湖南長江經濟帶產業水資源利用與城鎮化耦合協調機制研究

李藝璇 劉慧 方鈺佳 李景保

摘要：通過灰色關聯度和耦合協調模型，分析探討了湖南長江經濟帶產業水資源利用與城鎮化的耦合協調機制，得出以下結論：①岳陽沿江地區產業水資源利用與城鎮化兩系統各指標間的關聯度均在o.6以上，屬于中等及以上關聯。②岳陽沿江地區產業水資源利用綜合水平在波動中下降，城鎮化綜合水平總體呈現線性上升趨勢，兩者呈現反向發展態勢。③岳陽沿江地區耦合度和耦合協調度曲線呈現倒“U”型，由勉強協調發展類城鎮化滯后型發展為中級協調發展類產業水資源利用滯后型。④2017年岳陽沿江地區各縣市區呈現中級協調產業水資源利用滯后型、良好協調產業水資源利用滯后型兩種類型。

關鍵詞：湖南長江經濟帶;產業水資源利用;城鎮化;灰色關聯度;耦合機制

中圖分類號：F320 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0208-07

1 引言

水資源是產業發展的控制要素，產業的健康發展是城鎮化質量提升的重要推動力。如何在水資源開發利用過程中，將有限的水資源在各產業之間合理分配，使產業水資源利用與城鎮化互動發展，是新型城鎮化的重要議題。國內外學者對產業結構與城鎮化、水資源利用的關系進行了大量研究。錢納里等學者認為城鎮化的發展與產業結構升級具有相互作用[1]。城鎮化中的積聚度與產業結構調整具有正相關影響。AmmarBouchair在Mzab的實證研究基礎上得出水資源在城鎮化發展進程中是一個關鍵性的約束因素[2]。Veziro-glu等通過系統動力學模型測度了城鎮化快速發展背景下的水資源利用效率[3]。Hirschman認為產業發展還應考慮地域差異，在水資源供需矛盾日漸突出的背景下，要結合自身的資源優勢，提高水資源的配置效率。賈紹鳳等揭示了城鎮化過程中產業結構的變化對工業用水的影響規律[4]。王飛等研究了城市化、產業結構及水資源環境三者之間的兩兩交互耦合機制[5]。

然而目前研究很少將產業和水資源利用結合起來探討與城鎮化的耦合關系，在產業水資源利用與城鎮化關系方面的研究存在欠缺。《湖南長江經濟帶開發建設總體規劃研究報告》指出，將岳陽沿江地區打造為“現代產業集聚帶、新型城鎮拓展帶、生態文明示范帶”[6]。因此如何提高用水效率，協調產業水資源利用與城鎮化之間的關系，使有限的水資源能夠創造更大的社會經濟價值已成為湖南長江經濟帶建設發展需解決的重要問題。本文以湖南長江經濟帶為例，運用灰色關聯度和耦合協調模型，可彌補當前產業水資源利用與城鎮化耦合協調機制研究的欠缺。

2 區域概況、數據來源和研究方法

2.1 研究區域概況

岳陽市位于28°25′N～29°51′N，112°18′E～114°09′E之間，西瀕洞庭，北依長江，因位于湖南東北部的江湖交匯處，資源豐富，區位優越，素有“湘北門戶”之稱。本文研究區域為湖南省長江經濟帶（即岳陽沿江地區，下文中均用該詞替代），包括華容縣、君山區、岳陽樓區、云溪區、臨湘市、岳陽縣6個縣市區，區域面積7550km³，是聯動東西、輻射內陸的重要廊道[6]。2017年岳陽市全年國內生產總值3258.03億元。全市三次產業結構由2008年的17.2：51.7：31.1轉變到2017年的11.1：43.8：45.1，產業結構整體呈三、二、一的發展態勢，日趨合理。年末常住人口為573.33萬人，城鎮化率為57.21%。實現產業水資源利用與城鎮化的聯動發展是岳陽市打造現代產業聚集帶、新型城鎮拓展帶和生態文明示范帶的重要推力。

2.2 數據來源

本文涉及數據材料均來源于《岳陽市水資源公報》、《岳陽市統計年鑒》、各縣市區《國民經濟和社會發展統計公報》，個別缺失數據采用相鄰年份插值法補齊。空間數據來自地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/），在ArcGIS10.5軟件中進行分析處理。

3 研究過程

3.1 指標體系建立及權重計算

當前學界在產業水資源利用與城鎮化耦合關系研究指標體系方面的研究較為欠缺，文中指標體系的建立遵循綜合性、代表性、科學性和可操作性原則，根據指標選取簡明、方便、易行和可獲得性的特點，查閱現有文獻，并結合研究區域實際，建立了產業水資源利用和城鎮化兩個系統的指標體系。

由于數據的原有量綱不同，需對數據進行無量綱化處理，并運用嫡值法計算產業水資源利用和城鎮化系統各指標的權重（表1、表2）。

式（1）、（2）中，X'_ij和X_ij分別表示指標標準化值、某一指標屬性值;maxX_ij為某一指標的最大值、為某一指標的最小值。

本文利用綜合水平指數來衡量產業水資源利用和城鎮化水平，計算模型如下：

式（3）中，F₁、F₂分別為產業水資源利用和城鎮化綜合水平指數，y_i為第i個指標的標準值， w_i為第i個指標的權重。

3.2 灰色關聯度

為探究兩系統間的動態耦合關系，本文借鑒劉耀彬提出的關聯耦合模型[7]，建立產業水資源利用與城鎮化系統的關聯度模型（4）和耦合度模型（8）。在進行數據分析之前，采用公式（1）、（2）對數據進行無t綱化處理，關聯系數的計算公式如下：

3.4 耦合協調度函數

為使區域內的產業水資源利用與城鎮化各個子系統的耦合協調發展程度更加精確，引入耦合協調度模型：

式（11）、（12）中，D為耦合協調度;c為耦合度;U為產業水資源利用與城鎮化綜合評價調和指數;a，b為待定系數，由于產業水資源利用與城鎮化處于相同的地位，、兩個待定系數都擬定為0.5，并進行等級階段劃分（表5）。

4 評價結果分析

4.1 產業水資源利用與城鎮化耦合的主要因素分析

經計算得出，產業水資源利用與城鎮化兩系統各指標間的關聯度均在0.6以上，屬于中等及以上關聯，表明兩者之間聯系緊密。兩系統耦合度為0.8814，說明所建立的指標體系在評價兩系統的協調程度上有較好的效果。

產業水資源利用系統對城鎮化系統的約束綜合指數為0.6192，在產業水資源利用各子系統中，水資源供需情況（0.7043）與城鎮化系統的關聯度最大，其次為工業用水效率（0.6687）、綜合用水效率（0.6093）和服務業用水效率（0.5944），最小的是農業用水效率（0.5196），表明水資源供需情況對岳陽沿江地區城鎮化速度、質量及進程產生了較大的約束作用。岳陽沿江地區工業用水量在該區域用水量中占較大比重，萬元工業增加值用水量高于全國平均水平，工業用水效率較低，使產業水資源利用和城鎮化的矛盾更加尖銳。

城鎮化系統對產業水資源利用系統的脅迫綜合指數為0.6193，其中按脅迫程度排序：經濟城鎮化（0.6900）>人口城鎮化（0.612）>空間城鎮化（0.5881）>社會城鎮化（0.5866）。經濟城鎮化是岳陽沿江地區產業水資源利用水平的主要制約因素，經濟規模和產業結構對用水量和用水結構產生直接影響。同時人口和空間城鎮化為岳陽沿江地區產業轉型提供必備的勞動力和發展空間，影響水資源在三次產業中的分配。

4.2 岳陽沿江地區產業水資源利用綜合水平的時序變化

從圖1中可以看出各縣市區的產業水資源利用綜合水平變化曲線有較大差異。其中，岳陽樓區產業水資源利用曲線呈現波動下降的趨勢;君山區、岳陽縣、華容縣、臨湘市產業水資源利用綜合水平曲線起伏較大;云溪區產業水資源利用綜合水平在曲折中上升。

從區域總體來看，岳陽沿江地區產業水資源利用綜合水平在波動中下降，降幅高達57.96%，可大致將其分為四個階段。2008～2010年為穩定下降階段，由于該時期經濟基礎較為薄弱，用水負荷低，產業水資源利用綜合水平較高。2010～2014年為波動下降階段，受區域降水影響作用顯著，2012年和2014年為豐水年份，水資源總量大，產業水資源利用綜合水平出現兩次短期上升，但總體仍呈現下降趨勢。2014～2016年為快速下降階段，2015年岳陽樓區工業用水量突增至39373萬m³，使得岳陽沿江地區產業水資源利用綜合水平下降了26%。2016～2017年為短暫上升時期，其原因為2017年降水較多年平均偏多22.5%。

岳陽沿江地區水資源本底條件較好，但由于經濟發展迅速、降水時空不均，水資源供需不平衡。該區域農業生產方式較粗放，渠系水利用系數較低;以高水耗的石油化工工業為主導產業，工業用水量大、萬元工業增加值用水量明顯高于全國平均水平。服務業在經濟中的比重不斷增加，用水量逐年上升。岳陽沿江地區產業水資源利用綜合水平的不斷下降是上述原因的共同作用。

4.3 岳陽沿江地區城鎮化綜合水平的時間序列變化

據圖2可得，岳陽沿江地區城鎮化綜合水平總體呈現線性上升趨勢（y=0.0839x+0.0388，R²=0.9807），各縣市區趨勢較為相似，均呈現曲折增長態勢。

就區域整體來看，大致可以以2012、2013、2014年為界分為前后4個階段。2007～2012年間城鎮化綜合水平的發展處于勻速上升發展階段（k=0.0946）;2012～2013年發展速度顯著下降，但仍處于上升狀態;2013年《岳陽市“十二五”城鎮生活垃圾無害化處理設施建設專項行動實施方案》、《岳陽市進一步加強保障性安居工程項目計劃管理方案》等文件的出臺，為加速新型城鎮化、城鄉統籌工作進程提供明確指導，2013～2014年度發展速度顯著提升（k=0.1336）;2014～2017年，該階段重新回到勻速狀態，發展速度有所下降（k=0.0823），較第一階段增速放緩，但綜合水平遠大于2007年值，達到0.9256，城鎮化取得了長足發展。

對比發現，云溪區城鎮化綜合水平較其他縣市區具有優勢，多年綜合水平超過其他縣市區2017年為0.8973，預計未來有持續高速增長趨勢。產業結構是影響城鎮化綜合水平的關鍵因素，云溪區非農產業人口所占比重保持在72%以上，2008～2017年比重增長了14.93%，而君山區最大值僅為58.05%，在各縣市區中屬于中等偏下。由此，為實現湖南長江經濟帶城鎮化綜合水平的不斷提升，應進一步改善產業結構，建設兩型工農業，鼓勵現代服務業發展。

4.4 岳陽沿江地區耦合協調度時序變化

據計算結果（表6、圖3）可知，2008-2017年，岳陽沿江地區耦合度和耦合協調度曲線呈現倒“U”型，耦合協調度從0.5212曲折增長到0.7298。各縣市區耦合協調度曲線變化相似，存在一定差異性。2008年，臨湘市耦合協調度為0.4853，屬于瀕臨失調，其余五個縣市區屬于中度失調，其中君山區耦合協調度最高，為0.5541。從區域整體上看，可將耦合協調度變化分為兩個階段。

4.4.1 城鎮化發展滯后階段

該階段為2008～2012年，耦合協調類型經歷了勉強協調、初級協調、中級協調3種類型，城鎮化發展是該階段耦合協調度增長的主要推動力。該階段產業水資源利用綜合水平與城鎮化綜合水平呈現反向發展態勢，差距由0.6277縮小到0.1511。該階段為城鎮化和工業化早期，產業用水負荷低，產業水資源利用綜合水平高。隨著城鎮化水平的提高，早期低效率的粗放型產業結構，使產業綜合水平持續下降，兩系統差距縮小，耦合協調度升高。

4.4.2 產業水資源利用滯后階段

該階段為2013～2017年，耦合協調度在0.3～0.5區間內波動，增長趨于停滯甚至下降，經歷了由中級協調降為初級協調再恢復為中級協調的過程。2014～2016年，由于產業水資源利用綜合水平下降了54%，而城鎮化處于較高水平并持續增長，耦合協調度由中級協調降為初級協調。2017年，產業水資源利用綜合水平出現了短期上升，兩系統耦合協調度恢復到中級協調。隨著岳陽沿江地區城鎮化發展為高級階段，產業轉型升級、生產方式優化，未來該區域產業水資源利用與城鎮化將趨于協調發展。

4.5 岳陽沿江地區耦合協調度區域分異

本文通過以上模型和公式的計算，得出了2017年度岳陽沿江地區各縣市區及整體的2017年產業水資源利用與城鎮化耦合協調度評價結果（表7）。通過空間

由表7可知，2017年岳陽沿江地區各縣市區產業水資源利用與城鎮化耦合協調度介于0.730和0.889之間，6個縣市區及整體呈現中級協調產業水資源利用滯后型、良好協調產業水資源利用滯后型2種狀態。其中岳陽樓區、華容縣、臨湘市和整體為中級協調，云溪區、君山區和岳陽縣為良好協調。由于城鎮化和產業水資源利用要素值的不同，耦合協調度呈現明顯的區域分異現象，但總體來講區域兩系統之間的關系趨于和諧。仍應注意到，評價結果均為產業水資源利用滯后型，表明2017年產業水資源利用對城鎮化的貢獻程度小于城鎮化對產業水資源利用的貢獻程度，距兩者實現同步發展還有一定距離。華容縣與臨湘市的農田灌溉用水量分別為28672萬m³和23336萬m³，岳陽樓區工業用水量為102422萬m³，而其他3個區縣的農田灌溉用水量與工業用水量的平均值僅為13854萬m³、4665萬m³。由此可見，影響耦合協調度區域分異的最主要因素是工業用水量和農田灌溉用水量，工農業用水量過大顯示了區域工農業用水效率較低，當前狀況與區域產業水資源利用的集約、節約化的發展目標有較大差距。因此需要不斷推動資源節約型產業發展，尤其應重視發展節水農業，減少資源浪費，促進城區水資源可持續的開發利用。

5 結論與討論

（1）岳陽沿江地區產業水資源利用與城鎮化兩系統各指標間的關聯度均在0.6以上，屬于中等及以上關聯。產業水資源利用系統對城鎮化系統的約束綜合指數為0.6192，其中水資源供需情況（0.7043）與城鎮化系統的關聯度最大;城鎮化系統對產業水資源利用系統的脅迫綜合指數為0.6193，經濟城鎮化（0.6900）是主要脅迫因素。

（2）岳陽沿江地區各縣市區產業水資源利用綜合水平差異較大，從區域總體來看，2008～2017年該區域產業水資源利用綜合水平在波動中下降，降幅高達57.96%。城鎮化綜合水平總體呈現線性上升趨勢（y=0.0839x+0.0388，R²=0.9807），各縣市區趨勢也較為相似，表現為曲折增長。兩系統綜合水平呈現反向發展態勢。

（3）研究期內，岳陽沿江地區耦合度和耦合協調度曲線呈現倒“U”型，耦合協調度從0.5212曲折增長到0.7298，由勉強協調發展類城鎮化滯后型發展為中級協調發展類產業水資源利用滯后型。各縣市區耦合協調度曲線變化具有相似性，從區域總體上看，可大致分為城鎮化滯后型（2008～2012年）和產業水資源利用滯后型（2012～2017年）兩個階段。

（4）2017年岳陽沿江地區各縣市區產業水資源利用與城鎮化耦合協調度介于0.730和0.889之間，6個縣市區及整體呈現中級協調產業水資源利用滯后型、良好協調產業水資源利用滯后型兩種類型。由于城鎮化和產業水資源利用要素值的不同，耦合協調度呈現明顯的區域分異現象，但總體來講區域兩系統之間的關系趨于和諧。

本文以湖南長江經濟帶為實例進行研究，將灰色關聯度引入產業水資源利用與城鎮化耦合協調機制的分析中，具體分析指標間的關聯程度，選擇有代表性、可獲得性的指標納入評價體系。盡管研究尺度細化到時間和空間層面，但產業水資源利用與城鎮化涉及的影響因素較多，因而可能存在著指標數據選取不全面的問題，在今后的探討中將進一步彌補和完善。

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收稿日期：2020-01-15

基金項目：大學生創新創業訓練項目（編號：50208001201900089003）

作者簡介：李藝璇（1999-），女，湖南師范大學資源與環境科學學院學生。

通訊作者：李景保（1951-），男，研究員，碩士生導師，教授，研究方向為水文學與水資源、自然災害和水土保持。