黃河流域“水資源生態保護高質量發展”空間均衡性診斷

陳艷萍,蔣倩倩,劉晶婕

(1.河海大學商學院,江蘇 南京 211100; 2.河海大學規劃與決策研究所,江蘇 南京 211100)

隨著我國經濟社會的發展,水資源供需矛盾日益突出,水資源與經濟要素之間不適配仍是我國基本水情。2014年,習近平總書記提出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”十六字治水方針,其中,“空間均衡”是破解水資源空間分布與經濟社會發展需求不適配的關鍵方針。黃河流域尺度大、空間廣,各省區水資源時空分布不均現象尤其突出,導致區域發展不平衡矛盾日益凸顯。隨著黃河流域生態保護和高質量發展上升為國家戰略,開展水資源子系統、生態環境子系統和經濟社會子系統三者之間的空間均衡性研究對于促進黃河流域空間均衡發展具有重要意義。

近年來,國內外學者從不同角度研究了環境與經濟[1-4]、資源與經濟[5-7]、環境與資源[8-10]以及資源、環境和經濟[11-13]之間的作用機制,通過評估相互之間的協調發展程度來判斷區域可持續發展狀態和趨勢。隨著水資源空間均衡概念[14]的提出,水資源-生態環境-經濟社會復合系統成為研究熱點。國外主要從水資源與經濟社會發展的均衡角度進行研究,如Gunasekara等[15]采用基尼系數分析國際水資源分配不平衡情況;Padilla等[16]基于泰爾指數研究了水資源不平等的關系;Nasiri-Gheidari 等[17]提出了不確定性條件下水資源配置中經濟與環境間平衡問題的多目標決策方法。國內關于水資源空間均衡的研究主要集中于以下兩方面:一是水資源與單因素的兩兩匹配[18-19];二是水資源與多要素耦合的水資源空間均衡系數,定量對水資源空間均衡狀態進行評價[20-21]。在評價方法上,主要采用基尼系數[22]、不平衡指數[23]、泰爾指數[24]、協調發展度[25]、聯系數[26]等方法,如王亞迪等[27]基于水土資源匹配基尼系數研究了河南省2000—2014年水土資源匹配均衡性;陳曉等[28]利用耦合協調度模型分析了南京市水資源與生態環境的耦合協調關系。從研究對象來看,當前主要是從全國或區域層面研究水資源與自然、社會經濟因素的均衡狀態,較少有學者對黃河流域水資源、生態環境、經濟社會三者之間的空間均衡關系進行研究;從研究視角來看,現有研究大多只注意到區域內部子系統之間的協調關系,鮮有學者對區域之間的均衡性進行評估分析。

本文在剖析黃河流域水資源、生態保護與高質量發展之間作用機理的基礎上,分兩個階段研究黃河流域“水資源-生態保護-高質量發展”的空間均衡性。第一階段為測算各省區內部3個子系統間的耦合協調發展水平;第二階段為測算省區之間水與經濟均衡、水與生態均衡、經濟與生態均衡三方面的空間均衡性。由于黃河流域空間廣,區域差異顯著,在測算省區之間的空間均衡性時如果按照同一標準測算所有省區間的均衡性勢必脫離實際,因此本文研究相鄰省區間子系統的均衡性,即當黃河流域所有相鄰省區均通過 3個子系統間的兩兩均衡性判別時認為整個黃河流域實現了水資源、生態保護、高質量發展三者之間的空間均衡發展。該方法既能使黃河流域在整體上具有一定的空間均衡性,又保留了區域間的適度差異性。

1 “水資源-生態保護-高質量發展”作用機理

黃河流域涉及青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南及山東9個省區,地跨我國東、中、西三大地帶,是我國極為重要的經濟帶與文化帶。當前,黃河流域地表水資源開發利用率達到79.8%[29],嚴重超過了其自身承載能力,且復雜的地形和氣候使得黃河流域生態環境十分脆弱。流域內各地區的水資源稟賦和經濟發展狀況差異較大,水資源供需不平衡問題突出,實現水資源空間分布與經濟社會發展需求相適配成為黃河流域高質量發展亟須打破的瓶頸。

水資源是生態保護和高質量發展的基礎,生態保護是高質量發展的保障,高質量發展是生態保護的動力,三者相互聯系,共同影響著黃河流域的空間均衡發展。其中,高質量發展是經濟總量與規模增長到一定階段后經濟結構優化、新舊動能轉換、經濟社會協同發展、人民生活水平顯著提高的結果,是更高水平、更有效率、更加公平、更可持續的發展[30],其內涵包括經濟高質量發展和社會高質量發展,因此本文用“經濟社會系統”相關指標來表征高質量發展水平[31]?！八Y源-生態保護-高質量發展”三者之間的作用機理如圖1 所示。

圖1 “水資源-生態保護-高質量發展”作用機理

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

本文在遵循指標體系選取的科學性、層次性和可操作性等原則的前提下,根據黃河流域水資源、生態保護與高質量發展之間的作用機理,同時參考方傳棣等[32-33]的研究成果,分別從水資源系統、經濟社會系統和生態環境系統三方面構建黃河流域“水資源-生態保護-高質量發展”空間均衡性評價指標體系。其中,水資源稟賦和水資源開發狀態反映了水資源可承載水平,產業結構、經濟效益和社會進步體現了經濟和社會發展水平,生態環境稟賦、承受壓力和抗壓能力能夠全面反映生態保護水平,如圖2所示(括號中為指標權重)。

圖2 黃河流域“水資源-生態保護-高質量發展”空間均衡性評價指標體系

采用極差法對數據進行標準化處理[34]。為減少決策者賦權的主觀隨意性,使指標的賦權達到主觀與客觀的統一,采用主客觀綜合賦權法確定各指標權重。主觀賦權采用層次分析法,客觀賦權采用熵值法,具體計算方法可參考文獻[35-36],最終權重計算結果見圖2。數據來源于2021年中國統計年鑒及各省區統計年鑒、水資源公報、環境狀況公報等。

2.2 綜合評價模型構建

水資源可承載水平、經濟社會發展水平和生態保護水平分別由各系統內多個評價指標共同決定,在數據標準化處理的基礎上,綜合評價公式如下:

(1)

(2)

(3)

2.3 耦合度及耦合協調度模型

耦合指兩個或兩個以上的系統通過內部相互作用機制而彼此影響的現象。通過耦合度計算出的系統之間的耦合協調程度,能夠清晰地反映出系統之間相互作用、相互影響的協調程度,能夠判斷出系統之間是否和諧發展[37]。耦合度計算公式為

(4)

式中C為系統耦合度,表征系統之間的相互影響。C∈[0,1],C值越大,表明系統的耦合度越強。參考文獻[38],將耦合度C劃分為5個等級:C∈(0.8,1]為高度耦合;C∈(0.6,0.8]為良性耦合;C∈(0.5,0.6]為中度耦合;C∈(0.3,0.5]為阻抗耦合;C∈[0,0.3]為低度耦合。

耦合度函數能夠體現系統之間相互依賴的影響程度,但也存在缺陷,即當子系統的發展水平處于較低水平時,同樣出現較高的耦合性,即“偽耦合”,難以全面地反映系統間的整體功效與協調效應,不利于研究分析[39]?；诖?進一步引入耦合協調度公式:

(5)

式中:D為耦合協調度,反映水資源、經濟社會、生態環境3個子系統間的協調發展水平;T為3個子系統的綜合發展指數;a、b、c為待定系數,認為3個子系統處于同等重要水平,取a=1/3,b=1/3,c=1/3。參考張鳳太等[40]的研究成果對耦合協調度進行等級劃分,如表1所示。

表1 耦合協調度等級劃分

2.4 空間均衡性診斷模型

參考陳艷萍等[41]采用“區域對”進行和諧性診斷的方法,同時考慮到流域水資源空間均衡具有相對性,本文僅對黃河流域相鄰“省區對”(每兩個接壤省區為一個相鄰“省區對”)進行空間均衡性判別。為細化省區間水資源、生態環境與經濟社會3個子系統之間的均衡狀況,對每兩個子系統之間進行均衡診斷分析,即分別從水資源與經濟社會均衡、水資源與生態環境均衡、經濟社會與生態環境均衡三方面構建空間均衡性診斷模型。

a.水資源與經濟社會空間均衡診斷模型。當相鄰“省區對”中兩省區的水資源可承載水平與經濟社會發展水平相匹配在一定合理范圍內時,認為該“省區對”通過了水資源系統與經濟社會系統的均衡性判別。記“省區對”(s,t)的經濟社會發展水平比例系數為g(y,s)/g(y,t),其中s∈I,t∈I,則“省區對”(s,t)的水資源可承載水平比例系數f(x,s)/f(x,t)需滿足:

(6)

(7)

式中:ηmin、ηmax分別為下限系數和上限系數,可以依據流域和區域的特點來綜合確定;λ1為水資源系統與經濟社會系統的均衡性檢驗系數。當λ1在上下限內則認為通過了均衡性檢驗,即“省區對”(s,t)的水資源可承載水平與經濟社會發展水平是均衡的。

b.經濟社會與生態環境空間均衡診斷模型。當相鄰“省區對”中兩省區的經濟社會發展水平與生態保護水平相匹配在一定合理范圍內時,認為該“省區對”通過了經濟社會系統與生態環境系統的均衡性判別。記“省區對”(s,t)的生態保護水平比例系數為h(z,s)/h(z,t),則“省區對”(s,t)的經濟社會發展水平比例系數g(y,s)/g(y,t)需滿足:

(8)

(9)

式中λ2為經濟社會系統與生態環境系統的均衡性檢驗系數。當λ2在上下限內則認為通過了均衡性檢驗,即“省區對”(s,t)的經濟社會發展水平與生態保護水平是均衡的。

c.水資源與生態環境空間均衡診斷模型。當相鄰“省區對”中兩省區的水資源可承載水平與生態保護水平相匹配在一定合理范圍內時,認為該“省區對”通過了水資源系統與生態環境系統的均衡性判別。記“省區對”(s,t)的生態保護水平比例系數為h(z,s)/h(z,t),則“省區對”(s,t)的水資源可承載水平比例系數f(x,s)/f(x,t)需滿足:

(10)

(11)

式中λ3為水資源系統與生態環境系統的均衡性檢驗系數。當λ3在上下限內則認為通過了均衡性檢驗,即“省區對”(s,t)的水資源可承載水平與生態保護水平是均衡的。

當“省區對”(s,t)分別通過3個子系統間的兩兩均衡性判別,則認為其達到了一種均衡,而當黃河流域內任意相鄰“省區對”均達到該種均衡,則認為整個黃河流域實現了“水資源-生態保護-高質量發展”三者之間的空間均衡發展。

3 結果與分析

3.1 子系統發展水平分析

根據綜合評價模型分別計算出黃河流域9個省區各自的水資源可承載指數、經濟社會發展指數和生態環境指數,如表2所示。從表2看出,黃河流域水資源可承載水平總體表現為南高北低,與降水趨勢保持一致,其中寧夏水資源極其匱乏且用水效率低,導致其水資源可承載指數處于極低水平。經濟社會發展水平總體呈現出上游低、中下游較高的分布形態,這是由于黃河流域人口空間分布重心偏東,且上游區域位于中國的西部地區,地形復雜多變,交通狀況不佳,遠離東部經濟發達地區的輻射圈,難以形成先進的生產力,導致其經濟社會發展水平與中下游相比差異較大。黃河流域的生態保護水平整體呈現出上游高、中下游低的空間格局特征,青海、四川、甘肅位于黃河上游地區,近年來持續的“退耕還林”“水土保持工程”“生態移民工程”等生態工程建設使得這3個省份的生態環境獲得了很大改善,擁有較高的生態保護水平。

表2 黃河流域各省區各子系統發展水平

3.2 耦合協調度評估

根據式(4)和式(5)計算出各省區內部3個子系統間的耦合度、綜合發展指數以及耦合協調度,如表3所示。由表3可知,除寧夏以外,其余省區3個子系統間的耦合度值均為0.90以上,耦合水平較高。就綜合發展指數而言,均位于0.30～0.70,各省區較為均衡。就協調發展水平而言,雖然山西省耦合度處于較高水平,但是其綜合發展水平較低,因此該省呈“偽耦合”狀態。較高的耦合度和綜合發展水平使得山東、內蒙古、四川、陜西、青海的耦合協調度均在0.70～0.80,呈中級協調發展狀態;河南和山西的耦合協調度在0.60～0.70,達到了初級協調發展狀態;甘肅的耦合協調度為0.58,處于勉強協調發展階段;而寧夏的耦合發展度為0.47,處于瀕臨失調衰退狀態,亟待調整優化。

表3 黃河流域各省區“水資源-生態保護-高質量發展”耦合協調水平

3.3 空間均衡性診斷

流域水資源空間均衡是一個相對的概念,相距太遠的地區在水資源、經濟社會、生態環境狀況方面存在顯著差異,導致水資源空間均衡存在空間異質性,因此本文僅對黃河流域內的相鄰省區進行兩兩判別,使黃河流域在整體上具有一定的空間均衡性的同時,保留地區間的適度差異性。當相鄰“省區對”中兩省區的水資源可承載指數與經濟社會發展指數、水資源可承載指數與生態環境指數、經濟社會發展指數與生態環境指數分別相匹配時,則認為該“省區對”通過了水資源空間均衡性判別。當流域中所有相鄰“省區對”均通過3個子系統間的兩兩均衡性判別,則認為流域實現了水資源、生態保護、高質量發展三者之間的空間均衡發展。

根據式(7)、式(9)和式(11),分別計算得到相鄰“省區對”每兩個子系統間的均衡性檢驗系數,計算結果如表4所示。借鑒吳丹等[42]研究成果并基于黃河流域特點及專家咨詢意見,取ηmin=0.6,ηmax=1.67。此外,為更加直觀地分析流域發展不均衡程度,將不均衡程度分為以下3個等級:當計算得到的均衡性檢驗系數在[0.5,0.6)或(1.67,2]時,判定為輕度失衡;當均衡性檢驗系數在[0.25,0.5)或(2,4]時,判定為中度失衡;當均衡性檢驗系數在(0,0.25)或(4,+∞)時,則判定為重度失衡。不同子系統間各相鄰“省區對”的失衡情況如表5所示。

表4 各相鄰“省區對”子系統間均衡性檢驗系數

表5 不同子系統間各相鄰“省區對”失衡程度定位

由表4可知,黃河流域的15個相鄰“省區對”中,只有5個相鄰“省區對”子系統間的發展是均衡的,而流域整體呈現發展極不均衡的狀態。3個子系統間的兩兩均衡性診斷情況如下:

a.水資源系統與經濟社會系統空間均衡性診斷。由表4和表5可知,在水資源系統與經濟社會系統空間均衡性診斷中,有7個“省區對”在水資源可承載水平與經濟社會發展水平的均衡性診斷中呈不均衡狀態。青海、四川和甘肅3個上游省份組成的“省區對”是均衡的,中下游陜西、山西、河南和山東4個省份組成的“省區對”也全部均衡,可見流域內部集結了兩個“小團體”,這兩個“小團體”內部水資源可承載水平和經濟社會發展水平是相當的。然而由于流域跨度較大以及極個別省區的特殊性,流域整體空間均衡狀況呈現較大的差異性。寧夏與甘肅、內蒙古和陜西形成的3個“省區對”處于重度失衡狀態,寧夏缺水嚴重制約了其水資源可承載水平。這意味著在水資源系統與經濟社會系統的空間均衡性診斷中,寧夏是最關鍵的制約區域。

b.經濟社會系統與生態環境系統空間均衡性診斷。由表4和表5可知,在經濟社會系統與生態環境系統空間均衡性診斷中,上游青海和四川組成的“省區對”處于均衡狀態,中下游陜西、山西、河南和山東組成的“省區對”也是均衡的?！笆^對”不均衡程度集中于輕度失衡和中度失衡。甘肅生態保護水平較高,但極低水平的經濟效益和社會發展使其與相鄰省區形成強烈反差,嚴重抑制了其與附近省區間的經濟社會與生態環境均衡性,以至于同接壤省區均不均衡。四川和陜西兩省組成的“省區對”也處于不均衡狀態,由數據追溯到四川較高的污水處理投資指數使其生態保護水平高于陜西,但其經濟社會發展水平遠低于陜西,導致其與陜西呈中度失衡狀態。

c.水資源系統與生態環境系統空間均衡性診斷。由表4和表5可知,在水資源系統與生態環境系統空間均衡性診斷中,共有5個“省區對”呈現不均衡。青海、四川和甘肅3個上游省份組成的“省區對”是均衡的,中下游陜西、山西、河南和山東 4個省份組成的“省區對”全部均衡。寧夏同相鄰 3個省區均呈重度失衡狀態,究其原因在于寧夏的水資源可承載水平與其他省區相差過大,水資源短缺抑制生態環境系統的良性循環。山西省水資源可承載水平高于內蒙古,但其嚴重的水體污染以及低水平的污水處理能力使其生態保護水平較低,導致山西和內蒙古在水資源與生態環境均衡性評估中呈輕度失衡狀態。

4 結論與建議

4.1 結論

a.黃河流域水資源可承載水平呈南高北低的分布形態,同降雨量分布總體保持一致;經濟社會發展水平上游低,中下游較高;生態保護水平西高東低,表明黃河流域仍面臨著水資源、經濟發展、生態環境水平不平衡的問題。青海、四川、甘肅等上游地區生態環境極其脆弱,但目前生態保護水平良好,這是多年來生態工程建設的成果,然而經濟社會發展水平卻很低。上游區域的經濟社會發展對水和生態的影響更明顯。

b.黃河流域絕大部分省區內部水資源、生態環境與經濟社會3個子系統已達到初級和中級協調發展階段,但在相鄰“省區對”3個子系統間的兩兩均衡性檢驗中發現,流域整體呈現發展極不均衡的狀態。位于黃河流域兩端的省區組成的相鄰“省區對”子系統間的發展是均衡的,呈現一定的聚類現象,但是由于上下游之間區位條件差異過大以及個別省區的特殊性,導致流域整體呈不均衡狀態。

c.寧夏、內蒙古和山西是水資源與經濟社會、水資源與生態環境發展不均衡的重要抑制性區域,甘肅嚴重影響了省區間經濟社會與生態環境發展的均衡性。寧夏、山西、甘肅和內蒙古這4個省區嚴重抑制了黃河流域的高質量空間均衡發展,需特別關注。

4.2 建議

a.黃河流域水資源分布不均,總體水資源開發利用率較高,而利用效率卻較低,部分省區如寧夏、內蒙古等面臨嚴重的水資源供需危機。各省區需堅持水資源空間均衡原則和“四水四定”方針,把水資源作為最大的剛性約束,合理規劃人口、城市和產業發展;統籌優化生產生活生態用水結構,深化用水制度改革,用市場手段倒逼水資源節約集約利用,推動用水方式由粗放低效向節約集約轉變。

b.準確把握上中下游的自然條件差異、經濟條件差異,分區分類推進保護和治理,因地施策促進特色產業發展,培育經濟增長極,打造開放通道樞紐,帶動全流域高質量發展。作為中國較早的農業經濟開發地區,黃河流域從上游的寧蒙河套平原、中游的汾渭盆地到下游的引黃灌區都是重要的農業生產基地,可根據當地生產要素稟賦,發展特色農業和高效節水農業等,推動現代化農業的快速發展。上游省區在重點保護生態環境的基礎上,可依托黃河文化、國家濕地、森林公園,大力發展特色旅游產業。中游內蒙古、山西等以能源、原材料為主的重工業發展省區,應推動資源依賴型企業的綠色化轉型,探索生態治理背景下的可持續發展道路。下游省區具備沿海優勢,可加強人才和先進技術設備引進,發展高新技術產業,充分發揮黃河流域龍頭省區的作用。

c.黃河流域陜西、甘肅、青海、寧夏、四川等地是“絲綢之路經濟帶”的重要省區,應借助“一帶一路”、西部大開發戰略、黃河流域生態保護和高質量發展重大戰略帶來的政策紅利疊加效應,抓住機遇,進一步加強區域聯動。同時發揮山東、內蒙古、陜西等經濟基礎較好省區的輻射能力,帶動甘肅等經濟社會發展水平較低的省區,解決區域內發展不平衡現象。

d.黃河流域兩端有局部聚類現象,但是東部和西部發展水平差異較大,東西部之間不能形成良好的聯動效應,需在形成城市群發展的基礎上破除跨區域的行政壁壘,加強省際聯系,共同保護和合理開發流域資源。