工業(yè)用水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)：考慮污染物可處理特性的兩階段DEA

王有森， 許 皓， 卞亦文

(1.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院，上海 201899；2.安徽大學(xué)商學(xué)院，安徽 合肥 230601)

?

工業(yè)用水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)：考慮污染物可處理特性的兩階段DEA

王有森1， 許 皓2， 卞亦文1

(1.上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院，上海 201899；2.安徽大學(xué)商學(xué)院，安徽 合肥 230601)

提高水資源使用效率和污水處理效率是解決目前水資源短缺的重要途徑。中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)可分為生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)。本文考慮兩個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，并區(qū)分污染物在兩個(gè)子系統(tǒng)中的弱處理和強(qiáng)處理特性，提出了一種基于DEA的兩階段評(píng)價(jià)模型。應(yīng)用本文提出的新模型分析中國(guó)30個(gè)省級(jí)區(qū)域的工業(yè)用水系統(tǒng)的效率，結(jié)果表明： 中國(guó)省級(jí)區(qū)域工業(yè)用水整體效率不高，且地域分布特征明顯，東部、西部、中部效率依次遞減； 中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)的非有效性主要源于污水處理效率的影響；工業(yè)用水系統(tǒng)效率與地區(qū)水資源稟賦存在一定的關(guān)系，水資源短缺的地區(qū)用水效率相對(duì)較高。文章所提出的方法兼顧生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)之間的相互影響，能夠同時(shí)評(píng)價(jià)兩個(gè)子系統(tǒng)效率和工業(yè)用水系統(tǒng)的整體效率，能有效發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中影響整體效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且可以應(yīng)用于其他能源效率評(píng)價(jià)問(wèn)題，具有明顯的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析；工業(yè)用水系統(tǒng)；兩階段模型；污染物處理特性

1 引言

中國(guó)水資源呈現(xiàn)以下明顯的特點(diǎn)：(1)人均水資源極其缺乏，水資源總量大約為28000億噸，居世界第五，但人均水資源僅為世界平均水平的四分之一；(2)地區(qū)間水資源分布明顯不均衡，水資源主要集中在南方，北方水資源只占全國(guó)水資源總量的五分之一；(3)隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，工業(yè)用水量持續(xù)增加，工業(yè)污水排放量日益增加，水資源污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。在水資源總體匱乏、分布不均衡且污染日益嚴(yán)重的情形下，解決中國(guó)工業(yè)用水危機(jī)的有效途徑是提高用水效率并降低污染物的排放量。

水資源使用效率是指消耗單位水資源生產(chǎn)的產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]?；诖硕x，Mo等[2]和Huang Yilong等[3]于2005年研究了中國(guó)區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品的用水效率。這種水資源效率評(píng)價(jià)注重水資源在生產(chǎn)中的作用，卻忽略了其他生產(chǎn)要素(如勞動(dòng)力和資金)在生產(chǎn)中的作用。為彌補(bǔ)這種方法的不足，Hu Jinli等[4]于2006年基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis, DEA)首次提出了全要素的水資源使用效率的評(píng)價(jià)方法。由于DEA不需要明確變量之間的函數(shù)關(guān)系且不需要考慮量綱的影響，在水資源效率評(píng)價(jià)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且被廣泛的應(yīng)用。如劉渝等[5]基于DEA分析了湖北各地農(nóng)業(yè)水資源利用效率，廖虎昌和董毅明[6]采用 DEA-Malmquist指數(shù)法分析了西部12省區(qū)的水資源效率。然而，這些研究忽略了生產(chǎn)過(guò)程中排放的污染物，并非真正意義的全要素效率評(píng)價(jià)。岳立和趙海濤[7]在研究中國(guó)主要工業(yè)省區(qū)工業(yè)用水效率時(shí)將化學(xué)需氧量(COD)和氮氨(Ammonia Nitrogen，AN)作為非期望產(chǎn)出納入DEA模型中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮污染物的水資源使用效率發(fā)生了明顯變化。馬海良[8]基于投入導(dǎo)向的DEA模型，引入污水作為污染物，測(cè)算了中國(guó)30個(gè)省級(jí)區(qū)域的全要素水資源使用效率。上述研究從不同角度研究了水資源效率評(píng)價(jià)問(wèn)題，但都將評(píng)價(jià)對(duì)象看作“黑箱”，并沒(méi)有考慮其內(nèi)部生產(chǎn)過(guò)程和污水處理過(guò)程效率的相互影響及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率影響。

從水資源的使用和污水排放過(guò)程來(lái)看，中國(guó)各地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)(用水)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)子系統(tǒng)：生產(chǎn)用水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)。生產(chǎn)用水子系統(tǒng)消耗投入資源，產(chǎn)生GDP，并排放污染物；污水處理子系統(tǒng)在給定投入要素的情形下處理污染物。一般來(lái)說(shuō)，可以假定生產(chǎn)用水子系統(tǒng)不進(jìn)行清潔處理，其產(chǎn)生的污染物作為投入完全進(jìn)入污水處理子系統(tǒng)；污染物主要在污水處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理，并排放出無(wú)法清理的污染物。理論上來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)中污染物是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的副產(chǎn)品，不可消除的；而在污水處理子系統(tǒng)中污染物是可完全清除的。由此可見(jiàn)，污染物在兩個(gè)子系統(tǒng)中處理特性是有差異的。

由于現(xiàn)有研究不考慮工業(yè)用水系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)的效率影響，因而無(wú)法有效識(shí)別水資源使用過(guò)程中的效率影響因素，無(wú)法為有效改善區(qū)域水資源使用效率提供完全合理的決策信息。卞亦文[9]將工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)分為生產(chǎn)子系統(tǒng)和污染物處理子系統(tǒng)，并提出了兩階段的效率評(píng)價(jià)方法，但其主要考慮兩個(gè)子系統(tǒng)的博弈行為，并未研究污染物的處理特性問(wèn)題。Bian Yiwen等[10]利用兩個(gè)獨(dú)立的模型研究了城市地區(qū)水資源循環(huán)使用效率評(píng)價(jià)問(wèn)題，但其模型并未考慮子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。因此，如何考慮工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及污染物的可處理性，合理地評(píng)價(jià)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的水資源效率，是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。本文基于DEA方法，考慮工業(yè)生產(chǎn)(用水)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和污染物的處理特性，提出了一種新的兩階段DEA方法，并分析了中國(guó)省級(jí)區(qū)域的工業(yè)系統(tǒng)2010年的用水效率。

2 工業(yè)用水系統(tǒng)描述

中國(guó)省級(jí)區(qū)域的工業(yè)用水系統(tǒng)可以分為生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域工業(yè)用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)消耗水資源、資本和勞動(dòng)力，生產(chǎn)出GDP，同時(shí)排放出一定量的污染物。污水處理子系統(tǒng)完成污水的凈化處理，該子系統(tǒng)需要額外的污染物治理投資以保證其正常運(yùn)行；經(jīng)過(guò)該子系統(tǒng)的處理，工業(yè)污水中的主要污染物化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(AN)得到一定程度的凈化處理，并排放出未能清除的化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(AN)。

為便于描述，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)中的投入要素工業(yè)用水、資本和勞動(dòng)力分別用XW、XK和XL表示，產(chǎn)出工業(yè)總產(chǎn)值GDP用YG表示，污染物化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(AN)的排放量分別用PC和PA表示；污水處理系統(tǒng)中，投入的污水治理投資用XT表示，剩余的污染物化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(AN)的排放量分別用BC和BA表示。

3 效率評(píng)價(jià)模型

在生產(chǎn)過(guò)程中，決策者一般希望以最小的投入獲取最大的產(chǎn)出，同時(shí)排放出最少的污染物，工業(yè)系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)必須兼顧投入和排污最小化以及產(chǎn)出最大化等目標(biāo)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，較多的GDP產(chǎn)出，意味著較多的水資源消耗和較多的污染物排放；反之，則較少。可見(jiàn)，污染物滿足弱處理性條件，即在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，要降低污染物的排放，必然以犧牲經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出為前提或者增加新的資本投入[11-12]。根據(jù)污染物可弱處理特性，若不考慮決策單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從水資源效率評(píng)價(jià)角度，區(qū)域工業(yè)系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)模型(CRS模型)可表示為：

(1)

模型(1)主要評(píng)價(jià)地區(qū)工業(yè)系統(tǒng)的水資源使用效率及排放的主要污染物效率，能夠?qū)崿F(xiàn)在最小化水資源使用量的同時(shí)，最小化污染物的排放。模型(1)中，下標(biāo)“0”表示被評(píng)價(jià)的地區(qū)工業(yè)系統(tǒng)。顯然，模型(1)只考慮工業(yè)用水系統(tǒng)的外部投入與產(chǎn)出，忽略了其內(nèi)部子系統(tǒng)間的投入/產(chǎn)出及其對(duì)效率的影響。若用模型(1)評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的效率，則無(wú)法有效刻畫(huà)系統(tǒng)效率的內(nèi)部影響要素，因此，需要構(gòu)建一個(gè)新的效率評(píng)價(jià)模型，在考慮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，用于分析工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的水資源使用效率及污染物排放效率。

為分析這種具有串行結(jié)構(gòu)的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，基于兩階段DEA和網(wǎng)絡(luò)DEA方法的基本思想[13-16]，考慮污染物處理特性，建立一種新的兩階段效率評(píng)價(jià)模型。從水資源使用角度，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)主要目的是用最少的資源生產(chǎn)出最多的產(chǎn)出。在這個(gè)子系統(tǒng)中，化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(AN)作為主要排放的污染物，其滿足弱處理特性：即降低污染物排放量必然以犧牲經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出為前提；換言之，如果沒(méi)有污染物排放，即沒(méi)有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出[11-12]。因此，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)的生產(chǎn)可能集可表示為：

TU={(XK,XL,XW,YG,PC,PA):

(2)

污水處理子系統(tǒng)的主要目的是利用污水治理投資有效地清除污染物，在這個(gè)過(guò)程中，污染物的排放量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出無(wú)直接聯(lián)系，理論上主要污染物的排放量可以降低為0，即主要污染物可以完全清除。此時(shí)，污染物是可強(qiáng)處理的[17]。此外，由于假定生產(chǎn)用水子系統(tǒng)不進(jìn)行污染物凈化處理，其產(chǎn)生的污染物完全在污水處理子系統(tǒng)中處理，即其投入的污染物完全被消耗，并排放出不能被處理的最終污染物。因此，該子系統(tǒng)的生產(chǎn)可能集可表示為：

TP={(XT,PC,PA,BC,BA):

(3)

基于上述分析，同時(shí)考慮生產(chǎn)可能集TU、TP及兩個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，可得到系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)的兩階段模型為：

(4)

模型(4)中，PSE表示生產(chǎn)用水子系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)部分的約束條件，PCE表示污水處理子系統(tǒng)部分的約束條件，Linkages表示兩個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系條件，θ0是生產(chǎn)用水子系統(tǒng)的效率，φ0則是污水處理子系統(tǒng)的效率。根據(jù)Liang Liang等[15]和Cook等[19]，串聯(lián)系統(tǒng)效率可定義為其子系統(tǒng)效率的均值，本文將工業(yè)系統(tǒng)的總體效率定義為兩個(gè)子系統(tǒng)效率的平均值，其含義為在保持其他投入要素和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出不變的情形下，最小化水資源消耗和污染物排放量。

4 區(qū)域工業(yè)用水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)

為說(shuō)明本文所提出方法的合理性和有效性，采用中國(guó)各地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。首先將所提出的兩階段DEA方法與模型(1)進(jìn)行比較，以說(shuō)明該方法的合理性；然后基于該方法，詳細(xì)分析中國(guó)各地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)的效率情況。

各種投入/產(chǎn)出數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，資金、勞動(dòng)力和GDP的數(shù)據(jù)來(lái)源于《2011年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，工業(yè)用水、工業(yè)污水排放量、工業(yè)污水治理投資、工業(yè)污水中化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(AN)排放量及其對(duì)應(yīng)的去除量數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)2010年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。各種投入/產(chǎn)出指標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性如表1所示。

表1中，中間變量是生產(chǎn)用水子系統(tǒng)的產(chǎn)出，同時(shí)也是污水處理子系統(tǒng)的投入。需要說(shuō)明的是，中國(guó)有31個(gè)省級(jí)區(qū)域(包括省、市、自治區(qū))，由于西藏地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，本文實(shí)際分析30個(gè)地區(qū)工業(yè)系統(tǒng)的效率。

為了說(shuō)明本文所提出方法的合理性，將其結(jié)果與模型(1)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

由表2可知，基于傳統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法(模型(1))，15個(gè)地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)是DEA有效的，如北京、天津、河北和新疆等；而基于網(wǎng)絡(luò)DEA思想的兩階段DEA效率評(píng)價(jià)方法，僅有北京、上海、浙江、安徽、山東、廣西和海南7個(gè)地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)是DEA有效的。同時(shí)，模型(1)中得到的系統(tǒng)平均效率為0.8308，其明顯高于兩階段方法得到的系統(tǒng)平均效率0.6501。這些結(jié)果說(shuō)明：基于網(wǎng)絡(luò)DEA思想的效率評(píng)價(jià)方法具有較高的系統(tǒng)效率甄別能力，能夠發(fā)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)中更多的非有效信息。此外，對(duì)比兩種方法可以發(fā)現(xiàn)，即使在子系統(tǒng)非有效的情況下，模型(1)仍可能認(rèn)為該工業(yè)用水系統(tǒng)是DEA有效的。例如，河北的生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)都是DEA非有效的(效率分別為0.9549和0.8623)，天津的污水處理子系統(tǒng)和青海的生產(chǎn)用水子系統(tǒng)是DEA非有效的，但在模型(1)中，這些地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)都是整體DEA有效的。這些結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了模型(1)的效率甄別能力較低，無(wú)法真正有效發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)效率的因素。由此可見(jiàn)，本文提出的兩階段網(wǎng)絡(luò)DEA方法，能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無(wú)法識(shí)別的影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和具體因素，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)效率識(shí)別能力，能夠有效應(yīng)用于工業(yè)用水系統(tǒng)的效率分析。

生產(chǎn)用水子系統(tǒng)中，16個(gè)地區(qū)被評(píng)為DEA有效，即北京、天津、山西、內(nèi)蒙古、上海、山東和新疆等；而污水處理子系統(tǒng)中，僅北京、上海、浙江、安徽、山東、廣西、海南、福建和青海等9個(gè)地區(qū)是DEA有效的，其他地區(qū)都是DEA非有效的；同時(shí)，就整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)而言，也只有北京、上海、浙江、安徽、山東、廣西、海南等7個(gè)地區(qū)是DEA有效的。

由表2 可知，中國(guó)不同地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率不高且差異較大。除北京和上海等7個(gè)地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)整體有效外，僅河北、內(nèi)蒙古、吉林和黑龍江4個(gè)地區(qū)的效率值分布在0.7-1.0之間；而江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州、云南和甘肅8省市的工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率均低于0.45，其中江西、湖南、貴州和重慶的工業(yè)用水系統(tǒng)效率低于0.2。

表1 投入/產(chǎn)出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性

表2 中國(guó)各地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)效率值

對(duì)比中國(guó)各地區(qū)生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)效率可知，生產(chǎn)用水子系統(tǒng)效率均值為0.6846，高于污水處理子系統(tǒng)的平均效率(0.6157)。這說(shuō)明中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)的效率低下同時(shí)受到用水和污水處理兩方面的影響，但污水處理效率的影響更大。在某些地區(qū)，工業(yè)用水效率低是其生產(chǎn)用水效率低下所導(dǎo)致的，如江蘇、福建、云南和青海等；而更多的地區(qū)，其污水處理效率則是影響系統(tǒng)效率的主要環(huán)節(jié)，如山西、遼寧、陜西、寧夏和新疆等。這些結(jié)果說(shuō)明，盡管地區(qū)之間存在一定的差異，但提高整個(gè)工業(yè)用水系統(tǒng)效率當(dāng)前最重要的是提高整體系統(tǒng)的污水處理效率。值得一提的是，提高污水處理系統(tǒng)效率有利于促進(jìn)水資源循環(huán)利用，也是改變水資源短缺的重要有效措施。

從地里位置來(lái)看，中國(guó)工業(yè)系統(tǒng)整體效率存在明顯的區(qū)域分布特征。由于政治經(jīng)濟(jì)等因素，中國(guó)各地區(qū)可分為東部、中部和西部地區(qū)[4,20]。東部地區(qū)主要包括北京、天津、上海、遼寧、河北、山東、江蘇、浙江、福建、廣東和海南等11個(gè)地區(qū)，中部地區(qū)包括黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、河南、山西、安徽、湖北、湖南、江西和廣西等10地區(qū)，其他省市自治區(qū)為西部地區(qū)。三個(gè)地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)整體效率、用水效率和污水處理效率均值如圖2所示。

圖2 三個(gè)地區(qū)的效率值

圖2中，UE、CE和SE分別指用水效率、污水處理效率和系統(tǒng)整體效率。東部地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，工業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值接近中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的一半。東部地區(qū)的工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率、生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水治理子系統(tǒng)的效率值均值都是最高的，其值分別為0.8119、0.8136和0.8102；全國(guó)地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)效率值最高的7個(gè)省級(jí)地區(qū)中(除廣西外)有6個(gè)分布在東部地區(qū)。中部地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)次發(fā)達(dá)地區(qū)，工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量?jī)H次于東部地區(qū)，但其工業(yè)用水系統(tǒng)的整體效率、用水效率和污水處理效率也都低于東部地區(qū)而高于西部地區(qū)，其均值分別為0.6384、0.7007和0.5760。西部地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最不發(fā)達(dá)的地區(qū)，土地面積最廣，人口密度低最低，其工業(yè)總產(chǎn)值總體不高，其工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率、用水效率和污水處理效率都較低，分別為0.4654、0.5088和0.4220。從圖2中可以看出，中部和西部地區(qū)的污水處理效率都明顯低于其用水效率，東部地區(qū)用水效率和污水處理效率沒(méi)有明顯差異。這也進(jìn)一步說(shuō)明了中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)效率低下的主要原因是污水處理系統(tǒng)效率低下所致，尤其是中西部地區(qū)更為顯著。

有趣的是，中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率(特別是生產(chǎn)用水子系統(tǒng)效率)的高低與水資源豐富程度存在較為明顯的相關(guān)性。中國(guó)人均水資源占有量最低的省市依次是天津、北京、上海、寧夏、河北和山東；其中，北京和山東的人均用水量分別為124.2立方米和324.4立方米。北京、上海和山東3省市的工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率、生產(chǎn)用水子系統(tǒng)效率和污水治理子系統(tǒng)效率均為DEA有效；天津和寧夏兩個(gè)地區(qū)的工業(yè)用水子系統(tǒng)是有效的，河北地區(qū)的工業(yè)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)的效率值均高于0.8。由此可知，人均水資源占有量較低的省市其工業(yè)用水整體效率普遍較高，尤其是其工業(yè)用水子系統(tǒng)效率較高。這種結(jié)果從某種意義上說(shuō)明了這些地區(qū)比較重視水資源的使用效率問(wèn)題。與之相反，在人均水資源占有量較高的省市，其工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率普遍偏低，例如江西和云南等，其人均水資源占有量都相對(duì)較高，分別為5116.7立方米和4233.1立方米；而其整體效率都較低，特別是生產(chǎn)用水子系統(tǒng)效率非常低，分別為0.1131和0.1887。 當(dāng)然，少數(shù)省級(jí)區(qū)域例外，如海南和新疆，盡管其人均水資源占有量較高，其生產(chǎn)用水效率也較高。

為了進(jìn)一步說(shuō)明用水量的變化對(duì)地區(qū)用水效率的影響，以河北、廣東和江西為例對(duì)用水量進(jìn)行靈敏度分析，分別增加或減少其用水量的1%、2%、5%和10%，其效率值變化情況如圖3所示。

圖3 三省的效率變化情況

圖3中，O表示各地區(qū)的初始用水量，對(duì)應(yīng)的效率值為當(dāng)前初始效率值。如圖3所示，增加各地區(qū)的用水量將直接導(dǎo)致其用水效率的下降，而減少其用水量將直接導(dǎo)致其用水效率的提高。例如，分別將廣東的用水量上調(diào)1%-10%，其用水效率從初始的0.4194減少到0.3812；而將其用水量下調(diào)1%-10%，其用水效率從初始的0.4194增加到0.4660。值得一提的是，用水量的變化對(duì)其污染物處理效率沒(méi)有直接的影響。由此可見(jiàn)，用水量的數(shù)值將直接影響各地區(qū)的用水效率，提高用水效率將意味著節(jié)約用水，反之亦然。

綜上，中國(guó)各地區(qū)工業(yè)用水系統(tǒng)的效率存在下列明顯的特點(diǎn)：(1)中國(guó)省級(jí)區(qū)域工業(yè)用水整體效率不高，顯示其效率仍有較大的提升空間；(2)中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)的非有效性主要源于污水處理效率的影響；(3)用水效率存在明顯的地區(qū)差異，且與地區(qū)水資源擁有量存在一定的關(guān)系，地區(qū)水資源較豐富的地區(qū)其用水效率較低，而水資源相對(duì)短缺的地區(qū)效率較高。因此，要提高工業(yè)系統(tǒng)水資源使用效率，必須兼顧上述要素才能制定合理有效的政策制度，全面提高中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)的整體效率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)用水量持續(xù)增加，工業(yè)廢水中污染物的排放量也日益增多，在中國(guó)水資源總體匱乏和分布不均的情況下，工業(yè)用水短缺和污染嚴(yán)重等問(wèn)題日益成為阻礙經(jīng)濟(jì)正常發(fā)展的關(guān)鍵因素。中國(guó)工業(yè)用水系統(tǒng)可分為生產(chǎn)用水子系統(tǒng)和污水處理子系統(tǒng)，為合理分析其效率，本文基于DEA方法，考慮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，并區(qū)分污染物在不同子系統(tǒng)之間的處理特性，提出一種新的兩階段DEA模型。該方法能夠兼顧兩個(gè)子系統(tǒng)之間的相互影響，能有效發(fā)現(xiàn)子系統(tǒng)中影響工業(yè)用水系統(tǒng)整體效率的相關(guān)因素，比傳統(tǒng)模型具有較高的效率識(shí)別能力，能為工業(yè)用水效率的提高提供更多的決策信息。中國(guó)30個(gè)省級(jí)區(qū)域的工業(yè)用水系統(tǒng)的實(shí)例分析說(shuō)明，本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)DEA的兩階段模型能較好地分析工業(yè)用水系統(tǒng)的效率。文章所提出的方法也可以應(yīng)用于能源和其他資源的效率評(píng)價(jià)問(wèn)題中，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)實(shí)例分析結(jié)果，可得到下列結(jié)論和政策建議：(1)中國(guó)用水效率和污水處理效率總體較低，尤其是污水處理效率是影響工業(yè)用水系統(tǒng)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；這說(shuō)明各地區(qū)應(yīng)制定相應(yīng)的政策，投入一定的污水治理資金，采用先進(jìn)的清潔技術(shù)，提高污水處理效率，以提供工業(yè)用水系統(tǒng)的總體效率；(2)效率地區(qū)差異較大，東部地區(qū)效率較大，其改善空間有限，部分省市需區(qū)別對(duì)待，天津地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)改善其污水處理效率，而江蘇、福建和廣東則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其用水效率的提高；中西部地區(qū)效率低下，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況下，中西部地區(qū)應(yīng)在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，重點(diǎn)提高清潔生產(chǎn)能力，以改善其用水和污水處理效率；(3)用水效率與水資源稟賦有一定的關(guān)系，應(yīng)制定一定的水資源管理政策(如差異化水價(jià))，用于調(diào)節(jié)不同地區(qū)水資源使用量，促使那些水資源豐富卻效率低下的地區(qū)重點(diǎn)關(guān)注用水效率的改善。

[1] Marlow R. Agriculture water use efficiency in the United States[C]//Proceedings of In: Presented at the U.S./China Water Resources Management Conference. Tucson, Arizona,1999.

[2] Mo X, Liu S, Lin Z, et al. Prediction of crop yield, water consumption and water use efficiency with an SVAT-crop growth model using remotely sensed data on the North China Plain[J]. Ecological Modelling, 2005;183:301-22.

[3] Huang Yilong, Chen Liding, Fu Bojie, et al. The wheat yields and water-use efficiency in the Loess Plateau: Straw mulch and irrigation effects[J].Agricultural Water Management, 2005, 72(3): 209-22.

[4] Hu Jinli, Wang S C, Yeh F Y. Total-factor water efficiency of regions in China[J]. Resource Policy, 2006, 31(4): 217-30.

[5] 劉渝, 杜江, 張俊飚. 湖北省農(nóng)業(yè)水資源利用效率評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2007, 17(6): 60-65.

[6] 廖虎昌, 董毅明. 基于DEA和Malmquist指數(shù)的西部12省水資源利用效率研究[J]. 資源科學(xué), 2011, 33(2): 273-279.

[7] 岳立, 趙海濤. 環(huán)境約束下的中國(guó)工業(yè)用水效率研究-基于中國(guó)13個(gè)典型工業(yè)省區(qū)2003年-2009年數(shù)據(jù)[J]. 資源科學(xué), 2011, 33(11): 2071-2079.

[8] 馬海良, 黃德春, 張繼國(guó). 考慮非合意產(chǎn)出的水資源利用效率及影響因素研究[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,2012, 22(10):35-42 .

[9] 卞亦文. 非合作博弈兩階段生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境效率評(píng)價(jià)[J]. 管理科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 17(7), 11-18.

[10] Bian Yiwen, Yan Shuai, Xu Hao. Efficiency evaluation for regional urban water use and wastewater decontamination systems in China: A DEA approach[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2014,83(2):15-23.

[11] F?re R, Primont D. Multi-output production and duality: Theory and applications[M]. Boston:Kluwer Academic Publishers, 1995.

[12] F?re R, Grosskopf S. Modeling undesirable factors in efficiency evaluation: Comment[J]. European Journal of Operational Research, 2004, 157(1): 242-5.

[13] F?re R, Grosskopf S,Whittaker G. Network DEA. [M]//Zhu J,Cook WD.Modeling data irregularities and structural complexities in data envelopment analysis.US:Springer,2007:209-240.

[14] 畢功兵,梁樑,楊鋒.兩階段生產(chǎn)系統(tǒng)的DEA效率評(píng)價(jià)模型[J].中國(guó)管理科學(xué)，2007,15(2):92-96.

[15] Liang Liang, Yang Feng, Cook WD, et al. DEA models for supply chain efficiency evaluation[J]. Annals of Operations Research, 2006, 145(1): 35-49.

[16] 王赫,張屹山.兩階段DEA前沿面投影問(wèn)題研究——兼對(duì)我國(guó)上市銀行運(yùn)營(yíng)績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)管理科學(xué),2012,20(2):114-120.

[17] F?re R, Grosskopf S, Pasurka CA. Environmental production functions and environmental directional distance functions[J]. Energy, 2007, 32(7): 1055-66.

[18] Tone K, Tsutsui M. Dynamic DEA with network structure: A slacks-based measure approach[J].Omega, 2014, 42(1):124-131.

[19] Cook W D, Liang Liang, Zhu J. Measuring performance of two-stage network structures by DEA: A review and future perspective[J]. Omega, 2010, 38(6): 423-430.

[20] Bian Yiwen, Yang Feng. Resource and environment efficiency analysis of provinces in China:a DEA approach based on Shannon’s entropy[J]. Energy Policy,2010; 38(4):1909-17.

Industrial Water Use System Efficiency Evaluation: A Two-stage DEA Model Considering Pollutants Disposability

WANG You-sen1, XU Hao2, BIAN Yi-wen1

(1.SHU-UTS Business School, Shanghai University, Shanghai 201899,China;2.School of Business, Anhui University, Hefei 230601,China)

Water use performance and wastewater decontamination performance improvement is an effective way to alleviate water shortage. Industrial production system in China can be divided into production water use sub-system and wastewater decontamination sub-system. By considering the linkages between the two sub-systems and the disposability of pollutants in different sub-systems, a new two-stage network DEA model is proposed to evaluate the performance of china’s industrial water use systems. The proposed model is applied to evaluate the performance of 30 regional industrial water use systems of China. The application results show that the overall efficiency of regional water use systems is relatively low in China and the inefficiency is largely driven by wastewater decontamination performance. There exist significant regional disparities in water use efficiencies of regions and areas. In particular, evident relationships between water use efficiency and water resource endowment, and a region may achieve a high efficiency score with relatively lower resource endowment, and vice versa. The proposed model can simultaneously evaluate the efficiencies of the whole industrial water use system and its two sub-systems, and it can identify the key factors that affect the performance of industrial water use systems. The proposed model can also be applied to evaluate regional energy efficiencies. All these show the great practical value of the proposed model.

data envelopment analysis; industrial water use systems; two-stage model; disposability of pollutants

1003-207(2016)03-0169-08

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2016.03.020

2014-01-16；

2014-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71101085, 71371010)

簡(jiǎn)介：王有森 (1969-)，男(漢族)，河南焦作人，上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院，在讀博士，講師，研究方向：資源管理,E-mail:wys@shu.edu.cm.

F224.31

A