中部地區水資源利用與經濟社會發展關系研究

高 甜，楊肖麗

（河海大學水文水資源學院，南京 210098）

0 引 言

中部地區作為我國地理腹地，包括山西省、安徽省、江西省、河南省、湖北省以及河南省六個省份，在中國經濟社會發展中起著“承東啟西”的樞紐作用，但“中部塌陷”問題使得中部地區的可持續發展受阻［1］。為了恢復中部地區的“元氣”，習近平總書記在2019年中部地區崛起工作座談會中指出，中部崛起需要貫徹新發展理念，推動高質量發展。高質量發展強調經濟-社會-環境的協調發展，為了更好地解決“十四五期間”水安全問題，需要不斷調整水資源利用方式以滿足國家高質量發展的要求。

國內外對于關于水資源與經濟社會發展之間相互關系的研究主要集中3 個方面：①從水資源利用效率［2］、水資源承載力［3］等角度分析社會經濟的發展對水資源消耗的影響；②從投入產出角度探討水資源消耗對經濟增長的約束作用［4］；③通過構建耦合模型［5］、脫鉤指數［6］等方法探究水資源利用與社會經濟發展的相關關系。雖然國內外學者對水資源與經濟社會發展的關系展開了大量的研究，但是還存在3點不足：①在計算水資源利用效率時通常將經濟效益作為唯一產出，而未考慮可持續發展中不可忽視的社會效益和環境效益；②探究經濟社會與水資源之間的脫鉤關系時一般僅從水資源利用效率或者水資源消耗單方面進行研究，具有一定的局限性；③當前學者研究尺度主要以省域［6］、流域［7］以及經濟帶［8］為主，關于中部地區的水資源與經濟社會發展關系的研究較少。

基于此，本研究首先計算中部地區2003-2018年6 個省份的水足跡，然后從五大發展理念出發構建指標體系，利用熵權法計算各省份綠色發展指數，并從水足跡角度將綠色發展指數作為期望產出來測算水資源利用效率，最后利用Tapio 脫鉤模型分析中部地區經濟社會發展與水資源消耗以及水資源利用效率之間的關系，研究結果對中部地區高質量發展有一定的理論意義。

1 研究方法與數據來源

1 研究方法

1.1.1 水足跡

水足跡理論通常用于水資源利用相關研究中，體現了一個地區水資源消耗的程度，分為內部水足跡和外部水足跡［9］。

式中：WF 表示總水足跡，WFin、WFout分別表示內部和外部水足跡，WFA、WFI、WFL、WFE和WFG分別表示農業生產、工業生產、生活用水、生態用水以及灰水足跡，VWEexport表示出口虛擬水，VWEimport進口虛擬水量，VWEi-e表示進口再出口虛擬水量。

（1）農業生產水足跡。

式中：Pi表示第i 種農產品產量，wfi表示第i 種農產品虛擬水含量。

（2）工業生產、生活以及生態水足跡。由于工業品種類多，虛擬水含量難以得到數據，因此沿用文獻［10］中的做法，以水資源公報工業用水總量來代替。居民生活用水量和生態環境用水量均是實體水，所以也直接引用水資源公報、統計年鑒等數據。

（3）灰水足跡。由于生態用水基本不產生灰水足跡，所以本研究僅考慮農業生產、工業生產以及生活用水的灰水足跡。

（4）出口虛擬水。

式中：Mexport表示出口貿易值；G 表示生產總值；WFP表示生產水足跡。

（5）進口虛擬水。本研究參考相關文獻的處理方法［11］，忽略進口產品再出口的虛擬水量（VWEi-e），且不區分農業產品與工業產品，將貿易虛擬水劃分為進口貿易虛擬水與出口貿易虛擬水。

1.1.2 綠色發展指數

中部地區經濟社會的發展應當充分響應國家提出的“五大發展理念”，以促進中部地球高質量發展。因此，本研究參考相關學者的研究成果［12］，以創新發展、協調發展、綠色發展、開放發展以及共享發展為基準層構建綠色發展指數評價體系（表1）。

表1 綠色發展指標體系Tab.1 Green development index system

由于不同指標的評估標準存在差異，需要對各指標進行無量綱化處理以便對比同一指標在不同時期及不同地區的表現。

對于正向指標：

對于負向指標：

式中：Xp，q為指標的原始數據；X′p，q指標準化后數據，p=1，2，…，m（評價年份數）；q=1，2，…，n（評價指標數）。

計算信息熵：

式中：Lpq為第p年第q 項指標值占該項指標的比重；Eq為第q 項指標的信息熵。為避免ln0情況出現，Lpq=0時，本研究令其等于0.000 000 001。

權重計算：Wq為第q項指標權重。

綠色發展指數：將熵權法確定的指標權重和標準化處理后的無量綱化指標值進行加權得到綠色發展指數Si。

1.1.3 SBM模型

DEA 模型是測算生態效率常用方法［13］，Tone［14］提出的SBM-DEA 模型，不僅有效降低了傳統徑向和角度DEA 模型的測量誤差，而且考慮了非期望產出對效率值的影響。SBMDEA 模型假設有j 個決策單元，每個決策單元包含M 種投入要素x、n1種期望產出a和n2種非期望產出b：

1.1.4 脫鉤分析

脫鉤理論源于物理學領域，后逐漸被用于探究資源環境與經濟發展的相關關系，并在近些年成為研究熱點。基于水足跡、水資源利用效率和綠色發展指數構建Tapio 脫鉤模型，可以有效衡量經濟社會發展與水資源利用之間的脫鉤關系。

式中：Ew，Ee分別表示綠色發展指數與水足跡和水資源利用效率脫鉤彈性系數；i 表示地區；t1和t2分別表示起始年和終止年；ΔWFi、Δρi和ΔSi分別水足跡、水資源利用效率和綠色發展指數的變化率。根據脫鉤彈性系數的大小以及ΔWFi、Δρi和ΔSi的正負定義8種脫鉤狀態（表2）。

表2 綠色發展指數與水資源脫鉤關系類型劃分Tab.2 Classification of decoupling relationship between green development index and water resource

1.2 數據來源

各省的農產品產量以及經濟與社會相關指標來自于《中國統計年鑒》，《中國農業年鑒》。各種作物的虛擬水含量（表3）參考相關文獻［15-17］所得。用水量數據來自各省水資源公報，相關環境指標來源于《中國環境統計年鑒》，創新發展數據來源于《中國科技統計年鑒》。COD 和氨氮的最高濃度標準采用污水排放標準（GB 8978-1996）中的二級排放標準，COD 和氨氮的達標濃度分別為120 mg∕L 和25 mg∕L，兩種污染物的初始濃度取為0 mg∕L。

表3 各種作物虛擬水含量Tab.3 Virtual water content of various crops

2 結果分析

2.1 水足跡變化趨勢分析

中部地區水足跡在研究期內具有一定的波動性。2003-2006年水足跡逐漸上升，并在2006-2017年有小幅度下降，然后逐漸上升至2015年的6 835.4 億m3（圖1），最后在2016-2018年水足跡小幅度下降至6 672.3 億m3，年均增長率約為2.7%。從各省份來看，山西省水足跡最少，年均水足跡為323.8 億m3，2014年達到研究期內最大值370.9 億m3，僅占中部地區水足跡的5.5%。安徽省水足跡在2003-2018年基本呈現上升趨勢，年均增長率為2.4%。江西省的年均水足跡為753.8 億m3，僅高于山西省，約占中部地區水足跡的12.2%。河南省是中部地區水足跡的主要供給省份，年均占比高達28.1%，年均水足跡達到1 722.1 億m3。湖北省和湖南省的水足跡變化趨勢基本一致，水足跡差別甚小，分別占中部地區水足跡的18.9%和18.6%。

圖1 2003-2018年中部地區水足跡變化Fig.1 Changes of water footprint in central China from 2003 to 2018

2.2 綠色發展指數

中部地區綠色發展指數整體呈現逐年上升趨勢，且漲勢明顯（圖2）。2003年中部地區綠色發展指數均值為29.1，2018年達到63.7，年均增長率達到7.93%，其中2006-2017年增長率達到11.4%，這一方面體現出黨中央在2006年發布的《中共中央國務院關于促進中部地區崛起的若干意見》政策的有效性，但另一方面也說明中部地區的綠色發展程度還不夠高，還需進一步提高資源的利用效率，加大環境治理的力度，避免粗放式要素投入生產方式。

圖2 2003-2018年中部地區綠色發展指數變化趨勢Fig.2 Change trend of green development index in central China from 2003 to 2018

從各省份的綠色發展指數來看，湖北省和安徽省的經濟社會發展水平最高，2018年兩省的綠色發展指數均超過70。江西省和山西省的綠色發展指數最低，其中山西省在2005-2006年、2014-2015年以及2016-2017年出現小幅度回落。河南省在2011年后經濟社會發展水平明顯增加，2011-2018年的增長率達到53.5%。湖南省綠色發展指數接近于中部地區整體水平，呈現逐年波動增長趨勢，2018年達到最大值64.8。從增長速率來看，在中部六省中，安徽省增長速度最快，年均增長率為10.2%，江西省的增長速度最低，年均增長率僅為5.1%，綠色發展指數在六省中排名從第二掉到第四。

利用箱線圖分析2003-2018年中部地區綠色發展指數的變化情況（圖3），可以直觀看見各省份的聚散程度，其中每個箱子代表每個年份6 個省份的綠色發展指數分布情況。2003-2005年，箱線圖上邊緣至下邊緣的距離逐漸減小，2006年有所增加后又逐漸減小至2008年，表明各省份間的除了2006年外，差異度逐漸減小，綠色發展水平逐漸趨于穩定。2009-2018年，上邊緣至下邊緣的距離以及箱子高度基本呈現逐年增大的趨勢，說明各省份的綠色發展指數差異度逐漸增加，空間聚集性降低。其原因為各省份綠色發展速度各異，安徽省和湖北省拉高了最大值，而綠色發展水平最低的山西省增長速率不及其他省份，拉低了最小值。2008年和2009年各出現一個異常值，主要是2008年湖北省的綠色發展水平較高，與其他省份間差異較大，而2009年山西省的綠色發展指數很大程度上落后于其他省份，導致該年份出現一個低于邊緣值的異常點。

圖3 2003-2018年中部地區各省份綠色發展指數箱型圖Fig.3 Box chart of green development index of various provinces in central China from 2003 to 2018

2.3 水資源利用效率

中部地區2003-2018年水資源利用效率變化幅度較大（圖4）。研究初期，中部地區水資源利用效率不斷下降，整體下降幅度達到13.8%，主要因為在該階段主要通過粗放式的要素投入來增加經濟產出，忽略資源環境效益，相應地經濟社會發展水平提高幅度不大，導致水資源利用程度降低。2007-2014年不斷調整投入產出結構，度過一個平穩期后開始大幅度上升，并在2016年達到研究期內最高值0.909（表4），2016-2018年水資源利用效率經歷了一次劇烈下降后又有小幅度上升。

表4 2003-2018年中部地區水資源利用效率Tab.4 Water resource utilization efficiency in central China from 2003 to 2018

圖4 2003-2018中部地區水資源利用效率變化趨勢Fig.4 Change trend of water resource use efficiency in central China from 2003 to 2018

研究期內，各省的水資源利用效率各異，山西省水資源利用效率最高，多年均值達到0.869，研究期內有三年達到水資源利用有效狀態。河南省水資源利用效率最差，研究期內有7年效率值不超過0.7，說明該省水資源利用的粗放程度相對較高。湖南省水資源利用情況僅優于河南省，多年均值為0.736。江西省除了在2016年水資源利用效率較其他省份偏低以外，其他年份的水資源配置情況良好，多數年份水資源利用效率超過0.75。安徽省與湖北省水資源利用效率逐年變化情況相似，但整體上看，安徽省要略優于湖北省。

2.4 脫鉤分析

為了便于時間上的比較，所以將整個研究期等分為4 個階段進行經濟社會發展指數與水資源脫鉤分析，分別是2003-2006年（T1 階段）、2007-2010年（T2 階段）、2011-2014年（T3 階段）以及2015-2018年（T4階段）。

T1階段，中部地區多數省份綠色發展指數與水資源利用效率和水足跡的脫鉤狀態分別表現為強脫鉤和擴張性脫鉤，這說明這些省份綠色發展指數上升的時候，水足跡上升但是水資源利用效率卻在下降，中部地區整體上水資源消耗比較嚴重，可持續發展程度不高，社會經濟的發展主要依靠要素的粗放利用來實現。湖北省和湖南省綠色發展指數與水資源利用效率和水足跡的脫鉤類型分別為強脫鉤和弱脫鉤，說明綠色發展指數的增長速度快于水足跡的增加速度，經濟社會的發展并沒有帶來水資源利用效率的提升。安徽省綠色發展指數與水足跡之間為增長連接關系，表示社會經濟發展速度與水足跡增加速度相持平。

T2階段，多數省份綠色發展指數與水資源利用效率的脫鉤狀態有所好轉，除了江西省外，均由不理想的強脫鉤狀態轉換為較理想的弱脫鉤狀態。綠色發展指數與水足跡的脫鉤關系主要有3 種，分別是擴張性脫鉤、增長連接以及弱脫鉤，說明經濟社會發展的同時水資源消耗會增加，水資源利用效率也得到提高，但是整體來看，中部地區水資源消耗降低還存在較大潛力。

T3階段，中部地區綠色發展指數與水足跡的脫鉤指數有所降低，脫鉤類型除了山西省為增長連接外，均轉為弱脫鉤狀態，說明該階段水足跡增加速度已經所有降低，但是水資源消耗還是在增加。六省綠色發展指數與水資源利用效率之間表現為弱脫鉤關系。

T4階段，中部地區整體社會經濟發展與水資源利用情況達到良好協調狀態，綠色發展水平上升的同時水足跡下降，并且水資源利用效率上升，山西省的水資源利用效率提升速度甚至與綠色發展指數增長速度持平，各省份實現了水資源消耗隨著社會經濟發展而減少，水資源利用效率隨著社會經濟發展而提高的理想狀態。

綜上所述，通過時間維度的分析，可以發現中部地區社會經濟與水資源之間的關系逐漸朝理想狀態發展，綠色發展指數與水資源利用效率之間的關系由強脫鉤關系變為弱脫鉤關系，與水足跡的脫鉤類型從擴張性負脫鉤逐漸轉變為弱脫鉤，最后變為強脫鉤，由此可見，在經歷產業結構升級后，中部地區在經濟社會發展狀況較為合理。

表5 2003-2018中部地區綠色發展指數與水資源利用效率、水足跡脫鉤分析Tab.5 Analysis of decoupling between green development index，water resource utilization efficiency and water footprint in central China from 2003 to 2018

3 結 論

本研究以2003-2018年中部地區為研究對象，從水足跡和綠色發展角度探究各省份水資源利用效率，并運用Tapio 脫鉤模型探究水足跡、水資源利用效率與綠色社會經濟發展的關系，主要得出以下結論。

（1）中部地區水足跡在時間尺度上基本呈現先增加后減少的趨勢，分布空間差異明顯，其中山西省歷年水足跡最小，河南省歷年水足跡最大。

（2）中部地區綠色發展指數整體呈現逐年上升趨勢，社會經濟發展水平空間差異性在研究期內先降低后增加，其中湖北省和安徽省的經濟社會發展水平最高，而山西省和江西省的經濟社會發展水平偏低；

（3）中部地區在研究期內水資源利用效率變化幅度較大，經歷過粗放式要素使用的低沉期后水資源利用效率有所增加；山西省和河南省分別是年均水資源利用效率最高和最低的省份。

（4）中部地區社會經濟與水資源之間的關系在研究期逐漸朝理想狀態發展，綠色發展指數與水資源利用效率之間的關系由強脫鉤關系變為弱脫鉤關系，與水足跡的脫鉤類型從擴張性負脫鉤逐漸轉變為弱脫鉤，可持續發展程度較高。 □