人地關(guān)系地域系統(tǒng)視角下水資源綠色效率評價模型研究

金 巍，譚夏坤，高菽菡

（1.南京郵電大學(xué) 社會與人口學(xué)院，江蘇 南京210023；2.南京郵電大學(xué) 高質(zhì)量發(fā)展評價研究院，江蘇 南京210023）

中國水資源匱乏、空間分布不均衡，水資源開發(fā)利用已達到水資源承載力極限［1］，提高水資源利用效率是緩解水資源危機的有效途徑?！肮?jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時代治水思路，為水資源利用及效率評價提供了政策導(dǎo)向。然而，傳統(tǒng)水資源利用效率評價多注重水資源經(jīng)濟和環(huán)境效率，使得水資源配置過于強調(diào)經(jīng)濟導(dǎo)向，無法在多重目標(biāo)中尋求動態(tài)平衡。因此，科學(xué)合理地構(gòu)建水資源利用效率評價模型，客觀真實地反映水資源綠色效率，不僅是緩解中國水資源危機的前提，更是厘清水資源利用現(xiàn)狀、實現(xiàn)水資源綜合管理的必然要求，對高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 文獻梳理

有關(guān)學(xué)者多利用隨機前沿分析（SFA）法和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）法評價水資源利用效率。SFA模型由Farrell提出［2］，用于評價水資源利用效率［3］，但其沒有考慮多產(chǎn)出指標(biāo)。有學(xué)者利用DEA模型［4］評價用水效率［5］，部分學(xué)者提出避免松弛變量的非徑向非角度SBM模型［6］、徑向與非徑向相結(jié)合的混合距離函數(shù)［7］評價用水效率，更多學(xué)者利用考慮非期望產(chǎn)出的非徑向非角度SBM模型［8］和Malmquist-Luenberger生產(chǎn)率指數(shù)模型［9］。另外，還有學(xué)者利用改進的DEA模型評價水資源環(huán)境效率，如EBM-Luenberger模型［10］。水資源利用效率指標(biāo)體系包含投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出，是否考慮環(huán)境因素是水資源經(jīng)濟效率和環(huán)境效率的主要區(qū)別。已有文獻多將環(huán)境因素作為產(chǎn)出指標(biāo)［11］，有的學(xué)者直接選擇單個水環(huán)境污染因素［12］作為產(chǎn)出指標(biāo)，而有的學(xué)者則通過構(gòu)建包含多個環(huán)境因素的綜合指標(biāo)［13］作為產(chǎn)出指標(biāo)。

通過梳理文獻發(fā)現(xiàn):①水資源利用效率評價不能體現(xiàn)水資源利用的生態(tài)和社會屬性，與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、人與自然和諧共生、綠色發(fā)展理念相違背。雖然部分文獻以水資源綠色效率為標(biāo)題［14］，但其本質(zhì)仍是水資源環(huán)境效率。②假設(shè)期望產(chǎn)出與非期望產(chǎn)出之間具有相同的變化規(guī)律有悖于事物發(fā)展的客觀規(guī)律［15］。盡管少數(shù)文獻對非期望產(chǎn)出進行了可處置性假設(shè)［16］，但都基于同一可處置性。為此，筆者基于人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論，構(gòu)建混合可處置性視角下的水資源綠色效率測度模型，以期為水生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

2 理論依據(jù)及科學(xué)內(nèi)涵

人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論是人文社會與自然生態(tài)相互作用形成的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)［17］，包括由各種經(jīng)濟社會要素構(gòu)成的人文社會子系統(tǒng)以及由各種自然要素組成的自然生態(tài)子系統(tǒng)［18-19］。人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論不僅揭示自然生態(tài)環(huán)境特征，還兼顧社會、經(jīng)濟、歷史等人文社會因素，以人類活動與自然環(huán)境相互作用和影響為研究對象［20］，對綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有基礎(chǔ)支撐作用。

基于人地關(guān)系地域系統(tǒng)視角下的水資源循環(huán)路徑（見圖1），本文將水資源綠色效率定義為:在一定的時空范圍，以一定量的人、財、物等社會經(jīng)濟資源和水資源等自然生態(tài)資源投入，依托水資源在人文社會和自然生態(tài)子系統(tǒng)中的循環(huán)路徑，最大化期望產(chǎn)出，滿足人類對經(jīng)濟、社會福利、環(huán)境、健康等不斷增長的美好生活需求，同時最小化非期望產(chǎn)出，實現(xiàn)水資源利用在人文社會和自然生態(tài)子系統(tǒng)中的良性循環(huán)，量化水資源配置在經(jīng)濟-社會-自然復(fù)合系統(tǒng)中實現(xiàn)多重目標(biāo)動態(tài)平衡的效率。

圖1 人地關(guān)系地域系統(tǒng)視角下的水資源循環(huán)路徑

3 模型構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)模型

DEA模型中方向性距離函數(shù)不僅能區(qū)別對待期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出，而且能基于聯(lián)合生產(chǎn)框架將決策單元的非期望產(chǎn)出設(shè)置為強可處置性和弱可處置性。為此，本文構(gòu)建混合方向性距離函數(shù)模型（HDDF）。借鑒Zhou等［21］的方法，假設(shè)投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出矩陣分別為（下標(biāo)“+”表示松弛變量，上標(biāo)n、k、l、m分別為決策單元、投入x、期望產(chǎn)出y和非期望產(chǎn)出b的數(shù)目）。規(guī)模報酬可變假設(shè)下非徑向的方向性距離函數(shù)為

式中:ω為投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重向量，ω=（ωx，ωy，ωb）；β為決策單元技術(shù)效率向量，β=（βx，βy，βb）；g為方向向量；P為特定條件下生產(chǎn)技術(shù)的可能性集合。

將方向向量g進行分解［22］:g=（g xR，g xNR，g yR，g yNR，g bR，g bNR）（R、NR分別為徑向、非徑向符號）。將非徑向方向性距離函數(shù)擴展為混合方向性距離函數(shù)，其分段線性規(guī)劃模型為

式中:xR、xNR分別為徑向、非徑向的投入指標(biāo)；yR、yNR分別為徑向、非徑向的期望產(chǎn)出指標(biāo)；bR、bNR分別為徑向、非徑向的非期望產(chǎn)出指標(biāo)；ω=（ωxR，ωxNR，ωyR，ωyNR，ωbR，ωbNR）為徑向、非徑向的投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重向量；β=（βxR，βxNR，βyR，βyNR，βbR，βbNR），為 徑 向、非 徑 向 的 投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的決策單元技術(shù)效率；分別為徑向和非徑向投入矩陣，分別為徑向和非徑向期望產(chǎn)出矩陣分別為徑向和非徑向非期望產(chǎn)出矩陣，m1+m2=m。

對β的約束:當(dāng)g中某個分量為0時，對應(yīng)的β分量也為0。求解式（2）得出一組最優(yōu)解β*，借助β*對式（2）進行投入、期望和非期望產(chǎn)出的徑向和非徑向分解:投入徑向、非徑向效率分別為，期望產(chǎn)出徑向、非徑向效率分別為，非期望產(chǎn)出徑向、非徑向效率分別為

3.2 水資源綠色效率模型構(gòu)建

在混合方向性距離函數(shù)的基礎(chǔ)上，將投入和期望產(chǎn)出設(shè)置為非徑向指標(biāo)，非期望產(chǎn)出設(shè)置為徑向指標(biāo)［22-23］，構(gòu)建基于非期望產(chǎn)出混合可處置性視角下的混合方向性距離函數(shù):

式中:Ps-w為函數(shù)的生產(chǎn)可能集；bR-（s/w）為非期望產(chǎn)出徑向指標(biāo)，具有混合可處置性；bR-s表示具有強可處置性，bR-w表示具有弱可處置性，n′表示設(shè)置為強/弱可處置性的指標(biāo)；λ為權(quán)重，當(dāng)約束條件時表示規(guī)模收益可變，當(dāng)約束條件不存在時表示規(guī)模收益不變。

混合可處置性視角下混合方向性距離函數(shù)表達式為

3.3 水資源綠色效率投入產(chǎn)出指標(biāo)體系

水資源綠色效率指標(biāo)體系的設(shè)置需綜合考慮人類生存發(fā)展、社會人文和生態(tài)環(huán)境等，其投入指標(biāo)包括資本、勞動力、水資源。索洛經(jīng)濟增長模型中技術(shù)作為經(jīng)濟增長的外生變量，也是提高資源利用效率的主要因素之一。另外，在生態(tài)系統(tǒng)中水與能源、碳排放關(guān)系密切［24］，生態(tài)系統(tǒng)用水量充足有助于減少用水和碳排放［25］，能源投入影響水資源利用。期望產(chǎn)出包括經(jīng)濟、人類生存發(fā)展、社會人文、生態(tài)環(huán)境，非期望產(chǎn)出包括水污染（農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)和生活廢水污染）、碳排放（見表1）。

表1 人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論視角下水資源綠色效率指標(biāo)體系

3.4 非期望產(chǎn)出可處置性分析

分別從污染特征、治理成本、環(huán)境規(guī)制等角度分析非期望產(chǎn)出的可處置性［23］。

3.4.1 農(nóng)業(yè)面源污染的可處置性分析

（1）污染特征。農(nóng)業(yè)面源污染物包括化學(xué)需氧量、氮、磷，產(chǎn)生的原因是農(nóng)業(yè)投入結(jié)構(gòu)失衡（如農(nóng)業(yè)治污技術(shù)投入、畜禽糞便和秸稈等資源化利用不足）以及肥料、農(nóng)藥等投入過度，有學(xué)者認為減少農(nóng)業(yè)面源污染能夠增加產(chǎn)量［26-27］。

（2）治理成本。農(nóng)業(yè)面源污染治理具有較強的經(jīng)濟可行性，如沼氣發(fā)電、秸稈等生物質(zhì)發(fā)電等都能夠為農(nóng)業(yè)污染治理帶來一定的經(jīng)濟收入，從而降低治理成本。

（3）環(huán)境規(guī)制。企業(yè)會以降低期望產(chǎn)出為代價減少非期望產(chǎn)出，以滿足監(jiān)管要求，這稱為環(huán)境規(guī)制成本［28］。農(nóng)業(yè)面源污染具有隨機性、隱蔽性和分散性特征，監(jiān)管難度大。另外，農(nóng)村面源污染監(jiān)管主體過多，缺乏明確的責(zé)任主體，易導(dǎo)致環(huán)境規(guī)制失靈，使農(nóng)業(yè)面源污染的強可處置性暫時難以改變。

3.4.2 廢水排放的可處置性分析

（1）排放特征。廢水主要來源于工業(yè)和生活［29］，廢水排放不可避免。工業(yè)生產(chǎn)尤其是高污染行業(yè)廢水排放量大［30］，隨著城鎮(zhèn)化水平提高，生活廢水排放量也會增大。

（2）治理成本。治理生產(chǎn)和生活產(chǎn)生的污水需要成本，勢必減少工業(yè)技術(shù)投資，降低工業(yè)生產(chǎn)效率［31］。雖然從政策層面鼓勵中水作為綠化和工業(yè)用水，并初顯成效，但由于中水回收系統(tǒng)前期投資大、城市相關(guān)設(shè)施配套不完善，因此中水回收系統(tǒng)運營效率較低，創(chuàng)造的經(jīng)濟價值有限。

（3）環(huán)境規(guī)制。環(huán)境規(guī)制對經(jīng)濟發(fā)展的影響具有不確定性［32］，提升環(huán)境規(guī)制強度可能增加企業(yè)生產(chǎn)成本。因此，現(xiàn)階段廢水治理仍處于弱可處置狀態(tài)。

3.4.3 碳排放可處置性分析

（1）排放特征。碳排放是化石能源消耗的結(jié)果，2018年全球碳排放量較2017年增長2.0%，碳減排依舊是全球難題。受經(jīng)濟增長模式和能源結(jié)構(gòu)的影響，中國碳排放總量還將繼續(xù)增長。雖然中國經(jīng)濟發(fā)展方式逐漸轉(zhuǎn)變，但短時間內(nèi)無法大幅減少碳排放量。

（2）治理成本。降低碳排放要以犧牲經(jīng)濟發(fā)展為代價，這意味著會降低期望產(chǎn)出?？梢?，碳減排具有聯(lián)合弱可處置性特征。

（3）環(huán)境規(guī)制。環(huán)境規(guī)制是碳減排的重要手段，政府一方面采用碳交易等市場手段，增加碳排放成本，抑制能源消耗；另一方面通過行政命令強制關(guān)停高耗能高污染企業(yè)，促進企業(yè)研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新。

3.5 模型的經(jīng)濟學(xué)分析

進一步剖析水資源綠色效率評價模型的經(jīng)濟學(xué)意義。首先，將非期望產(chǎn)出統(tǒng)一設(shè)置為強可處置性，即減少廢水和碳排放量將促進經(jīng)濟發(fā)展，廢水和碳排放治理能夠給企業(yè)帶來經(jīng)濟收入，且不受環(huán)境規(guī)制的約束。上述設(shè)置明顯違背經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律，如果不控制廢水和碳排放，將會惡化生態(tài)環(huán)境，從西方“先污染后治理”的發(fā)展模式來看，修復(fù)生態(tài)環(huán)境將耗費更多的財力和人力，遠高于經(jīng)濟發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境的保護成本?？梢姡瑢U水和碳排放設(shè)置為強可處置性違背了社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律。其次，將非期望產(chǎn)出統(tǒng)一設(shè)置為弱可處置性，意味著控制農(nóng)業(yè)面源污染是以減少農(nóng)業(yè)收益為前提，農(nóng)業(yè)面源污染不具有經(jīng)濟價值，且現(xiàn)階段環(huán)境規(guī)制能夠抑制農(nóng)業(yè)面源污染。但上文分析表明農(nóng)業(yè)面源污染能產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益，可通過廢物回收利用的方式獲得收益，不符合弱可處置設(shè)置。因此，混合可處置性視角下混合方向性距離函數(shù)的構(gòu)建具有科學(xué)性與合理性。

4 水資源綠色效率測度

4.1 指標(biāo)選取及算法

為保證數(shù)據(jù)的完整性，測度2000—2016年中國30個省份（西藏自治區(qū)、香港和澳門特別行政區(qū)及臺灣省數(shù)據(jù)缺失無法進行研究）的水資源綠色效率?；谝延醒芯?，確定水資源綠色效率指標(biāo)體系（見表2）。數(shù)據(jù)來源于2000—2016年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》及各省（自治區(qū)、直轄市）統(tǒng)計年鑒。表2中綜合指數(shù)計算公式為，其中:Gst為i省t年綜合指數(shù)，上標(biāo)s表示社會發(fā)展；n為指標(biāo)數(shù)量；X it為t年i省綜合指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的歸一化值，高優(yōu)指標(biāo)歸一化公式為，低優(yōu)指標(biāo)歸一化公式為為t年第i項指標(biāo)X i的歸一化值。農(nóng)業(yè)面源污染采用單元調(diào)查評估法測算［33］，農(nóng)田化肥施用和畜禽養(yǎng)殖系數(shù)分別從第一次全國污染源普查公布的《農(nóng)業(yè)污染肥料流失系數(shù)手冊》《養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)手冊》中按省份查閱，農(nóng)村生活和農(nóng)田固體廢棄物系數(shù)參考賴斯蕓等［33］的研究成果，碳排放總量計算采用陳詩一［34］的方法。

4.2 水資源綠色效率評價

不同可處置性視角下的水資源綠色效率見表3（受篇幅限制，僅列出部分年份的值）。2000—2016年，同一強可處置性視角下全國水資源綠色效率均在0.85以上，且呈先升后降再升的變化趨勢，有12個省份一直維持在1.00。同一弱可處置性視角下水資源綠色效率整體呈增長趨勢，2000年—2016年有17個省份一直維持在1.00。混合可處置性視角下全國水資源綠色效率呈N形走勢，有11個省份處于前沿面上，山西最低；出現(xiàn)拐點的年份是2004年和2011年，其中2004年全國用水量在研究期內(nèi)增幅最大，增長4.27%，導(dǎo)致水資源綠色效率下降；而2011年作為我國“十二五”規(guī)劃的開局之年，總體要求加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、節(jié)約資源和保護環(huán)境，從而提高了水資源綠色效率。

表2 水資源綠色效率評價指標(biāo)選取

表3 不同可處置性視角下水資源綠色效率

采用Silverman嵌入估計法和伊番科尼可夫核密度函數(shù)估計法，動態(tài)分析不同處置性視角下水資源綠色效率?？紤]起止年份對比，以及中國每五年規(guī)劃綱要的特征，選取2000年、2005年、2010年、2015年和2016年進行分析（見圖2）。

圖2 不同可處置性視角下核密度與水資源綠色效率的關(guān)系

由表3和圖2可知，弱可處置性視角下水資源綠色效率趨向效率較高區(qū)域集聚，省際差異?。粡娍商幹眯砸暯窍率‰H水資源綠色效率具有空間異質(zhì)性，存在嚴(yán)重的兩極分化現(xiàn)象，效率整體向較高區(qū)域集聚，這與其他學(xué)者的研究成果有所不同［35］?；旌峡商幹眯砸暯窍率‰H效率值既呈現(xiàn)空間異質(zhì)性，又呈現(xiàn)出經(jīng)濟由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變過程中水資源綠色效率的變化趨勢。

5 結(jié) 語

水資源綠色效率評價是一個復(fù)雜的綜合性課題，涉及經(jīng)濟、社會、人文、資源、生態(tài)和環(huán)境等多個方面。本文基于人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論定義水資源綠色效率，梳理評價指標(biāo)體系，分析非期望產(chǎn)出的可處置性，構(gòu)建混合可處置性視角下混合方向性距離函數(shù)模型，并對模型進行經(jīng)濟學(xué)分析，為客觀、真實地反映中國水資源綠色效率現(xiàn)狀提供依據(jù)。

水資源綠色效率評價結(jié)果表明，中國還需繼續(xù)加強水環(huán)境保護，從水資源利用的經(jīng)濟、人文、社會和生態(tài)價值出發(fā)提高人水和諧度，推動生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。