湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

聶 曉，張 弢，馮 芳

(湖北文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 湖北 襄陽(yáng) 441053)

提高水資源利用效率在很大程度上可以緩解水資源供需矛盾、減少水污染，而且，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用之間存在交互耦合關(guān)系[1,2]：一方面，水資源的需求量隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而不斷增加，水質(zhì)也會(huì)因經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的污染物而受到影響，但同時(shí)用水效率的提高和水環(huán)境的保護(hù)也得益于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所提供的資金支持和技術(shù)保障；另一方面，用水效率的提高可以在一定程度上減少水需求和水污染，是保障水資源充足供應(yīng)的重要途徑，而充足的水資源供應(yīng)是經(jīng)濟(jì)又快又好發(fā)展的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)用水效率與經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系的研究大多是針對(duì)用水效率的某一方面或某一要素與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系開(kāi)展研究[3-6]，如孫愛(ài)軍等[3]基于耦合協(xié)調(diào)度模型分析了中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)與用水技術(shù)效率之間的關(guān)系，賈紹鳳等[5]基于用水庫(kù)茲涅茨曲線研究了工業(yè)用水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，潘安娥[6]等基于水足跡的視角開(kāi)展了湖北省水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的“脫鉤”分析。但鮮有基于系統(tǒng)論視角對(duì)用水效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合協(xié)調(diào)的計(jì)量評(píng)價(jià)報(bào)道。

湖北地處長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“龍腰”，也是我國(guó)“中部崛起”戰(zhàn)略的支點(diǎn)、中心，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及南水北調(diào)中線工程的實(shí)施，湖北水資源供需矛盾日益突出，水污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻[6,7]。而且，現(xiàn)有研究缺少對(duì)湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)交互影響方面的綜合分析。在此背景下，本文在構(gòu)建湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，基于耦合協(xié)調(diào)度模型，客觀揭示湖北用水效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合關(guān)系及耦合協(xié)調(diào)水平，尋找水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)針對(duì)性制定政策實(shí)現(xiàn)湖北省水資源與經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文在參照前人研究成果[1, 8]的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖北省實(shí)際情況，建立湖北省用水效率—經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。為了較全面系統(tǒng)地評(píng)價(jià)湖北省用水效率發(fā)展水平，反映工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活及生態(tài)環(huán)境等對(duì)用水效率變化所起的作用，因此湖北省用水效率系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分別從綜合、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境4個(gè)緯度選取12個(gè)指標(biāo)；湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?個(gè)維度選取8個(gè)指標(biāo)。為避免主觀判斷對(duì)研究結(jié)果的影響，采用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重和各子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值。

表1 評(píng)價(jià)體系及指標(biāo)權(quán)重Tab.1 Evaluation system and index weight

注：“+”表示正向指標(biāo)，“-”表示負(fù)向指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及標(biāo)準(zhǔn)化處理

本文以湖北省為研究對(duì)象，選擇2005-2016年12 a的面板數(shù)據(jù)開(kāi)展分析。湖北省的相關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)來(lái)自于《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《湖北年鑒》(2006-2017年)，湖北省的相關(guān)用水效率數(shù)據(jù)來(lái)源于《湖北省水資源公報(bào)》(2005-2016年)和湖北省水利廳的相關(guān)水資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。為避免指標(biāo)原始數(shù)據(jù)量綱不同對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，首先對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式分別為：

x*=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(1)

x*=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(2)

式中：x*是同向化后的標(biāo)準(zhǔn)值；xij、xjmin、xjmax分別是第j項(xiàng)指標(biāo)的第i個(gè)樣本值、第j項(xiàng)指標(biāo)的最小樣本值、第j項(xiàng)指標(biāo)的最大樣本值。

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，得到湖北省用水效率系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(用水效率指數(shù)R1)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)R2)。

1.3 耦合協(xié)調(diào)度模型

借鑒耦合系數(shù)模型，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]，得到用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度計(jì)算模型為：

(3)

式中：C為耦合度，C∈[0, 1]，C越大，系統(tǒng)耦合程度越好。

當(dāng)C=0時(shí)，用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)內(nèi)部要素?zé)o關(guān)；當(dāng)C∈(0, 0.3]時(shí)，系統(tǒng)耦合水平低，用水效率水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均較低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用水效率相互作用不明顯；當(dāng)C∈(0.3, 0.5]時(shí)，系統(tǒng)處于拮抗階段，用水效率提升的速度或超過(guò)或落后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，用水較為粗放；當(dāng)C∈(0.5, 0.8]時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入磨合階段，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步快速發(fā)展，并為水資源利用提供資金技術(shù)等的投入，帶動(dòng)用水效率的提升；當(dāng)C∈(0.8, 1)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入高水平耦合階段，經(jīng)濟(jì)又快又好發(fā)展，同時(shí)為用水效率提升提供更充足的資金和技術(shù)上的支撐，而用水效率的不斷提升，也為經(jīng)濟(jì)的更快更好可持續(xù)發(fā)展提供更充足的水資源；C=1 時(shí)，用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)內(nèi)部要素之間實(shí)現(xiàn)良性共振耦合，兩者和諧共生。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)用水效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)整體的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平，選用耦合協(xié)調(diào)度模型[9]：

(4)

R=αR1+βR2

(5)

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；R為用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；α、β的取值采用等權(quán)重的處理方式，即α=β=0.5[10]。

為了直觀地分析用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平，參考已有研究成果[9]，系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)類型按照表2進(jìn)行分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖北省用水效率系統(tǒng)發(fā)展水平評(píng)價(jià)

2016年，湖北省總用水量為281.97 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水占47.4%，工業(yè)用水占32.4%，生活用水占20.2%。湖北是水稻主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)需水量大，研究期內(nèi)除了2016年，2005-2015年湖北省的農(nóng)田灌溉畝均用水量均高于全國(guó)平均水平。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全省農(nóng)業(yè)有效灌溉系數(shù)為 0.505，低于全國(guó)平均水平0.542的水平；萬(wàn)元GDP用水量87 m3，略超過(guò)全國(guó)平均81 m3；萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量74 m3，遠(yuǎn)超全國(guó)平均52.8 m3，這主要是由于湖北現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局主要依賴相對(duì)豐富的水資源而形成了高需水和耗水的沿江涉水產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式[7]。

圖1是湖北省用水效率系統(tǒng)評(píng)估指數(shù)的時(shí)序變化，圖中結(jié)果顯示，湖北省的用水效率指數(shù)在波動(dòng)中呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì)：2005-2011年，用水效率指數(shù)在波動(dòng)中總體上不斷提高，在2011年達(dá)到最大值；2012-2015年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用水效率指數(shù)又呈現(xiàn)略有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，水資源壓力增大，用水效率亟待進(jìn)一步提高；2016年，湖北省用水效率指數(shù)大幅度增加，達(dá)到研究期內(nèi)的最大值，主要因?yàn)檫@一年的農(nóng)業(yè)用水效率有較大幅度地提高，具體原因主要是農(nóng)田灌溉畝均用水量較大幅度地下降，從2015年的430 m3減少到2016年的320 m3，這除了與湖北省節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展有關(guān)外，還可能與2016年的降水量異常豐沛有關(guān)，2016年湖北年均降雨量1 423.4 mm，顯著高于多年平均降雨量1 166 mm，為研究期內(nèi)的最大值，降水量的大幅度增加可能在一定程度上會(huì)減少灌溉用水量。從用水效率系統(tǒng)的4個(gè)緯度來(lái)看，湖北省綜合用水效率趨于穩(wěn)定，而農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水效率以及生態(tài)環(huán)境效率在波動(dòng)中總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中農(nóng)業(yè)用水效率增幅最大，工業(yè)用水效率增幅最小，說(shuō)明湖北省的節(jié)水農(nóng)業(yè)取得了一定的成效。

圖1 湖北省用水效率系統(tǒng)評(píng)估指數(shù)變化Fig.1 Changes of water use efficiency system assessment index in Hubei Province

2.2 湖北省用水效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合協(xié)調(diào)水平評(píng)價(jià)

圖2為湖北省用水效率指數(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)的時(shí)序變化。由圖2可知，2005-2016年湖北省用水效率指數(shù)存在較大地波動(dòng)，2016年達(dá)到最大值0.826 5，經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)則整體上呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，特別是2013年以來(lái)，湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，而用水則處于較為粗放的階段，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展是以沿江涉水產(chǎn)業(yè)的高耗水粗放用水為代價(jià)的。

圖2 湖北省用水效率指數(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)的時(shí)序變化Fig.2 The evaluation index changes of water use efficiency and economic development in Hubei Province

圖2還顯示，2005-2012年，湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)低于用水效率指數(shù)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相對(duì)滯后于用水效率的提高，說(shuō)明此階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的脅迫作用小，而用水效率的提高也沒(méi)有創(chuàng)造出與之相符的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；2013-2016年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速跨越式發(fā)展，湖北省用水效率指數(shù)開(kāi)始低于經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)，進(jìn)入用水效率相對(duì)滯后階段，且兩者間的差距先增大后減小，這說(shuō)明湖北省經(jīng)濟(jì)的快速跨越式發(fā)展是以相對(duì)高耗水損害水資源系統(tǒng)為代價(jià)的，而兩者間的差距在2016年開(kāi)始減小，說(shuō)明湖北省在提升用水效率方面作出了一定的努力，2016年是實(shí)施“十三五”規(guī)劃的第一年，湖北全面升級(jí)取水許可與水資源費(fèi)征收管理內(nèi)容，進(jìn)一步規(guī)范取用水行為，并且根據(jù)水利部等9部委《關(guān)于印發(fā)“十三五”實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核工作實(shí)施方案的通知》要求，湖北省也實(shí)行了最新的最嚴(yán)格水資源管理制度考核內(nèi)容，促進(jìn)了湖北省各地區(qū)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和提高水資源的利用效率。圖3為湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調(diào)度變化趨勢(shì)。由圖3可知，2005-2016年間，湖北省用水效率—經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合度在0.48～0.5之間波動(dòng)，耦合水平處于拮抗階段，用水效率提升的速度或超過(guò)或落后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，湖北省的水資源利用方式較為粗放。耦合度接近拐點(diǎn)值0.5也說(shuō)明系統(tǒng)的耦合水平正向磨合階段過(guò)渡。

圖3 湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調(diào)度變化趨勢(shì)Fig.3 The change trend of the coupling degree and coupling coordination degree of water use efficiency-economic development system in Hubei Provinc

圖3也顯示，湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度不斷上升，但耦合協(xié)調(diào)程度總體上較低，最高僅達(dá)到初級(jí)協(xié)調(diào)類型(2016年)：2005-2010年，耦合協(xié)調(diào)度由0.263 2增加到0.481 7，耦合協(xié)調(diào)階段從中度失調(diào)、低度失調(diào)發(fā)展為瀕臨失調(diào)，耦合協(xié)調(diào)水平不斷提高，耦合協(xié)調(diào)類型從失調(diào)衰退類發(fā)展到過(guò)渡類型；2011-2016年，耦合協(xié)調(diào)度由0.520 8提高到0.651 8，耦合協(xié)調(diào)階段從勉強(qiáng)耦合協(xié)調(diào)變?yōu)槌跫?jí)耦合協(xié)調(diào)，處于低度協(xié)調(diào)水平。湖北省用水效率—經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平雖然呈不斷上升的趨勢(shì)，但在 2016 年度也僅達(dá)到初級(jí)耦合協(xié)調(diào)，仍然處于低度協(xié)調(diào)類，這說(shuō)明隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，湖北省用水效率相對(duì)較低，水環(huán)境壓力將不斷增加，水資源瓶頸問(wèn)題將日益凸顯，因此若要實(shí)現(xiàn)用水效率—經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，確保水資源與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，湖北省應(yīng)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)加快推動(dòng)水資源的高效利用，鑒于工業(yè)用水的持續(xù)上升，在繼續(xù)抓好農(nóng)業(yè)這一用水大戶的節(jié)水工程建設(shè)及節(jié)水技術(shù)推廣的同時(shí)，應(yīng)依托經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，加快推進(jìn)工業(yè)節(jié)水技術(shù)改造，大力推廣工業(yè)節(jié)水新工藝和新設(shè)備，并加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化，大力發(fā)展循環(huán)綠色經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)水資源的高效循環(huán)利用。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)湖北省用水效率水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平進(jìn)行系統(tǒng)綜合地評(píng)價(jià)，然后基于耦合度和耦合協(xié)調(diào)度模型，對(duì)2005—2016年湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合度和耦合協(xié)調(diào)水平開(kāi)展實(shí)證評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

(1)2005-2016年湖北省用水效率水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平總體上都呈上升趨勢(shì)。其中，湖北省用水效率在波動(dòng)中呈總體上升的趨勢(shì)，水資源利用較為粗放，經(jīng)濟(jì)則呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢(shì)，并且2013年以來(lái)，湖北省用水效率綜合評(píng)價(jià)值一直低于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展是以相對(duì)地高耗水粗放用水為代價(jià)的。

(2)2005-2016年湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度一直接近拐點(diǎn)值0.5，處于拮抗階段，并向磨合階段過(guò)渡。耦合協(xié)調(diào)度不斷上升，但耦合協(xié)調(diào)程度總體上較低，2016年也僅達(dá)到初級(jí)協(xié)調(diào)，處于向協(xié)調(diào)發(fā)展類過(guò)渡的階段。

(3)隨著湖北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，需水量不斷增大，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水資源利用率的相對(duì)較低在一定程度上將增加水資源供給壓力。為了避免因水資源短缺而制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況，實(shí)現(xiàn)水資源利用與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)質(zhì)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展，湖北省在提高水資源利用效率以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型方面還需要做出更多的努力。文中未開(kāi)展湖北省不同地區(qū)用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平評(píng)價(jià)，在接下來(lái)的工作中將重點(diǎn)開(kāi)展湖北省用水效率-經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平的區(qū)域差異研究，為湖北省因地制宜地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。