聶 曉，張 弢，馮 芳

(湖北文理學院 資源環(huán)境與旅游學院, 湖北 襄陽 441053)

提高水資源利用效率在很大程度上可以緩解水資源供需矛盾、減少水污染，而且，經(jīng)濟發(fā)展與水資源利用之間存在交互耦合關系[1,2]：一方面，水資源的需求量隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展而不斷增加，水質也會因經(jīng)濟發(fā)展過程中產(chǎn)生的污染物而受到影響，但同時用水效率的提高和水環(huán)境的保護也得益于經(jīng)濟快速發(fā)展所提供的資金支持和技術保障；另一方面，用水效率的提高可以在一定程度上減少水需求和水污染，是保障水資源充足供應的重要途徑，而充足的水資源供應是經(jīng)濟又快又好發(fā)展的基礎。國內學者對用水效率與經(jīng)濟之間的關系的研究大多是針對用水效率的某一方面或某一要素與經(jīng)濟發(fā)展的關系開展研究[3-6]，如孫愛軍等[3]基于耦合協(xié)調度模型分析了中國城市經(jīng)濟與用水技術效率之間的關系，賈紹鳳等[5]基于用水庫茲涅茨曲線研究了工業(yè)用水與經(jīng)濟發(fā)展之間的關系，潘安娥[6]等基于水足跡的視角開展了湖北省水資源利用與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的“脫鉤”分析。但鮮有基于系統(tǒng)論視角對用水效率與經(jīng)濟發(fā)展耦合協(xié)調的計量評價報道。

湖北地處長江經(jīng)濟帶“龍腰”，也是我國“中部崛起”戰(zhàn)略的支點、中心，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及南水北調中線工程的實施，湖北水資源供需矛盾日益突出，水污染形勢日益嚴峻[6,7]。而且，現(xiàn)有研究缺少對湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)交互影響方面的綜合分析。在此背景下，本文在構建湖北省用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調評價指標體系的基礎上，基于耦合協(xié)調度模型，客觀揭示湖北用水效率與經(jīng)濟發(fā)展之間的耦合關系及耦合協(xié)調水平，尋找水資源利用與經(jīng)濟協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，對針對性制定政策實現(xiàn)湖北省水資源與經(jīng)濟優(yōu)質協(xié)調可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調評價指標體系

本文在參照前人研究成果[1, 8]的基礎上，結合湖北省實際情況，建立湖北省用水效率—經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調評價指標體系(表1)。為了較全面系統(tǒng)地評價湖北省用水效率發(fā)展水平，反映工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活及生態(tài)環(huán)境等對用水效率變化所起的作用，因此湖北省用水效率系統(tǒng)評價指標體系分別從綜合、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境4個緯度選取12個指標；湖北省經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)評價指標體系從經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模和經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿?個維度選取8個指標。為避免主觀判斷對研究結果的影響，采用熵值法確定各指標權重和各子系統(tǒng)綜合評價值。

表1 評價體系及指標權重Tab.1 Evaluation system and index weight

注：“+”表示正向指標，“-”表示負向指標。

1.2 數(shù)據(jù)來源及標準化處理

本文以湖北省為研究對象，選擇2005-2016年12 a的面板數(shù)據(jù)開展分析。湖北省的相關經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)來自于《湖北省統(tǒng)計年鑒》和《湖北年鑒》(2006-2017年)，湖北省的相關用水效率數(shù)據(jù)來源于《湖北省水資源公報》(2005-2016年)和湖北省水利廳的相關水資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為避免指標原始數(shù)據(jù)量綱不同對評價結果的影響，首先對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理。正向指標和負向指標的標準化計算公式分別為：

x*=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(1)

x*=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(2)

式中：x*是同向化后的標準值；xij、xjmin、xjmax分別是第j項指標的第i個樣本值、第j項指標的最小樣本值、第j項指標的最大樣本值。

指標標準化后，結合指標權重進行加權求和，得到湖北省用水效率系統(tǒng)綜合評價結果(用水效率指數(shù)R1)和經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)綜合評價結果(經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)R2)。

1.3 耦合協(xié)調度模型

借鑒耦合系數(shù)模型，并參考相關文獻[2]，得到用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合度計算模型為：

(3)

式中：C為耦合度，C∈[0, 1]，C越大，系統(tǒng)耦合程度越好。

當C=0時，用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)內部要素無關；當C∈(0, 0.3]時，系統(tǒng)耦合水平低，用水效率水平和經(jīng)濟發(fā)展水平均較低，經(jīng)濟發(fā)展與用水效率相互作用不明顯；當C∈(0.3, 0.5]時，系統(tǒng)處于拮抗階段，用水效率提升的速度或超過或落后于經(jīng)濟發(fā)展速度，用水較為粗放；當C∈(0.5, 0.8]時，系統(tǒng)進入磨合階段，經(jīng)濟穩(wěn)步快速發(fā)展，并為水資源利用提供資金技術等的投入，帶動用水效率的提升；當C∈(0.8, 1)時，系統(tǒng)進入高水平耦合階段，經(jīng)濟又快又好發(fā)展，同時為用水效率提升提供更充足的資金和技術上的支撐，而用水效率的不斷提升，也為經(jīng)濟的更快更好可持續(xù)發(fā)展提供更充足的水資源；C=1 時，用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)內部要素之間實現(xiàn)良性共振耦合，兩者和諧共生。

為進一步評價用水效率與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)整體的耦合協(xié)調發(fā)展水平，選用耦合協(xié)調度模型[9]：

(4)

R=αR1+βR2

(5)

式中：D為耦合協(xié)調度；R為用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)；α、β的取值采用等權重的處理方式，即α=β=0.5[10]。

為了直觀地分析用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調水平，參考已有研究成果[9]，系統(tǒng)耦合協(xié)調類型按照表2進行分類。

2 結果與分析

2.1 湖北省用水效率系統(tǒng)發(fā)展水平評價

2016年，湖北省總用水量為281.97 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水占47.4%，工業(yè)用水占32.4%，生活用水占20.2%。湖北是水稻主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)需水量大，研究期內除了2016年，2005-2015年湖北省的農(nóng)田灌溉畝均用水量均高于全國平均水平。另據(jù)統(tǒng)計，2016年全省農(nóng)業(yè)有效灌溉系數(shù)為 0.505，低于全國平均水平0.542的水平；萬元GDP用水量87 m3，略超過全國平均81 m3；萬元工業(yè)增加值用水量74 m3，遠超全國平均52.8 m3，這主要是由于湖北現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)結構與布局主要依賴相對豐富的水資源而形成了高需水和耗水的沿江涉水產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式[7]。

圖1是湖北省用水效率系統(tǒng)評估指數(shù)的時序變化，圖中結果顯示，湖北省的用水效率指數(shù)在波動中呈現(xiàn)總體增加的趨勢：2005-2011年，用水效率指數(shù)在波動中總體上不斷提高，在2011年達到最大值；2012-2015年，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，用水效率指數(shù)又呈現(xiàn)略有降低的趨勢，說明經(jīng)濟的快速發(fā)展對水資源的需求越來越大，水資源壓力增大，用水效率亟待進一步提高；2016年，湖北省用水效率指數(shù)大幅度增加，達到研究期內的最大值，主要因為這一年的農(nóng)業(yè)用水效率有較大幅度地提高，具體原因主要是農(nóng)田灌溉畝均用水量較大幅度地下降，從2015年的430 m3減少到2016年的320 m3，這除了與湖北省節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展有關外，還可能與2016年的降水量異常豐沛有關，2016年湖北年均降雨量1 423.4 mm，顯著高于多年平均降雨量1 166 mm，為研究期內的最大值，降水量的大幅度增加可能在一定程度上會減少灌溉用水量。從用水效率系統(tǒng)的4個緯度來看，湖北省綜合用水效率趨于穩(wěn)定，而農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水效率以及生態(tài)環(huán)境效率在波動中總體上呈現(xiàn)增長的趨勢，其中農(nóng)業(yè)用水效率增幅最大，工業(yè)用水效率增幅最小，說明湖北省的節(jié)水農(nóng)業(yè)取得了一定的成效。

圖1 湖北省用水效率系統(tǒng)評估指數(shù)變化Fig.1 Changes of water use efficiency system assessment index in Hubei Province

2.2 湖北省用水效率與經(jīng)濟發(fā)展耦合協(xié)調水平評價

圖2為湖北省用水效率指數(shù)和經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)的時序變化。由圖2可知，2005-2016年湖北省用水效率指數(shù)存在較大地波動，2016年達到最大值0.826 5，經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)則整體上呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢，特別是2013年以來，湖北省經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，說明湖北省經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢良好，而用水則處于較為粗放的階段，經(jīng)濟的快速發(fā)展是以沿江涉水產(chǎn)業(yè)的高耗水粗放用水為代價的。

圖2 湖北省用水效率指數(shù)和經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)的時序變化Fig.2 The evaluation index changes of water use efficiency and economic development in Hubei Province

圖2還顯示，2005-2012年，湖北省經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)低于用水效率指數(shù)，經(jīng)濟發(fā)展速度相對滯后于用水效率的提高，說明此階段經(jīng)濟發(fā)展對水資源的脅迫作用小，而用水效率的提高也沒有創(chuàng)造出與之相符的經(jīng)濟價值；2013-2016年，隨著經(jīng)濟的快速跨越式發(fā)展，湖北省用水效率指數(shù)開始低于經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)，進入用水效率相對滯后階段，且兩者間的差距先增大后減小，這說明湖北省經(jīng)濟的快速跨越式發(fā)展是以相對高耗水損害水資源系統(tǒng)為代價的，而兩者間的差距在2016年開始減小，說明湖北省在提升用水效率方面作出了一定的努力，2016年是實施“十三五”規(guī)劃的第一年，湖北全面升級取水許可與水資源費征收管理內容，進一步規(guī)范取用水行為，并且根據(jù)水利部等9部委《關于印發(fā)“十三五”實行最嚴格水資源管理制度考核工作實施方案的通知》要求，湖北省也實行了最新的最嚴格水資源管理制度考核內容，促進了湖北省各地區(qū)加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式和提高水資源的利用效率。圖3為湖北省用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調度變化趨勢。由圖3可知，2005-2016年間，湖北省用水效率—經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合度在0.48～0.5之間波動，耦合水平處于拮抗階段，用水效率提升的速度或超過或落后于經(jīng)濟發(fā)展速度，湖北省的水資源利用方式較為粗放。耦合度接近拐點值0.5也說明系統(tǒng)的耦合水平正向磨合階段過渡。

圖3 湖北省用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調度變化趨勢Fig.3 The change trend of the coupling degree and coupling coordination degree of water use efficiency-economic development system in Hubei Provinc

圖3也顯示，湖北省用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調度不斷上升，但耦合協(xié)調程度總體上較低，最高僅達到初級協(xié)調類型(2016年)：2005-2010年，耦合協(xié)調度由0.263 2增加到0.481 7，耦合協(xié)調階段從中度失調、低度失調發(fā)展為瀕臨失調，耦合協(xié)調水平不斷提高，耦合協(xié)調類型從失調衰退類發(fā)展到過渡類型；2011-2016年，耦合協(xié)調度由0.520 8提高到0.651 8，耦合協(xié)調階段從勉強耦合協(xié)調變?yōu)槌跫夞詈蠀f(xié)調，處于低度協(xié)調水平。湖北省用水效率—經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調水平雖然呈不斷上升的趨勢，但在 2016 年度也僅達到初級耦合協(xié)調，仍然處于低度協(xié)調類，這說明隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，湖北省用水效率相對較低，水環(huán)境壓力將不斷增加，水資源瓶頸問題將日益凸顯，因此若要實現(xiàn)用水效率—經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的優(yōu)質協(xié)調發(fā)展，確保水資源與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，湖北省應在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時加快推動水資源的高效利用，鑒于工業(yè)用水的持續(xù)上升，在繼續(xù)抓好農(nóng)業(yè)這一用水大戶的節(jié)水工程建設及節(jié)水技術推廣的同時，應依托經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，加快推進工業(yè)節(jié)水技術改造，大力推廣工業(yè)節(jié)水新工藝和新設備，并加快產(chǎn)業(yè)結構升級優(yōu)化，大力發(fā)展循環(huán)綠色經(jīng)濟，實現(xiàn)水資源的高效循環(huán)利用。

3 結 語

本文首先對湖北省用水效率水平和經(jīng)濟發(fā)展水平進行系統(tǒng)綜合地評價，然后基于耦合度和耦合協(xié)調度模型，對2005—2016年湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合度和耦合協(xié)調水平開展實證評價，結果表明：

(1)2005-2016年湖北省用水效率水平和經(jīng)濟發(fā)展水平總體上都呈上升趨勢。其中，湖北省用水效率在波動中呈總體上升的趨勢，水資源利用較為粗放，經(jīng)濟則呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢，并且2013年以來，湖北省用水效率綜合評價值一直低于經(jīng)濟發(fā)展水平，經(jīng)濟的快速發(fā)展是以相對地高耗水粗放用水為代價的。

(2)2005-2016年湖北省用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合度一直接近拐點值0.5，處于拮抗階段，并向磨合階段過渡。耦合協(xié)調度不斷上升，但耦合協(xié)調程度總體上較低，2016年也僅達到初級協(xié)調，處于向協(xié)調發(fā)展類過渡的階段。

(3)隨著湖北省經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，需水量不斷增大，經(jīng)濟的快速發(fā)展和水資源利用率的相對較低在一定程度上將增加水資源供給壓力。為了避免因水資源短缺而制約經(jīng)濟發(fā)展的情況，實現(xiàn)水資源利用與經(jīng)濟的優(yōu)質耦合協(xié)調發(fā)展，湖北省在提高水資源利用效率以及經(jīng)濟發(fā)展轉型方面還需要做出更多的努力。文中未開展湖北省不同地區(qū)用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調水平評價，在接下來的工作中將重點開展湖北省用水效率-經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調水平的區(qū)域差異研究，為湖北省因地制宜地協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展和水資源開發(fā)利用提供科學依據(jù)。