“水生态—社会经济”协同发展效应研究

张 英

(浙江水利水电学院 建筑工程学院， 浙江 杭州 310018)

水不但是社会发展中的基础性自然资源，也是战略性的经济资源。水是生态环境中最活跃、影响面最广泛的制约性要素之一。做好水资源管理,协调好“人口—水资源—环境”间的关系，科学配置水资源要素，实现水资源的可持续利用，对经济社会发展具有重要的意义[1]。浙江省“十三五”期间投资近千亿推进“百河综治”工程，在水生态环境修复、重建、稳定、保护等管理过程中，促进并实现人水和谐，释放并提升社会经济发展带给人民的生态红利，为经济社会可持续发展提供水生态支撑，最终保障人民享受水生态文明建设的成果。

目前水生态所存在的问题突出表现在：(1)水质污染严重，水环境恶化，水体的许多正常功能丧失；(2)人类生活、生产活动干扰了水生生物赖以栖息的生活环境，导致生物多样性下降；(3)水源匮乏，生活生产所需水的供需矛盾突出；(4)当前整体的用水方式较为粗放，水资源浪费现象较为严重；(5)多种原因影响导致的湿地萎缩，水生态环境退化等。

城市对水生态的需求不只是取水、用水、排水的简单循环，还有对水资源的其他多元化需求。社会经济发展需要水资源的支撑，人民生活生产对水资源的需求也在不断提升，社会经济发展与水生态之间密切相关[2]。显性化水生态和社会经济发展间的协同程度将为水生态协调发展提供新的评价途径。

1 系统协同发展研究思路

为有效评价系统协同发展，首先构建了本区域“水生态—社会经济发展”系统，其下包括水生态指标体系和社会经济发展指标体系两个子系统，水生态子系统体系从水环境开发利用、废污水排放回收、水工程设施建设等3个层面设置了8个输入指标和1个输出指标，社会经济发展子系统则涵盖9个指标。随后选用DEA模型对“水生态—社会经济发展”系统进行协同发展程度评价，评价了两个子系统和总系统的技术协同有效度、规模发展有效度和综合有效度等协同发展状况，量化整个系统的投入产出情况，为区域水生态管理政策制订与调整提供依据和参考，研究思路(见图1)。

图1 “水生态—社会经济发展”系统综合评价思路

2 数据包络分析法(DEA)

系统协同发展效应评价不但能检测系统协同发展状态，也将对系统协同发展目标、结构、功能等进行深化和优化。“水生态—社会经济发展”系统评价对象包括：水生态系统、社会经济发展系统和整体系统。每个系统都是涵盖多方面、多角度、不同层面的综合性指标体系，因此系统中的指标体系权重设定和功效值函数计算都要尽可能客观，才能保证评价结果的可信度和公信度。

DEA(data envelopment analysis)基于相对效率概念提出的一种效率评价方法[3]，该方法不需要预先估计权重参数和函数模型，从而大大提升了整个评价的客观性[4]。DEA法是在保持决策单元DMU的输入或输入不变前提下，根据数学规划方法和统计数据计算得到相对有效的生产前沿面，再分别将DMU投影到DEA的生产前沿面上，比较每个DMU与前沿面的偏离程度便可评价其相对有效性[5]。

DEA模型中，假设有n个决策单元DMUj(j=1,2,…,n)，任一DMUj单元均包括有多个输入和多个输出，输入表示研究单元DMUj耗费的资源，输出则表示研究单元DMUj基于资源输入所取得的成效，此处用m表示单元输入类型个数，s表示单元输出指标数目[6]。第j个决策单元DMUj用(Xj,Yj)表示，第j年的输入和输出分别为：xj=(x1j,x2j,…,xmj)T>0；yj=(y1j,x2j,…,ysj)T>0。输入、输出权向量为：υ=(υ1,υ2,…,υm)T；u=(u1,u2,…,us)T。每个决策单元的效率评价指数hj=uTYj/υTXj。总可以适当地选择权系数υ和u，使其满足hj<1。

系统目标评价的DEA(C2R)模型如下：

uk≥0；k=1,2,…,s；υi≥0；i=1,2,…,m

其中：xij为DMUj中第i个输入指标量，xij>0；ykj为DMUj中第k个输出指标量，ykj>0；vi为DMUj中第i个输入指标权重；uk为DMUj中第k个输出指标权重。

采用charnes-coopor变换，根据对偶理论，构造具有阿基米德无穷小量ε的对偶模型为：

其中：θ为综合技术规模效率指数(综合效率指数)，0<θ≤1；λj为权重变量；s-为松弛变量；s+为剩余变量；ε为非阿基米德无穷小量(一般取10-6)。

若某一区域评价单元的综合效率指数值趋近于1，则表示该DMU具有高投入产出比，该单元DMU的生产效率水平高[7]，反之表示该单元DMU的生产效率水平低，应进行适当的改进和优化。

3 耦合系统协同发展研究

根据模型特性和研究目标，将不同年份的“水生态—社会经济发展”系统作为决策单元DMUj，进行数据的输入和输出，以DEA模型考察总系统间及子系统的协同有效度、发展有效度和协同发展有效度，为后续科学决策提供相应的依据。DEA方法在评价中的具体应用步骤：确定系统评价目标；建立评价指标体系；收集基础数据和整理资料；进行DEA模型的计算分析；对计算结果进行评价，提出改进和优化的对策建议。

协同发展有效性是技术有效性与规模有效性的综合，即“协同发展(综合)有效性=技术有效性×规模有效性”。技术有效性表示DMU中各生产要素结构比例和协同程度，规模有效性反映DMU的投入和产出比例关系和规模发展程度。协同发展(综合)有效性表示DMU在有效前沿面上各生产要素组合比例、投入和产出规模状态。

3.1 指标选取与加工

研究遵循系统评价指标体系的构建原则，从能反映出评价目的和评价内容的研究目标出发，结合水生态与社会经济发展代表性指标，构建出的“水生态—社会经济发展”系统指标体系(见表1)。输出指标选取“收益型”指标，输入指标选取“成本型”指标。最终确定的“水生态—社会经济发展”系统分为两个子系统，每个子系统均为9个指标。“水生态系统”输出指标为“农林牧副渔总产值”；从水环境开发利用、废污水排放回收、水工程设施建设3个层面考虑，选取了8个指标作为输入指标[8-10]，“社会经济发展系统”输出指标为“国民生产总值”，8个输出指标主要是基于考虑个体、社会组织等方面确定的。本研究范围选取为1998—2016年，将研究范围内每年的“水生态子系统”与“社会经济发展子系统”作为决策单元(DMU)，汇总历年系统的输入输出指标数据进行协同发展状况计算。

表1 “水生态—社会经济发展”系统指标体系

备注：①居民总消费水平指数以1978为基数；②表中数据来源于浙江省统计年鉴和浙江省水资源公报。

3.2 协同发展效度计算

以研究时间段内每年的“水生态—社会经济发展系统”作为DMUi进行系统协同发展有效性计算。基于技术协同有效性、规模发展有效性和综合有效性的关系式，将其定量化后得到的关系式为：“综合(协同发展)有效度VEi=技术协同有效度TCi×规模发展有效度SDi”。若VEi、TCi或SDi为1时，表明该DMU处于最优状态。VEi<1表示综合有效度为非有效，即该DMU单元中各生产要素配比不当，投入产出间未达到理想状态；SDi<1表示DMU的投入和产出比例关系未达到最佳状态，系统持续发展有效性欠缺。TCi<1表示DMU的中各生产要素内部结构比例不佳，协同度差。此处的“有效”表明在所研究系统现有输入量不变的前提下，现有的输出量为最大；或在现有输出量不变的情况下，系统的输入量为最小。“非有效”表示所研究系统单元的输入指标或输出指标间需要进行调整和优化，以促进单元有效性的生成。

3.3 系统内协同发展效度分析

水生态与社会经济发展系统协同发展评价包括子系统内、子系统间协同发展效度两个层面，每个层面都包括了技术协同有效度、规模发展有效度和综合有效度三方面指标的确定。

3.3.1 水生态系统

水生态系统协同发展评价结果(见表2)。1998年、2005年、2008年、2011—2014年、2016年份的水生态系统协同发展综合有效，总体投入与产出达到了生产前沿面，技术协同效应和规模发展效应均达到了有效状态，资源配置合理，生态效益和可持续发展状态良好。1999—2001年、2004年、2007年、2010年的规模发展非有效、协同有效，这些年份的投入和产出比例关系不佳，应进行调整和优化。2002—2003年、2006年、2009年、2015年份的规模发展非有效、协同非有效，这些年份研究单元中各生产要素配比之间失调，整体系统的投入产出状态不佳。

表2 水生态系统协同发展计算结果

备注：①drs表示该DMU需要缩小规模，irs标示的DMU需要增大规模;

②选用产出主导型的规模收益变化VRS模型,采用多阶段DEA法计算松弛变量。

2011年之前年份(除1998年、2005年、2008年外)综合有效度均<1，说明水生态投入要素出现了很大的偏差，即“万元工业产值用水量”“单位面积农田灌溉用水量”“人均每日平均用水量”“万元GDP工业废水排放量”“工业用水未重复利用率”“城市污水未处理率”等数据偏大，“农林牧副渔总产值”输出指标的产出偏小，系统内资源消耗与产出量之间的匹配程度不理想。应该优化这些年份水生态系统内输入指标的投入比例，适当增大系统规模，提高水生态资源的利用率，实现水生态效益并保持水生态环境的可持续发展[11-12]。随着近年来政府加大水生态环境治理和修复的力度，整体水生态取得了显著的提升和改善，本模型计算结果中2011—2014年、2016年的综合有效度均达到了理想状态。

2002年DMU单元计算数据表明：该年技术协同有效度为0.762，规模发展有效度为0.995，规模报酬收益需要增大。投入产出分析表明：该年“农林牧副渔总产值”应该比现在再增加343.229亿元，投入要素的投入冗余分别为：“万元工业产值用水量”22.980 m3/万元、“人均每日平均用水量”33.704 L、“万元GDP工业废水排放量”6.233 m3、“工业用水未重复利用率”14.106%和“城市污水未处理率”15.740%。投入要素之间、投入和和产出间结构比例不佳导致该年的综合效度<1。2015年技术协同有效度为0.953，规模发展有效度为0.994，该年规模发展非有效、技术协同非有效，该年“农林牧副渔总产值”应该比现在再增加143.859亿元。该年度需要适度缩小投入规模，进行投入生产要素内部结构比例调整和优化，以增强水生态系统的持续发展。

3.3.2 社会经济发展系统

对社会经济发展系统计算表明：1998—1999年、2002—2005年、2007—2016年系统协同发展综合有效，这些年份的规模发展有效度、技术协同有效度也为1.0。说明社会经济发展系统大部分年份中的技术协同效应和规模发展效应有效，整个系统的经济效益与可持续发展趋势进入良好状态。2000—2001年、2006年协同发展综合非有效，规模发展非有效、技术协同有效，这三年需要进一步增大发展规模(见表3)。总体而言，社会经济发展系统协同发展状况整体好于水生态系统，研究区间内社会经济发展系统的规模发展有效度、技术协同有效度和综合有效度平均值为：0.999、1.000和0.999。水生态系统对应的三个有效度平均值分别为：0.981、0.962和0.943。

表3 社会经济发展系统协同发展评价结果

备注：①drs表示该DMU需要缩小规模，irs标示的DMU需要增大规模；

②选用产出主导型的规模收益变化VRS模型，采用多阶段DEA法计算松弛变量。

3.3.3 系统间协同发展效应分析

子系统间的协同发展效应评价思路为：将水生态系统与社会经济发展系统的输入输出指标进行互换，形成两个新的交叉输入输出表，通过计算交叉输入输出系统历年DMU的技术协同有效度、规模发展有效度和综合有效度，来评价交叉系统的协同发展效应。以W代表水生态系统，S表示社会经济发展系统，将W的输入指标和S的输出指标构建起新的W/S系统。根据协同发展关系，W/S系统的综合有效度VEi(W/S)、技术协同有效度TCi(W/S)、规模发展有效度SDi(W/S)关系式为：VEi(W/S)=TCi(W/S)×SDi(W/S)。式中：VEi(W/S)∈[0，1]，TCi(W/S)∈[0，1]，SDi(W/S)∈[0，1]。若SDi(W/S)、VEi(W/S)、TCi(W/S)三个数值均等于1，表示W对S同时满足技术协同有效、规模发展有效和综合有效，则系统的输入输出关系达到最优状态。TCi(W/S)值越接近于1，则W对S的技术协同效果越好；SDi(W/S)值接近于0，则W对S的规模发展效果差。同理可得S对W的TCi(S/W)、SDi(S/W)和VEi(S/W)间的关系式为“SDi(S/W)=VEi(S/W)/TCi(S/W)”。“水生态—社会经济发展”系统间协同发展效应(见表4)。

1998—2016年间，社会经济发展对水生态的综合有效度均值、技术协同有效度均值和规模发展有效度均值分别是0.994、1.000和0.994，水生态对社会经济发展的综合有效度均值、技术协同效度均值和规模发展有效度均值为0.790、0.945和0.838。社会经济发展对水生态的协同发展效应明显优于水生态对社会经济发展的协同发展效应。在水生态相对稳定前提下，研究系统内的社会经济指标产出量偏小；在社会经济发展指标投入一定的情况下，整体水生态有较为明显的改善和提升。水生态支撑社会经济发展的能力明显有较大的提升空间，水生态与社会经济发展相互作用的整体表现为决策单元未达到理想的生产前沿面状态。

S/W系统的技术协同有效度(除2002年外)均为1，综合有效度处于理想状态。多数年份的规模发展有效度为1(2001—2002年、2006—2008年、2010年除外)。2001—2002年、2006—2008年、2010年这6年的可适当扩大系统发展规模，以提升并优化S/W系统投入和产出比例关系。2002年的S/W系统中，若“居民总消费水平指数”减少13.544，“万元国民生产总值电力消费量”减少0.266百kW/万元等，输出指标“农林牧副渔总产值”增加3.647亿元，则该年的DMU单元投入产出将达到良好状态。

表4 “水生态—社会经济发展”系统间协同发展效应评价

W/S系统的1998—2005年、2009年的综合有效度低于0.85，这些年份系统协同发展状况很不理想。其中2002年、2003年、2009年的技术协同有效度和规模发展有效度两项指标都远小于1，使得整体综合有效度与理想状态间有很大偏差。需要调整水生态系统投入资源间的比例和协同关系，协调和优化投入和产出关系以促使其进入良性状态。以2003年为例，该年综合有效度0.593，技术协同有效度0.702，规模发展有效度0.845。若2003年的系统输入输出指标体系能做适当调整，输出指标“国民生产总值”增加4118.634亿元，“万元工业产值用水量”减少55.437m3/万元、“人均每日平均用水量”减少29.697升、“万元GDP工业废水排放量”减少2.223 m3、“工业用水未重复利用率”减少10.098%、“城市污水未处理率”减少9.003%，则该年的DMU单元的协同发展将处于最优。而2015年的“国民生产总值”若能增加2 590.144亿元，则该年W/S系统DMU单元的协同发展达到理想状态。

2006—2016年(除2009年外)的综合有效度高于0.85，其中2008年、2011年、2014年、2016这4年DMU在有效前沿面上各生产要素组合比例适当、投入和产出规模最优，其他年份中的规模发展有效度<1(平均值为0.965 2)，其指标内部结构比例和协同关系有很大的提升空间，需要进一步加大各因素的投入规模以促使其达到理想状态。2006—2016年份(除2006年、2009年、2015年外)的技术协同有效度为1，这些年份DMU中各生产要素在经济学意义上达到了理想的组合状况。

4 结 论

从横向维度、纵向维度和时间维度三个视角，构建起系统协同发展的评价指标体系，运用DEA模型对水生态系统、社会经济发展系统、两系统协同发展效应开展评价，评价结果主要为：(1)随着水生态治理修复力度的加大，水生态取得了显著的改善，2016年、2011—2014年、2008年、2005年、1998年共8年协同发展综合有效，系统协同发展达到了理想状态，资源配置合理，可持续发展状态良好。其余11年份的规模发展非有效，应减少水生态输入指标(万元工业产值用水量、单位面积农田灌溉用水量等)的投入量，提高水生态资源的利用率。(2)1998—1999年、2002—2005年、2007—2016年的社会经济发展系统协同发展效应总体有效，达到投入与产出的生产前沿面，其余年份的协同发展综合非有效。(3)“水生态—社会经济发展”总系统协同发展计算数据表明：水生态对社会经济发展的协同发展效劣于社会经济发展对水生态的协同发展效应。水生态支撑社会经济发展的能力有较大提升空间，社会经济发展对水生态有明显的改善和提升作用。水生态与社会经济发展系统协同发展效应总体非有效，两者之间的决策单元尚未达到生产前沿面。在1998—2016年的研究期间内，S/W系统在多数年份的DMU技术协同有效度达到理想状态。W/S系统中有4个年份在有效前沿面上各生产要素组合比例适当；14个年份的技术协同有效度等于1，15个年份规模发展非有效。规模发展滞后的14个年份均需要适当扩大生产规模，2015年需要缩减规模，减少投入指标中的“万元工业产值用水量”“人均每日平均用水量”等输入指标，调整S/W系统中的投入资源间的比例，以协调和优化投入产出关系。(5)若要提升和促进总系统内要素的协同发展程度，需要调整“水生态—社会经济发展”系统内的物质流、信息流、能量流和价值流等，建议引入政府政策引导、市场运行驱动、企业行为规范、个体行动践行等相关的措施。

综合以上分析，提出以水生态需求管理为目标，深化以水功能区为载体的水生态建设区域性合作，推行人水和谐，尊重自然、生态富民的水生态治理理念，集成水生态修复技术，提高水生态环境管理和配置水平，建立水生态监测系统以保护水生态环境。只有可持续水生态环境管理保证我们的人们享用有限的水生态资源，实现水生态效益并保持水生态环境的可持续发展。