長江經濟帶水資源利用效率與產業結構的耦合協調評價與分析

章恒全，陳詩情，張陳俊，李海燕，陳彬彬

(1.河海大學商學院，江蘇 南京 211100； 2.江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇 鎮江 212100； 3.湖南理工學院信息科學與工程學院，湖南 岳陽 414000)

水是生命之源、生產之要和生態之基[1]，水資源的開發、利用、配置會深刻影響區域經濟總量、區域產業結構演化及產業結構的空間布局。為保障水資源利用，國家不斷出臺有關水資源規劃，從2012年的最嚴格水資源管理制度、控制紅線，到水資源剛性約束制度，再到《“十四五”水安全保障規劃》中明確提出“提升水資源集約、節約利用能力”的目標，都彰顯出國家對水資源利用的重視?？梢哉J為，水資源會對產業結構的發展產生約束性作用，而產業結構的變動也會帶動水資源需求、使用方式的改變，二者存在相互交織、彼此耦合的關聯關系，而長江經濟帶是新時代我國經濟發展、社會進步的重要戰略支撐帶并因新興產業集群的帶動作用經濟飛速增長、產業逐漸集聚。以此為背景，長江經濟帶的水資源愈發緊張，目前該區域的用水效率與產業結構如何？兩者存在何種耦合關系？何種因素能影響兩系統的耦合關系？如何提高兩系統的耦合水平使水資源利用系統和產業結構系統能穩態、良性發展？這些問題對推動經濟社會的良性運轉、實現用水與產業升級有重要的現實意義。

1 文獻綜述

1.1 水資源利用效率與產業結構評價方法

近年來，有關水資源、產業結構的研究呈現上升趨勢，研究的側重點也不盡相同。在水資源利用效率和產業結構的評價方面，學界常將水資源作為重要的資源環境要素進行利用效率測算，將產業結構通過結構解構與分解進行指標評價。水資源利用效率方面，利用非參數估計的數據包絡分析及其衍生算法有許多，如盧曦等[2]采用三階段DEA方法測度用水效率。然而亦有諸多學者考慮到數據包絡分析的不足，從綜合性的角度出發，聚焦多領域、多行業進行用水效率的指標評價，較為典型的有邢霞等[3]、姚亭亭等[4]從綜合、農業、工業、生活、生態用水效率維度構建水資源利用效率系統的指標。產業結構方面，產業結構升級與優化測度的發展則較為完備，除了基于產業結構基礎研究而引申出的霍夫曼比例[5]、錢納里產業結構偏離度[6-7]等指標外，多數學者為能更全面地描繪區域產業結構的升級與優化情況，一般將產業結構分解為產業結構合理化、產業結構高級化等內容進行多角度的綜合探究，如江洪等[8]將產業結構分解為產業合理度、產業高級度與產業集中度3個指標，黃海立[9]從產業結構偏離度、三產占GDP比重等角度衡量產業結構情況?？梢?，在指標評價上兩系統研究成果豐富且日趨完善。

1.2 水資源利用效率與產業結構耦合協調關系

有關水資源利用效率與產業結構耦合協調關系的研究較少，但再進一步分析可發現，現有研究存在由水資源與產業結構單向影響向雙向互進轉變的研究趨勢。水資源約束下產業結構的演變已有許多學者進行研討，如崔志清等[10]以數學規劃模型的方式構建水資源約束下的產業結構調整模型。同樣的單向影響還包括產業結構調整對用水的影響，如張黎鳴等[11]以資源型省市為研究樣本，探究產業結構調整對樣本地區用水效率的影響。然而，隨著單向影響研究的深入，更多學者意識到，水資源系統和產業結構系統之間的影響是雙向互進、密不可分的，因此在整合單向影響的基礎上，又有學者從兩系統匹配度[12]、關聯性[13]、演進關系[14]等雙向關系與優化的角度展開研討。此外，焦士興等[15]則構建耦合協調模型分析經濟新常態下產業結構與水資源的耦合協調關系。

綜合各方觀點可以看出，提高水資源利用效率是解決水資源供需矛盾的根本途徑，而產業結構的優化與調整又能進一步推動水資源由低用水效率部門向高用水效率部門轉移，從而在水資源與產業結構系統之間形成共同演進、互相關聯的耦合協調關系。一方面，受水資源稟賦和水資源開發的約束，只有科技進步促進水資源利用效率提升才會逐步帶動用水格局和產業結構改變。另一方面，產業結構轉型會不斷帶動產業對水資源需求和使用方式，以及生態環境的變化。在產業結構水平較低時，各產業的水資源利用為粗放型，生態環境較為良好；產業結構演進，水利化程度不斷提高，用水量逐步增加，環境問題漸漸凸顯；進一步升級與優化后，產業結構體現為合理化、高級化與集中化，為實現區域經濟的可持續發展生態環境用水的比重逐步增大，但以社會整體而言水資源消耗量減少、水資源利用效率提高。水資源利用與產業結構之間的耦合協調關系如圖1所示(圖中↑表示用水量增加，↓表示用水量減少)。

可以發現，現有研究多是將水資源作為經濟資源進行探討而未考慮水資源作為生態環境資源所發揮的作用；或是對水資源利用效率與產業結構耦合關系的影響因素研究較少。本文基于上述不足，利用綜合評價法測算用水效率與產業結構，利用耦合協調度模型分析兩系統之間的耦合協調關系，并利用時空地理加權回歸(GTWR)模型進行時空地理加權回歸來探究兩系統關系的影響因素，從地理的角度分析如何能使兩系統更加協調。

2 指標體系構建

本文以長江經濟帶的11省市為研究單元，所需數據均來源于《中國統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《城市建設統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《長江經濟帶發展統計年鑒》、各省市統計年鑒、各省市歷年水資源公報以及國家統計局網站?？紤]到物價變動和通貨膨脹的因素，將國內生產總值GDP使用國家統計局公布的GDP平減指數折算為2010年的不變價。

已有多位學者應用綜合評價指標體系評價效率，本文借鑒已有研究[3,8]并結合圖1的分析結果，基于科學性、系統性、層次性的指標選取原則，考慮數據的可獲得性，建立水資源利用效率和產業結構的評價指標體系，最終構建指標體系如表1所示。

圖1 水資源利用與產業結構耦合協調關系作用機制

表1 水資源利用效率系統與產業結構系統綜合評價指標體系

3 研究方法

3.1 數據處理與權重計算

由于不同指標之間存在單位上差異，因此需對原始數據進行標準化處理以消除量綱的影響。因選取的指標有正向與負向，還需對指標進行正向化處理。使用極差法對指標進行無量綱正向化處理，正向指標利用式(1)處理，負向指標利用式(2)處理。

(1)

(2)

式中：Sλij為第λ年第i個省份的第j個指標經無量綱正向化后的數值；Xλij為第λ年第i個子系統的第j個指標的原始值；Xminj和Xmaxj分別表示第j個指標的最小值和最大值。在指標權重方面，為避免主觀賦權的打分法造成的非客觀性影響，本文采用熵值法[18]和變異系數法[19]進行賦權，兩者取平均值后為綜合權重。經計算，各指標權重如表1所示。

3.2 耦合協調度模型

耦合本身是指兩個或兩個以上的系統的相互作用關系，耦合度則能良好地反映系統間的影響程度，因此常用耦合度來度量系統間協同作用。長江經濟帶水資源利用效率與產業結構耦合度C的計算公式為

(3)

式中：S1為經過數據處理后的長江經濟帶水資源利用效率值；S2為經過數據處理后的長江經濟帶產業結構綜合評價值。由式(3)可以看出，耦合度C的取值范圍為[0,1]，當C=0時，兩系統不存在相互作用且耦合度最??；當C=1時，兩系統的耦合度達到最大值并處于良性耦合狀態。

然而，耦合度僅能反映兩系統間相互影響的程度而不能展現各系統的發展狀況，在一定條件下甚至會出現兩系統的綜合評價值較低但耦合度較高的情況。因此，計算兩系統的耦合協調度D來判斷兩系統的耦合是否是良性耦合。水資源利用效率和產業結構的耦合協調度D計算公式為

(4)

式中：α、β為系數，因為水資源利用效率系統與產業結構系統同等重要，取α=β=0.5。本文依據均勻分布函數法對耦合度和耦合協調度進行劃分，劃分標準如下：耦合度在[0,0.2]為磨合耦合，(0.2,0.4]為初級耦合，(0.4,0.6]為中度耦合，(0.6,0.8]為良好耦合，(0.8,1]為高度耦合；耦合協調度在[0,0.1]為極度失調，(0.1,0.2]為嚴重失調，(0.2,0.3]為中度失調，(0.3,0.4]為輕度失調，(0.4,0.5]為瀕臨失調，(0.5,0.6]為基本協調，(0.6,0.7]為初級協調，(0.7,0.8]為中級協調，(0.8,0.9]為高級協調，(0.9,1]為完美協調。

3.3 GTWR模型

為更有效地揭示何種因素能對水資源利用效率和產業結構的耦合協調度產生影響，考慮到空間與時間的不平穩性，本文采用Huang等[20]提出的GTWR模型進行分析。在自變量的選取上參考前人研究[21-22]，選擇對水資源利用效率和產業結構都有影響的因素，分別從資金投入、人口教育、政府行為、資源稟賦等角度進行檢驗：①資金投入。選擇外資依存度h，以每年各省市的外商直接投資額與該地區當年GDP的比值來表示；選擇技術創新t，以當年該地區R&D支出占GDP比例表示。②人口教育。選擇區域人口p，以年末區域常住人口來表示；選擇居民受教育程度e，采用Barro等[23]的方法進行計算。③政府行為。選取政策支持n，參考韓永輝等[24]的做法，在中國法律法規數據庫中檢索各省市當年與產業結構、水資源、用水等詞匯有關的地方性法規、地方政府規章、地方工作文件和省級地方性法規，以相關法規、規章的累計數來表示；選取環境規制k，用各省市當年的工業污染治理完成投資額占GDP的比值表示。④資源稟賦。選取水資源擁有量s，以各省市當年公布的人均水資源擁有量來表示?；谏鲜鲋笜藰嫿ㄈ缦翯TWR模型：

此外，當前高職院校大學生創新創業多以二級學院專業畢業學生為主，主要是以家庭支持或者校友合作進行。創新團隊主要還是基于親朋好友組建，沒有良好的互補專業背景的成員共同創建。因而，這樣的團隊在進行創業進行中，難以開展以專業為核心優勢的創業方向。

Di=β0(ui,vi,ti)+β1(ui,vi,ti)pi+
β2(ui,vi,ti)hi+β3(ui,vi,ti)ti+β4(ui,vi,ti)ei+
β5(ui,vi,ti)ni+β6(ui,vi,ti)si+β7(ui,vi,ti)ki

(5)

式中：Di為第i個省市在時空坐標(ui,vi,ti)的用水效率與產業結構耦合協調度；β0(ui,vi,ti)為第i個省、直轄市的時空截距項；βi(ui,vi,ti)為時空坐標的函數，即回歸系數，i=1,2,…,7。

4 模型模擬結果與分析

4.1 耦合協調關系時空分析

4.1.1耦合協調度時序變化

計算而得水資源利用效率與產業結構的綜合評價值后，根據式(3)和式(4)計算出各地區的耦合度和耦合協調度，并依照前文將各年份、各地區的結果劃分至不同區間。2010—2020年，長江經濟帶的耦合度集中于0.985左右且幾乎沒有大幅波動和變化，均處于高水平耦合狀態，因此本文不予展示。然而高水平的耦合并不意味著高度的協調，基于高水平耦合階段對水資源利用效率和產業結構兩系統的耦合協調度進行重點分析，將耦合協調度結果繪制成圖，如圖2所示。從時間維度看，2010—2020年長江經濟帶整體的耦合協調度均為穩步上升態勢，整體波動幅度較小，但不同流域狀態有所不同。上游地區的耦合協調度由2010年的0.58提升至2020年的0.77，增長率為33.95%，為所有流域中增長幅度最顯著的；中游地區有“先降后升再降”的趨勢，尤其表現為2011年降幅最大；下游地區則整體保持在較高水平處于0.75之上，且變化趨于平穩?？梢钥闯?，所有省份在樣本期間內耦合協調度都有或多或少的提升，這表明在高水平耦合的基礎上，各地區的水資源利用效率與產業結構的耦合更加協調，呈現良好的發展態勢，而這與我國對長江經濟帶高度重視、對用水和產業結構不斷出臺有關政策進行指導有直接關系。

圖2 2010—2020年長江經濟帶耦合協調度變化

4.1.2耦合協調度空間特征與演變

為分析耦合協調度的空間特征與演變，利用ArcGIS10.2軟件進行可視化處理，2010年、2015年、2020年長江經濟帶耦合協調度如圖3所示。結果顯示，耦合協調度分布在0.414～0.874、0.582～0.900和0.672～0.914，總體在“瀕臨失調”和“完美協調”間變動。

(a) 2010年

從空間的分布角度看，長江經濟帶水資源利用效率與產業結構耦合協調關系的區域分化較為明顯，表現為兩直轄市和沿海城市耦合協調度較高，其余地區以兩直轄市為核心向外多級空間等級擴散、耦合協調度不斷降低，最終在整體上呈現較為顯著的東高西低、以上海市和重慶市為核心的空間分布特征。在所選取的典型年份中，高耦合協調度區位主要集中于長江下游地區、中耦合協調度區位集中于長江中游地區、低耦合協調度區位集中在長江上游地區的狀態，這大致與長江經濟帶各地區的經濟發展狀態趨同。但2020年的空間分布中，上、中游所展示的情況卻不是很匹配，究其原因，湖北省、湖南省是典型的資源型城市，第二產業占三產中較大的比例，工業占比過高會導致工業用水加大、產業競爭力降低，由此造成兩系統的綜合評價值低下，進而呈現較低的耦合協調狀態?？偠灾诓煌攴蓍g，各地區的耦合協調類型呈現相似的空間分布特征且基本同比例進步，最終皆達到了“初級協調”及以上的水準。

再分析耦合協調類型的空間演變過程，為了更好地揭示空間格局的演變形態，利用ArcGIS10.2軟件的有關模塊，繪制2010—2020年長江經濟帶水資源利用效率和產業結構耦合協調度的標準差橢圓、重心及其遷移方向，重心與標準差橢圓的變動趨勢如圖4所示。

圖4 2010—2020年長江經濟帶上、中、下游標準差橢圓及重心遷移

由圖4可以看出，上中下游的標準差橢圓皆呈現不同的狀態，可以發現：①上游地區耦合協調度重心先向東南方后又向西南方遷移，標準差橢圓呈東北-西南分布，其長軸標準差逐步縮短、短軸標準差逐步擴張，說明上游地區的耦合協調度呈現向南遷移的分散態勢，該地區間的區域異質性相對減弱。②中游地區重心在樣本期間向北遷移，標準差橢圓呈西北-東南方向分布，長軸先擴后縮而短軸先縮后擴，表明在中游地區空間集聚程度先上升后下降。③下游地區整體呈現向西北方向遷移的顯著態勢，標準差橢圓呈西北-東南分布，長軸擴張、短軸則基本不變，同時轉角逐步縮小，這表明耦合協調度在南北方向上有擴張趨勢，且橢圓軸線西北方向的省份耦合協調度增長速度快于軸線東南方向的省份。

4.2 影響因素擬合系數分析

4.2.1GTWR模型結果

GTWR模型適用于時間和空間都有顯著非平穩性的數據，因此應先分析測試數據的時空非平穩性。本文采用Ma等[25]的方法，通過比較最小二乘(OLS)回歸的兩倍標準誤差與GTWR模型的四分位間距的大小來判斷非平穩性，四分位間距較大則表明數據的時空非平穩性顯著。時空非平穩性的檢驗情況的結果表明，所有變量都表現出了額外的局部變化，因此可利用GTWR模型進行回歸。

使用ArcGIS10.2軟件與GTWR插件工具包估計GTWR模型，選擇自動優化設置帶寬，并設置時空距離參數比為1。同時為觀察GTWR模型的適用性，利用Stata15.1軟件對數據進行OLS回歸，利用ArcGIS10.2軟件對2010年、2015年、2020年的截面數據進行地理加權(GWR)回歸，從而與GTWR模型對比。各模型的最終估計結果見表2。

表2 OLS模型、GWR模型與GTWR模型的估計結果

4.2.2GTWR模型數據分析

從OLS模型的回歸結果看，區域人口、外資依存度、技術創新、水資源擁有量、環境規制等變量在1%的顯著性水平上顯著，政策支持在10%的顯著性水平上顯著，其中外資依存度、技術創新、政策支持、水資源擁有量對耦合協調度起正向作用，區域人口、環境規制起負向作用，而居民教育程度呈負相關且不顯著。再分析AIC和擬合優度R2可以發現，GTWR模型的擬合效果則明顯優于OLS模型和GWR模型，這表明應以GTWR模型的結果進行分析，且從AIC角度看GWR模型的回歸結果并不理想，正能從側面證明了單從空間而不從時空角度考慮影響因素的影響作用是不可靠的。統計歷年各省市的主導影響因素得，技術創新作為主導影響因素的頻次最高，其次是居民教育程度、外資依存度和水資源擁有量。

限于篇幅，各省市的GWR模型和GTWR模型回歸系數、GTWR模型回歸系數空間分布圖不再列出，綜合估計結果得出以下結論：①區域人口。區域人口對耦合協調度的影響在上游和中下游區域間逐漸呈現兩極化態勢，且趨勢愈發明顯，上游地區呈正向作用而中下游地區呈負向作用。②外資依存度?！笆濉逼陂g除上海、浙江外的其他省市，其回歸系數皆為正值，而至“十三五”期間，上述省市外資依存度的正向影響逐步減弱，甚至逐漸展現出抑制作用。③技術創新。技術創新存在顯著的正向作用，這一點也較符合預期。然而隨著時間演進，技術創新的正向作用逐步削弱。④居民教育程度。隨時間推移，居民教育程度對上游地區的正向影響加深且下游的負向影響更甚，以中游為界，上下游地區呈現顯著的空間差異。⑤政策支持。政策支持對耦合協調度在上中游地區起顯著的正向作用而下游呈負向，但后續政策支持對長江經濟帶的影響逐步向0靠近，這表明在研究前期政策支持對耦合協調度起到了極強的影響而至后期效果減弱。⑥水資源擁有量。水資源擁有量對耦合協調度為顯著正向影響，并呈現上、下游促進效果更強而中游較弱的空間分布格局。⑦環境規制。GTWR回歸結果表明環境規制對兩系統耦合協調存在負向效應，但在“十二五”期間四川、重慶則表現為正向促進效應。至“十三五”期間，環境規制的回歸系數呈現空間分異態勢，表現為上游負向效應加強而中下游負向效應減弱甚至展現出轉為正向效應的趨勢。

5 結論與建議

5.1 結論

a.在時序變化方面，2010—2020年長江經濟帶11省市的水資源利用效率和產業結構系統的耦合協調度不斷提高，且多數省份都實現了耦合協調度的狀態升級；在空間分布特征方面，形成了以上海市、重慶市為核心，整體上東高西低的空間分布特征；在空間演變方面，上中下游重心遷移的方向略有不同，上游主要向南遷移、中游主要向北方遷移、下游主要向西北方遷移，且上中下游空間集聚性分別呈擴散、先集聚后擴散、集聚的態勢。

b.相比于傳統OLS模型和GWR模型，GTWR模型的擬合效果更優，各因素對兩系統耦合協調關系的影響表現為：外資依存度、技術創新、水資源擁有量正向作用，環境規制負向作用，區域人口、居民教育程度、政策支持為上游正向作用而下游負向作用，且隨時間推移，除區域人口外的影響因素皆有影響變弱的趨勢。

5.2 建議

a.注重生態環境方面的用水效率改善。對水資源進行合理配置，依照我國現行法律法規保障生態與環境用水。堅持預防為主、防治結合、綜合治理的水污染防治原則，積極推動再生水的利用，嚴格對城市污水、廢水進行二次處理，保證排放水對生態環境污染最小化，并借鑒國內外水污染防治的有效經驗，強化生態用水的管理機制和保障機制。

b.堅持創新驅動戰略，合理設置外資準入門檻。創新驅動意味著從技術的角度在根本上提高用水效率，于宏觀上逐漸淘汰耗水高、產能少的產業，于微觀上讓企業采用更先進的節水工藝向環保、綠色的方向發展。同時，發展離不開開放與創新，長江經濟帶應立足于短期區域發展實際、配合于長期戰略方向，擺脫對國外技術的依賴性，對外資的使用進行多環節審核，持續有針對性地提高區域的競爭能力，并不斷加強區域間的溝通互聯，鞏固現有成果，通過吸取外界經驗不斷提高區域內的用水效率、優化產業結構。

c.發揮人才帶動作用。人才是創新的基石，居民教育程度越高則居民素質越好，國家應出臺相應政策繼續提高教育普及水平，為高精尖產業注入適配人員。同時，應積極促進知識成果轉化，充分發揮人才在創新發展中的引領作用，不斷提高水資源利用效率。

d.合理開發水資源。各省市應結合自身資源稟賦情況對水資源進行合理統籌，根據資源情況有規劃、有目的地進行開發利用，保證水資源利用與產業布局相匹配。