中国城镇水资源利用效率测度及空间格局.pdf
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1、湖北农业科学2023 年收稿日期:2022-06-04基金项目:国家自然科学基金项目(41501126)作者简介:陈晨(2002-),女,安徽亳州人,在读本科生,研究方向为水资源效率测度,(电话)17851087661(电子信箱)。第 62 卷第 7 期2023 年 7 月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesVol.62 No.7Jul.,2023陈晨,刘鹏辉,王子潇.中国城镇水资源利用效率测度及空间格局 J.湖北农业科学,2023,62(7):24-31随着中国工业化与城镇化的快速推进,水资源短缺和水环境污染问题成为制约中国经济社会可持续发展的瓶颈1。2020
2、年,全国水资源总量为31 605.2亿 m3,但人均水资源量仅为 2 994 m3/人2,略高于中度缺水线(2 000 m3/人)。在全国水资源总量中,北方6区水资源总量为6 645.0亿m3,南方4区水资源总量为24 960.2亿m3,水资源分布不均衡2。中国污水年排放量持续增加,2019年中国城市污水排放量为554.65亿m3,相比于2010年的378.70亿m3,增长了46.46%,水资源污染问题使水资源短缺矛盾日益突出。提高水资源利用及污水处理效率是缓解水资源短缺矛盾的重要途径,科学测算中国各省水资源利用效率具有重要意义。水资源效率研究可为中国相关政策的制定起到指导和参考作用。国内外学
3、者对水资源效率的评价方法和评价指标进行了相关研究,并取得了一定的成果。在评价方法方面,常见方法包括比值分析法3、松弛变量法4-6、随机前沿法7,8、数据包络分析法9-11等。其中,数据包络分析法(DEA)有无需事先确定函数关系、非主观赋权以及可分析决策单元的无效因素等诸多优点,是评价多投入多产出决策单元效率的有效方法,成为评价相对效率的主流技中国城镇水资源利用效率测度及空间格局陈晨a,刘鹏辉b,王子潇c(河海大学,a.商学院;b.机电工程学院;c.物联网工程学院,江苏 常州213022)摘要:构建基于方向距离函数的水资源系统混合网络DEA模型,测算中国城镇水资源利用整体效率、用水阶段效率和污水
4、处理阶段效率,并通过Moran s I指数研究其空间格局。结果表明,20082017年,中国城镇水资源利用整体效率偏低,不同地区间的水资源利用效率差异明显;用水阶段效率普遍高于污水处理阶段效率,二者均表现出上升趋势;城镇水资源利用整体效率存在较显著的空间相关性,空间集聚现象呈先下降后增强的趋势。关键词:城镇用水;水资源利用效率;网络结构;数据包络分析;空间格局中图分类号:F323.213文献标识码:A文章编号:0439-8114(2023)07-0024-08DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2023.07.005开放科学(资源服务)标识码(OSID):Measure
5、ment and spatial pattern of urban water resources utilization efficiency in ChinaCHEN Chena,LIU Peng-huib,WANG Zi-xiaoc(a.Business School;b.College of Mechanical and Electrical Engineering;c.College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou213022,Jiangsu,China)Abstract:The DEA mod
6、el of the hybrid network structure of the water resources system based on the direction distance function wasconstructed to measure the overall efficiency,water use stage and sewage treatment stage efficiency of urban water resource utilizationin China,and the spatial pattern was studied by Moran s
7、I index.The results showed that,from 2008 to 2017,the overall efficiency ofurban water resources utilization was low and the level of water resources utilization efficiency varied significantly between regions.Theefficiency of the water use stage was generally higher than that of the sewage treatmen
8、t stage,both of them showed an upward trend.There was a significant spatial correlation between the overall efficiency of urban water resource utilization,and the phenomenon ofspatial agglomeration presented a trend of first declining and then increasing.Key words:urban water use;water resource util
9、ization efficiency;network structure;data envelopment analysis;spatial pattern第 7 期术工具之一12。马海良等13选取基于投入导向的DEA模型并结合 Malmquist指数测算出各省全要素水资源利用效率。俞雅乖等14运用超效率 DEA-Tobit两阶段模型将人均地区生产总值作为水资源效率评价中的产出指标对水资源效率进行评价。杨骞等15运用DEA构建非径向性的方向距离函数,釆用全要素水资源效率的测算方法对污染物排放约束下中国各省份和区域的农业水资源效率进行测算。然而,这些运用DEA模型测算用水效率的方法仅能计算出水资
10、源初次使用时的效率。考虑分阶段测算水资源利用效率的研究不断涌现。Bian 等16将水资源利用系统细分为初次用水阶段和污水处理阶段,并据此建立了两阶段 DEA 模型来测度用水效率、污水处理效率和水资源系统的整体利用效率。张国基等1构建基于水资源系统混合网络结构的DEA模型,分初次用水和污水处理2个阶段、工业和生活2个部门测算出水资源综合利用效率。为分析水资源系统的真实利用情况,本研究采用包括用水阶段和污水处理阶段的水资源系统模型。在评价指标方面,水资源利用效率的测度通常以用水量、劳动力和资本作为投入指标,以 GDP 作为产出指标17,以环境污染等为非期望产出。孙才志等18将灰色水足迹作为非期望产
11、出通过数据包络分析方法测算出水资源全局环境技术效率,并与未考虑非期望产出的数据包络分析方法测算出的水资源技术效率进行了对比。张峰等19将工业废水排放量作为非期望产出,利用引入松弛变量的方向距离函数构建了工业绿色全要素水资源效率测算模型。对此,本研究选取城镇污水排放量作为用水阶段的非期望产出指标和污水处理阶段的投入指标,以测算更为精确的水资源利用效率。综合以上,本研究以污水排放量为中间变量,作为用水阶段的非期望产出和污水处理阶段的投入,构建基于方向距离函数的水资源系统混合网络结构DEA模型来测算城镇水资源系统2个阶段的效率和水资源利用整体效率,再运用空间自相关方法揭示区域城镇水资源利用整体效率的
12、空间格局,最后为中国城镇水资源高效利用政策制定提供建议,以期促进各省份城镇水资源利用效率的协同提升。1模型构建1.12个阶段水资源利用系统与方向距离函数模型考虑到城镇水资源利用系统中用水阶段和污水处理阶段的关联性与相互制约性,本研究将这 2个阶段看作城镇水资源利用系统中串联的2个子系统(图1)。在用水阶段,人均 GDP 为期望产出,污水排放量为非期望产出。为了治理用水阶段造成的水污染,在污水处理阶段,通过治理性的投资和劳动力投入降低污水的排放量,使城镇水资源利用系统成为一个环境友好的系统。基于Fre等20的网络方向距离函数建模原理,构建如下方向距离函数模型。D=(K,L,W,y,b),(I,E
13、P,WT,b,WR,M);g 1,g 2=max(KK+LL+WW+yy+bb+II+EPEP+WTWT+bb+WRWR+MM)s.t.n=1NZ1nKn K-KgKn=1NZ1nLn L-LgLn=1NZ1nWn W-WgWn=1NZ1nyn y+ygyn=1NZ1nbn=b-IgIn=1NZ2nIn I-IgIn=1NZ2nEPn EP-EPgEPn=1NZ2nWTn WT-WTgWTn=1NZ2nbn b-bgbn=1NZ2nWRn WR+WRgWRn=1NZ2nMn=M-MgMK,L,W,y,b,I,EP,WT,b,WR,M 0;Z1n,Z2n 0;n=1,2,N(1)用水量固定资产投
14、入就业人数水资源初次用水阶段人均GDP污水排放量废水治理项目完成投资污水处理厂个数生态治理和环境保护从业人数污水处理阶段水资源污水再生利用量COD排放量图12个阶段水资源利用系统陈晨等:中国城镇水资源利用效率测度及空间格局25湖北农业科学2023 年式中,在初次用水阶段,K为资本投入,L为劳动投入,W 为用水量,y为人均 GDP,b为污水排放量;在污水处理阶段,I为治理废水完成投资,EP为生态保护和环境治理业从业人数,WT为污水处理厂数,WR为污水再生利用量;M为 COD排放量;为各投入产出的权重;为各投入产出的调整参数。该模型可以同时建立2个阶段的非参数分段线性生产前沿,并在各自的前沿下(由
15、不同的组合参数z1n、z2n表示),找出决策单元在初次用水和污水治理阶段可能的上升空间(由各投入产出的调整参数表示)。则第一阶段的投影方向选取g 1=(0,0,-W,y,-b),第二阶段的投影方向为g 2=(-I,-EP,-WP,0,WR,-M)。此时,模型(1)可以表示如下。D=(K,L,W,y,b),(I,EP,WT,b,WR,M);g 1,g 2=max(WW+yy+bb+II+EPEP+WTWT+WRWR+MM)s.t.n=1NZ1nKn Kn=1NZ1nLn Ln=1NZ1nWn(1-W)Wn=1NZ1nyn(1+y)yn=1NZ1nbn=(1-b)bn=1NZ2nIn(1-I)In
16、=1NZ2nWTn WT-WTgWTn=1NZ2nbn bZ2nWRn(1+WR)WRn=1NZ2nMn=(1-M)MW,y,b,I,EP,WT,WR,M 0;Z1n,Z2n 0;n=1,2,N(2)若*W,*y,*b,*I,*EP,*WT,*WR,*M为模型(2)的最优解,则考虑 2个阶段的水资源利用系统的技术效率,其表达式如下。TE=1/(1+D(K,L,W,y,b),(I,EP,WT,b,WR,M);g 1,g 2)=1/(1+W*W,y*y,b*b,I*I,EP*EP,WT*WT,WR*WR,M*M)(3)若系统技术效率TE=1,则水资源利用系统是相对技术有效的,并且系统技术有效的充分
17、必要条件为*W=*y=*b=*I=*EP=*WT=*WR=*M=0。1.2空间自相关检验模型通过全局 Moran s I指数研究水资源利用整体效率在空间维度下的集聚状态,公式如下。I=ni=1nj inij(i-)(j-)()i=1nj iniji=1n(i-)2(4)式中,I为全局空间自相关指数;n表示评价单元数量;ij表示空间权重矩阵,选取rook一阶权值矩阵,若区域 i与区域 j相邻,则ij=1,反之ij=0;i、j分别表示第 i、j区域的水资源利用整体效率;-为水资源利用效率的平均值。全局自相关指数大于0表示区域水资源利用整体效率呈空间正相关,数值越大正相关性越强;全局自相关指数小于
18、0则表示负相关;全局自相关指数为0表示不相关。通过局部 Moran s I指数进一步分析其局域空间相关性,其表达式如下。I*=n(i-)j=1,j inij(i-)i=1n(i-)2(5)式中,I*为局部自相关指数;其他变量含义同模型(4)。根据局部 Moran s I 指数的正负和大小可以判断空间单元的集聚特征。其中,高-高集聚区域类型为水资源利用整体效率高值空间关联区,表示水资源利用整体效率较高的单元被水资源利用整体效率较高的邻近单元包围;低-低集聚区域类型为水资源利用整体效率低值空间关联区,表示水资源利用整体效率较低的单元被水资源利用整体效率较低的邻近单元包围;高-低集聚区域类型为水资源
19、利用整体效率高-低值空间关联区,表示水资源利用整体效率较高的单元被水资源利用整体效率较低的邻近单元包围;低-高集聚区域类型为水资源利用整体效率低-高空间关联区,表示水资源利用整体效率较低的单元被水资源利用整体效率较高的邻近单元包围;另外,高-高和低-低集聚区域类型为正的空间自相关,低-高和高-低集聚区域类型为负的空间自相关。1.3指标选取与数据来源由于中国 20182019 年的城镇固定资产投资的数据尚未公布,考虑到数据的可得性,本研究选取20082017 年中国 30 个省级行政区(不包含港澳台、西藏)的城镇水资源系统投入与产出数据作为研究对象。在用水阶段,选取城镇用水量、城镇就业人数(城镇
20、单位就业人数+城镇私营企业就业人数+城镇个体就业人数)、城镇固定资产投资作为投入指标,选取人均GDP为期望产出指标。而城镇污水排放量由于造成了环境污染,将作为用水阶段的非期望产出指标。在污水处理阶段,城镇污水排放量作为中间变量,与污水处理厂数、生态保护和环境治理业从业人数、治理废水完成投资一起作为投入指标,城镇污水再生利用量和COD排放量作为产出指标。所有数据来源于 中国统计年鉴 中国环境年鉴 等。26第 7 期2实证结果与分析2.1城镇水资源利用效率测度2.1.1全国及各地区城镇水资源利用整体效率基于已构建的方向距离函数模型,计算出中国30个省(市、自治区)的城镇水资源利用系统的整体和各阶段
21、的效率,结果见表 1。从表 1可以看出,从宏观或整体上看,中国城镇水资源利用整体效率均值为0.51,结果偏低。在30个省(市、自治区)的城镇水资源利用整体效率中,有 19个省(市、自治区)的均值低于 0.50,占比为 63.3%;仅有 5个省(市)在研究期间水资源利用整体效率始终为 1.00,即同时实现用水阶段和污水处理阶段均有效。这表明全国城镇水资源利用整体效率处于较低水平,仍有较大程度的改进与提升空间。从时间趋势上看,20082017年,城镇水资源利用整体效率年均增长率为 2.3%,总体呈上升趋势,但进展缓慢。其中,20082014年,全国城镇水资源利用整体效率呈较明显的上升趋势,然而在
22、20142017年,城镇水资源利用整体效率开始出现波动下降。这一水资源利用效率的变化特征与高甜等21的研究结果相符。中国城镇水资源利用效率总体表现出发展向好的态势,但也存在水资源利用不当从而导致利用效率下降的隐患,因此更需要注重城镇水环境污染防治和生态治理,走可持续发展道路。从各省(市、自治区)的城镇水资源利用整体效率看,排名靠前的有北京市、天津市、上海市、广东省、青海省。这些省(市)依据自身优势,研究期间始表120082017年各省(市、自治区)城镇水资源利用整体效率地区东部中部西部东北全国北京市天津市河北省上海市江苏省浙江省福建省山东省广东省海南省湖北省湖南省山西省河南省江西省安徽省内蒙古
23、自治区广西壮族自治区陕西省新疆维吾尔自治区甘肃省宁夏回族自治区青海省四川省云南省贵州省重庆市辽宁省吉林省黑龙江省2008年1.001.000.141.000.770.260.210.141.000.870.190.470.170.080.210.140.580.150.170.300.200.731.000.720.190.380.850.150.260.230.452009年1.001.000.121.000.870.290.230.151.000.840.170.320.220.090.230.130.600.100.210.320.250.921.000.130.220.280.960.
24、280.230.220.452010年1.001.000.201.000.380.550.610.171.000.690.190.420.630.120.400.140.610.130.250.470.250.871.000.220.270.300.930.190.260.220.482011年1.001.000.301.000.410.510.540.231.000.660.190.420.230.140.420.170.620.150.280.490.230.821.000.130.180.700.970.270.380.280.492012年1.001.000.301.000.410.5
25、80.600.261.000.620.220.370.280.150.410.180.620.160.320.450.210.831.000.200.990.490.850.210.430.280.512013年1.001.000.281.000.510.520.540.261.001.000.220.330.330.150.380.200.630.190.390.490.220.971.000.210.670.460.730.210.440.260.522014年1.001.000.371.000.700.470.570.371.001.000.260.380.370.170.470.240
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