基于流域视角的河南省水资源利用与经济社会发展耦合协调分析

张 莉 ， 邱士可 ， 闫丽洁 ， 杜 军 ， 申泓彦 ， 张若祎

(1.河南省科学院 地理研究所，郑州 450052； 2.联合国教科文组织国际自然与文化遗产空间技术中心郑州分中心，郑州 450052； 3.河南省科学院，郑州 450007； 4.郑州大学 地球科学与技术学院，郑州 450001)

0 引言

在全力推进生态文明建设的背景下，长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略，流域在国家或地区发展中发挥着重要的支撑作用，是国家治理的重要空间场域，同时流域经济综合发展逐渐成为区域高水平治理的重要抓手之一。流域是一个复合生态系统，是以河流为中心、由分水线所包围的河流集水区[1]，包含河流内全部生态要素及其沿岸工业、农业和其他各类生产系统[2]。在人类经济社会活动长期影响下，流域已发展成为一个复杂的自然经济综合系统，自然过程与经济过程相互联结、互相影响。流域经济就是以河流为纽带和中轴、以水资源为主的资源综合开发利用的特殊类型区域经济[3]。正是由于流域具有系统性的空间复合联系，人类必须要考虑到在流域内活动给流域带来的各种影响和后果[4]。

国外对流域进行治理和相关规划从19世纪70年代开始，早期流域治理聚焦防洪安全、航道改善、农田灌溉和水力发电等方面[5-6]；20世纪50年代，开始关注水生态和水环境保护问题；20世纪90年代，强调对流域进行综合规划，开始关注流域与生态、经济和社会的协调发展[7-9]。可以看出，国外流域规划和管理从针对某一问题的单一目标管理逐渐转化为多目标全面管理。新中国成立后，我国建立了水资源高度集中管理与分级分部门的水管理体制，设置了七大江河流域管理机构，流域管理也从以防洪减灾为重点逐步向综合治理开发发展。水资源是流域经济的核心要素和人类生产生活不可缺少的自然资源，学者们对水资源利用开展了大量研究，主要集中在水资源承载力评价[10-11]、水资源利用效率评估[12-13]、水资源优化配置[14-15]、水资源安全预警[16-17]、水资源可持续利用[18-19]等方面。对水资源利用和经济社会发展相互关系的研究多集中于对某一流域的分析[20-23]，以及水资源利用对经济增长[24]、城镇化[25-26]、产业结构[27-28]、粮食安全[29-30]等重点问题的探讨，而从流域视角以整体性、综合性、系统性开展区域水资源利用与经济社会发展的协调性分析以及不同流域水资源利用和经济社会发展的耦合协调差异化研究尚不多见。

我国水资源供求矛盾突出，部分地区缺水严重，资源短缺与浪费并存，制约着国民经济的可持续发展。新时期要坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，把水资源作为最大的刚性约束，合理规划人口、城市和产业发展。因此，围绕水资源这一核心和关键要素开展水资源与经济社会发展的互动耦合研究成为当今流域经济发展研究的重要方向。

河南省地处中原，跨海河、黄河、淮河、长江四大流域。近年来，随着全省经济社会的迅速发展，工业用水量、农业用水量及生活用水量急剧增加，河流水体的污染也越来越严重，水资源逐渐成为制约全省发展的重要因素之一，并且省域内不同流域在区域发展、生态保护和资源开发利用方面具有明显的差异性。因此，新时期全面贯彻落实“四水四定”，以水资源为切入点对全省不同流域在水资源开发利用方面的差异开展系统性、整体性和协同性的评价，对各流域水资源利用和经济社会高质量发展耦合协调过程、影响因素和空间分异规律进行分析，精准识别经济社会发展和水资源利用之间的矛盾焦点和存在问题，本着流域差异化分区施策原则，精准提出各流域发展模式、发展战略和发展路径，对全省经济社会的高质量发展和流域安全有着重要的战略意义。

1 研究区域、数据来源与研究方法

1.1 研究区域

参考《河南省黄河流域生态保护和高质量发展规划》《河南省贯彻落实淮河生态经济带发展规划实施方案》，以地表集水区范围为主、兼顾行政区划完整性，界定河南省四大流域范围(图1)。黄河流域包括黄河干流流经的三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳八市，面积5.80万km2，占全省面积的34.89%；淮河流域包括信阳、驻马店、周口、漯河、商丘、平顶山、许昌七市，面积7.21万km2，占全省的43.39%；海河流域包括安阳、鹤壁两市，面积0.96万km2，占全省的5.77%；长江流域包括南阳市，面积2.65万km2，占全省的15.95%。

图1 河南省四大流域分布Fig.1 Distribution of four major basins in Henan Province

1.2 构建评价系统

基于水资源利用和经济社会发展两大系统交互作用的机理和数据可获得性原则，从水资源条件、水资源开发程度、水环境3个维度选取9个指标构建水资源利用评价系统，从经济规模总量、结构特征、质量水平、效益水平4个维度选取7个指标构建经济社会发展评价系统，并采用客观赋权法中的熵值法确定指标权重(表1)。

表1 水资源利用和经济社会发展评价指标体系

1.3 数据来源与处理

经济、人口等数据来源于2001—2021年《河南统计年鉴》和2000—2020年各地市有关统计公报等；水资源数据来源于2000—2020年河南省水资源公报。评价指标存在量纲和数量级差异，且不同指标正负取向不同。为了消除上述影响，采用极差标准化对原始数据进行归一化处理。正向属性数值越高越好，进行正向计算处理；逆向属性数值越低越好，进行逆向计算处理。

1.4 研究方法

1.4.1综合指数及相对发展度。通过求取的权重，采用综合指数法把每个指标的作用分层进行叠加，分别建立水资源利用及经济社会发展综合评价模型。通过对2000—2020年水资源利用及经济社会发展水平进行评价，发现同一年份不同区域的两大系统间的差异及不同年份两大系统的时空演化特征。根据水资源利用和经济社会发展综合评价指标之间的关系，确定两者之间相对发展度，揭示两大系统之间交互作用的机理[31]。公式为：

式中：Fj(k)为k流域j系统的评价指数，其中j=1，2，分别为水资源利用系统和经济社会发展系统；Wij为j系统第i个指标的权重；Sij(k)为k流域j系统相应城市的第i个指标分值；F(k)为k流域的相对发展度。

1.4.2耦合协调度模型构建。耦合度反映系统由无序向有序发展的规律，但耦合度不能完全反映两个系统之间协同发展的程度；耦合协调度是指两系统之间相互作用的良性耦合程度，可以表征各系统之间是在高水平上相互促进还是在低水平上相互制约[23]。耦合度及耦合协调度模型表示为：

T=α1U1+α2U2+…+αzUz;

式中：C表示水资源利用与经济社会发展水平之间的耦合度，取值范围为0～1，C越接近于1说明耦合状况越好；z为系统个数；U为每个系统的综合评价指数，取值在0～1；T为水资源利用和经济社会高质量发展的综合评价指数，反映区域水资源利用与经济社会发展水平整体效益；α表示每个系统的权重；D为耦合协调度。

1.4.3GM(1,1)灰色预测模型。GM(1,1)模型是对原始数据系列进行一阶累加，建立一阶线性微分方程模型，求得拟合曲线，从而对系统进行预测[32]。本研究采用GM(1,1)模型对2022—2035年河南省四大流域水资源利用与经济社会高质量发展的耦合协调度进行预测。

2 结果与分析

2.1 水资源利用与经济社会发展水平综合评价

2000—2020年河南省四大流域经济社会发展指数均呈不断上升趋势，但经济社会发展水平差异较大(图2)。2020年，黄河流域经济社会发展指数(0.943)远高于淮河流域(0.669)、海河流域(0.499)和长江流域(0.419)。同时，经济社会发展指数的年均值由大到小依次为黄河流域(0.531)、淮河流域(0.357)、海河流域(0.282)、长江流域(0.216)，相差较大，尤其是在2012年后，黄河流域的经济社会发展指数增幅较大，其他3个流域和黄河流域经济社会发展的差距越来越大。黄河流域作为全省人口活动和经济发展的重要区域，经济规模总量、发展水平和发展速度较高，2020年以全省1/3的国土面积创造了全省一半以上的地区生产总值，人均GDP高于全省平均水平约1/4，经济、人口和产业集聚效应十分明显。淮河流域和长江流域作为全省传统农业的主体区域，经济发展水平、产业结构层次和城镇化水平较低，如2020年第一产业占比淮河流域高于全省4.3百分点，长江流域高于全省6.9百分点；城镇化率淮河流域低于全省8.0百分点，长江流域低于全省4.8百分点。海河流域工业基础较好，但经济体量较小，2020年GDP占全省的6.0%，人均GDP为全省平均水平的84.2%，第三产业占比低于全省6.0百分点，经济效益水平和经济发展质量有待提高。

图2 2000—2020年河南省四大流域经济社会发展指数

2000—2020年四大流域水资源利用指数呈波动变化，且差异逐渐缩小(图3)。2000—2020年淮河流域和长江流域水资源利用指数呈下降趋势，其中长江流域水资源利用指数波动幅度最大；海河流域和黄河流域水资源利用指数呈上升趋势，四大流域水资源利用指数的差异逐渐缩小。至2020年，淮河流域水资源利用指数(0.628)最高，高于长江流域(0.503)、海河流域(0.450)和黄河流域(0.443)。淮河流域和长江流域水资源条件和水资源的利用情况较好，人均水资源占有量均高于全省平均水平，分别为全省平均水平的1.5倍和1.4倍。海河流域整体水资源总量少，人均水资源占有量仅为全省平均水平的1/3，同时，该流域老工业基地较多，人口密度大，地下水漏斗、水生态环境问题较为严重，水资源利用指数整体低于淮河流域和长江流域。黄河流域的水资源利用指数最低，该流域水资源总量仅占全省的17.5%，人均水资源占有量不到全省平均水平的一半，水资源开发利用率高，出现较为严重的水资源短缺现象，同时，水环境水生态问题也较为突出。

图3 2000—2020年河南省四大流域水资源利用指数

2.2 水资源利用和经济社会发展交互机理分析

四大流域水资源利用和经济社会发展相互作用呈现明显差异。根据四大流域两大系统之间的相对发展度(F值)变化趋势(表2)，划分以下类型：F>1.2属于经济社会发展滞后型，0.8≤F≤1.2属于水资源利用和经济社会发展同步型，F<0.8属于水资源利用滞后型。2000—2020年黄河流域两大系统交互作用呈现出经济社会发展滞后→水资源利用和经济社会发展同步→水资源利用滞后的特征。2008年前，水资源利用指数大于经济社会发展指数，相对发展度大于1.2，说明该流域经济社会发展水平较低，水资源利用有较大潜力；2008—2010年，水资源利用和经济社会同步发展；2010年后，随着黄河流域经济社会快速发展，相对发展度越来越低，表明水资源利用对经济社会发展的刚性制约越来越显著。淮河流域呈现出经济社会发展滞后→水资源利用和经济社会发展同步的特征。2014年前，水资源利用指数一直高于经济社会发展指数，二者的相对发展度大于1.2，说明该流域经济社会发展水平滞后于水资源利用；2014年以来，相对发展度值0.8～1.2，水资源利用对经济社会发展的支撑作用越来越强，二者呈现出同步发展的特征。海河流域呈现出经济社会发展滞后型与水资源利用和经济社会发展同步型互相波动的特征。水资源利用指数和经济社会发展指数的差值最小，该流域水资源利用和经济社会发展一直处于高度磨合状态。长江流域呈现出经济社会发展滞后型的特征。水资源利用指数一直大于经济社会发展指数，相对发展度均大于1.2，但二者的差值逐渐减小，表明长江流域水资源条件较好，经济社会发展尚有较大潜力，水资源利用对经济社会发展的支撑作用越来越大。

表2 2000—2020年四大流域水资源利用和经济社会发展相对发展度

2.3 耦合协调度分析

根据河南省水资源开发利用与经济社会发展的耦合特征，将耦合协调度分为5个阶段(表3)。

表3 水资源利用与经济社会耦合协调发展评价标准Tab.3 Evaluation criteria for coupled and coordinated development of water resources utilization and economy and society in river basins

2000—2020年，黄河流域耦合协调度由0.370增加到0.568，淮河流域由0.377增加到0.569，海河流域由0.287增加到0.487，长江流域由0.276增加到0.479(图4)，四大流域水资源利用与经济社会发展耦合协调度均呈波动上升趋势，耦合协调水平向良性发展。值得关注的是，四大流域耦合协调度均在2012年呈现出明显的拐点，在2012年后基本呈现不断增长的态势。原因主要是：2012年之前，河南省经济增长方式较为粗放，水资源利用和经济社会发展在低水平上相互制约；党的十八大以来，全省注重转变经济发展方式，更加注重节能环保等战略性新兴产业发展，以及水资源的节约高效利用，各流域水资源保障能力得到提升，水资源利用和经济社会发展呈现良性协调发展态势。

图4 2000—2020年河南四大流域水资源利用和经济社会发展耦合协调度对比

2.4 耦合协调度预测

基于灰色GM(1,1)预测模型，对2022—2035年四大流域水资源利用与经济社会高质量发展的耦合协调度进行预测(图5)。预测结果显示，至2035年四大流域水资源利用和经济社会发展的耦合协调度将延续2000—2020年的发展趋势，仍保持增长状态，黄河流域、淮河流域2022年耦合协调度率先提高到0.60以上，进入低水平的耦合协调状态，海河流域和长江流域分别预计在2026年和2028年耦合协调度达到0.60以上。至2035年，黄河流域、淮河流域和海河流域的耦合协调度均将升至0.80以上，水资源利用系统和经济社会发展系统达到高水平耦合协调状态，长江流域耦合协调度达到0.76，也接近良好协调水平。因此，未来河南省四大流域水资源利用系统和经济社会发展系统继续向着协调有序的方向前进，但达到高水平耦合协调仍需较长时间，同时，流域间两大系统相互作用的差异仍将存在。

图5 河南省四大流域水资源利用与经济社会发展耦合协调度发展预测

3 结论与建议

3.1 结论

(1) 2000—2020年河南省内黄河流域、淮河流域、海河流域和长江流域四大流域经济社会发展指数均呈不断上升趋势，但发展水平差异较大，尤其是在2012年后，黄河流域和其他3个流域经济社会发展的差距越来越大；四大流域水资源利用效率差异逐渐减小，呈波动变化趋势，其中淮河流域和长江流域水资源条件及利用情况较好，而海河流域整体水资源总量少，水生态环境问题较为严重，黄河流域的水资源利用指数最低，水资源短缺问题较为严重。

(2) 四大流域水资源利用和经济社会发展相互作用呈现明显差异。黄河流域随着经济社会快速发展，水资源利用对经济社会发展的刚性制约作用越来越显著；淮河流域在2012年前经济社会发展水平滞后于水资源利用，2012年之后水资源利用对经济社会发展的支撑作用越来越强；海河流域水资源利用和经济社会发展相互作用一直处于高度磨合状态；长江流域呈现出经济社会发展滞后型的特征，水资源条件较好，经济社会发展尚有较大潜力。

(3) 2000—2020年四大流域水资源利用和经济社会发展耦合协调度均呈波动上升趋势，耦合协调水平向良性发展，但耦合协调度均在2012年呈现出明显的拐点。至2035年两大系统继续向着协调有序的方向前进，但达到优质协调仍需较长时间，同时，流域间两大系统相互作用的差异仍将存在。

3.2 建议

为了实现流域经济社会高质量发展与水资源高效利用、水环境有效治理的协同发展，以流域视角科学谋划和审视全省区域发展布局，并从各流域实际出发，因地制宜，形成富有流域特色的高质量发展路径极为迫切。黄河流域要重点解决水资源短缺问题，把水资源作为最大的刚性约束，提高水资源承载能力和水环境质量，大力发展节水产业、节水技术，促进水环境与社会经济之间的正向交互作用；淮河流域要重点解决水资源的高效利用问题，推进农业灌溉体系现代化改造，提升水资源配置效率，优化水资源配置格局，实现用水方式由粗放低效向节约集约的根本转变；海河流域要重点解决水环境污染治理问题，加快老工业基地转型升级，推动清洁生产，推进能源、化工、建材等高耗水产业节水增效工作；长江流域要重点解决经济发展不充分和水资源的利用低效等问题，强化水支撑作用，加快河南省副中心城市建设，实现地区产业结构高级化与合理化。