湖北省用水效率-经济发展系统耦合协调发展研究

聂 晓，张 弢，冯 芳

(湖北文理学院 资源环境与旅游学院, 湖北 襄阳 441053)

提高水资源利用效率在很大程度上可以缓解水资源供需矛盾、减少水污染，而且，经济发展与水资源利用之间存在交互耦合关系[1,2]：一方面，水资源的需求量随着经济的快速发展而不断增加，水质也会因经济发展过程中产生的污染物而受到影响，但同时用水效率的提高和水环境的保护也得益于经济快速发展所提供的资金支持和技术保障；另一方面，用水效率的提高可以在一定程度上减少水需求和水污染，是保障水资源充足供应的重要途径，而充足的水资源供应是经济又快又好发展的基础。国内学者对用水效率与经济之间的关系的研究大多是针对用水效率的某一方面或某一要素与经济发展的关系开展研究[3-6]，如孙爱军等[3]基于耦合协调度模型分析了中国城市经济与用水技术效率之间的关系，贾绍凤等[5]基于用水库兹涅茨曲线研究了工业用水与经济发展之间的关系，潘安娥[6]等基于水足迹的视角开展了湖北省水资源利用与经济协调发展的“脱钩”分析。但鲜有基于系统论视角对用水效率与经济发展耦合协调的计量评价报道。

湖北地处长江经济带“龙腰”，也是我国“中部崛起”战略的支点、中心，随着经济的快速发展以及南水北调中线工程的实施，湖北水资源供需矛盾日益突出，水污染形势日益严峻[6,7]。而且，现有研究缺少对湖北省用水效率系统与经济发展系统交互影响方面的综合分析。在此背景下，本文在构建湖北省用水效率-经济发展系统耦合协调评价指标体系的基础上，基于耦合协调度模型，客观揭示湖北用水效率与经济发展之间的耦合关系及耦合协调水平，寻找水资源利用与经济协调可持续发展的薄弱环节，对针对性制定政策实现湖北省水资源与经济优质协调可持续发展具有重要意义。

1 研究方法及数据来源

1.1 用水效率-经济发展系统耦合协调评价指标体系

本文在参照前人研究成果[1, 8]的基础上，结合湖北省实际情况，建立湖北省用水效率—经济发展系统耦合协调评价指标体系(表1)。为了较全面系统地评价湖北省用水效率发展水平，反映工农业生产、生活及生态环境等对用水效率变化所起的作用，因此湖北省用水效率系统评价指标体系分别从综合、农业、工业和生态环境4个纬度选取12个指标；湖北省经济发展系统评价指标体系从经济发展规模和经济发展潜力2个维度选取8个指标。为避免主观判断对研究结果的影响，采用熵值法确定各指标权重和各子系统综合评价值。

表1 评价体系及指标权重Tab.1 Evaluation system and index weight

注：“+”表示正向指标，“-”表示负向指标。

1.2 数据来源及标准化处理

本文以湖北省为研究对象，选择2005-2016年12 a的面板数据开展分析。湖北省的相关经济发展数据来自于《湖北省统计年鉴》和《湖北年鉴》(2006-2017年)，湖北省的相关用水效率数据来源于《湖北省水资源公报》(2005-2016年)和湖北省水利厅的相关水资源统计数据。为避免指标原始数据量纲不同对评价结果的影响，首先对指标数据进行标准化处理。正向指标和负向指标的标准化计算公式分别为：

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

(1)

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

(2)

式中：x*是同向化后的标准值；xij、xjmin、xjmax分别是第j项指标的第i个样本值、第j项指标的最小样本值、第j项指标的最大样本值。

指标标准化后，结合指标权重进行加权求和，得到湖北省用水效率系统综合评价结果(用水效率指数R1)和经济发展系统综合评价结果(经济发展指数R2)。

1.3 耦合协调度模型

借鉴耦合系数模型，并参考相关文献[2]，得到用水效率-经济发展系统耦合度计算模型为：

(3)

式中：C为耦合度，C∈[0, 1]，C越大，系统耦合程度越好。

当C=0时，用水效率系统与经济发展系统内部要素无关；当C∈(0, 0.3]时，系统耦合水平低，用水效率水平和经济发展水平均较低，经济发展与用水效率相互作用不明显；当C∈(0.3, 0.5]时，系统处于拮抗阶段，用水效率提升的速度或超过或落后于经济发展速度，用水较为粗放；当C∈(0.5, 0.8]时，系统进入磨合阶段，经济稳步快速发展，并为水资源利用提供资金技术等的投入，带动用水效率的提升；当C∈(0.8, 1)时，系统进入高水平耦合阶段，经济又快又好发展，同时为用水效率提升提供更充足的资金和技术上的支撑，而用水效率的不断提升，也为经济的更快更好可持续发展提供更充足的水资源；C=1 时，用水效率系统与经济发展系统内部要素之间实现良性共振耦合，两者和谐共生。

为进一步评价用水效率与经济发展系统整体的耦合协调发展水平，选用耦合协调度模型[9]：

(4)

R=αR1+βR2

(5)

式中：D为耦合协调度；R为用水效率-经济发展系统的综合评价指数；α、β的取值采用等权重的处理方式，即α=β=0.5[10]。

为了直观地分析用水效率-经济发展系统的耦合协调水平，参考已有研究成果[9]，系统耦合协调类型按照表2进行分类。

2 结果与分析

2.1 湖北省用水效率系统发展水平评价

2016年，湖北省总用水量为281.97 亿m3，其中农业用水占47.4%，工业用水占32.4%，生活用水占20.2%。湖北是水稻主产区，农业需水量大，研究期内除了2016年，2005-2015年湖北省的农田灌溉亩均用水量均高于全国平均水平。另据统计，2016年全省农业有效灌溉系数为 0.505，低于全国平均水平0.542的水平；万元GDP用水量87 m3，略超过全国平均81 m3；万元工业增加值用水量74 m3，远超全国平均52.8 m3，这主要是由于湖北现行产业结构与布局主要依赖相对丰富的水资源而形成了高需水和耗水的沿江涉水产业发展模式[7]。

图1是湖北省用水效率系统评估指数的时序变化，图中结果显示，湖北省的用水效率指数在波动中呈现总体增加的趋势：2005-2011年，用水效率指数在波动中总体上不断提高，在2011年达到最大值；2012-2015年，随着经济的快速发展，用水效率指数又呈现略有降低的趋势，说明经济的快速发展对水资源的需求越来越大，水资源压力增大，用水效率亟待进一步提高；2016年，湖北省用水效率指数大幅度增加，达到研究期内的最大值，主要因为这一年的农业用水效率有较大幅度地提高，具体原因主要是农田灌溉亩均用水量较大幅度地下降，从2015年的430 m3减少到2016年的320 m3，这除了与湖北省节水农业的发展有关外，还可能与2016年的降水量异常丰沛有关，2016年湖北年均降雨量1 423.4 mm，显著高于多年平均降雨量1 166 mm，为研究期内的最大值，降水量的大幅度增加可能在一定程度上会减少灌溉用水量。从用水效率系统的4个纬度来看，湖北省综合用水效率趋于稳定，而农业、工业用水效率以及生态环境效率在波动中总体上呈现增长的趋势，其中农业用水效率增幅最大，工业用水效率增幅最小，说明湖北省的节水农业取得了一定的成效。

图1 湖北省用水效率系统评估指数变化Fig.1 Changes of water use efficiency system assessment index in Hubei Province

2.2 湖北省用水效率与经济发展耦合协调水平评价

图2为湖北省用水效率指数和经济发展指数的时序变化。由图2可知，2005-2016年湖北省用水效率指数存在较大地波动，2016年达到最大值0.826 5，经济发展指数则整体上呈现稳定的上升趋势，特别是2013年以来，湖北省经济发展呈现快速发展的趋势，说明湖北省经济发展态势良好，而用水则处于较为粗放的阶段，经济的快速发展是以沿江涉水产业的高耗水粗放用水为代价的。

图2 湖北省用水效率指数和经济发展指数的时序变化Fig.2 The evaluation index changes of water use efficiency and economic development in Hubei Province

图2还显示，2005-2012年，湖北省经济发展指数低于用水效率指数，经济发展速度相对滞后于用水效率的提高，说明此阶段经济发展对水资源的胁迫作用小，而用水效率的提高也没有创造出与之相符的经济价值；2013-2016年，随着经济的快速跨越式发展，湖北省用水效率指数开始低于经济发展指数，进入用水效率相对滞后阶段，且两者间的差距先增大后减小，这说明湖北省经济的快速跨越式发展是以相对高耗水损害水资源系统为代价的，而两者间的差距在2016年开始减小，说明湖北省在提升用水效率方面作出了一定的努力，2016年是实施“十三五”规划的第一年，湖北全面升级取水许可与水资源费征收管理内容，进一步规范取用水行为，并且根据水利部等9部委《关于印发“十三五”实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案的通知》要求，湖北省也实行了最新的最严格水资源管理制度考核内容，促进了湖北省各地区加快转变经济发展方式和提高水资源的利用效率。图3为湖北省用水效率-经济发展系统耦合度与耦合协调度变化趋势。由图3可知，2005-2016年间，湖北省用水效率—经济发展系统的耦合度在0.48～0.5之间波动，耦合水平处于拮抗阶段，用水效率提升的速度或超过或落后于经济发展速度，湖北省的水资源利用方式较为粗放。耦合度接近拐点值0.5也说明系统的耦合水平正向磨合阶段过渡。

图3 湖北省用水效率-经济发展系统耦合度与耦合协调度变化趋势Fig.3 The change trend of the coupling degree and coupling coordination degree of water use efficiency-economic development system in Hubei Provinc

图3也显示，湖北省用水效率-经济发展系统耦合协调度不断上升，但耦合协调程度总体上较低，最高仅达到初级协调类型(2016年)：2005-2010年，耦合协调度由0.263 2增加到0.481 7，耦合协调阶段从中度失调、低度失调发展为濒临失调，耦合协调水平不断提高，耦合协调类型从失调衰退类发展到过渡类型；2011-2016年，耦合协调度由0.520 8提高到0.651 8，耦合协调阶段从勉强耦合协调变为初级耦合协调，处于低度协调水平。湖北省用水效率—经济发展系统耦合协调水平虽然呈不断上升的趋势，但在 2016 年度也仅达到初级耦合协调，仍然处于低度协调类，这说明随着经济的高速发展，湖北省用水效率相对较低，水环境压力将不断增加，水资源瓶颈问题将日益凸显，因此若要实现用水效率—经济发展系统的优质协调发展，确保水资源与经济的可持续发展，湖北省应在经济快速发展的同时加快推动水资源的高效利用，鉴于工业用水的持续上升，在继续抓好农业这一用水大户的节水工程建设及节水技术推广的同时，应依托经济和科技的快速发展，加快推进工业节水技术改造，大力推广工业节水新工艺和新设备，并加快产业结构升级优化，大力发展循环绿色经济，实现水资源的高效循环利用。

3 结 语

本文首先对湖北省用水效率水平和经济发展水平进行系统综合地评价，然后基于耦合度和耦合协调度模型，对2005—2016年湖北省用水效率系统与经济发展系统的耦合度和耦合协调水平开展实证评价，结果表明：

(1)2005-2016年湖北省用水效率水平和经济发展水平总体上都呈上升趋势。其中，湖北省用水效率在波动中呈总体上升的趋势，水资源利用较为粗放，经济则呈现良好的上升态势，并且2013年以来，湖北省用水效率综合评价值一直低于经济发展水平，经济的快速发展是以相对地高耗水粗放用水为代价的。

(2)2005-2016年湖北省用水效率系统与经济发展系统耦合度一直接近拐点值0.5，处于拮抗阶段，并向磨合阶段过渡。耦合协调度不断上升，但耦合协调程度总体上较低，2016年也仅达到初级协调，处于向协调发展类过渡的阶段。

(3)随着湖北省经济社会的快速发展，需水量不断增大，经济的快速发展和水资源利用率的相对较低在一定程度上将增加水资源供给压力。为了避免因水资源短缺而制约经济发展的情况，实现水资源利用与经济的优质耦合协调发展，湖北省在提高水资源利用效率以及经济发展转型方面还需要做出更多的努力。文中未开展湖北省不同地区用水效率-经济发展系统的耦合协调水平评价，在接下来的工作中将重点开展湖北省用水效率-经济发展系统耦合协调水平的区域差异研究，为湖北省因地制宜地协调经济发展和水资源开发利用提供科学依据。