中部地區(qū)水資源利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展關(guān)系研究

高 甜，楊肖麗

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

中部地區(qū)作為我國地理腹地，包括山西省、安徽省、江西省、河南省、湖北省以及河南省六個(gè)省份，在中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著“承東啟西”的樞紐作用，但“中部塌陷”問題使得中部地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展受阻［1］。為了恢復(fù)中部地區(qū)的“元?dú)狻保?xí)近平總書記在2019年中部地區(qū)崛起工作座談會(huì)中指出，中部崛起需要貫徹新發(fā)展理念，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展。高質(zhì)量發(fā)展強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，為了更好地解決“十四五期間”水安全問題，需要不斷調(diào)整水資源利用方式以滿足國家高質(zhì)量發(fā)展的要求。

國內(nèi)外對于關(guān)于水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間相互關(guān)系的研究主要集中3 個(gè)方面：①從水資源利用效率［2］、水資源承載力［3］等角度分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對水資源消耗的影響；②從投入產(chǎn)出角度探討水資源消耗對經(jīng)濟(jì)增長的約束作用［4］；③通過構(gòu)建耦合模型［5］、脫鉤指數(shù)［6］等方法探究水資源利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)關(guān)系。雖然國內(nèi)外學(xué)者對水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)系展開了大量的研究，但是還存在3點(diǎn)不足：①在計(jì)算水資源利用效率時(shí)通常將經(jīng)濟(jì)效益作為唯一產(chǎn)出，而未考慮可持續(xù)發(fā)展中不可忽視的社會(huì)效益和環(huán)境效益；②探究經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源之間的脫鉤關(guān)系時(shí)一般僅從水資源利用效率或者水資源消耗單方面進(jìn)行研究，具有一定的局限性；③當(dāng)前學(xué)者研究尺度主要以省域［6］、流域［7］以及經(jīng)濟(jì)帶［8］為主，關(guān)于中部地區(qū)的水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展關(guān)系的研究較少。

基于此，本研究首先計(jì)算中部地區(qū)2003-2018年6 個(gè)省份的水足跡，然后從五大發(fā)展理念出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)體系，利用熵權(quán)法計(jì)算各省份綠色發(fā)展指數(shù)，并從水足跡角度將綠色發(fā)展指數(shù)作為期望產(chǎn)出來測算水資源利用效率，最后利用Tapio 脫鉤模型分析中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源消耗以及水資源利用效率之間的關(guān)系，研究結(jié)果對中部地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展有一定的理論意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1 研究方法

1.1.1 水足跡

水足跡理論通常用于水資源利用相關(guān)研究中，體現(xiàn)了一個(gè)地區(qū)水資源消耗的程度，分為內(nèi)部水足跡和外部水足跡［9］。

式中：WF 表示總水足跡，WFin、WFout分別表示內(nèi)部和外部水足跡，WFA、WFI、WFL、WFE和WFG分別表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、生活用水、生態(tài)用水以及灰水足跡，VWEexport表示出口虛擬水，VWEimport進(jìn)口虛擬水量，VWEi-e表示進(jìn)口再出口虛擬水量。

（1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡。

式中：Pi表示第i 種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，wfi表示第i 種農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量。

（2）工業(yè)生產(chǎn)、生活以及生態(tài)水足跡。由于工業(yè)品種類多，虛擬水含量難以得到數(shù)據(jù)，因此沿用文獻(xiàn)［10］中的做法，以水資源公報(bào)工業(yè)用水總量來代替。居民生活用水量和生態(tài)環(huán)境用水量均是實(shí)體水，所以也直接引用水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)。

（3）灰水足跡。由于生態(tài)用水基本不產(chǎn)生灰水足跡，所以本研究僅考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)以及生活用水的灰水足跡。

（4）出口虛擬水。

式中：Mexport表示出口貿(mào)易值；G 表示生產(chǎn)總值；WFP表示生產(chǎn)水足跡。

（5）進(jìn)口虛擬水。本研究參考相關(guān)文獻(xiàn)的處理方法［11］，忽略進(jìn)口產(chǎn)品再出口的虛擬水量（VWEi-e），且不區(qū)分農(nóng)業(yè)產(chǎn)品與工業(yè)產(chǎn)品，將貿(mào)易虛擬水劃分為進(jìn)口貿(mào)易虛擬水與出口貿(mào)易虛擬水。

1.1.2 綠色發(fā)展指數(shù)

中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)充分響應(yīng)國家提出的“五大發(fā)展理念”，以促進(jìn)中部地球高質(zhì)量發(fā)展。因此，本研究參考相關(guān)學(xué)者的研究成果［12］，以創(chuàng)新發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展、開放發(fā)展以及共享發(fā)展為基準(zhǔn)層構(gòu)建綠色發(fā)展指數(shù)評價(jià)體系（表1）。

表1 綠色發(fā)展指標(biāo)體系Tab.1 Green development index system

由于不同指標(biāo)的評估標(biāo)準(zhǔn)存在差異，需要對各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理以便對比同一指標(biāo)在不同時(shí)期及不同地區(qū)的表現(xiàn)。

對于正向指標(biāo)：

對于負(fù)向指標(biāo)：

式中：Xp，q為指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；X′p，q指標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)，p=1，2，…，m（評價(jià)年份數(shù)）；q=1，2，…，n（評價(jià)指標(biāo)數(shù)）。

計(jì)算信息熵：

式中：Lpq為第p年第q 項(xiàng)指標(biāo)值占該項(xiàng)指標(biāo)的比重；Eq為第q 項(xiàng)指標(biāo)的信息熵。為避免ln0情況出現(xiàn)，Lpq=0時(shí)，本研究令其等于0.000 000 001。

權(quán)重計(jì)算：Wq為第q項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

綠色發(fā)展指數(shù)：將熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化處理后的無量綱化指標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)得到綠色發(fā)展指數(shù)Si。

1.1.3 SBM模型

DEA 模型是測算生態(tài)效率常用方法［13］，Tone［14］提出的SBM-DEA 模型，不僅有效降低了傳統(tǒng)徑向和角度DEA 模型的測量誤差，而且考慮了非期望產(chǎn)出對效率值的影響。SBMDEA 模型假設(shè)有j 個(gè)決策單元，每個(gè)決策單元包含M 種投入要素x、n1種期望產(chǎn)出a和n2種非期望產(chǎn)出b：

1.1.4 脫鉤分析

脫鉤理論源于物理學(xué)領(lǐng)域，后逐漸被用于探究資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)關(guān)系，并在近些年成為研究熱點(diǎn)。基于水足跡、水資源利用效率和綠色發(fā)展指數(shù)構(gòu)建Tapio 脫鉤模型，可以有效衡量經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源利用之間的脫鉤關(guān)系。

式中：Ew，Ee分別表示綠色發(fā)展指數(shù)與水足跡和水資源利用效率脫鉤彈性系數(shù)；i 表示地區(qū)；t1和t2分別表示起始年和終止年；ΔWFi、Δρi和ΔSi分別水足跡、水資源利用效率和綠色發(fā)展指數(shù)的變化率。根據(jù)脫鉤彈性系數(shù)的大小以及ΔWFi、Δρi和ΔSi的正負(fù)定義8種脫鉤狀態(tài)（表2）。

表2 綠色發(fā)展指數(shù)與水資源脫鉤關(guān)系類型劃分Tab.2 Classification of decoupling relationship between green development index and water resource

1.2 數(shù)據(jù)來源

各省的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)相關(guān)指標(biāo)來自于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》，《中國農(nóng)業(yè)年鑒》。各種作物的虛擬水含量（表3）參考相關(guān)文獻(xiàn)［15-17］所得。用水量數(shù)據(jù)來自各省水資源公報(bào)，相關(guān)環(huán)境指標(biāo)來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》，創(chuàng)新發(fā)展數(shù)據(jù)來源于《中國科技統(tǒng)計(jì)年鑒》。COD 和氨氮的最高濃度標(biāo)準(zhǔn)采用污水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978-1996）中的二級排放標(biāo)準(zhǔn)，COD 和氨氮的達(dá)標(biāo)濃度分別為120 mg∕L 和25 mg∕L，兩種污染物的初始濃度取為0 mg∕L。

表3 各種作物虛擬水含量Tab.3 Virtual water content of various crops

2 結(jié)果分析

2.1 水足跡變化趨勢分析

中部地區(qū)水足跡在研究期內(nèi)具有一定的波動(dòng)性。2003-2006年水足跡逐漸上升，并在2006-2017年有小幅度下降，然后逐漸上升至2015年的6 835.4 億m3（圖1），最后在2016-2018年水足跡小幅度下降至6 672.3 億m3，年均增長率約為2.7%。從各省份來看，山西省水足跡最少，年均水足跡為323.8 億m3，2014年達(dá)到研究期內(nèi)最大值370.9 億m3，僅占中部地區(qū)水足跡的5.5%。安徽省水足跡在2003-2018年基本呈現(xiàn)上升趨勢，年均增長率為2.4%。江西省的年均水足跡為753.8 億m3，僅高于山西省，約占中部地區(qū)水足跡的12.2%。河南省是中部地區(qū)水足跡的主要供給省份，年均占比高達(dá)28.1%，年均水足跡達(dá)到1 722.1 億m3。湖北省和湖南省的水足跡變化趨勢基本一致，水足跡差別甚小，分別占中部地區(qū)水足跡的18.9%和18.6%。

圖1 2003-2018年中部地區(qū)水足跡變化Fig.1 Changes of water footprint in central China from 2003 to 2018

2.2 綠色發(fā)展指數(shù)

中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)整體呈現(xiàn)逐年上升趨勢，且漲勢明顯（圖2）。2003年中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)均值為29.1，2018年達(dá)到63.7，年均增長率達(dá)到7.93%，其中2006-2017年增長率達(dá)到11.4%，這一方面體現(xiàn)出黨中央在2006年發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)中部地區(qū)崛起的若干意見》政策的有效性，但另一方面也說明中部地區(qū)的綠色發(fā)展程度還不夠高，還需進(jìn)一步提高資源的利用效率，加大環(huán)境治理的力度，避免粗放式要素投入生產(chǎn)方式。

圖2 2003-2018年中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)變化趨勢Fig.2 Change trend of green development index in central China from 2003 to 2018

從各省份的綠色發(fā)展指數(shù)來看，湖北省和安徽省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平最高，2018年兩省的綠色發(fā)展指數(shù)均超過70。江西省和山西省的綠色發(fā)展指數(shù)最低，其中山西省在2005-2006年、2014-2015年以及2016-2017年出現(xiàn)小幅度回落。河南省在2011年后經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平明顯增加，2011-2018年的增長率達(dá)到53.5%。湖南省綠色發(fā)展指數(shù)接近于中部地區(qū)整體水平，呈現(xiàn)逐年波動(dòng)增長趨勢，2018年達(dá)到最大值64.8。從增長速率來看，在中部六省中，安徽省增長速度最快，年均增長率為10.2%，江西省的增長速度最低，年均增長率僅為5.1%，綠色發(fā)展指數(shù)在六省中排名從第二掉到第四。

利用箱線圖分析2003-2018年中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)的變化情況（圖3），可以直觀看見各省份的聚散程度，其中每個(gè)箱子代表每個(gè)年份6 個(gè)省份的綠色發(fā)展指數(shù)分布情況。2003-2005年，箱線圖上邊緣至下邊緣的距離逐漸減小，2006年有所增加后又逐漸減小至2008年，表明各省份間的除了2006年外，差異度逐漸減小，綠色發(fā)展水平逐漸趨于穩(wěn)定。2009-2018年，上邊緣至下邊緣的距離以及箱子高度基本呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，說明各省份的綠色發(fā)展指數(shù)差異度逐漸增加，空間聚集性降低。其原因?yàn)楦魇》菥G色發(fā)展速度各異，安徽省和湖北省拉高了最大值，而綠色發(fā)展水平最低的山西省增長速率不及其他省份，拉低了最小值。2008年和2009年各出現(xiàn)一個(gè)異常值，主要是2008年湖北省的綠色發(fā)展水平較高，與其他省份間差異較大，而2009年山西省的綠色發(fā)展指數(shù)很大程度上落后于其他省份，導(dǎo)致該年份出現(xiàn)一個(gè)低于邊緣值的異常點(diǎn)。

圖3 2003-2018年中部地區(qū)各省份綠色發(fā)展指數(shù)箱型圖Fig.3 Box chart of green development index of various provinces in central China from 2003 to 2018

2.3 水資源利用效率

中部地區(qū)2003-2018年水資源利用效率變化幅度較大（圖4）。研究初期，中部地區(qū)水資源利用效率不斷下降，整體下降幅度達(dá)到13.8%，主要因?yàn)樵谠撾A段主要通過粗放式的要素投入來增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，忽略資源環(huán)境效益，相應(yīng)地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平提高幅度不大，導(dǎo)致水資源利用程度降低。2007-2014年不斷調(diào)整投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，度過一個(gè)平穩(wěn)期后開始大幅度上升，并在2016年達(dá)到研究期內(nèi)最高值0.909（表4），2016-2018年水資源利用效率經(jīng)歷了一次劇烈下降后又有小幅度上升。

表4 2003-2018年中部地區(qū)水資源利用效率Tab.4 Water resource utilization efficiency in central China from 2003 to 2018

圖4 2003-2018中部地區(qū)水資源利用效率變化趨勢Fig.4 Change trend of water resource use efficiency in central China from 2003 to 2018

研究期內(nèi)，各省的水資源利用效率各異，山西省水資源利用效率最高，多年均值達(dá)到0.869，研究期內(nèi)有三年達(dá)到水資源利用有效狀態(tài)。河南省水資源利用效率最差，研究期內(nèi)有7年效率值不超過0.7，說明該省水資源利用的粗放程度相對較高。湖南省水資源利用情況僅優(yōu)于河南省，多年均值為0.736。江西省除了在2016年水資源利用效率較其他省份偏低以外，其他年份的水資源配置情況良好，多數(shù)年份水資源利用效率超過0.75。安徽省與湖北省水資源利用效率逐年變化情況相似，但整體上看，安徽省要略優(yōu)于湖北省。

2.4 脫鉤分析

為了便于時(shí)間上的比較，所以將整個(gè)研究期等分為4 個(gè)階段進(jìn)行經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指數(shù)與水資源脫鉤分析，分別是2003-2006年（T1 階段）、2007-2010年（T2 階段）、2011-2014年（T3 階段）以及2015-2018年（T4階段）。

T1階段，中部地區(qū)多數(shù)省份綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率和水足跡的脫鉤狀態(tài)分別表現(xiàn)為強(qiáng)脫鉤和擴(kuò)張性脫鉤，這說明這些省份綠色發(fā)展指數(shù)上升的時(shí)候，水足跡上升但是水資源利用效率卻在下降，中部地區(qū)整體上水資源消耗比較嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展程度不高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要依靠要素的粗放利用來實(shí)現(xiàn)。湖北省和湖南省綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率和水足跡的脫鉤類型分別為強(qiáng)脫鉤和弱脫鉤，說明綠色發(fā)展指數(shù)的增長速度快于水足跡的增加速度，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展并沒有帶來水資源利用效率的提升。安徽省綠色發(fā)展指數(shù)與水足跡之間為增長連接關(guān)系，表示社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度與水足跡增加速度相持平。

T2階段，多數(shù)省份綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率的脫鉤狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，除了江西省外，均由不理想的強(qiáng)脫鉤狀態(tài)轉(zhuǎn)換為較理想的弱脫鉤狀態(tài)。綠色發(fā)展指數(shù)與水足跡的脫鉤關(guān)系主要有3 種，分別是擴(kuò)張性脫鉤、增長連接以及弱脫鉤，說明經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)水資源消耗會(huì)增加，水資源利用效率也得到提高，但是整體來看，中部地區(qū)水資源消耗降低還存在較大潛力。

T3階段，中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)與水足跡的脫鉤指數(shù)有所降低，脫鉤類型除了山西省為增長連接外，均轉(zhuǎn)為弱脫鉤狀態(tài)，說明該階段水足跡增加速度已經(jīng)所有降低，但是水資源消耗還是在增加。六省綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率之間表現(xiàn)為弱脫鉤關(guān)系。

T4階段，中部地區(qū)整體社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用情況達(dá)到良好協(xié)調(diào)狀態(tài)，綠色發(fā)展水平上升的同時(shí)水足跡下降，并且水資源利用效率上升，山西省的水資源利用效率提升速度甚至與綠色發(fā)展指數(shù)增長速度持平，各省份實(shí)現(xiàn)了水資源消耗隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而減少，水資源利用效率隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而提高的理想狀態(tài)。

綜上所述，通過時(shí)間維度的分析，可以發(fā)現(xiàn)中部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源之間的關(guān)系逐漸朝理想狀態(tài)發(fā)展，綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率之間的關(guān)系由強(qiáng)脫鉤關(guān)系變?yōu)槿趺撱^關(guān)系，與水足跡的脫鉤類型從擴(kuò)張性負(fù)脫鉤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿趺撱^，最后變?yōu)閺?qiáng)脫鉤，由此可見，在經(jīng)歷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級后，中部地區(qū)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r較為合理。

表5 2003-2018中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率、水足跡脫鉤分析Tab.5 Analysis of decoupling between green development index，water resource utilization efficiency and water footprint in central China from 2003 to 2018

3 結(jié) 論

本研究以2003-2018年中部地區(qū)為研究對象，從水足跡和綠色發(fā)展角度探究各省份水資源利用效率，并運(yùn)用Tapio 脫鉤模型探究水足跡、水資源利用效率與綠色社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論。

（1）中部地區(qū)水足跡在時(shí)間尺度上基本呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，分布空間差異明顯，其中山西省歷年水足跡最小，河南省歷年水足跡最大。

（2）中部地區(qū)綠色發(fā)展指數(shù)整體呈現(xiàn)逐年上升趨勢，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平空間差異性在研究期內(nèi)先降低后增加，其中湖北省和安徽省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平最高，而山西省和江西省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平偏低；

（3）中部地區(qū)在研究期內(nèi)水資源利用效率變化幅度較大，經(jīng)歷過粗放式要素使用的低沉期后水資源利用效率有所增加；山西省和河南省分別是年均水資源利用效率最高和最低的省份。

（4）中部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源之間的關(guān)系在研究期逐漸朝理想狀態(tài)發(fā)展，綠色發(fā)展指數(shù)與水資源利用效率之間的關(guān)系由強(qiáng)脫鉤關(guān)系變?yōu)槿趺撱^關(guān)系，與水足跡的脫鉤類型從擴(kuò)張性負(fù)脫鉤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿趺撱^，可持續(xù)發(fā)展程度較高。 □