我国水资源开发利用与经济高质量发展耦合协调时空分异研究

李 锋，马寅涵

(河海大学商学院，江苏 南京 211100)

水资源作为国家战略性资源，对支撑我国经济高质量发展和维系社会安全稳定起到至关重要的作用[1-2]。然而，随着经济持续增长和城市化的快速推进，我国在水资源管理方面面临供需失衡、生态环境恶化、区域间发展不协同等问题，水资源开发利用与经济时空发展不平衡不协调的问题日益显现[3]。因此，探究我国水资源开发利用和经济高质量发展时空协调关系，挖掘经济增长和资源利用之间的内在关联，成为我国步入经济社会发展新阶段的一大迫切要求。

长期以来，学者们对于资源利用和经济增长协调发展的问题进行着多元化的探索，起初研究多以定性分析为主，后随着相关计量模型和协调性理论的开发、完善和应用，现阶段形成了以定量分析为主的研究趋势[4-8]。同时，随着经济社会的快速发展和进步，资源利用的方式也不断变化，水资源作为地球最重要的自然资源之一，其与经济发展的时空协调关系逐渐成为近年来学者们关注的热点[9]。余灏哲等[10]采用灰色关联法,探讨了水资源利用类型与城市经济发展指标之间的关联程度，并利用二次回归模型分析了城市经济发展与生活用水量之间的时空协调关系。韩雁等[11]以张家口为例,采用洛伦兹基尼系数和不均衡指数模型对水资源与社会经济发展要素的时空匹配特征进行研究。张国兴等[12]采用类似方法研究了中国水资源总量和经济生产总值的时空匹配特征。上述研究虽然从时空双维度探究了水资源和经济发展的关系，但并未定量刻画出同一地区的时空演化趋势和不同地区的时空变化差异。因此，学术界不乏更深入的探讨。郝林钢等[13]基于数列的匹配度计算方法,分别计算了中亚各国水资源利用与经济社会发展在时间和空间上的匹配度。喻笑勇[14]对水资源综合水平与社会经济水平协调发展度的时间序列变化与空间分异特征进行定量计算和系统性、耦合性分析。卢亚丽等[15]对长江经济带生态足迹与生态承载力进行研究,并用GIS可视化揭示和探讨长江经济带水资源时空特征。上述研究实现了对不同地区水资源和经济两系统关系的定量时空分异刻画，但对于区域间两者协调发展程度的时空相关性及其影响因素没有作进一步探讨。在新的国际局势下，习近平总书记提出构建“双循环”新发展格局，学者们也对中国经济发展的新阶段新方向展开了进一步研究[16-19]，但鲜有学者就水资源和经济高质量发展的时空协调关系展开研究。

基于此，本文基于压力-状态-响应(PSR)模型，科学构建水资源开发利用指标体系和经济高质量发展指标体系，建立耦合协调度模型，结合空间计量方法对水资源开发利用和经济高质量发展两系统耦合协调关系进行时空分异及其影响因素的研究，试图厘清两者时空关系呈现出的客观规律和特性，为解决我国水资源和经济发展失调问题寻找现实依据。

1 评价模型构建

1.1 水资源开发利用评价指标体系

PSR模型是由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)开发，用于研究与资源环境可持续发展相关问题的理论模型，该模型探讨了压力、状态、响应3个层面之间相互作用的因果联系和作用机理。压力层反映了人类和社会活动对环境的影响；状态层反映了在多种因素的作用下，环境当前表现出的状态和特征；响应层反映了人类社会为促进生态自然平衡发展所做出的努力。Wang等[20]运用PSR模型和变异系数法，建立水资源可持续性评价指标体系。Liu等[21]构建城市水资源承载力评价指标体系，结合城市发展状况评估其城市水资源承载力。除上述水生态方面的应用，PSR模型还被学者广泛应用于其他领域的研究[22-26]，提升了PSR模型的运用范围和运用价值。

本文基于PSR模型理论，构建水资源开发利用PSR模型作用框架图(图1)，并以此框架为依据，参考Wang等[20]建立的水资源利用评价指标体系，分别选取3个层面具有代表性的指标，建立水资源利用率评价指标体系(表1)。在压力层方面，从农业、工业、生活用水3个方面选取指标，由于江苏、上海本地水资源缺乏、过境水丰沛，基于本地水资源量计算的水资源开发利用率在全国各地区间差距过大，会对实际用水情况产生较大误解，因此选用人均用水量替代。农业用水的指标选用农田灌溉亩均用水量，其变化趋势能够反映农业用水利用效率的变化，万元GDP用水量和万元工业增加值用水量能够进一步反映水资源有效开发利用程度和管理水平。在状态层方面，需要体现出地区水资源规模和水生态环境的特征，水资源规模通常采用人均水资源量、区域水资源总量来衡量，水生态环境参照《美丽中国建设评估指标体系及实施方案》中生态良好类指标，由于森林在生态系统具有多重生态功效，因此选用森林覆盖率作为指标具有较强的可行性和代表性。在响应层方面，同样参照《美丽中国建设评估指标体系及实施方案》和《实行最严格水资源管理制度考核办法》中的考核项，与压力层和状态层中的指标相对应，选取造林面积、水土流失治理面积反映针对地区水资源禀赋特征以及水生态环境遭到破坏后国家社会做出的响应和决策，采用污水处理率衡量面对压力层负面影响时系统的净化效率。

图1 水资源PSR模型作用框架

表1 水资源开发利用评价指标体系

1.2 经济高质量发展评价指标体系

综合现有经济高质量发展指标体系的研究成果[27-31]，在准确把握经济高质量发展内涵和深入理解“五大发展理念”的基础上，借鉴马茹等[27-30]的测度指标体系，从创新、协调、绿色、开放、共享5个维度来构建经济高质量发展指标体系(表2)。在创新发展方面，分别以R&D经费投入强度、万人专利授权量和技术市场成交额占GDP之比来衡量创新投入、产出和贡献；在协调发展方面，用城镇化率、城乡居民人均收入比和第三产业增加值比例来刻画城镇化水平、城乡差距和产业结构；在绿色发展方面，通过单位GDP废气排放量、生活垃圾无害化处理率和单位GDP能耗反映环境污染程度、生态治理能力和资源消耗状态；在开放发展方面，通过旅游、外资、外贸对GDP的贡献等角度来反映；在共享发展方面，从消费价格指数、医疗保障、教育投入角度进行评估。

表2 经济高质量发展评价指标体系

1.3 组合赋权法

指标体系建立完毕后需要对各项指标赋权，权重计算的方法大体可分为主观和客观两类，由于主观赋权法存在一定的随意性，而客观赋权法的计算结果又容易与实际产生偏差，所以采用组合赋权的方法，一方面保留决策的主观偏好，另一方面提高了赋权的可靠性和客观性[32]。文中，主观赋权采用层次分析法，客观赋权采用熵值法,具体方法和计算公式参考文献[33-34]。

在进行层次分析法赋权时，为保证主观赋权的专业性和真实性，邀请5位在水资源配置、流域防灾、水环境保护等领域从事科研管理的专家，以及7位从事经济管理类研究的专家，对两系统指标的重要程度进行匿名打分，以构建判断矩阵。

在用熵值法计算权重前，为避免数据单位各不统一产生的量纲影响，进行正负向标准化处理，正向指标、负向指标标准化处理公式分别为

(1)

(2)

式中：Xij为第i年第j个指标；Xmax、Xmin分别为指标Xij的最大值和最小值。

根据以上两种方法计算出主观权重α和客观权重β后，使用组合权重法计算综合权重，作为最终指标的权重w，计算公式如下[35]：

(3)

式中：αnj、βnj分别为由主观赋权法、客观赋权法计算出的第n个系统第j个指标的权重，每个系统共有m个指标，最终计算结果如表1、表2所示。完成指标权重的计算后，计算出两系统综合发展水平指数U，公式如下：

(4)

1.4 耦合协调度模型

耦合反映的是系统内要素间相互作用相互联系的一种状态[36]。耦合度是用来刻画系统间联系的紧密程度的，而协调则是当系统内要素间耦合关系达到一定和谐程度所表现出的优质发展状态[37]，因此模型中用耦合协调度来衡量要素间耦合关系达到这种协调发展的不同阶段和程度(表3)，耦合协调度模型如式(5)～(7)所示[38-39]：

(5)

T=0.5U1+0.5U2

(6)

(7)

表3 耦合协调度等级划分标准

式中：C、T、D分别为耦合度、多系统综合协调指数和耦合协调度；U1，U2分别为两子系统的综合发展水平指数。

1.5 空间依赖性检验

空间依赖性是指相邻区域间的某一经济地理属性特征或现象存在一定程度的相关性，邻域间的空间面板数据也可能存在某种特定的函数关系[40]。空间计量经济学中经常采用莫兰指数进行检验，计算公式为

(8)

(9)

(10)

式中：I为莫兰指数；x、y分别为相邻地区的序号；Wxy为区域x的邻近区域y(y≠x)的空间权重；S2为样本方差；Z为标准化的检验统计量，用于检验I在不同置信水平下的显著性；IE为I的期望值；VAR(I)为I的方差。I的取值范围为[-1,1]，当I>0时，说明相邻区域间的指标属性特征呈现正相关性，且数值越大正相关性越强；I=0，说明区域间各项指标没有明显的相关性，互相独立存在；I<0，说明区域间的指标属性特征呈现负相关性。最终根据Z值的显著性水平来判定是否存在明显的空间相关性。

1.6 空间计量模型

空间计量模型是在普通的面板模型中加入空间扰动项，以探究解释和被解释变量在空间维度下产生的作用和影响[41]，根据空间扰动项特征的不同，主要分为3种空间计量模型，分别为空间滞后模型(SAR)、空间误差模型(SEM)和空间杜宾模型(SDM)。

借鉴相关对于资源和经济协调关系进行影响因素分析的研究成果[43-46],本文考虑从经济发展水平、水资源禀赋、就业结构、科技进步水平和环境规制5个方面选取解释变量。具体来说，用人均GDP代表经济发展水平，经济发展水平的提升有助于提升当地水资源管理能力和技术水平，从而提高两系统的协调发展水平；用人均水资源量代表水资源禀赋，由于地区不同的水资源禀赋水平使得区域间用水效率产生差异，因此对水资源利用和经济的协调发展造成影响；用第三产业就业人员比例代表就业结构，第三产业是我国三次产业中耗水量最少的产业，第三产业就业人员比例的提高不仅意味着经济更高质量发展，同时意味着水资源利用效率的提升；用科技支出占财政支出比例来衡量科技进步水平，科技进步一方面加速创新，促进经济高质量发展，另一方面提高水资源利用效率、降低开发成本；用污染治理投资占GDP之比来衡量环境规制水平，环境规制是新时代经济绿色可持续发展的一大有力举措，在减少水污染的同时促进资源可持续开发利用。

为确定合适的空间计量模型，本文参考Elhorst[42]的方法，对解释和被解释变量分别进行LM检验、Hausman检验和LR检验，为避免异方差影响，将变量取自然对数，结果表明选取时间空间双固定效应的SDM最优，公式如下：

Dxt=δWxyDxt+φ+γlnz+θWxylnz+
cx+∂t+εxt

(11)

式中：Dxt为被解释变量耦合协调度；δ为空间回归系数，表示相邻地区被解释变量对本地区被解释变量的影响程度;φ为常数项；γ为解释变量的回归系数；z为解释变量；θ为解释变量的空间滞后项系数，表示相邻地区解释变量对本地区解释变量的影响程度；cx和∂t分别为区域x与t时刻的截距项；εxt为误差项。

1.7 数据来源

选取全国31个省、自治区、直辖市作为样本，数据源自2011—2020年《中国水资源公报》《国民经济和社会发展统计公报》《中国生态环境状况公报》《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》、各省(区、市)统计年鉴等。少量指标存在个别年份的数据缺失，本文采用插值法补全缺失值，在处理价格指标数据时，一律平减至2010年的价格。

2 结果与分析

2.1 发展水平分析

根据式(4)计算出2011—2020年全国31个省(区、市)水资源开发利用和经济高质量综合发展指数，见表4(受篇幅所限，仅列出2011、2014、2017和2020年计算结果)。从表4看出，2011年，四川、浙江、江苏的水资源开发利用综合发展水平较高，新疆、宁夏的水资源开发利用综合发展水平较低；2011—2020年，全国各地区水资源开发利用发展增速不同，从整体看表现出平稳进步的态势，其中新疆、西藏、上海、浙江、云南等地区发展较快，而河北、辽宁、河南等地区发展较慢；2011—2020年，水资源开发利用发展水平各地区间差异呈缩小趋势，部分早期发展水平较低的地区取得了较高增速。

表4 不同年份水资源开发利用综合评价指数

同时可知，2011年，北京、上海、广东经济高质量发展水平较高，甘肃、青海的水平较低。2011—2020年，我国各地区的经济高质量发展水平体现出不同程度的变化，虽总体呈增长态势，但地区间增速差异性也非常明显，其中宁夏的发展水平显著增大，10年增速高达81.97%；而在2011年排名靠前的辽宁、黑龙江10年后被部分增速加快的地区超越。北京、上海虽10年间增速不快，但仍保持着全国经济高质量发展的领先水平。

综合来看，2011—2020年区域间差异性呈现出共同之处，即水资源开发利用和经济高质量发展水平不同区域间的差距均呈现缩小趋势，部分落后地区发展迅猛，而大多数高水平发展地区增速并不显著。说明水资源开发利用和经济高质量发展均处于倒“U”形发展曲线右侧阶段。首先在水资源开发利用方面，在过去由于技术和地理交通环境的约束，只有水资源较丰富的地区才会优先发展，但随着水利技术和交通水平的进步发展，各流域各地区间水利工程不断完善，水资源开发利用受资源制约的影响越来越小；而在区域经济发展方面，部分落后地区增速较快，原因是这些地区具有人力成本低、产业规模基数不大、技术引进等优势，而高发展水平地区存在产业饱和向外迁移和投入要素边际产出递减等现象，因此存在增速放缓的现象。

2.2 耦合协调度时序变化分析

根据耦合协调度模型计算得到2011—2020年水资源开发利用和经济高质量发展两系统耦合协调水平，如表5所示。从表5可以看出，2011—2020年各地区两系统耦合协调水平总体处于稳步上升态势。到2020年，失调地区的数量从2011年的11个降至2020年的5个，而处于初级协调和中级协调阶段的地区较2011年也明显增多，分别由9个和1个增长至20个和5个。根据当前各地区发展态势进行预测，广东、北京将以较为领先的协调发展水平率先步入良好协调发展阶段，除少数个别地区，大部分地区都将发展至中级协调水平。

表5 不同年份水资源开发利用和经济高质量发展耦合协调度

2.3 耦合协调度空间格局分析

2.3.1空间分布特征

进行空间维度的分析时，首先运用ArcGIS软件对我国水资源开发利用与经济高质量发展耦合协调度进行空间分布描绘，如图2所示。从中可以看出，除部分地区外，耦合协调度整体呈放射状分布，且放射带表现为由东向西由南向北依次递减的态势。具体到个别年份来看，2011年，初级和中级协调发展地区多位于东部和南部，但水平也不高，而大部分地区都处于失调阶段。2014年，耦合协调度有所提升，所有地区均达到轻度失调及以上水平，大部分地区处于勉强协调和初级协调阶段。空间分布特征仍然相似，协调发展高水平地区仍位于东部和南部，并且有更多地区达到中级协调发展水平。2017年，更多地区达到初级协调发展阶段，但整体耦合协调水平变化不大，分布特征呈现包裹态势，协调水平由西北向东南递增。2020年，区域整体协调水平有了进一步发展，除个别地区外均步入协调发展阶段，同时协调类型也发生了明显改变，初级协调和中级协调地区形成明显的由外向内片区集聚扩张趋势，已形成广东、福建、浙江等东部沿海省份为主向内侧辐射的良好协调发展轴带，有效拉动了一些中西部地区从失调走向协调发展。

2.3.2空间相关性分析

根据式(8)通过全局空间自相关分析两系统耦合协调水平在地理空间上的同质性关联特征，由于本文两系统选取的指标与经济发展关系密切，仅根据各地区自然地理邻接关系构建空间权重矩阵无法反映区域间的经济差异，因此依据各地区人均GDP水平构造经济-地理权重矩阵作为本文的空间计量权重矩阵，并计算得到2011—2020年两系统耦合协调度的莫兰指数。

结果表明，10年间两系统耦合协调度的莫兰指数均大于0且均在1%的显著性水平下通过检验，即所有年份空间相关性均显著。两系统的耦合协调度形成空间依赖性且存在正的空间相关性，即协调发展水平较高的地区有邻近其他高水平发展地区的趋势；反之，协调发展水平较低的低区则趋于邻近其他欠发达地区。具体来看，东部和南部经济发达地区水资源和经济协调发展较好，邻接区域两系统发展也较协调；宁夏、贵州、广西等地区自身协调发展水平较低，但周围地区协调发展水平较高；自身协调发展水平较低，周围地区协调发展同样欠佳的地区主要集中在西北部地区；自身协调发展水平较高，周围省份协调水平欠佳的地区可以充分利用区位优势，带动周围省份走向更协调的发展。

2.4 水资源开发利用和经济高质量发展耦合协调水平的影响因素分析

根据前述方法和式(11)得到SDM检验结果见表6。计算还得到δ为正并在1%的显著性水平下通过检验，表明全国各地区水资源开发利用和经济高质量发展耦合协调水平受邻近地区耦合协调水平的影响较大，耦合协调度存在着明显的空间溢出效应。

表6 时间空间双固定的SDM回归结果

具体来看，经济发展水平方面两系数均显著为正，且θ>γ，说明本地区经济发展水平提升对邻近地区耦合协调水平的贡献率高于对本地区耦合协调水平的贡献率，这可能是由于一些经济发达地区经济水平发展到一定阶段增速放缓、投入产出的边际效益递减；而周边经济发展水平较低的区域还处于高增长阶段，从而出现了明显空间溢出效应。水资源禀赋方面，γ显著为正而θ并未体现出显著性，说明地区水资源禀赋的提升并未对邻域水资源和经济的协调发展起到显著促进作用。科技进步和环境规制的两系数都呈现出显著为正、γ>θ的特点，说明两者水平的提高对本地区协调水平的贡献率优于邻近地区。该地区科技水平的提升加速了地区水资源开发利用方式的创新、提高了水资源利用效率，提升地区经济发展的同时也对邻域产生技术溢出效应，从而提升了该地区和邻近地区耦合协调水平。环境规制在减少生态污染的同时契合绿色发展理念，推动了水资源的可持续利用和生态经济的良性互动发展，随着区域一体化和产业集聚进一步深化，环境规制对邻近地区产生空间溢出效应，部分地区通过关联和示范效应促进了周围地区的协调发展。

3 结论与建议

本文运用耦合协调理论和模型对我国31个省(区、市)水资源开发利用和经济高质量发展水平和耦合协调水平进行综合评价，结合莫兰指数和GIS对耦合协调结果进行时空分析和刻画，最后运用时间空间双固定的空间杜宾模型分析两系统耦合协调度的影响因素，得出以下结论：

a.2011—2020年我国水资源开发利用发展水平和经济高质量发展水平均呈显著增长态势，两系统区域间发展水平差距也均呈缩小态势，均处于倒“U”形的右侧发展阶段。

b.2011—2020年各地区两系统耦合协调水平总体处于稳步上升态势，失调地区由11个降至5个，根据当前各地区发展态势进行预测，广东、北京将以较为领先的协调发展水平率先步入良好协调发展阶段，除少数个别地区，大部分地区都将发展至中级协调水平。

c.各地区空间上存在显著自相关性，耦合协调度整体呈自东向西、自南向北依次递减的放射状分布，近年来初级协调和中级协调地区形成明显的由外向内片区集聚扩张趋势，已形成广东、福建、浙江等东部沿海省份为主向内侧辐射的良好协调发展轴带，有效拉动了一些中西部地区从失调走向协调发展，但西北部分地区仍处于濒临失调衰退阶段。

d.经济发展水平、科技进步和环境规制水平的提高均对本地区和邻近地区水资源开发利用和经济高质量发展耦合协调水平具有显著正向促进作用和空间溢出效应，水资源禀赋的提升对本地区两系统的协调发展具有促进作用，而对邻近地区的作用尚不显著。

根据上述结论，提出如下建议：

a.基于两系统均处于区域经济倒“U”形的右侧发展阶段，发展增速趋于放缓，因此应更加注重水资源利用的可再生性和经济增长的可持续性，努力研发绿色创新技术，提高水资源的可重复利用率。

b.基于地区间协调度存在显著空间相关性的特点，应加强东部和南部耦合协调高水平地区的带头作用，建立健全资源共享机制，疏通要素流动渠道，推行人才引进政策，带动中西北部失调地区走向协调发展，使我国整体迈入更高的协调发展水平。

c.基于经济发展水平、科技进步和环境规制对两系统本地区以及邻近地区协调发展的正向促进和空间溢出作用，应在大力推进地区经济增长、技术研发创新的同时打破区域限制，建立健全不同经济发展水平地区间科技创新和水资源开发利用的交流共享机制，同时政府在制定环境规制方案的过程中不仅要因地制宜，还要注意其产生的空间外溢效应，加强水资源利用和水环境治理的协同性，争取使本地区水资源和经济更加协调发展的同时，为邻近地区带来示范和引导作用，以促成区域一体化协调发展的良好态势。