基于生態位的安陽市用水結構與產業結構動態演化分析

焦士興，李青云，王安周，劉亞奇，尹義星，趙榮欽，張建偉

(1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南 洛陽 471000；3.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004； 4.南京信息工程大學水文氣象學院，江蘇 南京 210044；5.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046)

水資源是支撐區域經濟社會發展的重要物質基礎。近年來，水資源利用與經濟發展的供需矛盾日益嚴峻，水資源污染、浪費、短缺等問題已經成為制約社會經濟發展的瓶頸。合理的用水結構能夠確保區域經濟效益最大化，而產業結構的優化調整有利于水資源的合理利用與優化配置，因此加強用水結構和產業結構的互動機制研究，對于促進水資源和社會經濟的持續、穩定和協調發展具有重要意義。

國外學者對產業結構與用水結構的研究集中于相關性、協調性和調控策略等方面。Granger[1]提出了因果關系檢驗法，并用于分析產業結構和用水結構的因果關系；Reynaud[2]探討了法國用水需求量與經濟結構的關系，給出了產業結構的調整方向；Mall等[3]討論了氣候變化對印度水資源的影響，認為通過改善產業用水結構可以實現節水減排；Gallagher等[4]提出了水資源優化配置影響產業結構路徑、存在風險及規避措施。國內學者多采用線性回歸、協調控制、灰色關聯、系統仿真等模型，開展了產業結構和用水結構的耦合協調、互動演化、優化調控研究[5-10]。云逸等[5]采用回歸模型分析了北京市用水結構與產業結構的相關性；李志[6]構建了協調控制模型，計算分析了山東省用水結構和產業結構的協調度；劉珊等[7]采用集對分析方法，評價了山東省用水結構與產業結構，表明兩者呈弱協調狀態；王飛等[8]運用灰色關聯方法，分析了皖江城市帶產業結構與用水結構耦合協調度的時空差異；唐宏等[9]構建系統仿真模型，探討了烏魯木齊市產業結構與用水結構的調控策略；劉曉霞等[10]采用變量平穩性檢驗等方法，研究了山西省用水結構與產業結構關系，表明第一和第三產業與用水量存在長期均衡關系。

1917年Grinnell提出了生態位理論，之后其概念、理論和模型逐步得到發展和完善[11]。生態位測度方法具有計算過程簡潔、生態意義明確、便于分析比較等優點[12]，已廣泛應用于城市學、旅游學、生態學、資源學等領域[13-17]。郭瑞敏等[13]探討了廣東省城市用地和經濟發展的關系，表明高生態位城市用地擴張與經濟發展符合庫茨涅茲曲線特征；王兆峰[14]研究了旅游產業集群生態位的構成要素等，提出了生態位泛化、特化和優化的策略；林勇等[15]探討了不同群落的主要優勢種群的生態位，揭示了生態位隨自然恢復階段的變化規律；張俠等[16]對土地利用的經濟生態位進行了分析，并探討了建立耕地保護機制的途徑；焦士興等[17]采用生態位理論對用水結構進行了研究，認為安陽市的用水結構有待調整。但是結合生態位理論和耦合協調度模型，系統分析用水結構和產業結構的研究相對較少。為此，本文采用生態位、生態熵和耦合協調度等模型分析安陽市用水結構與產業結構的生態位及其耦合協調狀況，以期為促進水資源利用和社會經濟協調發展提供參考。

1 研究方法

1.1 用水結構與產業結構生態位模型

用水結構生態位反映區域不同類型用水的地位和作用程度[18]。用水結構生態位模型計算公式[17]為

(1)

式中：wi為i類用水生態位，0

產業結構生態位模型與用水結構生態位模型類似，產業結構生態位可參照用水結構生態位進行計算。

1.2 用水結構與產業結構生態熵模型

通過比較區域內用水結構生態位的相對變化情況，可以辨析具有相對優勢或劣勢的用水類型。用水結構生態熵模型計算公式[17]為

Qi=wi/Wi

(2)

式中：Qi為i類用水生態熵；Wi為上一級區域i類用水生態位。若Qi>1表明用水生態位大于上一級同類用水生態位，該類用水在本區域處于優勢地位，且用水量增長相對較快；若Qi<1則小于上一級，該類用水處于相對劣勢；若Qi=1為同步發展。

產業結構生態熵模型與用水結構生態熵模型類似，產業結構生態熵可參照用水結構生態熵進行計算。

1.3 用水結構與產業結構的耦合協調度模型

極差標準化法具有消除各指標間數值單位和量級差異的特點，分別采用正向標準化和負向標準化對指標層正、負向指標進行標準化處理[19]。根據各子系統指標的標準化值，計算用水結構與產業結構各子系統的耦合協調度，其計算公式[20]為

(3)

式中：D為耦合協調度；C為耦合度；T為協調指數；Z1、Z2分別為用水結構和產業結構各子系統指標標準化值的平均值；a、b為待定系數，假設產業結構與用水結構同等重要，則a=b=0.5。耦合度反映了用水結構與產業結構系統的相互作用程度，耦合協調度是對耦合協調關系的深入探討，而協調指數指的是兩系統相互聯系的程度[21-22]。各級耦合協調度等級標準如下：優質耦合協調0.9

2 結果與分析

2.1 用水結構生態位與生態熵

根據2008—2017年《安陽市水資源公報》和2014—2017年《滑縣水資源公報》的統計數據，采用式(1)和式(2)計算安陽市工業、農業和生活用水的生態位和生態熵，并對其進行分析。

2.1.1工業用水

安陽市工業用水生態位和生態熵如圖1所示。圖1(a)表明：安陽市工業用水生態位不斷增大，從2008年的0.110升至2017年的0.186，且各縣市均有不同程度提升，表明安陽市工業發展迅速，工業用水量不斷增加。年均工業用水生態位從大到小排序為：滑縣(0.570)、林州市(0.399)、安陽縣(0.164)、湯陰縣(0.150)、內黃縣(0.059)，滑縣和林州市工業發展相對較快，而其他縣工業發展緩慢，尤其是內黃縣工業用水量最少，工業發展水平有限。

(a) 工業用水生態位

圖1(b)表明，安陽市工業用水生態熵區域差異明顯。年均工業用水生態熵從大到小排序為：滑縣(3.077)、林州市(2.205)、安陽縣(0.903)、湯陰縣(0.852)、內黃縣(0.324)。滑縣和林州市工業用水生態熵均大于2，表明滑縣和林州市工業發展迅速，處于全市優勢地位。從發展變動看，2010年后安陽縣工業用水生態熵均大于湯陰縣，說明安陽縣工業用水優勢顯著，發展趨勢較好；內黃縣工業生態熵最小且均小于1，說明內黃縣工業用水處于相對劣勢，工業發展水平較低。

2.1.2農業用水

安陽市農業用水生態位占主導地位且波動減小(圖2(a))。年均農業用水生態位從大到小排序為：內黃縣(0.897)、湯陰縣(0.811)、安陽縣(0.787)、林州市(0.684)、滑縣(0.580)，且各縣市農業用水生態位均大于0.5，表明安陽市農業用水生態位處于主導地位，但區域差異顯著。內黃縣、湯陰縣農業用水生態位較高且均超過0.8，表明該區域為傳統的農業發展區，農業用水占比較大；湯陰縣、安陽縣和林州市農業生態位波動幅度較大，不同年際間最大差值分別為0.199、0.200和0.213；滑縣生態位年均減少8.71%，原因在于通過節水灌溉、秸稈覆蓋等舉措，提高了農業用水效率，節水灌溉面積達到40.1%[23]。

(a) 農業用水生態位

安陽市各縣市農業用水生態熵發展趨勢不同(圖2(b))。年均農業用水生態熵從大到小排序為：湯陰縣(1.194)、安陽縣(1.156)、內黃縣(1.138)、林州市(0.85)、滑縣(0.574)。湯陰縣、安陽縣、內黃縣農業用水生態熵均大于1，表明該地區農業用水在全市處于優勢；而林州市和滑縣均小于1，表明農業用水處于相對劣勢。湯陰縣、安陽縣和林州市農業用水生態熵波動較大，表明農業用水年際變化較大，呈現不穩定性；內黃縣基本穩定且均大于1，說明內黃縣農業發展較穩定，農業用水在全市處于優勢；2008—2017年滑縣農業用水生態熵年均下降7.8%，說明農業用水在全市地位有所下降。

2.1.3生活用水

安陽市(除滑縣外)生活用水生態位呈波動增長趨勢(圖3(a))。年均生活用水生態位從大到小排序為：林州市(0.238)、湯陰縣(0.121)、安陽縣(0.101)、內黃縣(0.090)、滑縣(0.076)，其中林州市和安陽縣生活用水生態位呈現明顯波動上升趨勢，這表明隨著生活水平的提高，以及人口機械增長等，生活用水呈現穩中有升的趨勢；湯陰縣生活用水生態位在2008—2011年波動較大，2012—2017年波動較小，并逐漸趨于平穩；內黃縣生活用水生態位波動幅度逐漸趨于平穩；滑縣生活用水生態位最低，原因在于工業和服務業提供的就業崗位較少，以及農村剩余勞動力轉移[24]，導致了常住人口數量減少。

(a) 生活用水生態位

安陽市生活用水生態熵波動較大，林州市、湯陰縣和安陽縣呈上升趨勢，滑縣和內黃縣則呈下降趨勢(圖3(b))。林州市年均生活用水生態熵大于1，表明生活用水占有率高于全市；而湯陰縣(0.879)、安陽縣(0.741)、滑縣(0.619)和內黃縣(0.683)均小于1，表明生活用水占有率低于全市，其中湯陰縣和安陽縣生活用水生態熵有所增長，而滑縣和內黃縣呈現波動下降趨勢。從波動趨勢來看，林州市波動最大，而安陽縣波動較小，原因在于近年來林州市大力發展工業和旅游業，外來人口流動頻繁且波動變化較大，而安陽縣人口數量較為穩定。

2.2 產業結構生態位和生態熵

根據2009—2018年《河南省統計年鑒》和2009—2018年《安陽市統計年鑒》的產業產值數據，采用式(1)和式(2)計算安陽市2008年、2010年、2012年、2014年和2017年三大產業生態位和生態熵，結果如表1所示。

由表1可知，安陽市以第二產業為主，三大產業發展不協調。各縣市第二產業占比最大，第一、三產業則相對較小，年均第二產業生態位從大到小排序為：林州市(0.628)、安陽縣(0.608)、湯陰縣(0.595)、內黃縣(0.417)、滑縣(0.393)。可依據產業結構生態位將區域劃分為兩類：①第二產業生態位最大、第一產業生態位最小，包括林州市、安陽縣、湯陰縣，這些縣市自然稟賦優良，區位優勢明顯，產業基礎較好，第二產業占據首要地位。第三產業年均生態位大于第一產業，原因是林州市、湯陰縣、安陽縣分別依托山水旅游資源、周易文化資源、宗教文化資源等，大力發展了旅游業和配套服務業，第三產業生態位增速較快。②第二產業生態位最大、第三產業生態位最小，包括滑縣和內黃縣。滑縣和內黃縣均為欠發達傳統農業區，農業產值占比較大，而第三產業整體水平偏低且發展緩慢[25]，因此第三產業生態位處于較低位次。

安陽市第一產業生態位波動下降，第三產業則持續上升，而第二產業各縣市變化不同(表1)。從第一產業來看，滑縣從2008年的0.428下降至2017年的0.225，下降幅度最大；林州市從2008年的0.068下降至2017年的0.034，下降幅度最小。從第二產業來看，林州市、湯陰縣和安陽縣下降明顯，滑縣、內黃縣卻呈現小幅度增加，說明滑縣、內黃縣工業發展較快，其余各縣市工業發展較為緩慢。從第三產業來看，林州市上升幅度最大，年均提高0.024，湯陰縣提高幅度最小，年均增加0.011；林州市山水旅游資源豐富，太行山大峽谷、紅旗渠風景區等旅游景點眾多，第三產業生態位上升幅度最大；湯陰縣旅游資源較為豐富，但開發深度不足，且基礎設施較為落后，因此增加緩慢。

表1 安陽市三大產業生態位和生態熵

安陽市產業結構生態熵空間差異顯著(表1)。從第一產業來看，滑縣、湯陰縣和內黃縣產業結構生態熵均大于1，林州市、安陽縣則小于1，原因是滑縣、湯陰縣和內黃縣屬于傳統產糧大縣，發展具有優勢，而林州市、安陽縣則與全市相比處于劣勢。從第二產業來看，林州市、安陽縣、湯陰縣產業結構生態熵均大于1，滑縣和內黃縣則小于1且逐年增加，表明滑縣和內黃縣第二產業在全市中的地位較低，但工業化呈現快速發展態勢。從第三產業來看，各縣市產業結構生態熵均小于1，但發展趨勢不同，其中林州市和安陽縣逐漸提高，說明該地區第三產業發展趨勢良好，湯陰縣、內黃縣、滑縣的均有較小幅度的下降，其中湯陰縣從2008年的0.956下降至2017年的0.759，下降幅度最大，表明該地區第三產業發展相對緩慢。

2.3 耦合協調度

圖4為安陽市用水結構與產業結構耦合協調度計算結果。需要說明的是，由于統計口徑不同，不能得到第三產業用水數據，僅以生活用水替代，盡管會因此導致研究結果出現一定偏差，但在一定程度上能體現兩者耦合協調度的動態變化趨勢[7,26-27]。

安陽市農業用水與第一產業的耦合協調度呈下降(2008—2011年)—上升(2011—2013年)—下降(2013—2017年)的波動趨勢，2014年由低度失調降為中度失調。2008—2011年耦合協調度從0.386逐年下降到0.333，且處于低度失調狀態，原因在于安陽市降水量由2008年的582.7 mm增至2011年的609.8 mm，農業用水量則由10.877億m3降至7.818億m3，而農業產值從143億元增加到175億元，因此兩者耦合協調度處于低度失調狀態。2011—2013年耦合協調度由0.333增至0.354，呈現不斷增長的趨勢但仍屬于低度失調狀態，原因在于農業用水從7.818億m3增加至8.890億m3，且農業產值從175億元增加到199億元，兩者保持同步增長，耦合協調度不斷增大。2014—2017年兩者的耦合協調度由0.354降至0.295，呈現波動下降趨勢，原因在于2013年后隨著微噴灌技術的成熟與應用[28]，農業用水效率逐步提高，使得用水總量減少，而農業產值由2014年的141億元增至2017年的193億元，因此2013年后二者的耦合協調度不斷降低，兩者屬于中度失調狀態。

圖4 安陽市用水結構和產業結構的耦合協調度

安陽市工業用水與第二產業的耦合協調度呈先上升后下降趨勢，但仍處于低度失調狀態。2008—2017年工業用水與第二產業的耦合協調度介于0.3～0.4之間，屬于低度失調狀態。安陽市工業用水由2008年的1.51億m3上升到2012年的 2.22億m3，而第二產業產值由647億元增加到 901億元，工業用水增速滯后于第二產業增速，雖然耦合協調度不斷上升，但上升幅度較小。2013年工業用水與第二產業耦合協調度處于較低水平，2014年后兩者耦合協調度不斷下降，原因是2013年國務院批復了《全國老工業基地調整改造規劃(2013—2022年)》，在確定的95個地級市中包括安陽市[29]，從而全面推進了工業轉型升級，工業結構也不斷優化調整。2014—2017年工業用水由1.83億m3波動下降至1.63億m3，工業用水效率提高明顯，而第二產業產值由862億元增加到1 084億元，且第二產業產值不斷增長，因此2014年后兩者耦合協調度不斷下降，但仍屬于低度失調狀態。

安陽市生活用水與第三產業的耦合協調度不斷上升，2011年實現了由嚴重失調到中度失調轉變。安陽市第三產業產值年均增長率為14%，生活用水增長率僅為0.9%，兩者增速差距較大，雖然耦合協調度有所增加，但整體上仍處于不協調狀態。2008—2017年第三產業產值由245億元增加到 972億元，隨著人口增長和生活水平不斷提高，全市居民生活人均年用水量由287.8 m3增加至302.7 m3，生活用水總量由1.331億m3增加至1.498億m3，二者保持同步增長且耦合協調度不斷上升，2011年由嚴重失調轉變為中度失調。從變化速度來看，2008—2013年兩者耦合協調度增速緩慢，年均增長0.71%；2013—2017年增長較快，年均增長2.24%。2013年以來安陽市大力發展信息、金融、旅游等現代服務業，構建現代市場體系等，促進了第三產業的轉型升級，2013—2017年第三產業產值由523億元增加到972億元，生活用水量由0.065億m3增加至0.202億m3，兩者耦合協調度不斷提升。隨著社會經濟發展，安陽市生活用水量將不斷增長，第三產業將持續發展，生活用水與第三產業的耦合協調度也將不斷提高。

3 結 論

a. 從用水結構來看，安陽市農業用水占主導，各縣市用水結構變化趨勢不同。安陽市工業和生活用水生態位不斷增大，農業則波動減少；林州市和滑縣工業用水生態熵較大，安陽縣、湯陰縣和內黃縣農業用水生態熵較大，林州市生活用水生態熵較大。基于此，安陽市應壓縮農業用水規模，限制高耗水產業發展，保障“三生”用水安全。

b. 從產業結構來看，安陽市以第二產業為主，三大產業發展不協調。安陽市第一產業和第二產業生態位波動下降，第三產業生態位持續上升。林州市和安陽縣第一產業生態熵較小，其他縣較大；滑縣和內黃縣第二產業生態熵較小，其他縣市較大；各縣市第三產業生態熵均較小。基于此，安陽市應不斷改善投資環境，加強技術引進和創新，優化產業內部結構。

c. 安陽市用水結構與產業結構的耦合協調度整體處于失調狀態，但發展趨勢不同。農業用水與第一產業的耦合協調度由低度失調降為中度失調，工業用水與第二產業的耦合協調度波動下降但一直處于低度失調狀態，生活用水與第三產業的耦合協調度則由嚴重失調提升為中度失調。因此，安陽市要加大資金技術投入，發展高效節水農業；優化產業內部結構，發展循環經濟；合理配置水資源，保障區域用水安全，以實現區域社會經濟和水資源持續協調發展。