黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

李 波，嚴建飛

（1.太原工業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030008； 2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 442002）

1 引言

水資源與能源是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)資源［1-2］，隨著全球人口的增長和城市化進程的加快，資源短缺、環(huán)境惡化成為社會經(jīng)濟發(fā)展的主要約束［3］。 研究水資源、能源與環(huán)境在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，合理配置和利用資源以提高其使用效率并減少污染物排放量，是提高資源保障水平、推動資源與環(huán)境高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的必由之路［4-5］。 2019年9月18日，習(xí)近平總書記在鄭州主持召開黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會并將其上升為重大國家戰(zhàn)略，指出保護黃河關(guān)乎中華民族的偉大復(fù)興和永續(xù)發(fā)展［6］。在此背景下，科學(xué)評價黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系與發(fā)展趨勢，并探究其關(guān)系變化的原因，對于推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義［7］。

廖重斌［8］首先將物理學(xué)的耦合度概念引入到經(jīng)濟與環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的分析當(dāng)中，隨后眾多學(xué)者在不同的區(qū)域尺度上針對不同系統(tǒng)做了諸多研究。在城市尺度上：孫愛軍等［9］研究了中國不同城市用水技術(shù)效率與城市經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)度；陳曉等［10］、耿芳等［11］分別測算了南京市水資源與環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度；Xie 等［12］測算了無錫市1983—2013年的能源用水量。 在省（區(qū)）尺度上：周露明等［13］和汪振雙等［14］以山東省為研究對象，分別對其水資源-能源和能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進行了研究；李力等［15］、逯進等［16］對中國不同?。▍^(qū)）能源-經(jīng)濟-環(huán)境系統(tǒng)的耦合關(guān)系的動態(tài)演化特征進行了分析。 在其他區(qū)域尺度上：李強等［17］探討了長江經(jīng)濟帶經(jīng)濟與環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)情況；于洋等［18］研究了我國東部地區(qū)能源-經(jīng)濟-環(huán)境-科技四元系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展格局?？梢钥闯?，水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系是目前研究的熱點，但研究存在以下不足：一是對于能源-經(jīng)濟-環(huán)境系統(tǒng)和水-經(jīng)濟-環(huán)境系統(tǒng)的研究較多，而同時考慮水資源與能源兩種資源類型的水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展情況的研究比較少；二是受數(shù)據(jù)可獲得性的限制，研究對象往往針對單個?。▍^(qū)）或單個城市，而對較大流域的研究比較匱乏。

基于此，本文以黃河流域為例，通過構(gòu)建黃河流域水-能源-環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度模型，綜合分析2010—2019年該流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系及動態(tài)演變特征，探究水、能源、環(huán)境3 個子系統(tǒng)相互之間的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，從流域尺度探討水-能源-環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，以期為流域水、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南和山東9 個?。▍^(qū)），全長5464 km，流域面積79.5 萬km2。 截至2020年年底，流域總?cè)丝诩s1.6 億，地區(qū)生產(chǎn)總值25.4 萬億元。 黃河流域降水年際變化大、時空分布不均，多年平均降水量和人均水資源量均遠低于全國平均水平，黃河水量僅占全國河川徑流量的2%，但水資源開發(fā)利用率卻達到了80%，水資源供需矛盾十分突出。 黃河流域被稱為中國的能源流域，上游、中游和下游分別以水電、煤炭和石油資源為主［3］，流域內(nèi)的煤炭儲備量占全國總量的一半以上，在全國的地位極其重要。 黃河流域水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要來源于2010—2019年《黃河水資源公報》《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》及各?。▍^(qū)）統(tǒng)計年鑒等，個別缺失的數(shù)據(jù)通過線性內(nèi)插法補全。 對于沒有直接統(tǒng)計結(jié)果的數(shù)據(jù)，以黃河流域9 個?。▍^(qū)）數(shù)據(jù)加和作為最終結(jié)果。

2.3 研究方法

耦合是指多個對象（個體、系統(tǒng)或體系）通過不同形式的相互作用而互相影響的現(xiàn)象，可用耦合度來表征。 耦合協(xié)調(diào)是指不同對象相互之間的良性關(guān)聯(lián)關(guān)系，可用耦合協(xié)調(diào)度來表征。

2.3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

按照系統(tǒng)性、獨立性、代表性、可比較性和可獲取性等原則，從水資源、能源和環(huán)境3 個子系統(tǒng)中共選取23 個指標(biāo)，分為總量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)3 類（見表1），以全面反映水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平。

表1 黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)評價指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

2.3.2 數(shù)據(jù)無量綱處理

根據(jù)指標(biāo)屬性的不同，將其分為正向指標(biāo)和負向指標(biāo)，正向指標(biāo)數(shù)值越大越好，負向指標(biāo)數(shù)值越小越好。 為便于比較，先對不同指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理，計算公式為

式中：Xij、X′ij分別為第i年第j項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)值和無量綱處理后的值；maxXj、minXj分別為第j項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)最大值和最小值。

2.3.3 指標(biāo)權(quán)重計算

采用熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重，具體步驟如下。

（1）將各指標(biāo)同度量化：

式中：Zij為第i年第j項指標(biāo)的比重；n為統(tǒng)計年數(shù)。

（2）計算各指標(biāo)的信息熵：

式中：gj為信息熵，gj∈［0，1］ ，當(dāng)Zij =0 時，gj =0。（3）計算各指標(biāo)的差異性系數(shù)yj：

（4）計算各指標(biāo)的權(quán)重tj：

式中：m為某個子系統(tǒng)的指標(biāo)數(shù)量。

權(quán)重計算結(jié)果見表1。

2.3.4 綜合評價指數(shù)計算

通過計算各子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，測度各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平，計算公式為

式中：W（xi）、E（yi）、H（qi） 分別為第i年水、能源和環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)，指數(shù)越大表示對應(yīng)子系統(tǒng)發(fā)展水平越高；X′ij、Y′ij、Q′ij分別為水、能源和環(huán)境子系統(tǒng)第i年第j項指標(biāo)無量綱處理后的值。

2.3.5 耦合度模型構(gòu)建

參考物理學(xué)容量耦合模型，構(gòu)建水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合度模型。 耦合度計算公式為

式中：Ci為耦合度，Ci∈［0，1］ 。

參考文獻［11］，將耦合度分為4 個等級：C∈［0，0.3］ 為低水平耦合；C∈（0.3，0.5］ 為拮抗；C∈（0.5，0.8］ 為磨合；C∈（0.8，1.0］ 為高水平耦合。

2.3.6 耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

耦合度可以反映各子系統(tǒng)之間的相互作用程度，卻很難反映它們相互作用協(xié)調(diào)水平的高低。 為評價各子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)程度，需構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型，耦合協(xié)調(diào)度計算公式為

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；S為水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)；α、β、ε分別為水、能源和環(huán)境子系統(tǒng)的重要程度系數(shù)，鑒于三者同等重要，取α=β=ε= 1／3。

參考文獻［11］，劃分水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)類型（見表2）。

表2 耦合協(xié)調(diào)類型判斷標(biāo)準

3 結(jié)果與分析

3.1 耦合度及耦合協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)式（6）～式（8）計算2010—2019年黃河流域水資源、能源和環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)W（x）、E（y）、H（q），以及水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)S、耦合度C和耦合協(xié)調(diào)度D，結(jié)果見表3。

表3 黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展類型

2010—2019年黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)及各 子系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)變化曲線見圖1?？梢钥闯?，水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)總體呈波動上升趨勢，從2010年的0.405 升至2019年的0.578。 水資源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)增幅最大，在2015年之前該指數(shù)存在一定波動，2015年降至最小值0.271，之后每年均以較大的幅度增長，2018年達到最大值0.751。 原因是2015年黃河流域降水總量從2010年的3811.27億m3下降至2015年的3255.35 億m3，同期人均水資源量從2440.90 m3下降至1922.53 m3；2015年之后這兩項指標(biāo)數(shù)據(jù)值均有較大上升，生態(tài)用水占比從2015年的3.5%增至2019年的7.3%；萬元GDP 用水量逐年下降，從2010年的104.71 m3降至2019年的51.78 m3（降幅50.55%），說明在實行最嚴格水資源管理制度后，黃河流域的用水效率得到有效提高。 能源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)略有上升，但總體變化幅度不大，原因是黃河流域作為國家重要的能源基地，能源資源稟賦良好，能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較穩(wěn)定。 環(huán)境子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)與水-能源-環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指數(shù)的變化趨勢較為相似，在2011年為最小值，之后呈波動上升趨勢。原因是2010—2019年黃河流域二氧化硫排放量降幅近80%，水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率增幅近35%，環(huán)境保護工作卓有成效。

圖1 黃河流域水資源、能源、環(huán)境子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)變化曲線

黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度變化曲線見圖2，可以看出，2010—2019年其耦合度每年均保持在0.95 以上，處于高水平耦合等級，說明水、能源、環(huán)境子系統(tǒng)之間的相互作用很強。 耦合協(xié)調(diào)度從2010年的0.628 波動上升至2019年的0.758，耦合協(xié)調(diào)類型從初級協(xié)調(diào)發(fā)展上升至中級協(xié)調(diào)發(fā)展，說明黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)在研究期間實現(xiàn)了良性耦合且向有序方向發(fā)展，但未達到良好協(xié)調(diào)發(fā)展或優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，說明耦合協(xié)調(diào)關(guān)系仍存在較大的上升空間。

圖2 黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合度及耦合協(xié)調(diào)度變化曲線

3.2 子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)分析

為進一步分析黃河流域水資源、能源、環(huán)境3 個子系統(tǒng)相互之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，引入各子系統(tǒng)間的對比系數(shù)，以反映兩個子系統(tǒng)間的相對發(fā)展情況。 對比系數(shù)計算公式為

式中：fWE為水資源與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)；fWH為水資源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)；fEH為能源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)。

參考文獻［13］，將對比系數(shù)按大小劃分為5 類：f ＜0.6 為極度受損型，0.6 ≤f ＜0.8 為比較受損型，0.8 ≤f ＜1.0 為比較短缺型，1.0 ≤f ＜1.5 為比較充足型，f≥1.5 為非常充足型。

根據(jù)式（11）～式（13）計算水資源、能源、環(huán)境子系統(tǒng)間的對比系數(shù)，結(jié)果見圖3。可以看出，水資源與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)在2015年之前波動變化、2015年之后逐年遞增，這與水資源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)的變化趨勢類似，說明水資源與能源子系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度以水資源子系統(tǒng)為主導(dǎo)。 水資源與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)在2010年和2015年分別為水資源比較受損型和水資源極度受損型，主要原因是黃河流域水資源子系統(tǒng)的發(fā)展比能源子系統(tǒng)的發(fā)展慢，水資源承載力難以滿足能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求；2019年上升為水資源非常充足型，說明2015年之后水資源子系統(tǒng)快速發(fā)展，能源用水效率得到較大提高。 水資源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)的變化趨勢與水資源與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)的類似，不同之處在于2011年水資源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)為比較充足型而水與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)為比較受損型。 2015年之前水資源子系統(tǒng)相對于環(huán)境子系統(tǒng)而言發(fā)展滯后，之后水資源子系統(tǒng)充分發(fā)展，水資源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)也得到明顯提升。 能源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)在2011年的計算值為1.821（非常充足型），2012年下降為0.988（比較短缺型），原因是2012年二氧化硫排放量和水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率比2011年有明顯提升，使得環(huán)境子系統(tǒng)有了比較大的發(fā)展，之后兩者發(fā)展?fàn)顩r相對穩(wěn)定，對比系數(shù)在0.861 ～1.185 之間。 在各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展上，水資源子系統(tǒng)往往起主導(dǎo)作用，而能源、環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展相對落后。 在加強能源、環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展的同時，要考慮3 個子系統(tǒng)相互依賴和相互制約的關(guān)系，滿足水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，而不能僅考慮其中的一兩個子系統(tǒng)，以避免子系統(tǒng)之間發(fā)展失衡。

圖3 黃河流域水資源、能源、環(huán)境各子系統(tǒng)對比系數(shù)

4 結(jié)語

（1）2010—2019年黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指數(shù)總體呈波動上升趨勢，水資源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)在2015年之前波動變化、之后逐年遞增，2017年之后大于能源和環(huán)境子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)。能源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)變化幅度不大且2018—2019年在3 個子系統(tǒng)中最小，可通過發(fā)展可再生清潔能源、進行技術(shù)革新提高能源利用效率等方式提升其發(fā)展水平。

（2）2010—2019年黃河流域水、能源、環(huán)境子系統(tǒng)耦合度均在0.95 以上，表明3 個子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)程度很高。 水-能源-環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度在波動中上升，經(jīng)歷初級協(xié)調(diào)和中級協(xié)調(diào)兩個階段并有向良好協(xié)調(diào)類型演進的趨勢，但耦合協(xié)調(diào)度最大值仍小于0.8，尚未達到良好協(xié)調(diào)狀態(tài)，仍存在較大的上升空間。

（3）水資源與能源子系統(tǒng)對比系數(shù)和水資源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)變化趨勢類似，均在2015年之前波動變化，之后逐年遞增，水資源子系統(tǒng)起到主導(dǎo)作用。能源與環(huán)境子系統(tǒng)對比系數(shù)因環(huán)境子系統(tǒng)在2011年大幅上升外，其余時間保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（4）建議加強水資源、能源和環(huán)境部門間的合作，積極探索新機制和新技術(shù)，提高資源管理水平和水資源利用效率，減少污染物排放量，以統(tǒng)籌處理好水資源、能源和環(huán)境子系統(tǒng)之間的關(guān)系，實現(xiàn)水資源、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。