杜新強(qiáng)，何立瀅，姚泓鈺，任思睿，喬琪庭

（1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130021；2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021）

0 引 言

水資源是一個(gè)國(guó)家重要的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源與能源［1］，具有自然屬性、社會(huì)屬性、經(jīng)濟(jì)屬性、生態(tài)屬性和環(huán)境屬性，水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間存在極其復(fù)雜的交互耦合關(guān)系［2］。中國(guó)北方地區(qū)長(zhǎng)期承受著嚴(yán)重的水資源供給壓力［3］，其多數(shù)行政區(qū)內(nèi)人均水資源量遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的極度缺水標(biāo)準(zhǔn)（500 m3/人），水資源壓力指數(shù)顯著大于中國(guó)南方地區(qū)［4，5］，成為制約中國(guó)北方社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

針對(duì)水資源及其相關(guān)系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究，從研究對(duì)象上，主要集中在水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)［6-10］、城鎮(zhèn)化［11］、生態(tài)環(huán)境［12］、能源［13，14］、糧食［13，14］等之間的兩兩組合；從研究尺度上，主要集中在省域［6，7，13］、市域［10-12，15，16］、流域［9，14，17，18］上；從研究方法上，一是基于協(xié)調(diào)發(fā)展理論構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型，分析系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系在時(shí)間上的演變特征，或進(jìn)行空間上的對(duì)比分析，具體方法包括多變量綜合評(píng)價(jià)方法［6，11-15，19］、模糊及灰色理論法［10，20］等；二是基于數(shù)據(jù)流探究子系統(tǒng)間的關(guān)系，具體方法有系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型［9］、多目標(biāo)優(yōu)化模型［16，17］、水資源整體模型［18］等。

本文以中國(guó)北方為研究區(qū)，量化分析近15年（2005年-2019年）來(lái)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的發(fā)展水平；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)體系，分析“水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的時(shí)空特征及演變規(guī)律，探究影響綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的因素，為推動(dòng)水資源開發(fā)利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)北方地區(qū)，地處31°23′～53°31′N，73°40′～135°5′E 之間，總面積為564 萬(wàn)km2，約占中國(guó)國(guó)土面積的58.6%。一般劃分為東北、西北和華北三個(gè)片區(qū)，東北地區(qū)包括黑龍江、吉林和遼寧，西北地區(qū)包括新疆、青海、寧夏、甘肅、陜西、內(nèi)蒙古，華北地區(qū)包括北京、天津、山東、山西、河南、河北。區(qū)域氣候包括溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性氣候和高原山地氣候，年降水量自東向西從1 000 mm逐漸減小到100 mm以下，平均氣溫在-5～20 ℃之間［21］。2019年，中國(guó)北方地區(qū)總?cè)丝跒?.84 億，生產(chǎn)總值（GDP）達(dá)到34.92萬(wàn)億元。

本研究中所選指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)水資源公報(bào)》《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各省水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒等。

2 研究方法

構(gòu)建水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)體系，在各子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展水平評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，量化子系統(tǒng)間的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度。

2.1 水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)間相互約束、相互促進(jìn)的復(fù)雜關(guān)系，結(jié)合已有關(guān)于水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)的研究成果［7，10-12］，遵循科學(xué)性、可比性、整體性、層次性、可操作性和完備性原則，建立水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系；對(duì)指標(biāo)層中的原始數(shù)據(jù)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行去量綱正向化處理［8］，并采用熵權(quán)法［19］來(lái)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（表1）。其中，水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平由水資源條件、水資源利用效率和水資源利用結(jié)構(gòu)3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、10個(gè)二級(jí)指標(biāo)（a1-1～a3-2）進(jìn)行反映；社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平由經(jīng)濟(jì)實(shí)力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會(huì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)建設(shè)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)、8 個(gè)二級(jí)指標(biāo)（b1～b4-3）進(jìn)行反映；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平則由生態(tài)治理、環(huán)境壓力和城市環(huán)境3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、7 個(gè)二級(jí)指標(biāo)（c1-1～c3）進(jìn)行反映。

表1 中國(guó)北方地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of coupling coordination degree in northern China

2.2 子系統(tǒng)發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)模型

式中：n表示各個(gè)系統(tǒng)中包含的指標(biāo)數(shù)；Uw（w）、Us（s）、Ue（e）分別表示水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評(píng)分，即表示各子系統(tǒng)的綜合發(fā)展水平；αj、βj、γj分別表示各項(xiàng)指標(biāo)在子系統(tǒng)中的權(quán)重；Wj、Sj、Ej分別表示對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中的標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：T表示系統(tǒng)綜合評(píng)分，反映整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展水平和整體間的協(xié)同效應(yīng)；α、β、γ分別為水資源子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的權(quán)重，當(dāng)認(rèn)為三個(gè)系統(tǒng)重要性相當(dāng)時(shí)，α、β、γ分別取值均取1/3；Uw、Us、Ue分別表示水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的綜合評(píng)分。

2.3 系統(tǒng)耦合度與耦合協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)模型

2.3.1 耦合度

耦合是指兩個(gè)（或兩個(gè)以上的）系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象；耦合度描述要素發(fā)展的整體水平及之間的協(xié)同效應(yīng)，體現(xiàn)彼此相互作用影響的程度。通過(guò)求解任意n個(gè)系統(tǒng)間的耦合度Cn，來(lái)表示各子系統(tǒng)之間相互作用的強(qiáng)弱，Cn取值介于（0，1）之間，公式如下［19］：

若判斷水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境3 個(gè)子系統(tǒng)間的耦合度，則n取3（式3），若判斷3 個(gè)子系統(tǒng)間任意2 個(gè)系統(tǒng)的耦合度，則n取2。

2.3.2 耦合協(xié)調(diào)度

耦合度雖能反映水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境三者間相互作用的程度，但不能表征各系統(tǒng)間是在高水平上相互促進(jìn)還是低水平上相互限制［23］，因此，引入復(fù)合系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度［式（4）］反映系統(tǒng)間相互作用的類型。

式中：D表示耦合協(xié)調(diào)度，C表示耦合度，T表示系統(tǒng)綜合評(píng)分。

借鑒文獻(xiàn)［6，7］中判斷標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)耦合度（C）和耦合協(xié)調(diào)度（D）對(duì)耦合協(xié)調(diào)等級(jí)進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 耦合協(xié)調(diào)等級(jí)的劃分Tab.2 Classification standard of coupling coordination model

3 結(jié)果與分析

3.1 子系統(tǒng)發(fā)展水平

通過(guò)對(duì)比近15年研究區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平得分的平均值及增長(zhǎng)值（表3）可知，各片區(qū)、各行政區(qū)（遼寧省除外）在各子系統(tǒng)發(fā)展水平上，均呈增長(zhǎng)狀態(tài)，其中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平增長(zhǎng)最快，而水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平增長(zhǎng)值相對(duì)偏低。在各片區(qū)水資源系統(tǒng)發(fā)展水平得分上，東北地區(qū)各省平均分為0.31，高于華北（0.28）和西北地區(qū)（0.26）；在社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)上，華北地區(qū)（0.50）高于東北（0.34）和西北地區(qū)（0.32）；各片區(qū)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平均發(fā)展水平則無(wú)明顯優(yōu)劣之分。

表3 近15年來(lái)北方地區(qū)水資源子系統(tǒng)（Uw）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)（Us）、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)（Ue）平均發(fā)展水平及變化幅度Tab.3 The average development level and variation range of the water resources subsystem（Uw），socio-economy subsystem（Us），and eco-environment subsystem（Ue）in the northern region in the past 15 years

為進(jìn)一步反映片區(qū)各子系統(tǒng)發(fā)展水平差異，討論相關(guān)影響因素，對(duì)近年來(lái)各子系統(tǒng)準(zhǔn)則層及指標(biāo)層得分求取平均值，見圖1～圖6，結(jié)果表明：

3.1.1 水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平

西北地區(qū)水資源條件好（圖1）、人口基數(shù)小，區(qū)域人均水資源量和人均用水量大［圖2（a）］，地表水資源較地下水資源豐富，地下水的供水壓力??；區(qū)域水資源利用效率發(fā)展水平低，用水重復(fù)利用量和污水再生利用量少，近15年共計(jì)82.48 億m3，僅相當(dāng)于華北地區(qū)的16.3%。用水結(jié)構(gòu)均衡度不高（0.48），農(nóng)業(yè)用水占比是生態(tài)用水占比的25倍。

東北地區(qū)降水量較西北地區(qū)充沛，但人口密度相比西北要大［圖2（b）］，人均水資源量和人均用水量不高，拉低區(qū)域水資源條件得分（圖1），盡管水資源利用效率優(yōu)于西北地區(qū)，但也存在著生態(tài)用水量占比低、污水再生利用量少和萬(wàn)元GDP 用水量高的問題。

華北地區(qū)人均水資源僅為235 m3，不到西北地區(qū)人均水資源擁有量的10%，全區(qū)總供水量和人均用水量小，水資源稟賦先天不足，但水資源利用效率具有明顯優(yōu)勢(shì)（圖1），用水結(jié)構(gòu)均衡度達(dá)0.75，污水再生利用量和用水重復(fù)利用量最高［圖2（c）］，萬(wàn)元GDP 用水量為分區(qū)最低，僅為東北地區(qū)萬(wàn)元GDP 用水量的35.2%，由此彌補(bǔ)了水資源條件的不足。

圖1 2005-2019年水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平平均得分Fig.1 Average scores of development level of water resources subsystem from 2005 to 2019

圖2 2005-2019年北方地區(qū)水資源子系統(tǒng)各指標(biāo)層得分情況Fig.2 Evaluation scores of each indicator layer of the water resources subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平

西北地區(qū)在經(jīng)濟(jì)實(shí)力、社會(huì)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面均落后，但社會(huì)建設(shè)情況良好［圖3和圖4（a）］，人均生產(chǎn)總值不高。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上，第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平相對(duì)落后，生產(chǎn)總值占比為49%，低于其余分區(qū)，人口數(shù)量少和城鎮(zhèn)率低造成了西北地區(qū)“地多、人少”的現(xiàn)象。近些年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，有效灌溉面積上升，農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作水平也得到顯著提高，社會(huì)建設(shè)良好，供水管網(wǎng)漏損率較低（9.8%）。

東北地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平一般，社會(huì)建設(shè)相對(duì)落后（圖3）。其中供水管網(wǎng)漏損率高［圖4（b）］，漏損率在20%左右，單位面積平均有效灌溉面積上的機(jī)械動(dòng)力低，第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比為14.4%，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，間接拉低了東北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)水平。

華北地區(qū)在經(jīng)濟(jì)實(shí)力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會(huì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)建設(shè)方面總體上都優(yōu)于其他分區(qū)（圖3），雖然華北地區(qū)的6 個(gè)行政區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)得分不一致，城鎮(zhèn)化水平參差不齊，但單位灌溉面積上農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力大、人均地區(qū)生產(chǎn)總值高、供水管道建設(shè)好、常住人口多是普遍的優(yōu)勢(shì)因素，供水管網(wǎng)漏損率略優(yōu)于西北地區(qū)［圖4（c）］。

圖3 2005-2019年社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)發(fā)展水平平均得分Fig.3 Average scores of development level of socio-economy subsystem from 2005 to 2019

圖4 2005-2019年北方地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)各指標(biāo)層得分情況Fig.4 Evaluation scores of each indicator layer of the socio-economy subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.1.3 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平

西北地區(qū)在環(huán)境治理和環(huán)境壓力方面優(yōu)于其他分區(qū)（圖5），而城市治理得分較低，城市園林綠地面積、城市日污水處理量和工業(yè)廢水投資額是地區(qū)短板［圖6（a）］。

東北地區(qū)的環(huán)境治理和環(huán)境壓力得分在三大片區(qū)中處于中等偏下位置，而城市環(huán)境得分則屬于中等偏上（圖5）。省際發(fā)展水平差異大，遼寧省發(fā)展水平得分最高，吉林省在城市綠化和廢污水處理方面弱，子系統(tǒng)發(fā)展水平最低，相較于華北地區(qū)，東北的環(huán)境壓力得分略有優(yōu)勢(shì)［圖6（b）］。

華北地區(qū)，總體上城市環(huán)境得分較高（圖5），環(huán)境壓力和環(huán)境治理得分良好，建成區(qū)綠化覆蓋率高，部分省份（如山西）在城市日污水和工業(yè)廢水處理方面投入力度較低［圖6（c）］。

圖5 2005-2019年生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平平均得分Fig.5 Average scores of development level of eco-environment subsystem from 2005 to 2019

圖6 2005-2019年北方地區(qū)生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)各指標(biāo)層得分情況Fig.6 Evaluation scores of each indicator layer of the eco-environment subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.2 耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平

依據(jù)建立的耦合協(xié)調(diào)度模型，計(jì)算2005-2019年北方15 個(gè)省級(jí)行政區(qū)的平均耦合度C、系統(tǒng)綜合發(fā)展水平T和耦合協(xié)調(diào)度D，并按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，見表4和圖7。

由表4可知，北方地區(qū)水資源系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的耦合水平處于最高等級(jí)，表明水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間具有顯著的相互影響和相互制約關(guān)系。但由于水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境綜合系統(tǒng)發(fā)展水平得分（T）遠(yuǎn)小于耦合水平得分（C），因此耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平得分（D）始終低于耦合度（C），表示3 個(gè)子系統(tǒng)之間并未達(dá)到理想的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。經(jīng)過(guò)15年的發(fā)展，多數(shù)地區(qū)水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，由瀕臨失調(diào)衰退向勉強(qiáng)耦合協(xié)調(diào)或初級(jí)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)變，未來(lái)還有很大的上升空間，但水資源子系統(tǒng)的發(fā)展水平仍是限制整體耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的主要因素。

在時(shí)間序列上，2005-2019年中國(guó)北方地區(qū)15 個(gè)省級(jí)行政區(qū)的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)緩慢增高趨勢(shì)（圖7）。

圖7 2005-2019年北方地區(qū)水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度變化Fig.7 The dynamic changes of the coupling coordination degree about water resources，socioeconomy，and eco-environment in the northern regions from 2005 to 2019

東北是一個(gè)以煤炭、鋼鐵、建材、石化等資源性產(chǎn)品供應(yīng)和以初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品加工為主的老工業(yè)基地［24］，發(fā)展傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植和加工，消耗當(dāng)?shù)刭Y源和能源［25］，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)水資源的需求量大，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量為三個(gè)分區(qū)中最高（圖8）。雖然有吉林引松供水工程、河湖聯(lián)通工程以及黑龍江三江平原灌區(qū)田間配套工程等水利建設(shè)，但是地區(qū)水資源壓力仍舊較大，水資源系統(tǒng)發(fā)展水平增幅緩慢。在中國(guó)邁入新產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建階段時(shí)，東北地區(qū)單一的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成了產(chǎn)品的有限性和附加值的局限性［25，26］，“產(chǎn)業(yè)缺位”，因此地區(qū)經(jīng)濟(jì)在三個(gè)分區(qū)中發(fā)展最慢（表3），這也抑制了區(qū)域耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平的提高。

圖8 2005-2019年北方地區(qū)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量Fig.8 Average amount of water consumption of ten thousand yuan industrial added value in the northern regions from 2005 to 2019

西北地區(qū)水少地多，水土資源不相匹配，生態(tài)系統(tǒng)脆弱［27］。在評(píng)價(jià)時(shí)段初期，西北地區(qū)水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平處于三大片區(qū)的最底層，近15年來(lái)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平迅猛提高、地區(qū)人口迅速增加，進(jìn)一步加劇了水資源系統(tǒng)壓力，水資源利用效率低下與水資源過(guò)度利用問題并存，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到破壞（如水土流失、地下水水位下降、水污染等）［27–29］；另一方面，隨著近15年來(lái)生態(tài)環(huán)境修復(fù)投入增加，水土流失治理面積加大，西北地區(qū)粗放式取水用水的現(xiàn)象有所改善，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)發(fā)展水平得到一定提高［30，31］（表3）。雖然在研究期內(nèi)，西北地區(qū)水資源系統(tǒng)發(fā)展水平僅提高了0.02 左右，發(fā)展緩慢，但由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展水平較大幅度的提升，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)得分增加0.20 左右，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)得分增加超過(guò)0.10，西北地區(qū)耦合協(xié)調(diào)水平仍得以不斷提升，逐漸超過(guò)東北地區(qū)（表4和圖7）。

表4 2005-2019年北方地區(qū)耦合協(xié)調(diào)變化情況Tab.4 Coupling coordination degree changes in the northern regions from 2005-2019

華北地區(qū)一直是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地方，氣候適宜、利于耕作，煤礦石油資源豐富、工業(yè)和服務(wù)業(yè)發(fā)達(dá)，城鎮(zhèn)化程度高，但區(qū)域水資源條件存在劣勢(shì)，人均水資源、全區(qū)總供水量和人均用水量存在矛盾，年均工業(yè)用水總量約是西北地區(qū)的2 倍。然而，華北地區(qū)經(jīng)過(guò)近15年社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口數(shù)量增加了3 353.6 萬(wàn)，用水矛盾并未愈發(fā)尖銳，且水資源子系統(tǒng)得分和耦合協(xié)調(diào)度較其他分區(qū)有更加明顯的上升趨勢(shì)（表3和圖7），這與華北地區(qū)優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)用水效率有很大關(guān)系。華北地區(qū)工業(yè)廢水治理投資列各片區(qū)之首（圖9），社會(huì)供水系統(tǒng)建設(shè)力度強(qiáng)，城市建設(shè)趨于綠色化發(fā)展［32］。同時(shí)，南水北調(diào)、引黃入冀、引灤入津等一系列引水工程的建設(shè)緩解了地區(qū)用水壓力［33］，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，因此華北地區(qū)的耦合發(fā)展水平較高且不斷提升，水資源系統(tǒng)也朝著更好的方向發(fā)展。水資源具有自然和社會(huì)屬性，在人類活動(dòng)干預(yù)下，水文循環(huán)模式呈現(xiàn)“自然-社會(huì)”二元結(jié)構(gòu)特征［34］，因此通過(guò)管理區(qū)域水資源、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高用水效率等舉措的實(shí)施，可以幫助地區(qū)水資源系統(tǒng)維持在相對(duì)均衡狀態(tài)，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。

圖9 2005-2019年北方地區(qū)各省工業(yè)廢水治理投資額平均值Fig.9 Average value of investment in industrial wastewater treatment in the northern regions from 2005 to 2019

3.3 系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)問題水平

對(duì)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間雙系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行對(duì)比，得到耦合協(xié)調(diào)問題分類，見表5。

由表5可知，多數(shù)行政單元社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展領(lǐng)先，而水資源-生態(tài)環(huán)境則相反，一直處于耦合落后發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可見北方水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境間的協(xié)調(diào)性弱。主要原因在于地區(qū)的水資源系統(tǒng)發(fā)展水平普遍較低且發(fā)展速度明顯低于其他系統(tǒng)，是限制耦合協(xié)調(diào)水平提高的決定性因素。

表5 2005-2019年中國(guó)北方耦合協(xié)調(diào)問題分類Tab.5 Classification of coupling and coordination issues in northern China from 2005 to 2019

華北地區(qū)水資源發(fā)展水平較其他地區(qū)表現(xiàn)良好，發(fā)展水平有所提升，但發(fā)展速度緩慢，而東北地區(qū)和西北地區(qū)，除遼寧省外，水資源發(fā)展水平則近15年來(lái)基本沒有變化（表3），這與農(nóng)業(yè)用水占比加大，用水結(jié)構(gòu)過(guò)于單一，區(qū)域水資源利用效率不高有關(guān)［35］。2005-2019年，西北地區(qū)年均農(nóng)業(yè)用水占比84.7%，居高難下，東北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比不斷升高，由68.7%上漲至78.4%，有效灌溉面積擴(kuò)大75.5%，而華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比則由66.3%下降至55.5%，耕地面積逐年下降，有效灌溉面積縮減32.03%。華北地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，近年來(lái)隨著商品貿(mào)易和電力運(yùn)輸，區(qū)域虛擬水流入量大幅度增加，地區(qū)或在轉(zhuǎn)移水資源密集型產(chǎn)業(yè)（如農(nóng)產(chǎn)品的加工跨區(qū)貿(mào)易、工業(yè)）的同時(shí)將水資源壓力向外輸出［36，37］。西北地區(qū)和東北地區(qū)近15年來(lái)糧食總產(chǎn)量分別增加67.3%和86.2%，大量的虛擬水嵌于作物中輸出到其他地區(qū)［38，39］，水資源壓力轉(zhuǎn)移模式使得西北和東北地區(qū)用水結(jié)構(gòu)持續(xù)處于單一狀態(tài)，用水結(jié)構(gòu)均衡度提高速度慢。

4 結(jié) 論

在構(gòu)建水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，建立耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)模型，對(duì)2005-2019年中國(guó)北方15個(gè)省級(jí)行政區(qū)進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下。

（1）水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境各子系統(tǒng)發(fā)展水平和速度具有區(qū)域性特點(diǎn)。我國(guó)北方地區(qū)各系統(tǒng)發(fā)展水平總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，水資源子系統(tǒng)發(fā)展緩慢，生態(tài)環(huán)境次之，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快。對(duì)于水資源子系統(tǒng)而言，區(qū)域用水效率低和用水結(jié)構(gòu)單一是限制西北和東北水資源系統(tǒng)發(fā)展的共同原因，而華北則主要受到地區(qū)水資源條件的限制。對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)而言，西北受到區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力低、總?cè)丝谏俸统擎?zhèn)化水平低的約束，東北則受到區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力低和供水管網(wǎng)建設(shè)落后的制約，華北地區(qū)則整體良好。對(duì)于生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)而言，城市綠化程度低和廢水治理投資力度低阻礙了西北和東北生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，而華北整體較好，部分省份工業(yè)和城市廢污水治理建設(shè)力度不足。

（2）水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境的整體系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度不斷提升，但仍處于初級(jí)階段。3 個(gè)子系統(tǒng)始終處于優(yōu)質(zhì)耦合水平，相互支撐和影響，但耦合協(xié)調(diào)等級(jí)多處于勉強(qiáng)耦合或初級(jí)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。華北地區(qū)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水效率、供水結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而提高水資源發(fā)展水平，使其耦合協(xié)調(diào)程度相對(duì)最好；西北地區(qū)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平明顯提高的背景下，耦合協(xié)調(diào)程度提高明顯，并超過(guò)了東北地區(qū)。

（3）水資源發(fā)展水平低導(dǎo)致基于水資源的雙系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度低。北方地區(qū)普遍存在社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境發(fā)展領(lǐng)先，而水資源與其他子系統(tǒng)耦合發(fā)展落后的現(xiàn)象，主要受限于水資源發(fā)展水平低且發(fā)展速度緩慢，揭示出水資源仍是系統(tǒng)發(fā)展的主要制約因素。其中，西北地區(qū)和東北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比過(guò)大，用水結(jié)構(gòu)單一，用水效率低，導(dǎo)致地區(qū)水資源系統(tǒng)發(fā)展停滯不前，而華北地區(qū)或通過(guò)轉(zhuǎn)移耗水產(chǎn)業(yè)，從而提高水資源系統(tǒng)發(fā)展水平。

由以上研究結(jié)果可見，目前中國(guó)北方水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平主要受制于水資源子系統(tǒng)。因此，需要持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步合理配置水資源、不斷提高水資源利用率和用水結(jié)構(gòu)均衡水平，倡導(dǎo)多舉措節(jié)約用水來(lái)促進(jìn)區(qū)域水資源系統(tǒng)的發(fā)展。