水資源利用效率與經濟高質量發展的耦合協調研究
——基于黃河流域河南段供水區的實證分析

李 倩,李 倫

(1.河南開放大學 建筑工程與智能建造學院,鄭州 450008; 2.河南省農村供水總站,鄭州 450003)

0 引言

黃河流域在河南省發展戰略布局中具有重要地位,河南省18個城市中有14個使用黃河水。2021年省轄黃河流域總供水量46.19億m3,占全省供水總量的20.7%,供水涉及面積占河南省總面積的62.3%,惠及全省約74.6%的人口并滿足77.5%的經濟發展需求。15年來,黃河流域水資源開發利用率嚴重超出警戒線,高達76%,水資源量減少17.6%。在嚴格管控水資源的背景下其用水總量減少13.3%,但總體上供需矛盾仍比較突出。本研究數據來源于2006—2022年河南省水資源公報、河南統計年鑒、河南省環境統計年報,缺失數據采用外延法進行插補[1]。為深入分析黃河流域河南段水資源利用效率與經濟高質量發展的耦合協調關系,選擇14個供水區作為研究對象[2]。把水資源作為最大的剛性約束,加快推進水資源節約集約利用,是黃河流域實現經濟高質量發展的現實要求和必然選擇[3]。黃河流域經濟高質量發展背景下,必須認真對待水資源利用效率與經濟高質量發展間的協調關系,緩解經濟發展與水資源消耗之間的矛盾。

1 指標體系構建

參考已有研究,結合可持續發展、高質量發展理念,構建水資源利用效率評價指標體系[4](見表1)和經濟高質量發展評價指標體系[5](見表2)。

表1 水資源利用效率指標體系Tab.1 Water resources utilization efficiency index system

表2 經濟高質量發展指標體系Tab.2 High quality economic development index system

為消除量綱影響,對數據做如下處理:

正向指標(越大越優):

(1)

負向指標(越小越優):

(2)

式中,xij表示第i年第j項指標的數值,max{xj}、min{xj}分別為第j項指標的最大值和最小值,Xij為標準化的數據。i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

熵權法是客觀賦權法,本研究利用信息熵工具計算出各個指標的權重,為后續評價提供依據,過程如下:

計算第i個樣本的第j項指標Xij占該指標的比重yij,得到比重矩Y=(yij)m×n。

(3)

計算第j項指標的信息熵:

(4)

式中,K=1/lnn為非負數,0≤ej≤1;且規定當yij=0時,yijlnyij=0。

計算第j項指標的信息冗余度:

dj=1-ej

(5)

計算第j項指標的權重:

(6)

2 模型構建

2.1 綜合評價模型

在數據標準化及權重計算的基礎上,利用綜合評價模型衡量水資源利用效率和經濟高質量發展水平[6]。

水資源利用效率的綜合得分U:

(7)

經濟高質量發展的綜合得分V:

(8)

式中,wj為第j項指標的權重。

2.2 耦合協調模型

水資源利用效率與經濟高質量發展水平的耦合度計算公式如下[7]:

(9)

式中,C為耦合度,取值0～1,越接近1說明二者間的相互關系越緊密協調;反之越不協調。雖然C可以反映兩系統相互依賴的程度,但難以反映二者間的協調效應,故此構建了耦合協調度模型:

(10)

式中,D為耦合協調度,取值0～1,D值越大說明二者的耦合關系越和諧;反之越不和諧,需提升水平低一方的發展;T為二者之間的綜合協調指數。因經濟高質量發展與水資源利用效率同等重要,故取待定系數α=β=1/2。借鑒已有成果,將耦合協調發展分為極度失調、嚴重失調等10個等級。

為分析二者之間的相對發展程度,參考相關文獻引入相對發展模型,公式如下:

E=V/U

(11)

式中,E為水資源利用效率與經濟高質量發展系統的相對發展系數。借鑒已有成果,將相對發展度分為經濟高質量發展滯后于水資源利用效率、經濟高質量發展同步于水資源利用效率、經濟高質量發展超前于水資源利用效率三個等級。

3 實證結果

3.1 綜合評價

在對評價指標數據進行標準化處理的基礎上,依據公式(3)～(6)計算指標權重,運用公式(7)和(8)計算鄭州等14市2006—2021年水資源利用效率和經濟高質量發展的綜合評價得分,計算結果如表3、表4所示[8]。

表3 水資源利用效率綜合評價得分Tab.3 Comprehensive evaluation score of water resource utilization efficiency

2006—2021年,黃河流域河南段水資源利用效率整體呈波動上升發展趨勢,且鄭州等14市水資源利用效率區域差異逐漸減小。其中,安陽市政府加大了對科研經費的支出,改變了以鋼鐵、煤化工、冶金等傳統工業為主的發展模式,使萬元GDP用水量大幅下降,工業用水占比逐年降低,提高了水資源利用效率,多年平均值最大;三門峽對水資源實行科學規劃、依法管理,嚴格控制開發利用率,也逐漸提高了水資源利用效率;新鄉、鶴壁、開封、商丘、周口、濮陽、濟源等城鎮化水平偏低,仍以農業發展為主,用水占比高達60%～70%,需要不斷調整優化其產業結構,提高科研水平,促進水資源利用效率的全面提升;洛陽、平頂山、許昌經濟發展態勢較好,能夠以資源帶動經濟發展,工業用水占比均在40%左右,但其人口基數大,水資源總量相對較少,給水資源的使用帶來了較大的壓力,需進一步優化產業發展結構。

2006—2021年黃河流域河南段經濟高質量發展水平整體呈上升發展趨勢,但鄭州等14市經濟高質量發展仍存在區域差異性。從發展水平來看,鄭州市發展水平最高,周口市最低,主要原因在于鄭州市大力實施創新驅動戰略,大力發展都市農業,構建了現代化產業體系;新鄉創建了高新技術產業基地,加大了科研經費投入,科技創新成效顯著;安陽是老工業城市,第二產業仍是其經濟發展的主引擎,但受資源影響,經濟發展速度放慢;許昌憑借超硬材料、輸變電裝備等主導產業快速發展,但其發展的時間短,經驗少,尚未形成產業鏈配套的企業群,產業發展空間受限,經濟發展緩慢;鶴壁、商丘、周口是農業區,經濟體量較少,發展較慢。從發展增速來看,焦作對旅游業、工業等產業進行了轉型升級,優勢產業和主導產業能夠相互扶持,共同發展,年均增長率最高;三門峽市創新能力較弱,產業結構轉換能力有限,綜合競爭力總體上不強,年均增長率最低。

3.2 耦合協調關系

在對水資源利用效率、經濟高質量發展進行綜合評價的基礎上,運用公式(9)～(11)計算鄭州等14市2006—2021年水資源利用效率與經濟高質量發展之間的耦合度、耦合協調度和相對發展度,其二者間的耦合協調關系詳見圖1[8]。

圖1 鄭州等14市水資源利用效率與經濟高質量發展的年耦合協調度Fig.1 Annual coupling coordination degree of utilization efficiency of water resources and high quality economic development in 14 cities, such as Zhengzhou

2006—2021年,鄭州等14市兩系統間的耦合協調度呈上升趨勢,協調度越來越高。結合劃分等級可知,鄭州等14市經歷了從輕度失調、瀕臨失調并存向良好協調、優質協調的轉化和發展。2006年,鄭州、開封等10市的水資源利用效率與經濟高質量發展處于瀕臨失調階段,洛陽、安陽、新鄉、焦作處于輕度失調階段。從經濟規模結構來看,第二產業比重、GDP水平、科研水平會影響二者的協調發展情況,如安陽的第二產業占比相對較高,但節水技術一般,導致水資源利用效率和經濟高質量發展的耦合協調度不高;焦作水資源利用效率較高,但GDP偏低,也會影響其耦合協調度。2012年,除鄭州跨越到中級協調階段,其他13個市仍處于水資源利用效率和經濟高質量發展的初級協調階段,這主要得益于鄭州是省會城市,能夠快速響應發展需求,其耦合協調度增長幅度較大。2018年,為了踐行高質量發展理念,優化經濟結構,大多城市開始注重新興產業集群發展和創新發展,使得經濟發展水平不斷提高,水資源消耗總量不斷減少,總體態勢良好,開封、安陽的水資源利用效率和經濟高質量發展處于良好協調階段,鄭州、洛陽等9市處于中級協調階段,濮陽等3市處于初級協調階段。2021年,河南省各市總體協調性向更高的程度發展,鄭州、開封等8市已邁入水資源利用效率與經濟高質量發展優質協調階段,安陽、濮陽等6市處于良好階段。

2006—2021年,黃河流域河南段相對發展度年際變化較大,表示經濟高質量發展、水資源利用效率同步發展趨勢不穩定。2006—2010年,經濟高質量發展滯后于水資源利用效率,水資源使用過度。2011—2018年,經濟高質量發展同步于水資源利用效率,處于良好協調階段,有向優質協調階段提升的空間。2019年以來,黃河流域河南段兩系統同步發展但仍不穩定,經濟高質量發展超前于水資源利用效率,有待進一步優化產業結構,強化節水技術,提升水資源利用效率。詳見圖2。

圖2 水資源利用效率、經濟高質量發展及相對發展度的變化趨勢Fig.2 Changing trend of water resource utilization efficiency, high quality economic development and relative development degree

4 結論

2006—2021年,黃河流域河南段水資源利用效率呈波動上升趨勢。其中,2006—2011年水資源利用比較平穩,利用效率維持在0.37左右。2012—2013年,經濟水平、城鎮化水平快速發展,給水資源利用帶來一定壓力,利用效率呈下降趨勢。2014年,隨著水資源管理制度開始實施,到2021年利用效率呈穩定增長趨勢,利用效率達到0.77,但仍有提升空間。

2006—2021年,黃河流域河南段經濟高質量發展水平呈上升趨勢。其中,2006—2010年經濟發展相對緩慢;2011—2021年,隨著產業核心競爭力的不斷提高,其經濟高質量發展評分從0.14提升到0.84,其中鄭州最高,周口最低。

2006—2021年,黃河流域河南段水資源利用效率與經濟高質量發展之間的耦合度呈上升趨勢,多年的耦合度平均值為0.985,處于高水平耦合階段,說明水資源利用效率與經濟高質量發展之間的關系十分緊密。

2006—2021年,黃河流域河南段水資源利用效率與經濟高質量發展之間的耦合協調度呈上升趨勢,說明二者之間的協調度越來越高。自2016年以來,經歷了“瀕臨失調-勉強協調-初級協調-中級協調-良好協調”五個階段;到2021年,除安陽、濮陽、許昌、三門峽、商丘、周口6市處于良好協調階段外,其他8市全部進入優質協調階段。

黃河流域經濟高質量發展是一個巨大且復雜的工程,但本研究僅對水資源系統進行了分析,有待進一步考慮納入城市系統、環境系統等更多因素。此外沒有預測未來水資源利用和經濟發展的情況,下一步有待加入預測分析模型,便于為黃河流域高質量發展提供更多參考。

雖然黃河流域河南段各供水區都進入了良好協調階段,系統也逐漸趨于優化發展,但結合經濟高質量發展和水資源利用效率的綜合評分來看,還有提升的空間。為充分挖掘促進水資源利用效率和經濟高質量發展水平提升的因素,建議后續采用障礙度模型進行分析,為精準提出發展建議提供科學依據。