西北地區(qū)水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合關(guān)系的實(shí)證分析

王永良， 張維江

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

1 研究背景

水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的動態(tài)耦合機(jī)理，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展增加了水資源的供給壓力，水環(huán)境質(zhì)量的不斷下降，對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生約束作用，反映在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相應(yīng)指標(biāo)上，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來較大的影響。水資源的過度開發(fā)利用和水環(huán)境質(zhì)量的下降加劇了水資源短缺的狀況，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展[1]。目前，已有學(xué)者從不同的角度和切入點(diǎn)就經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水環(huán)境污染[2]、水環(huán)境質(zhì)量[3]、水環(huán)境承載力[4]的影響機(jī)制，水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)增長[5-6]、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[7]、經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8-11]之間的協(xié)調(diào)性開展了大量的研究，水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系成為研究中的熱點(diǎn)。王潔方等[12]構(gòu)建了水環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度發(fā)展模型，通過分析認(rèn)為黃河流域水環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度整體較低但呈上升趨勢；金鳳君等[13]基于流域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，分析了產(chǎn)業(yè)發(fā)展對資源環(huán)境的脅迫特征，提出了區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)化的建議；鄭欣等[14]構(gòu)建了資源環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)的評價指標(biāo)體系，分析認(rèn)為鄂爾多斯市資源環(huán)境承載力呈上升趨勢；常玉苗[15]通過構(gòu)建水資源環(huán)境與城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模型，驗(yàn)證了水資源環(huán)境與城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)度模型的合理性。聶曉等[16]通過耦合協(xié)調(diào)度模型分析了湖北省水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合協(xié)調(diào)度水平，結(jié)果表明二者耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)階段性增長趨勢；劉藝等[17]利用環(huán)境庫茲涅茨曲線與耦合關(guān)聯(lián)度模型，對濟(jì)南市水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的探討，并且引入彈性預(yù)測的的方法預(yù)測了二者之間的發(fā)展前景；邢霞等[18]、喻笑勇等[19]、曹睿喆[20]基于耦合協(xié)調(diào)度模型，分別在流域、省域、城市群等不同空間尺度上定量評價了水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系。

目前在對水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行研究時，對指標(biāo)的選取比較單一，且整體評價不盡全面合理?；诖?，本文結(jié)合西北地區(qū)水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平現(xiàn)狀，考慮從資源條件、環(huán)境壓力、經(jīng)濟(jì)水平、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)規(guī)模5個體系共選取13個指標(biāo)，在熵值法的基礎(chǔ)上，采用耦合協(xié)調(diào)度模型的方法，研究分析了水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合作用機(jī)理，揭示了水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響因素，為提升水環(huán)境質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

西北地區(qū)地處我國西北內(nèi)陸，是黃河中上游和黃土高原西部生態(tài)安全屏障的重要支撐。包括陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆5個省(自治區(qū))，總面積320×104km2，約占全國總面積的30%。氣候以溫帶大陸性氣候和高寒氣候?yàn)橹鳎邓∩?、氣候干旱、生態(tài)脆弱、光照充足，河流和湖泊總體較少，多為內(nèi)流河湖，年降水量從東部的約400 mm向西逐漸遞減。區(qū)域水資源時空分布不均，受氣候變化和人類活動的影響，水環(huán)境問題突出，成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。本文研究選擇我國西北5省(自治區(qū))為研究對象，其區(qū)域背景、氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均存在較大的差異，對于對比分析西北地區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合作用機(jī)理具有典型意義。

2.2 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來源

以西北地區(qū)5個省(自治區(qū))為例，根據(jù)研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的實(shí)際現(xiàn)狀，以經(jīng)濟(jì)水平、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，考慮資源條件和環(huán)境壓力等方面的因素，選取了表1中所示的5個體系共13組指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)度分析。相關(guān)數(shù)據(jù)分別來自于2019年《中國水資源公報》和2020年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》。

表1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境系統(tǒng)耦合關(guān)系評價指標(biāo)體系

2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。采用線性函數(shù)歸一化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的等比縮放，歸一化公式如下：

(1)

(2)系統(tǒng)發(fā)展模型。為反映水環(huán)境系統(tǒng)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，采用發(fā)展度函數(shù)[21]的計(jì)算公式：

T=λf(x)αg(y)1-α

(2)

式中：T為發(fā)展度；f(x)、g(y)分別為水環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)歸一化后的綜合指數(shù)；λ為外生變量；α、1-α體現(xiàn)了水環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)在總系統(tǒng)中的重要性程度。

(3)系統(tǒng)協(xié)調(diào)模型。偏離系數(shù)CV用來刻畫變量之間的偏離程度，希望f(x)與g(y)的離差越小越好。偏離系數(shù)CV及協(xié)調(diào)度C的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(4)系統(tǒng)耦合模型。協(xié)調(diào)度C可以反映出水環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的偏離程度，但難以反映兩者整體功能和效益大小，因此引用耦合度D作為度量水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高低的定量指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

(5)

根據(jù)協(xié)調(diào)度C和耦合度D的值，采用分值法將其劃分為10個等級[22]，如表2所示。

表2 協(xié)調(diào)度及耦合度的等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)2019年西北地區(qū)5個省(自治區(qū))水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)資料，采用公式(1)對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，針對歸一化后的水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的指標(biāo)集，運(yùn)用熵值法和綜合指數(shù)模型計(jì)算兩個系統(tǒng)的綜合評價值，具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[23]。由公式(2)～(5)計(jì)算發(fā)展度T、協(xié)調(diào)度C及耦合度D的值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果按照表2對各省(自治區(qū))經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合度進(jìn)行等級劃分，見表3。需要注意的是，采用公式(2)計(jì)算發(fā)展度T時，由于水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地位同等重要，故取α=0.5，λ=1。

表3 2019年西北地區(qū)5省(自治區(qū))經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合度計(jì)算結(jié)果及等級

3.2 水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)分析

采用基于熵值法的綜合指數(shù)模型，測算了我國西北5個省(自治區(qū))2019年水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)的綜合評價值。根據(jù)表3繪制西北地區(qū)水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合結(jié)果，見圖1。

由圖1可以看出，西北地區(qū)5個省(自治區(qū))水環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在明顯的兩極分化，這是由于各地區(qū)受地理位置、自然條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，在追求經(jīng)濟(jì)增長的同時，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的關(guān)系還處于探索階段。從水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)值f(x)來看，新疆維吾爾族自治區(qū)的水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)值最高，達(dá)到了0.777，這可能與該地區(qū)水資源條件和水環(huán)境壓力有關(guān)，2019年該地區(qū)的地表水和地下水資源量分別為829.7×108、508.5×108m3，人均綜合用水量占比較大，這是導(dǎo)致f(x)值較大的主要原因；從經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)值g(y)來看，西北5省(自治區(qū))排名由大到小依次為新疆自治區(qū)、寧夏自治區(qū)、甘肅省、青海省和陜西省(以下簡稱新疆、寧夏、甘肅、青海、陜西)。2019年陜西萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量相對偏低，導(dǎo)致能源消耗較少，區(qū)域發(fā)展水平較低。

圖1 2019年西北地區(qū)5省(自治區(qū))水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合結(jié)果

從水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)來看，西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)值低于水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)值，這是導(dǎo)致水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合關(guān)系處于中低耦合水平的主要原因。表明西北地區(qū)沒有根據(jù)實(shí)際在水資源供給、水環(huán)境保護(hù)方面實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式有待進(jìn)一步優(yōu)化。雖然計(jì)算得出了水環(huán)境系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)值，但對二者的動態(tài)演進(jìn)關(guān)系并不明晰。當(dāng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展優(yōu)于水環(huán)境系統(tǒng)時，就會出現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量下降、水資源供應(yīng)不足，資源環(huán)境系統(tǒng)對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的約束作用也愈加明顯，主要表現(xiàn)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是以消耗資源環(huán)境為代價的發(fā)展?fàn)顟B(tài)；當(dāng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展劣于水環(huán)境系統(tǒng)時，主要表現(xiàn)為環(huán)境資源的消耗對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展沒有實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，二者處于一種盲目的消極狀態(tài)。當(dāng)資源環(huán)境與區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展處于協(xié)調(diào)狀態(tài)時，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可促進(jìn)資源環(huán)境的節(jié)約和保護(hù)，同時優(yōu)質(zhì)的資源環(huán)境也能為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供充足的資源保障。

3.3 水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合分析

(1)協(xié)調(diào)度分析。由表3中計(jì)算結(jié)果可知，2019年西北地區(qū)5個省(自治區(qū))的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)協(xié)調(diào)度C值均在0～0.7之間，表明西北5省(自治區(qū))的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于失調(diào)狀態(tài)，其系統(tǒng)發(fā)展為極度失調(diào)、嚴(yán)重失調(diào)、中度失調(diào)、輕度失調(diào)和初級耦合5種狀態(tài)。由各省(自治區(qū))的協(xié)調(diào)度計(jì)算值來看，寧夏處于初級耦合階段，協(xié)調(diào)度在0.60～0.69之間，說明該地區(qū)水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相互協(xié)調(diào)，二者發(fā)展程度差別不大，存在共生現(xiàn)象。陜西、青海、新疆、甘肅4省(自治區(qū))則處于失調(diào)狀態(tài)，雖然受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，但該地區(qū)水環(huán)境狀況發(fā)展較好，具有地表水和地下水資源量相對豐富、人均綜合用水量和灌溉畝均用水量較低、生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量較高等特點(diǎn)，優(yōu)化了水環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r。青海灌溉畝均用水量較高，灌溉水有效利用系數(shù)、生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量相對較低，這在很大程度上阻滯了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平，協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出嚴(yán)重失調(diào)的狀態(tài)，仍具有較大的提升潛力和發(fā)展空間。

(2)耦合度分析。由表3中計(jì)算結(jié)果可知，2019年西北地區(qū)5個省份的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度D值均在0～0.3之間，表明西北5省(自治區(qū))水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合度狀態(tài)處于極度失調(diào)衰退、嚴(yán)重失調(diào)衰退和中度失調(diào)衰退3個階段。結(jié)合西北5省(自治區(qū))水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平現(xiàn)狀，表3中的計(jì)算結(jié)果基本可以反映該地區(qū)的實(shí)際情況。寧夏、新疆水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)值總體較高，水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平排名均靠前，良好的資源環(huán)境條件為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了充足的保障，同時區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也推動了對資源環(huán)境的節(jié)約與保護(hù)，二者促進(jìn)了水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良性互動，呈現(xiàn)出中度失調(diào)衰退狀態(tài)；甘肅、青海水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度數(shù)值均處在0.1～0.2之間，表現(xiàn)為嚴(yán)重失調(diào)衰退階段，且人均綜合用水量、灌溉畝均用水量、萬元GDP用水量均處于西北5省(自治區(qū))的中間水平，但青海生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量相對偏小，導(dǎo)致水環(huán)境狀態(tài)評估值耦合程度較低；陜西耦合度值僅為0.008，處于極度失調(diào)衰退階段，這是因?yàn)殛兾魉h(huán)境狀況評估與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均處于較低的水平，主要表現(xiàn)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展受資源條件和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，環(huán)境資源的消耗對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展沒有實(shí)現(xiàn)資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化配置，故而表現(xiàn)為一種消極的狀態(tài)。

4 結(jié)論與討論

(1)從水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)來看，西北地區(qū)水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在明顯的兩極分化，經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)整體低于水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的關(guān)系還處于探索階段。從水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)值來看，西北5省(自治區(qū))水環(huán)境綜合指數(shù)差異明顯，新疆水環(huán)境系統(tǒng)綜合指數(shù)值最高，其他省份仍具有較大的潛力和提升空間；從經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)值來看，由于受地理位置、自然條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，各省(自治區(qū))經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)空間分布也有較大不同，青海、陜西受資源環(huán)境的限制，經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合指數(shù)相對較低，資源環(huán)境的缺乏阻礙了經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，在提升水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的同時，理應(yīng)根據(jù)實(shí)際在資源供給、水環(huán)境保護(hù)方面實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，進(jìn)一步優(yōu)化水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

(2)西北5省(自治區(qū))水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度整體水平較低，除寧夏處于初級耦合狀態(tài)外，其他省(自治區(qū))均處于不同程度的失調(diào)狀態(tài)。說明寧夏水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相互協(xié)調(diào)，二者發(fā)展程度差別不大，存在共生現(xiàn)象。陜西、青海、新疆、甘肅4省(自治區(qū))處于失調(diào)狀態(tài)，雖然這些地區(qū)水環(huán)境狀況發(fā)展較好，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異降低了二者的協(xié)調(diào)度水平，這是導(dǎo)致水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度處于中低度失調(diào)的主要原因，這些地區(qū)應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際，因地制宜采取針對措施解決這種失調(diào)狀態(tài)，提升二者的協(xié)調(diào)度水平。

(3)西北5省(自治區(qū))的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合度處于極度失調(diào)衰退、嚴(yán)重失調(diào)衰退和中度失調(diào)衰退3個階段，仍具有較大的提升潛力和發(fā)展空間。其中，寧夏、新疆的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)綜合指數(shù)值相對較高，水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均排名靠前，二者促進(jìn)了水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良性互動；甘肅和青海的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)耦合度表現(xiàn)為嚴(yán)重失調(diào)衰退狀態(tài)，其中青海的生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量相對偏小，導(dǎo)致水環(huán)境狀態(tài)評估值耦合程度較低；陜西水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均處于較低的水平，主要表現(xiàn)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展受資源條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，環(huán)境資源的消耗對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展沒有實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境的合理配置，故而表現(xiàn)為一種消極的狀態(tài)。

此外，各省(自治區(qū))應(yīng)根據(jù)自身的實(shí)際狀況，采取有針對性的措施提升水環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合水平。例如，對于水環(huán)境狀況評估值較高的省(自治區(qū))，由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)水平的影響導(dǎo)致耦合度相對較差，這類地區(qū)應(yīng)該從優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平入手，進(jìn)而改善水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)程度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。