赵 晶,毕彦杰,韩宇平,于 靖，左 萍

(1.华北水利水电大学 水利学院, 河南 郑州 450008；2.南水北调东线山东干线责任有限公司,山东 济南 250100；3.中国人民公安大学 信息技术与网络安全学院，北京 100038)

南水北调中线工程起点位于丹江口水库,供水区域为河南、河北、北京、天津4个省(市)。自2014年底正常通水以来,截至2019年3月20日,中线工程已累计入渠水205亿m3,分水量192.66亿m3。其中河南分水量最多,为69.42亿m3。随着配套工程完善,年度输水量在逐年增加。

河南省虽然地跨海河、黄河、淮河、长江四大水系,但人均水资源占有量仅为383 m3,相当于全国平均水平的1/5。河南省以不足全国0.5%的水资源,承载着全国约7%的人口、10%的粮食生产和5%的GDP,是我国水资源供需矛盾最突出、用水竞争最强烈的地区之一。水资源已经成为制约河南省社会经济可持续发展的瓶颈因素。南水北调中线工程通水提升了河南省水资源的支撑与供水保障能力,2018年南水北调中线工程供水量为河南省社会经济总用水量的11.4%,为河南省社会经济与水资源可持续发展注入了新的活力。而关于南水北调中线工程的社会经济效益,以往的研究多采用单一的方法,如模糊数学法[1]、层次分析法[2]、指数法[3]、神经网络法[4]等,近年来也有学者应用计量经济学方法定量分析南水北调的社会经济影响[5-8]。但①多数研究仅考虑直接影响,对间接影响考虑不足；②注重经济效益,涉及社会效益的研究不多,且多为定性研究；③未考虑细分各类水源,未将南水北调水从用水总量中拆分出来。

为全面定量分析南水北调中线供水对河南省社会经发展的贡献,进一步提高南水北调工程的公众认可度,本文引入动态可计算一般均衡模型(computable general equilibrium,CGE),加入水源替代模块与供水总量控制模块,设置两类情景:① 基准情景,实际社会经济发展情况,即有南水北调中线供水情景,② 政策情景,即假设无南水北调中线供水情景,通过查看政策情景与基准情景模型各变量值的变化定量评估河南省南水北调中线工程供水的社会效益与经济价值,为引导河南省适水发展、水资源管理、水市场建设和水价改革提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 CGE模型介绍与改进

CGE模型起源于瓦尔拉斯的一般均衡理论。瓦尔拉斯着重考察价格这个“看不见的手”如何影响经济系统中各种生产要素与商品的需求、供给及供需关系,并将“看不见的手”的思想用一组方程来表达。这组方程中的变量既包括了商品和生产要素的数量变量,也包括商品与要素价格、资本回报率、运输成本等所有的价格变量,详细的刻画了经济主体的寻优行为,如,生产者要在一定的成本约束与技术水平下实现利润最大化或在一定利润目标与技术水平实现成本最小化、消费者在其支出预算下合理选择商品与服务的组合实现效用最大化、国际行为主体在一定利润目标下实现出口成本最小化与进口收益最大化等[9]。在这一系列寻优行为约束下求解这一方程组,得到各个市场都达到均衡状态时资源合理配置的优化解。这样,一般均衡思想就用数学方程式表达出来变为一个描述经济系统的可计算的数学模型[10]。CGE模型原理与结构详见文献[11-15]。CGE模型可以灵活设置政策情景,政策冲击变量可以是模型方程中任何一个或者多个变量,当这些变量变化时会引起经济系统其他变量的变动,包括商品和要素价格、数量的普遍变动,从而查看政策冲击对整个经济系统产生的直接与间接影响,可以说CGE模型准确地描述了经济系统中“牵一发而动全身”的整体性。

传统的CGE模型应用于水资源领域存在一定的局限性:①仅包括一个水的生产与供应行业,未能体现各类水源之间的相互替代关系;②未把用水总量约束加入模型中,无法实现3条红线中用水总量控制目标;③未能体现水资源与资本之间的替代关系。为此本文引入动态CGE模型,通过加入水源替代模块与用水总量控制模块改进模型。

1)水源替代模块

包括两部分:①各类水源之间的替代;②水资源与资本之间的替代。

根据河南省实际供水情况,水源为4类:地表水、地下水、雨水再生水与南水北调水。为反映出不同水源之间的替代作用不同与替代关系的强弱,CGE模型设置分层嵌套方式采用CES函数实现各类水源之间的替代(见图1)。细分各类水源后,各行业总产出(图1最顶层)仍由各种中间投入与增加值的零替代组合决定,即采用Leontief生产函数。

CGE模型中生产函数主要使用CES生产函数。首先考虑地表水中调入水(除南水北调水)和本地水之间的替代关系,使用CES函数将这两种水源复合起来,如方程(1)所示:

(1)

接下来考察地表水与地下水之间的替代关系,见方程(2)。

(j=1,…,n)

(2)

2018年河南省雨水及再生水利用达到6.2亿m3,纺织、化工、冶金与火电等行业都使用雨水再生水,可见雨水再生水也可与地表水和地下水进行替代,如式(3)所示:

(j=1,…,n)

(3)

最后考虑上述三类水的复合水与南水北调水之间替代,见方程(4)。

(s=1,2;j=1,…,n)

(4)

实际上,企业购买各类节水设施(一般为资本)可以提高用水效率,节约用水,即反映出了资本与水资源之间具有一定的替代关系,本文使用CES函数实现各种资本与水资源的替代,如方程(5)所示,见图1。

(j=1,…,n)

(5)

2)供水总量控制模块

根据河南省可利用水源的种类:地表水、地下水、雨水再生水与南水北调水,考虑河南省政府鼓励优先取用非常规水资源,对于雨水再生水,理论上并不约束其使用总量,模型中只增列了地表水、地下水与南水北调水三类水的总量作为用水总量控制红线目标。

针对中国水市场的独特特点,水价由政府控制,而不是取决于供求关系。模型进行如下改进:设置虚拟税,反映各类水源出厂价格和满足零利润条件的出厂价之差。若实际出厂价一直低于零利润条件的出厂价,该变量值为负,意味着国家一直对供水企业进行补贴[16],若变量值为正,意味着供水企业能够正常营业。

图1 改进后CGE模型的生产模块结构图Fig.1 The sectoral production structure after extension

为实现用水总量控制,加大水资源税收对水资源使用量的调控力度,虚拟税率需要从“从量税”税率WTAX转换为“从价税”税率TWAT(1)现实社会中,水资源税按使用量征收,而CGE模型中的税收一般按价格征收,方能纳入到使用者价格中,为此需要从“从量税”税率转换为“从价税”税率。,方能纳入到使用者价格包含的商品税变量中。

水资源的从价税转换过程见方程(6)与(7):

(s=1,2,4,其中1=地表水；2=地下水；4=南水北调水；j=1,…,44)

(6)

(s=1,2,4,同上)

(7)

将居民用水量和行业生产用水量加和,得到需要控制的用水总量:

(8)

式中:QHY表示生产生活的总用水量。

1.2 CGE模型供水约束的传递机制

通过CGE模型的生产函数可以看出,当某种水商品的投入量减少时,市场内的需求暂时不变化,导致该水商品供不应求,一方面其价格会上升,一方面其他存在替代关系的水商品产生替代作用,其他水商品的使用量会增加,进而对生产决策产生影响,影响行业总产出,最终影响某行业产品供需关系,价格发生变动,进一步影响居民消费。供水约束即限制水资源供应量,对水资源依赖大行业,高用水行业生产受到影响最大,将引起产业结构调整,详见图2。这也体现了CGE模型“牵一发而动全身”的整体性。

图2 供水约束的经济影响传导机制Fig.2 Economic effect transmission mechanism of water supply constraint

1.3 数据来源与处理

数据来源:社会经济发展数据来自河南省统计年鉴与国民经济发展统计公报,水资源数据来自河南省水资源公报,水价等数据来自河南省物价局,河南省投入产出表来自《中国地区投入产出表2012》,各水源数据来自于实地调研。

为了更准确反映河南省多水源的特点,在河南省42个行业投入产出表的基础上将水的生产与供应行业细化为4个行业:地表水、地下水、雨水再生水及南水北调水。并将煤炭采选业、石油和天然气开采业合并为煤炭石油业。通过实地调研得到的四类水源供水投入产出系数,利用纵横平衡修正迭代(RAS)法[17],迭代得到河南省2012年44个部门投入产出表,行业分类见表1。

表1 CGE模型的行业分类Tab.1 Sectoral classification in the CGE model

为了缩短模型运行时间,便于查看模型结果,将44个行业(表1中)根据用水特征合并为7个行业,见表2。

表2 44个行业合并为7个行业Tab.2 44 sectors were merged into 7 sectors

2 模型构建与参数率定

2.1 模型构建

本文所构建的CGE模型中设置两种模拟情景:① 基准情景,有南水北调水的实际经济社会发展情景,② 政策情景,假设无南水北调水的社会经济发展模拟。两种情景下社会经济各指标差值,即是南水北调中线工程供水产生的影响。

1)基准情景

基准情景是开展政策分析的基础,其合理性对模拟结果至关重要。基准情景首先应该根据研究需求确定行业类别,根据历史统计数据与经济发展情况,刻画社会经济发展轨迹。按照河南省社会经济自然发展趋势,2012年河南省GDP增速达到8.7%,2018年GDP增速为7.6%,各行业增加值增速详见表3。

表3 河南省历年GDP增速(不变价)Tab.3 Annual economy growth rate of Henan Province(at constant price)

河南省分水源供水情况见表4,河南省分用户用水情况见表5。2012年供水量为228.6亿m3,主要以地下水为主,2018年总供水量下降至203.0亿m3,减少了11.2%。南水北调中线工程自2015年正式为河南省供水,供水量为9.13亿m3,占河南省社会经济总用水量的4.3%。2016年增至13.3亿m3,占河南省社会经济总用水量的6.2%。2017年继续增加至18.6亿m3,占河南省社会经济总用水量的8.5%。2018年为23.2亿m3,占河南省社会经济总用水量的11.4%。

2)政策情景

在基准情景的基础上,假设各年均没有南水北调中线工程供水,即冲击南水北调水供水的变量,通过两个情景的对比分析考察南水北调供水对河南省社会经济产生的直接影响与间接影响。

2.2 参数率定

CGE模型参数包括生产函数参数、CES参数估计(要素替代弹性),CET弹性、居民需求的支出弹性等。本文构建的CGE模型主要采用China Version of ORANIG-model中的参数[18],详见附表1。并对部分参数进行了调整:劳动需求弹性SLAB:采用社科院估计数据0.243[19];消费价格弹性:取社科院Prcgem模型的数据4[19-20]。Arminton弹性采用国家信息中心SICGE模型的取值[16,21],对一些行业的数据取加权平均值。Frisch参数(2)Frisch参数在LES(线性支出系统需求函数模型)中定义为总收入与总收入减去基本需求之和的比值。当居民的收入增加时,Frisch参数的绝对值有减小的趋势。:当人均收入从100＄增加到3 000＄(1970年价格)时,Frisch参数从-7.5提高到-2.0[22]。河南省2012年人均可支配为2 931＄,已达到已达到中等收入水平的,参数值取-3。

表4 河南省历年分水源供水量Tab.4 Weter supply of various sources in Henan Province 亿m3

注:表中供水数据为社会经济供水数据,不包括生态环境。

表5 河南省历年分用户用水量Tab.5 Water consumption of various users in Henan Province 亿m3

注:表中用水数据为社会经济用水数据,不包括生态环境用水。

2.3 模型验证

在基准情景中,首先开展价格齐次性检验,将基准价格(如汇率)外生,设置变动1%,运行模型,模拟结果显示所有价格和价值变量都变动1%。同时将价格齐次性检验的模拟数据与初始数据进行对比,除价格和价值变量外其他模拟数据与初始数据基本一致。其次设置除了比率变量和价格变量之外的所有实际外生变量都变动1%,运行模型,结果显示所有内生的实际变量都变动1%,而价格则不受影响。本文所构建的河南省CGE模型通过齐次性检验。

在基准情景中,将各宏观经济变量的取值输入到模型中,可以得到如技术进步参数等一些无法给出具体值的参数取值,而政策情景(未添加政策冲击之前)中,将各宏观经济变量变为内生变量,技术进步等无法给出具体值的参数变为外生变量(默认为基准情景中取值)。这时将政策情景中模拟的社会经济发展数据与历史实际值进行对比,查看误差是否在可信范围之内,可验证模型的精度。模型中输出的内外生变量数量巨多,受篇幅所限,本文只列出2个关键变量,分别为:GDP增速、用水量增速,分别见表6与表7。由表6可以看出GDP的模拟误差都不超过0.42%,由表7可以看出用水量增速的模拟误差都不超过0.68%,说明模型模拟结果较可信。

3 结果分析与讨论

3.1 社会影响

定量研究河南省南水北调中线工程供水的社会影响,本文选取居民消费价格指数(CPI)、就业率、人均可支配收入3个指标表征。

由图3可知南水北调中线工程供水对河南省3个社会指标的影响。①CPI:随着南水北调中线工程供水的减少,总供水量也随之减少,市场上水资源供不应求,水价上升,生产者的用水成本增加。由于本文所构建的CGE加入了水源替代模块,允许各类水源之间、水商品与要素之间相互替代,生产者会购买节水设备减少单位产品用水量,同时选择其他水商品替代南水北调水。用水成本的增加引起企业生产成本增加,产出价格上升,进而导致CPI上升。CPI是度量通货膨胀的一个重要指标,一般而言,CPI达到3%～5%是国际上通货膨胀的警戒线。随着每年南水北调供水量减少量的逐年增加,CPI上升愈加明显。当2018年南水北调供水量全部减少时(总供水量减少11.4%左右),CPI上升至6.49%,超过了国际警戒线,可见南水北调中线工程对维持河南省物价水平稳定的贡献。②就业率:由于模型冲击的是供水量,在生产环节会造成纳税主体(生产者)的用水缩减,同时企业生产成本上升,生产规模缩减,另一方面平均工资相对于综合要素价格有所上升,导致就业水平下降。根据由德尔菲调查中综合专家学者意见得出的标准,中国的失业率警戒线为7%。失业率如果超过这个标准,社会不稳定因素会增加。随着每年南水北调供水量减少量的逐年增加,对就业的影响愈加明显。当2018年南水北调供水量全部减少时,就业人数减少2.96%,低于失业警戒线,但也相当于南水北调中线工程供水间接的为河南省新增就业人数160万左右。③人均可支配收入:企业生产成本上升,生产规模缩减,所需劳动力人数减少,同时CPI上升,进一步加剧了人均可支配收入的下降。随着每年南水北调供水量减少量的逐渐增加,对人均可支配收入的影响愈加明显。当2018年南水北调供水量全部减少时,人均可支配收入减少1.66%,相当于南水北调中线工程供水拉动河南省人均可支配收入增加335元/人。

表6 2013—2018年河南GDP增速模拟值与真实值对比表Tab.6 Comparison between simulated and real GDP growth rates in Henan for 2013 to 2018

注:表中GDP增速为相对上年的增长速度。误差程度为:(模拟值/真实值-1)%。

表7 2013—2018年河南社会经济用水量增速模拟值与真实值对比表Tab.7 Comparison between simulated and real growth rates of water consumption in Henan form 2013 to 2018

注:表中用水量增速为相对上年的增长速度。误差程度为:(模拟值/真实值-1)%。

3.2 经济影响

河南省南水北调供水变化对经济影响,本文选用GDP与产业结构两个指标进行表征。

1)GDP

随着每年南水北调水减少量的逐渐增加,对GDP的影响愈加明显。当2018年南水北调供水量全部减少时,GDP减少3.60%,相当于南水北调中线工程供水拉动河南省GDP增加1 732亿元。

2)经济结构

政策情景下随着每年南水北调供水量的减少,各行业用水成本上升,生产情况发生变化,见表8。对水依赖程度高的行业,即高用水行业受到影响最为明显,其总产出下降最多。政策情景下,以2018年为例,第一产业增加值占GDP比重减少0.01%、第二产业减少0.21%、第三产业增加0.22%。其中,第二产业中,高用水工业增加值占GDP比重呈下降趋势(2018年减少0.11%),一般用水工业增加值占GDP比重呈略微下降趋势(2018年减少0.09%)。服务业中,高用水服务业占GDP比重呈下降趋势(2018年减少0.02%),而一般用水服务业则呈上升趋势(2018年增加0.24%)。农业增加值比重变化不大,主要是因为南水北调水不供农业灌溉,农业仍以地下水与地表水为主,故影响相对较小。

图3 南水北调中线工程供水对河南省三个社会指标的影响(%)Fig.3 Impact on three social indexes of middle route of SNWDP

图4 南水北调中线工程供水对河南省GDP的影响(%)Fig.4 Impact on GDP of middle route of SNWDP

3.3 供用水影响

本文所构建的CGE模型加入了水源替代模块， 允许各类水源之间相互替代， 当南水北调水减少时， 其他三类水源使用量会呈上升趋势， 如图5， 政策情景下地下水使用量较基准情景增加最多(2018年增加了4.55亿m3)， 其次为地表水(2018年增加了3.42亿m3)。 受技术水平限制， 雨水再生水虽然也呈上升趋势(2018年增加了2.00亿m3)，但用水量仍然有限。可见南水北调水对地下水的替代作用最为明显，南水北调中线工程对河南省地下水压采起到了的积极作用。2018年5月底，河南省受水区地下水位平均回升0.95m[23]，由此可以窥见南水北调中线工程对河南省压采地下水的作用。

表8 基准情景与政策情境下产业结构变化情况Tab.8 The change of sectoral structure under baseline scenario and policy scenario

图5 政策情景下分水源供水量较基准情景的变化量(亿m3)Fig.5 The deviation of water supply of various sources from the baseline scenario( 10 million m3)

由图6可以看出政策情景下各行业用水量均受到不同程度的影响,高用水工业由于其用水量大,政策情景下用水总量减少速度最快,其次为高用水服务业、一般用水工业、一般用水服务业。农业用水影响较小的主要原因是南水北调水不供农业灌溉,农业灌溉仍以地下水与地表水为主,故影响较小。

图6 政策情景下分行业用量较基准情景的变化情况(%)Fig.6 The deriation of water consumption of various users from the baseline scenario(%)

3.4 讨 论

本文引入CGE模型,设置两种情景:基准情景,刻画有南水北调水的实际社会经济发展,政策情景模拟无南水北调水的社会经济发展。在政策情景中冲击南水北调供水量时,与该变量直接相关联的方程中各变量均发生变化,间接引起模型中其他方程的各变量也发生变化,模型重新计算各变量取值,通过对比两种情景下社会经济指标差值,即可得到南水北调中线工程供水产生的社会经济影响。本文通过模拟分析发现南水北调中线工程将拉动河南省GDP增加3.60%,就业增加2.96%,人均可支配收入增加1.66%。这与学者关爱萍与李善同等的研究成果的表现趋势一致。关爱萍(2008)[5]应用投入产出表分析2010年南水北调中线工程调水对河南省GDP的贡献值达到341.79亿元,占当年GDP的比重为1.5%。李善同等(2004)[7]应该CGE模型预测2010年、2020年南水北调中线工程供水对沿线省市的经济影响,2020年将拉动河南省GDP增长18.1%,就业增长9.7%,人均可支配收入增长14%。本文在论证南水北调工程在拉动河南省GDP、就业与人均可支配收入的贡献程度与以上两位学者略有不同,主要原因：①关爱萍应用投入产出模型计算2010年南水北调中线工程调水对河南省GDP影响,对间接影响考虑不足,且仅反应当年(仅一年)的影响,本文应用动态CGE模型,政策模拟时间从2015年(南水北调正式供水)到2018年,每一年都给定南水北调供水量的政策冲击,也就是说从2016年开始的模拟结果不仅有当年给定政策冲的直接影响与间接影响,而且还包括上一年政策冲击的波及影响。②李善同等人的研究是预测南水北调中线工程通水后河南省的社会经济的影响,对未来社会经济发展的预测存在一定偏差,如预测2020年GDP为23 556亿,而实际上在2010年河南省GDP就达到了23 000多亿元,而本文基于实际社会经济发展数据刻画基准情景。③本文加入水源替代模块,允许各类水源之间、水资源与资本相互替代,当南水供水减少时,其他各类水源使用量会增加,替代南水北调水,但总供水量仍呈减少趋势。本文改进CGE模型允许水资源与资本相互替代,即各企业可通过购买节水设施节约水资源使用量,相当于经济系统对供水冲击的自适应与自调节能力增强,进而对经济总量的影响较李善同等研究成果偏小。

本文仅讨论南水北调中线工程供水对河南省社会经济的影响,不考虑工程与疏水线路的建设与运营成本。本文应用CGE模型定量评估南水北调中线工程的社会经济影响,但南水北调的生态环境效益巨大,政治价值与文化价值也不容忽视,这三部分应纳入南水北调工程的综合效益研究中。

4 结 语

本文通过构建并改进河南省CGE模型,模拟南水北调中线工程供水对河南省社会、经济与供用水的影响,得出以下结论:

1)若无南水北调中线工程供水,以2018年为例,河南省CPI将上升至6.49%,超过了国际警戒线,故南水北调中线工程中线工程供水对维持河南省物价水平稳定做出了明显贡献;若无南水北调中线工程供水,2018年河南省就业人数将减少2.96%,相当于失业人数达到160万;若无南水北调中线工程供水,2018年河南人均可支配收入将减少1.66%。

2)GDP受资本与就业的双重影响,呈下降趋势。若无南水北调中线工程供水,以2018年为例,河南省GDP将减少3.60%,相当于GDP损失1 732亿元。若无南水北调中线工程供水,以2018年为例,高用水工业增加值占GDP比重将减少0.11%,一般用水工业增加值占GDP比重将减少0.09%,高用水服务业增加值占GDP比重将减少0.02%,而一般用水服务业比重则增加0.24%。

3)南水北调中线工程供水对河南省地下水替代作用最为明显,其次为地表水,而雨水再生水受技术水平所限,替代作用相对不明显。2018年5月底,河南省受水区地下水位平均回升0.95m,验证了南水北调中线工程对河南省地下水压采的重要作用。政策情景下各行业用水量受到的影响,高用水工业由于其用水量大,政策情景下用水总量减少速度最快,其次为高用水服务业、一般用水工业、一般用水服务业。农业用水影响较小的主要原因是南水不供农业灌溉,农业灌溉仍以地下水与地表水为主,影响较小。

附表1 CGE模型参数取值情况Schedule 1 Parameter values in CGE model