黃河流域能源與環境－經濟－生態耦合協調發展研究

趙金輝，田 林，李思源，白云龍，李濮希

（1.鄭州大學 機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學 國際學院，河南 鄭州 450001）

在2019年召開的黃河流域生態保護和高質量發展座談會上，黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略［1］。黨的十九大報告指出，要建設人與自然和諧共生的現代化［2］。黃河流域的能源、環境、經濟和生態的多元協調發展已成為流域高質量發展的先決條件之一［3－5］。關偉等［6］分析了黃河流域能源綜合效率，從時序上看，流域能源綜合效率呈“高—低—高”的U形變化；從空間上看，綜合效率從高到低依次為東部、中部和西部省份。王甜甜［7］提出了制約黃河流域經濟聯動高質量發展的三方面因素。周曉艷等［8］認為黃河流域經濟存在空間異質性，流域區域經濟格局兩極化明顯。郭晗［9］認為制約黃河流域生態保護和高質量發展的瓶頸有水資源供需矛盾、水沙空間分布不均衡、環境污染和流域綜合管控機制缺乏等。

上述研究為本研究奠定了重要基礎，但相關研究主要集中于單因素與高質量發展之間的關系或對二、三元關系的分析評價。在黃河流域高質量發展的大背景下，治理重心應當放在哪里？黃河流域九省（區）發展水平差異如何？如何在提高能源與環境、生態、經濟協調水平的同時，既保證經濟的增長，又改善生態環境的質量？這些問題需要通過更深入的研究和探討來回答。為此，筆者利用黃河流域九省（區）2004—2019年能源、經濟、環境和生態相關數據，采用CRITIC法［10］，基于耦合協調度模型，全面分析黃河流域綜合發展狀況，剖析九省（區）能源與經濟－環境－生態的協同發展水平，并提出優先發展策略。

1 四元系統耦合協調因素制約與促進關系分析

目前，黃河流域開發利用的能源主要為一次能源，在一些能源礦產富集區域，能源的開采方式以采掘和粗加工為主，因此中、高端和高附加值產業發展水平較低［11］，能源不足以支撐經濟粗放式發展的問題逐步顯現，導致流域經濟發展水平低于全國平均水平［12］。從GDP來看，2010—2019年黃河流域九省（區）總人口占全國比重穩定在30.10%左右，但九省（區）GDP占全國的比重卻由28.54%下降至24.97%。粗放式經濟發展會浪費大量的化石能源，使工業廢氣、廢水排放量增多，大氣和水污染加重［13］，造成土壤污染，耕地面積減少。黃河流域水資源供需矛盾突出，如山東人口和耕地分別占全國的7.2%和7.3%，而水資源總量僅占全國的1.2%，人均水資源占有量僅有300 m3，是全國人均水平的13.3%，單位面積耕地擁有水資源量為4 560 m3／hm2，是全國平均水平的17.3%。

能源的高效利用、經濟的快速發展、環境的有效保護和生態的科學利用是實現黃河流域高質量可持續發展的客觀基礎。黃河流域生態自我調節能力是有限的，因此能源開發應有所節制，并努力提高新能源的利用率，減輕生態承載壓力。能源的代謝產物大多以不同形式排放到大氣環境中，會影響大氣質量和氣候穩定，而大氣質量和氣候穩定又會以負反饋的形式來影響能源的利用和供應。在能源與經濟關系中，能源是經濟發展的物質基礎，能源消費總量的增長，特別是由工業化推進所導致的能源消耗量的增長，對經濟增長具有促進作用。

黃河流域能源－環境－經濟－生態耦合協調關系見圖1。

圖1 黃河流域能源－環境－經濟－生態耦合協調關系

在上述制約關系下，黃河流域能源與環境－經濟－生態協調發展已成為高質量發展的客觀要求。探究黃河流域四元系統耦合協調水平，是對黃河流域生態保護和高質量發展戰略理念的有益探索，并對黃河流域高質量發展方向有指導意義。

2 研究方法

2.1 CRITIC法

CRITIC法是一種基于指標變異程度和指標間相關性的賦權方法。當一個指標變異程度越大時，該指標所含信息越多，權重應越大；當一個指標與其他指標間存在較強的相關性時，說明該指標所含信息已被其他指標包含，權重就越小。

（1）標準化處理。選取黃河流域各子系統各要素值作為指標數據。

若該指標為正向，標準化公式為

若該指標為逆向，標準化公式為

式中：xij為標準化處理后的值；為子系統i各指標值；xmin、xmax分別為各省（區）子系統指標最小值、最大值。

（2）考察黃河流域標準化后各指標值的變異程度。在CRITIC法使用指標的標準差來反映指標變異程度：

（3）黃河流域各指標間的相關性用相關系數表示，計算公式為

式中：Rj為相關系數；rkj為評價流域指標k和j之間的相關系數，若某一指標與流域其他指標間的相關性越強，則rkj越大、Rj越小，對應的權重越小；p為指標數量。

（4）黃河流域指標信息量大小的計算公式為

式中：Cj為流域信息量指標，體現了指標變異程度和相關性，Cj越大說明指標的信息量越大，該指標也會具有更大的權重。

（5）黃河流域指標權重計算公式為

式中：Wj為對應的權重。

Cj越大，則第j個評價指標在綜合評價體系中的作用也越大，應分配給該指標較大的權重。

（6）計算黃河流域能源、環境、經濟和生態4個子系統的發展度。分別以Sener、Senvi、Secon、Secol表示4個子系統的發展度。

能源發展度Sener的計算公式為

式中：Xj為能源子系統各指標值標準化后的值。

同理可得到另外3個子系統的發展度。

2.2 耦合協調度模型

耦合協調度模型用于分析事物的協調發展水平，耦合度可以反映系統之間的相互依賴與相互制約的程度，協調度體現協調狀況的好壞。耦合協調度模型共涉及3個指標值的計算，分別是耦合度值、協調度值和耦合協調度值，結合耦合協調度值和協調等級劃分標準，可得出各指標耦合協調程度，具體構建過程見相關文獻［14－15］。

2.3 評價指標體系

評價指標體系以黃河流域高質量發展為目標層，能源、環境、經濟、生態為準則層，選取24個關鍵要素，采用CRITIC法來確定要素權重，建立起黃河流域能源與環境－經濟－生態四元耦合系統評價指標體系。基于2004—2019年黃河流域數據，計算的各指標權重見表1。

表1 能源－環境－經濟－生態指標體系

3 單因素變化趨勢分析

黃河流域能源、環境、經濟和生態各單因素綜合發展度見圖2。由圖2可見，能源－環境－經濟－生態4個子系統組成的復合系統的綜合發展度值呈緩慢上升趨勢，2015—2016年漲幅最大。整體而言，能源、環境、經濟和生態單因素變化規律在時間上具有階段性：2004—2011年為第一階段，環境子系統發展度最高，同其余子系統差異較大；2011—2014年為第二階段，各子系統發展度之間差異性較小；2014—2019年為第三階段，經濟子系統發展度最高，且同其他子系統存在顯著差異。在2009年之前，由于經濟發展水平較低，工業化程度不高，廢水廢氣排放量仍處在較低水平，對環境的污染較小，因此環境子系統發展度高于其他子系統發展度，但2009年后環境子系統受工業發展帶來的環境污染的影響，發展度呈現波動下降趨勢。能源的開采利用水平及對煤炭、石油等能源需求量不斷提升，導致能源子系統整體發展度較低，呈波動上升趨勢。經濟子系統發展度呈現增長的趨勢，其中2005—2008年出現下滑趨勢，2013—2016年受“十二五”經濟發展規劃的影響，GDP增長率和第三產業比重上升明顯，經濟子系統發展度上漲較快。生態子系統發展度雖然在2005—2009年有較大的波動（先降后升），但是退耕還林等政策的實施，使得人均水資源量和森林覆蓋率逐年上升，整體呈現增長的趨勢。

圖2 2004—2019年黃河流域能源－環境－經濟－生態子系統綜合發展度

4 二元系統及四元系統流域耦合協調度評價結果與分析

4.1 能源主導下二元系統耦合協調度分析——時間維度

耦合協調等級劃分標準見表2，能源分別與環境、經濟、生態二元系統耦合協調情況見表3。

表2 耦合協調等級劃分標準

表3 能源分別與環境、經濟、生態二元系統耦合協調情況

2008—2009年能源－環境耦合協調等級達到良好協調，2011年后耦合協調情況迅速降低，2019年處于輕度失調。中期能源與環境子系統發展度差異較小，能源利用對于環境的影響還未顯現。近年來，黃河流域經濟粗放式的發展，導致能源需求量增大，對環境的破壞嚴重，流域脆弱的環境無法支撐能源粗放式的利用，環境承受過大壓力，導致環境子系統發展度迅速下降，進而使得能源與環境耦合協調度降低。

能源－經濟耦合協調狀態日趨優良，由2004年的中度失調增長為2019年的優質協調。后期能源與經濟的高度耦合協調表明，能源對于經濟具有顯著的促進作用，經濟對于能源量的增長具有拉動作用。

能源－生態耦合協調狀態的前期情況較差，以中度失調為主，后期達到優質協調。其與能源－經濟耦合協調水平的差異逐漸縮小，這種現象表明流域內能源利用率逐年提高，經濟效益逐年增加。

4.2 能源主導下二元系統耦合協調度分析——空間維度

對三組二元系統耦合協調度對比分析可看出，二元系統耦合協調等級最低的是能源－環境，中等的為能源－生態，最好為能源－經濟。

2019年黃河流域九省（區）能源與環境耦合協調等級見圖3。由圖3可見，黃河流域能源與環境整體耦合協調等級較低，陜西、甘肅、四川和青海耦合協調等級均處于失調等級。大多數省（區）的耦合協調等級與能源－生態相比差1～2個。

圖3 2019年黃河流域九省（區）能源與環境耦合協調等級

2019年黃河流域九省（區）能源與經濟耦合協調等級見圖4。由圖4可見，黃河流域整體能源與經濟耦合協調等級較高，寧夏與陜西耦合協調等級較低，河南處于良好協調等級，其他省（區）均為優質協調等級。寧夏與陜西處于黃土高原地帶，經濟發展相對緩慢，應當注重能源與經濟制約、發展的關系，增強能源對于經濟的促進作用。2019年河南耦合協調等級未達到優質協調的原因是該年能源消費彈性指數與2011—2018年相比出現較大漲幅，這反映出河南經濟結構的不合理性：經濟增長過度依賴能源消費。2019年河南第二產業比重與2014—2018年相比也有較大漲幅，二者共同導致2019年河南工業固體廢棄物產生量增加、工業廢氣廢水排放量增加、工業污染治理所需投資增加，對能源－經濟耦合協調度產生負面影響。

圖4 2019年黃河流域九省（區）能源與經濟耦合協調等級

2019年黃河流域九省（區）能源與生態耦合協調等級見圖5。由圖5可見，黃河流域能源與生態整體耦合協調較好，上游省份較好，中游省份較差，下游省份中河南屬于優質協調等級，而山東處于初級協調等級。山東耦合協調情況較差的主要原因在于其高耗水行業占比大、工業用水量逐年增加、非常規水利用率低，導致山東人均水資源量出現較大跌幅，對能源－生態耦合協調等級產生負面影響。

圖5 2019年黃河流域九省（區）能源與生態耦合協調等級

4.3 四元系統耦合復合協調度分析——時間維度

2004—2019年黃河流域能源與環境－經濟－生態耦合復合協調度發展情況見圖6。由圖6可見，能源與環境－經濟－生態耦合復合協調度整體呈增長趨勢，2004—2008年耦合復合協調度增速較緩；2008—2009年耦合復合協調度增速最快，耦合協調等級從輕度失調至初級協調，2009年后耦合復合協調度呈現波動上漲趨勢，2018年耦合復合協調度最高，達到優質協調等級。前期，高質量發展理念還未得到重視，能源、環境、經濟和生態各項發展度均較低；中期流域大力發展經濟，四元系統各項發展度同步提升，能源需求量仍較小，能源對于環境－經濟－生態發展的制約還不明顯。近年來，流域經濟粗放式的發展，能源需求量激增，相互制約關系日趨明顯，流域脆弱的生態系統無法支撐能源繼續粗放式的開采利用，環境壓力過大，導致環境與生態子系統發展度下降，使得能源與環境－經濟－生態耦合協調等級降低。

圖6 2004—2019年黃河流域能源與環境－經濟－生態耦合復合協調度發展情況

4.4 四元系統耦合協調度分析——空間維度

在空間維度演變中，2019年黃河流域九省（區）能源與環境－經濟－生態的耦合協調等級見圖7。青海、甘肅、四川、河南、山西和山東為優質協調，內蒙古為良好協調，寧夏和陜西為勉強協調，可見中游省（區）尚有較大提升空間，主要原因是其受我國的能源結構調整政策的影響，未能充分發揮其煤炭能源帶來的經濟優勢。

圖7 2019年黃河流域九省（區）能源與環境－經濟－生態的耦合協調等級

黃河流域九省（區）按其地理位置分為上游（青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古）、中游（陜西和山西）、下游（河南和山東），將各區域耦合協調度值進行加權平均可得到上、中、下游的耦合協調度。2004—2017年黃河流域上、中、下游的耦合協調度變化情況見圖8，從空間上來看，流域耦合協調度具有一定不平衡性，中、上游耦合協調度較高，下游耦合協調度最低；從時間上來看，流域耦合協調度具有一定階段性，2011年作為分水嶺，前期中游耦合協調度最高，且上、中、下游差異較大，后期下游耦合協調度提升較快，三者差異逐漸縮小。2009年之前，受西部大開發戰略的影響，中、上游耦合協調度有較快的增長。2011年為“十二五”規劃開局之年，規劃實施以來，九省（區）實施產業改革、生態保護和優化發展等措施，中、下游省份的耦合協調度改善情況最為明顯，呈現較快的增長趨勢。綜合來看，上、中、下游都呈增長趨勢，三者耦合協調度差異逐步縮小。

圖8 2004—2017年黃河流域上、中、下游能源－環境－經濟－生態耦合協調度

5 結論與優先發展策略

（1）由綜合發展度分析可知，黃河流域能源、環境、經濟和生態單因素變化規律在時間上具有階段性，2004—2011年為第一階段，環境子系統發展度最高，同其余子系統差距較大；2011—2014年為第二階段，各子系統間發展度差異不大；2014—2019年為第三階段，經濟子系統發展度最高，且同其他子系統存在明顯差距。

（2）在時間維度演變中，二元系統耦合協調情況表明，能源－環境耦合協調水平與其余各項相比表現較差，其2019年耦合協調度僅為0.315；耦合復合協調度呈逐年上升趨勢且升幅明顯。在空間維度演變中，二元系統耦合協調情況表明，耦合協調等級從高到低依次為能源－經濟、能源－生態和能源－環境，且能源－環境耦合等級總體較低。

（3）在時間維度演變中，從四元系統耦合協調時序發展狀態來看，耦合協調度整體呈增長趨勢，2004—2008年耦合協調度增速較緩，2008—2009年耦合協調度增速最快，2009年后耦合協調度總體呈現波動上漲趨勢，2018年耦合協調度最高。在空間維度演變中，九省（區）的能源與環境－經濟－生態、能源與環境、能源與經濟以及能源與生態的耦合協調情況差異明顯，中部部分省（區）尚有較大提升空間。黃河流域上、中、下游的耦合協調度表明，其在時空上具有顯著的階段性和不平衡性特征，中、上游耦合協調度較高，下游耦合協調度最低；2011年作為分水嶺，前期中游耦合協調度最高，且上、中、下游差異較大，后期下游耦合協調度提升較快，三者差異逐漸縮小。

根據研究結果，提出如下黃河流域九省（區）優先發展策略：

（1）黃河流域經濟粗放式發展導致環境子系統發展度不高，九省（區）要堅定高質量發展理念，推動產業綠色轉型，鼓勵第三產業和高新技術產業的發展，實施能源結構改革，降低煤炭消費量，提高天然氣在能源消耗中的占比，同時推動新能源的研發與應用。

（2）九省（區）應當在保持經濟平穩較快增長的同時，加快推動產業結構優化升級，實施藍天、碧水、鄉村清潔工程和城市河流清潔計劃。在能源上實施以電代油、以電代煤，減少化石能源的消耗。積極引導流域內工商業、企事業單位和城鄉居民實施電能替代，促進清潔電能消費。

（3）黃河流域地域遼闊，在自然條件、經濟和社會發展等方面差異較大，且大部分位于青藏高原和黃土高原等生態環境脆弱的區域，要統籌兼顧黃河流域的國土空間格局和生態環境格局，同時根據九省（區）的不同情況進行主體功能區劃研究，針對不同功能分區因地制宜、科學施策，差別化推進區域發展，提升環境治理能力。

（4）針對黃河流域發展不平衡問題，九省（區）應當從頂層設計上定好位、布好局，統籌謀劃區域協調發展，完善流域內毗鄰城市規劃對接機制、共治機制和協同機制。