唐 明，周涵杰，許文濤，陳 瑩

（1.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099；2.江西省水文水資源與水環(huán)境重點實驗室，南昌 330099；3.水利部水資源管理中心，北京 100038）

0 引 言

“萬元GDP 用水量”是國內外現(xiàn)行的衡量區(qū)域用水效率的重要指標之一。2012年出臺的《節(jié)水型社會評價指標體系和評價方法》包括6 個方面的21 個正式指標[1]；其中，萬元GDP用水量作為國際通用指標[2]之一予以列入。2016年底，水利部、國家發(fā)展改革委等9 部門印發(fā)的《“十三五”實行最嚴格水資源管理制度考核工作實施方案》，在“十二五”期間“用水總量”、“萬元工業(yè)增加值用水量”、“農田灌溉水有效利用系數”、“重要江河湖泊水功能區(qū)水質達標率”等4 項考核指標的基礎上，增加了“萬元國內生產總值用水量降幅”和“重要水功能區(qū)污染物總量減排量”2 項考核指標[3]。2019年，水利部印發(fā)《規(guī)劃和建設項目節(jié)水評價技術要求》，“萬元GDP 用水量”作為用水效率（定額）指標之一列入[4]?？梢?，作為節(jié)水指標，“萬元GDP 用水量”、“萬元GDP 用水量下降率”的應用較為廣泛，逐漸納入各類考核體系當中，成為我國政府工作的考核內容之一[5,6]。

然而，實踐當中，亦有對該指標合理性的質疑，認為該指標高低不能反映節(jié)水水平[7]；或者認為這些指標能夠表征一個國家或地區(qū)的綜合用水效率，但是不能反映區(qū)域內部用水效率的不均衡性，無法識別低效用水對象[8]。

實際上，受自然條件、產業(yè)分工、經濟增速、供水方式、用水管理等因素的影響，各地用水效率差異較大，第一、二、三產業(yè)用水效率也不均衡。自21 世紀以來，水資源效率的區(qū)域差異及影響因素，是我國用水效率研究領域的一個熱點，許多文獻研究發(fā)現(xiàn)省際經濟發(fā)展水平、科技水平和產業(yè)用水結構會影響省市的水資源效率[9-11]；區(qū)域GDP 的快速增長會掩蓋部分低效用水對象，從而導致區(qū)域用水效率綜合評價出現(xiàn)不合理的結果。

因此，加強用水效率綜合測度及其地域差異研究，更好地識別低效用水對象，找出重點節(jié)水區(qū)域或領域，助力最嚴格水資源管理制度考核的順利推進，十分必要，且有著很強的現(xiàn)實意義。

1 “萬元GDP用水量”衡量節(jié)水效率的局限

1.1 “萬元GDP用水量”的實際權重結構

GDP 是社會生產的貨幣反映，是區(qū)域社會生產規(guī)模的量化指標。一般來講，社會生產規(guī)模越大，用水需求也越大，區(qū)域用水總量就高?！叭f元GDP 用水量”（以下簡稱“原測度”）反映區(qū)域單位GDP 的社會生產所需要的用水量；可以消除社會生產規(guī)模對用水總量的影響，實現(xiàn)不同GDP 體量之間的用水效率比較。現(xiàn)行國家統(tǒng)計制度當中均包含GDP 與用水總量；因此，“原測度”計算簡單，并得到廣泛應用。實際上，如令：

式中：ω1、ω2、ω3分別代表區(qū)域第一、二、三產業(yè)增加值占比，簡稱“產業(yè)結構”權重；G1、G2、G3、G總分別代表區(qū)域第一、二、三產業(yè)增加值與GDP。

而且，可以通過第一、二、三產業(yè)增加值與相應的用水量計算各個產業(yè)的用水效率，即：

式中：P1、P2、P3分別代表區(qū)域第一、二、三產業(yè)的“萬元GDP 用水量”；Q1、Q2、Q3、Q生產分別代表區(qū)域第一、二、三產業(yè)用水量與生產用水總量。

現(xiàn)行國家水資源統(tǒng)計制度中，通常將各地的用水總量分成生活用水、生態(tài)用水、生產用水：

式中：ξ生產為生產用水量占“三生用水總量”的比例。

則“原測度”可以看成：

式（4）表明，“萬元GDP 用水量”是區(qū)域第一、第二、第三產業(yè)“萬元GDP用水量”基于“產業(yè)結構”的加權平均。

1.2 “三生用水”結構差異及其對“萬元GDP 用水量”的影響

生態(tài)用水調度，是實施重點水域生態(tài)保護與修復的重要措施。2012年，黨中央站在歷史和全局的戰(zhàn)略高度，推進新時代“五位一體”總體布局，先后出臺了一系列重大決策部署，推動生態(tài)文明建設取得了重大進展和積極成效。在此過程中，水利部門出臺《水資源保護規(guī)劃編制規(guī)程》（SL 613-2013）、《河湖生態(tài)需水計算規(guī)范》（SL 712-2014）等技術文件指導各生態(tài)用水的管理；2020年4月，水利部印發(fā)《關于做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作的指導意見》，要求各地依法加強河湖生態(tài)流量管理，切實做好河湖生態(tài)流量確定和保障工作。受此宏觀政策的影響，2014年以來，全國生態(tài)用水占比穩(wěn)步增加，從2014年1.69%逐步增加到2019年的4.15%（見圖1）。隨著生態(tài)文明建設的不斷推進，生態(tài)用水占比還將進一步提升。

圖1 全國生態(tài)用水變化趨勢

生活用水供應，是保障人們美好生活的重要內容。從全國層面看，居民生活用水比重較小，但是在省級層面，各地差異較大，北京、天津、上海等直轄市的居民生活用水比重較高。人均居民生活用水量一般要經歷“上升-下降-平穩(wěn)”3 個階段[12]：隨著社會經濟發(fā)展、居民生活條件改善而增加；在達到一個最大值后，又會隨著節(jié)水技術和制度的完善而適當下降；最終逐步穩(wěn)定在一定水平。但是，受發(fā)展階段、經濟實力、用水習慣、節(jié)水力度等因素影響，各地居民生活用水也有較大的差距。有學者統(tǒng)計：2010-2017年，中國大陸627個城市當中，人均居民生活用水量主要為50～220 L/（人·d），約占全部統(tǒng)計數據的95%，小于75 L/（人·d）約占20%，大于220 L/（人·d）約占2%[13]。

生產用水單位，是水資源開發(fā)與利用中的主要服務對象，在“三生用水”中占據較大比例。2010-2019年，全國“生產用水占比”ξ生產在0.858～0.896間波動，均值為0.881，10 a間，全國生產用水量及占比短暫上升后呈穩(wěn)步下降趨勢（見圖2）。在省級層面，各地ξ生產的差異也較大。經統(tǒng)計，2016-2019年31個省級行政區(qū)域當中，ξ生產在80.00%～89.99%范圍內的統(tǒng)計數據達60.40%，但是，北京、天津等缺水城市的ξ生產較低，北京市為34.81%～44.00%，天津市為63.74%～70.13%（總體分布見圖3）。

圖2 全國生產用水變化趨勢

圖3 省域2016-2019年“生產用水占比”分布

1.3 “萬元GDP 用水量”難以識別低效用水對象的原因

從當前生產用水結構來看，農業(yè)用水量最大，用水效率最低，但農業(yè)所占GDP 份額最低（2019年，全國第一產業(yè)占比7.1%），權重最?。环粗?，第三產業(yè)用水量最少，用水效率最高，但它也是我國經濟高速增長的主要貢獻者，所占GDP份額最高（2019年，全國第三產業(yè)占比53.9%），權重最大。因此，基于“產業(yè)結構”權重的計算方式，“原測度”淡化了用水效率較低的農業(yè)影響，拉高了用水效率較高的第三產業(yè)貢獻。

同時，受水資源稟賦及社會經濟發(fā)展水平的影響，各地生態(tài)用水量及占比均存在較大差異。由公式（4）可以看出，生產用水效率相似的2 個單位，可能因為ξ生產的差異而得出完全不同的“萬元GDP用水量”，從而影響評價結果。

由此可見，“原測度”是區(qū)域3 個產業(yè)用水效率基于“產業(yè)結構”的加權平均，不能反映“產業(yè)用水結構”的差異；同時，也無法剔除“生產用水占比”的影響，最終導致“萬元GDP 用水量”難以識別低效用水對象，不能真正區(qū)分區(qū)域用水效率。

2 用水效率綜合評價的新方法

2.1 指標選取與數據來源

以中國大陸31 個省級行政單位作為研究對象，分別統(tǒng)計全國及各區(qū)域的第一、二、三產業(yè)增加值、GDP 及相應的用水量。在時間跨度上，對于全國的統(tǒng)計數據，選擇2010-2019年作為研究階段；對于省級行政單位的統(tǒng)計數據，選擇“十三五”以來的年份作為研究階段，即2016-2019年。具體數據來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國水資源公報》，其中極個別省份和個別年份的空缺數據，通過相鄰年份數據的插值計算來補齊。

需要特別說明的是，我國現(xiàn)行的用水統(tǒng)計當中，用水總量由生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)生產用水、人工生態(tài)環(huán)境補水組成，沒有列出第三產業(yè)用水，而且工業(yè)用水中并不包含建筑業(yè)用水。因此，為了與國家統(tǒng)計制度中的第一產業(yè)、第二產業(yè)、第三產業(yè)相統(tǒng)一，本文將現(xiàn)行用水統(tǒng)計指標“城鎮(zhèn)公共用水量”（由建筑業(yè)用水和服務業(yè)水組成）進行拆分，將其中的建筑業(yè)用水與工業(yè)用水合并，統(tǒng)計為“第二產業(yè)用水”，將服務業(yè)用水作為“第三產業(yè)用水”；而農業(yè)用水本來就包括“農田灌溉用水量”和“林牧漁畜用水量”，直接作為“第一產業(yè)用水”。

2.2 基于“產業(yè)用水結構”的用水效率綜合測度改進

如前所述，只有在區(qū)分產業(yè)用水結構的基礎上，剔除生產用水量占比ξ生產的影響，才能更好地識別低效用水對象的功能。因此，就要基于“產業(yè)用水結構”差異來計算權重：

式中：ω1′、ω2′、ω3′分別代表區(qū)域各個產業(yè)用水量占比，簡稱“產業(yè)用水結構”權重。

因此，基于剔除ξ生產影響與調整權重的雙重考慮，構造新的基于“產業(yè)用水結構”用水效率綜合測度——“萬元GDP綜合用水量”P′總（以下簡稱“新測度”），即：

可以看出，新的計算方式使用水大戶得到更多的權重，其節(jié)水效果對區(qū)域用水效率的影響加大，能夠客觀反映區(qū)域內部用水效率的不均衡性，更易凸顯某些地區(qū)第一產業(yè)或第二產業(yè)節(jié)水水平，能夠有效識別出低效用水對象。譬如，由于農業(yè)用水占比較高，效率較低，就會拉低區(qū)域整體用水效率；同樣，部分高耗水工業(yè)比重較高的地區(qū)也存在這樣的問題。

因此，如果不針對性地提高農業(yè)、高耗水工業(yè)的節(jié)水水平，區(qū)域用水效率就難以持續(xù)提升。

2.3 “萬元GDP綜合用水量”的分析與驗證

2.3.1 “新測度”的有效性分析與驗證

事物和現(xiàn)象之間，總是存在著一定的關系。通常情況下，可以將他們之間的關系分為確定性關系（函數關系）和非確定性關系（相關關系，又稱統(tǒng)計關系）[14]，相關系數越大，說明兩者關系越密切。因此，可以通過SPSS 軟件分析“原測度”、“新測度”與第一、二、三產業(yè)“萬元GDP 用水量”之間的相關性（見表1）。

表1 “萬元GDP綜合用水量”、“萬元GDP用水量”與各產業(yè)“萬元GDP用水量”的相關系數

可以看出：“新測度”、“原測度”與各產業(yè)“萬元GDP 用水量”均保持著極強的相關性，能夠反映各產業(yè)用水效率。改進權重計算方法之后的“新測度”與第一產業(yè)“萬元GDP用水量”的相關性得到進一步提高，提升了它對農業(yè)用水效率的敏感性。

2.3.2 “新測度”的合理性分析與驗證

（1）用水效率測度的等級劃分與聚類策略。影響區(qū)域用水效率的因素眾多[15]，不能簡單依據某個產業(yè)的“萬元GDP用水量”大小對各地用水效率進行直接評價；而是應當采用系統(tǒng)聚類法，充分挖掘不同產業(yè)用水數據中的隱藏信息，根據相似性，將研究對象分成若干類，從而結合類內與類間的數據分析，作出相對客觀的判斷[16]。即運用各地第一、二、三產業(yè)“萬元GDP 用水量”的數據，進行多指標的系統(tǒng)聚類，從而得出能夠綜合反映各個產業(yè)用水效率差異的5個等級劃分（以下簡稱“系統(tǒng)聚類等級”）。

同時，基于各類聚類分析方面的特點和優(yōu)勢[17-19]，分別就各地“新測度”、“原測度”進行單指標“K-均值”聚類，并將研究對象劃分為5個等級。

（2）“新測度”的合理性判斷方法。如前所述，選擇不同的指標或聚類方式，會得出研究對象的不同等級劃分。對于任意年份，基于研究對象的“新測度”（集合A）、“原測度”（集合B）的單指標“K-均值”聚類，將集合中所有元素分成不同的子集Ai、Bi；同時，基于第一、第二及第三產業(yè)的“萬元GDP用水量”，進行多指標的系統(tǒng)聚類（集合S），形成不同的子集Si。

分別統(tǒng)計“用水效率綜合測度”與“系統(tǒng)聚類”等級一致的元素數量，并計算其占所有元素的比例（一致性比例）。

同時，基于Jaccard 系數[20]進行“用水效率綜合測度”等級與“系統(tǒng)聚類”等級的相似度計算：

當2個集合的交集元素在并集元素中所占的比例越大，則相似度越高。

本文將根據不同數據集合的一致性與相似度進行“用水效率綜合測度”的合理性判斷，如果它與“系統(tǒng)聚類等級”劃分出來的集合一致性更強、相似度更高，則它的計算方法更加合理，反之亦然。

（3）“新測度”合理性的實證研究。如前所述，根據搜集到的數據計算31 個省級行政單位每年的第一、第二及第三產業(yè)的“萬元GDP 用水量”、人均GDP、“原測度”、“新測度”，通過SPSS 進行相應的聚類分級（限于篇幅，只展示2019年的計算成果，見表2）。進而計算一致性比例，并根據公式（7）進行相似度計算（見表3）。

表2 基于“K-均值”與系統(tǒng)聚類的2019年用水效率綜合測度等級劃分m3/萬元

通過表3可以看出，與基于“產業(yè)結構”的“原測度”相比，基于“產業(yè)用水結構”的“新測度”得出的等級與基于多指標“系統(tǒng)聚類”得出的等級一致性比例由0.53 提升到0.77，集合相似度由0.45 提升到0.66；也就是說，“新測度”能夠更好地體現(xiàn)不同產業(yè)用水差異，在綜合反映區(qū)域內部不同產業(yè)用水效率上存在優(yōu)勢。

表3 改進的區(qū)域用水效率綜合測度合理性分析成果

3 “新測度”在區(qū)域用水效率空間分異分析中的應用

根據“新測度”的計算成果，繪制2019年中國大陸省級行政區(qū)劃的用水效率空間分異圖（見圖4）。為了更好地識別各地低效用水產業(yè)，本文綜合考慮自然條件、產業(yè)分工、經濟增長方式等因素，對各項特征比較接近的省區(qū)進行歸類分析；同時，為了更好地分析社會經濟發(fā)展與農業(yè)用水對用水效率測度的影響，引入人均GDP、第一產業(yè)用水量占比、第三產業(yè)用水量占比等指標，進行區(qū)域用水效率差異分析（見表4）。

圖4 2019年中國用水效率空間分異示意圖

表4 2019年中國區(qū)域用水效率差異分析一覽表

3.1 直轄市的用水效率分析

北京市、天津市、上海市、重慶市4市的特點是“農業(yè)用水占比”較小，人均GDP 位居前列。因此，基于“原測度”，4個直轄市的“萬元GDP用水量”都較低，用水效率均位于全國前列，未拉開距離。實際上，天津、上海2 市的第一產業(yè)“萬元GDP 用水量”較高，特別是上海，第一產業(yè)與第二產業(yè)“萬元GDP 用水量”為1 626.56、57.48 m3/萬元，工農業(yè)用水效率還有很大的提升空間。基于“新測度”，北京市的用水效率依然保持全國領先，重慶市的排位得到明顯提升，但天津、上海的“萬元GDP 綜合用水量”明顯偏高，已經與北京、重慶拉開了距離。

3.2 東南沿海發(fā)達地區(qū)的用水效率分析

2019年，江蘇省、福建省、浙江省、廣東省人均GDP 均很高。受產業(yè)結構與用水效率的共同影響，基于“原測度”，東南沿海4 省總體上屬于中等偏上的較好水平。但是，廣東、江蘇2省的“原測度”受益于GDP的拉高效應，實際上，廣東省各產業(yè)“萬元GDP 用水量”位于全國中等偏下水平；江蘇省的實際用水效率則更低，一、二產業(yè)用水量很高，分別達到705.49、56.70 m3/萬元；受農業(yè)用水效率的拖累，廣東、江蘇2 省的綜合用水效率不高?！靶聹y度”有效降低了地區(qū)GDP對用水效率的干擾；廣東、江蘇2省用水效率有了較為明顯的下降，逐漸被福建和浙江拉開。

3.3 黃河中下游各省的用水效率分析

位處黃河中下游的山東、陜西、河南、山西氣候相近，水資源較為緊缺，農業(yè)用水占比較高，各產業(yè)發(fā)展較為均衡，產業(yè)用水效率總體較高?；凇霸瓬y度”，區(qū)域用水效率較高，各省水平也較為接近。實際上，作為糧食主產區(qū)的河南省，其第一產業(yè)“萬元GDP 用水量”很低，居全國前列；而山西省第一產業(yè)“萬元GDP 用水量”較高，居全國中等偏后的水平；基于“新測度”，河南、山西2 省的用水效率明顯拉開了距離?？梢?，第一產業(yè)節(jié)水工作對區(qū)域用水效率的提升起到至關重要的作用，山西省的農業(yè)節(jié)水效率較低，節(jié)水潛力還很大。

3.4 中部各省的用水效率分析

素有“中四角”之稱的湖北、湖南、安徽、江西位居長江中下游，氣候特點、產業(yè)結構、作物種類均相似，水資源較為豐沛；第一產業(yè)“萬元GDP 用水量”分別為408.5、525.6、515.1、789.8 m3/萬元；第二產業(yè)分別為49.3、62.9、57.0、56.0 m3/萬元?；凇霸瓬y度”，湖北、湖南、安徽、江西4省用水效率接近，各省之間的差異不大，總體上位于中等偏下的水平?；凇靶聹y度”，4省之間的距離也顯現(xiàn)出來了，湖北省排名也更靠前。主要是它的第一、二產業(yè)“萬元GDP用水量”較其他3 省更低一些，“新測度”更好地識別出這些差異，使其成為用水效率中等偏上的省份。

3.5 西南各省的用水效率比較分析

除西藏之外，西南地區(qū)的云南、貴州、四川3省用水效率尚可，特別是第一產業(yè)“萬元GDP 用水量”，屬于較好的水平。但3 省人均GDP 偏低，受此影響，基于“原測度”，區(qū)域用水效率屬于中等偏下的地區(qū)。但是，基于“新測度”，區(qū)域用水效率均有較大提升，貴州、四川用水效率進入全國先進水平。

3.6 北部各省區(qū)的用水效率比較分析

我國北部省份社會經濟發(fā)展相對落后，諸省當中，除遼寧以外，內蒙、吉林、黑龍江、甘肅、青海、寧夏、新疆等省區(qū)具有農業(yè)用水占比高、效率低的特點，因此，盡管個別省份在第二、三產業(yè)用水方面表現(xiàn)出了較高水平，但受二、三產業(yè)用水占比小的影響，區(qū)域用水效率總體靠后。

4 結 論

本文構造了新的用水效率綜合測度——“萬元GDP 綜合用水量”，并對新方法的有效性與合理性進行了分析與驗證?！靶聹y度”可以作為現(xiàn)行“萬元GDP 用水量”的替代指標，提升低效用水對象的識別水平與改造力度。同時，運用“新測度”分析了2019年全國省級區(qū)劃用水效率與存在的問題，主要結論如下。

（1）“萬元GDP 用水量”是沒有“產業(yè)用水結構”屬性的綜合指標，不能反映區(qū)域內各產業(yè)用水效率不均衡帶來的影響；同時，也無法剔除“生產用水占比”對綜合測度的影響，最終導致“萬元GDP 用水量”無法識別低效用水對象，不能真正體現(xiàn)區(qū)域用水效率。

（2）改進后的“萬元GDP 綜合用水量”，剔除“生產用水占比”對綜合測度的影響；同時，基于“生產用水結構”差異，對各產業(yè)“萬元GDP 用水量”的權重進行了調整，使得用水大戶在“新測度”計算中有了更多的權重，其節(jié)水效果對區(qū)域用水效率的影響也相應加大。

（3）我國第一產業(yè)及部分高耗水的第二產業(yè)用水效率偏低，落實習總書記“堅決抑制不合理用水需求，大力發(fā)展節(jié)水產業(yè)和技術，大力推進農業(yè)節(jié)水”的要求，任重而道遠。“新測度”的應用，能夠更好地識別低效用水對象，找出重點節(jié)水區(qū)域或領域，可以指導各地針對性地開展節(jié)水工作，真正提升區(qū)域節(jié)水水平。

（4）對自然條件、產業(yè)分工、經濟增長方式等各項特征比較接近的省區(qū)進行歸類分析的結果顯示：京津、貴州及黃河下游省份等資源型或工程型缺水地區(qū)的區(qū)域用水效率較高；新疆、西藏及北方經濟欠發(fā)達省份的區(qū)域用水效率較低，節(jié)水潛力很大；上海、江蘇、廣東等經濟發(fā)達省份，以及安徽、湖南、江西等中部省份的農業(yè)用水效率偏低，比同類省份有著更大的節(jié)水空間。