山西省经济增长与水环境质量的灰色关联分析

摘 要：山西长期的资源型经济发展模式对水环境带来了许多不利影响，而水资源的过度浪费严重阻碍了山西省的经济发展。通过收集和整理2013—2022年山西省的经济增长数据和水环境质量数据，探讨了山西省经济增长与水环境质量之间的耦合作用，并通过灰色关联度分析方法进行了评估。结果表明：山西省工业用水、工业废水排放量、工业COD排放量、工业氨氮排放量，整体呈下降趋势；生活用水、生活污水排放量、生活COD排放量、生活氨氮排放量，整体呈上升趋势；水环境质量指标与人均GDP和第二、第三产业占GDP比重均存在灰色关联度，3种指标耦合作用较强，山西省经济增长与水环境质量指标存在关联度，两者相互影响作用明显。

关键词：经济增长；水环境质量；灰色关联分析

中图分类号：X824 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–00-03

山西省水资源紧缺，截至2022年，水资源总量153.5亿m3，地表水资源38.2亿m3，地下水资源27.5亿m3。山西省年平均降水量508.8 mm，降水量少且分布不均，主要集中在夏季，占全年降水量的60%[1-2]。山西地形复杂，北高南低，呈阶梯状，导致水资源分布不均匀。改革开放以来，山西省经济发展实现历史性的重大突破，2022年山西省的GDP总额高达2.56万亿元，人均GDP为7.37万元。山西地区煤炭资源丰富，是我国典型资源型经济的重要煤炭产区[3]。但由于温室效应、环境变化和人类活动加剧等因素的影响，使得水环境质量发生了重大变化[4]。随着人口的快速增长和经济的高质量发展，生活、工业废水等排放量增加，加上公民节约水资源意识缺乏、用水率低等问题，导致山西省的水环境遭到不同程度的污染[5-6]。

生活污水排放量、工业废水排放量、氨氮排放量和COD排放量等指标都显示了山西省的经济增长与水环境质量之间的相互影响。人均GDP增长率相比其总量GDP增长速度更加能较为精准、直观地反映某一个特定地区的综合经济发展状况[7-9]。

1 数据模型与研究方法

1.1 数据来源和处理

研究数据源自国家统计局（2013—2022年）中国经济与社会发展统计数据库、山西省（2013—2022年）统计公报、山西省（2013—2022年）生态环境厅《环境统计公报》、山西省（2013—2022年）水利厅《水资源公报》。数据用Excel和SPSS进行处理。经济增长指标见表1。

由于研究中各种指标的单位不同，导致数据量纲也不同，在比较时难以得出正确的结论。因此，在计算前，要用无量纲化算法处理数据，得到无量纲化的数据（表2）。

1.2 灰色关联分析方法

灰色系统分析方法以灰色曲线关联分析思想为基础，灰色系统相关性的概念主要涉及利用灰色系统曲线的发展和变化。通过利用数据之间的几何形状关系进行相关性分析，确定是否存在相对紧密的内部连通性，从而反映灰色曲线系统之间的动态相关性过程。具体步骤如下：

第一步，确定分析数列。根据分析目标建立分析指标体系，收集分析数据，确定原始数据矩阵，建立参考数据标准。

第二步，变量的无量纲化。在进行灰色关联分析时，通常需要先进行无量纲化数据处理（表2）。无量纲化数据处理公式为：

（1）

（i=0，1，…，n；k=1，2，…，m）

第三步，计算关联系数。由公式（2）分别计算每个关联度系数：

（2）

第四步，计算关联度。将各个分析比较指标之间的相对相关度系数的平均值作为比较数据和参考数据之间相关度指数的数量。

（3）

第五步，关联度排序。

2 结果与分析

2.1 山西省经济增长指标与水环境质量指标的变化情况

图1是2013—2022年山西省人均GDP与水环境质量指标时序。由图1可知，2013—2022年人均GDP呈上升趋势，人均国内生产总值逐年上升，工业用水和工业废水排放量呈下降趋势，工业用水量下降22.1%；生活用水和生活污水排放量呈现增长趋势，生活污水排放量增长22.8%，生活污水排放量增长33.9%。2019年，家庭用水量首次超过工业用水量。生活污水化学需氧量实际流出量高于工业化学需氧量，工业废水中化学需氧量排放相对稳定放缓。工业氨氮排放量呈下降趋势，2016年降幅最大；日常生活污水中的氨氮排放总量有所增加。

图2是2013—2022年山西省第二产业和第三产业分别占GDP比重与水环境质量指标时序图。由图可知，第二、第三产业占GDP的比重均在96%以上，2013年，山西省开始全面推进产业结构布局，2013—2016年开始第二产业占比下降，工业废水排放量及其COD、氨氮排放量排放也开始下降；随着产业结构的调整，山西省逐渐转为以第三产业为主，占比由38.4%上升至51.1%，生活污水的排放量及其化学需氧量和氨氮排放量也开始增加。第二产业占GDP的份额与工业用水量密切相关，两者关联度较强，关联度为0.808 6，有较强的耦合作用；与生活用水量的关联度也较强，关联度为 0.779 2，耦合作用较强。

第二产业占GDP比重与生活氨氮排放量的关联度较强，关联度为0.718 8，与生活污水排放量和生活化学需氧量排放量之间也存在较强的关联度，两者间的耦合作用较强。第三产业占GDP的份额与生活污水排放量间的关联度较强，关联度为0.801 4，两者有较强的耦合作用，与生活污水的氨氮排放量、生活污水的化学需氧量排放量耦合作用较强。

2.2 山西省经济增长指标与水环境质量指标关联度

由表3可知，山西省经济增长指标与水环境质量指标的灰色关联度在0.530 4～0.830 6之间，可知灰色关联度主要集中在中等和较强之间，耦合作用也在中等和较强之间，山西省经济增长指标与水环境质量指标之间有中等或较强的耦合作用。

山西省水环境质量污染物的指标与人均GDP的关联度排序由强到弱：rx4＞rx6＞rx2＞rx3＞rx5＞rx1，rx7=0.613 3，rx8=0.677 2；与第二产业占GDP比重的关联度排序由强到弱：rx6＞rx2＞rx4＞rx1＞rx5＞rx3，rx7=0.8086，rx8=0.779 2；与第三产业占GDP比重的关联度排序由强到弱：rx2＞rx4＞rx6＞rx1＞rx5＞rx8，rx7=0.819 7，rx8=0.719 3。

3 结论

（1）2013—2022年山西省工业用水量和工业废水排放量呈下降趋势，工业用水量下降22.1%，工业废水排放下降58.5%。同时，生活用水量逐年增加，增长率为22.8%。生活污水排放量同比增长33.9%。工业废水中化学需氧量和工业废水中氨氮的排放量呈下降趋势，生活污水中COD的排放量呈上升趋势。

（2）山西省生活污水中的化学需氧量排放量和人均国内生产总值的关联度最大，关联度为0.830 6，两者间有较强耦合作用，其次是生活污水中的氨氮排放量，关联度为0.669 1，工业废水排放量的关联度最小，关联度为0.530 4，两者的耦合作用中等。

（3）山西省的第二产业占GDP比重表现为下降后上升，上升幅度不大；第三产业占GDP份额必须为上升后下降，下降幅度较小，第二、第三产业占GDP的比重在2021—2022年表现相近。第二产业占GDP比重与工业用水量关联度大，关联度为0.808 6，两者耦合作用较强。第三产业与生活污水量关联度大，关联度为0.801 4，两者的耦合作用较强。

4 讨论

产业结构调整，水环境污染物的种类也发生了变

化[10]。2013—2022年人均GDP整体表现增长趋势，生活用水量和废水量也逐年增加，主要原因是产业结构调整和城镇化发展[11-14]。2013年是“十二五”规划的第三年，是承前启后的关键一年。山西省的煤炭工业发生巨大变化，形成了多元化发展的产业结构[15-16]。

随着城镇化发展，城市人口稳步增长，生活用水量增加，从而导致废水排放量增加。废水的增加导致污染物浓度升高，家庭用水的化学需氧量和氨氮排放量增加；工业用水量与人均GDP的关联度为0.613 3，两者之间存在中等的耦合作用，工业废水排放量、工业化学需氧量排放量、工业氨氮排放量与人均国内生产总值的耦合作用也是中等，人均国内生产总值增加，工业废水排放量也在减少。改革开放以来，大力发展外向型经济，在经济取得增长的同时，会逐渐导致一些生态环境被严重破坏，进而引起水环境质量下降[13]。

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