黄河流域工业绿色水资源效率空间网络关联特征_王纪凯.pdf
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1、王纪凯,张峰,油建盛,等.黄河流域工业绿色水资源效率空间网络关联特征 J.地理科学,2023,43(6):1032-1042.Wang Jikai,Zhang Feng,You Jiansheng et al.Cor-relation characteristics of spatial network of industrial green water resources efficiency in the Yellow River Basin.Scientia Geographica Sinica,2023,43(6):1032-1042.doi:10.13249/ki.sgs.2023.
2、06.010黄河流域工业绿色水资源效率空间网络关联特征王纪凯,张峰,油建盛,陈嘉伟(山东理工大学管理学院,山东 淄博 255000)摘要摘要:利用考虑非期望产出 SE-SBM 模型测算黄河流域 77 个地级市 20102020 年工业绿色水资源效率,并借助修正引力模型以及社会网络分析法对效率空间网络关联结构特征进行综合评估。结果表明:黄河流域工业绿色水资源效率呈现“下游中游上游”格局,局部动态性特征与非均质性特征并存。黄河流域内部网络密度呈现自下游到中游再到上游逐级降低的态势。工业绿色水资源效率空间关联板块间并未形成良好的循环传递框架。工业绿色水资源效率网络 k-核结构呈现金字塔分布特征,且子
3、群城市区位指向与择优特征明显,不利于缩小城际间发展差距。关键词关键词:工业绿色水资源效率;空间关联网络;黄河流域中图分类号中图分类号:X321;F429.9文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-0690(2023)06-1032-11 黄河流域水资源短缺和生态脆弱已成为困扰整个流域生态保护和高质量发展的“最大矛盾”和“最大问题”。而工业用水不仅是仅次于农业的第二大用水户,也是造成黄河流域水质污染的重要来源之一,加快提高工业水资源效率迫在眉睫。新时期绿色发展理念对水资源效率的评估又提出了新要求,统筹兼顾水资源利用的资源承载力和生态环境容量约束,而这恰好与黄河流域生态保护和高质量发展
4、的“最大矛盾”和“最大问题”具有直接性的对应关系。由此也诱发了新思考:建立在绿色发展理念下的工业水资源效率究竟是怎样的?与此同时,沿黄地区工业水资源效率是否也会出现与其资源配置和社会经济发展不平衡不充分相类似的现实状况?事实上,关于工业水资源效率问题的研究已经取得诸多有价值的见解,学术界起初通过使用工程经济学的技术原理展示其供需关系所带来的经济效应1,随着研究范围的不断深入其相关成果也趋于全面化,从效率评价体系构建以经济投入产出指标为主,到考虑资源成本2-3、人力资本4-5、技术支持6-7等综合性评价体系8,不同指标体系下的工业水资源效率往往存在较大差异,同时基于综合评价指标体系评估的方式难以
5、有效规避指标之间共线性的问题。近年来,随着社会经济发展与城市交互联系日益趋向多元化与紧密化,城市空间联系对协调区域的可持续发展愈发关键9。随着区域间工业水权交易行为普遍增多,不同效率水平区域对邻近区域用水效率存在相应的积极与消极影响10。因而探究工业水资源效率的空间关联关系,突破以往空间效应以及聚类方式研究的局限,将有助于揭示各研究区域的内部联动结构11。现有空间关联研究多针对不同决策单元之间的空间异质性以及交互作用展开,探讨不同主体之间集聚、溢出作用12-13。而对于水资源效率空间关联网络研究,国内外研究学者大多使用引力模型等刻画微观空间联系14-15,以区域中心性分析描述核心网络节点特征1
6、0,以 QAP 模型16、ERGM 模型17与 STIRPAT 模型18等探究其网络驱动因素。综上所述,工业水资源效率研究愈加完善,水资源效率空间网络研究正成为热点,为本文研究提供了良好的依据,结合黄河流域水资源仍旧短缺的 收稿日期收稿日期:2022-07-13;修订日期修订日期:2022-11-04基金项目基金项目:国家自然科学基金项目(71904108、U1501253)资助。Foundation:National Natural Science Foundation of China(71904108,U1501253).作者简介作者简介:王纪凯(1996),男,山东临沂人,硕士研究生,
7、主要从事管理系统工程研究。E-mail:通信作者通信作者:张峰。E-mail: 第 43 卷第 6 期地理科学Vol.43 No.62023 年 06 月Scientia Geographica SinicaJune,2023严峻形势,破解流域内工业水资源供需矛盾仍存在值得深入探讨的问题:其一,工业水资源效率的评估如何紧跟绿色发展理念下的时代步伐,城市间工业用水信息、技术以及经验的交互联系增多,其内部是否存在紧密相关的空间网络关联结构?其二,随着生态文明建设的大力推进,生态环境容量与资源承载力的硬性约束力逐渐增强,因此基于“资源环境”约束下的工业绿色水资源效率空间网络关联结构的完整性又存在怎样
8、发展特征?其三,工业经济发展水平以及资源禀赋程度的差异性导致流域内各城市工业用水效率和节水减排能力存在较大差别,那么各城市节点在网络中的中心传导能力存在怎样的差距?各城市之间联系强度以及内部传递路径又是怎样的?鉴于此,本文以黄河流域各地级市为研究靶区,选取考虑非期望产出的 SE-SBM 模型测算工业绿色水资源效率,创新性的将资源与环境要素纳入引力模型构建流域工业绿色水资源效率网络,运用社会网络分析(SFA)从点线面 3 个维度对流域整体网络结构特征进行分析,以期为黄河流域城市群水资源管理体制建设、实现黄河流域城市协调可持续提供决策依据。1 研究方法与数据来源1.1研究区域概况研究区域概况黄河是
9、中国的第二大河(图 1)。作为中国北方经济的重要支撑,其流域内经济发展水平明显偏低,近年来经济增速更出现显著的下滑趋势,截至2020 年,黄河流域 GDP 占北方区域的比重达到46.8%,但仅占全国的 1/519。与此同时,黄河流域作为中国北方重要的生态屏障,发挥着涵养水源、防治荒漠化和保持水土等重要的生态服务功能。但流域内部生态环境十分脆弱,受破坏后恢复难度较大。在黄河流域发展中的众多问题中,又以水资源供求矛盾最为突出,据2020 年中国水资源公报(http:/ 2.9%,成为制约经济发展的短板;另一方面,黄河流域作为中国重要的工业基地,用水量大,但工业发展水平较差,多数产业更多依靠资源拉动
10、,工业发展的高耗能、高排放、低收益问题十分突出。1.2工业绿色水资源效率测度工业绿色水资源效率测度DEA 模型作为全要素生产率的基本测量模型被广泛使用,本文使用考虑非期望产出的 SE-SBM模型对其进行评价,可以有效解决较多决策单元效率排序模糊问题,且规避传统 BCC 模型径向与角度对测量结果的干扰,具体计算参见文献 20。1.3工业绿色水资源效率空间关联网络架构工业绿色水资源效率空间关联网络架构 1.3.1 修正引力模型新经济地理理论指出空间距离会限制城际间交互作用关系的发展,并遵循距离衰减原理21,但 酒泉市鄂尔多斯市榆林市巴彦淖尔市张掖市延安市乌兰察布市武威市陇南市包头市庆阳市南阳市忻州
11、市吕梁市临汾市白银市定西市商洛市信阳市宝鸡市临沂市吴忠市晋中市潍坊市洛阳市天水市运城市大同市长治市烟台市中卫市渭南市兰州市菏泽市周口市驻马店市济宁市平凉市青岛市商丘市朔州市固原市德州市咸阳市西安市晋城市聊城市新乡市泰安市郑州市金昌市太原市呼和浩特市济南市滨州市西宁市三门峡市安阳市东营市银川市开封市淄博市平顶山市威海市日照市许昌市阳泉市枣庄市濮阳市焦作市铜川市石嘴山市漯河市鹤壁市济源市乌海市嘉峪关市图例上游中游下游0250500 kmN图 1 黄河流域概况Fig.1 Overview of the Yellow River Basin6 期王纪凯等:黄河流域工业绿色水资源效率空间网络关联特征10
12、33 城际间双边流量并非相互独立,而是存在一定的空间相关性,每个城市均可作为流量源地与汇地22。引入引力模型考察黄河流域各地级市之间工业绿色水资源效率相互作用关系,表征城际间联系程度。为更好刻画工业绿色水资源效率网络关联特征,本文特将资源与环境要素引入模型当中。Lij=KEijwidi1TiPiwjdj1TjPjD2ij(1)Eij=PiPi+Pj(2)式中,Lij代表城市 i 对城市 j 的工业绿色水资源效率联系强度;K 为引力修正系数,用于调整数据量级;Eij代表城市 i 与城市 j 的引力系数,Pi与 Pj分别代表城市 i 与城市 j 的工业绿色水资源效率;wi与 wj分别代表城市 i
13、与城市 j 的工业用水总量,di与 dj分别代表城市 i 与城市 j 的工业污水排放量,以二者比值表征引力模型下水资源要素特征;Ti与Tj分别表示城市 i 与城市 j 的环境要素特征,其值由工业二氧化硫排放量、氨氮化物排放量工业固体废物产生量来衡量,通过熵权法将 3 类污染物合为Ti值;Dij代表城市 i 与城市 j 的距离。1.3.2 空间网络结构特征刻画本文采用总分形式对黄河流域工业绿色水资源效率空间网络结构特征进行剖析。首先利用整体网络密度与网络关联度阐述其整体网络特征,继而分别从“点线面”角度入手对其内部结构进行深入讨论。其中利用度数中心度、接近中心度与中间中心度分析黄河流域各城市节点
14、特征;绘制各城市节点网络关联线,以此反映节点与节点之间引力关系强度;最后通过块模型以及凝聚子群分析对流域内城市群进行聚类处理具体计算参见文献 12。1.4指标选取及数据来源指标选取及数据来源借鉴汪克亮、张峰等相关研究成果6,23,评价体系指标数据多以工业领域为基准。工业绿色水资源效率评价体系包括投入指标层与产出指标层。投入要素包括资本、人力、资源投入,产出要素包括期望与非期望产出。其中以工业固定资产投资额、工业企业 R&D 经费支出、专利申请授权数表征资本投入中的资金与科研投入,以此反映流域内工业企业增长规模与节水减排技术水平;人力投入与资源投入分别以工业从业人员平均数与工业用水总量表示,以此
15、反映研究期内工业从业人数情况与水资源消耗情况;期望产出以工业企业利润总额以及中水回用率表示,中水回用率代表的是各省份对中水工业链条式的利用能力,工业企业利润总额直接体现工业活动所创造的社会价值;以单一工业废水排放总量表征非期望产出体现强调出水资源因素在评价体系中的影响作用。因四川省已经纳入长江经济带范围内,且“东四盟”并不属于黄河流域重要经济社会文化关联区,故参考现有研究选取其余 8 个省(区)中的 77 个地级市作为研究样本24,同时基于工信部于 2010 年印发关于进一步加强工业节水工作的意见(工信部节 2010218 号)文件(http:/ 20102020 年为本文研究期。指标数据来源
16、于中国城市统计年鉴19、各省水资源公报(http:/ ArcGIS 软件矢量化取得。2 结果与分析2.1效率时序分布特征效率时序分布特征本文借助 MAXDEA 软件使用考虑非期望产出的 SE-SBM 模型测度黄河流域 77 个地级市20102020 年工业绿色水资源效率,通过将流域划分为上中下游 3 部分研究区域,求得各区域工业绿色水资源效率时序分布折线图(图 2)。由图 2 可以看出,研究期内黄河流域工业绿色水资源效率呈现波动增长的趋势,上、中、下游效率梯度差值明显,效率整体呈现“下游中游上游”的格局,且上游地区始终处于较低效率水平。虽流域内工业绿色水资源效率总体提升显著但效率分化呈发散趋势
17、,效率差异逐渐扩大。随着时间推移,黄河流域内部地级市之间因工业经济发展差异以及工业节水配置能力不同导致工业绿色水资源效率分化愈发明显。较高比重的低效率城市仍然是阻碍黄河流域工业绿色水资源效率均衡发展以及缩小城际间效率差距的瓶颈问题。1034地理科学43 卷 2019 年莱芜市并入济南市,故将 2020 年莱芜市与济南市数据进行合并处理统称济南市。2.2效率空间分布特征效率空间分布特征借助 ArcGIS 软件进行效率空间分布可视化处理,利用自然间断点法将工业绿色水资源效率划分为 5 个等级,依次为低效率、较低效率、中等效率、较高效率与高效率(图 3)。结果发现,黄河流域城际间工业绿色水资源效率空
18、间分布存在局部动态性特征。从整体分布角度来看,研究期内黄河流域工业绿色水资源效率增加明显,达到高效率以及较高效率水平地区从 2010 年的 11 个增加到 2020 年的 31 个城市,效率覆盖城市约占全流域 40%,但效率增长地区多为中下游城市。从城市群分布角度来看,山东半岛城市群与中原城市群工业绿色水资源效率等级整体跃迁显著,高效率城市的辐射能力为周边效率薄弱城市起到良好的填补带动作用;关中平原城市群效率提升略缓于东部平原城市,但其仍存在较优的辐射能力;“几字弯”都市圈因其独特地理位势成为黄河流域少有的受益城市群体,相较于2010 年的普遍低效率现象,2020 年以榆林、吕梁为首的主要地区
19、工业绿色水资源效率呈现迸发式增长态势;反观上游地区兰州、西宁等市工业率绿色水资源效率仍处于较低效率阶段,甚至出现效率停滞现象,工业节水技术要素配置不足以及较大规模经济差距对工业绿色水资源效率提升的限制作用仍处主导地位。2.3整体网络特征整体网络特征为展示黄河流域工业绿色水资源效率网络演化特征,选取样本初始年与期末年进行对比分析,借助 Ucinet6.560 软件分别对黄河上、中、下游以及流域全体测算工业绿色水资源效率网络密度、网络关联度以及网络关系条数。具体结果如表 1 所示。结合表 1 数据可知,2020 年黄河流域工业绿色水资源效率网络规模相较于 2010 年有所提升。从网络密度角度来看,
20、黄河流域上、中、下游以及全流域视角下网络密度均发生不同幅度的提高,下游地区网络密度与网络关系条数增幅达到 73.79%和 73.86%,2020 年下游地区网络密度达到 0.610,表明该区域工业绿色水资源效率网络基数较大,网络结构趋于复杂性与紧密性;中游与上游地区网络密度增幅略小于下游地区,密度增加分别为42.18%、36.21%,但上游地区网络密度仍旧处于较低水平,密度仅为 0.158。究其原因,相对落后的经济发展水平以及地理位势毗邻西部导致各地区在信息、技术和资源方面的获取与传递能力较低,地区间工业水资源信息交互联系受行政壁垒阻断。从网络关联度角度来看,中游下游地区处于较高联系水平,上游
21、地区网络关联度虽有小幅提高,仍未体现 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.02010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020黄河流域工业绿色水资源效率年份上游中游下游均值图 2 黄河流域工业绿色水资源效率Fig.2 Industrial green water resource efficiencyin the Yellow River Basin a 2010年b 2013年d 2020年c 2016年行政边界图例黄河干流低效率较低效率中等效率较高效率高效率N500 km0图 3 20102020 年黄河流域工
22、业绿色水资源效率空间分布Fig.3 Industrial green water resources efficiency in the Yellow River Basin in 201020206 期王纪凯等:黄河流域工业绿色水资源效率空间网络关联特征1035 出显著关联水平。结合网络关系条数来看,2020 年全流域网络关系条数相较 2010 年增长 23.12%,仅有 932 条网络关联关系,而全流域实际理论关系数为 5 852 个,仍存在较大提升空间。整体网络密度仅为 0.159,意味着黄河流域城际间整体存在一定程度的空间关联,整体关联程度处于较低水平,全流域网络结构稳定性以及跨区域工
23、业水资源协调管理机制能力建设仍需进一步提高。2.4网络节点特征网络节点特征借助 Ucinet6.560 软件节点中心性分析工具,对黄河流域 2010 年、2020 年 77 个地级市进行中心度测算,分别得到各城市度数中心度(点出度、点入度)、接近中心度以及中间中心度,因样本数量较多无法逐一列举,故分别选取上游、中游和下游每年各类中心度排名前五城市结果进行展开分析,具体结果见表 2、表 3。2.4.1 度数中心度黄河流域工业绿色水资源效率网络作为一种有向网络,其中心度测量包括点出度与点入度,出度代表该节点城市对外的辐射程度,本文中则表示城际间的效率溢出效应,入度则相反,代表工业绿色水资源效率的吸
24、收效应。对比表 2、表 3 可知,黄河流域 3 段流域度数中心度依次呈现“下游中游上游”形势,上游地区城市点出度与点入度数量始终处于较低水平,研究期末下游城市中心度明显高于中游城市。究其原因,中游地区中心城市凭借自身区位与交通优势,通过整合区域工业水资源信息、技术、经验,辐射带动其他城市,弥补周围低效率城市缺陷,缓解其内部工业用水矛盾,进而拉动区域整体网络联系。下游地区受益于固有经济与区位优势,其内部工业水资源信息可达性较高,成为下游地区工业绿色水资源效率网络绝对中心城市。2.4.2 接近中心度接近中心度大小表示该节点城市与网络内部其他成员的直接联系程度,数值越大表明该节点所在网络中扮演的中心
25、行动者角色越明显。结合表 2、表 3 可知,接近中心度的排名与度数中心度排名较为相似。2020 年上游地区城市接近中心度变化较 表表 1黄河流域工业绿色水资源效率网络密度与关联度黄河流域工业绿色水资源效率网络密度与关联度Table 1 Network density and network correlation degree of indus-trial green water resource efficiency in the Yellow River Basin 年份上游中游下游全流域网络密度20200.1580.4180.6100.15920100.1160.2940.3510.12
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