水资源利用效率与经济高质量发展的耦合协调研究——基于黄河流域河南段供水区的实证分析

李 倩,李 伦

(1.河南开放大学 建筑工程与智能建造学院,郑州 450008; 2.河南省农村供水总站,郑州 450003)

0 引言

黄河流域在河南省发展战略布局中具有重要地位,河南省18个城市中有14个使用黄河水。2021年省辖黄河流域总供水量46.19亿m3,占全省供水总量的20.7%,供水涉及面积占河南省总面积的62.3%,惠及全省约74.6%的人口并满足77.5%的经济发展需求。15年来,黄河流域水资源开发利用率严重超出警戒线,高达76%,水资源量减少17.6%。在严格管控水资源的背景下其用水总量减少13.3%,但总体上供需矛盾仍比较突出。本研究数据来源于2006—2022年河南省水资源公报、河南统计年鉴、河南省环境统计年报,缺失数据采用外延法进行插补[1]。为深入分析黄河流域河南段水资源利用效率与经济高质量发展的耦合协调关系,选择14个供水区作为研究对象[2]。把水资源作为最大的刚性约束,加快推进水资源节约集约利用,是黄河流域实现经济高质量发展的现实要求和必然选择[3]。黄河流域经济高质量发展背景下,必须认真对待水资源利用效率与经济高质量发展间的协调关系,缓解经济发展与水资源消耗之间的矛盾。

1 指标体系构建

参考已有研究,结合可持续发展、高质量发展理念,构建水资源利用效率评价指标体系[4](见表1)和经济高质量发展评价指标体系[5](见表2)。

表1 水资源利用效率指标体系Tab.1 Water resources utilization efficiency index system

表2 经济高质量发展指标体系Tab.2 High quality economic development index system

为消除量纲影响,对数据做如下处理:

正向指标(越大越优):

(1)

负向指标(越小越优):

(2)

式中,xij表示第i年第j项指标的数值,max{xj}、min{xj}分别为第j项指标的最大值和最小值,Xij为标准化的数据。i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

熵权法是客观赋权法,本研究利用信息熵工具计算出各个指标的权重,为后续评价提供依据,过程如下:

计算第i个样本的第j项指标Xij占该指标的比重yij,得到比重矩Y=(yij)m×n。

(3)

计算第j项指标的信息熵:

(4)

式中,K=1/lnn为非负数,0≤ej≤1;且规定当yij=0时,yijlnyij=0。

计算第j项指标的信息冗余度:

dj=1-ej

(5)

计算第j项指标的权重:

(6)

2 模型构建

2.1 综合评价模型

在数据标准化及权重计算的基础上,利用综合评价模型衡量水资源利用效率和经济高质量发展水平[6]。

水资源利用效率的综合得分U:

(7)

经济高质量发展的综合得分V:

(8)

式中,wj为第j项指标的权重。

2.2 耦合协调模型

水资源利用效率与经济高质量发展水平的耦合度计算公式如下[7]:

(9)

式中,C为耦合度,取值0～1,越接近1说明二者间的相互关系越紧密协调;反之越不协调。虽然C可以反映两系统相互依赖的程度,但难以反映二者间的协调效应,故此构建了耦合协调度模型:

(10)

式中,D为耦合协调度,取值0～1,D值越大说明二者的耦合关系越和谐;反之越不和谐,需提升水平低一方的发展;T为二者之间的综合协调指数。因经济高质量发展与水资源利用效率同等重要,故取待定系数α=β=1/2。借鉴已有成果,将耦合协调发展分为极度失调、严重失调等10个等级。

为分析二者之间的相对发展程度,参考相关文献引入相对发展模型,公式如下:

E=V/U

(11)

式中,E为水资源利用效率与经济高质量发展系统的相对发展系数。借鉴已有成果,将相对发展度分为经济高质量发展滞后于水资源利用效率、经济高质量发展同步于水资源利用效率、经济高质量发展超前于水资源利用效率三个等级。

3 实证结果

3.1 综合评价

在对评价指标数据进行标准化处理的基础上,依据公式(3)～(6)计算指标权重,运用公式(7)和(8)计算郑州等14市2006—2021年水资源利用效率和经济高质量发展的综合评价得分,计算结果如表3、表4所示[8]。

表3 水资源利用效率综合评价得分Tab.3 Comprehensive evaluation score of water resource utilization efficiency

2006—2021年,黄河流域河南段水资源利用效率整体呈波动上升发展趋势,且郑州等14市水资源利用效率区域差异逐渐减小。其中,安阳市政府加大了对科研经费的支出,改变了以钢铁、煤化工、冶金等传统工业为主的发展模式,使万元GDP用水量大幅下降,工业用水占比逐年降低,提高了水资源利用效率,多年平均值最大;三门峡对水资源实行科学规划、依法管理,严格控制开发利用率,也逐渐提高了水资源利用效率;新乡、鹤壁、开封、商丘、周口、濮阳、济源等城镇化水平偏低,仍以农业发展为主,用水占比高达60%～70%,需要不断调整优化其产业结构,提高科研水平,促进水资源利用效率的全面提升;洛阳、平顶山、许昌经济发展态势较好,能够以资源带动经济发展,工业用水占比均在40%左右,但其人口基数大,水资源总量相对较少,给水资源的使用带来了较大的压力,需进一步优化产业发展结构。

2006—2021年黄河流域河南段经济高质量发展水平整体呈上升发展趋势,但郑州等14市经济高质量发展仍存在区域差异性。从发展水平来看,郑州市发展水平最高,周口市最低,主要原因在于郑州市大力实施创新驱动战略,大力发展都市农业,构建了现代化产业体系;新乡创建了高新技术产业基地,加大了科研经费投入,科技创新成效显著;安阳是老工业城市,第二产业仍是其经济发展的主引擎,但受资源影响,经济发展速度放慢;许昌凭借超硬材料、输变电装备等主导产业快速发展,但其发展的时间短,经验少,尚未形成产业链配套的企业群,产业发展空间受限,经济发展缓慢;鹤壁、商丘、周口是农业区,经济体量较少,发展较慢。从发展增速来看,焦作对旅游业、工业等产业进行了转型升级,优势产业和主导产业能够相互扶持,共同发展,年均增长率最高;三门峡市创新能力较弱,产业结构转换能力有限,综合竞争力总体上不强,年均增长率最低。

3.2 耦合协调关系

在对水资源利用效率、经济高质量发展进行综合评价的基础上,运用公式(9)～(11)计算郑州等14市2006—2021年水资源利用效率与经济高质量发展之间的耦合度、耦合协调度和相对发展度,其二者间的耦合协调关系详见图1[8]。

图1 郑州等14市水资源利用效率与经济高质量发展的年耦合协调度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,郑州等14市两系统间的耦合协调度呈上升趋势,协调度越来越高。结合划分等级可知,郑州等14市经历了从轻度失调、濒临失调并存向良好协调、优质协调的转化和发展。2006年,郑州、开封等10市的水资源利用效率与经济高质量发展处于濒临失调阶段,洛阳、安阳、新乡、焦作处于轻度失调阶段。从经济规模结构来看,第二产业比重、GDP水平、科研水平会影响二者的协调发展情况,如安阳的第二产业占比相对较高,但节水技术一般,导致水资源利用效率和经济高质量发展的耦合协调度不高;焦作水资源利用效率较高,但GDP偏低,也会影响其耦合协调度。2012年,除郑州跨越到中级协调阶段,其他13个市仍处于水资源利用效率和经济高质量发展的初级协调阶段,这主要得益于郑州是省会城市,能够快速响应发展需求,其耦合协调度增长幅度较大。2018年,为了践行高质量发展理念,优化经济结构,大多城市开始注重新兴产业集群发展和创新发展,使得经济发展水平不断提高,水资源消耗总量不断减少,总体态势良好,开封、安阳的水资源利用效率和经济高质量发展处于良好协调阶段,郑州、洛阳等9市处于中级协调阶段,濮阳等3市处于初级协调阶段。2021年,河南省各市总体协调性向更高的程度发展,郑州、开封等8市已迈入水资源利用效率与经济高质量发展优质协调阶段,安阳、濮阳等6市处于良好阶段。

2006—2021年,黄河流域河南段相对发展度年际变化较大,表示经济高质量发展、水资源利用效率同步发展趋势不稳定。2006—2010年,经济高质量发展滞后于水资源利用效率,水资源使用过度。2011—2018年,经济高质量发展同步于水资源利用效率,处于良好协调阶段,有向优质协调阶段提升的空间。2019年以来,黄河流域河南段两系统同步发展但仍不稳定,经济高质量发展超前于水资源利用效率,有待进一步优化产业结构,强化节水技术,提升水资源利用效率。详见图2。

图2 水资源利用效率、经济高质量发展及相对发展度的变化趋势Fig.2 Changing trend of water resource utilization efficiency, high quality economic development and relative development degree

4 结论

2006—2021年,黄河流域河南段水资源利用效率呈波动上升趋势。其中,2006—2011年水资源利用比较平稳,利用效率维持在0.37左右。2012—2013年,经济水平、城镇化水平快速发展,给水资源利用带来一定压力,利用效率呈下降趋势。2014年,随着水资源管理制度开始实施,到2021年利用效率呈稳定增长趋势,利用效率达到0.77,但仍有提升空间。

2006—2021年,黄河流域河南段经济高质量发展水平呈上升趋势。其中,2006—2010年经济发展相对缓慢;2011—2021年,随着产业核心竞争力的不断提高,其经济高质量发展评分从0.14提升到0.84,其中郑州最高,周口最低。

2006—2021年,黄河流域河南段水资源利用效率与经济高质量发展之间的耦合度呈上升趋势,多年的耦合度平均值为0.985,处于高水平耦合阶段,说明水资源利用效率与经济高质量发展之间的关系十分紧密。

2006—2021年,黄河流域河南段水资源利用效率与经济高质量发展之间的耦合协调度呈上升趋势,说明二者之间的协调度越来越高。自2016年以来,经历了“濒临失调-勉强协调-初级协调-中级协调-良好协调”五个阶段;到2021年,除安阳、濮阳、许昌、三门峡、商丘、周口6市处于良好协调阶段外,其他8市全部进入优质协调阶段。

黄河流域经济高质量发展是一个巨大且复杂的工程,但本研究仅对水资源系统进行了分析,有待进一步考虑纳入城市系统、环境系统等更多因素。此外没有预测未来水资源利用和经济发展的情况,下一步有待加入预测分析模型,便于为黄河流域高质量发展提供更多参考。

虽然黄河流域河南段各供水区都进入了良好协调阶段,系统也逐渐趋于优化发展,但结合经济高质量发展和水资源利用效率的综合评分来看,还有提升的空间。为充分挖掘促进水资源利用效率和经济高质量发展水平提升的因素,建议后续采用障碍度模型进行分析,为精准提出发展建议提供科学依据。