水資源效益與城鄉供水一體化發展耦合效應分析
——以洛川縣為例

夏 偉， 周維博， 李文溢， 何慶龍

( 1.長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

我國人多水少、水資源時空分布不均的基本國情使得水資源越來越成為制約我國經濟發展的重要因素，這就決定了我國必須提高水資源效益，加大對城鄉水資源的管理和保護[1]。水資源效益是指單位水資源投入與消耗在經濟、社會、生態與環境等方面所實現的物質產出，是衡量水資源利用合理性和可持續性的重要指標[2]。城鄉一體化是指通過城市與農村的共同發展來實現經濟繁榮與社會進步的統籌規劃。城鄉供水一體化是城鄉一體化的重要組成部分，即將城鄉作為一個供水整體，進行統一供水[3]。水資源效益與城鄉供水一體化之間存在著緊密的聯系，一方面，城鄉供水一體化在一定程度上提高了水資源效益；另一方面，有限的水資源效益增加又在一定程度上制約著城鄉供水一體化的發展進程。因此，研究水資源效益與城鄉供水一體化的耦合變化規律具有重要的理論意義和實踐價值。

對于水資源效益方面的研究一直是研究的熱點[4]，學者們主要集中于提高水資源效益、構建綜合指標體系和評價模型的分析研究[5-7]。對于城鄉供水一體化方面的研究，主要是對城鄉供水一體化建設模式進行探索研究[8-9]。目前，鮮有對水資源效益與城鄉供水一體化模式進行綜合評價分析的相關研究。因此，本文以延安市洛川縣為例，對水資源效益與城鄉供水一體化發展系統進行耦合分析。洛川縣作為國家級生態示范區、世界最佳蘋果優生區和國內最大的綠色蘋果集中連片種植基地，水資源供需矛盾日趨突出，同時，洛川縣又作為全國第一個建立水務局的行政縣，在全國率先走上了城鄉供水一體化發展道路。本文在分析洛川縣水資源效益以及城鄉供水一體化的發展進程的基礎上，運用脈沖響應函數(IRF)、耦合度及耦合協調度模型等方法對兩者進行耦合效應分析，以期為提高水資源效益與城鄉供水一體化模式之間協調性提供理論參考。

2 材料和方法

2.1 研究區概況

洛川縣為延安市下轄縣之一，位于東經109°13′14″～109°45′47″、北緯35°26′29″～36°04′12″，地處渭北黃土高塬溝壑區，北接富縣、宜川，南與渭南市白水縣相鄰，東靠黃龍山地，西與黃陵、宜君毗連。境內東西寬約41.65 km，南北長約79.32 km，面積為1 804.84 km2,屬北溫帶大陸性濕潤易干旱季風氣候，早晚溫差較大，年平均氣溫為9.2 ℃，年平均降水量為558.8 mm，其中，7-9月占年降水量的60%。洛川縣現轄鳳棲街道辦、菩堤鄉、交口河鎮等7鎮1鄉1街道辦。2015年全縣總人口為22.34×104，城鎮化率為37.66%。2015年全口徑生產總值完成182×108元，在陜西省縣域城鄉發展一體化水平評價排名中位居全省第6名。

2.2 數據來源

本文所用數據主要來源于2007-2015年《洛川統計年鑒》，并且以洛川縣國民經濟和社會發展統計公報中相關數據作為補充。

2.3 研究方法

2.3.1 脈沖響應函數 脈沖響應函數(Impulse Response Function，IRF)是指在向量回歸(VAR)模型中，在擾動項上加一個標準差大小的沖擊，分析這種沖擊對變量當前值和未來值的影響，是系統對其某一變量的一個沖擊或擾動所做的反應[10]。在VAR(1)模型中，脈沖響應函數可以表示為[11]：

xt=α11xt-1+α12yt-1+ε1t,t=1,2,…,n

(1)

yt=α21xt-1+α22yt-1+ε2t,t=1,2,…,n

(2)

式中：ε1t，ε2t為隨機擾動項；α11，α12，α21，α22為參數。

2.3.2 熵值法 本文采用比較客觀的熵值法確定指標權重，其主要思想是根據各指標傳遞給決策者信息量的大小來決定指標權重[12]。系統信息熵越大，表明系統結構越均衡，差異越小，其權重越小；反之，系統結構越不均衡，差異越大，其權重越大。其具體步驟如下：

計算第i個年份第j個指標的比重：

(3)

計算指標信息熵：

(4)

信息冗余度：

dj=1-ej

(5)

指標權重：

(6)

2.3.3 功效函數 為了消除各指標間單位的差異，采用無差標準化法對原始數據進行標準化處理，建立水資源效益與城鄉供水一體化發展的功效函數[13]。具體計算公式如下：

對于正貢獻指標，即指標值越大，該指標對系統正貢獻越大，有：

μij=(xij-βij)/(αij-βij)

(7)

對于負貢獻指標，即指標值越大，該指標對系統負貢獻越大，有：

μij=(αij-xij)/(αij-βij)

(8)

式中：μij為xij標準化的數值；xij為第i個年份第j個指標的原始數據；αij，βij分別為第j個指標的最大值和最小值。

2.3.4 耦合度與耦合協調度模型 耦合是指兩個或兩個以上系統或運動形式通過各種相互作用而彼此影響以至協同的現象。耦合度是描述系統或要素相互作用影響的程度。本文的耦合度用于分析水資源效益與城鄉供水一體化發展系統之間的耦合關系，耦合度越高，二者之間關系越緊密，相互作用影響程度越大。具體耦合度模型如下[14]：

(9)

式中：E1為水資源效益系統綜合評價指數；E2為城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數；C為兩個系統的耦合度，C∈[0,1]，C越大，表明系統耦合程度越好，當C=0時，表明系統內各要素之間處于無關狀態，系統將向無序發展，當C=1時，表明系統內各要素之間達到良性共振耦合，系統將趨向有序狀態演變。

由于耦合度模型只能反映兩者之間的相關程度，不能很好地反映系統間協調發展的綜合發展水平或綜合效益，故若單純依靠耦合度模型進行判別可能會產生誤差，也可能會造成結論與實際偏離過大。因此，需引入耦合協調度模型以評價水資源效益與城鄉供水一體化發展系統之間的協調發展程度。具體耦合協調度模型如下[15]：

D=(C·T)1/2

(10)

T=αE1+βE2

(11)

式中：D為系統耦合協調度；C為耦合度；T為協調度；E1為水資源效益系統綜合評價指數；E2為城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數；α，β為待定系數，由于水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統同等重要，這里α和β均取0.5。

為了更直觀地反映水資源效益系統與城鄉供水一體化系統之間的協調發展程度，參考相關文獻[12-13]，對系統耦合協調度進行等級劃分，如表1所示。

表1 耦合協調度等級劃分標準

3 指標體系構建

本文根據洛川縣實際情況，結合前人相關的研究成果[16-18]，且在指標選擇時遵循科學性、系統性、可比性和可操作性原則的基礎上，分別構建了水資源效益系統和城鄉供水一體化發展系統的評價指標體系。其中，反映水資源效益的包括經濟效益、社會效益以及生態效益3個子系統、9個指標，反映城鄉供水一體化發展的包括集中供水規模與供水水平2個子系統、6個指標，權重通過熵值法計算得出，如表2所示。

4 結果與分析

4.1 水資源效益與城鄉供水一體化發展水平之間的響應分析

選取水資源效益系統中所占權重較大的節水灌溉面積指標和農業萬元GDP用水指標來對水資源效益進行分析。借助EViews軟件分別建立城鄉供水一體化水平與它們之間的VAR模型進行脈沖響應分析，且將2007-2015年分為9期。具體分析結果如圖1和2所示，其中，圖1(a)為節水灌溉面積對城鄉供水一體化發展水平的響應情景，圖1(b)為農業萬元GDP用水對城鄉供水一體化發展水平的響應情景；圖2(a)為城鄉供水一體化發展水平對節水灌溉面積的響應情景，圖2(b)為城鄉供水一體化發展水平對農業萬元GDP用水的響應情景。

由圖1(a)可知，給城鄉供水一體化發展水平一個正沖擊后，在整個響應期內，節水灌溉面積對城鄉供水一體化發展水平變動的響應值均大于0，且響應值在第2期達到最大，之后逐漸減小，最后平穩接近于0。這說明，城鄉供水一體化發展水平的提高對節水灌溉面積的增加有積極促進作用，且在短期內，這種積極促進作用達到最大，之后逐漸減弱。由圖1(b)可知，給城鄉供水一體化發展水平一個正沖擊后，農業萬元GDP用水對城鄉供水一體化發展水平變動的響應值在前6期內為負值，在第7期之后變為正值。這說明，城鄉供水一體化發展水平在前期對農業萬元GDP用水具有反作用，城鄉供水一體化發展水平提高，農業萬元GDP用水下降，之后城鄉供水一體化發展水平接近100%，農業還在不斷發展，農業萬元GDP用水會有所上升。

由圖2(a)可知，給節水灌溉面積一個正沖擊后，其響應效果與圖1(a)相同，即節水灌溉面積的增加對城鄉供水一體化發展水平的提高有積極促進作用，且在短期內，這種積極促進作用達到最大，之后逐漸減弱。由圖2(b)可知，給農業萬元GDP用水一個正沖擊后，其響應效果與圖1(b)相反，即農業萬元GDP用水的增加在前期會促進城鄉供水一體化發展水平的不斷提高，之后會對城鄉供水一體化發展水平的提高有所限制。

表2 水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統耦合評價指標體系

圖1 節水灌溉面積和農業萬元GDP用水對城鄉供水一體化發展水平的響應

圖2 城鄉供水一體化發展水平對節水灌溉面積和農業萬元GDP用水的響應

4.2 水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數

通過計算得出洛川縣水資源效益系統綜合評價指數(E1)、城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數(E2)、耦合度(C)、協調度(T)以及耦合協調度(D)，并進行了等級劃分，具體結果如表3和圖3所示。

表3 洛川縣水資源效益與城鄉供水一體化綜合發展水平及耦合協調度等級劃分

圖3 洛川縣2007-2015年水資源效益與城鄉供水一體化發展耦合協調關系

從表3中可以看出，2007-2015年洛川縣水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統之間耦合度均在0.4～0.5之間。且借助SPSS軟件對2007-2015年洛川縣水資源效益系統綜合評價指數與城鄉供水一體化發展系統綜合評價值指數進行相關分析，發現兩者相關系數高達0.965，且通過了0.01的顯著性檢驗，這說明洛川縣水資源效益與城鄉供水一體化發展存在很強的相關性，具有一種耦合互動的關系。

由圖3可以看出，2007-2015年洛川縣城鄉供水一體化發展水平穩步提高，而水資源效益整體呈上升趨勢，僅在2014和2015年有所下降，且在2014年以前，水資源效益系統評價指數一直大于城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數，2014年以后，城鄉供水一體化發展系統綜合評價指數超越水資源效益系統評價指數。這主要由于洛川縣實施產業轉型，調整產業結構，使得洛川縣2014年和2015年GDP有所下降，從而使水資源效益系統評價指數有所減小。

4.3 水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統耦合協調度

結合圖3和表3可知，2007-2015年洛川縣水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統之間耦合協調度穩步增大，總體上可分為兩個階段，第一階段為2007-2010年的失調階段，第二階段為2011-2015年的協調階段。這表明，洛川縣在2010年以前，水資源效益與城鄉供水一體化發展的協同效應較弱，彼此促進作用不強，之后水資源效益與城鄉供水一體化發展的協同效應逐步增強，但2015年也只達到了初級協調水平，還有很大的提升空間。

5 結論與討論

(1)本文通過建立洛川縣城鄉供水一體化水平與節水灌溉面積和農業萬元GDP用水的VAR模型進行響應分析。研究表明，城鄉供水一體化水平的發展對節水灌溉面積具有正向影響，對農業萬元GDP用水具有負向影響，但隨著城鄉供水一體化水平的不斷提高，對農業萬元GDP用水轉為正向影響；節水灌溉面積的增加對城鄉供水一體化水平具有正向影響，而農業萬元GDP用水的增大對城鄉供水一體化水平的發展前期具有正向影響，之后轉為負向影響。

(2)本文通過構建洛川縣水資源效益系統和城鄉供水一體化發展系統的評價指標體系，運用耦合協調度模型，對洛川縣水資源效益系統與城鄉供水一體化發展系統進行耦合分析。分析結果表明，2007-2015年洛川縣城鄉供水一體化發展水平穩步提高，水資源效益整體呈上升趨勢，且兩系統之間耦合度均處在0.4～0.5之間，耦合協調度逐年增大，從2007年的嚴重失調狀態發展到2015年的初級協調狀態。

由于縣域單元數據獲取的局限性，本文構建的評價指標體系中指標的代表性不夠全面，選取數據時間序列較短，且未做空間差異分析，希望在進一步研究中，能夠選取可獲取指標更多、數據時間序列更長、范圍更廣的區域對水資源效益與城鄉供水一體化發展耦合系統進行分析。