黃河流域中下游地區農村供水用水管理耦合協調分析

黃一丹

(華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046)

水是農業命脈，是農村經濟不斷發展的必要因素，也是農村居民生產生活不可或缺的資源[1,2]。而面對日益增長的生產生活需求以及我國可開發利用水資源的匱乏現狀，我國農村水資源現狀成為制約農村經濟社會發展與生態環境維穩的重要因素之一[3]。“水少”、“水污染嚴重”是農村水資源面臨的2大問題，水環境一旦進一步惡化，水的供需矛盾將會被激化[4]。

黃河流域中下游地區很早就成為我國農業經濟開發區與農業生產基地，但仍然存在生態系統與經濟基礎薄弱以及水資源不足等問題[5]。農業是農村的主要產業，農民是農業生產的主要勞動力，作為黃河流域人口占比很大的群體，農村人民對水資源的需求應當得到重視，社會各部門各環節應當對農村用水進行管理[6,7]。黃河流域中下游地區各省、自治區針對農業農村生產生活供水用水現狀，陸續提出農村供水用水管理條例或農村飲用水管理等一系列農村供水用水管理措施，在農業生產與農村供水用水等各個方面均有體現，但效果不一[8-10]。近期關于黃河流域水-生態-經濟系統、水-能源-糧食系統耦合協調分析與綜合評價涌現，彭俊杰[11]等認為，2010年后黃河流域水-能源-糧食系統的耦合協調兩級分化區域明顯；崔璟坤[12]等通過構建黃河流域經濟帶鄉村-經濟-環境協調發展評價體系，提出黃河流域應長期堅持“環境優先”的戰略；高志遠[13]等分析了黃河流域經濟發展與生態環境、水資源的耦合協調發展機理，認為經濟發展質量需進一步提升，但對于黃河流域中下游地區農村水資源與水環境方面鮮有報道。農村供水用水管理是發展節水型新農村的重要舉措，在近幾年黃河流域各省陸續提出農村供水用水管理辦法，但實施效果與未來方向仍然需要深入分析與研究。

故本文建立包括黃河流域中下游地區山西省、山東省、河南省、陜西省與內蒙古自治區5個省份2000—2020年的農業用水量、農業水污染量以及新增節水灌溉面積、農村居民用水定額等指標與5個省份主要糧食作物小麥和玉米近20a的產量、價格指數以及水利工程建筑投資等共19個指標的指標體系，構成以農村生態、農業水資源和農村經濟為子系統的農村供水用水管理系統，對黃河流域中下游地區農村供水用水管理進行耦合協調分析，評價黃河流域中下游地區農業農村供水用水管理實施現狀，并預測未來4a農村供水用水管理協調發展趨勢，以保障黃河流域中下游地區農村供水用水安全為目標，為積極發展節水農業、綠色農業、新型農業提供技術參考與支持。

1 數據來源、研究方法及預測

1.1 研究區概況

黃河流域，是指黃河水系從源頭到入海這條河流所影響的地理生態區域，本文把黃河中下游流經省區的相關面積稱之為黃河流域中下游地區。黃河中下游流經的省份有內蒙古自治區、陜西省、山西省、河南省、山東省。氣候特征為溫差懸殊，自西向東由冷變暖,光照充足，太陽輻射較強，降水集中，分布不均、年際變化大。主要種植糧食作物為小麥、玉米。

圖1 黃河流域中下游研究區圖

1.2 數據來源與處理

本研究使用內蒙古自治區、陜西省、山西省、河南省、山東省2000—2020年共21a的數據分析黃河流域中下游地區農村供水用水管理的演變特征。原始數據來源于《中國農村統計年鑒》、《內蒙古自治區水資源公報》、《山西省水資源公報》、《河南省水資源公報》、《陜西省水資源公報》、《山東省水資源公報》以及部分省統計公報。極少數缺失數據采用擬合法估算而得。

1.3 指標體系構建及權重的確定

本研究綜合考慮黃河流域中下游地區農村供水用水實際情況，結合農村供水用水管理系統的作用機理，科學、客觀地建立耦合協調度指標體系如表1所示，來綜合反映黃河流域中下游地區農村供水用水管理的水平。

表1 黃河流域中下游地區農村供水用水耦合協調度評級體系

本研究相關指標共19個，采用熵值法確定各評價指標的權重通過測度各指標的觀測值內部差異程度來計算其權重值，從而在一定程度上避免了定性方法的不足，得出的各指標權重如表1所示。

1.4 耦合協調模型及類型劃分

本研究采用耦合協調度模型，以便更好地評價農村供水用水管理系統耦合發展的協調程度。根據相關研究[14]確定耦合度和耦合協調度計算方法:

(1)

(2)

T=af(x)+bg(y)+ch(z)

(3)

式中，C為耦合度；D為耦合協調度；T為指標系統的綜合評價指數；a、b、c為3個子系統的權系數。本研究認為，農村水資源、農業生態和農村經濟3個子系統對農村供水用水管理方面影響與表現力作用相似，故取a=b=c=1/3。通過參考相關文獻[15,16]，確定耦合度和耦合協調類型劃分標準如表2所示。

表2 耦合度及耦合協調類型劃分標準

1.5 ARIMA預測模型

ARIMA模型是差分整合移動平均自回歸模型，是時間序列預測分析方法之一。ARIMA(p，d，q)中，AR是“自回歸”；p為自回歸項數；MA為“滑動平均”；q為滑動平均項數；d為使之成為平穩序列所做的差分次數(階數)。模型可表示為：

(4)

式中，L是滯后算子(Lag operator)。

2 結果與分析

根據公式(1)～(3)，計算2000—2020年黃河流域中下游地區農村供水用水管理系統的耦合度C和耦合協調度D，并對其進行類型劃分，結果見圖2、表3。

表3 耦合協調度計算結果

由表3計算可以得出，2000—2020年黃河流域中下游地區耦合協調度均值為0.60。從總體上看，2000—2020年耦合協調度呈現遞增趨勢，耦合協調度由2000年的0.223增加至2020年的0.853，由此可見，黃河流域中下游地區農村供水用水管理系統耦合協調速度快，質量穩定。具體來看，2000—2020年黃河流域各省份系統耦合協調度呈現的上升趨勢的表現形式不同，系統總體呈上升趨勢，但在耦合協調度類型上看，從2000—2003年，系統協調程度呈現中度失調的狀態，2004年系統耦合協調程度由中度失調轉變為輕度失調，2005—2006年為瀕臨失調，到2007年，系統耦合協調程度由失調轉為勉強協調，再到2008年的初級協調。2009—2013年一直處于中級協調，到2014年協調程度下降，到2015年又有所回升，在2018年，系統協調程度提升為良好協調，一直保持到2020年。整體呈現“起點低、有波動、后發有優勢”的發展特點。這說明在研究期初期，黃河流域中下游地區各省、自治區相對落后，農業水資源、農村生態與農村經濟均處于建設的初級階段，對于農村供水用水管理的建設規劃甚少，系統的整體開發與需求也處于較低水平；2010年后，系統耦合協調水平整體提升，但是受黃河流域地域資源限制與黃河流域中下游地區生態發展與經濟發展之間的制衡，發展的質量與速度有限，這一結論與趙良仕[17]等的研究相似。總之，黃河流域中下游地區農村供水用水管理系統總體跨入了良好協調范圍。

從圖2可以看出，黃河流域中下游地區農村供水用水管理系統的耦合協調度(以下簡稱“D值”)在2000—2020年期間有所波動，在研究期初期D值較低，從2004年開始大幅上升，到2009年后D值隨時間的變化波動逐漸變小，從2010年后趨于平穩，在2018年有所攀升；出現這種現象的主要原因是從21世紀起，在黃河流域中下游地區大多數省、自治區為水資源發展滯后性的大背景下，既包括因自然條件較差導致水資源缺少的中西部省份，如山西、內蒙古、陜西，也包括由于經濟發展過多消耗水資源的東部地區山東以及因生態環境保護不足和資源節約利用能力較差，為生態環境滯后型的河南，黃河流域中下游地區日益緊張的水資源供求矛盾對農村供水用水管理系統造成壓力，農村供水用水規劃管理的重要性開始顯現，中央及有關部門將視線由經濟優先發展逐步轉變為生態優先發展，即從相對發展的角度看，2004—2010年黃河流域中下游地區鄉村社會經濟發展水平同步于生態環境質量，系統呈現出良好的協調發展勢頭。而在2010年后，波動逐漸減少，主要原因是在2010年，黃河水利委員會提出實施最嚴格的流域管理制度，嚴格監察黃河流域及周邊省水土保持建設進展，農村生態子系統耦合協調度在2010年后趨于穩定，且在2011年后黃河流域各省的鄉村振興發展水平提高，對于農村供水用水管理的規章制度也相繼涌出，隨著經濟的進一步發展與生態環境的保護與治理，農業生態質量得到改善，3個子系統耦合協調度趨于平穩。在2014年，中央對水利工作的重視正式落實，以“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新思路集中建設重大水利工程，解決農村人口的飲水安全問題，把水利作為加快農業現代化的重要支撐，加強生態與經濟建設齊頭并進。從2016—2020年，黃河流域中下游地區山西省、河南省、陜西省、山東省、內蒙古自治區陸續提出一系列農村供水用水管理制度，分別有《內蒙古自治區農村牧區飲用水供水條例》、《山西省農村飲水安全工程建設管理辦法》、《關于征求<河南省農村供水管理辦法>(草案)》、《關于做好農村供水保障工作的指導意見》、《陜西省“十四五”農村供水保障規劃》等，細化農村供水用水管理，落實運行與管理，故在研究期后期農村供水用水管理系統耦合協調度提升。

以2020年農村生態-農業水資源-農村經濟系統耦合協調度值為基準，運用ARIMA預測模型向后設置4期預測，為期4a，如圖2所示。由圖2可以看出，向后1期D值稍有回落，但向后2期、3期、4期、5期D值都穩定增加，直到2024年系統達到優質協調，因此需保持經濟、資源與生態協同發展的理念，以經濟與資源作生態可持續發展的支撐，方能保證農村供水用水管理系統的耦合協調發展。

圖2 耦合協調度D值模型擬合和預測

3 結論與對策建議

本文針對黃河流域中下游地區5個省份開展了農村生態-農業水資源-農村經濟系統的耦合協調研究，分析評價了2000—2020年各省及自治區的農村供水用水管理規劃與發展，對農村生態-農業水資源-農村經濟系統耦合協調度進行預測。主要結論如下。

從時間上看，2000—2020年黃河流域中下游地區農村供水用水管理耦合協調度總體呈上升趨勢，且上升速率不低，各耦合協調等級由2000年中度失調提升到2020年的良好協調，耦合協調等級整體上不低。

研究期后期即2014—2020年耦合協調等級高，但仍有持續的波動情況，各子系統具有明顯的不均衡發展特征。

對黃河流域中下游地區進行耦合協調度為期4a的預測，預測結果良好，但整體上要從良好協調提高到優質協調、在未來幾年保持良好狀態并波動不大，仍有很大的距離，應持續保持經濟、資源與生態協同發展的理念。主要建議如下。

堅持“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，堅持“四水四定”(以水定城、以水定地、以水定人、以水定產)，把水資源作為最大剛性約束，加強農村供水用水管理，規范農村供水用水安全，為黃河流域中下游地區經濟社會高質量發展提供堅強的水安全保障。

在短期內，黃河流域中下游地區應堅持實施“生態環境在前，經濟發展并進”、“優先生態建設”的發展理念，堅持把“環境優先”作為黃河流域中下游地區農村供水用水管理的優先戰略。加強農村供水用水管理，規范農村供水用水活動，保障農村供水用水安全，維護供水單位和用戶合法權益，改善農村生態環境，控制農村環境污染，保障農村用水質量和農業的可持續利用，推進生態文明建設。