胡 妍,李 巍(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

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區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率及其影響因素
——基于DEA和Malmquist指數(shù)模型

胡 妍,李 巍*(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

摘要：僅考慮經(jīng)濟(jì)效益而忽略環(huán)境損害的水資源利用效率指標(biāo)不能全面反映區(qū)域用水的真實(shí)效果.本文基于DEA和Malmquist指數(shù)模型,提出區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率(WEEE)概念及其評(píng)價(jià)方法,分析了2001～2012年河南省主要地市的WEEE及其影響因素.結(jié)果表明,研究時(shí)段內(nèi)水資源利用保持了較高經(jīng)濟(jì)效率,但環(huán)境效率相對(duì)較差并由此拉低全省WEEE平均約2%;2012年WEEE未達(dá)到DEA有效的地市水資源投入平均冗余率約為18%,COD和NH3-N平均超排率分別約為49%和49.2%,說(shuō)明這些地市存在水資源利用低效和水污染物排放較高的問(wèn)題.通過(guò)分析水資源利用的全要素生產(chǎn)率(TFP)發(fā)現(xiàn),技術(shù)變化指數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)下降了2%,是抑制WEEE增長(zhǎng)的最主要因素.為了在水資源利用過(guò)程中取得更好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)綜合效益,河南省應(yīng)加大對(duì)工農(nóng)業(yè)節(jié)水和水污染防治的科技投入,并在嚴(yán)格控制用水總量的同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)水污染物的減排工作.

關(guān)鍵詞：水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率；DEA；Malmquist指數(shù)；污染物減排；河南省

* 責(zé)任作者, 教授, weili@bnu.edu.cn

針對(duì)水資源利用效率及其評(píng)價(jià),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究.杜榮江[1]將水資源利用效率定義為單位產(chǎn)值的用水量(如單位GDP用水量).陳愛(ài)俠等[2-3]認(rèn)為水資源利用效率是在一定投入和技術(shù)條件下,單位水資源所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益.錢文婧[4]通過(guò)構(gòu)建全要素能源效率框架將水資源效率定義為在給定其他要素投入量之下,生產(chǎn)出一定量產(chǎn)品所需最優(yōu)水資源投入量和水資源實(shí)際投入量之比.總體來(lái)說(shuō),當(dāng)前水資源利用效率評(píng)價(jià)側(cè)重于技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,忽視了水資源利用過(guò)程中產(chǎn)生的污染負(fù)荷.對(duì)某一地區(qū)而言,盡管其水資源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出可能很高,但是如果水環(huán)境污染嚴(yán)重,該區(qū)域的水資源開(kāi)發(fā)利用仍不可持續(xù).因此區(qū)域水資源利用效率評(píng)價(jià)必須綜合考察經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面的效果.目前,水資源利用效率評(píng)價(jià)主要采用比值分析法、指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法及數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[5].相較于前兩種方法,數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)憑借其無(wú)需預(yù)先估計(jì)要素之間的函數(shù)關(guān)系及權(quán)重[6]即可直接計(jì)算各決策單元的投入產(chǎn)出效率等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用.錢文婧等分別利用 DEA方法對(duì)我國(guó)省級(jí)區(qū)域的水資源利用效率、城市污水處理系統(tǒng)效率、我國(guó)工業(yè)水資源利用效率、農(nóng)業(yè)水資源利用效率、流域水污染防治收費(fèi)政策實(shí)施績(jī)效、區(qū)域環(huán)境效率等進(jìn)行了評(píng)價(jià)[4,7-11].相較單獨(dú)使用DEA,將DEA與Malmquist指數(shù)結(jié)合更適合對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并且可以通過(guò)度量全要素生產(chǎn)率(TFP)的變化分析影響效率的各種因素.例如,有研究者使用Malmquist指數(shù)分析了遼寧和西部諸省用水效率的全要素生產(chǎn)率變化及其影響因素[12-15].

河南省作為典型的資源型缺水地區(qū),是國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)域中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的主要省份,正處于推進(jìn)新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程之中,水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾十分突出.合理評(píng)估水資源利用所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和污染負(fù)荷對(duì)全面提高全省水資源利用的綜合效率具有重要意義.對(duì)此,在全面考慮水資源利用的經(jīng)濟(jì)效果和環(huán)境影響的基礎(chǔ)上提出區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率(WEEE)概念,并結(jié)合DEA和Malmquist指數(shù)構(gòu)建其評(píng)價(jià)方法,以此分評(píng)價(jià)河南省2001～2012年的WEEE及其影響因素.

1　區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率及其指標(biāo)體系

1.1 區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率概念界定

水資源利用會(huì)同時(shí)帶來(lái)期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出.期望產(chǎn)出即水資源利用帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益,非期望產(chǎn)出即水污染物及其可能造成的環(huán)境損害.僅考慮水資源利用所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益不能反映用水的“真實(shí)”效率.因此,評(píng)價(jià)水資源利用效率不僅要考慮傳統(tǒng)的“水資源經(jīng)濟(jì)效率”即利用單位水資源的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出量,而且需要分析“水資源環(huán)境效率”即使用單位水資源產(chǎn)生的污染負(fù)荷量.

在DEA框架下WEEE可定義為:在給定的全要素投入條件下,具體研究區(qū)域內(nèi)水資源利用所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和污染負(fù)荷的綜合效果.

1.2 指標(biāo)體系

表1　區(qū)域用水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合效率投入產(chǎn)出指標(biāo)體系Table 1　The input and output index system for WEEE

從投入產(chǎn)出關(guān)系角度,構(gòu)建WEEE評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1).

投入指標(biāo)包括水資源指標(biāo)、資本指標(biāo)和勞動(dòng)力指標(biāo)3方面.水資源指標(biāo)采用區(qū)域全年供水總量,包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)用水量;資本指標(biāo)采用當(dāng)期各區(qū)域的固定資產(chǎn)投資總額;勞動(dòng)力指標(biāo)采用當(dāng)期區(qū)域內(nèi)所有行業(yè)的從業(yè)人員總數(shù).產(chǎn)出指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效益和水污染負(fù)荷兩方面.經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效益指標(biāo)采用地區(qū)生產(chǎn)總值,水污染負(fù)荷指標(biāo)則采用同期向水體排放的COD和NH3-N的總量.

2　評(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 評(píng)價(jià)方法

經(jīng)典的DEA包括CCR和BCC模型,分別對(duì)應(yīng)規(guī)模報(bào)酬不變和可變2種情況.就水資源利用而言,投入要素比產(chǎn)出要素更具主觀可控性,同時(shí)考慮到各地區(qū)效率改善的規(guī)模報(bào)酬一般是可變的,因此選擇以投入導(dǎo)向?yàn)樘攸c(diǎn)的BCC模型分別對(duì)水資源綜合效率、環(huán)境效率、經(jīng)濟(jì)效率,水資源投入冗余進(jìn)行分析.

Banker[16]通過(guò)改變CCR模型中的錐性約束得出規(guī)模報(bào)酬可變的BCC模型.設(shè)有n個(gè)決策單元(DMU)j=1,n,每個(gè)決策單元有m項(xiàng)投入x1j,x2j…,xmj和s項(xiàng)產(chǎn)出y1j, y2j…,ysj,其中xj, yj為DMUj的投入和產(chǎn)出,對(duì)于每個(gè)DMUj都有相應(yīng)的效率評(píng)價(jià)指數(shù)θ,θ[T1]≥1說(shuō)明DMU為DEA有效.BCC模型可表述為如下線性規(guī)劃:

DEA模型中投入最小化、產(chǎn)出最大化的假設(shè)對(duì)于污染負(fù)荷這種“非期望產(chǎn)出”來(lái)說(shuō),明顯是不合適的.因此,本文選用倒數(shù)轉(zhuǎn)換法[17]對(duì)非期望產(chǎn)出做倒數(shù)變換處理,在保證數(shù)學(xué)意義的前提下達(dá)到減少非期望產(chǎn)出的目的.

Fare首次將Malmquist指數(shù)與DEA方法相結(jié)合[18-19],構(gòu)造了從t期到t+1期的Malmquist指數(shù)M(yt,xt,yt+1,xt+1),用以客觀衡量技術(shù)效率變化(Effch)、技術(shù)變化(Techch )和TFP之間的關(guān)系.TFP的變化(TFPch)等于技術(shù)變化指數(shù)(Techch)和技術(shù)效率變化指數(shù)(effch)的乘積,技術(shù)變化指數(shù)(Techch)表示從t期到t+1期DMU生產(chǎn)技術(shù)的改變以及創(chuàng)新的程度;技術(shù)效率變化等于規(guī)模效率(Sech)與純技術(shù)效率變化(Pech)的乘積,表示從t期到t+1期間相對(duì)效率的改變,即DMU在不同期間與代表生產(chǎn)可能性最優(yōu)邊界的生產(chǎn)前沿面之間的距離變化.Pech表示不同期間DMU與生產(chǎn)前沿面的使用技術(shù)和管理水平的距離變化,Sech表示在同一生產(chǎn)前沿面上不同時(shí)期投入的規(guī)模效率的變化,能夠反映規(guī)模的有效利用程度.本文利用Malmquist指數(shù)分別分析WEEE的TFP與Effch和Techch的關(guān)系.

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

用水總量數(shù)據(jù)來(lái)源于2001～2013年《河南省水資源公報(bào)》及各地市環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào).從業(yè)人員數(shù)據(jù)、固定資產(chǎn)投資總額及地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)均取自2001～2013年《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》[20],因缺少固定資產(chǎn)投資總額的縮減指數(shù),固定資產(chǎn)投資總額及地區(qū)生產(chǎn)總值兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的GDP平減指數(shù)折算成以2005年為基期的不變價(jià),以此增加數(shù)據(jù)指標(biāo)的可比性.COD、NH3-N排放量數(shù)據(jù)取自近年《河南省環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》和《河南省環(huán)境狀況公報(bào)》.

3　結(jié)果與分析

3.1 WEEE分析

圖1　河南省2001～2012年3種水資源利用效率計(jì)算分析結(jié)果Fig.1　Estimated results of the three efficiencies for water uses in Henan Province from 2001 to 2012

采用DEA-BCC投入導(dǎo)向模型分別計(jì)算河南省18個(gè)地市2001～2012年的WEEE、經(jīng)濟(jì)效率和環(huán)境效率.為方便表達(dá),這里僅通過(guò)對(duì)比和分析2001、2005、2009、2012四個(gè)典型年的計(jì)算結(jié)果來(lái)反映評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)3個(gè)效率指標(biāo)的變化趨勢(shì)(圖1).由圖1可見(jiàn),各地市水資源利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效率高于其他效率,說(shuō)明大多數(shù)地市在現(xiàn)有投入水平下實(shí)現(xiàn)了較高的水資源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出.

相比之下,環(huán)境效率的總體表現(xiàn)較差,僅濟(jì)源、三門峽、漯河3市的多年平均環(huán)境效率超過(guò)0.5.特別是由于新鄉(xiāng)、焦作、濮陽(yáng)、南陽(yáng)等地的環(huán)境效率偏低,直接導(dǎo)致這些城市的WEEE被整體拉低.但通過(guò)4個(gè)典型年計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可以看到,隨著時(shí)間的推移,各地市環(huán)境效率正在逐步提高.

3.2 投入冗余與產(chǎn)出不足分析

表2　2012年河南省主要地市水資源投入冗余與產(chǎn)出不足分析Table 2　An analysis of input redundancy and output deficiency for water uses of Henan Province in 2012

如表2所示,對(duì)2012年河南省12個(gè)非DEA有效的地市水資源投入情況進(jìn)行投入冗余分析,并使用倒數(shù)轉(zhuǎn)換法對(duì)水污染負(fù)荷進(jìn)行產(chǎn)出不足分析.投入冗余率等于水資源投入冗余量與水資源實(shí)際投入量的比值,產(chǎn)出不足率等于DEA模型計(jì)算得出的理論削減量與污染物實(shí)際排放量的比值,即污染物超排率.

由表2可知,在現(xiàn)有的產(chǎn)出水平下,非DEA有效地市存在不同程度的水資源投入冗余現(xiàn)象,水資源投入量超過(guò)DEA有效狀態(tài)下的最優(yōu)投入量.12個(gè)地市的平均冗余率達(dá)到18%,其中許昌、漯河、平頂山、洛陽(yáng)等市的投入冗余率較低,說(shuō)明這些地區(qū)工業(yè)用水的節(jié)水力度已經(jīng)接近最優(yōu);濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)、焦作、信陽(yáng)的冗余率分別達(dá)到44%、36%、29% 和28%,高于其他地市,說(shuō)明這四個(gè)地市的水資源利用低效問(wèn)題相對(duì)突出,同時(shí)也表明這些地區(qū)存在較高的節(jié)水潛力.

在現(xiàn)有的投入水平下,非DEA有效地區(qū)在污染負(fù)荷方面存在較大程度的產(chǎn)出不足,COD的超排率平均達(dá)到49%,NH3-N的超排率平均達(dá)到49.2%,說(shuō)明整體存在較為嚴(yán)重的水環(huán)境污染影響.12個(gè)地級(jí)市中,鶴壁、新鄉(xiāng)、許昌、漯河4市的COD及NH3-N的污染物超排率均大于60%,其中許昌、漯河2市的污染物超排率為最高且平均超過(guò)70%,說(shuō)明這幾個(gè)城市的水環(huán)境污染物削減工作應(yīng)著重加強(qiáng).

3.3 TFP變化分析

由表3可見(jiàn),2001～2012年河南省水資源利用TFP呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),并在2010年由于Techch指數(shù)突增TFP增至1.08,之后則呈現(xiàn)出增長(zhǎng)衰減的態(tài)勢(shì).研究時(shí)段內(nèi)TFP年均增長(zhǎng)為5%,其中2005年增幅最大為41%,2009年增幅最小為-19.2%.說(shuō)明研究期間全省WEEE整體不穩(wěn)定且后期存在下降趨勢(shì).

Pech指數(shù)在2006～2008年3年間呈現(xiàn)“U”形增長(zhǎng),說(shuō)明該期間水資源管理力度較弱.相比之下,Sech指數(shù)變動(dòng)較穩(wěn)定,平均值大于1,表明研究時(shí)段內(nèi)水資源利用總體規(guī)模變化并不明顯.Techch作為衡量DMU在水資源利用過(guò)程中技術(shù)和創(chuàng)新水平的指標(biāo),在研究時(shí)段內(nèi)波動(dòng)較大,18個(gè)地市中有11個(gè)地市該指數(shù)未達(dá)到DEA有效并最終導(dǎo)致該指數(shù)整體下降約2%,表明此階段水資源利用技術(shù)未有明顯提高.整體來(lái)看,TFP指數(shù)的變化受Pech和Techch影響較大,其中Techch的降低直接影響了TFP的增長(zhǎng),因此加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新是進(jìn)一步提高河南省水資源利用綜合效率的關(guān)鍵所在.

表3　2001～2012河南省水資源TFP指數(shù)及分解Table 3　TFP index summary of Henan (2001～2012)

3.4 多元線性回歸檢驗(yàn)

以區(qū)域水資源利用TFP為因變量,6個(gè)投入產(chǎn)出指標(biāo)為自變量,利用SPSS19.0軟件進(jìn)行線性回歸分析,識(shí)別影響WEEE的主要因子.

表4　SPSS多元線性回歸結(jié)果Table 4　Results from multiple linear regression by SPSS

通過(guò)計(jì)算可得,樣本回歸的效果較好,線性回歸的相關(guān)系數(shù)R=0.916>0.75, 顯著性水平P值為0.001,自變量與因變量之間存在很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系.由表4可知,在產(chǎn)出指標(biāo)中,V2、V3的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)絕對(duì)值在所有自變量指標(biāo)中數(shù)值最大,因此對(duì)因變量的影響最為顯著.同時(shí),V2、V3通過(guò)了5% 水平的顯著性檢驗(yàn),進(jìn)一步證明水環(huán)境污染指標(biāo)在WEEE評(píng)價(jià)中存在顯著影響.

3.5 建議

區(qū)域WEEE將水資源利用所帶來(lái)的期望產(chǎn)出與非期望產(chǎn)出即污染負(fù)荷同時(shí)納入效率評(píng)價(jià)體系,能夠更真實(shí)地反映區(qū)域水資源利用的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)綜合效果,是分析和解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源承載能力之間矛盾的有效指標(biāo).

針對(duì)河南省67%的地市均存在污染物超排率過(guò)高的現(xiàn)象,建議進(jìn)一步加大COD和NH3-N的減排力度;對(duì)于存在水資源投入冗余的地區(qū),應(yīng)嚴(yán)格控制用水總量,提高節(jié)水標(biāo)準(zhǔn).而且,研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域TFP指數(shù)的變化主要受到技術(shù)因素的影響,技術(shù)變化指數(shù)在很大程度上制約了WEEE的提高.對(duì)此,建議河南省繼續(xù)加大科技投入,著力推動(dòng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和工業(yè)廢水處理技術(shù)升級(jí),用技術(shù)的進(jìn)步來(lái)推動(dòng)水資源的可持續(xù)利用.

4　結(jié)論

本研究基于DEA和Malmquist指數(shù)方法,以水資源、資本和勞動(dòng)力為投入要素,以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效益和水污染負(fù)荷為產(chǎn)出要素,對(duì)2001～2012年河南省WEEE進(jìn)行評(píng)價(jià)研究.結(jié)果顯示:河南省在2001～2012年水資源利用保持了較高的經(jīng)濟(jì)效率,但環(huán)境效率表現(xiàn)相對(duì)較差并由此整體拉低全省WEEE平均約2%.通過(guò)投入冗余與產(chǎn)出不足分析發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的產(chǎn)出和投入條件下,未達(dá)到DEA有效的地區(qū)均存在水資源投入冗余現(xiàn)象,且水資源投入平均冗余率達(dá)到18%,存在一定節(jié)水潛能;同時(shí)COD及NH3-N的平均超排率超過(guò)49%,污染情況不容樂(lè)觀,污染物排放需大幅削減.

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A study of water environment-economy integrated efficiency and its driving factors for regional water use based on a combination of DEA and Malmquist index.

HU Yan, LI Wei*(State Key Laboratory on Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1275～1280

Abstract：Because the relevant environmental damages were not incorporated into evaluating conventional water-use efficiency, this efficiency indicator was incapable of depicting the real comprehensive effects except economic outputs. The concept of environment-economy integrated efficiency for regional water use (WEEE) was raised along with its evaluation method based on a combination of DEA and Malmquist index. The WEEE of Henan province was then studied by using the data on water uses and related economic outputs and pollution discharges from 2001 to 2012. In contrast to a higher level economic efficiency, a lower level environmental efficiency had been witnessed for water uses of the province. To a large extent due to a poor environmental efficiency, the provincial WEEE was dragged down by about 2% if compared to the sole economic efficiency. Meanwhile, the cities with WEEEs of inefficient DEA in the province had exhibited the problems of low efficient water uses and excessive pollutant discharges. The averaged input redundancy rate of water resource reached 18% in 2012, and the extra emission rates of COD and NH3-N were about 49% and 49.2% respectively. An analysis of variations of the total factor productivity (TFP) indicated that the technical change index was the most influential factor, resulting in an annually averaged decline of 2% in Henan’s WEEE in the study period. Thus, it was recommended that more inputs need be made into technical innovations to realize water saving and water pollution control. The total volume control of water use should be enforced along with abatement of water pollutants.

Key words：water environment-economy integrated efficiency；DEA；Malmquist index；pollutant reduction；Henan province

作者簡(jiǎn)介：胡 妍(1992-),女,江西南昌人,碩士研究生,主要從事環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：環(huán)保公益項(xiàng)目“流域綜合規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013467042)

收稿日期：2015-09-12

中圖分類號(hào)：X32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)04-1275-06