水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展耦合效應(yīng)分析
——以洛川縣為例

夏 偉， 周維博， 李文溢， 何慶龍

( 1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

我國(guó)人多水少、水資源時(shí)空分布不均的基本國(guó)情使得水資源越來(lái)越成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，這就決定了我國(guó)必須提高水資源效益，加大對(duì)城鄉(xiāng)水資源的管理和保護(hù)[1]。水資源效益是指單位水資源投入與消耗在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與環(huán)境等方面所實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)產(chǎn)出，是衡量水資源利用合理性和可持續(xù)性的重要指標(biāo)[2]。城鄉(xiāng)一體化是指通過(guò)城市與農(nóng)村的共同發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)繁榮與社會(huì)進(jìn)步的統(tǒng)籌規(guī)劃。城鄉(xiāng)供水一體化是城鄉(xiāng)一體化的重要組成部分，即將城鄉(xiāng)作為一個(gè)供水整體，進(jìn)行統(tǒng)一供水[3]。水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化之間存在著緊密的聯(lián)系，一方面，城鄉(xiāng)供水一體化在一定程度上提高了水資源效益；另一方面，有限的水資源效益增加又在一定程度上制約著城鄉(xiāng)供水一體化的發(fā)展進(jìn)程。因此，研究水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化的耦合變化規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

對(duì)于水資源效益方面的研究一直是研究的熱點(diǎn)[4]，學(xué)者們主要集中于提高水資源效益、構(gòu)建綜合指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型的分析研究[5-7]。對(duì)于城鄉(xiāng)供水一體化方面的研究，主要是對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)模式進(jìn)行探索研究[8-9]。目前，鮮有對(duì)水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化模式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析的相關(guān)研究。因此，本文以延安市洛川縣為例，對(duì)水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析。洛川縣作為國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)、世界最佳蘋(píng)果優(yōu)生區(qū)和國(guó)內(nèi)最大的綠色蘋(píng)果集中連片種植基地，水資源供需矛盾日趨突出，同時(shí)，洛川縣又作為全國(guó)第一個(gè)建立水務(wù)局的行政縣，在全國(guó)率先走上了城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展道路。本文在分析洛川縣水資源效益以及城鄉(xiāng)供水一體化的發(fā)展進(jìn)程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用脈沖響應(yīng)函數(shù)(IRF)、耦合度及耦合協(xié)調(diào)度模型等方法對(duì)兩者進(jìn)行耦合效應(yīng)分析，以期為提高水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化模式之間協(xié)調(diào)性提供理論參考。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

洛川縣為延安市下轄縣之一，位于東經(jīng)109°13′14″～109°45′47″、北緯35°26′29″～36°04′12″，地處渭北黃土高塬溝壑區(qū)，北接富縣、宜川，南與渭南市白水縣相鄰，東靠黃龍山地，西與黃陵、宜君毗連。境內(nèi)東西寬約41.65 km，南北長(zhǎng)約79.32 km，面積為1 804.84 km2,屬北溫帶大陸性濕潤(rùn)易干旱季風(fēng)氣候，早晚溫差較大，年平均氣溫為9.2 ℃，年平均降水量為558.8 mm，其中，7-9月占年降水量的60%。洛川縣現(xiàn)轄鳳棲街道辦、菩堤鄉(xiāng)、交口河鎮(zhèn)等7鎮(zhèn)1鄉(xiāng)1街道辦。2015年全縣總?cè)丝跒?2.34×104，城鎮(zhèn)化率為37.66%。2015年全口徑生產(chǎn)總值完成182×108元，在陜西省縣域城鄉(xiāng)發(fā)展一體化水平評(píng)價(jià)排名中位居全省第6名。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2007-2015年《洛川統(tǒng)計(jì)年鑒》，并且以洛川縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)中相關(guān)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

2.3 研究方法

2.3.1 脈沖響應(yīng)函數(shù) 脈沖響應(yīng)函數(shù)(Impulse Response Function，IRF)是指在向量回歸(VAR)模型中，在擾動(dòng)項(xiàng)上加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差大小的沖擊，分析這種沖擊對(duì)變量當(dāng)前值和未來(lái)值的影響，是系統(tǒng)對(duì)其某一變量的一個(gè)沖擊或擾動(dòng)所做的反應(yīng)[10]。在VAR(1)模型中，脈沖響應(yīng)函數(shù)可以表示為[11]：

xt=α11xt-1+α12yt-1+ε1t,t=1,2,…,n

(1)

yt=α21xt-1+α22yt-1+ε2t,t=1,2,…,n

(2)

式中：ε1t，ε2t為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)；α11，α12，α21，α22為參數(shù)。

2.3.2 熵值法 本文采用比較客觀(guān)的熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，其主要思想是根據(jù)各指標(biāo)傳遞給決策者信息量的大小來(lái)決定指標(biāo)權(quán)重[12]。系統(tǒng)信息熵越大，表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越均衡，差異越小，其權(quán)重越小；反之，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越不均衡，差異越大，其權(quán)重越大。其具體步驟如下：

計(jì)算第i個(gè)年份第j個(gè)指標(biāo)的比重：

(3)

計(jì)算指標(biāo)信息熵：

(4)

信息冗余度：

dj=1-ej

(5)

指標(biāo)權(quán)重：

(6)

2.3.3 功效函數(shù) 為了消除各指標(biāo)間單位的差異，采用無(wú)差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展的功效函數(shù)[13]。具體計(jì)算公式如下：

對(duì)于正貢獻(xiàn)指標(biāo)，即指標(biāo)值越大，該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)正貢獻(xiàn)越大，有：

μij=(xij-βij)/(αij-βij)

(7)

對(duì)于負(fù)貢獻(xiàn)指標(biāo)，即指標(biāo)值越大，該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)負(fù)貢獻(xiàn)越大，有：

μij=(αij-xij)/(αij-βij)

(8)

式中：μij為xij標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值；xij為第i個(gè)年份第j個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；αij，βij分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

2.3.4 耦合度與耦合協(xié)調(diào)度模型 耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)各種相互作用而彼此影響以至協(xié)同的現(xiàn)象。耦合度是描述系統(tǒng)或要素相互作用影響的程度。本文的耦合度用于分析水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，耦合度越高，二者之間關(guān)系越緊密，相互作用影響程度越大。具體耦合度模型如下[14]：

(9)

式中：E1為水資源效益系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；E2為城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；C為兩個(gè)系統(tǒng)的耦合度，C∈[0,1]，C越大，表明系統(tǒng)耦合程度越好，當(dāng)C=0時(shí)，表明系統(tǒng)內(nèi)各要素之間處于無(wú)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)將向無(wú)序發(fā)展，當(dāng)C=1時(shí)，表明系統(tǒng)內(nèi)各要素之間達(dá)到良性共振耦合，系統(tǒng)將趨向有序狀態(tài)演變。

由于耦合度模型只能反映兩者之間的相關(guān)程度，不能很好地反映系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合發(fā)展水平或綜合效益，故若單純依靠耦合度模型進(jìn)行判別可能會(huì)產(chǎn)生誤差，也可能會(huì)造成結(jié)論與實(shí)際偏離過(guò)大。因此，需引入耦合協(xié)調(diào)度模型以評(píng)價(jià)水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度。具體耦合協(xié)調(diào)度模型如下[15]：

D=(C·T)1/2

(10)

T=αE1+βE2

(11)

式中：D為系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度；C為耦合度；T為協(xié)調(diào)度；E1為水資源效益系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；E2為城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；α，β為待定系數(shù)，由于水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)同等重要，這里α和β均取0.5。

為了更直觀(guān)地反映水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，參考相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，對(duì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行等級(jí)劃分，如表1所示。

表1 耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文根據(jù)洛川縣實(shí)際情況，結(jié)合前人相關(guān)的研究成果[16-18]，且在指標(biāo)選擇時(shí)遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、可比性和可操作性原則的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了水資源效益系統(tǒng)和城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，反映水資源效益的包括經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及生態(tài)效益3個(gè)子系統(tǒng)、9個(gè)指標(biāo)，反映城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展的包括集中供水規(guī)模與供水水平2個(gè)子系統(tǒng)、6個(gè)指標(biāo)，權(quán)重通過(guò)熵值法計(jì)算得出，如表2所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平之間的響應(yīng)分析

選取水資源效益系統(tǒng)中所占權(quán)重較大的節(jié)水灌溉面積指標(biāo)和農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水指標(biāo)來(lái)對(duì)水資源效益進(jìn)行分析。借助EViews軟件分別建立城鄉(xiāng)供水一體化水平與它們之間的VAR模型進(jìn)行脈沖響應(yīng)分析，且將2007-2015年分為9期。具體分析結(jié)果如圖1和2所示，其中，圖1(a)為節(jié)水灌溉面積對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的響應(yīng)情景，圖1(b)為農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的響應(yīng)情景；圖2(a)為城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平對(duì)節(jié)水灌溉面積的響應(yīng)情景，圖2(b)為城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平對(duì)農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水的響應(yīng)情景。

由圖1(a)可知，給城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平一個(gè)正沖擊后，在整個(gè)響應(yīng)期內(nèi)，節(jié)水灌溉面積對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平變動(dòng)的響應(yīng)值均大于0，且響應(yīng)值在第2期達(dá)到最大，之后逐漸減小，最后平穩(wěn)接近于0。這說(shuō)明，城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的提高對(duì)節(jié)水灌溉面積的增加有積極促進(jìn)作用，且在短期內(nèi)，這種積極促進(jìn)作用達(dá)到最大，之后逐漸減弱。由圖1(b)可知，給城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平一個(gè)正沖擊后，農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平變動(dòng)的響應(yīng)值在前6期內(nèi)為負(fù)值，在第7期之后變?yōu)檎怠＿@說(shuō)明，城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平在前期對(duì)農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水具有反作用，城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平提高，農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水下降，之后城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平接近100%，農(nóng)業(yè)還在不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水會(huì)有所上升。

由圖2(a)可知，給節(jié)水灌溉面積一個(gè)正沖擊后，其響應(yīng)效果與圖1(a)相同，即節(jié)水灌溉面積的增加對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的提高有積極促進(jìn)作用，且在短期內(nèi)，這種積極促進(jìn)作用達(dá)到最大，之后逐漸減弱。由圖2(b)可知，給農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水一個(gè)正沖擊后，其響應(yīng)效果與圖1(b)相反，即農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水的增加在前期會(huì)促進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的不斷提高，之后會(huì)對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的提高有所限制。

表2 水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)耦合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 節(jié)水灌溉面積和農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平的響應(yīng)

圖2 城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平對(duì)節(jié)水灌溉面積和農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水的響應(yīng)

4.2 水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

通過(guò)計(jì)算得出洛川縣水資源效益系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(E1)、城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(E2)、耦合度(C)、協(xié)調(diào)度(T)以及耦合協(xié)調(diào)度(D)，并進(jìn)行了等級(jí)劃分，具體結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 洛川縣水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化綜合發(fā)展水平及耦合協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分

圖3 洛川縣2007-2015年水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

從表3中可以看出，2007-2015年洛川縣水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)之間耦合度均在0.4～0.5之間。且借助SPSS軟件對(duì)2007-2015年洛川縣水資源效益系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.965，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，這說(shuō)明洛川縣水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展存在很強(qiáng)的相關(guān)性，具有一種耦合互動(dòng)的關(guān)系。

由圖3可以看出，2007-2015年洛川縣城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平穩(wěn)步提高，而水資源效益整體呈上升趨勢(shì)，僅在2014和2015年有所下降，且在2014年以前，水資源效益系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)一直大于城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，2014年以后，城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)超越水資源效益系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)。這主要由于洛川縣實(shí)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使得洛川縣2014年和2015年GDP有所下降，從而使水資源效益系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)有所減小。

4.3 水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度

結(jié)合圖3和表3可知，2007-2015年洛川縣水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)之間耦合協(xié)調(diào)度穩(wěn)步增大，總體上可分為兩個(gè)階段，第一階段為2007-2010年的失調(diào)階段，第二階段為2011-2015年的協(xié)調(diào)階段。這表明，洛川縣在2010年以前，水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展的協(xié)同效應(yīng)較弱，彼此促進(jìn)作用不強(qiáng)，之后水資源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展的協(xié)同效應(yīng)逐步增強(qiáng)，但2015年也只達(dá)到了初級(jí)協(xié)調(diào)水平，還有很大的提升空間。

5 結(jié)論與討論

(1)本文通過(guò)建立洛川縣城鄉(xiāng)供水一體化水平與節(jié)水灌溉面積和農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水的VAR模型進(jìn)行響應(yīng)分析。研究表明，城鄉(xiāng)供水一體化水平的發(fā)展對(duì)節(jié)水灌溉面積具有正向影響，對(duì)農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水具有負(fù)向影響，但隨著城鄉(xiāng)供水一體化水平的不斷提高，對(duì)農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水轉(zhuǎn)為正向影響；節(jié)水灌溉面積的增加對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化水平具有正向影響，而農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP用水的增大對(duì)城鄉(xiāng)供水一體化水平的發(fā)展前期具有正向影響，之后轉(zhuǎn)為負(fù)向影響。

(2)本文通過(guò)構(gòu)建洛川縣水資源效益系統(tǒng)和城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型，對(duì)洛川縣水資源效益系統(tǒng)與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析。分析結(jié)果表明，2007-2015年洛川縣城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展水平穩(wěn)步提高，水資源效益整體呈上升趨勢(shì)，且兩系統(tǒng)之間耦合度均處在0.4～0.5之間，耦合協(xié)調(diào)度逐年增大，從2007年的嚴(yán)重失調(diào)狀態(tài)發(fā)展到2015年的初級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)。

由于縣域單元數(shù)據(jù)獲取的局限性，本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)的代表性不夠全面，選取數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短，且未做空間差異分析，希望在進(jìn)一步研究中，能夠選取可獲取指標(biāo)更多、數(shù)據(jù)時(shí)間序列更長(zhǎng)、范圍更廣的區(qū)域?qū)λY源效益與城鄉(xiāng)供水一體化發(fā)展耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析。