黄河流域水资源利用效率分区研究

党丽娟

(1.国家发改委国土开发与地区经济研究所，北京 100038；2.中国宏观经济研究院国土开发与地区经济研究所，北京 100038)

黄河流域生态保护和高质量发展已上升为重大国家战略。作为我国重要的生态屏障和重要的经济地带，流域水资源短缺严重限制了流域的经济高质量发展，威胁着流域乃至全国的生态文明安全。2018年，黄河流域地表水开发利用率高达71.6%，远超过国际公认的40.0%的水资源开发生态警戒线。在有限的水资源供给条件下，提高水资源利用效率是平衡社会经济可持续发展、水资源需求与生态环境保护之间的矛盾的关键。因此，必须破除资源环境约束瓶颈，科学高效地利用水资源，促使发展方式由投入型向效率型转变，使节水和生产相互协调，并促进产业增长方式转变和产业布局优化与结构升级，真正实现绿色发展，从而推进流域生态文明建设和高质量发展。

为保持重要生态系统的完整性、资源配置的合理性，按照地区经济和资源利用与黄河流域的关联性原则，在分析生态保护和经济高质量发展等领域时，根据实际情况将黄河干支流流经的69个地市(州)确定为研究对象。受到数据统计口径的限制，本文研究范围中个别单元涉及长江、内陆湖、海河等其他流域。

1 黄河流域水资源开发利用特征

1.1 黄河流域农业用水占比高、水资源超载问题突出

黄河流域水资源贫乏且空间差异显著，2018年流域水资源约占全国总量的2.70%，流域水资源总量在空间上呈现由西向东递减的趋势。流域以地表供水为主，地表供水占比达77.30%，地下水供水量相比其他流域较高。用水方面，农业用水占比约70.00%，远高于世界发达国家农业用水占比40.00%的水平，但近20年来流域农业用水占比已下降11.44%；工业、生活、生态环境用水占比分别为14.36%、12.21%、4.37%，远低于长江流域56.69%、37.98%、14.76%的水平[1]。

黄河流域水资源开发程度总体较高，属重度利用类型。甘肃、河南、山西、内蒙古的黄河水资源利用率分别为46.97%、54.03%、54.30%、59.54%，均超过40.00%的国际公认水资源开发警戒线；山东省水资源利用率为89.01%，水资源严重短缺，面临生态恶化等问题；宁夏超过100%，为极限利用状态，且该地区88.05%的供水来源为黄河水，如遇上连丰水或枯水年份，会造成频繁的水旱灾害，水资源安全受到极大挑战。黄河流域高达37.14%的城市处于水资源极限利用状态，水资源超载问题突出。

1.2 流域上游地区用水水平低于中下游地区，工业用水较为节约

黄河流域各项用水指标中，黄河流域工、农业用水较为节约，2018年黄河流域灌溉亩均用水量、万元工业增加值用水量相当于全国平均值的63%，流域上游地区的用水水平低于中下游地区。

农业用水方面，受气候土壤条件、作物结构及需水量、灌溉设施技术等影响，上游农业用水量明显高于下游地区，低于全国平均水平的地市占比约62.90%；海西州(730m3/亩，流域最高值)为吕梁(51m3/亩，流域最低值)的14倍，空间差异显著。宁蒙河套灌区和下游引黄灌区用水方式粗放低效，漫灌用水量占比高达80.00%，流域农田灌溉水有效利用系数仅为0.490，低于全国0.554的平均水平，更与发达国家0.700～0.800的系数存在较大差距，表明黄河流域农业节水潜力仍有进一步挖掘空间。

工业用水方面，黄河流域万元GDP用水量为85.69m3，低于全国66.80m3的平均用水量；万元工业增加值用水量为25.96m3，小于全国41.30m3的用水量，工业用水较为节约，用水水平已达到发达国家的用水水平。受自然资源禀赋、经济社会发展水平、产业结构与空间布局及节水技术等影响，黄河流域高达68.60%的地市工业用水水平高于流域平均值，主要分布在太原城市群、呼包鄂榆地区、中原经济区、关中—天水地区等地，最高值、最低值相差约89倍，空间差异显著。近20年来，黄河流域万元工业增加值用水量减少约90.00%，这与我国实行最严格的水资源管理制度密切相关，可见通过合理调整产业布局和结构、推广先进节水技术工艺，提高工业重复水利用率、减少工业废水排放等措施能够促进工业用水水平的提升。

2 基于DEA模型的水资源利用效率分析

2.1 水资源利用效率的测算评价方法与指标体系

目前水资源利用效率常用的评价方法为数据包络分析(DEA)模型法[2]。因此，本文利用数据包络分析(DEA)理论，基于用水的期望输出(直接经济产出)和非期望输出(污水排放)双重视角选择评价指标[3]，利用CCR模型对2000年、2018年黄河流域各地市的用水效率进行评价。输入指标包括农业用水量、工业用水量、生活用水量、劳动力和固定资产投资总额，其中各部门用水量数据分别来源于各省相应年份的水资源公报；以按三次产业划分的就业人员总数表征劳动力投入；以固定投资总额表征资本投入，相关数据来自于各省份或各市的统计年鉴。输出指标包括农林牧渔业总产值、工业总产值、生活污水集中处理率、地方财政一般预算内收入、居民平均工资，相关数据均来自于各省相关统计年鉴、《中国城市统计年鉴》《中国区域经济统计年鉴》《中国环境统计年鉴》、各省水资源公报以及wind数据库等，个别地市2000年的生活污水集中处理率指标无统计数据，按照该地市所在省份均值或相邻前后年份数据的均值补齐。

2.2 黄河流域水资源利用的时空分异特征

根据已有研究[4]，决策单元是否为DEA有效的评价标准为效率值是否达到1，即当θ=1时，决策单元有效；当θ<1时，决策单元无效；θ值越接近1效率值越高。基于2000—2018年黄河流域各地市水资源利用效率的实际值，为便于进行对比，本研究中将θ=1设定为高效率，0.7<θ<1为中效率，θ≤0.7为低效率。利用该标准，对各个地市州用水效率水平进行分析。2000年、2018年黄河流域各地市用水效率空间分布见图1。

图1 2000年、2018年黄河流域各地市用水效率空间分布情况

总体上，基于投入和产出的DEA CCR模型计算结果，黄河流域用水效率处于高等效率水平，2000—2018年用水效率平均值为0.83，且上游的用水效率高于中下游的用水效率。从空间分布来看，黄河流域各地市用水效率呈现“东低西高”的空间分布特征，2018年流域内各省份用水效率值较高的有内蒙古、陕西和山东，较低的有四川阿坝和甘孜州、河南和山西；流域内用水效率较高的地区分布在流域上游的乌兰察布、吕梁、巴彦淖尔、鄂尔多斯、阿拉善盟、阳泉、玉树州等地，效率较低的地区主要集中在中下游地区的山东、河南、山西和陕西的沿河地带，如石嘴山、海东、甘孜州、德州、白银、吴忠、濮阳、滨州等地。

从时间变化趋势上看，2000年各地市用水效率平均值为0.88，处于高等效率状态。其中，用水效率为高等水平的地市单元共有35个，占总数的50.00%，主要分布在青海、内蒙古、山西大部分地市，这些地市水资源利用效率处于较高水平；用水效率为中等水平的地市共有22个，包括忻州、开封、焦作、郑州、临汾、海北州、乌海、洛阳、新乡等，占总数的31.43%；用水效率为低等水平的地市主要分布在榆林、石嘴山、德州、吴忠、济宁、滨州、白银、泰安、宝鸡、聊城，占总数的18.57%。用水效率较低的地区，主要是因为该地区有大量的煤化工、电力、钢铁等高耗水产业，且黄河流域普遍存在农业用水占比较大的问题，使这些地区水资源过度利用的现象较为严重，同时这些地区该年份工农业节水科技含量低，节水技术与设施推广范围有限，部分企业用水粗放、单位产品耗水量较高，导致用水效率低下。

到2018年，黄河流域用水效率水平整体有所下降，各地市用水效率平均值降为0.80。其中，高效率的地市单元数量减少了17.14%，用水效率降低的地市主要分布在西宁、运城、济源、庆阳、朔州、晋中、安阳、长治、定西、晋城等。中等效率水平的地市单元数量虽变化不大，但空间分布有明显变化，其中包括2000年用水效率降低的地市，如淄博、中卫、太原、包头、武威、甘南州、阿坝州；此外还包括用水效率提升的地区，如石嘴山、德州、吴忠、济宁、滨州等，工农业产出的大幅增加，以及该年份水资源总量超出多年均值是其效率上升的主要原因。低等效率水平的地市单元数量增加了14.29%，主要分布在延安、晋城、定西、长治、安阳、晋中、朔州、庆阳、济源、运城等地，这些地区经济产出均较高，但污水排放和处理率偏低，如延安市生活污水处理率、工业用水重复利用率分别为91.80%、16.67%，远低于全国95.00%、89.82%的平均水平，可见水污染会导致流域用水水平普遍下降。

从空间分布特征的变化趋势来看，用水效率中等及以下水平的地区开始向黄河流域中游及中下游地区转移，用水低效地区的空间分布与我国能源化工基地和资源型城市的空间分布重合度较高。这些地市大多位于西北地区，是我国最大的煤炭开采和煤炭深加工基地、天然气和水能开发基地、钢铁工业基地、有色金属工业基地、奶业基地，行业本身具有高耗水特性，同时产生了大量的污水排放，因此用水效率较低。而上游地区，如内蒙古的大部分地市用水效率比较稳定，2000—2018年水资源效率均值稳定在0.96左右，这与黄河干流分水方案使内蒙古的分水取得良好效果有关。用水效率等级降低的地区主要以黄河沿岸地区为主，如淄博、中卫、太原、包头、武威、甘南州、阿坝州、庆阳、延安、临汾、运城、焦作、新乡、开封。这一结果在一定程度上表明了近20年来黄河流域大部分地市水资源的利用方式是以“高消耗、高污染、低产出”的粗放型利用为主，而在水资源长期短缺情况下，提高水资源利用效率这一问题未能得到重视。

为进一步对比各项用水水平与用水效率之间的关系，本研究对三类用水效率水平下各地市各项用水指标的平均值进行了统计，结果显示用水效率为高水平的地区各项用水指标均优，反之亦然(见表1)。万元GDP用水量这一指标体现最为明显，高用水效率地区的万元GDP用水量仅为57.56m3，分别为中、低效率地区指标值的81.23%、47.01%。从用水效率提升的地区分布特征来看，这些地区主要包括榆林、济宁、渭南、石嘴山、吴忠、咸阳、德州、滨州、呼和浩特等，是我国最大的煤炭开采和煤炭深加工基地、天然气和水能开发基地、钢铁及有色金属工业基地，作为典型的资源型城市，这些地区近年来通过技术革新和产业转型升级，各项用水指标在全国处于领先水平。以榆林市为例，该市以能源化工行业为主导产业，其万元GDP用水量、万元工业增加值用水量仅为7.12m3、3.23m3，远低于全国73.00m3、45.60m3的平均水平，这与榆林多年来致力于集约化、集聚化的循环产业密不可分，以“煤制油”为例，新型专利技术能将耗水量下降75%，这也证明了通过提高技术水平可以达到水资源的产出最大化。

表1 水资源利用效率分类的用水指标均值对比情况

2.3 基于主体功能区划的类型区划分

黄河流域范围内主体功能区类型较多，上中下游资源禀赋和经济发展阶段空间分异特征显著，各地区承担的功能类型不同，势必会造成水资源效率值高低不一的特征，即使同等水资源效率水平也会因为功能区类型不同产生不同涵义。

将全国主体功能区划中农产品主产区、重点生态功能区和主要城市化地区的空间分布特征，与前文的水资源利用效率的分级结果进行叠加分析。结果表明：在全国主要的农产品主产区中，中上游地区主要以鄂尔多斯市的高效率水平为主；中游地区分化特征较显著，以低效率水平为主的地区分布于山西省的晋中、长治、临汾、运城等地，而以高效率水平为主的地区主要位于陕西省的渭南、咸阳等市；下游地区呈现出由西向东递增的趋势，河南省境内主要是低效率水平，而山东境内主要以中高等效率水平为显著特征。重点生态功能区的水资源效率水平则呈现出由北向南、由西向东递减的趋势，高效率水平主要有海西、玉树、果洛、海南州、固原、吕梁等地，中低效率水平主要有甘南、黄南州、庆阳、临汾和甘孜、阿坝州等地。主要城市化地区除呼包鄂榆地区、关中—天水地区、山东半岛为高中效率水平地区外，其余均为中低效率水平。

同样的主体功能类型区在不同的地区其水资源利用效率不同，水资源利用效率产生差异是产业结构、水资源管理配置等和技术进步(如技术引进、产品研发等)共同作用的结果[4]。这也意味着只有针对水资源利用加大技术投资，才能有效提升水资源利用效率；除在生产过程中要注重节水外，水环境的提升也对提高水资源利用效率至关重要[5]。

2.4 基于用水与排污的水资源效率类型区划分

为了综合分析用水技术和排污这两个维度对用水效率的影响，本文采用R&D经费内部支出占比表征技术投入，用万元GDP工业污水排放量表征污水排放情况，取各个指标现状值的中位数值绘制象限图，见图2。从图2中可以看出，第一象限内分布了宝鸡、济源、泰安、吴忠、东营、乌海、晋城、长治、淄博、焦作、新乡、中卫、滨州共13个地市单元，这些地市排污量相对较大，R&D投入占比也较大，故将此类地区划分为“优先减排型”地市。在未来的水资源开发利用和管理过程中，主要任务是在保持或提高现有用水效率的基础上，重点关注工业和生活废水排放情况，根据国家节能减排的要求，加大减排防控力度，提高污水处理率，以提升用水效率。

图2 中低等用水效率地区技术投入水平与污染排放分类分区

第二象限分布了咸阳、西宁、临夏、吕梁、石嘴山、巴彦淖尔、临汾等11个地市，这类地市排污量相对较大，R&D投入占比较小，可将此类地区归纳为“节水减排并重型”地区。该类地区大多是以重化工业和农业为主导产业，工农业排污量大，灌溉设施和技术水平较低，工业节水和重复利用水平较差，未来提升用水效率需从提升用水技术水平，以及控制污水排放和提升污水处理率等方面同时施力[6]，以满足经济社会高质量发展的需要。

第三象限分布了阿拉善盟、甘孜、甘南、庆阳、定西、天水等13个地市单元，以低污水排放和低R&D投入占比为主要特征，污染排放量低，污染排放防控压力小，可将此类地区划分为“优先节水型”地区。为满足经济发展速度与质量要求，在保持污染防治力度的基础上，应尽快加大用水和节水科技水平的发展力度，大力推广节水灌溉技术的应用，提升工业节水水平[7]，提高用水效率。

第四象限内共有10个地市，分别是西安、白银、济南、郑州等地，这些地市排污量相对较小，R&D投入占比较大，且经济人口产业集聚规模较大，面临着水资源的大量需求和消耗，可将此类地区划分为“总量控制型”。未来水资源管理中，需要控制水资源的总量增长[8]，继续减少污水排放，适当提升水资源管理水平和技术水平，保证流域经济社会高质量、可持续发展。

3 结论与建议

3.1 主要结论

黄河流域用水效率处于高等效率水平，呈现出东低西高的空间分布特征，高效率地区集中分布在流域上游地区，效率较低的地区主要集中于中下游地区的沿河地带。2000—2018年，流域用水效率水平整体有所下降，高效率地区占比减少了17.14%，低效率水平增加了14.29%，中等效率水平的地市空间分布有明显变化。用水效率提升的地区主要是我国最大的能源化工基地，技术革新和产业转型升级显著提升了用水效率。用水效率降低的地市向黄河流域中游及中下游地区转移，长期以往“高消耗、高污染、低产出”的粗放型利用为主的方式是流域用水效率低下的主要原因。

3.2 建议

针对“优先节水型”城市：ⓐ应适当调整作物种植结构类型，根据水资源禀赋条件调整种植结构，尤其是在地下水超采区适当减少高耗水作物的面积，增加小杂粮、向日葵、马铃薯等低耗水作物种植面积，这类作物已被证实在黄河流域用水量最少，且最适应地域特色，可开辟特色产业化差异化发展途径；ⓑ对于巴彦淖尔、德州等灌溉用水大户，应大力推广喷灌、滴灌、低压管灌溉等先进的节水技术，形成完整、高效的农业节水体系[9]；ⓒ推行合同节水管理，建立农业用水制约机制，减少农业占用地下水资源现象[10]。

针对“优先减排型”城市：ⓐ减少高污染企业数量，加快呼包鄂榆和乌海等地减排技术的改造和推广，使城市的减排技术水平与经济发展速度相适应；ⓑ推广榆林经验，发展规模集聚经营，建立延长产业链，促进企业技术升级，实现工业用水循环利用，加大废污水处理能力，提高污水回用率，建立相关激励政策，鼓励用水户减少污水排放量，推广发展循环经济和清洁生产；ⓒ全面落实最严格环境保护标准，形成严格的生态红线和环境底线，制定最严格环境标准体系，严格污染物排放标准等。

针对“节水减排并重型”城市：ⓐ进一步落实最严格水资源管理制度，强化节水建设的监督考核，从法律法规上为实施最严格水资源管理制度提供保障；ⓑ以节水型社会为载体，建立用水总量和排污总量的考核制度、取用水统计报表和监控制度、水源地和重点水功能区的水质监测制度等，从“需求侧”解决清洁水源水量不足，从“供给侧”解决污水排放水量过多的水质型缺水问题[11]。

针对“总量控制型”城市：ⓐ应在提高效率的同时，保持用水总量和排污总量不增加的可持续发展状态；ⓑ继续减少污水排放，适当提升水资源管理水平和技术水平，保证流域经济社会高质量、可持续发展；ⓒ在水资源利用技术进步和合理优化配置投入要素等方面采取相应措施，构建集约节约的水资源利用体系，提高水资源重复利用率，促进水资源循环利用。