学者们针对水资源利用与区域复杂系统中经济发展与生态环境的相关性问题开展了相对丰富的研究，其研究领域涵盖水资源供需均衡[5]、水资源承载力[6]、水资源配置[7]、水资源持续利用[8]和生态需水[9]等方面。其中涉及到耗水产业生态系统与经济发展关系的研究主要集中在水资源承载力方面。但是，关于水资源承载能力的研究多从承载力的内涵及外延[10]、承载能力的衡量标准[11]等方面着手开展；而从生态经济、生态管理等角度和空间计量经济学的研究刚刚起步[12]，尤其是就天山北坡经济带这一特殊区域水资源利用效率和城市间水资源利用的空间依赖性问题而开展研究的文献偏少。

现存研究中不乏区域间水资源利用效率差异分析的文章，但专门以天山北坡经济带为研究对象的文献较稀缺，这一地区的用水效率时空差异问题尚未解决。当前，全国正在开展创建水生态文明城市试点工作，因此，本文拟研究天山北坡经济带7个主要城市在2004—2015年水资源利用效率，分析各城市目前水资源利用情况及时空分布差异性，探讨全要素生产力指数的变化及其主要影响因素，利用空间自回归模型(spitial autoregeressive model, SAR)研究各城市用水问题之间的依赖关系，并在此基础上提出合理的提高水资源利用效率的对策，以期对缓解人水矛盾，促进水生态文明城市建设，推动天山北坡经济带发展研究提供依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

天山北坡经济带位于中国“两横三纵”城市化战略格局中陆桥通道横轴的西端，包括新疆天山以北、准噶尔盆地南缘的带状区域以及伊犁河谷的部分地区(包括:乌鲁木齐市、阜康市、昌吉市、乌苏市、石河子市、奎屯市、克拉玛依市等，以及新疆生产建设兵团中位于天山北坡的各个团场)[13]。

天山北坡经济带总面积约9.54×104km2，占新疆总面积的5.9%。这一地带是19个国家级重点开发地区之一，是新疆现代工业、农业、交通信息、教育科技等最为发达的核心区域，集中了全疆83%的重工业和62%的轻工业，历年国内生产总值占全疆40%以上[14]。其城镇、交通、能源等基础条件好，对全疆经济起着重要的带动、辐射和示范作用。但天山北坡经济带属于典型的干旱绿洲经济区，水资源却仅占全疆的11%[15]，是严重的资源性缺水地区。水资源的短缺、用水效率的低下和生态环境的脆弱，使整个区域的环境承载力相对较低。

1.2 数据来源

选取2004—2015年天山北坡经济带的7个主要城市(乌鲁木齐、克拉玛依、石河子、奎屯、乌苏、昌吉、阜康)的投入产出数据为研究样本。能源、劳动和资金是经济增长模型的三大投入要素，借鉴早期相关文献中关于水资源效率的评价指标，本文选取全年固定资产投资总额(108元)为资金投入，生态用水量(104t)、工业用水量(104t)、农业用水量(104t)、生活用水量(104t)作为资源投入指标，就业人口(104人)作为劳动投入数据，地区生产总值(108元)为产出指标。各项指标原始数据取自各城市的统计公报与统计年鉴。

1.3 研究方法

本文运用超效率DEA模型和Malmquist生产力指数分析2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市用水效率的时空差异性。超效率DEA模型(super efficiency DEA，SE-DEA)是Andersen和Petersen[16]提出的一种改进的计算模型，在效率计算方面被广泛的应用。该模型能够对有效决策单元进行比较排序，从而实现了对多个决策单元进行横向对比和评价的目的；Malmquist生产力指数是基于距离函数而提出来的，可用距离函数之比来衡量生产效率的变化[17]。超效率DEA值和Malmquist生产力指数可分别通过EMS 1.3和Deap 2.1软件计算获得，具体见参考文献[18]。

本文运用空间自回归模型(SAR)研究2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市用水效率的空间依赖性。空间自回归模型(SAR)，也称空间滞后模型，是Anselin 基于空间依赖关系研究的基础上提出的，用于研究观测区域的因变量受到该观测区域邻近区域的影响，揭示了观测区域之间复杂的依赖关系结构[19]。本文基于现有文献在水资源利用效率影响因素测度中归纳的部分元素的基础上，利用空间滞后随机效应模型，综合考虑了2011—2015年天山北坡经济带7个主要城市自变量与用水效率之间的相关性(选取的7个变量分别是：2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市的距离(intercept)、全年固定资产投资总额(total-IFA)、生态用水量(eco-water)、工业用水量(ind-water)、农业用水量(agr-water)、生活用水量(liv-water)和就业人口(Pop)。本文中空间自回归模型利用R语言计算。

2 结果与讨论

2.1 天山北坡经济带水资源利用超效率

如表1所示，乌鲁木齐市水资源利用超效率值分别在2007，2009—2012，2014—2015年超过100%。100%代表水资源利用较为合理的临界值，即在上述7 a中，乌鲁木齐市水资源的配置较为合理，水资源利用率较高；其中克拉玛依市、阜康市、石河子市和昌吉市分别有5，6，7和8 a水资源利用超效率值高于100%；乌苏市和奎屯市均有4 a水资源利用超效率值高于100%。这可能是由于天山北坡经济带不同城市间的支柱产业不完全相同，以工业和第三产业为主的城市水资源利用超效率会明显高于以农业为主的城市。

表1 2004-2015年天山北坡经济带7个主要城市水资源利用效率状况

2.1.1 用水效率的空间分布 在2004—2015年，天山北坡经济带7个主要城市水资源利用超效率值，在12 a间的平均值大小为：石河子市>乌鲁木齐市>克拉玛依市>昌吉市>阜康市>奎屯市>乌苏市，说明石河子市是在12 a间总体用水效率最高的城市；除乌苏和奎屯市外，其余5个城市水资源利用超效率年平均值均超过100%，说明这5个城市在12 a间的水资源配置总体较为合理。综上所述，天山北坡经济带7个主要城市用水效率在空间分布上可划分为2个区域：乌鲁木齐—石河子—克拉玛依—昌吉—阜康区域，水资源超效率平均值均超过100%；乌鲁木齐—奎屯区域，水资源超效率平均值未超过100%。

1.4 观察指标及疗效评价 ①术后2年的临床治疗效果[7]，治愈：解剖位置恢复，临床症状及体征完全消除，妇科检查未见明显异常；有效：临床症状和体征有所改善，但解剖位置未完全恢复；无效：解剖位置、临床症状及体征均无明显改善或更加严重。治疗总有效率=(治愈+有效)/总例数×100%。②患者术前、术后2年的生活质量评价，分别采用盆底生命质量影响问卷表(PFIQ-7)和盆底障碍性疾病症状问卷简表(PFDI-20)进行评分，分数越高表明患者生活质量越低[8]。③围手术期并发症发生率。④两组患者的手术指标及住院情况，包括手术时间、术中出血量、平均住院时间、平均住院费用。

2.1.2 用水效率的时间分布 在研究时间段内天山北坡经济带7个主要城市用水效率年平均值的大小为：2012>2013>2014>2011>2015>2009>2010>2008>2007>2006>2004>2005，说明在2004—2015年，2012年是用水效率最高的年份。奎屯、乌苏、昌吉、乌鲁木齐、阜康、克拉玛依和石河子市用水效率超效率值年均增长率依次降低，分别为13.74%，7.82%，6.35%，2.85%，2.05%，1.84%和-1.36%。在2004—2015年，奎屯市和克拉玛依市分别是天山北坡经济带用水效率年均提高最快和最慢的城市。

综上所述，天山北坡经济带7个主要城市用水效率在时间上可划分为2个时期：2004—2008时期，用水效率普遍低于100%，但超效率值呈上升趋势，年增长率较高；2009—2015时期，用水效率基本高于100%，但超效率值每年浮动较大，年增长率不稳定，变化趋势呈“波浪形”。

2.1.3 各城市投入要素冗余情况 各投入指标松弛变量值衡量了在获得相同产出量(即：地区生产总值GDP)的情况下，使水资源利用超效率值达到100%时各投入指标可以减少的数量。以乌鲁木齐市和石河子市为例(表2)，在2006年，乌鲁木齐生态用水量、工业用水量和生活用水量在理论上分别可以节约40，2 580和4 780 t；就业人口可以减少8.41万人。可以看出，乌鲁木齐市在就业人口和生活用水方面存在较严重的浪费情况，节水潜力较大。乌鲁木齐市作为天山北坡经济带的核心城市，人口总数和就业人员均是7个城市中最多的，人口数量是制约乌鲁木齐市水资源利用的主要因素。随着经济的发展，城市化进程不断加快，人口不断向城市集聚，人口数量的增加导致了就业和生活用水的双重压力，因此，一方面政府应该合理控制涌入城市的人口数量，以缓解就业压力；另一方面应推行城市居民住宅生活节水和公建市政节水的措施，以减少生活用水。

表2 2004-2015年各投入指标的松弛变量值

续表2

年份乌鲁木齐克拉玛依石河子昌吉阜康乌苏奎屯S-1————0——S-20．5001．1580．024—0．035—0．1102008S-30．0340．0790．634—0．332—0．154S-4——2．315—1．974—3．045S-50．222———0．038——S-622．6090．308——1．716—0．349S-1———————S-2—0．227————0．1662009S-3—0．110————0．220S-4——————3．224S-5———————S-6—2．421————1．501S-1———————S-2————0．0080．0500．1292010S-3—————0．1620．027S-4—————1．4310．742S-5————0．018——S-6————0．2430．4610．414S-1———————S-2———————2011S-3——————0．604S-4——1．375———1．215S-5——0．062———0．030S-6———————S-1———————S-2—————0．024—2012S-3—————0．047—S-4—————0．283—S-5—————0．045—S-6———————S-1———————S-2————0．0300．048—2013S-30．012———0．0800．022—S-4—————0．194—S-50．041———0．0300．033—S-65．350———0．237——S-1———————S-2—————0．019—2014S-3—————0．002—S-4—————0．410—S-5—————0．015—S-6———————S-1—33．169—————S-2———————2015S-3—0．174—————S-4—1．355—————S-5———————S-6—0．698—————

在2008年，石河子市在生态用水量、工业用水量和农业用水量在理论上分别可以节约240，6.34×103和2.32×104t。由此可见，石河子市在农业用水方面存在较严重的浪费情况，节水潜力较大。石河子市作为新疆生产建设兵团直辖市，以农业为依托，是一座工农结合、城乡结合的军垦新城，耕地面积共计1.97×103km2。对于石河子市来说，农业用水成为制约该城市水资源利用的主要因素，因此，政府应合理控制农业用水量、大力推行节水农业，以此提高该市的用水效率。

2.2 用水效率Malmquist生产力指数

由表3，图1综合可知，2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市水资源TFP指数波动幅度较大，且增长不稳定，呈现“W”型。在2004—2015年的11个时期内，半数以上(6个)时期的全要素生产率指数有所上升(TFP>1)，说明水资源利用效率总体上呈逐年递增趋势；其中2006—2008，2011和2014年的TFP值均小于1，分别为0.862，0.815，0.508，0.402，0.643，说明以往年份的水资源利用效率还有进一步提升的空间，今后各城市可据此采取必要措施，提高用水效率。

表3 2004-2015年天山北坡带7个主要城市水资源分年全要素生产力指数及分解

2.2.1 各要素对全要素(TFP)指数的贡献 天山北坡经济带7个主要城市水资源TFP指数与技术变化2条曲线的变化趋势高度一致(图1)，表明技术变化是导致TFP增长的主要原因。在2005，2009，2010，2012，2013和2015年技术变化值均大于1，其增长的快慢决定了TFP的增长，说明技术进步对提升水资源的利用效率具有正向影响。因此，技术进步有助于提高用水效率，加大科技投入对于提高天山北坡经济带7个主要城市用水效率非常必要。

图1 各指数与全要素指数的简单回归

根据表3可知，天山北坡经济带7个主要城市水资源利用的规模效率(sech)总体呈下降趋势，制约了水资源利用效率；而纯技术效率(pech)在2004—2015年没有变化，说明其对水资源利用效率和技术效率的贡献均不明显。

2.2.2 各城市水资源利用效率的制约因子 表4显示了2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市水资源利用效率分城市TFP指数及分解，从表4中可知，2004年以来天山北坡经济带7个主要城市平均增长率为负(TFP<1)，TFP平均指数仅为0.927，年均衰退7.3%，说明天山北坡经济带7个主要城市整体表现为衰退趋势。其中乌鲁木齐市的衰退趋势最为明显和严重，TFP指数仅为0.778，年均衰退22.2%。从TFP指数分解的年均增长率来看，纯技术效率保持不变；技术变化年均下降6.9%；规模效率和技术效率变化均下降0.4%。其中技术变化下降趋势最为明显，是制约整体用水效率提升的主要原因。TFP受技术变化的制约程度较大，说明技术在很大程度上制约了天山北坡经济带7个主要城市水资源利用效率的提高。

从具体城市上来看，TFP指数排名第1的是奎屯，增长了5.6%，说明奎屯市TFP指数增长率较快且超过了平均水平。奎屯市的超效率值排名第6，处于中等偏下的位置，但增长率却排名第1，说明该城市用水效率提升很快。其余6个城市增长率均出现负值，尤其是乌鲁木齐市衰退最为明显，年均衰退22.2%。但是其超效率值却排名第2，处于中等偏上位置，说明该城市应该提高增长率和保持用水效率。天山北坡经济带7个主要城市中，技术变化增长率最快的是奎屯市，年均增长率为5.6%，同时，奎屯市也是TFP指数排名第1的城市，进一步说明技术变化是提高用水效率的主要推动力。

表4 2004-2015年天山北坡带7个主要城市水资源分城市全要素生产力指数及分解

3 天山北坡经济带主要城市用水效率的空间依赖性

空间滞后随机效应模型的估计结果见表5。从SAR模型估计的结果来看，空间变异系数λ估计值为0.594 890，p<0.001，说明用水效率存在极显著的空间正相关，即具有空间依赖性，表明天山北坡经济带各城市用水效率除了受当地因素的影响之外，还受周边相邻城市用水效率的影响，即相邻城市用水效率的提高会促进当地用水效率的提高。并且在时空尺度上，在0.05显著水平下，总用水量、生活用水、人口和生态用水与用水效率显著相关，表明总用水量、生活用水、人口和生态用水对用水效率的影响较大；而城市间距离、工业用水和农业用水与用水效率的相关性不显著。

表5 空间滞后随机效应模型估计的结果

注：S1为全年固定资产投资总额，S2为生态用水量，S3为工业用水量，S4为农业用水量，S5为生活用水量，S6为就业人口；***表示p<0.001; **表示p<0.01“”; *表示p<0.05;·表示p<0.1。下同。

表6综合了天山北坡经济带7个主要城市在2004—2015年影响用水效率的各个因变量的溢出效应，以生态用水量的溢出效应为例，SAR模型估计的结果显示，生态用水量每减少1%，导致用水效率增加0.445 833%(总效应)，其中直接效应增加0.207 009%，间接效应增加0.238 824%。表6的结果与表2的部分结果相吻合，这是因为表6综合了时间和空间的尺度，而表2是将时空尺度分开来计算的。

表6 空间溢出效应

4 建议及结论

(1) 在时间上，天山北坡经济带7个主要城市用水效率在2004—2008年时期普遍低于100%，但超效率值呈上升趋势，年增长率较高；在2009—2015年时期，用水效率基本高于100%，但超效率值每年浮动较大，年增长率不稳定，变化趋势呈“波浪形”；在空间分布上可划分为2个区域：乌—石—克—昌—阜区域，水资源超效率平均值均超过100%；乌—奎区域则低于100%。在总体时空分布上，天山北坡经济带主要城市2004—2008年时期的水资源利用效率低于2009—2015年时期；乌—石—克—昌—阜区域水资源利用率高于乌—奎区域。

(2) 2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市水资源TFP指数波动幅度较大，且增长不稳定，呈现“W”型；技术变化是制约天山北坡经济带7个主要城市水资源利用效率提升的主要因素。

(3) SAR模型表明用水效率具有空间依赖性。在时空尺度上，总用水量、生活用水、人口和生态用水与用水效率显著相关，但城市间距离、工业用水和农业用水与用水效率的相关性不显著。总用水量、生活用水、人口和生态用水对用水效率的影响较大。

由以上结论可知，乌鲁木齐市作为天山北坡经济带的核心城市，人口数量是制约乌鲁木齐市水资源利用的主要因素。随着经济的发展，城市化进程不断加快，人口不断向城市集聚，人口数量的增加导致了就业和生活用水的双重压力，因此，一方面政府应该合理控制涌入城市的人口数量，以缓解就业压力；另一方面应推行城市居民住宅生活节水和公建市政节水的措施，以减少生活用水。石河子市作为以农业为依托的工农结合、城乡结合的军垦新城，农业用水成为制约该城市水资源利用的主要因素，因此，政府应合理控制农业用水量、大力推行节水农业，以此提高该市的用水效率；克拉玛依、昌吉市政府需要调整固定资产投资和就业人口的比例；阜康、乌苏和奎屯市政府需要大力发展第三产业，转变经济结构。

并且，各市政府均需要大力改进生产技术，普及节水工艺，从技术层面提升用水效率；同时，积极引入市场机制，尽快形成反映水环境成本的水资源定价机制，通过市场化手段引导水资源的节约，促进用水结构的优化，减少高耗水产业，提高用水效率；还需要合理规划生产要素投入规模，平衡各城市间的水资源投放比例；此外，技术变化值增长的快慢决定了TFP的增长，说明技术进步对提升水资源的利用效率具有正向影响。因此，加大科技投入对于提高技术进步贡献率对提高用水效率非常必要。

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