湖南长江经济带产业结构与水资源利用耦合协调机制研究

刘 慧，李景保，李艺璇，方钰佳

(湖南师范大学资源与环境科学学院，中国 长沙 410081)

水资源是区域经济增长和产业结构动态演进的控制要素，在水资源开发利用过程中，如何推进战略性产业结构调整，实现水资源在产业用水中的高效配置是水资源可持续利用的重要议题。国内外学者对产业结构与水资源利用的关系从不同角度进行了研究。刘轶芳等通过构建结构偏差系数指标，发现北京市产业结构与水资源消耗间存在高度相关关系[1]。张文国等运用Fuzzy评价模型得出，农业用水效率低下和工业产业结构不合理是流域水资源浪费及水污染产生的根本原因[2]。蔡继等运用灰色关联度模型发现,产业结构调整与水资源可持续利用各要素之间的联系紧密，优化第二产业内部结构、大力发展第三产业是水资源可持续利用的必然要求[3]。王福林等根据区域产业结构发展趋势及其演变规律，构建了基于水资源优化配置的区域产业结构动态演化模型[4]。Hirschman从地域差异及水资源稀缺的角度出发，认为产业发展应该充分利用自身的资源优势，最大限度地进行水资源的有效配置。学者Isaac以澳大利亚为例，认为根除水资源利用不当和水污染的企业，可对产业结构做出优化和调整，提高人类的健康和社会经济的可持续发展水平[5]。由此表明,产业结构调整与水资源利用两者之间存在内在的关联。

当前湖南长江经济带正通过加快生态文明建设与产业经济发展，谋求跨越式发展。《岳阳市关于加速推进新型城镇化的实施意见》指出，要进一步完善水资源开发利用和城区水域保护机制；推进产业结构调整和经济发展方式转变。自《洞庭湖生态经济区规划》印发以来，岳阳市沿江地区便承担着加快构建经济效益好、资源消耗低、环保生态效益显著的绿色生态产业体系的发展任务[6]。如何优化水资源利用方式，实现水资源利用与产业结构耦合协调发展已成为岳阳市沿江地区建设发展亟待解决的重要问题。在此背景下，本文运用灰色关联度和耦合协调模型，探讨湖南长江经济带水资源利用与产业结构的耦合协调机制具有重要的理论与现实意义。

1 区域概况、数据来源和研究方法

1.1 研究区域概况

岳阳市位于28°25′N～29°51′N，112°18′E～114°09′E之间, 环绕洞庭、北接长江，雨量充沛，物产丰富,是湖南省进行沿江开发开放、建设湖南长江经济带的主战场。本文研究区域为湖南省长江经济带(即岳阳沿江地区，下文中均用该词替代)，包括华容县、君山区、岳阳楼区、云溪区、临湘市、岳阳县6个县市区，区域面积7 550 km2，地处长江中游核心区域，是湖南省通江达海的首位门户与枢纽区域[6]。2017年年末常住人口为573.33万人，城镇化率为57.21%，全年国内生产总值3 258.03亿元，全市三次产业结构比为11.1∶43.8∶45.1。

1.2 数据来源

本文涉及数据均来自于《岳阳市统计年鉴(2002—2018)》、《岳阳市水资源公报(2011—2017)》，研究区域涉及岳阳楼区、云溪区、君山区、岳阳县、华容县、临湘市6县市区，已对相关数据进行处理，个别缺失数据采用相邻年份插值法补齐。空间数据源自全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn/commres.do?method=dataDownload)，扫描之后在ArcGIS 10.5软件中进行配准矢量化。

2 研究过程

2.1 指标体系建立及权重计算

本文遵循综合性、代表性、科学性和可操作性原则，参考相关研究成果，基于数据的可获得性，并结合研究区域实际，形成了产业结构与水资源利用两个系统的指标体系。在进行关联分析之前，需对数据进行无量纲化处理，并运用熵值法计算产业结构与水资源利用系统各指标的权重(表1及表2)。

(1)

(2)

(3)

式中F1和F2分别表示产业结构和水资源利用综合水平指数，yi代表第i个指标的标准值，wi代表第i个指标的权重。

表1 产业结构系统评价指标体系及权重

表2 水资源利用系统评价指标体系及权重

2.2 灰色关联度

灰色关联度模型常用于动态过程发展态势的量化分析。本文借鉴刘耀彬提出的关联耦合模型[8]，构建产业结构与水资源利用系统的关联度模型(4)和耦合度模型(8)，以探究两系统间的动态耦合关系。在进行计算之前需要对数据进行无量纲化处理，采用式(1)和(2)，其关联系数的计算公式为

(4)

(5)

通过比较各个关联度γij的大小并对其进行等级划分(表3)，可得出产业结构与水资源利用两系统各要素之间的关联程度。

表3 要素关联度分级

在关联度矩阵基础上分别按行或列求其平均值, 分别得到式(6)和(7)，根据其大小及对应的值域范围遴选出系统间主要的交互影响因素。

(6)

(7)

式中：γij为关联度；m和l分别为产业结构系统和水资源利用系统的指标数。为从整体上判别两个系统耦合强度大小，在式(4)的基础上构造产业结构系统与水资源利用系统的耦合度模型(8)，通过该模型可从时空角度定量评判其耦合的协调程度，其计算公式如下：

(8)

式中，C(t)为两系统耦合度，其余指标同上。

2.3 耦合度函数

结合文献[9]，建立产业结构和水资源利用耦合度模型

式中：c为耦合度，U1和U2分别代表产业结构指标体系函数和水资源利用指标体系函数，产业结构指标体系与水资源利用体系的耦合度取值为[0,1]。参考熊建新等的研究成果[10]，将耦合度按照取值进行阶段划分(表4)。

表4 产业结构与水资源利用关系阶段特征

2.4 耦合协调度函数

耦合度的大小只能用于判断产业结构与水资源利用两系统的协调程度，可能出现两系统发展水平均不高但耦合程度却很高的情况，若要进一步判断两者耦合水平的高低，需要引入耦合协调度函数模型：

(9)

U=aU1+bU2。

(10)

式(9)和(10)中D为耦合协调度；c为耦合度；U为产业结构与水资源利用综合评价调和指数；a和b是待定系数，借鉴于涛等[11]和罗艳玲[12]的研究成果，产业结构与水资源利用地位相等，则a和b两个待定系数均为0.5，并进行耦合协调度等级阶段划分(表5)。

3 评价结果与分析

3.1 产业结构与水资源利用交互作用机制

经计算得出，产业结构和水资源利用两系统各指标间的关联度γij均在0.5以上，属于中等及以上关联，表明两系统之间联系密切。两系统耦合度C(t)为0.774 0，所建立的指标体系能较好地衡量两系统的协调程度。

表5 耦合协调度阶段划分

3.1.1 产业结构系统对水资源利用系统的胁迫作用 产业结构系统与水资源利用系统的胁迫综合指数为0.763 4，表明产业结构对水资源利用产生较大的约束效应，其中产业结构水平与水资源利用的关联度最大(0.816 6)，其次为产业结构效益(0.710 2)，产业结构水平直接反映了区域用水结构。在产业结构水平中，代表三次产业的指标按关联程度排序为：第二产业(0.846 5)>第三产业(0.828 5)>第一产业(0.774 7)，第二、三产业与水资源利用存在强关联度，工业发展水平对岳阳沿江地区水资源利用影响最为显著。该结果表明岳阳沿江地区应调整耗水型工业，大力发展节水型产业，发展高效节水灌溉，建设节水型社会。

3.1.2 水资源利用系统对产业结构系统的制约作用 水资源利用系统与产业结构系统的综合关联度为0.769 6，其中按综合关联度排序：水资源开发利用程度(0.821 0)>水资源利用效率(0.814 4)>水资源开发利用负荷(0.787 3)>水资源本底条件(0.748 7)>水资源管理水平(0.676 5)。就水资源开发利用程度而言，岳阳沿江地区水资源有较大开发潜力，但由于降雨时空不均，水利工程调蓄能力有限，水资源难以充分利用，对产业发展产生较大制约作用[13]。水资源利用效率不高是该区域水资源利用的突出问题，水资源开发利用负荷过大与水资源本底条件相对不足的矛盾阻碍了产业结构的进一步发展。

综上所述，水资源的可持续利用为岳阳沿江地区产业结构转型提供了巨大的动力支撑和广阔的发展空间，产业结构转型是优化水资源利用的关键因素，两系统相辅相成。

3.2 岳阳沿江地区水资源利用综合水平的时序变化

图1 2008—2017年岳阳沿江地区水资源利用综合水 平的时间序列变化Fig. 1 The time series changes of comprehensive level of water resources utilization in Yueyang river side region from 2008 to 2017

图1反映了2008—2017年岳阳沿江地区水资源利用综合水平的时序变化过程,从图中可以看出各县市区的水资源利用综合水平及时序变化有较大差异。其中云溪区、君山区和临湘市水资源利用综合水平在波动中增长，岳阳楼区经历了先增长后下降的过程，岳阳县、华容县在较小区间内波动并趋于稳定。

从总体来看，岳阳沿江地区水资源利用综合水平先增长后下降，其变化曲线可大致分为两个阶段。2008—2012年为波动上升阶段，由于水资源开发利用负荷和水资源开发利用程度指数处于较高水平，各子系统综合水平低速增长，该阶段初期保持稳定增长速率。受区域降水的显著影响，2012年水资源利用综合水平增长较快并达到峰值(0.66)。2012—2017年为曲折下降阶段，期间出现两次快速下降，第一次快速下降时期为2012—2013年，降幅为20.67%，其原因为2013年降水比多年平均偏少22.7%，水资源本底条件不能满足用水需求。第二次快速下降时期为2014—2016年，降幅为23.07%，该时期各项用水负荷显著增加，其中工业用水量增加了34 420 万m3，供水总量增加了364 516 万m3。2017年降水较多年平均偏多22.5%，水资源利用综合水平出现短暂回升。

岳阳沿江地区以高能耗重化工工业为主导产业，工业用水量大，且农业灌溉用水仍占较大比重。由于区域产业结构演化过程不合理，无法满足日益增长的产业用水需求，水资源开发利用负荷指数显著下降。研究期内水资源开发利用程度逐年递减，加之水资源本底条件、水资源利用效率和管理水平未有明显提高，未来一段时期岳阳沿江地区水资源利用综合水平将持续下降。

3.3 岳阳沿江地区产业结构综合水平的时间序列变化

图2整体来看，岳阳沿江地区产业结构综合水平在2008—2017年间呈现明显的波动上升趋势，从2008年的0.384上升到2017年的0.590。

根据数值的变化，可将整体的时间序列变化以2013年为界大致分为前后两个阶段：2008—2013年为快速发展阶段，2013—2017年为减速发展阶段。在前一阶段，岳阳沿江地区的产业结构综合水平上升幅度为0.182，上升趋势较为明显。这一阶段区域城镇化高速发展，工业产值占GDP总值比重迅速扩大，工业的快速发展也极大地促进了地区经济的增长，从而吸引农业人口向非农产业转移，社会固定资产投资扩大，区域产业结构水平和结构效益均得到了较大幅度的提升。在后一阶段，受2013年前第二产业的迅猛发展，第二产业经济贡献率在2014年达到顶峰后开始下滑，取而代之的是第三产业的迅速发展，产业结构趋于优化。政府积极承接产业转移，通过内引外联，积极寻求战略合作伙伴。政府在承接产业转移的过程中也不断追求产业高效、协调和可持续发展，万元GDP能耗显著下降。但从统计数据可以看出高新技术产品增加值占GDP比重不断下降，不仅影响了产业结构效益的增长，也成为阻碍地区产业结构综合水平快速发展的重要影响因素。

在区域的对比过程中发现，君山区和华容县的产业结构综合水平处于优势。两地区在产业发展过程中不断提升高新技术产品增加值、降低生产能耗，改善了产业结构。君山区扶持休闲农业和乡村旅游业成为支柱产业、发展节水农业；华容县支持提升城市产业发展，提升长江经济带电商产业园入园企业质量。由此可见，有效提高企业自主创新能力，引导企业、社会资本向集约型、创新型产业倾斜是提升岳阳沿江地区产业结构综合水平的必经之路。

3.4 岳阳沿江地区耦合协调度时序变化

根据计算结果(表6和图3)可知，2008—2017年，岳阳沿江地区产业结构与水资源利用耦合度稳定在0.9～1的高水平，耦合协调度曲线呈现拉长的“M”型，耦合协调度从0.669 9曲折增长到0.735 7。岳阳沿江地区与岳阳楼区耦合协调度曲线变化相似，均先增长后下降，其他县市区耦合协调度在波动中增长。从区域整体上看，可将岳阳沿江地区耦合协调度分为两个阶段。

图2 2008—2017年岳阳沿江地区产业结构综合水平的时间序列变化Fig. 2 Changes of time series of industrial structure synthesis level in Yueyang along the river area from 2008 to 2017

图3 岳阳沿江地区产业结构与水资源利用耦合协调度变化曲线Fig. 3 The coupling cordination degree curve of industrial structure and water resources utilization in Yueyang along the river area

表6 岳阳沿江地区产业结构与水资源利用的耦合协调度

3.4.1 产业结构滞后阶段 该阶段为2008—2012年，耦合协调类型由初级协调发展为中级协调。产业结构综合水平提升是该阶段耦合协调度增长的主要推动力。该阶段两系统综合水平差距先缩小后增大。在岳阳沿江地区城镇化和工业化早期，水资源开发利用负荷小。早期低效率的粗放型产业结构和经济增长方式使得产业结构综合水平较低。随着岳阳沿江地区经济规模不断扩大、产业结构调整，用水需求和用水结构发生变化，产业结构综合水平与水资源利用综合水平差距缩小，耦合协调阶段发展为中级协调。

3.4.2 水资源利用滞后阶段 该阶段为2013—2017年，耦合协调度在0.73～0.76区间内波动，总体呈下降趋势，除2014年外，该阶段水资源利用相对滞后于产业结构综合水平，属于中级协调。2014和2017年为丰水年份，水资源本底条件指数增加，产业结构综合水平增速较缓，耦合协调度出现短期回升。由于岳阳沿江地区进入工业化中后期，重化工业的发展仍是区域经济增长的主要力量，万元工业增加值用水量高于全国平均水平。且该区域农业集约程度仍属于较低水平，节水器具普及率低，对产业结构水平和效益有较大的制约作用，从而限制了耦合协调度提升。

3.5 岳阳沿江地区耦合协调度区域分异

图4 2017年岳阳沿江地区各县市区产业结构与 水资源利用耦合协调度区域分异Fig. 4 Regional differentiation of coupling coordination degree between industrial structure and water resource utilization in various counties in riverside area of Yueyang city in 2017

根据耦合协调度函数模型(9)和(10)计算得出2017年岳阳市沿江地区各县市区及整体的2017年产业结构与水资源利用耦合协调度评价结果(表7)。空间分布在图4中表示。

由表7和图4可知，2017年岳阳沿江地区各县市区产业结构与水资源利用耦合协调度共分为3种类型：良好协调水资源利用滞后型、中级协调水资源利用滞后型和中级协调产业结构滞后型。良好协调水资源利用滞后型包括云溪区、岳阳县、临湘市三大区域，其产业结构与用水结构的耦合协调度值在0.806～0.832之间。中级协调水资源利用滞后型，耦合协调度值在0.724～0.766之间，包括岳阳沿江地区、岳阳楼区、华容县。君山区为中级协调产业结构滞后型，耦合协调度值达0.772。耦合协调度空间上呈现明显的区域分异，但整体上产业结构与水资源利用处于较高水平的耦合协调阶段，二者相互促进作用较为显著。除君山区外，评价结果均为水资源利用滞后型，表明2017年水资源利用对产业结构的贡献程度小于产业结构对水资源利用的贡献程度。工业用水量和农田灌溉用水量是影响岳阳沿江地区耦合协调度区域分异的最主要因素，岳阳楼区工业用水量为102 422 万m3，华容县的农田灌溉用水量为28 672万 m3，均远远超过了其余3个区县的农田灌溉用水量与工业用水量平均水平，用水量的增加降低了工农业用水效率的提高，严重阻碍了区域水资源利用的集约、节约化。因此，需要进一步完善水资源开发利用和产业转型升级，推动资源节约型产业发展，重视节水农业发展，减少资源浪费。

表72017年岳阳沿江地区各县市区产业结构与水资源利用耦合协调度评价结果

Tab.7Evaluation results of coupling coordination degree between industrial structure and water resource utilization of each county in riverside area of Yueyang city in 2017

区域耦合度耦合协调度评价结果岳阳楼区0.9930.724中级协调水资源利用滞后型云溪区0.9990.832良好协调水资源利用滞后型君山区0.9990.772中级协调产业结构滞后型岳阳县0.9960.828良好协调水资源利用滞后型华容县0.9760.766中级协调水资源利用滞后型临湘市0.9920.806良好协调水资源利用滞后型岳阳沿江地区0.9960.736中级协调水资源利用滞后型

4 讨论

本文以湖南长江经济带为例，对产业结构与水资源利用的耦合协调机制进行研究，通过灰色关联度分析指标间关联程度，将有代表性、可获取的指标纳入评价体系，研究尺度细化到时空层面。但由于产业结构与水资源利用影响因素颇多，部分数据难取，本文可能存在着指标数据选取不周的问题，今后研究将进一步完善。