西北五省水資源利用效率的空間分異分析
——基于投入產(chǎn)出模型的研究

(蘭州大學經(jīng)濟學院 甘肅 蘭州 730000)

水資源利用效率的高低關乎著一個地區(qū)的社會經(jīng)濟效益，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，以水資源供需失衡空間分布不均衡等問題日益突出。目前水資源利用效率研究主要集中在評價指標以及不同尺度的案例研究方面，對水資源利用效率的空間分析研究較少，因此，本文以西北干旱區(qū)為研究對象，定量分析西北五省近年來水資源利用狀況，并對水資源利用效率的空間特征進行分析，為可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

一、研究方法

本文首先用投入產(chǎn)出方法計算各部門水足跡強度、虛擬水量和水足跡，再用 Moran指數(shù) 和 Theil 指數(shù)對西北五省完全水足跡強度進行空間差異分析，探索如何提高西北地區(qū)水資源利用效率的理論依據(jù)。編制新的水資源投入產(chǎn)出表是在各省價值型《投入產(chǎn)出表》的基礎上加入水資源消耗量，在此基礎上計算各省8部門的水足跡強度和虛擬水消費量[1]。文本文用完全水足跡強度反映每個省的水資源利用效率，完全水足跡強度即單位產(chǎn)出所消耗的全部水資源量，完全水足跡強度越大，說明單位產(chǎn)出所消耗的水資源越多，水資源利用效率越低。

(一)編制西北五省各省水資源投入產(chǎn)出

表1 水資源投入產(chǎn)出表的基本結(jié)構(gòu)

(二)計算各產(chǎn)業(yè)部門相應的水足跡強度

直接水足跡強度是指部門生產(chǎn)單位總產(chǎn)出所直接消耗的水資源量，即

(1)

完全水足跡強度是指部門生產(chǎn)單位總產(chǎn)出所消耗的全部水資源量，包括直接用水和間接用水之和。各部門完全水足跡強度twj的計算公式：

(2)

式中，(I-A)-1為Leontief逆矩陣。

間接水足跡強度是指部門生產(chǎn)單位總產(chǎn)出所間接消耗的水資源，等于完全水足跡強度減去直接水足跡強度所得的差，即

IW=TW - DW

(3)

(三)計算各部門的最終虛擬水使用量VW

vwj=twj×Yj,VW=[vwj],(j=1,2,…,n)

(4)

虛擬水是在生產(chǎn)各種產(chǎn)品和服務中所需要的水資源數(shù)量。

(四)計算總水足跡W

總水足跡是指所有部門的虛擬水量再加上居民生活用水和生態(tài)用水量。

WF=VW+EW+DW

(5)

其中，VW 為前面計算的虛擬水使用量；EW為生態(tài)用水量；DW 為居民生活用水量。

(五)Moran’s I 指數(shù)

本文應用度量空間自相關空間的全局、局部莫蘭指數(shù)I和莫蘭散點圖，對西北五省的完全水足跡強度進行空間差異分析。

(六)泰爾(Theil)指數(shù)

(10)

式(6)中，n 為區(qū)域個數(shù)；m 每個區(qū)域內(nèi)省的個數(shù)，y、yi、yij分別代表西北五省、i 區(qū)域、i 區(qū)域內(nèi)j 省的完全水足跡強度；G、Gi、Gij分別代表西北五省、i 區(qū)域、i 區(qū)域內(nèi) j 省的GDP。DS為區(qū)域間差異，DR為區(qū)域內(nèi)差異，T越大，表示西北地區(qū)各省水資源利用效率差異越大，反則反之。

(七)數(shù)據(jù)來源

本文選取各省的2002、2007和2012年投入產(chǎn)出表，并根據(jù)張亞雄等[2]在《2002、2007中國區(qū)域間投入產(chǎn)出表》的方法和用水數(shù)據(jù)的可獲得性，將42個部門合并為8個部門，分別為：農(nóng)業(yè)、采選業(yè)、工業(yè)、重工業(yè)、電力蒸汽熱水、煤氣自來水的生產(chǎn)供應業(yè)、建筑業(yè)、貨物運輸及倉儲業(yè)、其他服務業(yè)。水資源相關數(shù)據(jù)來源于各省《水資源公報》。

二、實證分析

(一)水足跡強度的核算

由公式(1)—(3)計算西北五省的直接水足跡強度、完全水足跡強度和間接水足跡強度，發(fā)現(xiàn)從2002年—2016年三者都在不同程度的降低，這說明水資源利用率在提高，其中農(nóng)業(yè)部門的水足跡降幅最大，第8部門的完全水足跡強度比例逐漸升高，第3和第4部門即工業(yè)的完全水足跡強度比例在逐漸降低，這與西北五省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級相一致。五個省中，新疆的完全水足跡強度最高，陜西省完全水足跡強度最低，在相同的經(jīng)濟產(chǎn)出水平下，2002年和2016年新疆用水量分別是陜西的3.3倍、5.4倍，這說明陜西用水效率比新疆提升的速度快一些。西北五省8部門中農(nóng)業(yè)部門水足跡強度遠遠高于其他部門，表明農(nóng)業(yè)部門創(chuàng)造單位價值所需要的水資源量要遠高于其他部門，這說明農(nóng)業(yè)有很大的節(jié)水空間，但占比過大必定會減少其他產(chǎn)業(yè)用水，從而限制其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，應積極研發(fā)高新節(jié)水技術(shù)，走集約現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)道路，擴大農(nóng)業(yè)的節(jié)水空間，提高農(nóng)業(yè)用水效率，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)在整個國民經(jīng)濟的比重[3]。

由公式(1)—(5)，計算發(fā)現(xiàn)2002年以來西北五省總水足跡的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生很大的變化，且虛擬水是總水足跡的重要組成部分。從2002年開始，虛擬水量每年都占總水足跡的93%以上。虛擬水量占比之高主要是由于農(nóng)業(yè)是西北五省的經(jīng)濟發(fā)展基礎，再加上西北的干旱氣候，使得農(nóng)業(yè)耗水量遠遠高于其他產(chǎn)業(yè)，可以說明：農(nóng)業(yè)是導致西北五省水資源結(jié)構(gòu)不平衡的核心原因。

(二)西北五省完全水足跡強度 ESDA 分析

下面運用Moran’s I 指數(shù)，對整個西北地區(qū)水資源利用率不高的原因開展空間異質(zhì)分析。

圖1 2016年西北五省總水足跡、完全水足跡強度及 GDP空間格局對比

如圖1所示，西北五省的總水足跡(WF)、完全水足跡強度(TW)以及GDP，在空間分布上存在明顯差異，并且三者之間不存在顯著關聯(lián)性。其中，陜西省水足跡強度與GDP成反比，GDP較高的地區(qū)，財政能力也較強，在農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和教育方面投入的就越多，能夠形成較好的良性循環(huán)，但其余四省相比而言經(jīng)濟較為落后，GDP總量遠遠低于陜西省，水資源利用效率也較低。圖中顯示寧夏的水足跡量不高，但其完全水足跡強度卻很高，這表明存在水資源總量與水資源利用率雙低的惡性循環(huán)現(xiàn)象。深究其因，其農(nóng)業(yè)水足跡占總水足跡的比重高達87.51%，所以是其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理導致了水惡性循環(huán)。

(1)全局自相關

表2 2016年西北五省完全水足跡強度的全域自相關分析

*2-tail test

表2所示，2016年西北五省全局 Moran’s I 未能通過顯著性檢驗，即西北五省的完全水足跡強度在區(qū)域尺度上不存在空間自相關。前面水足跡強度和總水足跡計算結(jié)果顯示，西北各省水資源利用效率具有空間差異性，從而不具有顯著的全局集聚現(xiàn)象。

(2)局部自相關

表3 2016年西北各省完全水足跡強度的局域自相關分析

*2-tail test

如表3所示，局部 Moran’s I 指數(shù)也未能通過顯著性檢驗，綜合全局 Moran’s I，西北五省在區(qū)域-省域尺度下都不存在明顯的空間自相關性，鄰近區(qū)域和各省之間的水資源利用效率存在較大差異性，至此還沒有找到導致水資源利用效率低的真正原因，接下來通過Moran 局部散點圖進一步對其原因展開空間分析。

(3)Moran散點圖

圖2 2016年西北五省水足跡Moran散點圖

圖2表明，省域尺度上也不存在顯著空間集聚現(xiàn)象，造成Moran未通過檢驗的原因可能是省域尺度數(shù)據(jù)太少。為進一步揭示西北地區(qū)省級尺度水足跡不具備空間集聚性，再運用Theil 指數(shù)對總水足跡的空間異質(zhì)性及貢獻度進行分析(圖中的1,2,3,4,5分別代表陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)。

(三)完全水足跡強度Theil指數(shù)分析

表4 2016年西北五省完全水足跡強度 Theil指數(shù)

如表4所示，區(qū)域內(nèi)水足跡強度的差異貢獻度為71.82%，遠遠大于去區(qū)域間 28.08% 的差異貢獻度，區(qū)域內(nèi)顯著的異質(zhì)性導致了三區(qū)域的總水足跡難以形成空間聚集特征，進一步看出西北地區(qū)總水足跡差異主要源于區(qū)域內(nèi)，區(qū)域間較弱的異質(zhì)性也是西北五省在全局上不具有顯著的空間聚集性的原因[4]。

三、結(jié)語

綜上所述：①西北五省完全水足跡強度存在明顯空間差異，各省各部門水足跡強度差異很大；②Moran’s I 分析表明省域尺度不存在顯著的空間集聚性；③Theil 分析表明空間差異性主要源于區(qū)域內(nèi)部差異，主要是由甘肅與新疆、陜西與寧夏的兩區(qū)域完全水足跡強度顯著差異所致。因此要對西北五省做整體規(guī)劃，制定相關的激勵機制和水資源管理政策；②合理調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)開發(fā)投入，充分利用滴灌、噴灌技術(shù)，提高西北各省水資源利用率，在高新技術(shù)的支撐下走節(jié)水、高效集約化農(nóng)業(yè)道路。