張 莉 ， 邱士可 ， 閆麗潔 ， 杜 軍 ， 申泓彥 ， 張若祎

(1.河南省科學院 地理研究所，鄭州 450052； 2.聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術中心鄭州分中心，鄭州 450052； 3.河南省科學院，鄭州 450007； 4.鄭州大學 地球科學與技術學院，鄭州 450001)

0 引言

在全力推進生態(tài)文明建設的背景下，長江經(jīng)濟帶發(fā)展、黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，流域在國家或地區(qū)發(fā)展中發(fā)揮著重要的支撐作用，是國家治理的重要空間場域，同時流域經(jīng)濟綜合發(fā)展逐漸成為區(qū)域高水平治理的重要抓手之一。流域是一個復合生態(tài)系統(tǒng)，是以河流為中心、由分水線所包圍的河流集水區(qū)[1]，包含河流內(nèi)全部生態(tài)要素及其沿岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他各類生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。在人類經(jīng)濟社會活動長期影響下，流域已發(fā)展成為一個復雜的自然經(jīng)濟綜合系統(tǒng)，自然過程與經(jīng)濟過程相互聯(lián)結、互相影響。流域經(jīng)濟就是以河流為紐帶和中軸、以水資源為主的資源綜合開發(fā)利用的特殊類型區(qū)域經(jīng)濟[3]。正是由于流域具有系統(tǒng)性的空間復合聯(lián)系，人類必須要考慮到在流域內(nèi)活動給流域帶來的各種影響和后果[4]。

國外對流域進行治理和相關規(guī)劃從19世紀70年代開始，早期流域治理聚焦防洪安全、航道改善、農(nóng)田灌溉和水力發(fā)電等方面[5-6]；20世紀50年代，開始關注水生態(tài)和水環(huán)境保護問題；20世紀90年代，強調(diào)對流域進行綜合規(guī)劃，開始關注流域與生態(tài)、經(jīng)濟和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展[7-9]?？梢钥闯?，國外流域規(guī)劃和管理從針對某一問題的單一目標管理逐漸轉化為多目標全面管理。新中國成立后，我國建立了水資源高度集中管理與分級分部門的水管理體制，設置了七大江河流域管理機構，流域管理也從以防洪減災為重點逐步向綜合治理開發(fā)發(fā)展。水資源是流域經(jīng)濟的核心要素和人類生產(chǎn)生活不可缺少的自然資源，學者們對水資源利用開展了大量研究，主要集中在水資源承載力評價[10-11]、水資源利用效率評估[12-13]、水資源優(yōu)化配置[14-15]、水資源安全預警[16-17]、水資源可持續(xù)利用[18-19]等方面。對水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展相互關系的研究多集中于對某一流域的分析[20-23]，以及水資源利用對經(jīng)濟增長[24]、城鎮(zhèn)化[25-26]、產(chǎn)業(yè)結構[27-28]、糧食安全[29-30]等重點問題的探討，而從流域視角以整體性、綜合性、系統(tǒng)性開展區(qū)域水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展的協(xié)調(diào)性分析以及不同流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)差異化研究尚不多見。

我國水資源供求矛盾突出，部分地區(qū)缺水嚴重，資源短缺與浪費并存，制約著國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。新時期要堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)，把水資源作為最大的剛性約束，合理規(guī)劃人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，圍繞水資源這一核心和關鍵要素開展水資源與經(jīng)濟社會發(fā)展的互動耦合研究成為當今流域經(jīng)濟發(fā)展研究的重要方向。

河南省地處中原，跨海河、黃河、淮河、長江四大流域。近年來，隨著全省經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量及生活用水量急劇增加，河流水體的污染也越來越嚴重，水資源逐漸成為制約全省發(fā)展的重要因素之一，并且省域內(nèi)不同流域在區(qū)域發(fā)展、生態(tài)保護和資源開發(fā)利用方面具有明顯的差異性。因此，新時期全面貫徹落實“四水四定”，以水資源為切入點對全省不同流域在水資源開發(fā)利用方面的差異開展系統(tǒng)性、整體性和協(xié)同性的評價，對各流域水資源利用和經(jīng)濟社會高質量發(fā)展耦合協(xié)調(diào)過程、影響因素和空間分異規(guī)律進行分析，精準識別經(jīng)濟社會發(fā)展和水資源利用之間的矛盾焦點和存在問題，本著流域差異化分區(qū)施策原則，精準提出各流域發(fā)展模式、發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展路徑，對全省經(jīng)濟社會的高質量發(fā)展和流域安全有著重要的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

參考《河南省黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃》《河南省貫徹落實淮河生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃實施方案》，以地表集水區(qū)范圍為主、兼顧行政區(qū)劃完整性，界定河南省四大流域范圍(圖1)。黃河流域包括黃河干流流經(jīng)的三門峽、洛陽、濟源、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、濮陽八市，面積5.80萬km2，占全省面積的34.89%；淮河流域包括信陽、駐馬店、周口、漯河、商丘、平頂山、許昌七市，面積7.21萬km2，占全省的43.39%；海河流域包括安陽、鶴壁兩市，面積0.96萬km2，占全省的5.77%；長江流域包括南陽市，面積2.65萬km2，占全省的15.95%。

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

1.2 構建評價系統(tǒng)

基于水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展兩大系統(tǒng)交互作用的機理和數(shù)據(jù)可獲得性原則，從水資源條件、水資源開發(fā)程度、水環(huán)境3個維度選取9個指標構建水資源利用評價系統(tǒng)，從經(jīng)濟規(guī)?？偭?、結構特征、質量水平、效益水平4個維度選取7個指標構建經(jīng)濟社會發(fā)展評價系統(tǒng)，并采用客觀賦權法中的熵值法確定指標權重(表1)。

表1 水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展評價指標體系

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

經(jīng)濟、人口等數(shù)據(jù)來源于2001—2021年《河南統(tǒng)計年鑒》和2000—2020年各地市有關統(tǒng)計公報等；水資源數(shù)據(jù)來源于2000—2020年河南省水資源公報。評價指標存在量綱和數(shù)量級差異，且不同指標正負取向不同。為了消除上述影響，采用極差標準化對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。正向屬性數(shù)值越高越好，進行正向計算處理；逆向屬性數(shù)值越低越好，進行逆向計算處理。

1.4 研究方法

1.4.1綜合指數(shù)及相對發(fā)展度。通過求取的權重，采用綜合指數(shù)法把每個指標的作用分層進行疊加，分別建立水資源利用及經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價模型。通過對2000—2020年水資源利用及經(jīng)濟社會發(fā)展水平進行評價，發(fā)現(xiàn)同一年份不同區(qū)域的兩大系統(tǒng)間的差異及不同年份兩大系統(tǒng)的時空演化特征。根據(jù)水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展綜合評價指標之間的關系，確定兩者之間相對發(fā)展度，揭示兩大系統(tǒng)之間交互作用的機理[31]。公式為：

式中：Fj(k)為k流域j系統(tǒng)的評價指數(shù)，其中j=1，2，分別為水資源利用系統(tǒng)和經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)；Wij為j系統(tǒng)第i個指標的權重；Sij(k)為k流域j系統(tǒng)相應城市的第i個指標分值；F(k)為k流域的相對發(fā)展度。

1.4.2耦合協(xié)調(diào)度模型構建。耦合度反映系統(tǒng)由無序向有序發(fā)展的規(guī)律，但耦合度不能完全反映兩個系統(tǒng)之間協(xié)同發(fā)展的程度；耦合協(xié)調(diào)度是指兩系統(tǒng)之間相互作用的良性耦合程度，可以表征各系統(tǒng)之間是在高水平上相互促進還是在低水平上相互制約[23]。耦合度及耦合協(xié)調(diào)度模型表示為：

T=α1U1+α2U2+…+αzUz;

式中：C表示水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展水平之間的耦合度，取值范圍為0～1，C越接近于1說明耦合狀況越好；z為系統(tǒng)個數(shù)；U為每個系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，取值在0～1；T為水資源利用和經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的綜合評價指數(shù)，反映區(qū)域水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展水平整體效益；α表示每個系統(tǒng)的權重；D為耦合協(xié)調(diào)度。

1.4.3GM(1,1)灰色預測模型。GM(1,1)模型是對原始數(shù)據(jù)系列進行一階累加，建立一階線性微分方程模型，求得擬合曲線，從而對系統(tǒng)進行預測[32]。本研究采用GM(1,1)模型對2022—2035年河南省四大流域水資源利用與經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度進行預測。

2 結果與分析

2.1 水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展水平綜合評價

2000—2020年河南省四大流域經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)均呈不斷上升趨勢，但經(jīng)濟社會發(fā)展水平差異較大(圖2)。2020年，黃河流域經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)(0.943)遠高于淮河流域(0.669)、海河流域(0.499)和長江流域(0.419)。同時，經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)的年均值由大到小依次為黃河流域(0.531)、淮河流域(0.357)、海河流域(0.282)、長江流域(0.216)，相差較大，尤其是在2012年后，黃河流域的經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)增幅較大，其他3個流域和黃河流域經(jīng)濟社會發(fā)展的差距越來越大。黃河流域作為全省人口活動和經(jīng)濟發(fā)展的重要區(qū)域，經(jīng)濟規(guī)?？偭?、發(fā)展水平和發(fā)展速度較高，2020年以全省1/3的國土面積創(chuàng)造了全省一半以上的地區(qū)生產(chǎn)總值，人均GDP高于全省平均水平約1/4，經(jīng)濟、人口和產(chǎn)業(yè)集聚效應十分明顯?；春恿饔蚝烷L江流域作為全省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的主體區(qū)域，經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結構層次和城鎮(zhèn)化水平較低，如2020年第一產(chǎn)業(yè)占比淮河流域高于全省4.3百分點，長江流域高于全省6.9百分點；城鎮(zhèn)化率淮河流域低于全省8.0百分點，長江流域低于全省4.8百分點。海河流域工業(yè)基礎較好，但經(jīng)濟體量較小，2020年GDP占全省的6.0%，人均GDP為全省平均水平的84.2%，第三產(chǎn)業(yè)占比低于全省6.0百分點，經(jīng)濟效益水平和經(jīng)濟發(fā)展質量有待提高。

圖2 2000—2020年河南省四大流域經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)

2000—2020年四大流域水資源利用指數(shù)呈波動變化，且差異逐漸縮小(圖3)。2000—2020年淮河流域和長江流域水資源利用指數(shù)呈下降趨勢，其中長江流域水資源利用指數(shù)波動幅度最大；海河流域和黃河流域水資源利用指數(shù)呈上升趨勢，四大流域水資源利用指數(shù)的差異逐漸縮小。至2020年，淮河流域水資源利用指數(shù)(0.628)最高，高于長江流域(0.503)、海河流域(0.450)和黃河流域(0.443)?；春恿饔蚝烷L江流域水資源條件和水資源的利用情況較好，人均水資源占有量均高于全省平均水平，分別為全省平均水平的1.5倍和1.4倍。海河流域整體水資源總量少，人均水資源占有量僅為全省平均水平的1/3，同時，該流域老工業(yè)基地較多，人口密度大，地下水漏斗、水生態(tài)環(huán)境問題較為嚴重，水資源利用指數(shù)整體低于淮河流域和長江流域。黃河流域的水資源利用指數(shù)最低，該流域水資源總量僅占全省的17.5%，人均水資源占有量不到全省平均水平的一半，水資源開發(fā)利用率高，出現(xiàn)較為嚴重的水資源短缺現(xiàn)象，同時，水環(huán)境水生態(tài)問題也較為突出。

圖3 2000—2020年河南省四大流域水資源利用指數(shù)

2.2 水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展交互機理分析

四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展相互作用呈現(xiàn)明顯差異。根據(jù)四大流域兩大系統(tǒng)之間的相對發(fā)展度(F值)變化趨勢(表2)，劃分以下類型：F>1.2屬于經(jīng)濟社會發(fā)展滯后型，0.8≤F≤1.2屬于水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展同步型，F(xiàn)<0.8屬于水資源利用滯后型。2000—2020年黃河流域兩大系統(tǒng)交互作用呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會發(fā)展滯后→水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展同步→水資源利用滯后的特征。2008年前，水資源利用指數(shù)大于經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)，相對發(fā)展度大于1.2，說明該流域經(jīng)濟社會發(fā)展水平較低，水資源利用有較大潛力；2008—2010年，水資源利用和經(jīng)濟社會同步發(fā)展；2010年后，隨著黃河流域經(jīng)濟社會快速發(fā)展，相對發(fā)展度越來越低，表明水資源利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的剛性制約越來越顯著。淮河流域呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會發(fā)展滯后→水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展同步的特征。2014年前，水資源利用指數(shù)一直高于經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)，二者的相對發(fā)展度大于1.2，說明該流域經(jīng)濟社會發(fā)展水平滯后于水資源利用；2014年以來，相對發(fā)展度值0.8～1.2，水資源利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐作用越來越強，二者呈現(xiàn)出同步發(fā)展的特征。海河流域呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會發(fā)展滯后型與水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展同步型互相波動的特征。水資源利用指數(shù)和經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)的差值最小，該流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展一直處于高度磨合狀態(tài)。長江流域呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會發(fā)展滯后型的特征。水資源利用指數(shù)一直大于經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)，相對發(fā)展度均大于1.2，但二者的差值逐漸減小，表明長江流域水資源條件較好，經(jīng)濟社會發(fā)展尚有較大潛力，水資源利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐作用越來越大。

表2 2000—2020年四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展相對發(fā)展度

2.3 耦合協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)河南省水資源開發(fā)利用與經(jīng)濟社會發(fā)展的耦合特征，將耦合協(xié)調(diào)度分為5個階段(表3)。

表3 水資源利用與經(jīng)濟社會耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價標準Tab.3 Evaluation criteria for coupled and coordinated development of water resources utilization and economy and society in river basins

2000—2020年，黃河流域耦合協(xié)調(diào)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，長江流域由0.276增加到0.479(圖4)，四大流域水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度均呈波動上升趨勢，耦合協(xié)調(diào)水平向良性發(fā)展。值得關注的是，四大流域耦合協(xié)調(diào)度均在2012年呈現(xiàn)出明顯的拐點，在2012年后基本呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢。原因主要是：2012年之前，河南省經(jīng)濟增長方式較為粗放，水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展在低水平上相互制約；黨的十八大以來，全省注重轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，更加注重節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以及水資源的節(jié)約高效利用，各流域水資源保障能力得到提升，水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展呈現(xiàn)良性協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢。

圖4 2000—2020年河南四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度對比

2.4 耦合協(xié)調(diào)度預測

基于灰色GM(1,1)預測模型，對2022—2035年四大流域水資源利用與經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度進行預測(圖5)。預測結果顯示，至2035年四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度將延續(xù)2000—2020年的發(fā)展趨勢，仍保持增長狀態(tài)，黃河流域、淮河流域2022年耦合協(xié)調(diào)度率先提高到0.60以上，進入低水平的耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，海河流域和長江流域分別預計在2026年和2028年耦合協(xié)調(diào)度達到0.60以上。至2035年，黃河流域、淮河流域和海河流域的耦合協(xié)調(diào)度均將升至0.80以上，水資源利用系統(tǒng)和經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)達到高水平耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，長江流域耦合協(xié)調(diào)度達到0.76，也接近良好協(xié)調(diào)水平。因此，未來河南省四大流域水資源利用系統(tǒng)和經(jīng)濟社會發(fā)展系統(tǒng)繼續(xù)向著協(xié)調(diào)有序的方向前進，但達到高水平耦合協(xié)調(diào)仍需較長時間，同時，流域間兩大系統(tǒng)相互作用的差異仍將存在。

圖5 河南省四大流域水資源利用與經(jīng)濟社會發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展預測

3 結論與建議

3.1 結論

(1) 2000—2020年河南省內(nèi)黃河流域、淮河流域、海河流域和長江流域四大流域經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)均呈不斷上升趨勢，但發(fā)展水平差異較大，尤其是在2012年后，黃河流域和其他3個流域經(jīng)濟社會發(fā)展的差距越來越大；四大流域水資源利用效率差異逐漸減小，呈波動變化趨勢，其中淮河流域和長江流域水資源條件及利用情況較好，而海河流域整體水資源總量少，水生態(tài)環(huán)境問題較為嚴重，黃河流域的水資源利用指數(shù)最低，水資源短缺問題較為嚴重。

(2) 四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展相互作用呈現(xiàn)明顯差異。黃河流域隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，水資源利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的剛性制約作用越來越顯著；淮河流域在2012年前經(jīng)濟社會發(fā)展水平滯后于水資源利用，2012年之后水資源利用對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐作用越來越強；海河流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展相互作用一直處于高度磨合狀態(tài)；長江流域呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會發(fā)展滯后型的特征，水資源條件較好，經(jīng)濟社會發(fā)展尚有較大潛力。

(3) 2000—2020年四大流域水資源利用和經(jīng)濟社會發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度均呈波動上升趨勢，耦合協(xié)調(diào)水平向良性發(fā)展，但耦合協(xié)調(diào)度均在2012年呈現(xiàn)出明顯的拐點。至2035年兩大系統(tǒng)繼續(xù)向著協(xié)調(diào)有序的方向前進，但達到優(yōu)質協(xié)調(diào)仍需較長時間，同時，流域間兩大系統(tǒng)相互作用的差異仍將存在。

3.2 建議

為了實現(xiàn)流域經(jīng)濟社會高質量發(fā)展與水資源高效利用、水環(huán)境有效治理的協(xié)同發(fā)展，以流域視角科學謀劃和審視全省區(qū)域發(fā)展布局，并從各流域實際出發(fā)，因地制宜，形成富有流域特色的高質量發(fā)展路徑極為迫切。黃河流域要重點解決水資源短缺問題，把水資源作為最大的剛性約束，提高水資源承載能力和水環(huán)境質量，大力發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)、節(jié)水技術，促進水環(huán)境與社會經(jīng)濟之間的正向交互作用；淮河流域要重點解決水資源的高效利用問題，推進農(nóng)業(yè)灌溉體系現(xiàn)代化改造，提升水資源配置效率，優(yōu)化水資源配置格局，實現(xiàn)用水方式由粗放低效向節(jié)約集約的根本轉變；海河流域要重點解決水環(huán)境污染治理問題，加快老工業(yè)基地轉型升級，推動清潔生產(chǎn)，推進能源、化工、建材等高耗水產(chǎn)業(yè)節(jié)水增效工作；長江流域要重點解決經(jīng)濟發(fā)展不充分和水資源的利用低效等問題，強化水支撐作用，加快河南省副中心城市建設，實現(xiàn)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結構高級化與合理化。