趙 晨，王 遠(yuǎn)，谷學(xué)明，趙卉卉，吳堯萍，朱曉東，陸根法

(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善不可替代的極為寶貴的自然資源。中國(guó)是一個(gè)水資源儲(chǔ)量非常豐富的國(guó)家，淡水總量為28000億m3，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第4位。但由于人口眾多，人均水資源占有量?jī)H有2200m3，僅為世界平均水平的四分之一、美國(guó)的五分之一，在世界上名列121位。且由于中國(guó)目前處于經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期，還是以粗放型的發(fā)展方式為主，日趨嚴(yán)重的水污染降低了水體的使用功能，進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾。因此，更有效率的利用有限的水資源，使其創(chuàng)造出更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值就成為了必須要關(guān)注的緊迫問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者就水資源利用效率的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，從國(guó)外的研究進(jìn)展來(lái)看，有些學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)資源高效可持續(xù)利用，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)[1-9]；有些學(xué)者研究了工業(yè)用水效率的問(wèn)題，指出運(yùn)用工業(yè)水循環(huán)利用技術(shù)可以提高工業(yè)用水效率[10-11]；還有學(xué)者研究了城市水資源的利用效率[12]；從國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展來(lái)看，由于中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，因此很多學(xué)者關(guān)注了農(nóng)業(yè)水資源的利用效率問(wèn)題[13-15]；更多的學(xué)者從城市，省級(jí)或者全國(guó)層面上研究了水資源的利用效率[16-20]。以上學(xué)者在進(jìn)行水資源利用評(píng)價(jià)的時(shí)候，大多是基于各個(gè)用水部門用水量即實(shí)體水的統(tǒng)計(jì)，缺乏對(duì)于蘊(yùn)含在產(chǎn)品和服務(wù)內(nèi)部的水資源即虛擬水的考慮。如果將虛擬水計(jì)算在內(nèi)，水資源利用效率的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)大大不同。本文結(jié)合水足跡理論識(shí)別江蘇省2000—2010年間水資源的真實(shí)利用情況，并運(yùn)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)其利用效率，為江蘇更加合理高效的利用水資源提供建議。

1 研究方法

水足跡理論最早是由是荷蘭學(xué)者Hoekstra提出的，該理論能夠更真實(shí)的反應(yīng)某一區(qū)域水資源的真實(shí)消費(fèi)情況。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(DEA)可以避免人為主觀因素的影響，對(duì)于各種復(fù)雜情況的評(píng)價(jià)結(jié)果更具有客觀有效性，并且可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序與調(diào)整。本文結(jié)合水足跡理論和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法來(lái)評(píng)價(jià)江蘇省水資源的利用效率。

1.1 水足跡理論

水足跡(WF)被定義為一定區(qū)域內(nèi)人口消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)所使用的水資源總量[21]。水足跡不僅包括了人類社會(huì)發(fā)展所消耗的實(shí)體水，還包括了蘊(yùn)藏在產(chǎn)品和服務(wù)內(nèi)的虛擬水資源，能夠真實(shí)的表現(xiàn)出區(qū)域水資源的利用量。

由于貿(mào)易的存在，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡等于該國(guó)家或地區(qū)所生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)的總用水量與虛擬水進(jìn)出口量的代數(shù)和，主要有2部分構(gòu)成，表達(dá)式為：

WF=IWF+EWF

(1)

式中,WF為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡；IWF表示生產(chǎn)該國(guó)家或地區(qū)當(dāng)?shù)鼐用袼M(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)的區(qū)域內(nèi)水資源需求總量，即內(nèi)部水足跡；EWF表示由其他地區(qū)生產(chǎn)并被本地區(qū)居民所消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)所消耗的水量，即外部水足跡。

IWF=AWU+IWU+DWU+EWU+VWE

(2)

式中,AWU為農(nóng)產(chǎn)品需水量；IWU為工業(yè)需水量；DWU為居民生活水量；EWU為生態(tài)用水量；VWE表示產(chǎn)品虛擬水的出口量。

EWF=VWI-VWEre

(3)

式中,VWI表示進(jìn)口產(chǎn)品虛擬水量；VWEre表示向其他國(guó)家或地區(qū)輸出的進(jìn)口產(chǎn)品再出口量。

農(nóng)產(chǎn)品需水量由農(nóng)作物需水量和動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量?jī)刹糠纸M成，在計(jì)算農(nóng)作物需水量的時(shí)候，本文采用修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼(Penman-Monteith)公式計(jì)算氣候因素影響下的參考農(nóng)作物需水ET0(mm/d):

(4)

式中，Δ是飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率；Rn是作物表面的凈輻射；G是土壤熱通量；γ是濕度計(jì)常數(shù)；T為平均空氣溫度；U2是2m高的風(fēng)速；ea是飽和水氣壓；ed是實(shí)測(cè)水汽壓；(ea-ed)是飽和水汽壓與實(shí)測(cè)水汽壓的差額。

其次，以作物系數(shù)Kc對(duì)ET0進(jìn)行調(diào)整獲得單位面積該農(nóng)作物需水量Wc(m3/hm2):

Wc=KcET0

(5)

本文的作物系數(shù)Kc為聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的作物系數(shù)Kc(部分作物系數(shù)缺失，采用相近作物系數(shù)代替)。動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)用水包括活體動(dòng)物虛擬水含量和宰殺加工用水兩部分，前者包括動(dòng)物整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中消耗的飼料的虛擬水含量、飲用水、圈舍清潔用水和加工飼料的用水量。其大小取決于動(dòng)物的品種、飼養(yǎng)系統(tǒng)、飼料消耗量以及飼養(yǎng)地的氣候條件。由于計(jì)算需要很多數(shù)據(jù)難以獲得，所以一般采用Chapagain和Hoekstra有關(guān)中國(guó)動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水的計(jì)算結(jié)果[22-23]。

本文中的工業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)用水量的相關(guān)數(shù)據(jù)從歷年的水資源公報(bào)上獲得。因進(jìn)出口貿(mào)易中各商品種類繁多，為簡(jiǎn)化計(jì)算，虛擬水貿(mào)易中農(nóng)林牧漁業(yè)與工業(yè)產(chǎn)品虛擬水含量分別為各自萬(wàn)元產(chǎn)值用水量與貿(mào)易量相乘得到，由于缺乏數(shù)據(jù)，本文忽略了進(jìn)口產(chǎn)品再出口的虛擬水量。

1.2 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)是管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與數(shù)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉研究的一個(gè)領(lǐng)域，由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Charnes，Coopor和Rhodes[24]于1978年提出，該方法的原理主要通過(guò)保持決策單元(DMU)的輸出或者輸入不變，借助于數(shù)學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定相對(duì)有效的生產(chǎn)前沿面，將各個(gè)決策單元投影到DEA的生產(chǎn)前沿面上，并通過(guò)比較決策單元偏離DEA前沿面的程度來(lái)評(píng)價(jià)它們的相對(duì)有效性。

DEA中最具代表性的模型有C2R，BC2，C2WH和C2W等多個(gè)模型。其中C2R模型為:

(6)

C2R模型的經(jīng)濟(jì)學(xué)含義為:

令s=θ/σ，則s為規(guī)模效率。s=1,純規(guī)模有效；s<1，則純規(guī)模無(wú)效[24]。

C2R模型和BC2模型二者配合使用，便可評(píng)價(jià)每個(gè)DMU的綜合效率，純技術(shù)效率和規(guī)模效率。

2 實(shí)證分析

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

江蘇省位于我國(guó)東部沿海中心，全省土地面積為12.4萬(wàn)km2，海域面積為13.6萬(wàn)km2。全省河網(wǎng)密布，有大小湖泊290多個(gè)，水面面積達(dá)到17300km2，占全省總面積的17%，為全國(guó)水面積比重之最[25]。江蘇省水資源總量相對(duì)豐富，2010年水資源總量為383.5億m3，但由于人口密集，人均水資源占有量?jī)H為489.9m3，且水污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。江蘇雖然是一個(gè)水資源總量相對(duì)豐富的省份，但人均占有量卻十分不足，水資源短缺已成為制約江蘇社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織CROPWAT需水量計(jì)算軟件及CLIMWAT數(shù)據(jù)庫(kù)，國(guó)際虛擬水研究成果中的中國(guó)動(dòng)物產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算成果[22-23]，江蘇省歷年水資源公報(bào)、《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒(2001—2011)》、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 江蘇省水足跡計(jì)算結(jié)果

圖1 江蘇省歷年總水足跡與人均水足跡

從圖1中可以看出，江蘇省歷年的水足跡從2000年的699.82億立方米增長(zhǎng)到2010年的778.28億m3，雖然在某些年份出現(xiàn)的下降，但總體上呈上升趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)7.1億m3。江蘇省的人均水足跡從2000年到2010年整體變化不大，基本在900—1000 m3·人-1·a-1，高于中國(guó)西北四省的人均水足跡865 m3·人-1·a-1[26]，低于中國(guó)上海的人均水足跡1366 m3·人-1·a-1[27]，也低于全球人均水足跡1240 m3·人-1·a-1，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的人均水足跡，如美國(guó)2480 m3·人-1·a-1和加拿大2049 m3·人-1·a-1[28]還有一定的差距?？梢?jiàn)人均水足跡的水平與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度有著一定的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地區(qū)其人均水足跡也就相對(duì)較高。

從圖2中可以看到，農(nóng)產(chǎn)品需水量歷年均為江蘇省水足跡最大的部分，11a間從547.71億m3增長(zhǎng)到601.23億m3，總體變化不大，呈緩慢上升趨勢(shì)，年均增加4.9億m3；工業(yè)用水量呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在2007年，工業(yè)需水量歷年均低于農(nóng)產(chǎn)品需水量，為江蘇省水足跡中第二大的組成部分，平均占到總水足跡的25%。生活用水量和生態(tài)用水量在歷年水足跡中所占比例較小，且總體變化趨勢(shì)不大，平均占到4.6%和1.6%。虛擬水貿(mào)易為江蘇歷年水足跡的第三大組成部分，虛擬水進(jìn)口量從2000年的63.19億m3增長(zhǎng)到2010年的184.39億m3，增長(zhǎng)了192%，虛擬水出口量從97.64億m3增長(zhǎng)到238.34億m3，增長(zhǎng)了144%。

圖2 江蘇省歷年水足跡構(gòu)成

3.3 江蘇省水資源利用效率評(píng)價(jià)

3.3.1 指標(biāo)選取

本文以2000—2010年江蘇省的農(nóng)業(yè)用水量，工業(yè)用水量、生活用水量，COD排放總量,固定資產(chǎn)投資總額，從業(yè)人員數(shù)作為投入指標(biāo)，此幾項(xiàng)指標(biāo)綜合反應(yīng)了江蘇水資源供給能力，進(jìn)而影響其水資源利用效率，其中水資源利用結(jié)構(gòu)和利用量等指標(biāo)一定程度反應(yīng)出區(qū)域水資源供給等資源稟賦因子；以GDP和糧食產(chǎn)量作為產(chǎn)出指標(biāo)，具體的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：

(1)農(nóng)業(yè)用水量 農(nóng)業(yè)是水資源消耗最大的部門，本文的農(nóng)業(yè)用水量是利用水足跡理論計(jì)算得到，可以更真實(shí)的反應(yīng)農(nóng)業(yè)的水資源利用情況。

(2)工業(yè)用水量 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要一定量水的參與，主要用于冷凝、稀釋和溶劑等作用。一方面，在水資源的利用過(guò)程中通過(guò)不同的途徑進(jìn)行消耗；另一方面，又以廢水的形式排入自然界，參與正常水循環(huán)[27]。因此選取農(nóng)業(yè)需水量和工業(yè)用水量的加和生產(chǎn)用水量作為投入指標(biāo)，反應(yīng)生產(chǎn)活動(dòng)中水資源的利用情況。

(3)生活用水量 生活用水包括居民用水、公共用水(含建筑業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水和流動(dòng)人口用水)。

(4)COD排放總量 化學(xué)需氧量包括工業(yè)廢水排放和生活污水排放，是水體的主要污染物，過(guò)多的污染物會(huì)降低水資源的利用效率，因此選取COD排放量作為投入指標(biāo)。

(5)固定資產(chǎn)投資總額 由于水資源本身作為一種自然資源，其必須與社會(huì)資源共同利用才能帶來(lái)產(chǎn)出，因此選取固定資產(chǎn)投資作為投入指標(biāo)。

(6)從業(yè)人員數(shù) 本文從消費(fèi)的角度來(lái)考慮水資源的利用情況，而人是消費(fèi)的主體，選取從業(yè)人員數(shù)作為投入指標(biāo)可以反映全社會(huì)勞動(dòng)力對(duì)水資源的消費(fèi)情況。

(7)GDP 水資源作為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)資源能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)出，所以選取GDP作為產(chǎn)出指標(biāo)之一。

(8)糧食產(chǎn)量 農(nóng)業(yè)是水資源消耗最大的部門，而糧食產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的主要指標(biāo)，因此選取糧食產(chǎn)量衡量水資源在農(nóng)業(yè)方面的利用情況。

表1 江蘇省2000—2010年投入產(chǎn)出指標(biāo)

3.3.2 模型運(yùn)行結(jié)果分析

將表1的數(shù)據(jù)代入到C2R模型中求解，得到2000到2010年江蘇省水資源利用效率θ值和各DMU的松弛變量值，經(jīng)整理結(jié)果如表2所示。將表1的數(shù)據(jù)代入BC2模型進(jìn)行計(jì)算，得到2000到2010年間江蘇省水資源利用的純技術(shù)效率值σ，見(jiàn)表3第三列。表3的數(shù)據(jù)是將各年的綜合效率、純技術(shù)效率、規(guī)模效率和規(guī)模效益進(jìn)行總結(jié)后得到的。

表2 C2R模型求解結(jié)果

表3 江蘇省水資源利用的綜合效率、純技術(shù)效率以及規(guī)模效率

從表3可以看出，在綜合效率有效的年份，其純技術(shù)效率值σ均為1，達(dá)到純技術(shù)有效，所有綜合效率值小于1的年份，其純技術(shù)效率值σ均小于1，純技術(shù)無(wú)效；說(shuō)明個(gè)資源之間的組合并沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，要素的投入結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改善；從純規(guī)模效率的層面來(lái)看，所有綜合效率值小于1的年份，純規(guī)模效率值s均小于1，為純規(guī)模無(wú)效。在DEA有效的7a處于規(guī)模收益恰當(dāng)?shù)碾A段，已經(jīng)達(dá)到最佳的規(guī)模收益點(diǎn)；而在非DEA有效的年份中，2003到2006年為規(guī)模收益遞增，表明繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加資源的投入，以獲得更大的產(chǎn)出。

對(duì)表3中非DEA有效的年份在有效平面上進(jìn)行投影調(diào)整，得到的結(jié)果見(jiàn)表5。這些年份中，江蘇省在農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、固定資產(chǎn)投資和從業(yè)人員數(shù)的投入上存在冗余且水體中污染過(guò)多，可以通過(guò)相應(yīng)的減少每項(xiàng)的投入來(lái)達(dá)到水資源的有效利用。從平均節(jié)約(削減)率來(lái)看，COD可削減的程度最多，達(dá)到10.68%，其次是工業(yè)用水量，為8.12%，其余指標(biāo)需要節(jié)約的程度相當(dāng)。因此，節(jié)約工業(yè)用水量，降低廢水COD排放量就是江蘇省今后在水資源利用需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。農(nóng)業(yè)是水資源消耗最大的部門，應(yīng)適當(dāng)降低農(nóng)業(yè)用水比例，發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)。淘汰耗水大，污染嚴(yán)重的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提高工業(yè)用水效率。同時(shí)優(yōu)化固定資產(chǎn)投資，提高從業(yè)人員節(jié)水意識(shí)。

表4 DEA投影的調(diào)整結(jié)果

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)2000到2010年，江蘇省水足跡呈上升的趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)7.1億m3，農(nóng)業(yè)和工業(yè)是江蘇省水資源消耗最大的兩個(gè)部門。

(2) 從整體上看，江蘇省2000—2010年水資源的利用效率基本上保持在一個(gè)較高的水平上，DEA有效的年份占64%，無(wú)效的年份占36%，并且在DEA無(wú)效的年份中，其水資源的利用效率都保持在0.9以上，達(dá)到較高的水平。

(3) 造成江蘇省水資源利用DEA無(wú)效的原因既有技術(shù)無(wú)效的原因又有規(guī)模無(wú)效的原因，在DEA無(wú)效的年份，江蘇在農(nóng)業(yè)用水，工業(yè)用水，生活用水，COD排放，固定資產(chǎn)投資和勞動(dòng)力投入方面存在冗余，平均每年分別可以節(jié)約或削減30.08億m3、15.91億m3、1.71億m3、9.67萬(wàn)t、172.76億元和211.12萬(wàn)人。

3.2 建議

(1)江蘇省水足跡分析結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)是耗用水資源最多的部門，所以應(yīng)該逐步降低農(nóng)業(yè)用水比例，依靠節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水效率；調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰產(chǎn)業(yè)鏈落后，耗水量大的產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展信息工程等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和金融、旅游等第三產(chǎn)業(yè)。

(2) 結(jié)合規(guī)模效益的評(píng)價(jià)結(jié)果，江蘇應(yīng)該合理規(guī)劃生產(chǎn)要素的投入，減少水資源，資金和勞動(dòng)力等在生產(chǎn)中的投入比例，鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)進(jìn)步在水資源利用中的貢獻(xiàn)率。一是通過(guò)宏觀層面上的管理技術(shù)創(chuàng)新，主要包括經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式由粗放型增長(zhǎng)到集約型增長(zhǎng)，從單純的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)到全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的增長(zhǎng)。調(diào)整工業(yè)布局，發(fā)展低耗水行業(yè)，限制高耗水部門，建立“耗水減量化”、“廢水資源化”的工業(yè)用水模式；二是從具體技術(shù)層面上，通過(guò)吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)，提高用水效率。

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