黃河三角洲水資源-經濟系統耦合協調的動態演化

陳 立，于 偉

（曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照 276800）

中國區域經濟的長期快速增長帶來了水資源供給不足與利用粗放并存、水環境污染、水生態失衡等一系列問題[1]。在加快推進經濟高質量發展時代背景下，立足人多水少的基本國情，協調好水資源利用效率和經濟發展水平之間的關系成為亟待解決的重要現問題。山東省作為沿海經濟大省，地處黃河流域下游的東部季風區，降水年際變化大，是全國旱災頻發地之一，全省人均水資源量僅為全國平均水平的1/7，2/3 的城市屬于缺水型城市。水資源短缺嚴重制約了山東省經濟的綠色轉型，作為黃河流域的龍頭省份，如何協調水資源硬約束與區域經濟高質量發展的關系是亟待研究的科學問題[2]。

伴隨發展中國家城鎮化的快速推進，水資源與經濟協調發展成為國際社會和國內外學者高度關注的問題[3]。1990 年，聯合國發布的《水與可持續發展準則：原理與政策方案》論述了水資源開發與經濟發展之間的緊密關系。1992 年，《里約環境與發展宣言》首次從可持續視角探討了水資源與經濟協調發展的問題。國內外學者對水資源和經濟系統之間關系的研究議題主要集中在水資源與經濟社會發展要素的時空匹配[4-6]、水資源與經濟發展的耦合協調與仿真模擬[7-15]、水資源利用與經濟發展的脫鉤分析[16-19]、水資源和經濟協同發展的路徑[20-21]等方面。近年來，隨著黃河流域生態保護與高質量發展上升為國家戰略，水資源和區域經濟的耦合協調度評價成為研究熱點[2，21-27]。國內外學者針對水資源和區域經濟關系開展了豐富的案例研究，取得了大量有益的成果，但仍存在以下不足：第一，已有案例研究多采用單一的耦合協調度模型衡量二者的關系，難以反映水資源與區域經濟系統耦合協調的動態變化。第二，學者大多關注省域、流域等大尺度地域單元，對縣域等中小尺度區域關注不足，縣域作為我國經濟發展的重要載體，水資源利用效率不高問題往往比較典型，值得深入研究。第三，以往研究多從區域整體層面分析動態耦合協調情況，忽略了區域經濟發展和水資源稟賦的差異，難以刻畫區域內部的動態耦合情況及其演化歷程。

鑒于此，本文基于生態脆弱區黃河三角洲的分縣數據，綜合利用耦合協調度模型和剪刀差方法探討水資源和區域經濟系統之間的耦合協調情況及其動態變化，為黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略的順利施提供科學依據。

1 研究區域概況

黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原。2009 年，國務院通過《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》，標志著該區域的保護開發上升為國家戰略。依據該規劃確定黃河三角洲的研究范圍，包括東營、濱州兩個地級市所轄全部縣域單元，德州慶云縣和樂陵市，濰坊壽光市、昌邑市和寒亭區，煙臺萊州市和淄博高青縣，共計19 個縣域單元。

2021 年，黃河三角洲GDP 合計7752.47 億元，占山東省GDP 的9.32%；面積2.65×104km2，占山東省陸域面積的16.78%。人均用水量約為395 m3，遠高于山東省206 m3的平均水平。可見，黃河三角洲的經濟發展水平不高，但水資源消耗較高。黃河三角洲生態環境較為脆弱，降水不均、旱災頻發、用水短缺現象比較嚴重，水資源已成為該區域經濟發展的剛性約束。以生態脆弱區黃河三角洲為研究對象，探究該區域水資源和區域經濟的協調發展動態演化及其影響因素，對于指引黃河流域的生態保護和高質量發展具有參考價值。

2 指標體系與研究方法

2.1 指標體系

結合黃河三角洲的特點，初步選取水資源利用水平與區域經濟發展水平的評價指標體系，在征詢專家意見的基礎上進行修改，形成本文的評價指標，采用熵值法確定指標權重（表1）。水資源系統包括用水負荷、利用效率、用水結構3 個層面的7 個指標；區域經濟系統包括發展規模、產業結構、居民生活和生態效應4 個層面的10 個指標。其中，水結構均衡度參考易晶晶等[28]設計的方法進行計算，反映用水結構的均衡程度，值越大表明單一用水類別優勢度越小，用水系統越趨于良性。水資源供給模數指標是總供水量與土地面積的比值。產業結構高級化指數參考付凌暉[29]的計算方式，按照三次產業的比重進行計算。

表1 水資源利用與經濟發展評價指標體系

2.2 研究方法

2.2.1 耦合協調模型

耦合協調模型指兩個或者多個系統之間的相互影響和協調發展的程度，反映水資源利用和經濟系統之間的協調狀態。計算公式如下：

式中，D為耦合協調度，C為耦合關聯度，T為綜合評價指數，f（x）為區域經濟發展水平評價值，f（y）為水資源系統評價值，α、β分別為經濟系統和水資源利用的貢獻度，本文認為二者同等重要，即α=β=0.5。參照已有研究成果[24]，黃河三角洲水資源利用和經濟系統之間耦合協調發展階段及類型判定見表2。

表2 耦合協調度與耦合等級

2.2.2 相對發展度模型

耦合協調模型反映區域經濟和水資源之間的協調發展程度，但無法度量二者之間的發展差距。因此，引入相對發展度模型體現二者之間的超前或滯后發展程度。公式如下：

式中，P為相對發展度。根據文獻[22]，當P＞1.2 時，為區域經濟發展超前型；當0.8＜P≤1.2，為區域經濟發展和水資源同步發展型；當P≤0.8 時，為區域經濟發展滯后型。

2.2.3 剪刀差方法

考慮水資源系統和區域經濟系統之間的關系處于動態變化中，利用剪刀差方法[23]分析黃河三角洲兩個系統耦合關系的動態演化。計算公式如下：

式中，F′（x）代表區域經濟系統的變化趨勢，F′（y）代表水資源系統的變化趨勢，α是給定時刻兩系統變化曲線的夾角值，α越大說明兩系統變化趨勢的差異越大。

2.3 數據來源

水資源數據主要來源于2011—2020 年各地市的水資源公報，部分公報中沒有水資源數據的地區，在人民政府官方網站“政民互動”板塊發起數據收集請求，水利局通過電子郵件回復并發送了相關數據。經濟數據來源于2012—2021 年東營、濱州等相關地市的統計年鑒，以及各縣域單元相應的國民經濟和社會發展統計公報。PM2.5利用美國哥倫比亞大學社會經濟數據與應用中心提供的全球PM2.5的年均濃度數據整理計算得到（數據獲取網址：

https://sedac.ciesin.columbia.edu/data/set/sdei-globalannual-gwr-pm2-5-modis-misr-seawifs-aod）。各縣域單元2011—2020 年的碳排放數據在Chen et al.[30]基礎上通過遙感影像數據反演得出。

3 結果分析

3.1 區域整體的耦合協調度及其動態變化

2011—2020 年，黃河三角洲水資源綜合利用水平和經濟發展水平均呈現動態提升的態勢。水資源系統中，用水負荷所占權重最大，說明水資源利用水平主要受制于用水負荷，尤其是農業用水量、工業用水量的增加會加劇水資源系統的壓力，導致水資源系統綜合指數的下降。區域經濟系統中，居民生活和經濟發展規模的權重較大，在一定程度上說明區域經濟發展水平主要受居民生活質量和經濟發展規模的影響。

耦合協調度D計算結果見表3。2011—2020 年，黃河三角洲水資源-經濟系統的協調狀態經歷了勉強協調和初級協調兩個階段，系統的耦合類型由低水平磨合向高水平協調狀態過渡。具體可分為兩個階段，2011—2017 年，黃河三角洲經濟發展水平明顯提高，與水資源利用水平評估值的差距逐步縮小，推動了二者協調水平的提升，但總體的協調狀態仍為勉強協調。2018 年之后，由于經濟進一步優化發展提升，與水資源利用系統的耦合協調度穩定在0.6 以上，協調狀態演化至初級協調階段。2017 年之前，經濟發展滯后制約了黃河三角洲水資源-經濟系統耦合協調狀態的提升，之后，經濟發展水平與水資源利用水平差距縮小，系統向初級協調狀態演化。

表3 黃河三角洲水資源-經濟系統耦合協調演化趨勢

為分析黃河三角洲水資源-經濟系統的動態演化，首先對系統的綜合評價值進行曲線擬合，利用擬合方程進行求導，得出系統基于年份的變化速率，據此計算演化速率的剪刀差值（α），揭示兩個系統的動態耦合特征（圖1）。2011—2020 年，黃河三角洲水資源-經濟系統演化速率的剪刀差呈現先上升后下降再上升的態勢。2011—2014 年，剪刀差由0.046°升至0.728°，該時段水資源發展綜合指數和經濟發展指數均呈穩步上升態勢，但經濟系統上升速率相對較快，反映了黃河三角洲水資源和經濟系統之間發展水平差異較大，互相之間無明顯的限制。2015—2017 年，剪刀差值逐步降至0.046°，表明水資源-經濟系統之間的差距不斷縮小。該時期水資源系統發展水平相對較高，但增長速率明顯下降；區域經濟發展質量相對不高，但變化速率呈現增長趨勢，說明該時期區域經濟對水資源的壓力逐步增大，正在以損害水資源系統為代價推動經濟增長。2017 年以來，剪刀差值迅速增大至2.366°，表明系統的演化速率差異明顯。該時段水資源利用和經濟發展均經歷了回調后的快速提升，水資源回升幅度稍大，說明水資源支撐經濟發展的能力有所增強，水資源和區域經濟開始走向協調發展。

圖1 黃河三角洲水資源-經濟系統的剪刀差

3.2 黃河三角洲水資源和區域經濟分區縣動態耦合分析

3.2.1 黃河三角洲各縣域耦合協調度的時序變化

研究期內各縣域耦合協調度均有不同程度的提升，但區域差異明顯（圖2），東部沿萊州灣的地區耦合協調等級明顯高于西部地區，如東營區、壽光市、濱城區等地。2011 年，黃河三角洲大部分縣域處于瀕臨失調和勉強協調等級，陽信縣、惠民縣、高青縣處于極度失調階段，主要原因是以上地區的經濟發展水平偏低，影響了系統的協調發展。相比之下，東營區、壽光市、萊州市處于初級協調階段，這些地區經濟發展質量較好，水資源利用效率也較高，因此具有較好的耦合協調狀況。至2014年，除鄒平市、高青縣外的縣域耦合協調度均有所上升，原因是2012 年山東省政府貫徹落《行最嚴格水資源管理制度的意見》，推行《山東省用水總量控制管理辦法》，引導了各縣域用水方式和經濟發展方式的轉變，促進了系統協調發展，這種上升態勢延續至2017 年。之后，各縣域發展分異顯著，東營區、濱城區、壽光市、陽信縣等地的耦合協調度繼續大幅提升，墾利區、利津縣、廣饒縣等地出現了小幅度的下降。以墾利區為例，當地耦合協調度等級下降的直接原因是人均生活用水量下降明顯，導致水資源利用效率回調，與經濟發展水平的差距拉大。

圖2 黃河三角洲各縣域耦合協調度的變化

3.2.2 縣域單元水資源與區域經濟的動態耦合

借助MATLAB（2021）計算研究區水資源系統和區域經濟系統的剪刀差值（圖3）。根據剪刀差值的變化特征，可將各縣域動態耦合情況分為以下4類。

圖3 黃河三角洲各縣域水資源-經濟系統動態耦合

（1）剪刀差呈現先減后增的“V 型”特征，表明兩系統的演化速率差異先逐漸縮小，后逐步增大，東營區、墾利區、濱城區、惠民縣、寒亭區、壽光市、昌邑市、樂陵市、慶云縣屬于該類。以壽光市為例，2011—2016 年，壽光市經濟快速增長，帶來了水資源消耗、水環境污染等問題，經濟增長對水資源利用造成了一定的壓力，限制了水資源-區域經濟系統的協調發展。2016 年年底，南水北調壽光段陸續建設完成，有效緩解了水資源供給不足的問題。2017 年，壽光市開展節水農業技術改造，提高了水資源利用效率。與此同時，壽光市全面落2016 年12 月中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于全面落河長制的意見》，水污染現象得到治理。因此，2017 年以來，水資源指數由負轉正，且增速不斷增大，而經濟系統逐步轉入高質量發展階段，增長速率逐漸下降，引起2017—2020 年兩系統剪刀差值迅速上升，演化速率差異增大。

（2）剪刀差呈現“雙減”“雙增”的“W 型”特征，表明兩系統之間的演化速率差異先逐步縮小，后逐步增大，而后重復該過程，河口區、廣饒縣、鄒平市、無棣縣、陽信縣、博興縣、萊州市、高青縣屬于該類。以萊州市為例，2011—2012 年，萊州市經濟發展水平出現波動，水資源指數增長速率減緩，經濟系統開始對水資源系統產生負面影響，兩系統演化速率差異減小。2013—2015 年，經濟指數持續上升，水資源指數持續下降，以水環境質量降低為代價換取經濟發展，兩系統演變速率差異擴大。2016—2018 年，萊州市政府完善了農田水利基礎設施、建設了水系連通補水工程，水資源指數下降速率減緩，兩系統演化速率差異又逐步減小。2019—2020 年，隨著萊州市政府繼續加強水資源保護，推進重點水利工程建設，水資源指數由下降轉化為上升。此外，由于萊州市政府去產能、加快新舊動能轉換，經濟系統出現一定程度的下降，兩系統演化速率差異增大。

（3）剪刀差呈現“N 型”的波動上升特征，表明兩系統之間的演化速率差異先變大后變小，而后演化速率差異又逐步變大，沾化區屬于此類。2011—2016 年，沾化區水資源指數呈現先降后再降的周期性波動，區域經濟系統先增后減。說明該時期水資源和區域經濟相互影響較小，互相之間限制較小。2017 年，沾化區推進企業轉型升級，經濟指數不斷提升但增速下降，同時該區加快推進重點水利工程建設，水資源系統持續優化且水資源指數增速提升，因此兩系統演化速率差異增大。

（4）剪刀差呈現先增后減的“倒U 型”特征，表明兩系統之間的演變速率差異先逐步增大至峰值，而后又逐步減小，利津縣屬于此類。2011—2017 年，當地經濟增長速率持續下降但仍保持正增長，水資源指數持續負增長，說明區域經濟增長壓力持續增加，正以破壞水資源支撐能力為代價來發展經濟，兩系統演化速率差異持續擴大。2018—2020 年，經濟系統綜合評價值轉變為負增長，水資源指數下降且降幅增大，兩指數均為負增長，因此兩系統演化速率差異減小。

4 結束語

在建立評價指標體系的基礎上，利用耦合協調度模型和剪刀差方法分析黃河三角洲19 個縣域單元的水資源-經濟系統的動態耦合協調關系。研究發現，黃河三角洲水資源綜合利用水平和經濟發展水平均呈現動態提升的態勢，二者的耦合協調狀態經歷了勉強協調和初級協調兩個階段，耦合類型由低水平磨合向高水平協調狀態過渡。水資源與區域經濟系統剪刀差值呈現先上升后下降再上升的態勢。尤其是2017 年后，水資源利用和經濟發展均經歷了回調后的快速提升，水資源回升幅度稍大，說明水資源支撐經濟發展的能力有所增強，水資源和區域經濟初步走向協調發展。

黃河三角洲水資源、區域經濟系統綜合評價值存在一定差距，耦合協調類型差異較大，耦合協調水平空間分布不均衡。19 個縣域單元剪刀差可以分為“V 型”“W 型”“N 型”“倒U 型”4 類，以“V 型”“W 型”為主。表明各縣域水資源與區域經濟耦合協調動態演化的差異明顯，但大部分水資源對區域經濟的約束減小，二者協同演化態勢增強。

本文在縣域尺度上分析了水資源和區域經濟耦合協調動態變化，未來可進一步細化至鄉鎮街道尺度刻畫二者耦合協調更為細致的變化過程。另外，在研究變化規律的基礎上，需要加強對黃河三角洲水資源—經濟系統耦合協調的動態模擬預測，據此制定調控策略，探索協調發展路徑，為黃河三角洲的生態保護和高質量發展提供科學依據。