李 恩,耿 雷 华,饶 猛,盖 永 伟

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 2.河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098; 3.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098; 4.阜阳市水利局,安徽 阜阳 236012; 5.江苏省水资源服务中心,江苏 南京 210029)

0 前 言

水资源过量开发利用导致的水资源短缺与水环境问题严重制约了全球经济社会的发展。当前中国工业经济正处于绿色转型关键期,资源与环境问题相互交织,工业经济发展空间日益缩小,开展工业用水效率与工业节水潜力的研究对缓解工业水资源短缺、优化工业水资源配置具有重要意义。工业水资源涉及行业众多,“取-输-制-配-用-排-净-回”全过程用水系统结构与各环节全流程用水工艺复杂,工业用水效率受工业结构与布局、经济发展水平、行业规模等因素的影响,传统的计算方法很难适用于现有工业用水效率与节水潜力的计算。随着认知的提高与技术的进步,随机前沿分析(SFA)作为学科交叉与深度融合的产物已逐渐应用于金融、工业、农业等领域[1-4]。郑在洲等提出了基于万元工业增加值用水量与工业用水重复利率的节水潜力计算方法[5];田伟等基于SFA模型分析了中国农业技术效率[6];余敦涌等采用随机前沿分析方法,以城市化率、人均道路面积等9个指标作为投入要素,单位碳排GDP产出作为产出要素,测算了中国30个省域2006年和2011年的碳排放效率[7];雷玉桃等选取随机前沿生产函数模型分析了中国各省份水资源效率与节水潜力[8];邢宏洋等基于空间随机前沿分析方法测算了服务业全要素生产率[9]。但对工业领域分行业用水效率与节水潜力的计算研究较少。此外,传统工业节水潜力的计算方法大多基于万元工业增加值用水量与工业用水重复利用率这两个指标,但这两项指标无法具体反映出工业水资源复杂的经济属性。本文在以往研究成果的基础上,以江苏省为例,基于超越对数随机前沿分析生产函数模型,采用工业增加值、固定资产净值、就业人数以及用水量4个指标,测算江苏省32个工业分行业用水效率与节水潜力,进一步完善SFA模型在工业节水潜力计算领域的应用,弥补了传统计算方法的不足,并运用SPSS 21.0软件对江苏省各行业用水效率与节水潜力进行聚类分析。

1 研究区概况

江苏省地处中国东部沿海地区中部,东部濒临黄海,与上海市、浙江省、安徽省、山东省接壤,地跨北纬30°45′～35°08′、东经116°21′～121°56′,土地面积10.72万km2,地形以平原为主,湖泊众多,水网密集。改革开放以来,江苏省国民经济进入快速发展期,2020年全省地区生产总值迈上10万亿台阶,位居全国第二,人均GDP 12.5万元,规模以上工业增加值3.82万亿元,仅次于广东省。完善的工业系统为江苏省GDP作出了巨大贡献,但由于工业改革起步较早,一些工艺与用水设备无法达到现有节水水平,加上单一的煤电结构与电力工业沿江布局,导致江苏省工业用水量居高不下,工业用水量远超全国其他省份。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

SFA模型的技术结构方程中,行业固定资产净值、就业人数和用水量为投入项,产出项为工业增加值,对于2016～2020年间的江苏省行业固定资产净值,以2012年行业固定资产净值为基础,加上由趋势预测法得到的净资产值进行估算;工业增加值与行业就业人数从《江苏省统计年鉴》中获得,各行业用水量从江苏省规模以上行业用水直报系统中获得,以2016～2020年为计算期,测算江苏省工业分行业用水效率。

2.2 研究方法

万元工业增加值与工业用水重复利用量是用水效率计算方法中的两个重要指标,但工业用水效率带有一定的经济属性,是工业增加值、就业人数、企业固定资产、用水量等综合作用的结果。本次研究以工业用水效率表达投入与产出因素之间最佳配置状态,该指标与前沿面密不可分,前沿是指一定投入下的最大产出,不同投入对应的不同最大产出形成的曲线即为前沿面[10-13]。前沿分析根据函数的具体形式可分为参数方法和非参数方法,前者以随机前沿分析(SFA)为代表性方法,后者以数据包络分析(DEA)为代表性方法[14-16]。目前国内外学者在SFA模型中普遍采用生产总值(Y)及就业人数(L)作为技术结构方程中的投入与产出项。本文结合研究需要与江苏省实际情况,在技术结构方程的投入项中关联水资源与节水投资要素,新增两项指标:工业取水量(W)、固定资产净值(K)。这些指标包含了工业节水过程中房屋、建筑物、技术投资、设备投资、节水投资等,能够体现出工业行业在节水领域的综合实力,使工业用水效率与节水潜力的计算结果更为合理[17]。通过改进Battese等[18]模型结构,新增技术非效率方程,以增加模型的可靠性。

以对数型C-D函数的随机前沿生产函数展开形式作为模型的技术结构方程:

lnYit=β0+βklnKit+βllnLit+βwlnWit+βtT+

βtktlnKit+βtltlnLit+βtwtlnWit+βkllnKitlnLit+

(1)

式中:Yit为i行业第t年的工业增加值,亿元;Kit为i行业第t年的工业行业固定资产净值,亿元;Lit为i行业第t年的工业就业人员,万人;Wit为i行业第t年的工业用水量,亿m3;T为时间参数,T=1,2,3,…;β0、βk、βl、βw、βt、βtk、βtl、βtw、βkl、βkw、βlW、βkK、βll、βww、βtt为待估参数;误差项为复合结构,其中v代表影响生产活动的随机因素,u(非负)代表着生产效率,随机误差项vit独立于uit,且vit～N(0,σ2)。

新增技术非效率方程,对技术非效率项进一步解释与扩充:

uit=Zitσ+cit

Zitσ=σ0+σKlnKit+σLlnLit+σTKtlnKit+σTLtlnLit

(2)

式中:i=1,2,…,n,t=1,2,…,T,分别代表行业序号及时间序列;uit为技术非效率项,代表第i个行业相对前沿的技术效率水平;cit为随机扰动项,是正太分布N(0,σ2)的截断分布,使cit≥-Zitσ,以保证uit服从正态分布N(Zitσ,σ2)的非负截断分布;σ0,σK,σL,σTK,σTL为待估参数。

技术效率项为

TEit=exp (-uit)

(3)

式中:TEit表示工业用水效率。当TEit<1时,说明工业还有节水潜力[19]。

3 节水潜力分布特征

3.1 模型测算

采用Frontier 4.1软件,选择误差修正模型,对超越对数随机前沿生产函数模型参数进行测算。表1给出了参数测算值、统计量以及最大似然估计结果。由表1可见,在技术结构方程中,有7个参数的测算值在1%水平上是统计显著的,3个参数的测算值在5%的水平上是统计显著的,其中βk、βl以及βw测算结果均为正值且在技术结构方程参数中为最大值,表明江苏省工业行业固定资产净值、就业人数以及工业取水量对工业增加值为正向影响,且固定资产净值影响最大,同时侧面印证了工业发展需要大量投资,但就业人数与工业用水量也是不可或缺的重要因素,γ的估计值为0.999,且在1%的统计水平上是显著的,说明误差基本上来自技术非效率方程,因此本文构建的随机前沿生产函数对于江苏省工业分行业样本整体来说是适用的。

表1 模型参数测算结果

3.2 模型检验

为保证模型设定的科学性与可靠性,在Battese等假设性检验的基础上,新增交叉相乘检验与时间联合效应校验,以体现工业节水潜力各指标间的交叉效应与时间效应。本次研究设定如下5种模型假设性检验。

(1) 交叉相乘性检验,H(0):βkl=βkw=βlw=0,生产技术结构中不存在要素之间的二次和交叉相乘效应。

(2) 技术进步检验,H(0):βt=βtK=βtl=βtw=βtt=0,不存在技术性进步。

(3) 联合时间效应检验,H(0):βtK=βtl=βtw=σTK=σTL=0,生产技术结构和技术效率的时间联合效应为零。

(4) 希克斯技术进步检验,H(0):βtK=βtl=βtw=0,存在希克斯中技术进步。

(5) C-D函数检验,H(0):βkk=βll=βww=βtt=0,适用于C-D函数。

表2给出了5种检验模型对无约束模型的统计检验。检验1是对投入要素中的行业固定资产净值、就业人数以及工业取水量的交叉相乘联合检验。其检验表明,生产技术结构中投入要素二次项在1%的水平上是显著的;检验2是对模型是否存在技术性进步进行检验,结果表明模型存在技术性进步;检验3结果表明生产技术结构和技术效率具有显著的时间效应;检验4表明模型存在非希克斯中性技术进步;检验5表明C-D函数被拒绝,且在1%的水平上显著的。可见,对于列出的5种假设性检验,其检验结果均在1%的水平上被拒绝,说明采用超越对数随机前沿生产函数模型合理可靠。

表2 随机前沿生产函数模型假设检验结果

3.3 行业用水效率

表3列出了江苏省2016～2020年分行业平均用水效率,从表中可以看出江苏省工业各行业用水效率均小于1,均未达到前沿面用水量,存在一定的节水空间。

3.4 节水潜力计算

江苏省分行业平均用水效率均小于1,表明各行业均存在节水潜力。节水潜力的计算方法主要有技术评估法和定额法两大类,技术评估法是对某一行业、区域的节水技术进行评估,得到单一行业或区域的节水潜力,而定额法则通过比较现状值与参照标准来确定节水潜力。本文采用定额法计算节水潜力。3.1节计算参照模型前沿面用水量,则:

(4)

工业节水潜力表示为

(5)

式中:ΔWit表示工业节水潜力。

以3.1节江苏省分行业用水效率值为基础,根据式(5)计算各行业节水潜力,得到全省32个行业节水潜力合计29.82亿m3,具体计算结果见表3。

4 工业用水效率与节水潜力综合分析

4.1 工业用水效率

为了便于对江苏省各行业用水效率进行比较分析,运用SPSS 21.0软件对江苏省2016～2020年分行业用水效率进行聚类分析,聚类方法采用组间平均连接法,度量标准为区间法中的平方欧式距离。由此根据江苏省各行业用水效率值将其分类4个类别,见表4。

第Ⅰ类行业:非金属矿采选业,农副食品加工业,烟草制品业,石油、煤炭及其他燃料加工业,化学原料和化学制品制造业,金属制品业,通用设备制造业,汽车制造业,电气机械和器材制造业,计算机。通信和其他电子设备制造业,废弃资源综合利用业,电力、热力生产和供应业共计12个行业。在研究期间行业用水效率处于省内最高水平,2016～2020年间,行业用水效率均值在0.82以上,部分行业如烟草制品业,石油、煤炭及其他燃料加工业,化学原料和化学制品制造业以及电气机械和器材制造业用水效率均值超过0.95,已经非常接近生产前沿面用水水平。这些行业主要分布在苏州、无锡、南通等经济发展水平较高、工业现代化程度较高的城市,目前这些行业已经形成了成熟的工业体系,水资源集约节约程度高。

第Ⅱ类行业:纺织服装、服饰业,文教、工美、体育和娱乐用品制造业,非金属矿物制品业,黑色金属冶炼和压延加工业,有色金属冶炼和压延加工业共计5个行业。在研究期间内行业用水效率不高,均值在0.6～0.8之间,但在2016～2020年间,各行业用水效率呈现出总体增加的趋势,这主要得益于 “十三五”期间江苏省钢铁行业转型升级以及纺织行业技术创新带来的红利,如江苏钢铁行业扎实推进节能减排、提升装备水平、优化产品结构等各项工作,为行业用水效率的提高打好了扎实基础。

第Ⅲ类行业:有色金属矿采选业,酒、饮料和精制茶制造业,纺织业,医药制造业,化学纤维制造业,橡胶和塑料制品业,专用设备制造业,铁路、船舶、航天和其他运输设备制造业,燃气生产和供应共计9个行业。在研究期间行业用水效率在0.3～0.6之间,在江苏省行业用水效率中处于中下水平。

第Ⅳ类行业:煤炭开采和洗选业,石油和天然气开采业,食品制造业,造纸和纸制品业,其他制造业,金属制品、机械和设备修理业共计6个行业。这些行业在研究期间内行业用水效率均值小于0.3,在江苏省行业用水效率排行中属于最低的一类,这些行业大多以煤炭、纸制品等附加值低的产品为主,且行业准入门槛低,导致行业用水效率不高。江苏省工业行业水资源效率具体见图1。

图1 江苏省工业行业用水效率分类示意

4.2 工业节水潜力

为保证分类可靠性,去除与其他行业节水潜力差距过大的电力、热力生产和供应业,并最后将其归为节水潜力最大的一类,选择K-均值聚类法,运用SPSS 21.1软件对各行业节水潜力进行聚类分析,将32个行业分为3类,分类结果见表5。根据分类结果,确定电力、热力生产和供应业为高节水潜力行业,节水潜力为25.69亿m3,潜力占比为86.2%;纺织业、造纸和纸制品业、化学纤维制造业、黑色金属冶炼和压延加工业为中节水潜力行业,节水潜力分别为0.58亿,1.025亿,0.66亿,1.004亿m3,节水潜力合计占全省的11.0%;其余27个行业为低节水潜力行业,平均节水潜力仅为0.032亿m3,节水潜力合计仅占全省的2.8%。

表5 江苏省工业节水潜力聚类分析结果

5 结论与分析

工业用水效率与节水潜力的测算一直都是工业水资源领域的重点与难点。随着学科的交叉与深度融合,部分理论成熟的计量经济学模型逐渐应用到了工业水资源领域。本文以江苏省为例,基于超越对数随机前沿生产函数模型,对江苏省32个工业行业的用水效率与节水潜力进行了测算,并采用系统聚类分析法对工业行业进行了分类。结果表明:所研究行业的用水效率均未达到1,节水潜力总和为29.82亿m3,各行业均存在一定的节水空间,主要研究结论如下:

(1) 超越对数随机前沿分析生产函数模型适用于江苏省工业节水潜力的计算。在模型测算时,模型中的10个参数有7个在1%的水平上是统计显著的,3个在5%的水平上是统计显著的,且γ的估计值为0.999,解释为模型对样本数据整体是适用的;在模型检验中,设定的5种假设性检验均在1%的水平上显著,解释为采用超越对数随机前沿生产函数模型合理可靠。

(2) 以工业用水效率为依据,将研究的行业分为4类。第Ⅰ类行业用水效率均值在0.82以上,得益于苏州、无锡、南通等城市成熟的工业体系;第Ⅱ类行业用水效率均值在0.6～0.8之间,且研究期间用水效率整体呈现增加的趋势,得益于江苏省工业技术转型升级与创新;第Ⅲ类行业用水效率在0.3～0.6之间,在江苏省行业用水效率中处于中下水平;第Ⅳ类行业用水效率均值小于0.3,这类行业产品附加值低,行业准入门槛低,其水资源利用效率不高。

(3) 工业节水潜力为依据,将研究行业分为高节水潜力行业、中节水潜力行业、低节水潜力行业。江苏省分行业节水潜力呈现出金字塔特征,高节水潜力行业涉及1个行业,节水潜力占全省工业节水潜力之和86.2%,中节水潜力行业仅涉及4个行业,但节水潜力占比97.1%,而低节水潜力行业共27个,节水潜力仅占全省的2.8%。