长江经济带水资源利用效率时空分异特征及影响因素探析

秦尊文 聂夏清

(湖北省社会科学院 长江流域经济研究所，湖北 武汉 430077)

一、导言

近年来我国水资源利用效率显著提高,但与发达国家相比,差距仍然明显,节水潜力较大。长江经济带作为我国典型的丰水地区，水资源承载能力相对较强，但目前水资源利用状况与区域水资源高效利用和高质量发展要求仍有差距。探讨长江经济带水资源利用效率，分析区域内不同省(市)间差异性，如何在优化水资源时空配置的同时提升水资源利用效率，处理好经济发展与水资源环境保护日益严峻的冲突，是关系到长江经济带高质量发展的核心问题。

目前，水资源效率问题已经引起国内外学者广泛关注，早期姜文来(2001)[1]、张利平等(2009)[2]等学者在分析我国水资源存在问题的基础上提出开展以提高用水效率为核心的技术革命以缓解水资源安全问题，同时其他学者提出应对水资源配置进行优化(吴泽宁等，2004)[3]，在流域水资源配置方面，应建立以流域水循环为基础的配置模式(王浩等，2004)[4]和区域性水资源可持续利用评价指标体系(刘恒等，2003)[5]。在农业节水效率研究方面，提出农业高效节水技术是提高农业用水效率、促进农业发展的关键(康绍忠，1998；孙景生等，2000)[6][7]，并展望我国农业节水技术的主要创新点和发展方向(康绍忠等，2004)[8]，后期学者采用非期望产出的SBM模型和DEA方法等对我国农业生态效率进行测算(潘丹等，2013；李明璗，2017)[9][10]。在工业用水效率方面，学者运用随机前沿函数法SFA和数据包络模型DEA等方法对我国工业用水效率进行测算(孙爱军等，2007；买亚宗等，2014；张峰等，2017)[11～13]。针对我国全域水资源使用效率，我国学者由最初的直观感受水资源使用效率低下到定量研究水资源利用效率及影响因素，陈素景等(2007)[14]、李世祥等(2008)[15]、孙才志等(2009，2017)[16][17]、朱达等(2020)[18]、任玉芬等(2020)[19]对我国东中西三大区域和大陆31个省份水资源利用效率差异进行了探讨，认为经济发展水平是造成水资源利用效率区域差异的重要影响因素。此外，学者也对我国个别流域或特定区域进行水资源效率分析，邢霞等(2020)[20]利用耦合协调度和障碍度模型探讨了黄河流域用水效率和经济发展的协调关系，认为黄河流域子系统耦合度均有不同程度提高，经济发展水平滞后于水资源利用效率水平；陈浩等(2021)[21]基于投入产出表的影子价格法对京津冀地区水资源使用效率进行评估，认为用水效率的提高将进一步促进京津冀协调发展；张振龙等(2017)[22]对西北干旱地区水资源利用效率及影响因素进行测度，认为西北地区水资源使用效率差距不断被扩大，总体呈波段上升趋势；部分学者对广西、河南等省份进行水资源利用效率测度与分析(钟丽雯等，2020；焦士兴等，2022)[23][24]。

总体来看，我国学者以水资源、资本和劳动力等作为投入要素，GDP作为产出对水资源利用效率进行测度，研究区域主要以全国、部分区域或个别省份为主，对长江经济带水资源综合利用效率测算分析相对不足。基于此，文章将以长江经济带11省(市)为研究对象，构建包含农业用水效率、工业用水效率、生活用水效率和生态环境效率的水资源综合效率评价指标体系，较为全面地测度2015～2019年长江经济带水资源综合利用情况，并运用地理探测器探究长江经济带水资源利用效率的影响因素，以期为长江经济带水资源高效利用和实现中国区域高质量发展提供参考借鉴。

二、指标体系与数据来源

(一)指标体系构建

1.水资源综合利用效率指标体系

本文将水资源利用效率定义为在有限的水资源供给条件下，通过建立水资源消耗与农业、工业、生活、生态产出的相关指标，评价地区水资源生产要素投入所带来的生产、生活、生态的产出效率，目的是平衡有限的水资源量与经济、社会、生态日益增长的水资源需求量之间的矛盾，促进区域水资源的高效可持续利用。本文将水资源利用效率指标体系分为3个层次，目标层、准则层和指标层(见表1)。目标层为单一目标，准则层为农业、工业、生活和生态4个准则，具体指标若干，目的是突出不同系统对水资源利用的分块以及综合描述，体现“经济—社会—生态环境”协调发展的本质。

表1 水资源利用效率指标体系

2.影响因素指标体系

水资源综合利用效率是对水资源所产生的经济—社会—生态效益的综合测度，因此长江经济带水资源综合效率的时空分异也受到自然、经济、社会等多重因素影响。基于此，文章围绕经济发展水平、城镇化水平、产业结构、水资源禀赋、环保支出、创新能力、教育服务水平、对外开放度和生态涵养9个方面22个影响因素指标(见表2)，展开水资源利用效率差异背后的影响机制探析。

表2 水资源利用效率影响因素指标体系

(二)数据来源

文章研究数据主要来源为：2015～2019年长江经济带11省(市)水资源公报、《中国水资源公报》、长江经济带11省(市)统计年鉴、长江经济带11省(市)生态环境状况公报、长江经济带11省(市)环境统计年鉴和《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国城市统计年鉴》等。缺失数据由相邻两年份插值所得。

三、研究方法

(一)熵权法

本文运用熵权法对水资源综合利用效率指标体系进行定量评价，使其结果更加客观合理。数据处理步骤如下：

(1)数据标准化处理。由于文章构建的水资源综合利用效率指标体系既包括正向指标也包括负向指标，不同指标之间的量纲不同，因此在进行测度之前，首先需要对评价指标进行标准化处理，以消除指标量纲的影响。采用极差法对原始数据进行标准化，具体如下：

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

其中，Xij为原始指标数据矩阵，Xij表示第i个评价单元第j项评价指标值，max(Xj)和min(Xj)分别表示第j项指标的最大值和最小值。

(2)计算第i个个体对第j项指标的贡献度：

(3)

(3)计算第j项指标的信息效用值：

(4)

(4)确定评价指标熵权：

(5)

(二)热点分析法

局部自相关作为探索性空间数据分析(ESDA)的一种方法，是通过对现象或事物空间分布格局的探索，来发现单元空间高值或低值的聚集情况以及聚类方式。局部Getis-Ord Gi*热点探测是一种典型的局部空间自相关分析方法，可以发现不同年份水资源利用效率的冷热点分布。Gi*值接近0时，说明观测值在该区域呈随机分布；Gi*的绝对值越大，说明观测值在该区域形成热点区域；正的Gi*值指示高值的空间聚集，负的Gi*值则指示低值的空间聚集。

(三)Geodetector 模型

地理探测器是探究自然和经济社会空间表现分异性背后驱动因子的工具，其q统计量用以表现空间分异性、探测解释因子及变量间的交互关系，具有明确的物理含义且没有线性假设。当因变量Y和自变量X均为数值量时，对X进行离散化转换为类型值后，运用地理探测器建立的Y与X之间的关系比经典回归更加可靠，客观地探测了自变量对因变量的解释(王劲峰等，2017)[25]。因此文章运用地理探测器探测长江经济带水资源利用效率差异背后的影响因子和因子间的交互作用机理，用q值度量：

(6)

四、结果与分析

(一)总体特征分析

总体来看，在我国生态文明建设和长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”的背景下，长江经济带实现绿色可持续发展程度不断提高，区域水资源利用效率不断上升。长江经济带整体水资源利用效率平均值呈逐年上升趋势，由2015年的0.393上升至2019年的0.503，年上升率分别为8.3%、4.6%、5.2%、7.4%(见表3)。

表3 2015～2019年长江经济带水资源综合利用效率测度结果

为进一步分析长江经济带11省(市)水资源利用效率变化趋势，对比11省(市)间水资源效率变化差异，文章运用Origin2021对长江经济带11省(市)水资源效率值绘制箱线图进行对比分析(见图1)。

箱线图的高度在一定程度上反映数据的波动范围，上下边缘分别代表最大值和最小值，箱体部分的上下限分别表示组数据的上四分位数与下四分位数，箱体越扁则表示数据越集中。如图1所示，长江经济带11省(市)在不同年份水资源利用效率变化差异显著，其中上海和江苏波动幅度较小，其余省(市)均呈现出较大的波动趋势。结合表3可知，箱线图的波动幅度大也代表水资源利用效率得到较大幅度提升，11省(市)水资源利用效率取得明显改善。具体来看，2015～2019年重庆水资源综合利用效率提升幅度最大，由2015年0.488上升至2019年0.651，同时在2019年成为长江经济带水资源利用效率最高的地区。就均值而言，长江经济带不同省(市)差距明显，江西省均值明显低于其他省(市)，其中上游地区省份间水资源利用效率差异最大，下游地区省份水资源利用效率差异最小，不同区域内省(市)差异呈现出由上游地区到下游地区逐渐缩小的空间格局。

图1 长江经济带11省(市)2015～2019年水资源效率

(二)时空格局与局部空间集聚性分析

1.时空格局

根据水资源综合利用效率评价方法得到11省(市)水资源利用效率指数，并将其划分为低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区5类，采用GIS进行空间可视化分析(见图2)。

从时间维度来看，2015～2019年11省(市)水资源利用效率指数呈不断上升趋势，其中，8个(72.7%)省(市)指数变化值超过0.1，主要集中在上游和中游区域，变化率由高到低依次为江西(61.02%)、四川(50.39%)、湖南(46.43%)、湖北(37.83%)、云南(35.69%)、重庆(33.45%)、安徽(27.35%)、贵州(24.67%)、浙江(18.61%)、上海(7.72%)、江苏(7.42%)，从提升幅度来看，中游地区>上游地区>下游地区。

从空间维度来看，11省(市)水资源利用效率区域差异较为显著，三大区域均有水资源效率相对较高和较低的省份，下游地区以浙江、上海、江苏为首，安徽相对较低；上游地区重庆和贵州显著高于云南和四川；中游地区湖北高于湖南和江西。水资源利用效率总体保持下游地区>上游地区>中游地区的空间格局。

2.热点分析

利用局部Getis-Ord Gi*热点探测来说明水资源利用效率的局部空间自相关特征，发现不同年份水资源利用效率的热点区域不同，热点区域呈现由下游地区向上游地区迁移的趋势(见图3)。2015年热点区域为下游地区上海和江苏，无显著冷点区域；2016年无显著热点区域和冷点区域；2017年热点区域为上海；2018年和2019年热点区域为上游地区四川，无显著冷点区域。

(三)农业、工业、生活、生态用水效率变化趋势分析

1.农业用水效率变化趋势分析

2015～2019年农业用水效率除上海、江苏有轻微下降外，其余省(市)呈逐年上升趋势。中国作为传统的农业大国，农业仍是我国用水量最大的生产部门，长江经济带是我国重要的农业区，农业科学用水关系到长江经济带经济社会高质量发展。近年来，长江经济带农业节水措施取得成效，农业总产值提升的同时农业灌溉效率不断提高。2015～2019年江西省农业用水效率常年处于最低位，主要是由于农田灌溉亩均用水量较高，单位用水量的农业总产值较低，江西省应进一步改进农业节水措施，增加农业节水灌溉面积，降低农业单位面积用水量以提高农业用水效率。

2.工业用水效率变化趋势分析

长江经济带11省(市)工业用水效率均呈上升趋势。万元GDP用水量与万元工业增加值用水量作为节水型社会的核心指标之一，反映了经济社会发展的耗水量高低，直观反映着节水政策的执行效果是否切实体现在经济社会发展之中。长江经济带各省(市)近年来万元GDP用水量和万元工业增加值用水量不断降低，用水结构不断优化，工业用水效率不断提升。2015～2019年浙江、上海和江苏工业用水效率位列前三，湖南和江西工业用水效率常年位于11省(市)的末位，主要是由于万元工业增加值用水量较高，工业用水重复利用率较低。

3.生活用水效率变化趋势分析

2015～2019年长江经济带各省(市)城镇、农村居民人均生活用水量基本保持不变或小幅增加，各省(市)生活用水效率总体保持稳定不变或略微降低的趋势。四川城镇、农村居民人均生活用水量远高于其它省(市)，导致其生活用水效率在长江经济带11省(市)中处于最低位，应向周边生活用水效率较高的省份云南和贵州学习，有效控制人均生活用水量，提高生活用水效率，促进城市水资源可持续发展。随着我国城镇化建设取得历史性成就，城镇生活用水也随之增加、污染和浪费，个别省份出现城镇居民和农村居民生活用水量增加，生活用水效率降低的趋势，应进一步关注城镇、农村居民生活用水状况，增强节水意识，创造节约用水的社会氛围。

图2 长江经济带水资源效率时空格局变化

4.生态用水效率变化趋势分析

长江经济带11省(市)生态环境用水效率均呈上升趋势。生态环境用水效率从高到低依次为贵州>湖南>湖北>重庆>安徽>浙江>云南>江苏>江西>四川>上海。其中，上海2015～2019年生态环境水资源效率均显著低于其他省份，主要由于其生态环境用水效率指标中，地表水达到或好于Ⅲ类水体比例值在11省(市)中历年处于最低值。经济的高速发展加剧了上海河流污染的严峻情势，近年来上海市不断加大截污治污力度，地表水环境质量持续改善，但地表水环境氮磷污染问题仍然突出，已成为上海市水环境质量进一步提升的关键因素之一。上海作为长三角地区核心都市，应当充分发挥自身在经济、科技和教育方面的优势，加大环保投入，不断拓宽科研攻关和人才培养的渠道以提升水环境状况。

图3 长江经济带水资源效率热点分析

5.水资源综合利用效率变化趋势分析

从水资源综合利用效率评价指标体系(见表1)和测度结果(见表3)可知，各省份水资源利用效率差异主要受农业用水效率和工业用水效率影响，农业用水效率和工业用水效率在水资源利用效率评价指标体系中权重最大，且在各省(市)之间农业用水效率和工业用水效率差异最大。

五、影响因素分析

(一)因子探测

根据长江经济带水资源利用效率影响因素指标体系(见表2)，使用Arcgis软件将各影响因子原始数据根据自然断点法划分为5类进行离散化处理后，运用地理探测器对其进行因子探测分析，识别长江经济带水资源利用效率时空分异主要驱动因子，测算结果(见表4)列出2015年、2017年、2019年3个时间节点及2015～2019年各影响因子多年平均q值。

由表4可知，不同影响因子对长江经济带水资源综合利用效率影响程度不同，且各影响因子在不同年份的影响程度变化较大。其中水资源总量(x8)、年末常住人口城镇化率(x4)、湿地面积占辖区面积比重(x22)、每万人口授权发明专利拥有量(x14)、每万人拥有社会工作专业人才数(x16)、人均地区生产总值(x2)、万人拥有规模以上工业企业R&D人员全时当量(x12)、第三产业产值占GDP比重(x5)、外商直接投资项目(x19)、就业人员中受过高中及以上教育的人员占比(x17)和外商投资企业占规模以上工业企业数量比重(x18)等有均值大于0.5的较高q值，表明这些变量在决定长江经济带水资源综合利用效率格局中起着重要作用。

图4 长江经济带分部门水资源效率变化

表4 长江经济带水资源利用效率影响因子探测

水资源总量(x8)多年q均值为0.762，成为决定水资源利用效率时空格局中最重要的影响因素，且影响程度由2015年第九位(0.671)上升到2019年第二位(0.777)，以q均值0.762在所有影响因素中排名第一。同时另一关于水资源可得性的指标人均水资源量(x6)多年q均值为0.496，由2015年第十七位(0.399)上升至2019年第三位(0.749)，水资源禀赋对水资源利用效率时空差异的决定性作用逐年增强且不容忽视。水资源总量以及人均水资源量的多少负相关影响地区的用水效率，水资源量越多造成水资源利用效率越低下，因此水资源禀赋越强的省份更应注重生产、生活、生态水资源的高效利用，加大节水力度，提高节水相关技术，使水资源量在省(市)间合理分配以使水资源使用效益最大化。

年末常住人口城镇化率(x4)以多年平均q值0.733排在第二位，说明城市化发展水平对水资源利用效率有较强的解释力，同时城镇化水平差异对水资源利用效率差异的解释力不断增强，应进一步提高各省(市)的城镇化水平。城市化在快速发展的同时，在一定程度上加大了水资源使用的紧缺性，在有限水资源约束下水资源利用效率得到进一步提升。总体来看，长江经济带下游地区城市化发展水平和质量优于中游和上游地区，在快速城市化进程中更加注重水资源的优化配置，使水资源使用效率不断提高，因此城镇化水平差异成为长江经济带水资源利用效率时空分异的主要影响因素。

湿地面积占辖区面积比重(x22)保持多年连续q值大于0.7的上升趋势，以多年平均q值0.720排在第三位，同时森林覆盖率(x21)q值也有上升趋势。湿地面积占辖区面积比重(x22)和森林覆盖率(x21)从生态系统考察长江经济带各省(市)生态保护情况，在严格保护生态环境的前提下全面提高水资源利用效率，同时山林湖水草的绿色和谐发展进一步推动水资源的高效利用。湿地面积占辖区面积比重(x22)和森林覆盖率(x21)与水资源总量(x8)和人均水资源量(x6)等自然资源因素对长江经济带水资源利用效率时空分异的影响逐渐增强。

每万人口授权发明专利拥有量(x14)、万人拥有规模以上工业企业R&D人员全时当量(x12)和科学技术支出占地方一般公共预算支出比重(x13)多年平均q值分别为0.681、0.650和0.433，反映出创新能力对长江经济带水资源利用效率分异也具有显著的影响作用。每万人口授权发明专利拥有量(x14)体现了研发成果的市场价值和竞争力，反映出创新产出的专利质量；万人拥有规模以上工业企业R&D人员全时当量(x12)反映了自主创新人力投入的规模和强度；科学技术支出占地方一般公共预算支出比重(x13)作为政府对科技创新投入的重要体现之一，衡量政府对创新的直接投入力度，整体反映出创新驱动对提高水资源利用效率效果明显。

每万人拥有社会工作专业人才数(x16)和就业人员中受过高中及以上教育的人员占比(x17)以q均值0.667和0.572分别排在第五位和第十位，反映了社会服务能力水平的高低和就业人口受教育状况，从社会层面反映出社会教育服务能力也是长江经济带水资源利用效率时空分异的重要主导因子。

人均地区生产总值(x2)和第三产业产值占GDP比重(x5)q值为0.654和0.644，分别排在第六位和第八位，表示经济发展水平是水资源利用效率分异的重要影响因素。较高的经济发展水平伴随着较高的城镇化率，耗水量较高的农业比重小，非农产业发展水平高，同时经济发展水平越高，也拥有较高的投资管理和技术水平，使单位水资源的产出更高，水资源效率提高。而对于经济欠发达的地区农业比重高，第三产业比例较小，技术管理水平相对落后，导致水资源利用方式粗放，水资源利用效率低下。

外商直接投资项目(x19)和外商投资企业占规模以上工业企业数量比重(x18)q均值分别为0.599和0.529，在影响因子中排名第九位和第十一位，表明区域对外开放水平对水资源利用效率时空分异有一定的解释力。外商投资通过先进管理和技术经验溢出效应降低工业用水强度，提高工业用水效率，推动了区域水资源合理配置和高效利用。

综上，在影响长江经济带水资源利用效率时空分异的驱动因子中，除水资源禀赋对水资源利用效率是负向驱动外，其他因素均为正向驱动；自然资源因素的影响程度上升，经济、社会因素的影响下降，但经济社会发展水平对水资源利用效率的影响力仍然显著，应在快速城镇化的同时不断加大创新投入，提高节水技术，增强社会服务能力以提高水资源使用效率，同时应增强水资源禀赋强的省(市)的节水意识，注重生态保护，促进人与自然和谐共生。

(二)交互探测

通过计算和比较单因子与双因子叠加后的q值，进行两因子作用于因变量的交互探测，发现任意两个因子交互作用后的q值都要大于第一种因子的独自作用(见表5)，说明任意两个因子的交互作用都会增强对长江经济带水资源利用效率空间分异的解释力，各影响因子之间的交互作用均为增强关系，不存在独立影响或减弱关系，即长江经济带水资源利用效率空间差异是受多个因子共同作用的结果。

表5 长江经济带水资源利用效率影响因子交互探测

六、结论与政策启示

(一)结论

在构建水资源综合利用效率评价指标体系和影响因素指标体系的基础上，运用熵权法对长江经济带2015～2019年的水资源综合利用效率进行测度并进行空间探索性分析，利用地理探测器模型识别了长江经济带省(市)间水资源利用效率时空分异的影响因素。结果表明：

(1)2015～2019年长江经济带水资源综合利用效率由0.393上升至0.503，水资源利用效率总体提升了28%，长江经济带水资源利用效率呈现逐步上升态势；从长江经济带上中下游地区来看，水资源综合利用效率平均值表现为下游地区>上游地区>中游地区，上中下游不同区域内省(市)差异呈现出由上游地区到下游地区逐渐缩小的空间格局；分省(市)来看，长江经济带各省(市)水资源利用效率差距明显，但均呈稳定上升趋势。

(2)从农业、工业、生活和生态用水效率来看，2015～2019年长江经济带11省(市)农业、工业、生活和生态用水效率均呈上升趋势，生产、生活、生态用水效率不断提升；农业用水效率和工业用水效率主导水资源综合利用效率的高低。

(3)2015～2019年长江经济带热点区域呈现由下游地区向上游地区迁移的趋势。2015年热点区域为下游地区上海和江苏，无显著冷点区域；2016年无显著热点区域和冷点区域；2017年热点区域为上海；2018年和2019年热点区域为上游地区四川，无显著冷点区域。

(4)影响长江经济带水资源利用效率时空分异的因素，其解释力从大到小依次为水资源总量、年末常住人口城镇化率、湿地面积占辖区面积比重、每万人口授权发明专利拥有量、每万人拥有社会工作专业人才数、人均地区生产总值、万人拥有规模以上工业企业R&D人员全时当量、第三产业产值占GDP比重、外商直接投资项目、就业人员中受过高中及以上教育的人员占比和外商投资企业占规模以上工业企业数量比重。各项因子之间的交互作用均大于独自影响的作用，自然资源因素对长江经济带水资源利用效率时空分异的影响逐渐增强，经济社会因素影响力逐渐减弱，但仍有显著影响。

(二)政策启示

目前，受自然地理环境及社会经济发展水平差异等影响，长江经济带11省(市)水资源综合利用效率还存在较大差异且有较大提升空间。因此，研究的政策启示有：

(1)各省(市)应结合实际用水情况，因地制宜，采取科学合理的农业用水和工业用水政策。长江经济带作为一个跨度较大的区域，上中下游地区自然经济社会条件都存在较大差异，因此各省(市)需要综合考虑各方面因素，实施有利于本省(市)水资源高效利用的用水政策。同时长江经济带各省(市)应打破行政壁垒，加强省(市)间合作，学习借鉴有利于提高用水效率的先进技术和管理方法。尤其是邻近省(市)，自然社会经济条件差异相对较小，在供水和用水方面具有一定的相似性，更应加强交流合作，推动实现相关技术经验共享，提升区域整体水资源利用效率。

(2)在城乡居民生活用水方面，应进一步加强城乡居民用水管理，建立健全用水管理法律法规，统筹规划城市人口与水资源利用的关系，促进城市健康发展。加强节水宣传力度，多渠道广泛深入开展节水宣传教育，普及节水知识，同时推广节水措施，推进节水型家庭、节水型城市、节水型社会的建立，促进城市人口与城市水资源、生态环境、经济效益的协调可持续发展。

(3)加强城市污水处理的环境保护措施。在水资源生态环境效率方面，各省(市)应健全区域环境执法监管制度，加大执法力度，重视源头防控和全程监管，构建区域水污染信息监测共享网络，定期发布水质污染信息，提高水环境整体状况；进一步深化长三角区域水污染防治协作机制，强化联防联控，大力推进重点流域和省(市)内重点水域的水源地保护和黑臭水体整治工作，鼓励公众参与和监督，加快推进水环境治理。