河南省水资源效率综合测度及时空分异

焦士兴，王安周，张崇崇，赵荣钦，尹义星，刘亚奇，马晓蕾

(1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455002； 2.洛阳市第十九中学，河南 洛阳 471000；3.河北工程大学地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038； 4.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046； 5.南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044；6.水利部黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004)

水是人类赖以生存和发展的基础性自然资源和战略性物质资源[1]。河南省常年人均水资源仅 440 m3，不足全国平均水平的1/5，属水资源严重短缺地区。随着社会经济高速发展，河南省用水量及废水排放量不断增长，据统计，2018年比2017年分别增加0.8亿m3和0.2亿t，水资源供需矛盾和水环境污染问题日益凸显[2]，因此提高用水效率成为解决水资源问题的重要途径。

国内外在测评方法、评价指标等方面开展了水资源效率相关研究。在评价方法方面，主要有比值分析法[3]、指标体系法[4]、随机前沿分析法(stochastic frontier analysis, SFA)[5-6]、生态功能法[7]、Leontief二次成本函数法[8]和数据包络分析法(data envelopment analysis, DEA)等[9-10]，其中DEA法避免了投入产出的函数关系及人为赋权的主观性，评价结果客观准确，运用最为广泛；在评价指标方面，多采用水资源、劳动力和资本等作为投入指标，以GDP为期望产出[11]，部分学者将灰水足迹、废水排放量等作为非期望产出[12]，用以分析水资源利用效率；在研究尺度和领域上，分别从国家、省域、农业、工业等方面对水资源效率进行评价[13-16]。

综上，国内外对水资源效率开展了大量理论和实践探索，但从水资源社会、经济和生态效益视角开展绿色效率的研究较少[17-18]，且基于非期望产出的市域层面研究相对薄弱。河南省作为粮食生产核心区和中原经济重点建设区，水资源短缺问题日益突出，因此，明确水资源效率状况并提出相应战略对策，对解决水资源问题具有重要现实意义。基于此，本文以河南省18市为研究单元，采用基于松弛变量的测量(slack-based measurement, SBM)-DEA模型研究2005—2017年水资源绿色效率，并与环境效率、经济效率进行对比分析，同时运用ArcGIS、GeoDa软件分析水资源效率时空特征和相关性，以期为促进河南省水资源持续利用提供参考。

1 水资源效率研究方法

1.1 水资源效率的界定

水资源效率是水资源产出效益与水资源及相关资源投入的比值[19]，是衡量水资源及相关资源投入与产出效益的重要标准。基于绿色发展的核心理念，水资源绿色效率用以综合测评水资源在经济、生态和社会等产出的效益，从而尽量减少水资源投入及非期望产出(如水环境污染等)、增大期望产出(如水资源产生的社会效益等)。根据孙才志等[18]对水资源效率的界定方法，衡量水资源经济效率是为了减少水资源及相关资源投入，使经济产出最大化；衡量水资源环境效率的目的是在水资源经济效率基础上，将污水排放总量作为非期望产出，以实现经济产出最大化、水污染最小化；衡量水资源绿色效率的目的则是在水资源环境效率基础上，将社会发展指数纳入期望产出，以实现经济产出最大化、社会最和谐化、水污染最小化，3种类型的水资源效率均以用水总量、劳动力和固定资产投资作为投入，但其产出有所区别。在水资源经济效率测评系统中，期望产出指标为国民生产总值(GDP)，应用模型为CCR(Charnes A, Cooper W W, Rhodes E)-DEA[16]；在水资源环境效率测评系统中，期望产出指标为GDP，非期望产出指标为污水排放总量，应用模型为SBM-DEA[18]；在水资源绿色效率测评系统中，期望产出指标为GDP和社会发展指数，非期望产出指标为污水排放总量，应用模型为SBM-DEA[18]。

1.2 SBM-DEA模型

传统的DEA模型仅考虑期望产出，未将非期望产出纳入，致使测度值与实际值之间存在误差。因此，本文采用Tone[20]提出的非径向、非角度的SBM模型，将投入产出的松弛变量写入函数中，使测度值更加准确。松弛变量即为冗余量，当评价单元存在效率损失(即水资源效率值ρ≠1)时，通过减少评价单元投入量或者增加期望产出量、减少非期望产出量，可使ρ=1，而增减部分即为冗余量。水资源效率值计算公式[16]如下：

(1)

(2)

1.3 空间自相关分析方法

空间自相关系数是度量地理单元空间相关性的指标，表征研究区域内集聚或者离散程度，被测空间之间距离越近相关性越强，距离越远相关性越弱。空间自相关系数包含全局空间自相关系数和局部空间自相关系数。

1.3.1全局空间自相关

全局空间自相关表示某一单元在整个空间范围内对空间的依赖程度，常用构成的莫兰指数散点图表示空间分布情况。计算公式[18]如下：

(3)

1.3.2局部空间自相关

局部空间自相关用以描述不同地理单元相似程度，常用LISA(local indicators of spatial association)呈现区域内地理单元间的空间集聚程度和分布状况；其空间集聚模式有4种类型：高-高关联、低-低关联、高-低关联、低-高关联。公式[21]如下：

(4)

式中Ii为城市i水资源效率的局部空间自相关指数。当Ii>0时，表示同一类型的城市存在空间集聚；当Ii=0时，表示不存空间集聚现象；当Ii<0时，表示不同类型的城市存在空间集聚。

2 指标构建及数据来源

河南省位于华北平原的南部，地貌东西差异明显，总面积16.7万km2，占国土总量的1.74%，是全国小麦、玉米、棉花、油料等农产品的重要生产基地之一。河南省地跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，属于温带大陆性季风气候，多年平均降水量为 767.37 mm，多年平均水资源总量为405亿m3，居全国第19位。河南省辖18个市，2018年末总人口10 906万人，2018年国内生产总值48 055.86亿元，居全国第5位，经济发展潜力巨大。

2.1 评价指标体系构建

水资源的开发利用是多种生产要素协同作用的结果，水资源、劳动力和资本等生产要素相结合才能带来经济产出和社会效益，根据柯布-道格拉斯生产函数以及相关成果[6,9-11,18]，投入指标多为劳动力、水资源量、资本存量、生活用水量，期望产出为区域GDP。

基于此，考虑数据的代表性、完整性和可获得性，选取河南省从业人员数量(代表劳动力投入，选用三大产业从业人员数量作为间接衡量劳动力的指标)、用水总量(代表水资源投入，即工农业和城乡生活环境用水量之和)和社会固定资产投资总额(代表资本投入)作为投入指标，将GDP、社会发展指数(分别代表经济产出和社会效益产出)作为期望产出，将污水排放总量(代表用水过程中产生负效应)作为非期望产出，构建水资源效率评价指标体系。

2.2 社会发展指数计算方法

社会发展指数可衡量社会发展水平状况。本文选取总抚养系数、城乡收入差距比等2个负向指标,万人中受高等教育人数、教育支出在财政支出中占比、城镇化率、万人拥有卫生技术人员、科技投入在财政支出中占比等5个正向指标，构建社会发展指数评价体系。

由于指标之间度量单位及数量级的差别而存在不可公度性，为反映真实情况，对数据采用极差化法进行标准化处理[11]，进而计算社会发展指数。计算公式[18]如下：

(5)

式中：Gj为第j年社会发展指数；Xij为某一地区第j年指标i标准化后的值；e为指标数量。社会发展指数越大，社会发展水平越高，反之较差。

2.3 数据来源

从业人员数量、固定资产投资、总抚养系数、城镇化率、万人中受高等教育人数、万人拥有卫生技术人员、教育支出在财政支出中占比、科技投入在财政支出中占比、城乡收入差距比等数据来源于《河南统计年鉴》(2007—2018年)；用水总量(包括工农业和生活用水量)和污水排放量等数据来源于《河南省水资源公报》(2005—2017年)。

3 结果与分析

3.1 河南省水资源效率的时序演化

依据水资源经济效率、环境效率和绿色效率内涵，采用相应计算模型[16,18]，基于河南省18市2005—2017年的数据，计算得出水资源效率值。

3.1.1河南省水资源效率评价

由表1可见，河南省水资源经济效率从2005年的0.878降至2017年的0.832，呈微小下降趋势，水资源经济效率呈下降趋势的地市包括洛阳、平顶山、安阳、鹤壁、焦作、濮阳、许昌、漯河、三门峡、南阳、商丘、济源等12市。2012年，河南省进入经济新常态阶段，产业结构调整导致第二、第三产业用水量增加，但对于DEA评价模型来说，只有投入产出比例协调一致时，其评价效率才会呈增长的趋势，因此，即使经济快速发展，仍会出现水资源经济效率不增反降的现象。河南省水资源环境效率从2005年的0.389提升至2017年的0.466，且河南省18市水资源环境效率均呈现波动增长趋势，表明河南省加大了水资源管理和技术投入，水环境质量得到不断改善。河南省水资源绿色效率从2005年的0.426提升到2017年的0.496，表明伴随着河南省社会发展、文明程度的提高，水资源绿色效率不断提升。

从河南省水资源经济、环境和绿色效率变化趋势来看，仅将GDP作为期望产出指标的水资源经济效率，其测评结果是下降的；当不断完善测评系统时，对于考虑非期望产出(污水排放总量)的水资源环境效率，以及不仅考虑污水排放总量，同时将社会发展指数作为期望产出指标的水资源绿色效率，测评结果均呈现良性发展趋势。因此，加强水资源管理、加大污水处理资金投入和提高社会文明程度等，能够促使水资源综合效率不断提升。

3.1.2河南省18市水资源效率差距变化趋势

从河南省水资源效率变异系数来看(表1)，经济效率变异系数由2005年的0.131减小到2017年的0.096，环境效率变异系数由2005年的0.168增加到2017年的0.321，绿色效率变异系数则由2005年的0.183增加到2017年的0.311，表明河南省18市水资源经济效率差距不断缩小，而环境效率和绿色效率差距则呈增大趋势。从水资源经济、环境和绿色效率平均值来看(表1)，河南省水资源经济效率多年均值高达0.870，而环境效率和绿色效率多年均值分别为0.434和0.480。因此仅将GDP作为期望产出指标时，水资源经济效益较高；在此基础上，考虑非期望产出污水排放总量，即考虑污水处理的环境成本时，水资源的环境效率低于经济效率；在期望产出指标中纳入社会维度指标后，水资源绿色效率略有提高。因此水环境污染对水资源效率的提升具有抑制作用，社会发展进步、文明程度提升能优化水资源效率测评系统，对提高水资源效率有正向促进作用。

3.2 河南省水资源效率空间分异

3.2.1河南省水资源效率等级分布

基于河南省2005—2017年水资源效率平均值，利用ArcGIS自然断裂点法，将3种类型的水资源效率划分为4个等级，如表2所示。自然断裂点法是进行空间聚类分级的方法，其聚类约束条件为组间方差最大、组内方差最小。

表2 水资源效率等级划分

河南省水资源效率等级的空间分布如图1所示。水资源经济效率与环境效率等级空间分布基本一致。图1表明，水资源环境效率中高、高等级的城市有10个(占55.6%)，分别为郑州、开封、许昌、漯河、济源、平顶山、三门峡、洛阳、驻马店和周口等市；除三门峡市外，其余9个城市(占50%)也属于水资源经济效率中高、高等级的城市。水资源环境效率中低、低等级的城市有8个(占44.4%)，分别为信阳、南阳、商丘、焦作、新乡、濮阳、安阳和鹤壁等市；水资源经济效率中低、低等级的城市有9个(占50%)，与水资源环境效率同等级的城市相比，仅多了三门峡市。

(a)经济效率

河南省水资源绿色效率中高、高等级的城市占55.6%。图1表明，水资源绿色效率高等级的城市为郑州、许昌、三门峡、漯河、济源、开封、平顶山等7市；中高等级城市为洛阳、鹤壁、驻马店等3市。郑州、许昌、漯河、济源等市属于经济发展质量相对较高区域[22]，用水技术水平较高，水资源绿色效率相对较高。三门峡市社会发展指数多年平均值约为0.680，位居河南省第三，且经济结构和效益发展良好[22]，效率值相对较高，表明优化投入产出量、减少投入冗余量能有效提高水资源绿色效率。驻马店市是经济发展水平相对落后地区[23]，水环境污染较小且水资源量较为充足，水资源绿色效率较高，因此水资源绿色效率与经济发展水平没有必然联系[10]。

河南省水资源绿色效率中低、低等级城市占44.4%。图1表明，水资源绿色效率中低等级的城市包括安阳、焦作、南阳、周口、商丘等5市，低等级的城市为濮阳、新乡和信阳等3市。2017年安阳市用水总量12.274亿m3，其中农业灌溉用水6.204亿m3，污水排放量2.609亿m3，17个地表水体监测断面中IV～劣V类水质比例为68.75%，导致水资源绿色效率偏低；焦作市年均社会发展指数约为0.734，在河南省排名第二，但是生态环境较差[17]，绿色效率偏低，由此看来，投入与产出匹配差会在很大程度上降低评价单元的效率值。南阳、周口和商丘等市经济发展水平相对较弱，节水技术较为落后，人口数量较多且耗水量大，致使绿色效率偏低。信阳市水资源总量充足，年均总量可达88.527亿m3，但是期望产出GDP和社会发展指数不高，导致水资源绿色效率值较低。

3.2.2河南省水资源效率的空间相关性

基于2005和2017年河南省18市水资源效率值，借助GeoDa软件中的单变量全局及局部空间自相关功能，分析2005—2017年河南省水资源利用效率空间相关性。

a.河南省水资源效率的全局空间相关性不明显。表3表明，2005年和2017年水资源效率的空间自相关显著性检验值P均大于0.1(2005年环境效率除外)，说明置信度小于90%，水资源效率空间关联性较弱；3种类型水资源效率的全局空间自相关指数I值都大于0，说明河南省水资源效率相似地区具有空间正相关性且存在空间集聚效应。水资源经济效率全局空间自相关性缓慢增强，2017年全局空间自相关指数相比2005年略有增加，表明各市相似地区集聚效应有所增强；水资源环境效率全局空间自相关性减弱，2017年全局空间自相关指数相比2005年降低了0.145，表明各市相似地区分散程度加剧，进一步说明相邻各市水环境治理能力差异呈现扩大趋势；水资源绿色效率的全局空间自相关性减弱，2017年全局空间自相关指数相比2005年降低了0.068，说明各市相似地区的聚集程度有所下降，邻近地市的社会进步与环境治理能力差异会减弱水资源绿色效率的空间自相关性。

表3 河南省水资源效率全局空间自相关指数

b.河南省水资源效率局部空间自相关性较差。图2表明，水资源经济效率不存在空间聚类的城市为13个，环境效率和绿色效率不存在空间聚类的城市均为15个，3种类型水资源效率超过72.2%的区域均不存在空间聚类现象，表明各邻市间水资源利用效率呈现明显的分异现象，具有相似水资源效率值的城市分布较为分散。图2表明，水资源经济效率高-高集聚区有4个，分别是平顶山、许昌、漯河和周口等市；水资源环境效率高-高集聚区有2个，分别是平顶山和许昌市；水资源绿色效率高-高集聚区有2个，分别是洛阳和许昌市，许昌市是3种类型水资源效率高-高集聚区。3种类型水资源效率低-低集聚地区仅有1个安阳市，而低-高与高-低集聚地区数都为0。3种类型水资源效率高-高集聚区与低-低集聚区P值分别为0.05和0.01，说明高-高集聚区、低-低集聚区的空间自相关分别在1%和5%的水平下显著。

(a) 经济效率

4 结 论

a.河南省不同类型水资源效率变化趋势不同，水资源经济效率呈现下降趋势，环境效率和绿色效率呈现波动上升趋势；水资源经济效率明显高于环境效率和绿色效率，且绿色效率略高于环境效率。

b.河南省18市不同类型水资源效率差距变化趋势不同，其中经济效率差距呈缩小趋势，环境效率和绿色效率差距呈增大趋势；河南省水资源经济效率高和中高等级城市、低和中低等级城市分别占50%；而水资源环境效率和绿色效率高和中高等级城市、低和中低等级城市则分别占55.6%和44.4%。

c.河南省水资源效率相似的地区存在空间集聚现象，其中经济效率全局空间自相关性呈增强趋势，环境效率和绿色效率全局空间自相关性则呈减弱趋势。河南省水资源经济效率、环境效率和绿色效率高-高集聚区分别有4个、2个和2个，低-低集聚地区仅有1个安阳市，低-高与高-低集聚地区数均为0。

d.河南省应在经济稳定发展基础上，不断优化产业结构，促进水资源优化配置，提升社会服务及技术创新水平，确保水资源、资本、劳动力等投入最小化，期望产出GDP和社会发展指数最大化，非期望产出污水排放最小化，不断提高水资源经济效率。

e.河南省应提升水资源绿色效率与水资源环境效率，以农业为重点的地区，应加强农业基础设施投入，不断提高农田节水灌溉效率；以工业为重点的地区，加强管理力度，提升污水处理和循环利用水平；经济相对发达地区，应增强节水意识，提高用水效率。

f.河南省应加强水环境治理，增强社会公平性，同时注重调配水资源，确保水资源量充足的区域用水实现有效利用，水资源量匮乏的区域用水需求得到保障，缩小水资源环境效率、水资源绿色效率的区域差异。