基于DEA-Malmquist模型的黃河流域水資源利用效率評價

何楠 袁勝楠 王軍

摘?要：為了對黃河流域水資源利用效率問題進行分析和評價，采用層次分析法從指標集中選取6個指標，運用DEA-Malmquist評價模型，從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度評價分析沿黃九?。▍^(qū)）2014—2018年的水資源利用效率。分析發(fā)現(xiàn)：黃河流域用水效率總體良好，呈逐年上升趨勢;沿黃九?。▍^(qū)）中，山東省的用水效率最高，四川省的用水效率最低;受技術(shù)變化指數(shù)因素影響，水資源全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)呈增長趨勢?？傊?，通過提高規(guī)模效率、技術(shù)進步，可以不斷提高用水效率，改善用水水平，實現(xiàn)黃河流域水資源科學可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：水資源利用效率;層次分析法;數(shù)據(jù)包絡分析法;Malmquist指數(shù)法;黃河流域

中圖分類號：TV213.9;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.002

Abstract： In order to analyze and evaluate the water resources utilization efficiency of the Yellow Riverbasin， the analytic hierarchy process was used to select 6 indicators from the indicator set to build a comprehensive water resources utilization efficiency evaluation system， and the DEA-Malmquist evaluation model was used to evaluate and analyze the water utilization efficiency of 9 provinces along the Yellow River from 2014 to 2018 from a static and dynamic perspective. The results show that the water use efficiency of the Yellow River basin is generally good， showing an upward trend; among the nine provinces along the Yellow River basin， Shandong has the highest water efficiency， while Sichuan has the lowest; the total factor productivity index of water resources shows an increasing trend and its changes are mainly determined by technological progress. In short， by improving scale efficiency and technological advancement， it can continuously improve the water resources utilization efficiency and water use level and achieve scientific and sustainable utilization of the water resources in the Yellow River basin.

Key words： utilization efficiency of water resources; analytic hierarchy process; data envelopment analysis; Malmquist index method; Yellow River basin

1?引?言

近年來，伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源不足問題日趨嚴重。在經(jīng)濟發(fā)展由高速向高質(zhì)量轉(zhuǎn)變的過程中，科學、可持續(xù)地利用水資源非常重要[1]，一方面要控制水資源總使用量，另一方面要提高用水效率，其中提高用水效率是關(guān)鍵[2]。黃河是一條資源性缺水的河流，流域內(nèi)水沙關(guān)系失調(diào)，水量時空分布不均，干流曾經(jīng)發(fā)生過罕見的斷流現(xiàn)象。因此，提高用水效率、加強水資源監(jiān)督管理工作，已逐漸成為學術(shù)界和社會關(guān)注的熱點[3]。國內(nèi)外學者關(guān)于水資源利用效率的研究中，主要從評價指標體系的建立和評價方法兩方面著手。評價指標體系的建立有多種方法[4-7]，但是需要結(jié)合實際的問題，建立科學性強、代表性強、涵蓋面廣的評價指標體系。尤其是跨?。▍^(qū)）的流域，由于地理位置、自然環(huán)境的不同，各個地區(qū)在發(fā)展過程中，其經(jīng)濟狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源利用方式等[8]存在明顯的差異，因此水資源利用效率也存在差異。而在評價方法中，每一種評價方法從不同角度出發(fā)進行評價[9-12]，都有自身的優(yōu)缺點。對于用水效率的分析，需要采用動、靜結(jié)合的研究方法。筆者從綜合、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活4個方面遴選出14個指標構(gòu)成基本指標集，采用改進的層次分析法最終得到6個評價指標，利用數(shù)據(jù)包絡分析（DEA）方法和Malmquist指數(shù)從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度評價分析沿黃九?。▍^(qū)）的水資源利用效率，以期為黃河流域水資源高效利用提供決策依據(jù)。

2?評價指標體系構(gòu)建

2.1?評價指標體系構(gòu)建原則和依據(jù)

水資源利用效率的評價指標數(shù)量眾多，筆者在查閱大量文獻、詢問專家意見的基礎(chǔ)上，遵循“科學性、特殊性、定性與定量結(jié)合”的原則，從綜合、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活4個方面篩選出14個指標構(gòu)成基本指標集，在指標集中采用改進層次分析法再次篩選，最終確定評價指標。

2.2?改進的層次分析法

傳統(tǒng)的層次分析法以1～9作為指標的重要性標度，而經(jīng)過改進的層次分析法相較于傳統(tǒng)層次分析法，其在重要性標度方面更優(yōu)。本文改進的層次分析法采用e0/4～e8/4對指標的重要性進行比較。改進的層次分析法在運用過程中，與傳統(tǒng)的層次分析法步驟基本一致，所以這里不再贅述。在基本指標集的基礎(chǔ)上，對收集資料、專家意見反復研究，結(jié)合各個指標間的區(qū)別與聯(lián)系，確定了各個層次之間的判斷矩陣，并通過一致性檢驗得到各個指標權(quán)重，見表1。

根據(jù)計算結(jié)果，前6個指標反映了目標層的79%，已基本能夠滿足評價的要求。因此，考慮到指標的科學性、代表性，使用前6個指標對黃河流域水資源利用效率進行評價。建立的黃河流域水資源利用效率評價指標體系如圖1所示。遴選使用的數(shù)據(jù)均來自于各省（區(qū)）的《水資源公報》《統(tǒng)計年鑒》等，時間跨度為2014—2018年。

3?研究區(qū)域概況與研究方法

3.1?黃河流域概況

“水少沙多，水沙異源”[13]一直是黃河的突出問題。沙化和荒漠化的土地在黃河流域多呈集中分布的狀態(tài)，水土流失、水沙關(guān)系失調(diào)等一系列問題并存，這些環(huán)境問題導致黃河流域的生態(tài)變得越來越脆弱、敏感[14]，生態(tài)環(huán)境陷入惡性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計，黃河流域的水資源開發(fā)利用強度過大[15]，已經(jīng)是一般流域生態(tài)警戒線的2倍之高。流域內(nèi)的水資源多應用于農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水約占用水總量的60%。由此可見，黃河流域水資源在利用方式、利用效率等方面存在較大問題，改善黃河流域水資源問題、提高水資源利用效率至關(guān)重要。

3.2?數(shù)據(jù)包絡分析法

數(shù)據(jù)包絡分析法是一種多學科綜合運用的評價方法。對于多輸入、多輸出決策單元的綜合評價問題，該方法不需要進行任何權(quán)重假設(shè)，也不需要直接對數(shù)據(jù)進行綜合，就可以將決策單元進行效率排隊[16]，因此被廣泛應用于水資源利用效率的評價。本文采用的是DEA方法擴展下的BCC模型，該模型在CRR模型的基礎(chǔ)上增加∑λj=1，假設(shè)決策單元（DMU）處于規(guī)模報酬可變的情形下，用來衡量技術(shù)效率和規(guī)模效率，該模型如下：

3.3?Malmquist指數(shù)法

Malmquist指數(shù)法可用來分析t時期到t+1時期全要素生產(chǎn)水平的變化，公式為

式中：Tfpch為全要素生產(chǎn)率變化指數(shù);Techch為技術(shù)變化指數(shù);Effch為技術(shù)效率變化指數(shù)。

當Tfpch>1時表示全要素生產(chǎn)率水平相較于上一時期有所提高，反之則有所下降。Effch還可進一步分解，分別為Pech（純技術(shù)效率變化）和Sech（規(guī)模效率變化）。

3.4?模型輸入輸出指標

根據(jù)數(shù)據(jù)包絡分析法的特點以及數(shù)據(jù)的可獲得性，確定模型的輸入、輸出指標，見表2。

4?實證分析

4.1?2014—2018年黃河流域水資源利用效率靜態(tài)分析

運用EMS 1.3軟件，選擇BCC模型，在規(guī)模報酬可變的條件下，以投入要素為導向計算了2014—2018年沿黃九省（區(qū)）的水資源利用效率，見表3。

從綜合效率上來看，沿黃九?。▍^(qū)）的綜合效率平均值為0.723，小于1，未達到DEA有效。在2014—2018年期間，沿黃九?。▍^(qū)）綜合效率存在較大差異，這可能與各個?。▍^(qū)）的水資源利用方式和利用水平差別較大有關(guān)。在這九?。▍^(qū)）中，山東省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的水資源利用效率最高，其次是寧夏回族自治區(qū)、陜西省、河南省、青海省、山西省、甘肅省、四川省。其中四川省的用水效率最低，可能是因為四川省的水資源時空分布不均，阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州的水資源量較為豐富，約占全省總量的60%，但是全省的人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)卻集中在四川盆地以及周邊區(qū)域。

從技術(shù)效率上來看，沿黃九?。▍^(qū)）的技術(shù)效率平均值為0.956，由于四川省、陜西省、山西省的技術(shù)效率小于1，并沒有達到技術(shù)有效，因此在用水方面需要進一步提高技術(shù)效率。其中四川省的技術(shù)效率只有0.684，表明四川省在用水技術(shù)方面明顯落后，這也進一步說明四川省需要加快用水技術(shù)革新，在取水、用水過程中增加先進機器設(shè)備的運用，減少水資源低效利用、濫用等現(xiàn)象的發(fā)生，提高整體用水水平。

從規(guī)模效率上來看，沿黃九省（區(qū)）的規(guī)模效率平均值為0.748，除了山東省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，其他?。▍^(qū)）均處于規(guī)模遞減的狀態(tài)，這些?。▍^(qū)）應該縮小投入規(guī)模，合理地調(diào)配資金、土地等資源，才能夠降低生產(chǎn)成本，進一步提高用水效率。在九?。▍^(qū)）中，甘肅省的規(guī)模效率最低。甘肅省地域狹長，氣候環(huán)境復雜，且甘肅省境內(nèi)的黃土高原水土流失問題嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，這些復雜的地理因素不利于甘肅省開展規(guī)模化生產(chǎn)，因此甘肅省應該因地制宜，縮小生產(chǎn)規(guī)模，減少投入，才能夠提高水資源利用效率。

4.2?2014—2018年黃河流域水資源利用效率動態(tài)分析

運用DEAP 2.1中的Malmquist指數(shù)法對2014—2018年沿黃九省（區(qū)）水資源利用效率進行分析，見表4。

從表4分析結(jié)果可知：沿黃九?。▍^(qū)）全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)呈上升趨勢，用水效率均在提升。九?。▍^(qū)）的規(guī)模效率變化均圍繞1波動，其中寧夏回族自治區(qū)的規(guī)模效率最低，這說明九省（區(qū)）應該結(jié)合自身條件，高效發(fā)揮水資源的規(guī)模效益，提升水資源利用水平，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。九省（區(qū)）的技術(shù)變化指數(shù)均大于1，意味著用水技術(shù)得到改善，水資源的浪費率逐漸降低，用水效率得到提升。在純技術(shù)效率變化方面，九?。▍^(qū)）都圍繞著1波動，但是寧夏回族自治區(qū)的純技術(shù)效率變化為1，而技術(shù)效率變化指數(shù)卻并未達到1，這是規(guī)模報酬遞減造成的。面對此類情況，寧夏回族自治區(qū)政府需要調(diào)整用水產(chǎn)業(yè)規(guī)模，合理規(guī)劃用水方向，實施科學的水資源管理政策，達到“水盡其用”。

由表5可知，2015—2018年沿黃九?。▍^(qū)）全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)年均升高8.3%，該指標的升高主要受技術(shù)效率變化指數(shù)和技術(shù)變化指數(shù)的影響，其中技術(shù)效率變化指數(shù)年均升高2.1%，接近技術(shù)變化指數(shù)的1/3，是提高生產(chǎn)力水平的主要因素。純技術(shù)效率年均增長0.3%，說明沿黃九?。▍^(qū)）的水資源利用制度建設(shè)以及管理水平相對較為成熟。此外，規(guī)模效率年均增長1.8%，從側(cè)面體現(xiàn)出沿黃流域的水資源規(guī)模配置日益完善。從年際變化上來看，5個指標的變化幅度小且穩(wěn)定，但是在2017年，指標基本上都下跌，并且全要素生產(chǎn)率變化指數(shù)較2016年下降5.5%，這說明在2017年，技術(shù)效率變化指數(shù)、技術(shù)變化指數(shù)都出現(xiàn)了偏差，2017年黃河流域各?。▍^(qū)）并沒有處理好資源的分配以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的調(diào)整?？傮w來說，沿黃九省（區(qū)）的水資源利用效率在逐年提高，但是還需要進一步進行技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)揮科技在水資源利用過程中的作用。同時，還要加大培養(yǎng)公眾環(huán)保、節(jié)約的意識，實現(xiàn)水資源的充分合理利用。

5?結(jié)論與建議

5.1?結(jié)?論

基于DEA方法和Malmquist指數(shù)法，利用沿黃九?。▍^(qū)）2014—2018年的水資源綜合評價指標對水資源利用效率進行評價分析，得到的結(jié)論如下。

（1）從BCC模型上來看，黃河流域水資源的利用效率總體較高，用水效率呈上升趨勢。水資源利用效率的提高與技術(shù)效率、全要素生產(chǎn)率的逐年升高有關(guān)。在各?。▍^(qū)）中，山東省的用水效率最高，四川省的最低。其中，影響四川省用水效率的關(guān)鍵因素是規(guī)模效率，調(diào)整用水規(guī)模配置成為四川省的重點任務。與此同時，山東省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的規(guī)模效率相對較高，這也進一步表明兩省（區(qū)）的組織和規(guī)模設(shè)計相對較為成熟，用水配置較為合理。而在技術(shù)效率方面，1/3的省（區(qū)）未達到技術(shù)有效，凸顯水資源的低效使用問題，而這與用水水平落后有著密不可分的關(guān)系。改良用水技術(shù)及設(shè)備，不斷減少低能、低效等浪費現(xiàn)象，是提高水資源利用效率的重要手段。

（2）從Malmquist指數(shù)上來看，黃河流域的全要素生產(chǎn)率在波動升高，主要是各個指標在逐漸升高，帶動水資源利用水平升高，從而使用水效率逐漸上升。從各年份平均Malmquist指數(shù)的分解指標來看，純技術(shù)效率與規(guī)模效率逐年提高，這反映出隨著市場的變化，各?。▍^(qū)）逐步調(diào)整水資源產(chǎn)業(yè)規(guī)模，改進用水技術(shù)，改善水資源配置。技術(shù)效率變化指數(shù)雖有小于1的情況，但總體圍繞著1呈波動增長狀態(tài)。近幾年來，技術(shù)變化指數(shù)雖然是大于1的狀態(tài)，但是有著下滑的趨勢。因此，改進、創(chuàng)新用水技術(shù)，仍是提高水資源利用水平的重要一環(huán)。

5.2?建?議

（1）黃河流域各級政府應結(jié)合本區(qū)域的地理特點，因地制宜，實現(xiàn)水資源的高效利用。同時，上下游政府之間也要科學合作，共同治理，達到水資源的合理調(diào)配與使用。隨著科技的發(fā)展，大力引進新技術(shù)，實現(xiàn)用水科學化、數(shù)字化、智能化，從而提高用水技術(shù)效率。更進一步，各?。▍^(qū)）需要切實調(diào)整用水規(guī)模配置，緩解水資源開發(fā)利用強度大、水資源低效使用、用水矛盾等問題，緩解流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境壓力。同時，要不斷完善河、湖長制的組織體系，落實河、湖長制制度，構(gòu)建和諧區(qū)域管理協(xié)調(diào)體制。

（2）黃河流域獨特的水文情況，以及各?。▍^(qū)）所處地理位置的差異，使得水資源使用情況明顯不同，不同地區(qū)應采取不同的措施。青海省作為黃河的源頭所在地，不合理的用水需求應得到遏制，通過引進和創(chuàng)新節(jié)水用水技術(shù)，大力發(fā)展綠色節(jié)水產(chǎn)業(yè)，逐漸淘汰傳統(tǒng)落后的取用水方式，在用水源頭方面進行治理，提高用水水平;四川、甘肅兩省則需調(diào)整用水產(chǎn)業(yè)規(guī)模，結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展狀況，逐漸減少水資源產(chǎn)業(yè)的投入要素，加快完善水資源的投入分配制度;寧夏回族自治區(qū)則需要進一步提高水資源管理部門的辦事效率，通過采取科學合理的手段，對水資源使用狀況進行監(jiān)管，提高水資源使用效率;陜西省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河南省、山東省需要加快工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、優(yōu)化，因地制宜地發(fā)展與水資源相關(guān)的產(chǎn)業(yè)群，推動各?。▍^(qū)）之間的分工合作，提高黃河流域水資源整體實力。

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