黃河下游水資源利用與高質量發展關聯評估

劉建華，黃亮朝

(1.鄭州大學管理工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學黃河生態保護與區域協調發展研究院，河南 鄭州 450001)

2019年9月18日，習近平總書記在河南考察期間主持召開了黃河流域生態保護和高質量發展座談會，提出了黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略[1]。2020年1月3日，習近平總書記召開中央財經委員會第六次會議再次強調黃河流域生態保護和高質量發展需量水而行、節水為重，以水定地、以水定產，倒逼產業結構調整，建設現代產業體系[2]。目前，黃河流域大多數地區處在干旱半干旱狀態，而黃河下游地區水少沙多、人口密集，生活用水、農業用水主要依賴黃河，用水矛盾更是突出。截至2017年底，黃河下游沿線城市水資源總量僅有169.02億m3，而灘區貧困人口達179.04萬人。水資源為經濟高質量發展提供支撐，但水資源短缺、人口密度大、脫貧任務艱巨又制約著黃河下游經濟發展。因此，探究黃河下游水資源利用與經濟高質量發展之間的關聯程度，有助于實現黃河下游區域協調發展、鞏固脫貧攻堅成果、實施鄉村振興、維護民族團結，繼而實現中華民族偉大復興。

國內外學者對水資源與經濟高質量發展的協同作用進行了不同程度的研究。Li等[3-4]探究了水資源、人口承載力與經濟發展之間的關系；馬海良等[5]評價了各省水資源利用公平性，協調經濟發展與水資源利用之間的關系；張吉輝等[6-8]對水資源與經濟發展要素進行時空匹配分析；劉晶等[9]分析中國20年來水資源變化狀況，找出其制約經濟發展的因素；吳業鵬等[10-11]通過構建指標體系對水資源與經濟協調性進行定量分析。對于黃河流域高質量發展與生態保護方面的研究，相對集中在經濟學內涵[12]、戰略支撐體系[13]、創新驅動[14]、中心城市[15]、統籌協調[16]、綜合治理[17]、經濟軸帶建設[18]等方面，而現有的黃河流域水資源如何促進經濟高質量發展的研究，大都集中在水權的分配模式[19-20]、水資源承載力[21-22]、水資源管理制度[23]、水資源再生[24]、水資源調動、節約及泥沙治理[25-28]、城市化水平測度[29]、協調推進策略[30]等方面，鮮有針對黃河流域水資源與高質量發展協調性、關聯性的定量研究。

在深入理解習近平總書記提出的“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水方針及在中央財經委員會第六次會議講話的基礎之上，本文選取黃河下游各地市為研究區域，結合黃河下游發展狀況，構建了黃河下游高質量發展評價體系；通過熵值法-主成分分析法確定指標權重，計算黃河下游整體及各地市高質量發展水平，定量分析黃河下游高質量發展狀況；依據Copulas函數測算黃河下游整體高質量發展水平與用水總量之間的關系，根據Eviews全樣本回歸測算黃河下游整體高質量發展水平和農業用水量、工業用水量、生活環境用水量之間的關聯程度，通過灰色關聯度模型測算黃河下游各地市高質量發展水平與用水總量及各類用水量之間的關聯度；最后依據測算結果，從水資源管理利用的角度提出促進黃河下游高質量發展的建議。

1 研究區域選取與研究方法

1.1 研究區域選取與數據來源

從地域上來說，黃河下游從鄭州市桃花峪開始劃分，但考慮到促進河南省發展的需要，將黃河中游河南省區域的三門峽、洛陽、濟源3市也列入研究范圍。因此，本文研究區域為黃河下游河南、山東兩省共17個城市，分別為三門峽、濟源、洛陽、焦作、新鄉、鄭州、開封、濮陽、菏澤、濟寧、聊城、泰安、濟南、德州、淄博、濱州、東營，如圖1所示。將黃河下游劃分為17個分區，對其2010—2017年的水資源利用與高質量發展關聯程度進行定量評估。各指標數據主要來源于2011—2018年《河南省統計年鑒》《河南省水資源公報》《山東省統計年鑒》《山東省水資源公報》《中國城市統計年鑒》、各城市統計年鑒和水資源公報、水資源規劃及各城市統計局、環境保護局相關單位的資料。部分缺失年份的數據采用相鄰年份均值或插值法填充。

圖1 研究區域Fig.1 Study area

1.2 研究方法

a. Copulas函數。Copulas函數目前被較多地應用于水文水資源領域的研究。在眾多Copulas函數中阿基米德型Copulas函數應用最為廣泛[31]，其中的Frank-Copulas函數結構簡單，可以描述相關對稱結構且對相關性的程度沒有限制[32]。因此本研究選擇Frank-Copulas函數作為連接函數，以構建高質量發展與水資源利用的聯合分布與概率分布，其聯合分布函數及概率密度分布函數為

H(x,y)=C[F(x),G(y)]x,y∈R

(1)

(θ∈(-∞,∞){0})

(2)

(θ∈(-∞,∞){0})

(3)

式中：x、y為構造Copulas函數的隨機變量；F(x)、G(y)分別為x、y的邊緣分布函數；H(x,y)為x的邊緣分布和y的邊緣分布構造出的Copulas函數；θ為二維Copulas函數的參數；u、v為具體的變量，在本文中分別代表高質量發展和用水總量；CFr(u,v;θ)為該二維Copulas函數的聯合分布函數；cFr(u,v;θ)為該二維Copulas函數的密度函數。

b. 灰色關聯度模型。灰色關聯度模型利用變量之間的相似或相異程度，衡量被解釋變量與解釋變量之間的關聯程度[33]。計算時，首先確定參考數列，本研究參考數列為黃河下游各地市高質量發展水平；其次對變量進行標準化處理；最后按照式(4)(5)計算各城市的關聯度系數及其2010—2017年的平均值。

(4)

(5)

式中：k為時間；i為城市；x0k為被解釋變量；xik為各解釋變量；ζik為各年份各地區的關聯度系數；ρ為分辨系數，本研究中取0.5；N為年份跨度，本文取8；Ri為2010—2017年各地區關聯度平均值。

2 黃河下游高質量發展測算

2.1 黃河下游高質量發展指標體系構建

高質量發展涉及發展速度和質量、生態環境保護、創新驅動力、對外開放、改善民生等多方面因素，因此需要構建一個全面、多元化、高信度的指標體系。本文在其他學者研究的基礎上，綜合考慮黃河下游水資源缺乏、環境污染嚴重、創新水平低、脫貧攻堅任務重、開放程度低、發展質量有待提高等發展狀況，遵循客觀性、科學性、全面性、可操作性、實際性、可比性等原則，從經濟發展、開放合作、創新驅動、社會民生、生態環境5個維度構建了黃河下游高質量發展評價指標體系：①高質量發展不僅要體現發展速度，更要體現發展質量。黃河下游是我國重要的經濟地帶及糧食能源產地，大力發展第三產業，尤其是高端服務業，可以促進經濟結構優化及經濟結構穩定。以人均GDP反映經濟發展程度、人均固定資產投資額反映經濟發展動力、人均財政收入反映政府干預程度、第三產業貢獻率反映經濟結構、經濟波動率反映經濟穩定性。②黃河下游對外開放程度較低，只有積極融入“一帶一路”，發揮鄭歐班列和東部沿海港口優勢，提高對外開放水平，才能激發市場活力，促進黃河下游高質量發展。以對外貿易依存度反映當地對國際市場的依賴程度，外商直接投資依存度反映國民經濟依賴于外商直接投資的程度，人均貿易差額則用來反映地區對外貿易收支情況。③創新是實現高質量發展的第一動力。創新驅動包括創新投入和創新產出，創新投入的增加有助于黃河下游各城市提升自主創新能力，創新產出及成果轉化反向促進經濟的發展。以研發強度和萬人從業人員中R&D人員數衡量創新投入水平；創新產出水平則用萬人發明專利授權量來衡量。④黃河下游貧困人口較多，是打贏脫貧攻堅戰的重要區域。積極促進社會公平，對維護社會穩定和經濟高質量發展有重要意義。城鎮化率用于衡量社會人口結構；每萬人擁有在校大學生用于衡量社會人口素質；恩格爾系數指食品消費支出占總支出的比例，用來衡量一個國家或者一個地區的生活質量；城鎮居民登記失業率用于反映生活條件。⑤黃河下游是我國重要的生態屏障，水資源缺乏和環境污染制約經濟高質量發展。以萬元GDP能耗、萬元工業增加值二氧化硫排放量來衡量黃河下游環境污染情況；城市建成區綠化覆蓋率、城市污水處理率衡量生態環境治理狀況。具體評價指標體系如表1所示。對于指標的方向性，需同時考慮研究區域的實際情況及指標的特性。城鎮化率、對外貿易依存度、外商直接投資依存度等指標理論上應為雙向指標，但考慮到河南、山東兩省是人口大省，出口能力較弱，本文將其看作單向指標。

表1 黃河下游高質量發展評價指標體系Table 1 Evaluation index system for high-qualitydevelopment in the lower reaches of Yellow River

2.2 數據處理

由于選取的指標單位不同，需要對其進行標準化處理，考慮到利用SPSS進行標準化處理之后的權重可能為負數，本文采用極差法進行標準化處理。正向指標采用式(6)、負向指標采用式(7)進行標準化處理。

(6)

(7)

式中：Xij為第i個指標、第j個分區所對應的原始數據；Xmax、Xmin分別為對應的每項指標里的最大值和最小值；X′ij為標準化之后第i個指標、第j個分區所對應的數據。

有關經濟高質量發展評價權重的確定，在學術界已經有了很多研究。目前常見的有熵值法、層次分析法、模糊綜合評價法、變異系數法、主成分分析法、專家打分法等多種評價方法，還有學者結合多種方法進行賦權。為了更好地減小誤差，本文采用熵值法-主成分分析法來確定評價指標的權重。首先分別采用熵值法和主成分分析法來確定各個指標的權重，然后用兩種方法得出權重的算數平均值來確定最終權重，結果見表2。

表2 黃河下游高質量發展指標權重Table 2 Index weight for high-quality developmentin the lower reaches of Yellow River

2.3 測算結果

基于上述方法，測算2010—2017年黃河下游17個城市高質量發展水平，得到黃河下游整體高質量發展水平2010—2017年各年平均值分別為0.219、0.253、0.279、0.299、0.313、0.337、0.353、0.367。可以看出，2010—2017年高質量發展水平整體呈現上升趨勢，上升幅度穩定，從2010年的0.219增加到2017年的0.367。但整體來說高質量發展水平不高，這與黃河下游灘區人口密度大、水資源缺乏、貧困和相對貧困人口多的實際情況是比較符合的。利用2011年、2013年、2015年、2017年各城市高質量發展水平數據，按照2017年高質量發展水平降序排列，作雷達圖展示黃河各個地級市的高質量發展水平狀況，如圖2所示。從圖2可以看出，各城市高質量發展水平差異較為明顯，鄭州、濟南高質量發展水平處在前兩名，遠遠領先于其他城市。17個城市2010—2017年高質量發展平均得分為0.302，其中鄭州、濟南、東營、淄博、洛陽、濟源、濱州7市的得分高于平均值，其余10市得分低于平均值。

圖2 黃河下游各地區高質量發展雷達圖Fig.2 High-quality development radar maps in citiesalong the lower reaches of Yellow River

3 水資源利用與高質量發展關聯評估

a. 黃河下游總體分析。采用Copulas函數，黃河下游2010—2017年的平均高質量發展水平和平均用水總量作為隨機變量x和y，利用Matlab做出Frank-Copulas函數概率密度函數圖及聯合分布函數圖，如圖3所示。由圖3可以看出，在所構造的聯合分布中，經檢驗知p值為0.052，二者具有顯著的相關性；且其密度函數上下尾呈對稱結構，表明該聯合分布能夠敏感地識別出高質量發展和用水總量的改變，并能對特征變量的改變迅速作出反應；運用高質量發展和用水總量的聯合分布計算其Kendall秩相關系數為0.56，Spearman秩相關系數為0.73，兩種檢驗系數均大于0.5，這表明高質量發展和用水總量之間存在相關性的結論是成立的。因此，黃河下游用水總量能對高質量發展的變化產生即刻反應，高質量的發展必然會引起用水總量的增加，二者具有較強的相關關系。

為進一步探究黃河下游高質量發展水平與水資源利用間的關聯程度，采用Eviews全樣本回歸方法，依據式(8)～(11)分別對黃河下游高質量發展水平與農業用水量、工業用水量、生活環境用水量進行空間計量多元回歸分析，全樣本回歸結果見式(12)～(15)。

(a) 概率密度函數

(b) 聯合分布函數圖3 用水總量與高質量發展概率密度函數與聯合分布函數Fig.3 Total water usage and high-quality developmentdensity function graph and distribution function graph

lnHit1=εit+β1lnAit+β2lnIit+β3lnDit

(8)

(9)

(10)

(11)

lnHit5=0.33-0.23lnAit-0.19lnIit+0.58lnDit

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：Hitj為被解釋變量j高質量發展水平；i為各城市;t為年份；Ait、Iit、Dit分別為農業用水量、工業用水量、生活環境用水量；εit為常數項。

由式(12)可以看出，黃河下游總體農業用水量、工業用水量對高質量發展水平具有負向影響，生活環境用水量對高質量發展水平具有相對較高的正向影響。由式(13)～(15)可以證實，隨著農業用水量或工業用水量增加，會降低生活環境用水量對高質量發展的影響程度，其自身影響程度并未好轉；而生活環境用水量的增加會顯著地增大其自身對高質量發展水平的正向影響程度，但同時也會使農業用水量、工業用水量的負向影響程度略有提高。分析具體數據可知，2010—2017年，黃河下游地區用水總量下降了3.7億m3，其中農業用水量下降了 17.4億m3，工業用水量下降了2.5億m3，生活環境用水量上升了16.3億m3。近年來雖然黃河下游農業用水量、工業用水量減少，但是糧食產量增加了 1 855.9萬t、工業產值增加了8 867.87億元，說明農業灌溉用水效率、工業生產用水效率均得到提高。但2010—2017年城鎮化率提升了17.06%，平均人口自然增長率增加了2.04%，常住人口增加了312.2萬人，同時降水量減少175億m3，導致生活環境用水的持續增加。

b. 黃河下游各城市分析。由于年份跨度較短，大部分城市利用Eviews變系數模型回歸結果不顯著，因此本文利用灰色關聯度模型對各地市農業、工業、生活環境的用水量與高質量發展水平的關聯度進行測算。依然按照2017年高質量發展水平降序排列，結果見表3。灰色關聯度越大，兩者相關關系越強，本文將大于0.65的數值定義為強關聯。從表3可以看出，各地市用水總量與高質量發展之間的關聯程度大小與該城市高質量發展水平趨勢基本一致，充分說明了城市高質量發展水平越高，與用水量之間的關系越密切。

表3 黃河下游各城市高質量發展與各用水量的關聯度Table 3 Correlation between high-quality developmentand water consumption in cities along the lowerreaches of Yellow River

黃河下游是我國重要的糧食生產區，除鄭州、洛陽、三門峽3個城市外，其余城市的農業用水量都顯著高于工業用水量和生活環境用水量。大多數城市農業用水量與高質量發展水平關聯程度低，一方面說明了黃河下游大部分地區第一產業占比偏大，另一方面反映了這些城市隨著高質量發展，農業灌溉節水效率在逐漸提高，致使農業用水量隨著高質量發展水平的提高而逐漸降低。工業用水量與高質量發展水平之間僅有5座城市不具有強關聯，生活環境用水量與高質量發展水平之間僅有3座城市不具有強關聯，可以看出大多數城市的工業與生活環境的用水量和該城市的高質量發展水平的方向、大小、速度一致性相對較高，特別是高質量發展水平較為落后的幾座城市，工業、生活環境的用水量與高質量發展的關聯度極高，而農業用水量與高質量發展關聯度極低。一方面說明了這些城市第一產業占比較高，在高質量發展過程中缺乏對工業及生活環境用水效率的關注及提升，另一方面也證實了工業和生活環境的發展與改善能促進城市高質量發展。因而加快工業化進程、促進產業轉型升級，加強環境保護、提升城鎮化率是發展方向。

4 結論與建議

4.1 結 論

a. 黃河下游2010—2017年高質量發展水平整體呈現穩定上升趨勢，但各個地市高質量發展水平差異較為明顯。

b. 黃河下游用水總量與高質量發展水平之間具有較強的相關關系。用水總量能對高質量發展的變化產生即刻反應，高質量發展必然會引起用水總量的增加；黃河下游農業用水量、工業用水量若持續增大，會對整體高質量發展產生負面影響，城市生活用水與生態用水的增加有助于實現高質量發展；黃河下游整體上工業用水量、生活環境用水量與高質量發展的關聯度略高于總用水量、農業用水量與高質量發展的關聯度。

c. 黃河下游高質量發展水平越高的城市，用水總量與高質量發展之間的關聯程度越強；各地市高質量發展與各類用水量的關聯程度有明顯分化，具體為高質量發展水平較低的城市注重農業發展，高質量發展水平較高的城市注重工業及生活環境的發展。

4.2 建 議

a. 黃河下游農業用水量最大，應大力發展現代農業、節水農業，加快農田水利設施建設，促進農業結構調整，進行有效節水灌溉。工業用水和生活環境用水對高質量發展促進作用明顯，因此，應加快傳統產業綠色智能化轉型，逐步建立黃河下游現代產業體系。堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，把水資源作為最大的剛性約束，合理規劃人口、城市和產業發展。

b. 以鄭州、濟南為中心城市打造節水型城市引領高地，以生態保護優先，推進節約用水，促進跨河發展。各市在加強水資源管理與利用、工農業發展、基礎設施等方面合作的基礎上，貫徹“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水方針，根據各自高質量發展與各類用水量關聯程度，制定合適的調整方案，縮小各地發展差距。

c. 完善落實水資源管理及考核制度，全面實行河長制，保護黃河水的可持續利用。統籌規劃，合理進行水資源供給，全面抑制不合理用水需求。同時，根據不同地區的水資源狀況，因地制宜，制定合理的經濟社會發展方案，減少水污染；促進水資源循環利用，強化節水意識，走生態優先、綠色發展之路。