黄河流域能源与环境－经济－生态耦合协调发展研究

赵金辉，田 林，李思源，白云龙，李濮希

（1.郑州大学 机械与动力工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学 国际学院，河南 郑州 450001）

在2019年召开的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略［1］。党的十九大报告指出，要建设人与自然和谐共生的现代化［2］。黄河流域的能源、环境、经济和生态的多元协调发展已成为流域高质量发展的先决条件之一［3－5］。关伟等［6］分析了黄河流域能源综合效率，从时序上看，流域能源综合效率呈“高—低—高”的U形变化；从空间上看，综合效率从高到低依次为东部、中部和西部省份。王甜甜［7］提出了制约黄河流域经济联动高质量发展的三方面因素。周晓艳等［8］认为黄河流域经济存在空间异质性，流域区域经济格局两极化明显。郭晗［9］认为制约黄河流域生态保护和高质量发展的瓶颈有水资源供需矛盾、水沙空间分布不均衡、环境污染和流域综合管控机制缺乏等。

上述研究为本研究奠定了重要基础，但相关研究主要集中于单因素与高质量发展之间的关系或对二、三元关系的分析评价。在黄河流域高质量发展的大背景下，治理重心应当放在哪里？黄河流域九省（区）发展水平差异如何？如何在提高能源与环境、生态、经济协调水平的同时，既保证经济的增长，又改善生态环境的质量？这些问题需要通过更深入的研究和探讨来回答。为此，笔者利用黄河流域九省（区）2004—2019年能源、经济、环境和生态相关数据，采用CRITIC法［10］，基于耦合协调度模型，全面分析黄河流域综合发展状况，剖析九省（区）能源与经济－环境－生态的协同发展水平，并提出优先发展策略。

1 四元系统耦合协调因素制约与促进关系分析

目前，黄河流域开发利用的能源主要为一次能源，在一些能源矿产富集区域，能源的开采方式以采掘和粗加工为主，因此中、高端和高附加值产业发展水平较低［11］，能源不足以支撑经济粗放式发展的问题逐步显现，导致流域经济发展水平低于全国平均水平［12］。从GDP来看，2010—2019年黄河流域九省（区）总人口占全国比重稳定在30.10%左右，但九省（区）GDP占全国的比重却由28.54%下降至24.97%。粗放式经济发展会浪费大量的化石能源，使工业废气、废水排放量增多，大气和水污染加重［13］，造成土壤污染，耕地面积减少。黄河流域水资源供需矛盾突出，如山东人口和耕地分别占全国的7.2%和7.3%，而水资源总量仅占全国的1.2%，人均水资源占有量仅有300 m3，是全国人均水平的13.3%，单位面积耕地拥有水资源量为4 560 m3／hm2，是全国平均水平的17.3%。

能源的高效利用、经济的快速发展、环境的有效保护和生态的科学利用是实现黄河流域高质量可持续发展的客观基础。黄河流域生态自我调节能力是有限的，因此能源开发应有所节制，并努力提高新能源的利用率，减轻生态承载压力。能源的代谢产物大多以不同形式排放到大气环境中，会影响大气质量和气候稳定，而大气质量和气候稳定又会以负反馈的形式来影响能源的利用和供应。在能源与经济关系中，能源是经济发展的物质基础，能源消费总量的增长，特别是由工业化推进所导致的能源消耗量的增长，对经济增长具有促进作用。

黄河流域能源－环境－经济－生态耦合协调关系见图1。

图1 黄河流域能源－环境－经济－生态耦合协调关系

在上述制约关系下，黄河流域能源与环境－经济－生态协调发展已成为高质量发展的客观要求。探究黄河流域四元系统耦合协调水平，是对黄河流域生态保护和高质量发展战略理念的有益探索，并对黄河流域高质量发展方向有指导意义。

2 研究方法

2.1 CRITIC法

CRITIC法是一种基于指标变异程度和指标间相关性的赋权方法。当一个指标变异程度越大时，该指标所含信息越多，权重应越大；当一个指标与其他指标间存在较强的相关性时，说明该指标所含信息已被其他指标包含，权重就越小。

（1）标准化处理。选取黄河流域各子系统各要素值作为指标数据。

若该指标为正向，标准化公式为

若该指标为逆向，标准化公式为

式中：xij为标准化处理后的值；为子系统i各指标值；xmin、xmax分别为各省（区）子系统指标最小值、最大值。

（2）考察黄河流域标准化后各指标值的变异程度。在CRITIC法使用指标的标准差来反映指标变异程度：

（3）黄河流域各指标间的相关性用相关系数表示，计算公式为

式中：Rj为相关系数；rkj为评价流域指标k和j之间的相关系数，若某一指标与流域其他指标间的相关性越强，则rkj越大、Rj越小，对应的权重越小；p为指标数量。

（4）黄河流域指标信息量大小的计算公式为

式中：Cj为流域信息量指标，体现了指标变异程度和相关性，Cj越大说明指标的信息量越大，该指标也会具有更大的权重。

（5）黄河流域指标权重计算公式为

式中：Wj为对应的权重。

Cj越大，则第j个评价指标在综合评价体系中的作用也越大，应分配给该指标较大的权重。

（6）计算黄河流域能源、环境、经济和生态4个子系统的发展度。分别以Sener、Senvi、Secon、Secol表示4个子系统的发展度。

能源发展度Sener的计算公式为

式中：Xj为能源子系统各指标值标准化后的值。

同理可得到另外3个子系统的发展度。

2.2 耦合协调度模型

耦合协调度模型用于分析事物的协调发展水平，耦合度可以反映系统之间的相互依赖与相互制约的程度，协调度体现协调状况的好坏。耦合协调度模型共涉及3个指标值的计算，分别是耦合度值、协调度值和耦合协调度值，结合耦合协调度值和协调等级划分标准，可得出各指标耦合协调程度，具体构建过程见相关文献［14－15］。

2.3 评价指标体系

评价指标体系以黄河流域高质量发展为目标层，能源、环境、经济、生态为准则层，选取24个关键要素，采用CRITIC法来确定要素权重，建立起黄河流域能源与环境－经济－生态四元耦合系统评价指标体系。基于2004—2019年黄河流域数据，计算的各指标权重见表1。

表1 能源－环境－经济－生态指标体系

3 单因素变化趋势分析

黄河流域能源、环境、经济和生态各单因素综合发展度见图2。由图2可见，能源－环境－经济－生态4个子系统组成的复合系统的综合发展度值呈缓慢上升趋势，2015—2016年涨幅最大。整体而言，能源、环境、经济和生态单因素变化规律在时间上具有阶段性：2004—2011年为第一阶段，环境子系统发展度最高，同其余子系统差异较大；2011—2014年为第二阶段，各子系统发展度之间差异性较小；2014—2019年为第三阶段，经济子系统发展度最高，且同其他子系统存在显著差异。在2009年之前，由于经济发展水平较低，工业化程度不高，废水废气排放量仍处在较低水平，对环境的污染较小，因此环境子系统发展度高于其他子系统发展度，但2009年后环境子系统受工业发展带来的环境污染的影响，发展度呈现波动下降趋势。能源的开采利用水平及对煤炭、石油等能源需求量不断提升，导致能源子系统整体发展度较低，呈波动上升趋势。经济子系统发展度呈现增长的趋势，其中2005—2008年出现下滑趋势，2013—2016年受“十二五”经济发展规划的影响，GDP增长率和第三产业比重上升明显，经济子系统发展度上涨较快。生态子系统发展度虽然在2005—2009年有较大的波动（先降后升），但是退耕还林等政策的实施，使得人均水资源量和森林覆盖率逐年上升，整体呈现增长的趋势。

图2 2004—2019年黄河流域能源－环境－经济－生态子系统综合发展度

4 二元系统及四元系统流域耦合协调度评价结果与分析

4.1 能源主导下二元系统耦合协调度分析——时间维度

耦合协调等级划分标准见表2，能源分别与环境、经济、生态二元系统耦合协调情况见表3。

表2 耦合协调等级划分标准

表3 能源分别与环境、经济、生态二元系统耦合协调情况

2008—2009年能源－环境耦合协调等级达到良好协调，2011年后耦合协调情况迅速降低，2019年处于轻度失调。中期能源与环境子系统发展度差异较小，能源利用对于环境的影响还未显现。近年来，黄河流域经济粗放式的发展，导致能源需求量增大，对环境的破坏严重，流域脆弱的环境无法支撑能源粗放式的利用，环境承受过大压力，导致环境子系统发展度迅速下降，进而使得能源与环境耦合协调度降低。

能源－经济耦合协调状态日趋优良，由2004年的中度失调增长为2019年的优质协调。后期能源与经济的高度耦合协调表明，能源对于经济具有显著的促进作用，经济对于能源量的增长具有拉动作用。

能源－生态耦合协调状态的前期情况较差，以中度失调为主，后期达到优质协调。其与能源－经济耦合协调水平的差异逐渐缩小，这种现象表明流域内能源利用率逐年提高，经济效益逐年增加。

4.2 能源主导下二元系统耦合协调度分析——空间维度

对三组二元系统耦合协调度对比分析可看出，二元系统耦合协调等级最低的是能源－环境，中等的为能源－生态，最好为能源－经济。

2019年黄河流域九省（区）能源与环境耦合协调等级见图3。由图3可见，黄河流域能源与环境整体耦合协调等级较低，陕西、甘肃、四川和青海耦合协调等级均处于失调等级。大多数省（区）的耦合协调等级与能源－生态相比差1～2个。

图3 2019年黄河流域九省（区）能源与环境耦合协调等级

2019年黄河流域九省（区）能源与经济耦合协调等级见图4。由图4可见，黄河流域整体能源与经济耦合协调等级较高，宁夏与陕西耦合协调等级较低，河南处于良好协调等级，其他省（区）均为优质协调等级。宁夏与陕西处于黄土高原地带，经济发展相对缓慢，应当注重能源与经济制约、发展的关系，增强能源对于经济的促进作用。2019年河南耦合协调等级未达到优质协调的原因是该年能源消费弹性指数与2011—2018年相比出现较大涨幅，这反映出河南经济结构的不合理性：经济增长过度依赖能源消费。2019年河南第二产业比重与2014—2018年相比也有较大涨幅，二者共同导致2019年河南工业固体废弃物产生量增加、工业废气废水排放量增加、工业污染治理所需投资增加，对能源－经济耦合协调度产生负面影响。

图4 2019年黄河流域九省（区）能源与经济耦合协调等级

2019年黄河流域九省（区）能源与生态耦合协调等级见图5。由图5可见，黄河流域能源与生态整体耦合协调较好，上游省份较好，中游省份较差，下游省份中河南属于优质协调等级，而山东处于初级协调等级。山东耦合协调情况较差的主要原因在于其高耗水行业占比大、工业用水量逐年增加、非常规水利用率低，导致山东人均水资源量出现较大跌幅，对能源－生态耦合协调等级产生负面影响。

图5 2019年黄河流域九省（区）能源与生态耦合协调等级

4.3 四元系统耦合复合协调度分析——时间维度

2004—2019年黄河流域能源与环境－经济－生态耦合复合协调度发展情况见图6。由图6可见，能源与环境－经济－生态耦合复合协调度整体呈增长趋势，2004—2008年耦合复合协调度增速较缓；2008—2009年耦合复合协调度增速最快，耦合协调等级从轻度失调至初级协调，2009年后耦合复合协调度呈现波动上涨趋势，2018年耦合复合协调度最高，达到优质协调等级。前期，高质量发展理念还未得到重视，能源、环境、经济和生态各项发展度均较低；中期流域大力发展经济，四元系统各项发展度同步提升，能源需求量仍较小，能源对于环境－经济－生态发展的制约还不明显。近年来，流域经济粗放式的发展，能源需求量激增，相互制约关系日趋明显，流域脆弱的生态系统无法支撑能源继续粗放式的开采利用，环境压力过大，导致环境与生态子系统发展度下降，使得能源与环境－经济－生态耦合协调等级降低。

图6 2004—2019年黄河流域能源与环境－经济－生态耦合复合协调度发展情况

4.4 四元系统耦合协调度分析——空间维度

在空间维度演变中，2019年黄河流域九省（区）能源与环境－经济－生态的耦合协调等级见图7。青海、甘肃、四川、河南、山西和山东为优质协调，内蒙古为良好协调，宁夏和陕西为勉强协调，可见中游省（区）尚有较大提升空间，主要原因是其受我国的能源结构调整政策的影响，未能充分发挥其煤炭能源带来的经济优势。

图7 2019年黄河流域九省（区）能源与环境－经济－生态的耦合协调等级

黄河流域九省（区）按其地理位置分为上游（青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古）、中游（陕西和山西）、下游（河南和山东），将各区域耦合协调度值进行加权平均可得到上、中、下游的耦合协调度。2004—2017年黄河流域上、中、下游的耦合协调度变化情况见图8，从空间上来看，流域耦合协调度具有一定不平衡性，中、上游耦合协调度较高，下游耦合协调度最低；从时间上来看，流域耦合协调度具有一定阶段性，2011年作为分水岭，前期中游耦合协调度最高，且上、中、下游差异较大，后期下游耦合协调度提升较快，三者差异逐渐缩小。2009年之前，受西部大开发战略的影响，中、上游耦合协调度有较快的增长。2011年为“十二五”规划开局之年，规划实施以来，九省（区）实施产业改革、生态保护和优化发展等措施，中、下游省份的耦合协调度改善情况最为明显，呈现较快的增长趋势。综合来看，上、中、下游都呈增长趋势，三者耦合协调度差异逐步缩小。

图8 2004—2017年黄河流域上、中、下游能源－环境－经济－生态耦合协调度

5 结论与优先发展策略

（1）由综合发展度分析可知，黄河流域能源、环境、经济和生态单因素变化规律在时间上具有阶段性，2004—2011年为第一阶段，环境子系统发展度最高，同其余子系统差距较大；2011—2014年为第二阶段，各子系统间发展度差异不大；2014—2019年为第三阶段，经济子系统发展度最高，且同其他子系统存在明显差距。

（2）在时间维度演变中，二元系统耦合协调情况表明，能源－环境耦合协调水平与其余各项相比表现较差，其2019年耦合协调度仅为0.315；耦合复合协调度呈逐年上升趋势且升幅明显。在空间维度演变中，二元系统耦合协调情况表明，耦合协调等级从高到低依次为能源－经济、能源－生态和能源－环境，且能源－环境耦合等级总体较低。

（3）在时间维度演变中，从四元系统耦合协调时序发展状态来看，耦合协调度整体呈增长趋势，2004—2008年耦合协调度增速较缓，2008—2009年耦合协调度增速最快，2009年后耦合协调度总体呈现波动上涨趋势，2018年耦合协调度最高。在空间维度演变中，九省（区）的能源与环境－经济－生态、能源与环境、能源与经济以及能源与生态的耦合协调情况差异明显，中部部分省（区）尚有较大提升空间。黄河流域上、中、下游的耦合协调度表明，其在时空上具有显著的阶段性和不平衡性特征，中、上游耦合协调度较高，下游耦合协调度最低；2011年作为分水岭，前期中游耦合协调度最高，且上、中、下游差异较大，后期下游耦合协调度提升较快，三者差异逐渐缩小。

根据研究结果，提出如下黄河流域九省（区）优先发展策略：

（1）黄河流域经济粗放式发展导致环境子系统发展度不高，九省（区）要坚定高质量发展理念，推动产业绿色转型，鼓励第三产业和高新技术产业的发展，实施能源结构改革，降低煤炭消费量，提高天然气在能源消耗中的占比，同时推动新能源的研发与应用。

（2）九省（区）应当在保持经济平稳较快增长的同时，加快推动产业结构优化升级，实施蓝天、碧水、乡村清洁工程和城市河流清洁计划。在能源上实施以电代油、以电代煤，减少化石能源的消耗。积极引导流域内工商业、企事业单位和城乡居民实施电能替代，促进清洁电能消费。

（3）黄河流域地域辽阔，在自然条件、经济和社会发展等方面差异较大，且大部分位于青藏高原和黄土高原等生态环境脆弱的区域，要统筹兼顾黄河流域的国土空间格局和生态环境格局，同时根据九省（区）的不同情况进行主体功能区划研究，针对不同功能分区因地制宜、科学施策，差别化推进区域发展，提升环境治理能力。

（4）针对黄河流域发展不平衡问题，九省（区）应当从顶层设计上定好位、布好局，统筹谋划区域协调发展，完善流域内毗邻城市规划对接机制、共治机制和协同机制。