天山北坡經濟帶主要城市用水效率的時空差異

劉鷥瑛, 呂光輝, 張雪妮, 滕德雄

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 干旱生態環境研究所,新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆綠洲生態重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046)

在生態系統中，水資源無疑是其中重要的組成部分，也是維系生態系統正常運行的必要條件。對生態系統進行系統化分析，通過調研、模擬或者計算，合理配置水資源成為當前研究的一個重要熱點[1]。中國是世界13個貧水國家之一，在水資源有統計的國家中排名第127位，位居后列[2]。新疆地處中國西北內陸，不僅地域遼闊、資源豐富，而且成為了絲綢之路經濟帶的核心區域[3]，迎來經濟社會發展的新機遇。但與中國其他省份相比，新疆遠離海洋，“三山夾兩盆”的地貌特征使其形成了典型的干旱氣候，生態環境十分脆弱，水資源相對緊缺，經濟社會發展對水資源壓力巨大[1]。因此，處理好經濟發展與資源保護的關系，探索水資源可持續利用與主要耗水產業系統協調發展，是新疆社會各界高度重視的重大課題，也是探索生態與經濟、人與自然協調發展新模式的重要方面。

天山北坡經濟帶是新疆經濟總量最高、最發達的區域，也是絲綢之路中面向中亞通向歐洲的重要樞紐[3]。在國家“一帶一路”的總體戰略下，天山北坡經濟帶迎來了一個重要的發展階段。但基于其水資源短缺、水環境退化等基本水情的嚴峻現實，在優勢資源轉換的戰略格局和發展形勢下，都要求我們必須建立健全水資源統一管理體制，加快傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變,優化配置水資源,實現可持續發展[4]。

學者們針對水資源利用與區域復雜系統中經濟發展與生態環境的相關性問題開展了相對豐富的研究，其研究領域涵蓋水資源供需均衡[5]、水資源承載力[6]、水資源配置[7]、水資源持續利用[8]和生態需水[9]等方面。其中涉及到耗水產業生態系統與經濟發展關系的研究主要集中在水資源承載力方面。但是，關于水資源承載能力的研究多從承載力的內涵及外延[10]、承載能力的衡量標準[11]等方面著手開展；而從生態經濟、生態管理等角度和空間計量經濟學的研究剛剛起步[12]，尤其是就天山北坡經濟帶這一特殊區域水資源利用效率和城市間水資源利用的空間依賴性問題而開展研究的文獻偏少。

現存研究中不乏區域間水資源利用效率差異分析的文章，但專門以天山北坡經濟帶為研究對象的文獻較稀缺，這一地區的用水效率時空差異問題尚未解決。當前，全國正在開展創建水生態文明城市試點工作，因此，本文擬研究天山北坡經濟帶7個主要城市在2004—2015年水資源利用效率，分析各城市目前水資源利用情況及時空分布差異性，探討全要素生產力指數的變化及其主要影響因素，利用空間自回歸模型(spitial autoregeressive model, SAR)研究各城市用水問題之間的依賴關系，并在此基礎上提出合理的提高水資源利用效率的對策，以期對緩解人水矛盾，促進水生態文明城市建設，推動天山北坡經濟帶發展研究提供依據。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區概況

天山北坡經濟帶位于中國“兩橫三縱”城市化戰略格局中陸橋通道橫軸的西端，包括新疆天山以北、準噶爾盆地南緣的帶狀區域以及伊犁河谷的部分地區(包括:烏魯木齊市、阜康市、昌吉市、烏蘇市、石河子市、奎屯市、克拉瑪依市等，以及新疆生產建設兵團中位于天山北坡的各個團場)[13]。

天山北坡經濟帶總面積約9.54×104km2，占新疆總面積的5.9%。這一地帶是19個國家級重點開發地區之一，是新疆現代工業、農業、交通信息、教育科技等最為發達的核心區域，集中了全疆83%的重工業和62%的輕工業，歷年國內生產總值占全疆40%以上[14]。其城鎮、交通、能源等基礎條件好，對全疆經濟起著重要的帶動、輻射和示范作用。但天山北坡經濟帶屬于典型的干旱綠洲經濟區，水資源卻僅占全疆的11%[15]，是嚴重的資源性缺水地區。水資源的短缺、用水效率的低下和生態環境的脆弱，使整個區域的環境承載力相對較低。

1.2 數據來源

選取2004—2015年天山北坡經濟帶的7個主要城市(烏魯木齊、克拉瑪依、石河子、奎屯、烏蘇、昌吉、阜康)的投入產出數據為研究樣本。能源、勞動和資金是經濟增長模型的三大投入要素，借鑒早期相關文獻中關于水資源效率的評價指標，本文選取全年固定資產投資總額(108元)為資金投入，生態用水量(104t)、工業用水量(104t)、農業用水量(104t)、生活用水量(104t)作為資源投入指標，就業人口(104人)作為勞動投入數據，地區生產總值(108元)為產出指標。各項指標原始數據取自各城市的統計公報與統計年鑒。

1.3 研究方法

本文運用超效率DEA模型和Malmquist生產力指數分析2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率的時空差異性。超效率DEA模型(super efficiency DEA，SE-DEA)是Andersen和Petersen[16]提出的一種改進的計算模型，在效率計算方面被廣泛的應用。該模型能夠對有效決策單元進行比較排序，從而實現了對多個決策單元進行橫向對比和評價的目的；Malmquist生產力指數是基于距離函數而提出來的，可用距離函數之比來衡量生產效率的變化[17]。超效率DEA值和Malmquist生產力指數可分別通過EMS 1.3和Deap 2.1軟件計算獲得，具體見參考文獻[18]。

本文運用空間自回歸模型(SAR)研究2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率的空間依賴性?？臻g自回歸模型(SAR)，也稱空間滯后模型，是Anselin 基于空間依賴關系研究的基礎上提出的，用于研究觀測區域的因變量受到該觀測區域鄰近區域的影響，揭示了觀測區域之間復雜的依賴關系結構[19]。本文基于現有文獻在水資源利用效率影響因素測度中歸納的部分元素的基礎上，利用空間滯后隨機效應模型，綜合考慮了2011—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市自變量與用水效率之間的相關性(選取的7個變量分別是：2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市的距離(intercept)、全年固定資產投資總額(total-IFA)、生態用水量(eco-water)、工業用水量(ind-water)、農業用水量(agr-water)、生活用水量(liv-water)和就業人口(Pop)。本文中空間自回歸模型利用R語言計算。

2 結果與討論

2.1 天山北坡經濟帶水資源利用超效率

如表1所示，烏魯木齊市水資源利用超效率值分別在2007，2009—2012，2014—2015年超過100%。100%代表水資源利用較為合理的臨界值，即在上述7 a中，烏魯木齊市水資源的配置較為合理，水資源利用率較高；其中克拉瑪依市、阜康市、石河子市和昌吉市分別有5，6，7和8 a水資源利用超效率值高于100%；烏蘇市和奎屯市均有4 a水資源利用超效率值高于100%。這可能是由于天山北坡經濟帶不同城市間的支柱產業不完全相同，以工業和第三產業為主的城市水資源利用超效率會明顯高于以農業為主的城市。

表1 2004-2015年天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用效率狀況

2.1.1 用水效率的空間分布 在2004—2015年，天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用超效率值，在12 a間的平均值大小為：石河子市>烏魯木齊市>克拉瑪依市>昌吉市>阜康市>奎屯市>烏蘇市，說明石河子市是在12 a間總體用水效率最高的城市；除烏蘇和奎屯市外，其余5個城市水資源利用超效率年平均值均超過100%，說明這5個城市在12 a間的水資源配置總體較為合理。綜上所述，天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率在空間分布上可劃分為2個區域：烏魯木齊—石河子—克拉瑪依—昌吉—阜康區域，水資源超效率平均值均超過100%；烏魯木齊—奎屯區域，水資源超效率平均值未超過100%。

1.4 觀察指標及療效評價 ①術后2年的臨床治療效果[7]，治愈：解剖位置恢復，臨床癥狀及體征完全消除，婦科檢查未見明顯異常；有效：臨床癥狀和體征有所改善，但解剖位置未完全恢復；無效：解剖位置、臨床癥狀及體征均無明顯改善或更加嚴重。治療總有效率=(治愈+有效)/總例數×100%。②患者術前、術后2年的生活質量評價，分別采用盆底生命質量影響問卷表(PFIQ-7)和盆底障礙性疾病癥狀問卷簡表(PFDI-20)進行評分，分數越高表明患者生活質量越低[8]。③圍手術期并發癥發生率。④兩組患者的手術指標及住院情況，包括手術時間、術中出血量、平均住院時間、平均住院費用。

2.1.2 用水效率的時間分布 在研究時間段內天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率年平均值的大小為：2012>2013>2014>2011>2015>2009>2010>2008>2007>2006>2004>2005，說明在2004—2015年，2012年是用水效率最高的年份?？?、烏蘇、昌吉、烏魯木齊、阜康、克拉瑪依和石河子市用水效率超效率值年均增長率依次降低，分別為13.74%，7.82%，6.35%，2.85%，2.05%，1.84%和-1.36%。在2004—2015年，奎屯市和克拉瑪依市分別是天山北坡經濟帶用水效率年均提高最快和最慢的城市。

綜上所述，天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率在時間上可劃分為2個時期：2004—2008時期，用水效率普遍低于100%，但超效率值呈上升趨勢，年增長率較高；2009—2015時期，用水效率基本高于100%，但超效率值每年浮動較大，年增長率不穩定，變化趨勢呈“波浪形”。

2.1.3 各城市投入要素冗余情況 各投入指標松弛變量值衡量了在獲得相同產出量(即：地區生產總值GDP)的情況下，使水資源利用超效率值達到100%時各投入指標可以減少的數量。以烏魯木齊市和石河子市為例(表2)，在2006年，烏魯木齊生態用水量、工業用水量和生活用水量在理論上分別可以節約40，2 580和4 780 t；就業人口可以減少8.41萬人?？梢钥闯?，烏魯木齊市在就業人口和生活用水方面存在較嚴重的浪費情況，節水潛力較大。烏魯木齊市作為天山北坡經濟帶的核心城市，人口總數和就業人員均是7個城市中最多的，人口數量是制約烏魯木齊市水資源利用的主要因素。隨著經濟的發展，城市化進程不斷加快，人口不斷向城市集聚，人口數量的增加導致了就業和生活用水的雙重壓力，因此，一方面政府應該合理控制涌入城市的人口數量，以緩解就業壓力；另一方面應推行城市居民住宅生活節水和公建市政節水的措施，以減少生活用水。

表2 2004-2015年各投入指標的松弛變量值

續表2

年份烏魯木齊克拉瑪依石河子昌吉阜康烏蘇奎屯S-1————0——S-20．5001．1580．024—0．035—0．1102008S-30．0340．0790．634—0．332—0．154S-4——2．315—1．974—3．045S-50．222———0．038——S-622．6090．308——1．716—0．349S-1———————S-2—0．227————0．1662009S-3—0．110————0．220S-4——————3．224S-5———————S-6—2．421————1．501S-1———————S-2————0．0080．0500．1292010S-3—————0．1620．027S-4—————1．4310．742S-5————0．018——S-6————0．2430．4610．414S-1———————S-2———————2011S-3——————0．604S-4——1．375———1．215S-5——0．062———0．030S-6———————S-1———————S-2—————0．024—2012S-3—————0．047—S-4—————0．283—S-5—————0．045—S-6———————S-1———————S-2————0．0300．048—2013S-30．012———0．0800．022—S-4—————0．194—S-50．041———0．0300．033—S-65．350———0．237——S-1———————S-2—————0．019—2014S-3—————0．002—S-4—————0．410—S-5—————0．015—S-6———————S-1—33．169—————S-2———————2015S-3—0．174—————S-4—1．355—————S-5———————S-6—0．698—————

在2008年，石河子市在生態用水量、工業用水量和農業用水量在理論上分別可以節約240，6.34×103和2.32×104t。由此可見，石河子市在農業用水方面存在較嚴重的浪費情況，節水潛力較大。石河子市作為新疆生產建設兵團直轄市，以農業為依托，是一座工農結合、城鄉結合的軍墾新城，耕地面積共計1.97×103km2。對于石河子市來說，農業用水成為制約該城市水資源利用的主要因素，因此，政府應合理控制農業用水量、大力推行節水農業，以此提高該市的用水效率。

2.2 用水效率Malmquist生產力指數

由表3，圖1綜合可知，2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市水資源TFP指數波動幅度較大，且增長不穩定，呈現“W”型。在2004—2015年的11個時期內，半數以上(6個)時期的全要素生產率指數有所上升(TFP>1)，說明水資源利用效率總體上呈逐年遞增趨勢；其中2006—2008，2011和2014年的TFP值均小于1，分別為0.862，0.815，0.508，0.402，0.643，說明以往年份的水資源利用效率還有進一步提升的空間，今后各城市可據此采取必要措施，提高用水效率。

表3 2004-2015年天山北坡帶7個主要城市水資源分年全要素生產力指數及分解

2.2.1 各要素對全要素(TFP)指數的貢獻 天山北坡經濟帶7個主要城市水資源TFP指數與技術變化2條曲線的變化趨勢高度一致(圖1)，表明技術變化是導致TFP增長的主要原因。在2005，2009，2010，2012，2013和2015年技術變化值均大于1，其增長的快慢決定了TFP的增長，說明技術進步對提升水資源的利用效率具有正向影響。因此，技術進步有助于提高用水效率，加大科技投入對于提高天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率非常必要。

圖1 各指數與全要素指數的簡單回歸

根據表3可知，天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用的規模效率(sech)總體呈下降趨勢，制約了水資源利用效率；而純技術效率(pech)在2004—2015年沒有變化，說明其對水資源利用效率和技術效率的貢獻均不明顯。

2.2.2 各城市水資源利用效率的制約因子 表4顯示了2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用效率分城市TFP指數及分解，從表4中可知，2004年以來天山北坡經濟帶7個主要城市平均增長率為負(TFP<1)，TFP平均指數僅為0.927，年均衰退7.3%，說明天山北坡經濟帶7個主要城市整體表現為衰退趨勢。其中烏魯木齊市的衰退趨勢最為明顯和嚴重，TFP指數僅為0.778，年均衰退22.2%。從TFP指數分解的年均增長率來看，純技術效率保持不變；技術變化年均下降6.9%；規模效率和技術效率變化均下降0.4%。其中技術變化下降趨勢最為明顯，是制約整體用水效率提升的主要原因。TFP受技術變化的制約程度較大，說明技術在很大程度上制約了天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用效率的提高。

從具體城市上來看，TFP指數排名第1的是奎屯，增長了5.6%，說明奎屯市TFP指數增長率較快且超過了平均水平?？褪械某手蹬琶?，處于中等偏下的位置，但增長率卻排名第1，說明該城市用水效率提升很快。其余6個城市增長率均出現負值，尤其是烏魯木齊市衰退最為明顯，年均衰退22.2%。但是其超效率值卻排名第2，處于中等偏上位置，說明該城市應該提高增長率和保持用水效率。天山北坡經濟帶7個主要城市中，技術變化增長率最快的是奎屯市，年均增長率為5.6%，同時，奎屯市也是TFP指數排名第1的城市，進一步說明技術變化是提高用水效率的主要推動力。

表4 2004-2015年天山北坡帶7個主要城市水資源分城市全要素生產力指數及分解

3 天山北坡經濟帶主要城市用水效率的空間依賴性

空間滯后隨機效應模型的估計結果見表5。從SAR模型估計的結果來看，空間變異系數λ估計值為0.594 890，p<0.001，說明用水效率存在極顯著的空間正相關，即具有空間依賴性，表明天山北坡經濟帶各城市用水效率除了受當地因素的影響之外，還受周邊相鄰城市用水效率的影響，即相鄰城市用水效率的提高會促進當地用水效率的提高。并且在時空尺度上，在0.05顯著水平下，總用水量、生活用水、人口和生態用水與用水效率顯著相關，表明總用水量、生活用水、人口和生態用水對用水效率的影響較大；而城市間距離、工業用水和農業用水與用水效率的相關性不顯著。

表5 空間滯后隨機效應模型估計的結果

注：S1為全年固定資產投資總額，S2為生態用水量，S3為工業用水量，S4為農業用水量，S5為生活用水量，S6為就業人口；***表示p<0.001; **表示p<0.01“”; *表示p<0.05;·表示p<0.1。下同。

表6綜合了天山北坡經濟帶7個主要城市在2004—2015年影響用水效率的各個因變量的溢出效應，以生態用水量的溢出效應為例，SAR模型估計的結果顯示，生態用水量每減少1%，導致用水效率增加0.445 833%(總效應)，其中直接效應增加0.207 009%，間接效應增加0.238 824%。表6的結果與表2的部分結果相吻合，這是因為表6綜合了時間和空間的尺度，而表2是將時空尺度分開來計算的。

表6 空間溢出效應

4 建議及結論

(1) 在時間上，天山北坡經濟帶7個主要城市用水效率在2004—2008年時期普遍低于100%，但超效率值呈上升趨勢，年增長率較高；在2009—2015年時期，用水效率基本高于100%，但超效率值每年浮動較大，年增長率不穩定，變化趨勢呈“波浪形”；在空間分布上可劃分為2個區域：烏—石—克—昌—阜區域，水資源超效率平均值均超過100%；烏—奎區域則低于100%。在總體時空分布上，天山北坡經濟帶主要城市2004—2008年時期的水資源利用效率低于2009—2015年時期；烏—石—克—昌—阜區域水資源利用率高于烏—奎區域。

(2) 2004—2015年天山北坡經濟帶7個主要城市水資源TFP指數波動幅度較大，且增長不穩定，呈現“W”型；技術變化是制約天山北坡經濟帶7個主要城市水資源利用效率提升的主要因素。

(3) SAR模型表明用水效率具有空間依賴性。在時空尺度上，總用水量、生活用水、人口和生態用水與用水效率顯著相關，但城市間距離、工業用水和農業用水與用水效率的相關性不顯著?？傆盟?、生活用水、人口和生態用水對用水效率的影響較大。

由以上結論可知，烏魯木齊市作為天山北坡經濟帶的核心城市，人口數量是制約烏魯木齊市水資源利用的主要因素。隨著經濟的發展，城市化進程不斷加快，人口不斷向城市集聚，人口數量的增加導致了就業和生活用水的雙重壓力，因此，一方面政府應該合理控制涌入城市的人口數量，以緩解就業壓力；另一方面應推行城市居民住宅生活節水和公建市政節水的措施，以減少生活用水。石河子市作為以農業為依托的工農結合、城鄉結合的軍墾新城，農業用水成為制約該城市水資源利用的主要因素，因此，政府應合理控制農業用水量、大力推行節水農業，以此提高該市的用水效率；克拉瑪依、昌吉市政府需要調整固定資產投資和就業人口的比例；阜康、烏蘇和奎屯市政府需要大力發展第三產業，轉變經濟結構。

并且，各市政府均需要大力改進生產技術，普及節水工藝，從技術層面提升用水效率；同時，積極引入市場機制，盡快形成反映水環境成本的水資源定價機制，通過市場化手段引導水資源的節約，促進用水結構的優化，減少高耗水產業，提高用水效率；還需要合理規劃生產要素投入規模，平衡各城市間的水資源投放比例；此外，技術變化值增長的快慢決定了TFP的增長，說明技術進步對提升水資源的利用效率具有正向影響。因此，加大科技投入對于提高技術進步貢獻率對提高用水效率非常必要。

[1] 張振龍,孫慧.基于VAR模型的新疆區域水資源對產業生態系統與經濟增長的動態關聯性研究[J].生態學報,2017,37(16):1-12.

[2] 王浩,王建華.中國水資源與可持續發展[J].中國科學院院刊,2012,27(3):352-358.

[3] 向秀容,潘韜,吳紹洪,等.基于生態足跡的天山北坡經濟帶生態承載力評價與預測[J].地理研究,2016,35(5):875-884.

[4] 吳業鵬,袁汝華.絲綢之路經濟帶背景下新疆水資源與經濟社會協調性評價[J].水資源保護,2016,32(4):60-66.

[5] 謝書玲,王錚,薛俊波.中國經濟發展中水土資源的“增長尾效”分析[J].管理世界,2005(7):22-25.

[6] Ait-Aoudia M N, Berezowska-Azzag E. Water resources carrying capacity assessment: The case of Algeria’s capital city[J]. Habitat International, 2016,58:51-58.

[7] 姚治君,王建華,江東,等.區域水資源承載力的研究進展及其理論探析[J].水科學進展, 2002,13(1):111-115.

[8] Christina-Smith J, Cooley H, Gleick P H. Potential water savings associated with agricultual water efficiency improvements: A case study of California, USA[J]. Water Policy, 2012,14(2):194-213.

[9] 李紹飛.改進的模糊物元模型在灌區農業用水效率評價中的應用[J].干旱區資源與環境,2011,25(11):175-181.

[10] 岳立,趙海濤.環境約束下的中國工業用水效率研究:基于中國13個典型工業省區2003—2009年數據[J].資源科學,2011,33(11):2071-2079.

[11] 王燕,謝蕊蕊.能源環境約束下中國區域工業效率分析[J].中國人口·資源與環境,2012,22(5):114-119.

[12] 孫愛軍,董增川,王德智.基于時序的工業用水效率測算與耗水量預測[J].中國礦業大學學報,2007,36(4):547-553.

[13] 佟金萍,馬劍鋒,王圣,等.長江流域農業用水效率研究:基于超效率DEA和Tobit模型[J].長江流域資源與環境,2015,24(4):603-608.

[14] 孫才志,劉玉玉.基于DEA-ESDA的中國水資源利用相對效率的時空格局分析[J].資源科學,2009,31(10):1696-1703.

[15] Charnes A, Cooper W W, Rhodes E. Measuring the efficiency of decision making units[J]. European Journal of Operational Research, 1978,2(6):429-444.

[16] 曹思齊,吳成國,金菊良,等.最嚴格水資源管理制度下的區域工業用水效率預測[J].水電能源科學,2014,32(8):56-60.

[17] 韓雅清,蘇時鵬.福建省水資源利用效率的靜態與動態分析：基于DEA-BCC和DEA-Malmquist兩步法[J].資源與環境,2015,31(5):578-583.

[18] 廖虎昌,董毅明.基于DEA和Malmquist指數的西部12省水資源利用效率研究[J].資源科學,2011,33(2):273-279.

[19] Anselin L. Spatial Econometrics: Methods and Models[M]. Holland: Dordrechtu Kluwer Academic Publishers, 1988.