王程琳

(遼寧省昌圖縣水利水電工程移民局，遼寧 昌圖 112599)

水資源的需求隨著高強(qiáng)度的土地開發(fā)利用、工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)而不斷增大，流域作為城鎮(zhèn)化建設(shè)的主要組成部分不僅涉及了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水資源系統(tǒng)等方面內(nèi)容，而且還應(yīng)考慮自然、生態(tài)、水環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[1]。而水源保護(hù)區(qū)作為人類社會(huì)活動(dòng)較為活躍和密集的區(qū)域，其水資源環(huán)境與城市發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系對(duì)于確保水資源環(huán)境質(zhì)量安全、促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。所以，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源環(huán)境的內(nèi)在關(guān)系如何進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)和識(shí)別十分必要，相關(guān)學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究和探討，如夏霆[2]等以鎮(zhèn)江市為例從城市發(fā)展的角度分析了水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)程度；楊麗花[3]等從流域單元的角度分析了松花江流域水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系；盧杰[4]等提出了太湖水庫水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在協(xié)調(diào)關(guān)系。資料顯示，目前水資源環(huán)境與社會(huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系研究主要集中在中小尺度流域，而以大尺度流域作為基本單元的研究相對(duì)較少。選取大尺度流域作為研究單位對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)更具有指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值，為了促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有必要對(duì)遼河水源保護(hù)區(qū)城市發(fā)展與水資源環(huán)境的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入的分析和探討[5]。本文以遼河流域水源保護(hù)區(qū)為例對(duì)其2005—2015年城市發(fā)展與水資源環(huán)境的內(nèi)在關(guān)系利用耦合模型進(jìn)行了分析和探討，以期為科學(xué)有效地解決該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾、促進(jìn)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供一定參考和依據(jù)[6]。

1 流域概況與研究方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域不僅是實(shí)現(xiàn)東北地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)的重要基礎(chǔ)，而且是遼寧省水生態(tài)、水質(zhì)量以及水平衡保護(hù)區(qū)域。遼河流域上游因其獨(dú)特的地理特征決定了該區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、水源涵養(yǎng)以及生態(tài)修復(fù)的核心區(qū)域，水源保護(hù)區(qū)的可持續(xù)性不僅是遼河流域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)而且是遼寧省整個(gè)區(qū)域賴以生存和發(fā)展的必要前提[7]。隨著東北地區(qū)振興規(guī)劃高度的上升以及遼河流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，不僅要促進(jìn)水源保護(hù)區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且要突出其生態(tài)環(huán)境保護(hù)的必要性，在生態(tài)環(huán)境建設(shè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中引入水資源環(huán)境與城市發(fā)展耦合的理論思想

不僅有助于內(nèi)化流域源頭生態(tài)系統(tǒng)的外部性，而且對(duì)其變化在時(shí)間序列上進(jìn)行客觀表征和反映有利于區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)劃。所以，在發(fā)展振興東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)以及遼河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)框架內(nèi)研究水資源環(huán)境與城市發(fā)展關(guān)系的演變規(guī)律具有重要意義[8]。

1.2 研究方法

耦合協(xié)調(diào)程度及其作用從協(xié)同學(xué)的角度上決定了系統(tǒng)由無序狀態(tài)走向有序狀態(tài)的變化趨勢(shì)，這種協(xié)同作用的度量可通過耦合度進(jìn)行表征和反映[9]。據(jù)此，對(duì)水資源環(huán)境質(zhì)量與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在關(guān)聯(lián)可利用耦合概念模型進(jìn)行探討，然而水資源生態(tài)環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在變化關(guān)系和系統(tǒng)特征根性質(zhì)受其穩(wěn)定性、非線性過程影響顯著。所以，一般可采用下述函數(shù)方程反映水資源環(huán)境與城市發(fā)展變化過程：

F(c)=∑ajxji=1，2，3，…，n

(1)

F(ω)=∑bjxjj=1，2，3，…，n

(2)

式中，F(xiàn)(c)、F(ω)—經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境系統(tǒng)；i，j—對(duì)應(yīng)于各自系統(tǒng)的元素；g，h—對(duì)應(yīng)于各元素的權(quán)重系數(shù)，考慮到2種元素相抑制的重要程度，其值均為0.5。

引入耦合協(xié)調(diào)度模型對(duì)水資源環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展交互耦合程度進(jìn)行更加客觀、直觀的反映和表征，模型公式如下：

T=gF(c)+hF(ω)

(3)

(4)

(5)

式中，T、C—城市發(fā)展與水資源環(huán)境演變綜合發(fā)展和協(xié)調(diào)指數(shù)；D—系統(tǒng)相互耦合程度即耦合協(xié)調(diào)度，其取值區(qū)間為0～1。結(jié)合遼河流域水源保護(hù)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征以及水資源環(huán)境實(shí)際狀況耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)等級(jí)見表1。

表1 遼河流域水源保護(hù)區(qū)耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將系統(tǒng)的相互脅迫關(guān)系作為一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，其主導(dǎo)部分分別為F(c)、F(ω)2部分內(nèi)容，采用下式代表系統(tǒng)的演化過程：

A=A1f(c)+A2f(ω)

(6)

B=B1f(c)+B2f(ω)

(7)

式中，A、B—受外來與自身影響下經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和水資源環(huán)境子系統(tǒng)的演化狀態(tài)；VA、VB—在外界和自身影響條件下2個(gè)系統(tǒng)的演化速度，計(jì)算方法如公式(8)所示。

(8)

(9)

復(fù)合系統(tǒng)中A和B子系統(tǒng)相互影響、相互作用，任一子系統(tǒng)的改變均可顯著引起整個(gè)系統(tǒng)的改變。演化速度VA、VB的函數(shù)關(guān)系即可作為整個(gè)系統(tǒng)的演化速度，其表達(dá)式為V=f(VA，VB)，因此系統(tǒng)控制變量即可選取為VA、VB，并以V的變化趨勢(shì)作為2個(gè)子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系發(fā)展趨勢(shì)的判別依據(jù)。

假定水資源環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)態(tài)關(guān)系呈周期性變化特征則可在二維平面上分析VA和VB的演化軌跡并反映V的整體變化過程。

不同系統(tǒng)之間的的協(xié)調(diào)耦合度模型如下：

(10)

(11)

城市發(fā)展子系統(tǒng)和水資源環(huán)境子系統(tǒng)的耦合度α可用下式計(jì)算：

(12)

(13)

式中，ar(t)、ai(t)—子系統(tǒng)之間的綜合指數(shù)。

分別以VC、VA為變量建立坐標(biāo)系，以夾角θ為模型耦合度，則坐標(biāo)系中的橢圓即為V的演化軌跡，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)耦合關(guān)系演化周期示意圖

圖1中象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ分別代表低協(xié)調(diào)共生、協(xié)調(diào)發(fā)展、極限發(fā)展以及再生發(fā)展階段，其中低協(xié)調(diào)共生階段其經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程較為緩慢，經(jīng)濟(jì)發(fā)展受水環(huán)境的約束和限制的影響幾乎為零；協(xié)調(diào)發(fā)展階段其水環(huán)境開始約束和限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間開始顯露矛盾但矛盾并不明顯；極限發(fā)展階段其水資源需求與破壞作用受經(jīng)濟(jì)發(fā)展日趨增大，且二者矛盾突出必須通過技術(shù)調(diào)控方法達(dá)到高級(jí)協(xié)調(diào)共生狀態(tài)；再生階段是指水環(huán)境與城市化之間由交互脅迫關(guān)系重組為相互促進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高級(jí)協(xié)調(diào)共生發(fā)展。

本文結(jié)合已有研究成果和區(qū)域自身特征構(gòu)建了遼河水源保護(hù)區(qū)水資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用經(jīng)濟(jì)規(guī)模、效率以及經(jīng)濟(jì)分析方法和原則對(duì)城市發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，考慮到水源保護(hù)區(qū)后發(fā)優(yōu)勢(shì)的實(shí)際情況并結(jié)合城市化快速發(fā)展過程中存在嚴(yán)重的廢水排放與水資源消耗特征，可按照水資源環(huán)境壓力、狀態(tài)、響應(yīng)程度對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行衡量和指標(biāo)的篩選[10]。

對(duì)于復(fù)雜性系統(tǒng)問題層次分析法具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，因此本文采用指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法進(jìn)行主觀權(quán)重的計(jì)算，其基本過程是將整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次，其中目標(biāo)層為水資源與城市協(xié)調(diào)發(fā)展耦合程度，準(zhǔn)則層和指標(biāo)層分別為各子系統(tǒng)的一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)。然后可構(gòu)造相鄰等級(jí)之間的判斷矩陣，通過矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和一致性檢驗(yàn)完成各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算。而熵權(quán)法為目前進(jìn)行客觀權(quán)重計(jì)算的常用方法，其基本理論是利用各評(píng)價(jià)樣本之間的差異性即在競爭意義上各指標(biāo)的激烈程度作為指標(biāo)的權(quán)重[11]。據(jù)此，本文結(jié)合已有研究成果和相關(guān)專家意見在遵循了系統(tǒng)性、可選性、代表性以及可操作性原則的基礎(chǔ)上構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別采用熵權(quán)法和層次分析法對(duì)各指標(biāo)的主客觀權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，然后按照加權(quán)平均的方法確定了指標(biāo)的最終權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2中B1～B6分別代表經(jīng)濟(jì)規(guī)模、效率、結(jié)構(gòu)和資源壓力、狀態(tài)、相應(yīng)程度；C1～C4分別為人均GDP、財(cái)政收入、固定資產(chǎn)投資以及社會(huì)消費(fèi)品零售額；C5～C8分別為財(cái)政收入、固定資產(chǎn)投資、人均社會(huì)消費(fèi)額以及工業(yè)產(chǎn)值比重增長率；C9～C10分別為規(guī)模以上工業(yè)增加值GDP比重和第三產(chǎn)業(yè)比重；C11～C16分別為萬元GDP工業(yè)廢水、工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)居民生活廢水、人均工業(yè)廢水排放量以及單位GDP用水量、人均日生活用水量；C17～C18分別為工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率和城鎮(zhèn)居民生活廢水排放達(dá)標(biāo)率；C19～C24分別代表人均公共綠地面積、年降水量、畝均水資源量、森林覆蓋率、人均水資源量和區(qū)域水資源總量。

表2 遼河水源保護(hù)區(qū)城市發(fā)展與水資源環(huán)境協(xié)同耦合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 結(jié)果分析

2.1 城市發(fā)展與水資源環(huán)境系統(tǒng)變化水平

對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量鋼化處理可得到遼河水源保護(hù)區(qū)在2005—2015年耦合系統(tǒng)內(nèi)在變化水平，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，遼河水源保護(hù)區(qū)水環(huán)境指數(shù)以及區(qū)域城市發(fā)展指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)指數(shù)相對(duì)于2005年存在較快的增幅，其主要原因?yàn)樵搮^(qū)域具有資源后發(fā)和獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了區(qū)域較快的社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長，并對(duì)城市發(fā)展造成了顯著的影響。水環(huán)境與城市發(fā)展指數(shù)差異值在研究期間逐漸降低，由此表明水資源環(huán)境質(zhì)量受到城市建設(shè)發(fā)展的影響呈逐漸降低趨勢(shì)，其主要原因?yàn)樵搮^(qū)域生態(tài)屏障性建設(shè)需求促進(jìn)了區(qū)域水資源環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的投入和水源保護(hù)力度，進(jìn)而促進(jìn)了耦合水平。

圖2 遼河水源保護(hù)區(qū)系統(tǒng)演化趨勢(shì)

2.2 城市發(fā)展與水資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度

對(duì)研究區(qū)域的耦合協(xié)調(diào)度(D)、協(xié)調(diào)指數(shù)(C)以及綜合指數(shù)利用文中所述相關(guān)公式進(jìn)行求解計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 遼河水源保護(hù)區(qū)系統(tǒng)演化趨勢(shì)

由圖3綜合發(fā)展指數(shù)變化趨勢(shì)可知，綜合指數(shù)雖然在中間出現(xiàn)一定的波動(dòng)但整體呈緩慢增加趨勢(shì)，在2005—2007年T值均值為0.47呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，由此表明水資源環(huán)境受到城市發(fā)展的脅迫壓力存在增大趨勢(shì)；然后該指數(shù)呈現(xiàn)出緩慢上升，并且水資源環(huán)境的投入低于城市發(fā)展表現(xiàn)出顯著的滯后現(xiàn)象；在后期T值均值綜合平均值約為0.65，相對(duì)于前期存在明顯的提升，其原因主要與保護(hù)區(qū)生態(tài)屏障建設(shè)相關(guān)。

協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)(C)在2005—2010年間整體呈緩慢增大趨勢(shì)，由開始的0.826增大至0.912，該區(qū)域?qū)λY源環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的投入大致相同；在后期該指數(shù)值明顯增大其主要原因?yàn)樵搮^(qū)域加大了水資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度，與加快了生態(tài)建設(shè)投入有關(guān)。然而在2015年C值存在一定的回落其原因可能與降雨量有關(guān)，在降雨量不足的情況下水源無法滿足城市發(fā)展需求進(jìn)而出現(xiàn)一定的回落。

研究期間，D值整體呈階梯式增加趨勢(shì)且各階段協(xié)調(diào)變化狀態(tài)存在一定差異，根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度(D)的變化趨勢(shì)可將其劃分為緩慢增長期、平穩(wěn)增長期以及快速增長期3個(gè)階段。其中緩慢增長期為2005—2010年，其均值為0.39，由此表明水資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的區(qū)域差異分別處于較小、較大的狀態(tài)，二者處于拮抗階段其協(xié)調(diào)水平較低，水環(huán)境資源已經(jīng)開始受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的輕微威脅和影響；平穩(wěn)增長階段為2011—2013年其平均值為0.46，城市經(jīng)濟(jì)的區(qū)域差異逐漸降低并與水資源環(huán)境處于較高的拮抗階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展可為改善水資源質(zhì)量和提升水環(huán)境提供資金支持。然而由于水環(huán)境質(zhì)量的滯后性特征對(duì)其改善程度存在一定的差異。因此，表現(xiàn)出水環(huán)境質(zhì)量受經(jīng)濟(jì)實(shí)力發(fā)展的影響較為顯著，而水環(huán)境質(zhì)量區(qū)域差異逐漸增大的特征?？焖僭鲩L階段即可認(rèn)為二者達(dá)到良性耦合階段，更多的資金可投入至水環(huán)境質(zhì)量改善中，水環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域性差異隨地區(qū)間經(jīng)濟(jì)差異的降低而逐漸縮小。如果其耦合作用不能達(dá)到理想效果則極有可能重新回到耦合前的階段。

2.3 城市發(fā)展與水環(huán)境的耦合度

利用文中所述系統(tǒng)的演化以及協(xié)調(diào)耦合度模型可分別對(duì)水環(huán)境質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展2條曲線進(jìn)行擬合，可分別得到演化速度和和耦合度計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 遼河水源保護(hù)區(qū)城市發(fā)展與水資源協(xié)調(diào)耦合度計(jì)算結(jié)果

由表3計(jì)算結(jié)果和耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算結(jié)果可知，遼河水源保護(hù)區(qū)β值在研究期間處于-90°～90°現(xiàn)象區(qū)間，由此表明該區(qū)域整體處于協(xié)調(diào)發(fā)展與低協(xié)調(diào)工程發(fā)展階段。水資源環(huán)境限制和制約城市發(fā)展的作用日益顯著，經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重受到水資源環(huán)境的威脅且呈增大趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文以遼河水源保護(hù)區(qū)為例，結(jié)合已有研究成果構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)其水資源環(huán)境城市發(fā)展的耦合現(xiàn)狀利用耦合模型進(jìn)行詳細(xì)分析，得出的主要結(jié)論為：遼河水源保護(hù)區(qū)水環(huán)境指數(shù)以及區(qū)域城市發(fā)展指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)；水環(huán)境與城市發(fā)展指數(shù)差異值在研究期間逐漸降低；然后該指數(shù)緩慢上升，并且水資源環(huán)境的投入低于城市發(fā)展表現(xiàn)出顯著的滯后現(xiàn)象；在后期T值均值綜合平均值約為0.65，相對(duì)于前期存在明顯的提升其原因主要與保護(hù)區(qū)生態(tài)屏障建設(shè)相關(guān)；同時(shí)，遼河水源保護(hù)區(qū)整體處于低協(xié)調(diào)發(fā)展共生到協(xié)調(diào)發(fā)展階段，水資源環(huán)境限制和制約城市發(fā)展的作用日益顯著，經(jīng)濟(jì)發(fā)展嚴(yán)重受到水資源環(huán)境的威脅且呈增大趨勢(shì)。

通過以上分析可知，科學(xué)合理的選取評(píng)價(jià)指標(biāo)是研究城市發(fā)展與水資源環(huán)境協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)的難點(diǎn)和核心內(nèi)容，在實(shí)際生活中二者的交互作用不僅與遼河流域各城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相關(guān)，而且與內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及其影響因素相關(guān)，這些因素和特征將對(duì)耦合結(jié)果造成一定的影響，在未來仍需要進(jìn)一步的深入研究和完善。