基于DEA方法的工業(yè)水資源利用效率分析

文_曹方麗 湖南省資興市環(huán)保局

1 我國工業(yè)水資源利用情況

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)用水消耗量不斷增大，與發(fā)達國家相比，我國的工業(yè)水資源利用效率較低。長期以來，我國一直在努力提高工業(yè)用水的再利用率，但本文選擇的樣本工業(yè)用水平均利用率均值為73%低于發(fā)達國家 80%～85%。

從國內(nèi)外工業(yè)水資源研究情況來看，水資源利用效率的測度模型最普遍的為數(shù)據(jù)包絡分析法（DEA）。本文在研究水資源利用效率的同時考慮環(huán)境因素，將工業(yè)廢水中的化學需氧量考慮到水資源利用過程中。利用三階段的DEA方法測量工業(yè)水資源利用率，以此消除環(huán)境因素和隨機因素的影響。此外，利用Malmquist指數(shù)從動態(tài)上分析工業(yè)水資源的利用效率，并對影響水資源利用效率的影響因素進行分析，提出有效提高工業(yè)水資源利用效率的策略。

2 基于DEA的水資源循環(huán)利用效率評價研究進展

DEA方法是由ChamesA.和CooperW.W等人提出的。有很多學者將DEA理論應用到水資源利用效率分析當中去。

曹思齊等利用DEA模型分析了水資源管理制度對長三角地區(qū)工業(yè)水資源利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)嚴格有效的管理制度有助于提高工業(yè)水資源的利用效率。

買亞宗等對工業(yè)水資源利用效率進行預測，發(fā)現(xiàn)我國不同地區(qū)的水資源利用效率存在差異。

在衡量工業(yè)水資源的效率時，有必要分析影響效率的因素并找到提高效率的措施。

洪昌紅等分析了廣東省工業(yè)水資源的利用情況，發(fā)現(xiàn)電力、熱力、化學制造業(yè)等行業(yè)的水資源利用效率比較低。

Romano G等在DEA模型的基礎(chǔ)上，對意大利43家水務公司的水資源利用效率進行分析，發(fā)現(xiàn)公司的地理位置和規(guī)模對水資源利用效率影響較大。

本文采用DEA方法對工業(yè)水資源的利用效率進行預測，用水效率介于0～1之間，數(shù)值越大表明效率越高；并且從自然稟賦、經(jīng)濟發(fā)展水平、科技進步、工業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)用水重復利用率、水資源開發(fā)利用率、工業(yè)用水年增長率幾個方面，對影響因素進行了實證分析，豐富工業(yè)水資源用水效率的影響因素研究。

3 基于DEA方法的工業(yè)水資源利用效率分析

3.1 數(shù)據(jù)來源及指標體系建立

3.1.1 投入產(chǎn)出指標的選取

從投入產(chǎn)出的角度衡量我國工業(yè)水資源利用效率，選擇合適的投入產(chǎn)出指標非常重要。本文將工業(yè)用水量，工業(yè)固定資產(chǎn)投資量，工業(yè)用水量作為投入指標，將工業(yè)廢水的預期產(chǎn)量和COD排放量作為產(chǎn)出指標，進行工業(yè)用水效率的測量。

3.1.2 環(huán)境指標的選取

環(huán)境變量通常是指在某種程度上影響工業(yè)用水效率的因素，但行業(yè)本身無法控制或難以控制。 通常，有許多環(huán)境變量會影響工業(yè)用水的效率，例如宏觀經(jīng)濟政策因素和市場監(jiān)管，以及在短時間內(nèi)無法控制或無法在短時間內(nèi)控制的因素。本文選擇的環(huán)境變量針對三階段DEA模型的第二階段，通過將決策單元置于同一環(huán)境中來衡量工業(yè)水資源的利用效率。為了保證各省在同一起點上測算水資源利用效率，選取4個具有代表性的環(huán)境變量，他們是工業(yè)污染治理完成投資額、城鎮(zhèn)化率、國有工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的比重以及工業(yè)增加值占 GDP 的比重。

本文利用我國31省市區(qū)2006-2015年的面板數(shù)據(jù)，其均來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國工業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》以及《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》。

3.2 三階段DEA模型案例分析

工業(yè)水資源用水效率分東部、西部和中部，東部包括北京、天津、河北、遼寧、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東、廣西、海南；西部包括山西、吉林、安徽、江西、河南、湖北、湖南；中部包括重慶、四川、貴州、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏。

3.2.1 第一階段：傳統(tǒng) DEA模型預測結(jié)果分析

DEA模型測算的是規(guī)模報酬可變條件下的決策單元效率值。其測算如下：決策單元的個數(shù)為 n，每個決策單元有m種不同類型的輸入和s 種不同類型的輸出，輸入變量用表示，輸出變量用 表示。測算模型如下：

基于我國各省市區(qū)2006-2015年的投入產(chǎn)出面板數(shù)據(jù)，應用MATLAB軟件，測算DEA技術(shù)效率值，根據(jù)結(jié)果來看，只有天津、山東、廣東、廣西和寧夏這 5 個省市的DEA有效。10年間我國工業(yè)水資源利用技術(shù)效率的平均值只有0.860，效率不高。從圖1可以得出，我國東部的水資源利用率要比中部和西部高，中部和西部旗鼓相當，它們的值平均值分別為0.957、0.806、0.773。從圖2可以知道，我國10年間工業(yè)水資源的利用效率呈上升的趨勢，逐漸逼近0.9。

第一階段DEA效率值的測量結(jié)果及其分析表明，中國工業(yè)水資源利用的技術(shù)效率在多個地區(qū)是有效的。但預測值并沒有消除環(huán)境因素的影響，需進一步的修正。3.2.2 第二階段：Tobit 回歸實證結(jié)果分析

圖1 各地區(qū)平均水資源利用率

圖2 2006-2015年平均水資源利用率

表1 各變量統(tǒng)計值

表2 Tobit回歸結(jié)果

從表2可以知道，四個環(huán)境變量對 的影響均不顯著，故不要作調(diào)整，本文只對和作調(diào)整。進一步分析環(huán)境因素對和的影響，可以發(fā)現(xiàn)和有正也有負，當環(huán)境變量的系數(shù)時正數(shù)時，增加環(huán)境變量，會使DEA的效率值降低；相反，則上升。

本文將根據(jù)Tobit的回歸結(jié)果，對初始輸入變量作相應調(diào)整，使各地區(qū)的外部環(huán)境相同，使每個省份的工業(yè)水資源利用率預測在同一起點，使最終的預測結(jié)果接近實際結(jié)果。

3.2.3 第三階段：調(diào)整DEA 模型預測結(jié)果分析

根據(jù)使（2）和第二階段的回歸結(jié)果對初始投入要素作調(diào)整，然后再次應用DEA模型對水資源利用效率進行預測，調(diào)整前后工業(yè)水資源利用率對比見圖3。

圖3 調(diào)整前后工業(yè)水資源利用率對比

調(diào)整后的工業(yè)水資源利用率為0.833較未調(diào)整前的0.860稍低。從圖7調(diào)整前后技術(shù)效率對比圖可知，調(diào)整前后的工業(yè)水資源的利用率變化趨勢一致，且調(diào)整后的效率要比調(diào)整前低，這是考慮了環(huán)境因素影響的緣故。

4 工業(yè)水資源效率影響因素及應對策略分析

4.1 工業(yè)水資源利用效率的影響因素選取及數(shù)據(jù)說明

（1）自然稟賦（X1）

本文選取人均水資源作為自然稟賦。我國總的淡水資源在時間分配和空間分配上嚴重的不均衡。時間上看，冬季降雨使非常少的，而夏季降雨則非常多；從空間上看，水資源南多北少，南方水資源占到了總水資源的80%左右，東多西少，西部水資源只占到了20%左右。人均水資源的計算方式為全省市總水資源除以總?cè)丝凇?/p>

（2）經(jīng)濟發(fā)展水平（X2）

在本文中，我們將選擇人均GDP來代表經(jīng)濟發(fā)展水平，并衡量對工業(yè)用水效率的影響。中國的經(jīng)濟發(fā)展水平在東方比較發(fā)達，GDP比中西部地區(qū)高得多，西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對較晚。經(jīng)濟發(fā)展水平直接影響各個省市的各種基礎(chǔ)設施建設，技術(shù)投資和政府融資，各省市工業(yè)水資源利用效率可能受到很大影響。在經(jīng)濟發(fā)展的早期階段，資源開發(fā)和利用對于支持可持續(xù)發(fā)展是必不可少的，隨著經(jīng)濟標準的提高和工業(yè)化的進步，工業(yè)用水需求逐年增加。隨著經(jīng)濟和工業(yè)化水平的提高，人們將認識到節(jié)約用水的重要性，并采取措施提高工業(yè)用水的效率。

（3）科技進步（X3）

本文研究的科學技術(shù)的進步因素主要是指工業(yè)節(jié)水技術(shù)。工業(yè)節(jié)水技術(shù)是指技術(shù)取代傳統(tǒng)水資源，以提高工作效率和工業(yè)用水的效益，減少工業(yè)用水的損失，是指技術(shù)取代傳統(tǒng)水資源，如直接節(jié)水技術(shù)和間接節(jié)水技術(shù)。直接節(jié)水技術(shù)是指直接節(jié)約水資源，減少生產(chǎn)過程中水耗的技術(shù)。間接節(jié)水技術(shù)是一種在不使用水本身的情況下減少水資源消耗的技術(shù)。技術(shù)措施主要如下：一是建立健全工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，提高工業(yè)用水回用率；二是改革工業(yè)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)工藝和用水過程，包括新的節(jié)水技術(shù)，無污染或污染較少的技術(shù)，以及推廣新的節(jié)水設備。

（4）工業(yè)結(jié)構(gòu)（X4）

工業(yè)結(jié)構(gòu)一般是指產(chǎn)業(yè)各部門之間的比例關(guān)系，以及重建過程中形成的技術(shù)和經(jīng)濟聯(lián)系。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析和計量指標體系包括：（1）全行業(yè)固定資產(chǎn)，獨立行業(yè)或部門的勞動力和流動性份額；（2）各工業(yè)部門或部門的總產(chǎn)值；（3）每個行業(yè)的產(chǎn)品消費系數(shù)，包括直接消費系數(shù)和完全消費系數(shù)。嚴重影響國家或地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的因素是社會經(jīng)濟系統(tǒng)及其變化，供給結(jié)構(gòu)，社會需求結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟地位。本文選取上述八個高耗水量工業(yè)產(chǎn)值作為代表工業(yè)結(jié)構(gòu)的工業(yè)總產(chǎn)值比例，研究其對中國工業(yè)用水效率的影響。本文將選取規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)研究與試驗發(fā)展經(jīng)費作為科技進步因素來研究其對工業(yè)水資源利用效率的影響。

（5）工業(yè)用水重復利用率（X5）

工業(yè)重復用水是指工業(yè)循環(huán)用水，工業(yè)用水的再利用率測量越高，工業(yè)用水的再利用水平越高。從理論或?qū)嵺`的角度來看，提高工業(yè)用水的再循環(huán)率對提高工業(yè)用水的效率非常有利。在提高工業(yè)用水再利用率的研究中，有必要通過整合經(jīng)濟效益、綜合效益以及環(huán)境效益這三個方面來合理評價工業(yè)用水的再利用率。

（6）水資源開發(fā)利用率（X6）

在本文中，總消耗量是表示影響工業(yè)水資源利用效率的總水資源的比率。例如，2015年中國西藏自治區(qū)水資源總量為3853億立方米，總用水量為3.08億立方米，水資源利用率很低。相對而言，水資源的開發(fā)速度可以更好地代表各省和每個城市的水資源開發(fā)利用程度。水資源利用效率是水資源有效開發(fā)利用和管理的綜合指標，工業(yè)用水效率是一個重要因素。

（7）工業(yè)用水年增長率（X7）

本文研究了工業(yè)用水年利用率對工業(yè)用水效率的影響。當工業(yè)用水也用作產(chǎn)品時，工業(yè)用水的邊際效用也會增加然后減少。在水中使用的初始階段，工業(yè)用水的消耗量逐漸增加時，邊際效用也增加，而且工業(yè)用水資源的利用效率會增大，當邊際效用減小時，工業(yè)用水使用后效率也會下降。因此，從理論上講，工業(yè)用水的增長率會影響工業(yè)用水的效率。

4.2 基于 Tobit 模型的我國工業(yè)水資源影響因素實證分析

將技術(shù)效率作為解釋變量，自然稟賦X1、經(jīng)濟發(fā)展水平X2、科技進步X3、工業(yè)結(jié)構(gòu)X4、工業(yè)用水重復利用率X5、水資源開發(fā)利用率X6、工業(yè)用水年增長率X7這7各影響因素作為被解釋變量。應用Tobit 模型對工業(yè)水資源的利用效率作實證分析，Tobit 模型如下：

表3 變量統(tǒng)計值

表4 Tobit 模型回歸結(jié)果

從表4可以看出，模型的Wald統(tǒng)計量通過了1%水平的顯著性檢驗，并且以技術(shù)效率值建立的Tobit模型作為解釋變量是顯著的，即建立的模型是正確的。研究計算結(jié)果還表明，水資源人均占有量、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)研究與試驗發(fā)展經(jīng)費和行業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的比重對技術(shù)效率呈非常顯著的負效應，人均GDP、工業(yè)用水重復利用率 對技術(shù)效率呈非常顯著的正效應。

4.3 水資源循環(huán)利用策略研究

（1）適當調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局。本文的實證結(jié)果表明，東部地區(qū)工業(yè)水資源利用效率明顯高于中西部地區(qū)，東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對合理。注重缺水區(qū)與多水區(qū)之間的空間分配，及時關(guān)注高耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，主要企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

（2）提高工業(yè)用水價格。人均GDP是影響工業(yè)用水利用效率的一個非常重要的因素。為了優(yōu)化水資源的配置是非常重要的，以達到節(jié)水型工業(yè)用水，提高工業(yè)用水循環(huán)利用資源率，有效提高工業(yè)用水，加強水資源標準制定，加強工業(yè)用水成本管理。在某種程度上，可以提高增量水價或執(zhí)行超額累積加價。

（3）研究先進的工業(yè)節(jié)水技術(shù)和設備，現(xiàn)代科學技術(shù)的完整的應用程序，以提高水的利用效率產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。先進的科學技術(shù)是提高工業(yè)用水效率的一個非常重要的因素。利用現(xiàn)有的科研和學術(shù)優(yōu)勢，與國內(nèi)外研究機構(gòu)和大學合作，與工業(yè)自來水公司，特別是高耗水行業(yè)公司合作，實現(xiàn)節(jié)水技術(shù)合作。充分吸收國外先進的工業(yè)節(jié)水技術(shù)和管理經(jīng)驗，積極配合技術(shù)支持體系，提高我國工業(yè)水資源利用效率的技術(shù)使用水平

（4）建立比較完整的工業(yè)用水政策和監(jiān)管體系。加強政府監(jiān)管，在提供工業(yè)水資源和開發(fā)利用該區(qū)域的基礎(chǔ)上，各級政府制定了適合該地區(qū)的工業(yè)節(jié)水計劃和相關(guān)的稅收優(yōu)惠政策。 同時，積極支持考慮節(jié)能和高附加值環(huán)境的工業(yè)企業(yè)，注重工業(yè)水資源利用的生態(tài)效益，提高工業(yè)水資源的輸送效率，降低污染率和水資源的使用。

5 結(jié)論

通過以上的研究和分析，主要得出以下幾點結(jié)論：

（1）運用DEA模型對我國2006-2015年各省市的工業(yè)水資源利用率進行了預測，并考慮環(huán)境因素的影響，對預測值作了相應的調(diào)整，調(diào)整前后的工業(yè)水資源的利用率變化趨勢一致，且調(diào)整后的效率要比調(diào)整前低，這是考慮了環(huán)境因素影響的緣故?？傮w而言我國10年間，工業(yè)水資源的利用效率呈上升的趨勢。

（2）對影響工業(yè)用水效率的因素進行了分析。表明以技術(shù)效率值建立的Tobit模型作為解釋變量是顯著的。研究計算結(jié)果還表明，水資源人均占有量、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)研究與試驗發(fā)展經(jīng)費和行業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的比重對技術(shù)效率呈非常顯著的負效應，人均 GDP、工業(yè)用水重復利用率對技術(shù)效率呈非常顯著的正效應。水資源開發(fā)利用率和工業(yè)用水年增長率沒有通過顯著性檢驗，這就表明它們對技術(shù)效率的影響不大。

（3）對工業(yè)水資源利用效率提出了相關(guān)的建議。建議從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局、工業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)節(jié)水技術(shù)和設備和工業(yè)水保政策和監(jiān)管體系四個方面來提高工業(yè)用水效率。