工業(yè)集聚下中國工業(yè)用水效率和重心遷移研究

朱玲億，潘鈺霞，吳易桐，吳 敏

(河海大學(xué) 商學(xué)院，江蘇 常州 213022)

水資源是“三大戰(zhàn)略資源”之一，對城市工業(yè)安全和長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要影響。我國工業(yè)生產(chǎn)存在工業(yè)用水增長快、工業(yè)用水效率低、工業(yè)廢水排放量大等問題，制約了工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。1949年，工業(yè)用水量僅為24億m3，占全國用水量的2.3%，而到2018年，工業(yè)用水量達(dá)1 261.6億m3，占全國用水量的20.9%。工業(yè)活動(dòng)的不斷加強(qiáng)，不可避免地造成工業(yè)用水需求的大幅增加，水資源供需矛盾更加突出。為進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)節(jié)水工作，建立節(jié)水型工業(yè)，提高用水效率，緩解我國水資源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，工業(yè)和信息化部、水利部編制完成了《國家鼓勵(lì)的工業(yè)節(jié)水工藝、技術(shù)和裝備目錄(2019年)》，致力于加快工業(yè)高效節(jié)水工藝、技術(shù)和裝備的推廣應(yīng)用，提升工業(yè)用水效率，促進(jìn)工業(yè)綠色發(fā)展。舒歡等[1]指出針對工業(yè)生產(chǎn)過程中水資源消耗影響因素進(jìn)行研究，對化解我國水資源短缺危機(jī)和工業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。因此，研究工業(yè)用水效率在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，探索地區(qū)間工業(yè)用水效率差異，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)工業(yè)用水存在的問題，從而為地區(qū)政府制定法規(guī)政策，實(shí)現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供相關(guān)依據(jù)。

目前有關(guān)工業(yè)水資源利用狀態(tài)的研究內(nèi)容主要為地區(qū)工業(yè)用水效率[2-3]和工業(yè)節(jié)水措施，研究方法主要包括數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)模型[4]、Tobit模型[5]等。FU等[6]首次結(jié)合混合模型和窗口分析測算2006—2015年綠色工業(yè)轉(zhuǎn)型的動(dòng)態(tài)效率。HU等[7]采用CCR模型評估資源效率和環(huán)境效率，發(fā)現(xiàn)水污染問題比水資源消耗問題更嚴(yán)重，因此采用了以非合意產(chǎn)出為中心的生態(tài)效率模型來評價(jià)用水效率。李靜等[8]利用最新DEA模型評估工業(yè)用水效率，同時(shí)借助Tobit模型考察了不同區(qū)域的影響因子對工業(yè)用水效率的作用。曹思齊等[9]在最嚴(yán)格水資源管理制度、情景假定條件下，運(yùn)用DEA窗口分析方法測算了歷史條件下長三角地區(qū)的工業(yè)用水效率。姜蓓蕾等[10]指出先進(jìn)的“技術(shù)”與“管理”手段的引入，對提高工業(yè)用水量、建立節(jié)水型社會起到了重要的推進(jìn)作用。

綜上，大多數(shù)學(xué)者選擇的是單箭頭的工業(yè)用水效率分析方法，這種方法忽視了生產(chǎn)與治理之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，不能充分反映水資源利用在實(shí)際工業(yè)活動(dòng)中的復(fù)雜性，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)用水效率的整體分析和綜合管理。筆者將工業(yè)發(fā)展研究分為工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段，考慮了廢水資源在工業(yè)活動(dòng)中被綜合再生利用后的情況，同時(shí)引入外生變量工業(yè)集聚，運(yùn)用兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型剖析我國30個(gè)省(市、自治區(qū))工業(yè)用水效率的區(qū)域差異。此外，工業(yè)用水效率的空間變遷勢態(tài)較為復(fù)雜，多種因素相互交織影響，因此筆者增加了空間治理視角，借助重心遷移模型分析工業(yè)用水效率的空間遷移勢態(tài)，以期為全國工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整、水資源的充分利用提供對策建議，促進(jìn)全國工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 模型構(gòu)建及指標(biāo)選取

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型

筆者以傳統(tǒng)DDF模型為基礎(chǔ)，結(jié)合動(dòng)態(tài)DEA模型、隨機(jī)前沿分析方法和CHANG等[11]提出的兩階段方法對效率進(jìn)行分析，并考慮非合意產(chǎn)出和外生變量的問題，構(gòu)建了一個(gè)外生變量影響下兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型來探討全國各省、市、自治區(qū)的工業(yè)用水效率。

(1)

(2)

兩個(gè)階段的聯(lián)系如式(3)所示，兩個(gè)時(shí)期的聯(lián)系如式(4)所示，利用兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型測算工業(yè)用水效率，如式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

通過兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型，還可以測算時(shí)期效率ρt*和總效率ρ*：

(6)

(7)

1.1.2 重心遷移模型

為把握工業(yè)用水效率在空間分布上的總體變化趨勢，借助重心遷移模型來研究其重心遷移軌跡。由于區(qū)域影響工業(yè)發(fā)展的各要素在工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段不斷變化，因此工業(yè)用水效率重心位置處于不斷變動(dòng)之中，重心的移動(dòng)客觀反映了區(qū)域工業(yè)發(fā)展諸要素空間集聚及其位移規(guī)律。根據(jù)區(qū)域重心遷移模型，30個(gè)省、市、自治區(qū)的工業(yè)用水效率的重心計(jì)算公式如式(8)和式(9)所示[12]。

(8)

(9)

用遷移角度θ、遷移距離D表示不同年份之間效率重心的移動(dòng)方向、移動(dòng)距離。假定第t年工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重心為(LONGt，LATt)，第t′年工業(yè)可持續(xù)發(fā)展為(LONGt′，LATt′)，則遷移角度θt′-t和遷移距離D分別為：

(10)

(11)

式中：R為地理坐標(biāo)與平面投影坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換率，一般認(rèn)為是常數(shù)，取111.111 km[13]。采用ArcGIS確定30個(gè)地區(qū)的地理坐標(biāo)，依據(jù)重心遷移模型即可計(jì)算出2014—2018年全國工業(yè)用水效率重心的遷移軌跡。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2.1 指標(biāo)選取

基于工業(yè)可持續(xù)發(fā)展活動(dòng)的復(fù)雜性，為準(zhǔn)確把握工業(yè)水資源利用協(xié)調(diào)水平，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性和全面性原則，分為工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段進(jìn)行研究。考慮到單一投入產(chǎn)出指標(biāo)要素的片面性與不完整性，從多維投入與多維產(chǎn)出角度進(jìn)行指標(biāo)構(gòu)建分析。在工業(yè)生產(chǎn)階段，工業(yè)就業(yè)人數(shù)、工業(yè)用水總量是投入變量，工業(yè)增加值是合意產(chǎn)出指標(biāo)，工業(yè)廢水排放量是非合意產(chǎn)出指標(biāo)，同時(shí)也是連接兩個(gè)階段的中間變量；在環(huán)境治理階段，針對工業(yè)廢水排放量的處理，投入變量為環(huán)境治理從業(yè)人員人數(shù)和工業(yè)污染治理完成投資，從而得到工業(yè)廢水再生產(chǎn)利用量，重新投入工業(yè)生產(chǎn)階段，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)水資源的循環(huán)利用。此外，參考已有研究成果[14]，考慮了特定地理區(qū)域工業(yè)資本的匯聚對各地區(qū)工業(yè)用水效率的影響，選擇工業(yè)集聚作為外生變量。具體變量如表1所示。

表1 工業(yè)投入產(chǎn)出變量指標(biāo)體系

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局、《全國統(tǒng)計(jì)年鑒》、各地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒、國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng) 1∶400萬數(shù)據(jù)集?？紤]到數(shù)據(jù)的有效性和可用性，以30個(gè)省、市、自治區(qū)為研究對象，不包括香港、澳門、臺灣和西藏自治區(qū)。根據(jù)各地區(qū)所處的地理位置，將其分為東部、中部和西部3個(gè)區(qū)域。

2 實(shí)證分析

2.1 總效率分析

2014—2018年全國各省份工業(yè)總效率如表2所示，可以看出：①東部區(qū)域的總效率優(yōu)于其他兩區(qū)域，11個(gè)東部地區(qū)中有5個(gè)地區(qū)總效率達(dá)到1，分別是北京、廣東、海南、江蘇、山東，說明這些地區(qū)在工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段都較為領(lǐng)先；東部區(qū)域的平均總效率為0.935，遼寧的效率水平最低，為0.800。②中部區(qū)域的平均總效率為0.774，安徽、河南、湖北、湖南、江西高于平均總效率，而黑龍江、吉林、山西低于平均總效率，湖北總效率最高，為0.873，吉林最低，僅為0.669。③西部區(qū)域的總效率呈現(xiàn)兩極分化，青?？傂蔬_(dá)到了1，重慶也高于0.9，而廣西、云南總效率均低于0.65，云南總效率僅有0.608，且除2017年以外均低于0.6，西部區(qū)域的平均總效率為0.798。④整體來看，3個(gè)區(qū)域的效率存在明顯差異，東部區(qū)域表現(xiàn)最好，其次是西部區(qū)域，中部區(qū)域表現(xiàn)最差。同時(shí)，東部區(qū)域中，北京、天津、山東、江蘇、浙江等總效率較高的地區(qū)大多位于沿海地區(qū)，可見水資源豐富為工業(yè)發(fā)展起到了促進(jìn)作用，而黑龍江、吉林、云南、廣西總效率處于0～0.7之間，相對較低。

表2 2014—2018年全國各地區(qū)工業(yè)總效率

2.2 分階段的效率分析

2014—2018年3個(gè)區(qū)域在兩個(gè)階段的效率水平和總效率的變化如表3所示。①從工業(yè)生產(chǎn)階段來看，東部區(qū)域的效率最高，顯著領(lǐng)先于其他兩個(gè)區(qū)域。在東部區(qū)域，工業(yè)生產(chǎn)階段效率在0.939～0.980之間波動(dòng)，在2017年效率值達(dá)到最高。在中部區(qū)域，工業(yè)生產(chǎn)階段效率總體呈現(xiàn)上升趨勢，但在2014—2015年呈現(xiàn)下降趨勢，2015年下降至0.697，仍需繼續(xù)關(guān)注效率，爭取保持穩(wěn)定上升趨勢。在西部區(qū)域，工業(yè)生產(chǎn)階段效率相對穩(wěn)定，變化幅度較小，相較于2016年，2017年效率僅增長了0.765%。②從環(huán)境治理階段來看，東部區(qū)域的效率仍然高于西部和中部區(qū)域，但相較于工業(yè)生產(chǎn)階段差異縮小。在東部區(qū)域，環(huán)境治理階段效率在2017年達(dá)到最大值0.959，相較于2016年增長了12.559%。在中部與西部區(qū)域，環(huán)境治理階段效率總體上均呈現(xiàn)上升趨勢，兩區(qū)域也在2017年達(dá)到自身的最大效率，進(jìn)步空間較大。③由于工業(yè)生產(chǎn)階段與環(huán)境治理階段共同影響，各區(qū)域的總效率呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢。在東部區(qū)域，總效率在2017年達(dá)到最大值0.970，其余3年的總效率都不低于0.906，最為穩(wěn)定，表現(xiàn)最好。中部區(qū)域總效率低于其他兩區(qū)域，與東部區(qū)域差距較為明顯，具有一定的提升空間。西部區(qū)域的總效率也在2017年達(dá)到最大值0.849。

表3 2014年—2018年3個(gè)區(qū)域分階段效率及總體效率

此外，東部區(qū)域第一階段效率高于第二階段，中部和西部區(qū)域第二階段效率高于第一階段。在良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境和資源的明顯優(yōu)勢下，還集中了重要的工業(yè)基地，因此東部區(qū)域在兩階段均表現(xiàn)最好。30個(gè)地區(qū)在兩個(gè)階段的效率如圖1所示。

圖1 2014—2018年30個(gè)地區(qū)兩階段效率分布

2.3 工業(yè)用水效率重心遷移分析

2014—2018年我國工業(yè)用水效率重心空間動(dòng)態(tài)遷移軌跡如表4所示，可以看出工業(yè)用水效率重心2014年到2015年向西南方向移動(dòng)，2016年移動(dòng)軌跡持續(xù)向西，而后兩年均向東北方向遷移。從經(jīng)緯度上看，研究期內(nèi)工業(yè)用水效率重心位置位于N33.236°～N33.625°、E112.378°～E112.758°之間，即效率重心基本落在河南省。2014年工業(yè)用水效率重心的坐標(biāo)為N33.236°、E112.758°，2018年工業(yè)用水效率重心遷移至N33.625°、E112.751°。從效率重心的移動(dòng)距離來看，2014—2018年效率重心的平均遷移距離為27.637 km。其中，2014—2015年的效率重心移動(dòng)距離為19.278 km，2016—2017年的效率重心移動(dòng)距離達(dá)到41.399 km，是前者的兩倍多。將效率重心的位移在東西與南北方向上進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)效率重心在南北方向上的移動(dòng)幅度大于東西方向，說明工業(yè)用水效率的南北差異大于東西差異。

表4 2014—2018年工業(yè)用水效率重心空間動(dòng)態(tài)遷移軌跡

2014—2018年，工業(yè)用水效率重心經(jīng)歷了 “西南-西北-東北”方向遷移的時(shí)空演變過程，且總體呈現(xiàn)由南向北遷移的趨勢，但始終位于河南省。2014、2015年效率重心位于南召縣，2016、2017年效率重心位于嵩縣，2018年效率重心遷移至汝陽縣，具體情況如圖2所示。

圖2 2014—2018年全國工業(yè)用水效率重心遷移

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

筆者構(gòu)建了一個(gè)外生變量影響下的兩階段動(dòng)態(tài)DDF模型，探討2014—2018年全國各省、市、自治區(qū)的工業(yè)用水效率，同時(shí)借助重心遷移模型來觀測工業(yè)用水效率重心在空間分布上的變化特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

(1)我國工業(yè)用水效率呈現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象，3個(gè)區(qū)域存在明顯的差異。東部區(qū)域工業(yè)用水效率最高，其次是西部區(qū)域，中部區(qū)域在工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段效率普遍較低，3個(gè)區(qū)域整體上呈現(xiàn)為“東部-西部-中部”依次遞減的格局。出現(xiàn)這一格局的主要原因在于東部區(qū)域位于沿海地區(qū)，水資源充足，工業(yè)集聚導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)有相對較高的規(guī)模效率以及環(huán)境治理環(huán)節(jié)投入了更多的人力物力。這也表明中部、西部區(qū)域在環(huán)境、資源先天劣勢的情況下，更需注重工業(yè)資源配置、廢水治理循環(huán)利用等方面。

(2)我國工業(yè)用水效率重心經(jīng)歷了向“西南-西北-東北”方向遷移的時(shí)空演變過程，且總體呈現(xiàn)出由南向北遷移的趨勢，我國工業(yè)用水效率重心落點(diǎn)基本分布在河南省。在特定期間內(nèi)，當(dāng)某區(qū)域的效率值所占比重較大且快速增長時(shí)，效率重心就會向該位置漸趨移動(dòng)。從效率重心的落點(diǎn)來看，重心落點(diǎn)變化范圍不大，均在河南省，這與山東等鄰近省份效率值所占比重大相契合；從效率重心的移動(dòng)方向看來，河南以北方向，如山西、河北、內(nèi)蒙古等省份效率值的快速增長使效率重心呈現(xiàn)明顯的由南向北遷移趨勢；從效率重心的移動(dòng)距離來看，2016—2017年移動(dòng)距離最大，這與工業(yè)用水效率在這期間變化最大的事實(shí)相符。

(3)從全國層面探索中國工業(yè)用水效率問題，選取相關(guān)投入產(chǎn)出變量探索中國地區(qū)的工業(yè)用水存在的缺陷和問題，可以從宏觀層面對中國工業(yè)用水進(jìn)行把控；考慮了特定地理區(qū)域工業(yè)資本的匯聚對各地區(qū)工業(yè)用水效率的影響，將工業(yè)集聚作為外生變量投入到模型分析中，使得模型更加貼近工業(yè)用水生產(chǎn)的實(shí)際情況。

3.2 建議

由于我國各省份工業(yè)用水效率存在較大差異，根據(jù)上述模型分析結(jié)果，結(jié)合各省份工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)、環(huán)境治理投資等因素，提出如下建議：

(1)積極推行清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)廢水減量化。我國工業(yè)廢水排放量大，而工業(yè)用水重復(fù)利用率較低，加劇了水資源供需矛盾。各省份在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中需要統(tǒng)籌考慮工業(yè)生產(chǎn)階段和環(huán)境治理階段的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，堅(jiān)持廢水綜合再生利用原則。在工業(yè)生產(chǎn)階段，要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)與工藝，積極推行清潔生產(chǎn)，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，加快工業(yè)行業(yè)提質(zhì)增效的升級步伐；在環(huán)境治理階段，需不斷創(chuàng)新對污水的處理技術(shù)，加快污水處理設(shè)備的研究開發(fā)，加大環(huán)境治理的投資，提高工業(yè)污水重復(fù)利用量。

(2)加強(qiáng)立法和監(jiān)督，重視節(jié)水管理。在中部、西部的缺水地區(qū)，如果工業(yè)發(fā)展超過環(huán)境承載力，將加速生態(tài)惡化，降低水資源利用率。因此，相關(guān)省份在制定政策時(shí)應(yīng)重視保護(hù)水資源基礎(chǔ)，限制地下水開采，通過政策的執(zhí)行和法律的約束，嚴(yán)格執(zhí)行工業(yè)用水定額。同時(shí)，要關(guān)注工業(yè)布局的合理性，避免高用水行業(yè)過度集中在缺水地區(qū)，減小水資源、環(huán)境的惡化。各省份在一定程度上應(yīng)淘汰高耗水耗能的落后項(xiàng)目，鼓勵(lì)發(fā)展耗水耗能小的綠色環(huán)保項(xiàng)目，以低需水、能源代替高需水、能源。

(3)優(yōu)化工業(yè)產(chǎn)業(yè)的布局，加強(qiáng)工業(yè)集聚度。工業(yè)集聚度低導(dǎo)致高消耗、粗加工式的工業(yè)生產(chǎn)，單位工業(yè)增加值需要消耗更多的水資源。研究表明工業(yè)集聚可以對效率提升產(chǎn)生促進(jìn)作用，在不斷降低水資源消耗水平的同時(shí)，要不斷改變工業(yè)粗放式發(fā)展模式，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，探索開放性更高的工業(yè)系統(tǒng)，建立具有低環(huán)境成本和高生產(chǎn)效率的工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群，提升工業(yè)用水效率。