湖北省水资源环境与经济发展耦合关系时序特征研究

聂 晓，张中旺

（湖北文理学院 资源环境与旅游学院，湖北 襄阳 441053）

0 引 言

随着区域社会经济的快速发展，水资源供给压力日益增大，水污染问题日益严峻[1]。水资源环境与经济发展之间存在着相互的耦合关系[2]。经济快速发展一方面会给水资源环境带来不利影响，另一方面经济快速发展也可以为水资源利用效率的提高以及水环境的保护提供资金支持和技术保障；水资源环境水平的高低也会影响经济发展的成效，充足的水资源和优良的水质，可以保障经济又快又好地发展。因此，研究经济发展与水资源环境水平的耦合关系已成为保障区域经济可持续发展的重要内容。目前，国内学者对水资源环境与经济发展关系的研究大多集中在水资源利用与经济发展的耦合关系[3-6]以及水环境质量与经济发展的耦合关系[7-9]。但针对水资源环境系统与经济发展系统耦合关系的综合研究开展得比较少。蔡振饶等[2]借助于耦合协调模型对贵阳市水资源环境与经济发展的耦合关系开展了研究；夏菁等[10]将经济发展系统和社会系统作为一个整体，构建四平市经济社会系统与水资源环境系统的指标体系，基于耦合协调模型研究了水资源环境与经济社会协调发展水平的时空差异。

湖北省位于长江中游，是我国“中部崛起”战略的支点和中心。近年来，随着经济的快速发展以及南水北调中线工程的实施，湖北水资源供需矛盾和水环境污染问题日益突出[11]。湖北省水资源环境保护和经济发展的矛盾日益显现。在此背景下，构建湖北省水资源环境与经济发展耦合关系评价指标体系，综合评价水资源环境水平与经济发展水平，客观定量揭示湖北省水资源环境与经济发展之间耦合关系的时序变化特征，寻找水资源环境与经济耦合协调发展的薄弱环节，为针对性制定政策实现湖北省水资源环境与经济优质耦合协调可持续发展提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖北省位于 29°05′N—33°20′N，108°21′E—116°07′E，属于长江中游流域，是南水北调中线工程核心水源区。全省国土总面积18.59万km2，其中山地占56%，丘陵占24%，平原湖区占20%。地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地。气候大部分为亚热带季风性湿润气候，光能充足，热量丰富，无霜期长，降水充沛，雨热同季[12]。湖北省多年平均降水量1 166 mm，且降水分布具有明显的地域差异和季节差异，鄂西、鄂西北等地缺水问题较为突出。随着经济社会的不断发展，水资源需求持续增加，水污染问题日益突出。

1.2 研究方法

1.2.1 评价体系及指标权重

参照已有研究成果[2-3]，结合湖北省的实际情况，依照指标选取的科学性、可获得性以及可操作性的原则，按照水资源环境状态-压力-响应的框架选取 14个指标，构建了水资源环境综合评价体系；按照经济发展规模-结构-效率的框架选取10个指标，构建了经济发展综合评价体系。湖北省水资源环境与经济发展耦合协调评价指标体系列于表1。为避免主观判断对研究结果的影响，采用熵值法确定各指标权重[13]。具体计算过程为：

式中：wj为各个指标的权重；ej为第j个指标的熵值；xij*为第i项指标在第j年同向化后的标准值；m为指标数量；n为被评价的年数。

表1 评价指标体系及权重Table 1 Evaluation system and index weight

1.2.2 子系统综合评价指数

由于指标原始数据量纲不同会对评价结果产生影响，因此需要对原始指标数据进行标准化处理。正向指标和负向指标的标准化计算公式分别为：

式中：xij*是同向化后的标准值；xij、xjmin、xjmax分别是第j项指标的第i个样本值、第j项指标的最小样本值、第j项指标的最大样本值。

指标原始数据标准化后，结合指标权重进行加权求和，得到湖北省水资源环境综合指数R1和经济发展综合指数R2。

1.2.3 耦合协调度模型

选用耦合协调度模型来评价湖北省水资源环境与经济发展的耦合协调发展水平，具体计算式为[10]：

式中：D为耦合协调度；C为耦合度；R为水资源环境与经济发展综合评价指数；α、β的取值采用等权重的处理方式[14]，即α=β=0.5；K为调节系数，K≥2，由于本文度量的是水资源环境与经济发展 2个子系统的耦合协调度，故取K=2[2]。为了直观地分析水资源环境与经济发展的耦合协调水平，参考已有研究成果[10,15]，耦合协调类型按照表2进行分类。另外，根据水资源环境综合指数R1与经济发展综合指数R2的对比关系，进一步将其分为经济发展滞后型、水资源环境滞后型、经济与水资源环境同步型（表2）。

表2 耦合协调类型及判别标准Table 2 Coupling coordination type and evaluation criteria

1.2.4 数据来源

以湖北省为研究对象，选择2006—2017年的面板数据，对湖北省水资源环境与经济发展耦合关系的时序变化特征进行分析。指标数据来自《湖北省统计年鉴》（2007—2018年）、《中国环境统计年鉴》（2007—2018年）、《湖北省水资源公报》（2006—2017年）和湖北省水利厅的相关水资源统计数据。

2 结果与分析

2.1 湖北省水资源环境系统演变分析

由表1可知，在水资源环境系统中，用水总量指标（0.096 6）、城镇生活污水排放量（0.086 9）、工业废水排放量（0.085 6）和工业用水重复利用率（0.085 1）的指标权重相对较大。

图 1是湖北省水资源环境综合指数与各子系统指数的时序变化。由图1可知，湖北省水资源环境综合指数总体上呈波动上升趋势，2006—2007年，水资源环境综合指数呈现上升趋势，在该阶段，水资源环境压力相对较小，水资源环境状态指数呈上升趋势；2008—2012年，水资源环境综合指数呈波动下降的趋势，主要是因为随着经济的快速发展，水资源环境压力显著增加，2012年，水资源环境压力指数仅为0.096 9，为整个研究期的最低值，原因在于2012年湖北省的工业废水排放量、工业用水量均相对较大，特别是工业用水量为研究期内的最大值，工业的快速发展对水资源环境产生了较大的负面影响，水资源环境状态指数呈波动下降的趋势；2013—2017年，水资源环境综合指数呈快速上升的趋势，主要是由于水资源环境保护不断加强，水资源环境状态指数提升显著，水资源环境压力有所减小，主要是因为2013年湖北省政府发布了《湖北省人民政府关于实行最严格水资源管理制度的意见》，促进了湖北省各地区严格控制水资源利用和防治水污染，2017年，湖北省工业用水量由2012年的121.64亿m³下降到2017年的87.78亿m³，工业废水排放量由2012年的9.160 9亿t下降到2017年的4.415 8亿t，三级以下地表水比例由2013年的27.2%下降到2017年的9%，水环境得到了一定的改善。2016年水资源环境综合指数增幅比较大，为研究期的最大值，主要是因为工业废水排放量大幅度减少（由2015年的8.081 7亿t下降到2016年的4.909 0亿t），可能还与2016年的降水量异常丰沛有关（2016年年均降雨量为1 423.4 mm，为研究期内的最大值，显著高于多年平均降雨量 1 166 mm），2016年湖北省根据水利部第9部委《关于印发“十三五”实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案的通知》实行了最新的最严格水资源管理制度考核内容，进一步促使湖北省各地区加快经济和产业转型升级保护水资源环境。

图1 湖北省水资源环境指数时序变化Fig.1 Changes of water resources environment index in Hubei Province

图 2为湖北省城镇生活污水排放总量及比重时序变化。由图2可知，随着经济和城市化的快速发展，湖北省城镇生活污水总量以及占废水排放总量的比重整体呈不断增加的趋势，由2006年的61.97%（14.85亿t）增加到2017年的83.79%（22.82亿t），说明城镇生活污水排放量是制约湖北省水资源环境综合指数提升的一个重要因素。因此，湖北省未来水资源环境管理的一个重点应是控制城镇生活污水排放，并不断完善城镇生活污水处理设施，提高污水处理能力。

2.2 湖北省经济发展系统演变分析

图 3为湖北省经济发展综合指数与各子系统指数的时序变化。由图3可知，湖北省经济发展综合指数总体上呈线性的增长趋势，这主要得益于经济规模指数和经济结构指数的提升。研究期内，湖北省经济规模指数稳步提升，湖北省人均 GDP从 2006年的13 360元增加到2017年的60 198.68元，增长了4.5倍，城镇居民人均可支配收入从2006年的9 803元增加到2017年的31 889元，增长了3.3倍。研究期内，湖北省经济结构指数总体上处于波动增长的状态，这说明湖北省在经济结构转型方面做出了一些努力，在2006—2012年，经济结构指数较为平稳，变幅较小，2013—2017年，经济结构指数明显提升，产业结构和消费结构不断优化，2017年湖北省第一产业增加值占GDP比重由2006年的15.2%下降至10.3%，第三产业增加值占GDP比重由2006年的40.8%增加至2017年的45.2%，农村恩格尔系数由2006年的46.8%下降至2017年的28.6%。湖北省经济效率指数略有下降，但整体上较平稳，特别是2013年以来，指数变幅较小，说明湖北省经济整体上保持较稳定的增长态势。

图2 湖北省城镇生活污水排放总量及比重变化Fig.2 Changes of total urban domestic sewage discharge and the ratio of urban domestic sewage discharge

图3 湖北省经济发展综合指数时序变化Fig.3 Changes of economic development index in Hubei Province

2.3 湖北省水资源环境与经济发展耦合协调水平评价

图 4为湖北省水资源环境系统与经济发展系统耦合关系的时序变化。由图4可知，湖北省水资源环境与经济发展耦合协调度总体上呈现线性上升趋势。依据表 2对湖北省水资源环境与经济发展的耦合协调类型进行划分，耦合协调度介于0.445 7和0.874 7之间，耦合协调类型包括从濒临失调、勉强协调、初级协调、中级协调到良好协调的5小类：2006—2010年，耦合协调度相对较低，耦合协调阶段从濒临失调发展到勉强协调，耦合协调大类属于过渡发展类；2011—2017年，耦合协调度由0.6增加到0.874 7，耦合协调小类从初级协调发展到中级协调最后发展为良好协调，耦合协调大类属于协调发展类。湖北省水资源环境与经济发展耦合协调水平虽然总体上呈不断上升的趋势，在2017年度达到良好耦合协调，但若要最终实现水资源环境与经济发展的优质耦合协调发展，确保水资源环境与经济的可持续发展，湖北省应进一步在稳速发展经济的同时加快推动经济和产业结构的转型升级，大力推进绿色产业和循环经济的发展，严格控制用水总量，提高水资源利用效率，控制水污染并进一步加大水污染的治理投资。

图4 湖北省水资源环境系统与经济发展系统耦合关系时序变化Fig.4 Changes of coupling relationship between water resources environment and economic development in Hubei Province

进一步对比湖北省水资源环境与经济发展综合指数（图4）可以发现，研究期内湖北省水资源环境与经济对比关系在时序上存在较明显的阶段性，具体可以划分为 2大阶段：2006—2010年，经济发展滞后型的耦合阶段，在这一阶段，经济发展综合指数相对较低，水资源环境总体上能够保证经济的快速发展，为经济发展提供有力的保障，且这一阶段，经济发展综合指数与水资源环境综合指数的差距趋于减小，2个系统的耦合协调度在波动中缓慢增加；2011—2017年，水资源环境滞后型的耦合阶段，在这一阶段，随着经济的快速发展，水资源环境压力加大，导致水资源环境指数在2012年维持在一个较低的数值，与经济发展综合指数差距较大，2个系统的耦合协调度也略有降低，之后，湖北省加大了对水资源环境保护的重视程度，也加大了对水污染的治理投资，水资源环境综合指数取得较快的增长，与经济发展综合指数的差距在波动中变化，并在2016年后趋于减小，水资源环境与经济发展最终达到良好耦合协调的状态，2016年的水资源环境指数稍高于经济发展指数，可能与前面提到的2016年降水量异常丰沛有关。

3 讨 论

2006—2017年湖北省水资源环境与经济发展评价结果与湖北省实际情况比较相符[11]。潘安娥等[4]基于水足迹的视角评价了水资源利用与经济发展之间的协调关系。前人的研究更侧重于湖北省水资源利用与经济发展的耦合协调发展评价，未涉及水环境方面，而本研究将水环境纳入系统当中，综合地考虑水资源利用和水环境与经济发展的耦合关系。

目前，湖北省水资源环境水平略滞后于经济水平，处于良好耦合协调阶段，为了避免因水资源环境而制约经济发展的情况，实现水资源环境与经济的优质耦合协调发展，湖北省在经济和产业转型升级方面以及城镇生活污水控制和处理方面还需要做出更多的努力，这与张晓京等[11]的研究结论一致。鉴于此，建议大力宣传水资源环境保护政策，进一步提高公众保护水资源环境的意识；进一步增加污水处理投资，完善城镇生活污水处理设施，提高污水处理能力；进一步优化产业布局，借助水文化、水景观优势，深挖科教、区位资源，大力发展独具特色的旅游产业。

限于指标选择的一致性，文中未开展湖北省不同地区水资源环境与经济发展的耦合协调水平时序变化研究，在接下来的工作中将重点开展这方面的工作，为湖北省因地制宜地协调经济发展和水资源环境提供科学依据，另外，未来也将在此研究的基础上进一步深入分析产业结构和工业结构（主要耗水工业部门等）和水资源环境的耦合协调关系。

4 结 论

1）2006—2017年湖北省水资源环境综合水平在时序方面总体上呈现波动增长的趋势，水资源环境状态、水资源环境压力在波动中变化，水资源环境响应则呈现较稳定地增长趋势，说明湖北省在水资源环境保护方面已做出一些努力，但是在水污染控制和治理方面仍需努力，由于城镇生活污水排放总量和比重都趋于不断增加的趋势，因此未来湖北省水资源环境管理的一个重中之重就是控制和处理城镇生活污水。

2）2006—2017年湖北省经济发展综合指数在时序方面整体上呈现较为明显的线性增长趋势。经济规模指数和经济结构指数总体升高，而经济效率指数略有下降，但总体上较平稳，说明湖北省经济保持较稳定的增长趋势，且经济结构得到了一定的优化。

3）2006—2017年湖北省水资源环境与经济发展的耦合关系在时序变化方面呈现线性上升的趋势，且具有阶段性：2006—2010年为经济发展滞后于水资源环境水平的过渡发展阶段；2011—2017年为水资源环境滞后于经济发展的协调发展阶段，2017年达到良好耦合协调。