基于灰色關聯的廣東省經濟增長與水環境監測指標耦合關聯性研究

劉 倩

（1.廣東外語外貿大學金融學院，廣東 廣州 510006；2.金融開放與資產管理研究中心，廣東 廣州 510006；3.華南財富管理中心研究基地，廣東 廣州 510006）

0 引言

廣東省水資源豐富，2018年水資源總量為1 895.1億m3，地表水資源量為1 885.2億m3，地下水資源量為460.6億m3。廣東省河網密布、臨海，年平均降水量在1 300～2 500 mm，全省平均降水量為1 777 mm［1］，但是全年降水的80%都集中在4—9月的汛期，且地勢復雜，北部地勢高，南部地勢低，導致廣東省水資源時空分布不均勻。廣東省率先在全國范圍內進行改革開放，30多年來，其經濟一直在全國各省中首屈一指。2018年廣東省的GDP高達97 277.77億元，人均GDP為86 412元，高于全國人均水平。但在大家的精力主要集中在發展經濟的同時，水資源狀況發生了重大的變化：由于人類經濟社會活動加劇、全球氣候變化、環境變化和水污染等因素，導致水資源數量和質量發生了巨大的變化。隨著人口急劇增加，經濟規模擴大，廢水大量排放，尤其是工業廢水和生活廢水，公民節水意識薄弱，用水效率低下等一系列問題導致廣東省的大部分水環境受到不同程度的污染，直接影響了經濟的發展、人民群眾的正常生活、社會的和諧穩定。據研究［2-3］，水環境與經濟發展之間存在顯著的相關性。但是現有的研究多為水環境污染與經濟發展、產業結構的關系研究，而經濟發展與各水污染監測指標間耦合作用機理的研究相對較少。用于水質評價的方法較多，而灰色關聯法計算原理簡單、所需原始性數據少、運行簡便且數據規律性明顯［4-6］。灰色關聯分析是灰色系統理論的一個分支，通過對事物間系統因子之間、因子對主行為之間的不確定關聯進行分析研究，進而挖掘數據內部之間的相互作用特征［7］，是環境影響因素評價常用的方法之一［8-9］，能夠動態反映兩因素間的趨勢［9-11］。現階段，廣東省經濟增長和水環境之間相互影響的關系尤為密切。因此，有效遏止水污染現象，為保障經濟和水環境的可持續發展，運用可持續發展的現代戰略思想對水環境出現的新情況新問題及時做出分析研究，具有重要的理論和實踐意義。通過研究2006—2018年廣東省水環境污染變化情況，運用灰色關聯分析法分析2006—2018年廣東省經濟增長與水環境監測指標之間的關系。

1 數據模型及研究方法

1.1 灰色關聯分析

人們往往用顏色深度來表示系統信息的完整性，灰色系統是指信息不完整、不確定的系統。在客觀世界中，各種因素之間的表現形式是灰色的、不明確的，而且關系錯綜復雜［12-13］，這些因素共同作用決定了事物的發展形態和趨勢。灰色系統是相對于黑色系統與白色系統而言的，然而世界上絕對的黑色系統與白色系統是很少的，作為實際系統，灰色系統占據大部分。它是在因子數據序列的基礎上，從數學角度研究了各因子之間的幾何對應關系，即序列曲線的幾何形狀越接近，它們之間的灰色關聯度越大，反之則越小［11，14］。灰色關聯分析步驟如下。

①根據分析目的確定分析指標體系（評價對象），收集分析數據，形成原始數據矩陣。

②確定參考數據列（評價標準）。

③對原始數據進行無量綱化處理。

本研究采用均值法進行無量綱化處理，具體見式（1）。

④逐個計算每個被評價對象指標序列與參考序列對應元素的絕對差值。

⑤確定最大差值與最小差值。

⑥計算關聯系數。

由式（2）分別計算每個比較序列和參考序列對應元素的關聯系數。

式中：ζi（k）為第i個評價對象k時刻的關聯系數；ρ為分辨系數，ρ∈［0，1］，若ρ越小，關聯系數間差 異 越 大，區 分 能 力 越 強，通 常ρ取0.5［15］；為兩級最小差，為兩級最大差。

⑦計算關聯度。

對各評價對象分別計算其各指標與評價標準對應元素的關聯系數的均值，以反映各評價對象與評價標準的關聯關系，并稱其為關聯度，記為式（3）。

⑧關聯度分級，見表1。

1.2 數據來源和說明

本文研究數據來源于廣東省水利廳《水資源公報》（2006—2018）、廣東省生態環境廳《環境統計公報》（2006—2018）、廣東省統計年鑒（2006—2018）、中國統計年鑒（2006—2018），數據處理利用Excel和Origin完成。

在本研究中，COD、氨氮采用其水污染當量數進行計算。水污染當量指的是根據污染物或污染物排放活動對地表水環境的危害程度和處理的技術經濟條件，建立了測定不同污染物對地表水環境污染的綜合指標或計量單位。水污染物當量數等于該污染物的年排放量除以該污染物的污染當量值，見式（4）。化學需氧量（CODCr）的當量值與氨氮的當量值分別為1與0.8。

式中：S為污染物當量數，無量綱；Z為廢水年排放量，kg；Q為污染當量值，kg。

2 模型應用

經濟與水環境是一個多層次、受多個因素影響的復雜系統，選取合適的指標可以較好地反映經濟與水環境系統的實際發展水平，選取的指標要具有代表性、科學性、有效性，能夠直接或間接地反映廣東省的經濟和水環境系統的發展狀態、兩者間的關系及研究目標的可實現程度。廣東省的GDP增長及產業結構優化對水環境的影響主要涉及工業廢水排放量、生活廢水排放量及其中所含的COD和氨氮排放量等指標［2］。在反映一個地區的經濟增長情況時，人均GDP比總量GDP更能準確地反映該地的經濟水平。其次，可以從一個地區產業結構的調整看出區域的經濟發展水平。筆者結合廣東省水環境狀況，選取了能夠代表經濟增長與水環境重點監測的指標。圖1和圖2分別為2006—2018年廣東省人均GDP與水環境監測指標時序圖和2006—2018年廣東省第二、三產業GDP所占比重與水環境監測指標時序圖。

由圖1可知，2006—2018年廣東省人均GDP呈上升趨勢，由2006年的28 762元增加到2018年的86 412元，增長穩定。工業廢水排放量從2006年的234 713萬t降至2018年的122 500萬t，整體呈下降趨勢，2009—2012年遞減速度十分緩慢，之后開始提速；生活廢水排放量呈現出完全相反的趨勢，由2006年的419 706萬t，增長到2018年的781 547萬t，增幅為86.2%。工業用水量逐年降低，降幅為26.7%；生活用水量總體呈上升趨勢，增幅為17.5%，2018年生活用水量為1 021 000萬t，工業用水量為994 000萬t，生活用水量首次超過工業用水量。2006—2018年生活COD排放量遠高于工業COD排放量，并在2011年突然大幅增加，總體呈上升趨勢；工業COD排放量2008—2015年變化波動不明顯，2016年排放量下降幅度增大，總體呈下降趨勢。2006—2018年工業氨氮排放量與生活氨氮排放量均先升高后下降，但變化幅度不明顯。

圖1 2006—2018年廣東省人均GDP與水環境監測指標時序圖

由圖2可以看出，第二、三產業GDP占95%以上，2006—2012年廣東省以第二產業為主，污染排放主要來自工業，產生了大量工業廢水。但是隨著產業結構的轉變，廣東省逐漸以第三產業為主，交通運輸業、商業、餐飲業等行業大力發展。第三產業占比由2006年的43.33%增長到2018年的54.23%。隨著廣東省第三產業占GDP比重的升高，用水量、生活廢水排放量也在上升。產業結構的變化帶來了水環境污染的變化，在不同的行業中，污染物排放種類不同，污染排放的強度也是不同的，當污染型產業比重下降或發展速度降低時，有利于改善環境質量，當污染型產業比重增加或發展速度水平提高時，污染排放加重，水環境污染程度也會跟著增加。

圖2 2006—2018年廣東省第二、三產業GDP所占比重與水環境監測指標時序圖

2.1 模型建立

本研究選取人均GDP、第二產業占GDP比重、第三產業占GDP比重作為經濟增長指標。環境系統主要研究水環境尤其是水環境污染方面，因此選取工業廢水排放量、生活廢水排放量、工業COD排放量、生活COD排放量、工業氨氮排放量、生活氨氮排放量、工業用水量、生活用水量等水環境重點監測指標為評價對象，見表2。

表2 研究變量的選取

由于系統中各因素的物理意義不同，導致數據的量綱也不一定相同，不便于比較，或在比較時難以得到正確的結論。因此在進行關聯度分析時，一般都要進行無量綱化處理。通過計算得到無量綱化數據，見表3。

表3 無量綱化數據

2.2 模型求解

通過計算將所建立的模型求解，計算出廣東省人均GDP和第二、三產業GDP占比與各水環境重點監測指標間的灰色關聯度數值，詳見表4。

表4 廣東省經濟與水環境重點監測指標的關聯度

若把灰色關聯度roi取最大值，roi=1，說明水環境指標Xi與經濟指標Yi關聯性最強，兩者變化規律完全一樣，指標與指標間耦合作用明顯，roi越大，關聯度越強，耦合作用越明顯。從表4中可以看出，廣東省經濟增長指標與水環境重點監測指標的灰色聯度在0.527 9~0.912 6，與表1對應，大部分處于中等和較強這兩個范圍內，說明人均GDP和第二、三產業GDP占比等經濟指標與水環境重點監測指標存在中等和較強的耦合作用。為進一步探討耦合機制，對關聯度進行排序，廣東省污染物排放量與人均GDP的關聯性由強到弱為：rX2＞rX6＞rX4＞rX5＞rX1＞rX3，rX7和rX8分別為0.646 8和0.767 0；與第二產業占GDP比重的關聯性強弱為：rX1＞rX4＞rX3＞rX6＞rX2＞rX5，rX7和rX8分別為0.850 9和0.696 8；與第三產業占GDP比重的關聯性強弱為：rX4＞rX6＞rX2＞rX1＞rX5＞rX3，rX7和rX8分別為0.723 4和0.912 6。

2.3 結果分析

生活廢水排放量和人均GDP的關聯度為0.875 9，耦合作用極強，其次，關聯度較強的是生活用水量、生活氨氮排放量和生活COD排放量，從圖1可以看出，2006—2018年廣東省人均GDP呈穩步上升趨勢，生活廢水排放量不斷攀升，其主要原因是隨著廣東省城鎮化率的上升，城鎮人口不斷增加，用水量跟著增加，生活污水排放量增大，導致生活廢水中的COD、氨氮含量也跟著增加；工業廢水排放量、工業氨氮排放量、工業COD排放量和工業用水量與人均GDP耦合作用中等，工業廢水排放量隨著人均GDP的增加而減少，改革開放以后經濟迅速發展造成生態環境被破壞，水環境質量下降［17］，國家和廣東省政府出臺了一系列節能減排的措施，制定相關法律法規，并對生產技術進行改進，人均GDP逐年增加的同時，工業用水量逐年減少，工業廢水中的污染物排放量也大幅減少，大大改善了廣東省的生態水環境。

第二產業占GDP比重與工業用水量、工業廢水排放量的關聯度分別為0.850 9和0.761 1，耦合作用屬極強和較強。第三產業占GDP比重與生活用水量、生活COD排放量的關聯度分別為0.912 6和0.837 3，耦合作用屬極強和較強，與生活廢水排放量、生活氨氮排放量耦合作用較強。隨著產業結構的轉變，廣東省逐漸從以第二產業為主向以第三產業為主升級，從圖2可以看出，隨著廣東省第三產業占GDP比重的升高，生活用水量、生活廢水排放量也在上升。產業結構的變化導致了水環境污染情況發生變化，在不同的產業結構中，污染物排放的強度是不同的，當污染型產業比重下降或發展速度下降時，有利于環境質量的提升，當污染型產業比重增加或發展速度加快時，環境污染程度也隨之增加。第三產業基本符合生態需求，對保護水環境起到重要作用，因此通過提高第三產業比重、發展第三產業來調整產業結構，有利于環境保護［18］。

3 結論

根據以上分析得出以下結論：

①2006—2018年廣東省工業用水量逐年減少，降幅為26.7%，生活用水量逐年增加，在2018年反超工業用水量；生活廢水排放量逐年增加，2018年到2006年的增幅為86.2%，工業廢水排放量趨勢剛好相反，呈下降趨勢；工業COD排放量逐年減少，生活COD排放量整體呈上升趨勢；工業氨氮排放量、生活氨氮排放量先上升后下降，變化趨勢不大。

②生活廢水排放量和人均GDP之間的關聯度最大，關聯度為0.875 9，耦合作用極強，其次是生活用水量，關聯度為0.767 0，工業COD排放量與人均GDP之間的關聯度最小僅為0.614 1。

③第二產業占GDP比重逐年下降，第三產業占GDP比重逐年上升并在2013年超過第二產業所占比重。第二產業占GDP比重與工業用水量和工業廢水排放量關聯度最大，分別為0.850 9和0.761 1；第三產業占GDP比重與生活用水量、生活COD排放量和生活氨氮排放量關聯度分別為0.912 6、0.837 3和0.781 3。

表5為水污染指標與經濟增長指標關聯性大小排序圖，由大至小排列。

4 建議

針對水環境現狀和廣東省經濟發展，提出相關建議。

4.1 實施系統治理修復，推進南粵秀水長清

以水生態環境質量改善為核心，堅持環境治理與生態修復兩手發力，統籌水資源利用、水生態保護和水環境治理，打造綠色生態水網。全面統籌規劃飲用水水源地，加強重要江河湖庫水質保護，持續推進飲用水水源地“劃、立、治”，保障飲用水水源地水質穩定達標。深化水環境綜合治理，堅持全流域系統治理，深入推進工業、城鎮、農業農村、船舶港口四源共治，推動重點流域實現長治久清。加強水生態系統修復，開展重要江河、水庫水生態調查評估，實施水生態保護修復。加強水資源節約利用，實施最嚴格的水資源管理制度，加強生產生活領域節水改造，強化雨污水資源化利用，健全水生態流量保障機制。強化陸海統籌，加快建設美麗海灣，按照貫通陸海污染防治和生態保護的總要求，以美麗海灣建設為目標，全面加大近岸海域污染防治力度，強化陸海生態保護的統籌聯動。

4.2 推進產業結構綠色升級

加快傳統產業綠色化改造，推動產業高端化、智能化、綠色化發展，著力打造一批戰略性產業集群，推進先進制造業和現代服務業深度融合發展，提高經濟質量效益和核心競爭力。

優化工業生產體系布局，根據資源稟賦和環境容量科學規劃、合理布局生產力。繼續推進供給側結構性改革，強化能耗、水耗、環保、安全和技術等標準約束，依法依規淘汰落后產能、化解過剩產能和優化存量產能，扎實推進“散亂污”企業整治。推進產業園區綠色化改造，構建園區產業循環體系，加強園區能源資源的梯級利用和系統優化，促進園區內產業循環耦合，全面提高資源產出率。積極推進綠色制造，加強產品全生命周期綠色管理，抓好重點行業綠色化改造，著力提升鋼鐵、石化、紡織、造紙、建材等行業綠色化水平，使傳統產業成為促進高質量發展的重要引擎。

繼續做強做優綠色石化、智能家電等十大戰略性支柱產業集群，加快培育半導體與集成電路、智能機器人、精密儀器設備等十大戰略性新興產業集群。發展壯大新一代信息技術、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、數字創意、節能環保等產業。推動生產性服務業向專業化和價值鏈高端延伸，生活性服務業向高品質和多元化升級，努力構建優質高效、布局優化、競爭力強的服務業新體系。推進現代服務業同先進制造業、現代農業深度融合。培育壯大服務業新經濟，創新發展并應用人工智能、物聯網、區塊鏈等新技術，推動現代新技術、新產品、新業態、新模式在服務業中的廣泛應用。