基于EM-CCDM-RDDM模型的区域用水效率与产业结构耦合协调评价

胡绵好，廖桂萱，袁菊红

(江西财经大学 a.生态经济研究院; b.旅游与城市管理学院; c.风景园林与植物资源研究所, 南昌 330032)

0 引 言

水资源是支撑经济社会可持续发展的基础性自然资源[1]，然而随着人口持续增长、城镇化率的不断提高及区域产业经济的快速发展，经济社会对用水需求不断增加，最终造成水资源浪费、污染及短缺等问题日趋严重，在一定程度上限制了经济社会的可持续发展。大量研究表明，水资源是影响区域经济发展特征和产业结构变化的重要内在驱动力和制约因素，而产业结构的优化调整有利于促进水资源的可持续利用[2-3]，且产业结构优化调整与水资源利用之间存在内在的耦合机制[4]。因此，在有限的水资源背景下，如何加大产业结构的调整力度，优化用水结构及转变用水方式，提高水资源的利用效率，以实现产业结构优化升级与水资源利用效率耦合协调发展，是目前区域经济社会转型升级发展中面临与亟待解决的关键科学问题。

目前，学术界对区域水资源利用效率与产业结构关系采用不同的方法进行了大量的探索研究。如蒋桂芹等[5]利用水资源生产率指标对安徽省区域产业结构与用水结构协调度进行了综合评价；金菊良等[6]采用向量自回归模型、方差分解及脉冲响应探讨了山东省产业用水总量与用水结构变动之间的响应关系；SHI等[7]采用投入产出分析方法对中国西北地区的产业结构转型与用水效率进行了研究；常浩娟等[8]运用SE-DEA方法对玛纳斯河流域的用水效率、产业结构特征及两者之间的耦合协调情况进行了研究；张书莲利用DEA-Malmquist方法对广东水资源利用效率与行业类型、产业结构关系进行了研究[9]。尽管这些指标或方法从不同角度探讨了水资源及其利用效率与产业结构之间的内在联系，为本研究的开展提供了一定的参考，但综合来看产业结构与用水结构及其效率究竟如何协调发展，协调程度到底如何，如何促其协调发展等问题还处在初步研究阶段，仍需要对其进行深入系统的分析。加之在我国区域水资源紧缺背景下，为应对水资源使用低效、污染及过度开发等问题，国家及各省市级行政区域已实行了严格的水资源管理制度，把节水工作贯穿于整个经济社会发展和群众生活生产全过程中，通过用水效率的不断提高，来加快实现从粗放用水向节约集约用水的根本转变，以促成有利于水资源节约利用的空间格局、产业结构、生产方式和消费模式。因此，开展战略性产业结构调整升级，改变现行的用水结构，是解决区域水资源短缺、实现水资源可持续利用的有效途径，而深入研究产业结构调整升级与水资源利用效率之间相互作用的关系，探讨其内在的耦合机制就显得尤为重要。

近年来，利用熵权法(Entropy Method, EM)、耦合协调度模型(Coupling Coordination Degree Model, CCDM)和相对发展度模型(Relative Development Degree Model, RDDM)在城镇化与河湖水系连通系统[10]、用水效率与经济发展之间[11-13]、产业结构与用水结构[14]、生态文明建设及土地集约利用与城市化[15-16]等方面已有大量的应用，但有关产业结构调整与水资源利用效率耦合协调方面的研究报道较少。鉴于此及前期的研究基础，本文以鄱阳湖生态经济区典型区域为对象，利用EM法、CCDM和RDDM模型开展该典型区域内用水效率和产业结构间的耦合协调关系研究，为制定鄱阳湖生态经济区内产业结构转型升级及优化用水结构等政策，推进落实最严格的水资源管理政策及水生态文明指标建设提供科学合理的依据，也可为省域尺度的同类研究提供借鉴和参考。

1 研究方法

1.1 指标体系构建

在遵循科学性、实用性、数据可获得性、代表性、全面性及相统一等原则基础上，从农业用水效率、工业用水效率、生活用水效率、生态用水效率、综合用水效率5个维度和产业结构合理化程度、产业结构高级化程度及产业结构变化速度3个维度对鄱阳湖生态经济区典型区域内的用水效率系统及其产业结构系统分别进行评价，其中共选取2个一级指标、8个二级指标、14个三级指标对鄱阳湖生态经济区用水效率与产业结构耦协调发展情况进行综合评价。

1.1.1 用水效率系统

1) 农业用水效率指标层。采用农业GDP变化用水系数和农业万元GDP用水量来衡量农业用水效率，其中农业GDP变化用水系数=(当年第一产业GDP-上一年第一产业GDP)/当年农业用水量，由此得到的结果来衡量单位农业用水量产生的经济效益变化。

2) 工业用水效率指标层。采用工业GDP变化用水系数和工业万元GDP用水量来衡量工业用水效率，其中工业GDP变化用水系数计算可参照农业GDP变化用水系数计算方法，把农业相关数据改成工业相对应的数据即可。

3) 生活用水效率指标层。采用人均生活用水量来衡量人均生活用水效率。

4) 生态用水效率指标层。选取万元GDP废水排放量和年降水量衡量生态用水效率，其中在一定限度内降水量越大对缓解生态环境污染越有利，故年降水量可用来衡量生态用水效率。

5) 综合用水效率指标层。采用农业用水占总用水量比重、万元GDP用水量来衡量整体社会经济发展中的用水效率；采用人均综合用水量来衡量人均用水效率。

1.1.2 产业结构系统

1) 产业结构变化速度指标层。采用Moore结构变化值来衡量产业结构变化速度，而Moore结构变化值采用空间向量来测算，即将n个产业定义为一组n维向量，对相邻两个时期的两个产业的向量夹角进行测定，以此来表示产业结构变化程度，具体计算方程如下：

(1)

式中：Wi,t+1为第t+1期第i产业的比重，Wi,t为第t期第i产业的比重。为了便于分析和理解，可将产业份额之间变化的总夹角定义为CT，并对M取反余弦可求到。CT值可精确地反映产业结构的变化速度，其值越大，产业结构变动程度就越大，反之亦然。

2) 产业结构合理化指标层。采用结构偏离度来衡量产业结构合理化程度，最终来反映三次产业部门间的协调发展程度和各生产要素的合理分配和优化组合情况，从而进一步体现供需平衡等状况，其计算方程为：

(2)

式中：SD为产业结构的偏离度；n为产业部门的数量；Y为总产值；Yi为各产业部门的产值；L为总就业人数；Li为各产业部门的就业人数。其中SD值越大，说明劳动力要素分配越不合理，产业结构就越不合理，经济越偏离均衡状态；反之，SD值越接近于零，说明劳动力要素分配合理，产业结构也就越合理，经济越接近均衡。

3) 对于产业结构高级化指标层。采用非农产业占GDP比重与第三、第二产业产值增长率之差来表示产业结构高级化程度。根据Petty-Clark定理，选取非农业产值比重来反映产业结构的高级化程度，即非农业产值比重越大，产业结构越高级。此外，第二、第三产业的发展速度差异也可作为产业结构高级化的评价指标之一。如第三产业产值的增长率与第二产业产值的增长率的差为正，则说明第三产业发展快于第二产业，产业结构越高级；反之，第三产业产值的增长率与第二产业产值的增长率的差为负，则说明第三产业发展慢于第二产业，产业结构高级化水平越低。

1.2 数据来源及处理

鉴于前面的研究及数据的可获得性，本文主要以鄱阳湖生态经济区内主要几个典型市区(南昌市、九江市、景德镇市、鹰潭市和新余市)为研究区域，数据来源于2007-2015年的《江西统计年鉴》、《鄱阳湖生态经济区统计年鉴》及典型研究区的地方统计年鉴或统计公报。

设有m项评价单元指标x1，x2，……xm，并有n个评价指标数据xij(i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)，构成原始数据判断矩阵X=(xij)m×n，xij即j评价指标的第i项评价单元指标原始数据。由于评价过程中选取的指标较多，各指标的单位不一致，指标数据相差较大，不利于进行比较和加权，为了增强指标数据的可比性，需要对指标数据进行标准化处理。本文采用Min-max标准化法对原始数据进行标准化处理，其具体计算公式如下：

(3)

(4)

式中：yij为标准化化后的数值；xij为各指标的原始值；(xj)max、(xj)min分别为历年来j指标原始数据中的最大值和最小值。

1.3 评价方法

1.3.1 熵权法(EntropyMethod,EM)

熵权法是基于各指标传输给决策者的信息量大小来克服人为主观性确定权重及多指标变量间信息重叠性的一种客观赋权方法。本文采用熵权法来确定各指标的权重(表1)。熵权法确定权重的一般步骤为：

1)将各指标同度量化，计算第j项指标第i年指标值的比例Pij的公式如下：

(5)

2)计算信息熵ej的公式如下：

(6)

式中：k=-1/lnm，其中0

3)计算指标第j个评价指标的权重wj，公式如下：

(7)

表1 鄱阳湖生态经济区用水效率与产业结构耦合协调发展综合评价指标体系及权重

1.3.2 耦合协调度模型 (Coupling Coordination Degree Model, CCDM)

利用熵权法求得各评价指标权重后，再对用水效率系统指标和产业结构系统指标分别计算，最终得出两系统相应的综合评价值，其综合评价函数为：

(8)

式中：W、I分别为用水效率与产业结构的综合评价指数值，下同。耦合协调度是度量系统间或系统组成要素间在发展过程中平衡状态及其和谐程度的定量指标，主要侧重系统间的良性互动关系。本文在前人的研究基础上[17]，将其引入到用水效率与产业结构的耦合协调模型中，其公式为：

(9)

式中：C为耦合协调度；k为调节系数(k≥2)，本文设定k值为2。C∈(0, 1)，C值越大，表明用水效率与产业结构之间越协调；反之，则失调。根据耦合度值的变化，采用中值分段法，设定的耦合度等级及其划分标准[18]，当C=0为无关阶段，说明各系统间处于无序发展状态，耦合度极低；0.0

耦合协调度虽能对用水效率与产业结构的交互耦合协调度进行测算，但对多个地区空间对比的测算结果不够理想。故在用水效率和产业结构协调度评价模型的基础上，构建耦合协调发展度模型，其公式[10]为：

D=[C×(αW+βI)]1/2

(10)

式中：D为耦合协调发展度，0≤D≤1，D越大，其耦合协调发展水平越佳，D越小，其耦合协调发展水平越差，失调越加严重；α、β为待定权数，本文认为用水效率与产业结构相互作用、地位同等，故α、β的取值相同，均设定为0.5。

1.3.3 相对发展度模型(RelativeDevelopmentDegreeModel,RDDM)

耦合协调发展度模型虽可准确地判断用水效率和产业结构的耦合协调发展水平，却难以评价二者谁优先谁滞后的相对发展状况，故本文引入相对发展度模型来计算用水效率和产业结构的相对发展度E，公式如下：

(11)

借鉴已有研究成果[15-18]，并综合耦合协调度及相对发展度的计算结果，对用水效率与产业结构耦合协调的分类体系及其判断标进行分类，见表2。

表2 用水效率与产业结构耦合协调的分类体系及判断标准

续表2

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖生态经济区典型地区用水效率分析

由图1可知，鄱阳湖生态经济区典型地区除九江市外，其余综合用水效率的综合评价值变化均呈上升-下降-上升-下降-上升的趋势(图1A)；工业用水效率的综合评价值基本呈上升-下降-上升-下降的趋势(图1B)；农业用水效率的综合评价值除九江市和新余市外，其余各市基本呈先上升后下降的趋势(图1C)；生活用水效率的综合评价值基本均呈下降趋势(图1D)；生态用水效率的综合评价值呈上升-下降-上升-下降-上升的变化趋势(图1E)。

图1 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区各类用水效率综合评价值变化

由图2可知，除景德镇市和鹰潭市外，南昌市、九江市和新余市的用水效率均呈上升-下降-上升-下降-上升趋势。在2009和2013年各地区的用水效率均偏低，这可能与2009和2013年整个赣北地区降水较往年偏少有关，而降水量的减少直接导致农业用水量的增加及削弱了对生态环境污染的缓解作用。在2010-2012年各地区的用水效率差异较大，但变化较为平缓，其中新余市用水效率最高，九江市最低。在2012-2013年各地区的用水效率均呈下降趋势；2013-2015年各地区的用水效率均发生了不同的变化，南昌市、九江市和新余市均呈上升趋势，景德镇市和鹰潭市呈先上升后下降，但各地区的用水效率差异较小。

图2 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的用水效率综合评价值变化

2.2 鄱阳湖生态经济区内典型地区产业结构分析

2.2.1 产业结构比重分析

由图3可知，在2009-2015年期间各地区第一产业比重呈现下降趋势，第二产业比重呈现先上升后下降趋势，而第三产业比重却呈现先下降后上升的趋势。由图3(A)可知，除新余市外，其余地区第一产业比重均呈明显下降趋势，说明大多数地区新型城镇化仍在不断发展中，其中南昌市新型城镇化水平最高，鹰潭市最低。由图3(B)可知，各地区在2009-2011年第二产业比重都有所上升，2011年达到顶峰，2011年之后开始呈现下降趋势，这可能与国家和江西省的“十二五”计划有关，“十二五”计划前期受政策影响各地大力发展第二产业，取得经济上的飞速成长，到了中期开始放缓，第二产业占GDP比重逐渐回落，其中新余市的上升和下降幅度是最大的。由图3(C)可知，各地区第三产业比重于2011年达到最低值，且于2013年反超2009年，其中南昌市第三产业比重最高，鹰潭市最低。

图3 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区各产业变化

2.2.2 产业结构变化特征分析

由图4可知，2009-2015年南昌市产业结构变动速度呈先上升后下降再上升的趋势，除2013和2014年偏低外，其它年份均大于1°，且产业结构偏离度逐渐减小；除2009、2010和2014年外，其余年份第三产业发展速度略快于第二产业，非农产值比重呈上升趋势且在研究地区最高，这说明研究期内南昌市的产业结构调整速度较为平稳，产业结构越来越合理化和高级化。九江市产业结构变动速度呈先降后升的趋势，除2013年较低外，其余年份均在1.5°以上，且结构偏离度呈先降后逐步趋向稳定的状态；除2009和2010年外，其余年份第三产业发展速度快于第二产业且非农产值比重呈逐渐上升态势，由此说明研究期内九江市的产业结构正处于平稳的调整阶段，合理化程度较高但高级化水平正在不断提升。景德镇市的产业结构变动速度呈先升后降再升的趋势，结构偏离度呈先升后降的趋势；除2009、2010和2013年外，其余年份第三产业发展速度明显较快于第二产业且非农业产值比重也在不断提升，这说明研究期内景德镇市的产业结构合理化程度较高但正在向高级化水平逐步发展。鹰潭市的产业结构变动速度呈现先降后升再降再升的趋势，结构偏离度呈先降后升再降的趋势(除2012年外均高于2)；除2009、2010和2013年外，其余年份第三产业发展速度明显较快于第二产业且非农业产值比重也在不断提升，由此说明研究期内鹰潭市的产业结构的高级化程度虽有所提高但合理化程度较低。新余市的产业结构变动速度在研究地区中最大(2012年达到5.635)，除2009年外，其余年份的结构偏离度均在1.7上下变动；第三产业增长速度从2011年开始远超过第二产业且非农产值比重较高，由此说明研究期内新余市的产业结构调整波动较大，产业结构较为合理、高级化水平越来越高。

由图5(A)可知，2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构变动速度评价值变化较大，南昌市和景德镇市的产业结构变动速度评价值呈现先上升后下降再上升的变化趋势，鹰潭市和新余市呈现先下降后上升再下降最后上升的变化趋势，而九江市呈现先下降后上升的变化趋势。南昌市和九江升的产业结构合理化评价值呈现上升趋势，景德镇市和新余市呈现先下降后上升的趋势，鹰潭市呈现先上升后下降趋势，

图4 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构变化特征

图5 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构综合评价结果

见图5(B)；典型地区产业结构高级化的评价值均呈先上升后下降再上升的趋势，见图5(C)；南昌市和九江市的产业结构评价值呈先上升后下降再上升的趋势，其余地区均呈现先下降后上升再下降最后上升的趋势，见图5(D)。结合图4和图5还可知，鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构合理化程度均未达到或接近最优，仍有很大的调整空间，而近年来新余市在积极加快产业结构优化调整，促进发展方式向科学合理的方向转变取得了一定的成效。

2.3 鄱阳湖生态经济区典型地区用水效率与产业结构系统间耦合协调分析

由图6可知，2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区为耦合协调多元发展期，各城市耦合协调度(C)分别呈现出不同的变化趋势，见图6(A)，其中南昌市和鹰潭市的C值呈现下降-上升-下降-上升-下降趋势，九江市呈现下降-上升-下降-上升趋势，景德镇市呈现下降-上升-下降趋势，新余市呈现上升-下降-上升-下降趋势；各城市耦合协调发展度(D)均呈现出先上升后下降再上升的变化趋势，见图6(B)。鄱阳湖生态经济区典型地区的C值区间均介于区间[0.45, 0.5]，D值均介于区间[0.370, 0.612]，根据耦合度等级及其划分标准和用水效率与产业结构耦合协调的分类体系及判断标准(表2)，各城市的用水效率与产业结构系统间均处于拮抗阶段，但其耦合协调发展等级表现差异较大。2009-2015年南昌市的耦合协调发展等级整体处于轻度失调-濒临协调-勉强协调等级，根据表2中的相对发展度(E)判断，其耦合协调发展整体特征依次表现用水效率产业结构共损型-产业结构损益型-用水效率产业结构同步型-用水结构损益型-用水结构滞后性，其中2012年表现为勉强协调用水效率产业结构同步型；九江市的耦合协调发展等级整体处于濒临协调-勉强协调等级，其耦合协调发展特征依次表现用水效率产业结构共损型-用水结构损益型-用水结构滞后性；景德镇市的耦合协调发展等级整体处于濒临协调-勉强协调等级，其耦合协调发展特征依次表现用水效率产业结构共损型-产业结构滞后型-用水效率产业结构同步型-产业结构滞后型-用水效率产业结构共损型-用水效率产业结构同步型-用水结构滞后性，其中2011和2014年表现为勉强协调用水效率产业结构同步型；鹰潭市的耦合协调发展等级整体处于轻度失调-濒临协调-勉强协调等级，其耦合协调发展特征依次表现用水效率产业结构共损型-产业结构损益型-产业结构滞后型-用水效率产业结构共损型-用水结构滞后性；新余市的耦合协调发展等级整体处于勉强协调-初级协调-濒临协调-勉强协调等级，其耦合协调发展特征依次表现用水结构滞后性-产业结构滞后型-用水效率产业结构同步型-用水效率产业结构共损型-用水结构损益型-用水效率产业结构同步型，其中2011和2015年表现为勉强协调用水效率产业结构同步型，2012年表现为初级协调用水效率产业结构同步型。综合对比还发现，2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构系统的发展水平较为滞后或与用水结构系统的发展水平相当。从2014年以后，用水效率转为落后系统，这说明鄱阳湖生态经济区的典型地区内用水结构与产业结构间有相互影响的趋势，但其耦合协调度及其发展度仍相对较低，还处在相互拮抗的阶段，致使在产业结构在不断优化调整中，用水效率发展水平的提升速度已赶不上产业结构优化升级的速度。因此，在鄱阳湖生态经济区典型地区的产业结构调整升级中，须充分发挥它们之间的内部联动效应，才能促进它们之间的相互协调发展。

图7(A)可知，2009-2015年5个地区用水效率与产业结构耦合协调度均呈上升-下降-上升的拮抗阶段(D为0.400～0.499，即阴影部分)，其中2013年下降较为明显，除景德镇市和新余市外均仍高于2009年。这可能与江西省2013年5和9月份分别实施《国家发展改革委关于修改〈产业结构调整指导目录(2011年本)〉和《江西省取水许可和水资源费征收管理办法》等法律、行政法规和国务院文件政策有关。由图7(A)还可知，多数地区处于过渡区的濒临协调发展阶段，而景德镇市除2009、2013年和新余市除2013、2014年的处于濒临协调发展阶段外，两市其它年份均处于勉强协调发展阶段，其中新余市在2012年还达到了初级协调阶段。这说明在经济快速发展中，多数研究区用水效率和产业结构还处于濒临协调与勉强协调的过渡区，发展水平的提升空间较大，而新余市用水效率与产业结构系统间的发展水平越来越接近，相互协调作用越来越明显。

图6 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区用水效率与产业结构的耦合协调发展水平

产业结构的调整变化影响不同部门的用水比例和水中污染物排放量，从而影响水资源的数量和质量；而提升产业部门用水效率能够节约水资源，促进产业结构的优化调整与升级。由图7(B)可知，2009-2015年景德镇市和新余市的相对发展度基本在用水效率与产业结构同步区内(0.8

图7 鄱阳湖生态经济区典型地区用水效率与产业结构的耦合协调发展度和相对发展度演变趋势(A表示耦合发展协调度(C)，其中黄色阴影部分表示濒临协调过渡区；B表示相对发展度(E)，其中绿色阴影部分表示用水效率与产业结构同步区)

3 结论与讨论

1) 2009-2015年除景德镇市和鹰潭市外，南昌市、九江市和新余市的用水效率均呈上升-下降-上升-下降-上升趋势；在2010-2012年各地区的用水效率差异较大，其中新余市用水效率最高，九江市最低；在2013-2015年各地区的用水效率均发生了不同的变化，其中南昌市、九江市和新余市均呈上升趋势，景德镇市和鹰潭市呈先上升后下降，但各地区的用水效率差异较小。

2) 2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的第一产业比重呈现下降趋势，第二产业比重呈现先上升后下降趋势，而第三产业比重却呈现先下降后上升的趋势。从产业结构变动速度来看，新余市产业调整速度最快，南昌市最慢；从产业结构合理化来看，九江市产业结构最合理，鹰潭市产业结构合理程度最低，但都在1以上；从产业结构高级化程度来看，5个地区的非农产值比重均呈现上升趋势，其中南昌市非农产值比重最高，鹰潭市最低。

3) 2009-2015年5个典型地区用水效率与产业结构的耦合度均在0.479～0.500之间，耦合协调度在0.378～0.612之间，说明其耦合关系皆处于拮抗阶段但趋近于磨合阶段的位置，且均经历从濒临失调到勉强协调的状况；其中2015年5个典型地区的用水效率与产业结构耦合协调度均在0.500以上，对比2009年其耦合协调度均有所提升，南昌市、九江市、景德镇市、鹰潭市和新余市分别提升16.864%、13.601%、8.090%、10.625%和4.619%。2009-2015年鄱阳湖生态经济区典型地区的用水效率与产业结构关系中产业结构的发展水平较为滞后或两系统发展水平相当，但从2014年以后，用水效率转变为落后的系统。