黄河三角洲水资源-经济系统耦合协调的动态演化

陈 立，于 伟

（曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照 276800）

中国区域经济的长期快速增长带来了水资源供给不足与利用粗放并存、水环境污染、水生态失衡等一系列问题[1]。在加快推进经济高质量发展时代背景下，立足人多水少的基本国情，协调好水资源利用效率和经济发展水平之间的关系成为亟待解决的重要现问题。山东省作为沿海经济大省，地处黄河流域下游的东部季风区，降水年际变化大，是全国旱灾频发地之一，全省人均水资源量仅为全国平均水平的1/7，2/3 的城市属于缺水型城市。水资源短缺严重制约了山东省经济的绿色转型，作为黄河流域的龙头省份，如何协调水资源硬约束与区域经济高质量发展的关系是亟待研究的科学问题[2]。

伴随发展中国家城镇化的快速推进，水资源与经济协调发展成为国际社会和国内外学者高度关注的问题[3]。1990 年，联合国发布的《水与可持续发展准则：原理与政策方案》论述了水资源开发与经济发展之间的紧密关系。1992 年，《里约环境与发展宣言》首次从可持续视角探讨了水资源与经济协调发展的问题。国内外学者对水资源和经济系统之间关系的研究议题主要集中在水资源与经济社会发展要素的时空匹配[4-6]、水资源与经济发展的耦合协调与仿真模拟[7-15]、水资源利用与经济发展的脱钩分析[16-19]、水资源和经济协同发展的路径[20-21]等方面。近年来，随着黄河流域生态保护与高质量发展上升为国家战略，水资源和区域经济的耦合协调度评价成为研究热点[2，21-27]。国内外学者针对水资源和区域经济关系开展了丰富的案例研究，取得了大量有益的成果，但仍存在以下不足：第一，已有案例研究多采用单一的耦合协调度模型衡量二者的关系，难以反映水资源与区域经济系统耦合协调的动态变化。第二，学者大多关注省域、流域等大尺度地域单元，对县域等中小尺度区域关注不足，县域作为我国经济发展的重要载体，水资源利用效率不高问题往往比较典型，值得深入研究。第三，以往研究多从区域整体层面分析动态耦合协调情况，忽略了区域经济发展和水资源禀赋的差异，难以刻画区域内部的动态耦合情况及其演化历程。

鉴于此，本文基于生态脆弱区黄河三角洲的分县数据，综合利用耦合协调度模型和剪刀差方法探讨水资源和区域经济系统之间的耦合协调情况及其动态变化，为黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的顺利施提供科学依据。

1 研究区域概况

黄河三角洲是黄河携带大量泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原。2009 年，国务院通过《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》，标志着该区域的保护开发上升为国家战略。依据该规划确定黄河三角洲的研究范围，包括东营、滨州两个地级市所辖全部县域单元，德州庆云县和乐陵市，潍坊寿光市、昌邑市和寒亭区，烟台莱州市和淄博高青县，共计19 个县域单元。

2021 年，黄河三角洲GDP 合计7752.47 亿元，占山东省GDP 的9.32%；面积2.65×104km2，占山东省陆域面积的16.78%。人均用水量约为395 m3，远高于山东省206 m3的平均水平。可见，黄河三角洲的经济发展水平不高，但水资源消耗较高。黄河三角洲生态环境较为脆弱，降水不均、旱灾频发、用水短缺现象比较严重，水资源已成为该区域经济发展的刚性约束。以生态脆弱区黄河三角洲为研究对象，探究该区域水资源和区域经济的协调发展动态演化及其影响因素，对于指引黄河流域的生态保护和高质量发展具有参考价值。

2 指标体系与研究方法

2.1 指标体系

结合黄河三角洲的特点，初步选取水资源利用水平与区域经济发展水平的评价指标体系，在征询专家意见的基础上进行修改，形成本文的评价指标，采用熵值法确定指标权重（表1）。水资源系统包括用水负荷、利用效率、用水结构3 个层面的7 个指标；区域经济系统包括发展规模、产业结构、居民生活和生态效应4 个层面的10 个指标。其中，水结构均衡度参考易晶晶等[28]设计的方法进行计算，反映用水结构的均衡程度，值越大表明单一用水类别优势度越小，用水系统越趋于良性。水资源供给模数指标是总供水量与土地面积的比值。产业结构高级化指数参考付凌晖[29]的计算方式，按照三次产业的比重进行计算。

表1 水资源利用与经济发展评价指标体系

2.2 研究方法

2.2.1 耦合协调模型

耦合协调模型指两个或者多个系统之间的相互影响和协调发展的程度，反映水资源利用和经济系统之间的协调状态。计算公式如下：

式中，D为耦合协调度，C为耦合关联度，T为综合评价指数，f（x）为区域经济发展水平评价值，f（y）为水资源系统评价值，α、β分别为经济系统和水资源利用的贡献度，本文认为二者同等重要，即α=β=0.5。参照已有研究成果[24]，黄河三角洲水资源利用和经济系统之间耦合协调发展阶段及类型判定见表2。

表2 耦合协调度与耦合等级

2.2.2 相对发展度模型

耦合协调模型反映区域经济和水资源之间的协调发展程度，但无法度量二者之间的发展差距。因此，引入相对发展度模型体现二者之间的超前或滞后发展程度。公式如下：

式中，P为相对发展度。根据文献[22]，当P＞1.2 时，为区域经济发展超前型；当0.8＜P≤1.2，为区域经济发展和水资源同步发展型；当P≤0.8 时，为区域经济发展滞后型。

2.2.3 剪刀差方法

考虑水资源系统和区域经济系统之间的关系处于动态变化中，利用剪刀差方法[23]分析黄河三角洲两个系统耦合关系的动态演化。计算公式如下：

式中，F′（x）代表区域经济系统的变化趋势，F′（y）代表水资源系统的变化趋势，α是给定时刻两系统变化曲线的夹角值，α越大说明两系统变化趋势的差异越大。

2.3 数据来源

水资源数据主要来源于2011—2020 年各地市的水资源公报，部分公报中没有水资源数据的地区，在人民政府官方网站“政民互动”板块发起数据收集请求，水利局通过电子邮件回复并发送了相关数据。经济数据来源于2012—2021 年东营、滨州等相关地市的统计年鉴，以及各县域单元相应的国民经济和社会发展统计公报。PM2.5利用美国哥伦比亚大学社会经济数据与应用中心提供的全球PM2.5的年均浓度数据整理计算得到（数据获取网址：

https://sedac.ciesin.columbia.edu/data/set/sdei-globalannual-gwr-pm2-5-modis-misr-seawifs-aod）。各县域单元2011—2020 年的碳排放数据在Chen et al.[30]基础上通过遥感影像数据反演得出。

3 结果分析

3.1 区域整体的耦合协调度及其动态变化

2011—2020 年，黄河三角洲水资源综合利用水平和经济发展水平均呈现动态提升的态势。水资源系统中，用水负荷所占权重最大，说明水资源利用水平主要受制于用水负荷，尤其是农业用水量、工业用水量的增加会加剧水资源系统的压力，导致水资源系统综合指数的下降。区域经济系统中，居民生活和经济发展规模的权重较大，在一定程度上说明区域经济发展水平主要受居民生活质量和经济发展规模的影响。

耦合协调度D计算结果见表3。2011—2020 年，黄河三角洲水资源-经济系统的协调状态经历了勉强协调和初级协调两个阶段，系统的耦合类型由低水平磨合向高水平协调状态过渡。具体可分为两个阶段，2011—2017 年，黄河三角洲经济发展水平明显提高，与水资源利用水平评估值的差距逐步缩小，推动了二者协调水平的提升，但总体的协调状态仍为勉强协调。2018 年之后，由于经济进一步优化发展提升，与水资源利用系统的耦合协调度稳定在0.6 以上，协调状态演化至初级协调阶段。2017 年之前，经济发展滞后制约了黄河三角洲水资源-经济系统耦合协调状态的提升，之后，经济发展水平与水资源利用水平差距缩小，系统向初级协调状态演化。

表3 黄河三角洲水资源-经济系统耦合协调演化趋势

为分析黄河三角洲水资源-经济系统的动态演化，首先对系统的综合评价值进行曲线拟合，利用拟合方程进行求导，得出系统基于年份的变化速率，据此计算演化速率的剪刀差值（α），揭示两个系统的动态耦合特征（图1）。2011—2020 年，黄河三角洲水资源-经济系统演化速率的剪刀差呈现先上升后下降再上升的态势。2011—2014 年，剪刀差由0.046°升至0.728°，该时段水资源发展综合指数和经济发展指数均呈稳步上升态势，但经济系统上升速率相对较快，反映了黄河三角洲水资源和经济系统之间发展水平差异较大，互相之间无明显的限制。2015—2017 年，剪刀差值逐步降至0.046°，表明水资源-经济系统之间的差距不断缩小。该时期水资源系统发展水平相对较高，但增长速率明显下降；区域经济发展质量相对不高，但变化速率呈现增长趋势，说明该时期区域经济对水资源的压力逐步增大，正在以损害水资源系统为代价推动经济增长。2017 年以来，剪刀差值迅速增大至2.366°，表明系统的演化速率差异明显。该时段水资源利用和经济发展均经历了回调后的快速提升，水资源回升幅度稍大，说明水资源支撑经济发展的能力有所增强，水资源和区域经济开始走向协调发展。

图1 黄河三角洲水资源-经济系统的剪刀差

3.2 黄河三角洲水资源和区域经济分区县动态耦合分析

3.2.1 黄河三角洲各县域耦合协调度的时序变化

研究期内各县域耦合协调度均有不同程度的提升，但区域差异明显（图2），东部沿莱州湾的地区耦合协调等级明显高于西部地区，如东营区、寿光市、滨城区等地。2011 年，黄河三角洲大部分县域处于濒临失调和勉强协调等级，阳信县、惠民县、高青县处于极度失调阶段，主要原因是以上地区的经济发展水平偏低，影响了系统的协调发展。相比之下，东营区、寿光市、莱州市处于初级协调阶段，这些地区经济发展质量较好，水资源利用效率也较高，因此具有较好的耦合协调状况。至2014年，除邹平市、高青县外的县域耦合协调度均有所上升，原因是2012 年山东省政府贯彻落《行最严格水资源管理制度的意见》，推行《山东省用水总量控制管理办法》，引导了各县域用水方式和经济发展方式的转变，促进了系统协调发展，这种上升态势延续至2017 年。之后，各县域发展分异显著，东营区、滨城区、寿光市、阳信县等地的耦合协调度继续大幅提升，垦利区、利津县、广饶县等地出现了小幅度的下降。以垦利区为例，当地耦合协调度等级下降的直接原因是人均生活用水量下降明显，导致水资源利用效率回调，与经济发展水平的差距拉大。

图2 黄河三角洲各县域耦合协调度的变化

3.2.2 县域单元水资源与区域经济的动态耦合

借助MATLAB（2021）计算研究区水资源系统和区域经济系统的剪刀差值（图3）。根据剪刀差值的变化特征，可将各县域动态耦合情况分为以下4类。

图3 黄河三角洲各县域水资源-经济系统动态耦合

（1）剪刀差呈现先减后增的“V 型”特征，表明两系统的演化速率差异先逐渐缩小，后逐步增大，东营区、垦利区、滨城区、惠民县、寒亭区、寿光市、昌邑市、乐陵市、庆云县属于该类。以寿光市为例，2011—2016 年，寿光市经济快速增长，带来了水资源消耗、水环境污染等问题，经济增长对水资源利用造成了一定的压力，限制了水资源-区域经济系统的协调发展。2016 年年底，南水北调寿光段陆续建设完成，有效缓解了水资源供给不足的问题。2017 年，寿光市开展节水农业技术改造，提高了水资源利用效率。与此同时，寿光市全面落2016 年12 月中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面落河长制的意见》，水污染现象得到治理。因此，2017 年以来，水资源指数由负转正，且增速不断增大，而经济系统逐步转入高质量发展阶段，增长速率逐渐下降，引起2017—2020 年两系统剪刀差值迅速上升，演化速率差异增大。

（2）剪刀差呈现“双减”“双增”的“W 型”特征，表明两系统之间的演化速率差异先逐步缩小，后逐步增大，而后重复该过程，河口区、广饶县、邹平市、无棣县、阳信县、博兴县、莱州市、高青县属于该类。以莱州市为例，2011—2012 年，莱州市经济发展水平出现波动，水资源指数增长速率减缓，经济系统开始对水资源系统产生负面影响，两系统演化速率差异减小。2013—2015 年，经济指数持续上升，水资源指数持续下降，以水环境质量降低为代价换取经济发展，两系统演变速率差异扩大。2016—2018 年，莱州市政府完善了农田水利基础设施、建设了水系连通补水工程，水资源指数下降速率减缓，两系统演化速率差异又逐步减小。2019—2020 年，随着莱州市政府继续加强水资源保护，推进重点水利工程建设，水资源指数由下降转化为上升。此外，由于莱州市政府去产能、加快新旧动能转换，经济系统出现一定程度的下降，两系统演化速率差异增大。

（3）剪刀差呈现“N 型”的波动上升特征，表明两系统之间的演化速率差异先变大后变小，而后演化速率差异又逐步变大，沾化区属于此类。2011—2016 年，沾化区水资源指数呈现先降后再降的周期性波动，区域经济系统先增后减。说明该时期水资源和区域经济相互影响较小，互相之间限制较小。2017 年，沾化区推进企业转型升级，经济指数不断提升但增速下降，同时该区加快推进重点水利工程建设，水资源系统持续优化且水资源指数增速提升，因此两系统演化速率差异增大。

（4）剪刀差呈现先增后减的“倒U 型”特征，表明两系统之间的演变速率差异先逐步增大至峰值，而后又逐步减小，利津县属于此类。2011—2017 年，当地经济增长速率持续下降但仍保持正增长，水资源指数持续负增长，说明区域经济增长压力持续增加，正以破坏水资源支撑能力为代价来发展经济，两系统演化速率差异持续扩大。2018—2020 年，经济系统综合评价值转变为负增长，水资源指数下降且降幅增大，两指数均为负增长，因此两系统演化速率差异减小。

4 结束语

在建立评价指标体系的基础上，利用耦合协调度模型和剪刀差方法分析黄河三角洲19 个县域单元的水资源-经济系统的动态耦合协调关系。研究发现，黄河三角洲水资源综合利用水平和经济发展水平均呈现动态提升的态势，二者的耦合协调状态经历了勉强协调和初级协调两个阶段，耦合类型由低水平磨合向高水平协调状态过渡。水资源与区域经济系统剪刀差值呈现先上升后下降再上升的态势。尤其是2017 年后，水资源利用和经济发展均经历了回调后的快速提升，水资源回升幅度稍大，说明水资源支撑经济发展的能力有所增强，水资源和区域经济初步走向协调发展。

黄河三角洲水资源、区域经济系统综合评价值存在一定差距，耦合协调类型差异较大，耦合协调水平空间分布不均衡。19 个县域单元剪刀差可以分为“V 型”“W 型”“N 型”“倒U 型”4 类，以“V 型”“W 型”为主。表明各县域水资源与区域经济耦合协调动态演化的差异明显，但大部分水资源对区域经济的约束减小，二者协同演化态势增强。

本文在县域尺度上分析了水资源和区域经济耦合协调动态变化，未来可进一步细化至乡镇街道尺度刻画二者耦合协调更为细致的变化过程。另外，在研究变化规律的基础上，需要加强对黄河三角洲水资源—经济系统耦合协调的动态模拟预测，据此制定调控策略，探索协调发展路径，为黄河三角洲的生态保护和高质量发展提供科学依据。