□柴萌
科技創(chuàng)新
衡水市用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)演變研究
□柴萌
為了服務(wù)衡水市水資源利用和經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展,采用生態(tài)學(xué)理論研究用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合的動態(tài)變化趨勢,利用耦合協(xié)調(diào)度模型系統(tǒng)分析兩者相互影響、相互制約的互動機(jī)制。
用水結(jié)構(gòu);產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);耦合協(xié)調(diào)度
水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加,水資源供需矛盾日益突出,緩解水資源短缺局面、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展至關(guān)重要。在水資源總量不足的情況下優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),優(yōu)化配置水資源,以確保經(jīng)濟(jì)社會平穩(wěn)發(fā)展,已成為我們面臨的極其重要而又迫切解決的問題。我國已有學(xué)者利用灰色關(guān)聯(lián)、線性回歸等模型,對部分地區(qū)用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)狀況開展研究,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。河北省對用水結(jié)構(gòu)的研究較多,但很少將用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行研究。因此,利用生態(tài)位和耦合協(xié)調(diào)度模型系統(tǒng)分析衡水市用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合的動態(tài)演化和互動機(jī)制,不僅為這一地區(qū)水資源合理利用、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù),而且為河北省用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合動態(tài)演變研究提供參考。
衡水市位于河北省東南部平原,界于東經(jīng)115°10'~116°34',北緯37°03'~38°23'之間,行政區(qū)域面積8815km2。2021年衡水市用水總量為13.8億m3。其中地下水利用量為3.3億m3,占總用水量的23.9%;地表水利用量9.7億m3,占總用水量的70.3%;其他水量0.8億m3,占總用水量的5.8%。根據(jù)第二次水資源評價成果,衡水市人均水資源占有量148m3,僅為河北省人均水平的48%,全國人均水平的6.6%,世界人均水平的2%。畝均水資源量76m3,遠(yuǎn)低于農(nóng)灌需水量,是河北省乃至全國嚴(yán)重缺水地區(qū)之一。
表1 耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)表
表2 衡水市2011年—2020年用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)位和生態(tài)熵表
用水?dāng)?shù)據(jù)來源于2011年—2020年《衡水市水資源公報》和《河北省水資源公報》,產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)來源于2011年—2020年《衡水統(tǒng)計(jì)年鑒》。其中生態(tài)用水量數(shù)據(jù)缺失不予以分析。
采用生態(tài)位、生態(tài)熵和耦合協(xié)調(diào)度模型分析衡水市2011年—2020年用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的生態(tài)位動態(tài)演化及其耦合協(xié)調(diào)狀況。
2.2.1用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)位模型
將用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)視為兩個生態(tài)系統(tǒng),不同類型用水和三大產(chǎn)業(yè)則分別為2個生態(tài)系統(tǒng)中的種群。其計(jì)算公式為:
式中:
Wi—i類用水生態(tài)位;
Si—i類用水的用水量;
Ai—與時間尺度有關(guān)的量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。
采用逐年用水結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),故Ai取1;Pi為研究年份與初始年份i類用水量的差值;i值取1、2、3。
2.2.2用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)熵模型
構(gòu)建生態(tài)熵模型分析比較區(qū)域內(nèi)生態(tài)位相對變化情況,以用水結(jié)構(gòu)為例,計(jì)算公式為:
式中:
Qi—i類用水生態(tài)熵;
Wi—上一級i類用水生態(tài)位。
產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)位、生態(tài)熵模型與用水結(jié)構(gòu)生態(tài)位、生態(tài)熵模型類似,可參照用水結(jié)構(gòu)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
2.2.3用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)度模型
耦合協(xié)調(diào)度模型用于分析事物的協(xié)調(diào)發(fā)展水平。耦合協(xié)調(diào)度D取值范圍為0-1,D值越大,說明用水結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的耦合協(xié)調(diào)性越好。耦合協(xié)調(diào)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。
耦合度C計(jì)算公式為:
協(xié)調(diào)度T計(jì)算公式為:
耦合協(xié)調(diào)度D計(jì)算公式為:
式中:
u1、u2—用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的平均值;
α、β—權(quán)重系數(shù),表示用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要程度。
將用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)視為同等重要,故取α=0.5,β=0.5。
3.1.1農(nóng)業(yè)用水
2011年—2020年衡水市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)位均大于0.80,多年平均值為0.846,年際間最大差值為0.050,見表2,由此說明衡水市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)位占主導(dǎo)地位且波動較小,衡水市以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主。除桃城區(qū)外,各縣市區(qū)多年平均農(nóng)業(yè)用水生態(tài)位均大于0.80,其中深州市、冀州區(qū)和武強(qiáng)縣為衡水市傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū),耕地面積大,灌溉方式為畦灌,水資源利用率較低,故農(nóng)業(yè)用水生態(tài)位較高;桃城區(qū)是衡水市主城區(qū),全區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積小,故農(nóng)業(yè)用水生態(tài)位最低。
圖1 衡水市及各縣(市、區(qū))各產(chǎn)業(yè)生態(tài)位和生態(tài)熵
2011年—2020年衡水市農(nóng)業(yè)用水生態(tài)熵均大于1.10,表明衡水市農(nóng)業(yè)用水在河北省處于優(yōu)勢。衡水市域內(nèi)除桃城區(qū)外,其他各縣市區(qū)農(nóng)業(yè)用水生態(tài)熵多年平均值均在0.95~1.10范圍內(nèi),桃城區(qū)農(nóng)業(yè)用水生態(tài)熵最小,僅為0.648。由此說明除桃城區(qū)外,衡水市各縣市區(qū)均以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主,且發(fā)展較為均衡。
3.1.2工業(yè)用水
衡水市工業(yè)用水生態(tài)位2011年—2013年呈上升趨勢,上升幅度為0.022,2013年—2020年直線下降,從2013年的0.096降至2020年的0.006,見表2,衡水市工業(yè)發(fā)展緩慢。衡水市域內(nèi),桃城區(qū)和安平縣工業(yè)用水生態(tài)位明顯高于其他地區(qū),工業(yè)發(fā)展相對較快,其他地區(qū)工業(yè)發(fā)展相對緩慢,主要還是以農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè),這與農(nóng)業(yè)用水分析結(jié)果基本保持一致。衡水市工業(yè)用水受環(huán)境監(jiān)察和地下水限采影響較大,為促進(jìn)衡水市工業(yè)發(fā)展,應(yīng)加快工業(yè)技術(shù)優(yōu)化升級,向低能耗、無污染轉(zhuǎn)型。
2011年—2020年衡水市工業(yè)用水生態(tài)熵均小于0.70,且自2013年起顯著降低,衡水市工業(yè)用水在河北省處于劣勢,衡水市工業(yè)發(fā)展緩慢。桃城區(qū)、安平縣、故城縣和阜城縣多年平均工業(yè)用水生態(tài)熵大于1,工業(yè)用水在衡水市占有優(yōu)勢,工業(yè)發(fā)展相對較快;其他地區(qū)多年平均工業(yè)用水生態(tài)熵小于1,工業(yè)發(fā)展水平低于衡水市平均水平。桃城區(qū)、冀州區(qū)、故城縣和阜城縣工業(yè)用水生態(tài)熵總體呈上升趨勢,尤其是2018年—2020年近指數(shù)增長,工業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好。
3.1.3生活用水
2011年—2020年衡水市生活用水生態(tài)位呈波動上升趨勢,從2011年的0.058升至2020年的0.158,見表2,其中深州市多年平均生活用水生態(tài)位最小為0.046,生活用水量較穩(wěn)定;桃城區(qū)多年平均生活用水生態(tài)位最大為0.240,主要原因是城區(qū)人口密度大,服務(wù)業(yè)等公共用水量大。這表明隨著衡水市的發(fā)展與進(jìn)步,極大地提升了居民生活水平與用水需求,衡水市應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水設(shè)施建設(shè),宣傳節(jié)水理念,在城市發(fā)展的同時,緩解水資源供需矛盾。
衡水市生活用水生態(tài)熵呈顯著上升趨勢,2011年—2017年生活用水生態(tài)熵小于1,2018年—2020年生活用水生態(tài)熵大于1,衡水市生活用水在河北省由劣勢轉(zhuǎn)為優(yōu)勢,其中桃城區(qū)生活用水生態(tài)熵波動最大,原因在于城區(qū)內(nèi)人口流動頻繁。
根據(jù)衡水市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)位計(jì)算結(jié)果,見表2,2011年—2020年衡水市整體的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化:第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)位2011年—2017年逐漸降低,2017年—2020年出現(xiàn)回升,但仍小于2011年,生態(tài)位由0.188降至0.135;第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)位下降趨勢明顯,生態(tài)位由0.526降至0.224;第三產(chǎn)業(yè)生態(tài)位呈上升趨勢,生態(tài)位由0.287升至0.641。衡水市整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從以第二產(chǎn)業(yè)為主變?yōu)橐缘谌a(chǎn)業(yè)為主,各縣(市、區(qū))產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化與衡水市保持一致。
根據(jù)衡水市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)熵計(jì)算結(jié)果,見表2,2011年—2020年衡水市第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)位在河北省占優(yōu)勢;第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)熵整體波動下降,2011年—2017年在河北省處于優(yōu)勢,2018年開始轉(zhuǎn)為劣勢;第三產(chǎn)業(yè)生態(tài)熵顯著升高,2018年在全省地位由劣轉(zhuǎn)優(yōu)。
衡水市第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)位區(qū)域差異顯著,見圖1,饒陽縣第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)位最高,且波動上升,原因在于饒陽縣大力發(fā)展科技農(nóng)業(yè),近十年來第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長了1倍~2倍;桃城區(qū)第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)位最低,且呈持續(xù)下降趨勢,主要原因是城區(qū)工業(yè)化和城市化的發(fā)展縮減了耕地面積。武邑縣、深州市、饒陽縣、故城縣、阜城縣第一產(chǎn)業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1,其第一產(chǎn)業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。
衡水市各縣(市、區(qū))第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)位總體趨勢基本保持一致,見圖1,2011年—2017年穩(wěn)中有降,降低幅度較小,在2018年出現(xiàn)斷崖式下降,隨后2019年和2020年基本保持穩(wěn)定。第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)位區(qū)域差異顯著,桃城區(qū)多年平均值最高為0.510,饒陽縣多年平均值最低為0.259,相差近乎一倍。桃城區(qū)、棗強(qiáng)縣、武強(qiáng)縣、安平縣、景縣第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1,其第二產(chǎn)業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。
衡水市各縣(市、區(qū))第三產(chǎn)業(yè)生態(tài)位總體呈上升趨勢。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動居民消費(fèi)能力,第三產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,逐漸替代第二產(chǎn)業(yè)成為衡水市支柱產(chǎn)業(yè)。冀州區(qū)、安平縣、故城縣第三產(chǎn)業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1,其第三產(chǎn)業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。
衡水市農(nóng)業(yè)用水與第一產(chǎn)業(yè)的耦合協(xié)調(diào)度呈上升(2011年—2012年)—下降(2012年—2014年)—上升(2014年—2016年)—平穩(wěn)(2016年—2019年)—下降(2019年—2020年)的波動趨勢,農(nóng)業(yè)用水與第一產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)為輕度失調(diào);工業(yè)用水與第二產(chǎn)業(yè)的耦合協(xié)調(diào)度呈上升(2011年—2013年)—平穩(wěn)(2013年—2017年)—下降(2017年—2018年)—上升(2018年—2019年)—下降(2019年—2020年)的波動趨勢,工業(yè)用水與第二產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)為嚴(yán)重失調(diào);生活用水與第三產(chǎn)業(yè)的耦合協(xié)調(diào)度呈上升(2011年—2012年)—下降(2012年—2013年)—上升(2013年—2019年)—平穩(wěn)(2019年—2020年)的波動趨勢,生活用水與第三產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由嚴(yán)重失調(diào)轉(zhuǎn)為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。
從用水結(jié)構(gòu)來看,衡水市用水以農(nóng)業(yè)用水為主,農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水生態(tài)位減小,生活用水則不斷增大。各縣(市、區(qū))用水結(jié)構(gòu)存在差異:其中農(nóng)業(yè)用水生態(tài)熵較大的縣(市、區(qū))為深州市、冀州區(qū)、武強(qiáng)縣;工業(yè)用水生態(tài)熵較大的縣(市、區(qū))為桃城區(qū)、安平縣、故城縣;生活用水生態(tài)熵較大的縣(市、區(qū))為桃城區(qū)、棗強(qiáng)縣、武邑縣。衡水市應(yīng)壓縮農(nóng)業(yè)用水規(guī)模,優(yōu)化種植結(jié)構(gòu),發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),使農(nóng)業(yè)向高科技、高效益方向調(diào)整。
從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看,2011年—2020年衡水市整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化:第一、第二產(chǎn)業(yè)生態(tài)位減小,第三產(chǎn)業(yè)生態(tài)位增大,衡水市整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從以第二產(chǎn)業(yè)為主變?yōu)橐缘谌a(chǎn)業(yè)為主,各縣(市、區(qū))產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化與衡水市保持一致。衡水市應(yīng)不斷優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),走綠色高效發(fā)展之路。
衡水市不同用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)耦合協(xié)調(diào)度變化較大,但變化趨勢存在明顯差異,農(nóng)業(yè)用水與第一產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)為輕度失調(diào),工業(yè)用水與第二產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)為嚴(yán)重失調(diào),生活用水與第三產(chǎn)業(yè)耦合協(xié)調(diào)度由嚴(yán)重失調(diào)轉(zhuǎn)為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。因此,衡水市要按照“節(jié)水優(yōu)先、高速發(fā)展”為原則,合理配置水資源,實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)合理配置、保障經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展?!?/p>
2022-10-08
柴萌,女,漢族,河北省衡水水文勘測研究中心,助理工程師。