肖冰琦,于 森,王振昌,邸蘇闖,李鳳霞

(1.北京市水科學技術研究院,北京 100048; 2.河海大學農業(yè)科學與工程學院,江蘇 南京 210098;3.北京市北運河管理處,北京 100048)

水資源是基礎性的自然資源、戰(zhàn)略性的經濟資源,也是生態(tài)和環(huán)境的控制要素。水資源已成為制約經濟社會可持續(xù)、高質量發(fā)展的關鍵因素。流域水資源開發(fā)和利用既要滿足于流域經濟社會健康發(fā)展又要保持生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,在水資源的合理開發(fā)限度內促進流域經濟社會高質量發(fā)展。永定河是北京的母親河,隨著流域內經濟社會的快速發(fā)展和城市化進程的日益加快,居民生產生活用水、城市生態(tài)環(huán)境用水等城市用水迅猛增長,流域內供水與用水需求矛盾日益尖銳,成為了首都生態(tài)文明建設和經濟社會可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。此外,長期以來生態(tài)環(huán)境用水嚴重缺乏,導致了永定河平原段1997—2018年連續(xù)22 a全年斷流,河床沙化、生態(tài)系統(tǒng)退化、地下水位下降等生態(tài)問題[1]。水源保障是永定河治理的難點問題、核心問題,水資源供需不足已成為制約流域經濟社會高質量可持續(xù)發(fā)展的最大剛性約束。

隨著流域水資源與經濟社會發(fā)展過程中的矛盾日趨加劇,水資源與經濟社會之間的協(xié)同關系與可持續(xù)發(fā)展已成為熱點研究[2]。近年來國內外許多學者從流域區(qū)域協(xié)同發(fā)展[3-4]、流域區(qū)域水資源安全[5-6]、區(qū)域水資源優(yōu)化調控[7-9]等方面開展了相關研究。陳莉等[10]構建了“水資源-社會經濟”評價指標體系,利用復合系統(tǒng)協(xié)同度模型測算了黃河流域9個省份的水資源與社會經濟系統(tǒng)協(xié)同度,運用固定效應模型分析了影響協(xié)同關系的主要因素;韓雁等[11]采用洛倫茲基尼系數(shù)和不均衡指數(shù)模型對張家口的水資源與社會經濟發(fā)展要素的時空匹配特征進行了研究,結果表明:2004—2015年張家口水資源與經濟布局匹配呈現(xiàn)出由“完全不匹配”狀態(tài)逐漸轉變?yōu)椤跋鄬Σ黄ヅ洹睜顟B(tài);胡光偉等[12]采用協(xié)同理論和集對分析方法,構建了洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)26個縣(市區(qū))水資源與社會經濟發(fā)展協(xié)同度評價模型;王孟飛等[13]采用“壓力-狀態(tài)-響應”模型構建了流域水資源可持續(xù)利用綜合評價指標體系,并利用物元可拓模型和變異系數(shù)法對沙潁河流域河南段水資源可持續(xù)利用水平進行評價。上述研究從經濟社會與水資源可持續(xù)發(fā)展的評價指標體系、協(xié)同關系等方面開展了諸多研究,發(fā)現(xiàn)水資源系統(tǒng)穩(wěn)定程度決定了水資源與經濟社會系統(tǒng)的協(xié)同程度、某個研究區(qū)一定時間或空間的水資源與經濟或生態(tài)的協(xié)同發(fā)展程度的變化;為厘清永定河(北京段)水資源可持續(xù)利用與社會經濟穩(wěn)定發(fā)展之間的協(xié)同程度、給了解水資源系統(tǒng)穩(wěn)定程度提供依據,于是基于“壓力-狀態(tài)-響應”(Pressure-State-Response,PSR)模型構建永定河(北京段)水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價指標體系,通過耦合熵權法和物元可拓模型建立集成綜合評價模型,從時間和空間2個維度對永定河(北京段)2012—2021年水資源開發(fā)利用與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展水平進行綜合評價,分析不同驅動影響因素下流域內不同空間區(qū)域上水資源可持續(xù)利用水平,為永定河流域水資源開發(fā)利用和流域內經濟社會高質量協(xié)同發(fā)展、建設首都生態(tài)文明的“幸福河”、北京市水資源高效開發(fā)利用和用水精細化管理提供參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據來源

1.1 研究區(qū)域

永定河(北京段)位于東經40°7′45″～39°27′14″,北緯115°41′19″～116°27′5″ ,其干流是海河流域北系最大的河流。永定河從官廳水庫庫后經官廳山峽進入北京市,由北運河流入海河或由永定新河鎮(zhèn)入渤海[14]。北京段河流全長157.177 km,研究區(qū)面積4 888.23 km2。

自20世紀80年代起,因上游來水減少、連續(xù)多年干旱等原因,永定河連續(xù)斷流,流域內生態(tài)環(huán)境質量嚴重受損。近年來通過實施永定河流域生態(tài)修復與治理,到2020年永定河北京段通過生態(tài)補水才實現(xiàn)全線貫通;地下水水位明顯回升,2021年北京平原地區(qū)地下水平均埋深16.39 m,地下水回升至20年來最高水位,河湖水質顯著改善,綜合治理與生態(tài)修復成效日趨顯現(xiàn)[15]。研究區(qū)從2012—2021年經濟發(fā)展迅速,整體人口數(shù)量從568.9萬人增加到了628.5萬人,上升了10.47%;耕地面積從7.59萬hm2下降到了6.67萬hm2,下降了12.1%;社會生產總值由2 411.4億元增加到了5 518.6億元,增幅達到了128.85%;研究區(qū)域人口數(shù)量大,平均人口密度達到了1 295人/km2,但人均GDP 8.78萬元/人,遠超全國平均水平。

1.2 數(shù)據來源

選取門頭溝、石景山、豐臺、大興、房山區(qū)五區(qū)的水資源與經濟社會相關數(shù)據作為研究樣本。數(shù)據主要來源于2012—2021年的《北京市水務統(tǒng)計年鑒》《門頭溝區(qū)域統(tǒng)計年鑒》《石景山區(qū)域統(tǒng)計年鑒》《豐臺區(qū)域統(tǒng)計年鑒》《大興區(qū)域統(tǒng)計年鑒》《房山區(qū)域統(tǒng)計年鑒》及相關經濟社會統(tǒng)計數(shù)據資料。

圖1 研究區(qū)示意

2 研究方法

2.1 P-S-R模型構建

“壓力-狀態(tài)-響應”(Pressure-State-Response,PSR)模型是聯(lián)合國經濟合作與發(fā)展組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在1990年聯(lián)合提出的生態(tài)安全評價模型[16-20]。本文基于PSR模型,從經濟社會、生態(tài)環(huán)境、水資源開發(fā)利用等方面篩選了16個典型指標(分為正向指標和負向指標),構建了水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價指標體系,見表1。

表1 水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價指標體系

2.2 權重計算

采用熵權法[20]計算各綜合評價指標的權重。

步驟一計算第j項指標下第i個方案占該指標的比重。X為指標的值。

(1)

步驟二計算第j項指標的差異系數(shù)。指標信息熵為:

(2)

步驟三計算指標權重。指標權重為:

(3)

2.3 物元可拓模型

物元分析方法主要用于解決復雜、不相容問題的多因子評價[21-25],是一種將矛盾問題形式化、數(shù)量化的方法,將基元作為邏輯單元,從定性和定量的角度分析問題。與傳統(tǒng)的評價方法相比,其更能科學合理地處理事物之間的不相容性[17,26]。水資源可持續(xù)發(fā)展評價涉及較多指標,單項指標評價具有不相容性。計算過程具體步驟如下。

2.3.1建立物元矩陣

水資源可持續(xù)利用等級程度物元可用R=(D,C,X) 來描述,其中D表示水資源可持續(xù)利用等級程度,D關于特征C的量值為X。假設D有n個特征,以C1,C2, …,Cn及其對應的量值X1,X2, …,Xn來表示,則水資源可持續(xù)利用等級程度的物元矩陣可表示為:

(4)

式中R——n維物元;Xi——Ci的量值,即水資源可持續(xù)利用等級程度的各評價指標對應的原始數(shù)據。

2.3.2計算經典域和節(jié)域物元矩陣

水資源可持續(xù)利用的經典域物元矩陣:

(5)

式中Dj(j=1,2,…,m)——劃分的評價標準的第j個等級;Ci(i=1, 2, …,n)——產生影響的第i個指標;區(qū)間Xij——Dj關于Ci所取得量值的范圍。

所有等級的物元用Rp表示 :

(6)

式中 區(qū)間Xip=(aip,bip)——Dp關于Ci所取的量值范圍,且Xnp=(anp,bnp) ,是所有等級的指標的最大取值范圍;(anp,bnp)——節(jié)域。

2.3.3計算關聯(lián)函數(shù)和關聯(lián)度

由可拓集合方法理論,關聯(lián)函數(shù)Kj(xi)為:

(7)

式中Kj(xi)——評級指標i第j級別的關聯(lián)函數(shù);Xij= (aij,bij) (i=1, 2, …,n) 。

(8)

(9)

式中xi(i=1,2,…,n)——指標實測值;Xij=(aij,bij)、Xip=(aip,bip)——已確定的經典域、節(jié)域。

2.3.4確定評價等級

(10)

式中Kj(D)——單元D關于等級j的關聯(lián)度;ωi——評價指標的權重。

若Kj(D) = maxKj(D),則判定D屬于等級j。

3 結果與分析

3.1 評價指標權重

為能夠科學、合理地刻畫出研究區(qū)水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價指標體系中各評價指標的重要程度,應用熵權法計算各評價指標的權重。從表2中可以看出,準則層權重狀態(tài)指標的0.345 5,響應指標的0.328 6和壓力指標的0.325 9,各評價指標相對于目標層的權重介于0.050～0.082,其中節(jié)水量占用水量比值、人均用水量、地下水埋深和萬元GDP水耗的權重較大,分別為0.081 9、0.074 9、0.072 6和0.071 9,而其他指標的權重則相對較小,表明這4個指標在不同地區(qū)和年份的差異性相對較大,對綜合評價結果影響程度也很大。

表2 評價指標權重

3.2 經典域與節(jié)域

參考全國平均水平、標準值[17]、國際相關標準及京津冀平均水平[27],構建了水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價模型的經典域和節(jié)域,見表3。水資源開發(fā)利用與經濟社會耦合協(xié)同程度等級劃分為:{Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級}={高水平耦合,較高水平耦合,一般耦合,低水平耦合,不耦合}。Ⅰ級為水資源可持續(xù)發(fā)展的最高等級,水資源可持續(xù)性處于優(yōu)秀狀態(tài),水資源開發(fā)利用與經濟社會、生態(tài)保護協(xié)調發(fā)展;Ⅱ級和Ⅳ級為水資源可持續(xù)性的過渡等級,分別對應良好和較差狀態(tài);Ⅲ級為水資源可持續(xù)性中間級別,水資源和社會經濟相對平衡發(fā)展,水資源開發(fā)利用達到一定規(guī)模;Ⅴ級為水資源可持續(xù)性的最低級別,處于強壓力狀態(tài),水資源和經濟發(fā)展嚴重不平衡,只注重經濟發(fā)展而忽視了水資源可持續(xù)利用。

表3 永定河(北京段)水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價標準

3.3 綜合評價結果

根據式(7)計算得到流域內各區(qū)水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展水平的關聯(lián)度(表4)和各區(qū)綜合等級(圖2)。結合圖2、表4可知,2012—2021年各區(qū)經濟社會發(fā)展與水資源可持續(xù)利用水平向高度耦合協(xié)同狀態(tài)發(fā)展,石景山區(qū)和豐臺區(qū)水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展已達到高水平耦合,為I級水平:石景山區(qū)由2012年的Ⅴ級發(fā)展到了2014年的I級且一直保持在I級水平,豐臺區(qū)2012—2015年為Ⅱ級,后發(fā)展到I級狀態(tài)(除2018年外)并保持在I級水平;門頭溝區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展狀態(tài)達到Ⅱ級,即較高水平耦合:門頭溝區(qū)2012—2017年為Ⅲ級,發(fā)展到2020年為I級,后又降為Ⅱ級;大興區(qū)和房山區(qū)整體呈現(xiàn)“梯級”變化趨勢,2012—2021年由Ⅴ級向Ⅱ級轉變。

表4 各區(qū)各年份耦合程度評級等級關聯(lián)度

圖2 各區(qū)年份耦合程度評價評價等級

3.4 評價結果分析

對評價等級結果產生突變的決定性因素有農業(yè)灌溉用水比值、萬元工業(yè)增加值水耗、萬元服務業(yè)增加值水耗和人均GDP,見圖3。對于門頭溝區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū),農業(yè)灌溉用水比值、萬元工業(yè)增加值水耗、萬元服務業(yè)增加值水耗對評價結果尤為重要。對于石景山區(qū)與豐臺區(qū),影響評價結果的主要因素是萬元工業(yè)增加值水耗、萬元服務業(yè)增加值水耗和萬元GDP水耗。

a)石景山區(qū)

在2014—2015年,門頭溝區(qū)的萬元工業(yè)增加值水耗和萬元服務業(yè)增加值水耗分別降低了23.1%和2.21%,農業(yè)灌溉用水比值卻增加了32.47%。其原因是工業(yè)、服務業(yè)用水效率在提高,農業(yè)用水效率卻在降低,導致了該年評價等級無變化。2020—2021年,萬元工業(yè)增加值水耗和萬元服務業(yè)增加值水耗分別升高了58.52%和26.33%,這導致評價等級從Ⅰ級降到Ⅱ級。對于大興區(qū),農業(yè)灌溉用水比值、萬元工業(yè)增加值水耗、萬元服務業(yè)增加值水耗呈逐年降低趨勢,表明各行業(yè)用水效率在提升,在2012—2021年由不耦合階段發(fā)展到較高水平耦合階段。在房山區(qū),評價指標呈波浪形上升,由2012年的不耦合階段發(fā)展到2021年的較高水平耦合階段。但在2018—2019年由于萬元工業(yè)增加值水耗增加了17.9%,導致了2019年水與經濟耦合程度評價結果為一般耦合。在石景山區(qū),2012—2013年的不耦合階段是由于響應指標表現(xiàn)較差,在研究區(qū)內同時期的地下水埋深,節(jié)水量占用水量比值和水務建設投資都排名最后。其中,地下水埋深甚至達到了同時期門頭溝區(qū)的二倍、房山區(qū)的4倍;節(jié)水量占用水量比值是同時期房山區(qū)的0.005 3倍、大興區(qū)的0.005 8倍;在水務建設投資方面,門頭溝區(qū)、豐臺區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)分別是石景山區(qū)的4.29、13.57、6.68、19.44倍。在2012—2014年生態(tài)清潔小流域達標率上升了12.5%、水務建設投資增加了244%、常住人口增長率降低了86.3%,人口因素和響應層因素共同造成了2013—2014年水資源開發(fā)利用與經濟社會協(xié)同發(fā)展評價等級的巨大變化。2014—2021年,由于其經濟發(fā)展依靠用水效率較高的第三產業(yè),于是較高的用水效率和人均GDP使其一直維持在高水平耦合狀態(tài)。對于豐臺區(qū),2015—2016年由于萬元GDP水耗的降低(30.8%),導致豐臺區(qū)2016年評價等級為高水平耦合,2018年由于服務業(yè)用水比值萬元服務業(yè)增加值水耗的降低,導致了評價結果為較高水平耦合。

從第一產業(yè)來看(圖4),除石景山區(qū)外,門頭溝、豐臺、大興、房山區(qū)四區(qū)第一產業(yè)用水量不斷下降。由于北京市大力推進農業(yè)節(jié)水灌溉,優(yōu)化調整作物種植結構,大力發(fā)展“兩田一園”高效節(jié)水灌溉,農業(yè)灌溉用水比重持續(xù)下降。特別是,大興區(qū)、房山區(qū)農業(yè)灌溉節(jié)水顯著,大興區(qū)單位灌溉面積用水量由506 m3/m2下降到了145.47 m3/m2,年均下降率為7.13%,農業(yè)灌溉用水比重由2012年的57.44%下降到2021年的38.34%,年均下降率為3.7%;房山區(qū)單位灌溉面積用水量由452萬m3下降到了195萬m3,年均下降率為6.4%,農業(yè)灌溉用水比重由2012年的41.81%下降到2021年的22.72%,年均下降率為5.1%。門頭溝區(qū)和豐臺區(qū)農業(yè)用水較少,其中門頭溝區(qū)農業(yè)灌溉用水比重由2012年的10.3%下降到2021年的6.14%,年均下降率為4.5%;豐臺區(qū)農業(yè)灌溉用水比重由2012年的4.3%下降到2021年的1.07%,年均下降率為8.3%。此外,用水效率最低的是大興區(qū),萬元農業(yè)增加值水耗年均為722.91 m3/萬元,但通過一系列整改措施后,單位灌溉面積用水量下降了71.25%,這成為大興區(qū)水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展評價等級提升的主要原因。綜上所述,農業(yè)用水通過采用工程節(jié)水、管理節(jié)水、技術節(jié)水等措施,大力實施精準灌溉,農業(yè)用水總量持續(xù)下降,農業(yè)用水效率大幅提高,第一產業(yè)發(fā)展與經濟社會的耦合發(fā)展程度越來越高,導致大興、房山區(qū)的協(xié)同發(fā)展水平日益提升。

圖4 各區(qū)農業(yè)用水與經濟關系

從第二產業(yè)來看(圖5),石景山、豐臺、門頭溝、大興和房山區(qū)的第二產業(yè)用水量總體持續(xù)下降,主要原因是北京市通過持續(xù)開展疏解政治提升專項活動,推進退出一般性制造產業(yè),不斷優(yōu)化調整產業(yè)結構,大力推進工業(yè)節(jié)水改造,積極推行水循環(huán)梯級利用,實現(xiàn)了工業(yè)新水零增長,第二產業(yè)與水資源開發(fā)利用的耦合程度也在不斷提高。其中大興區(qū)、房山區(qū)和豐臺區(qū)的第二產業(yè)所占的比重較大,導致工業(yè)耗水較多,特別是,大興區(qū)工業(yè)用水量由2012年的2 082萬m3下降到2021年的1 147 萬m3,年均下降率為5.0%,萬元工業(yè)增加值水耗由2012年的13.75 m3/萬元下降到2021年的1.47 m3/萬元,年均下降率為8.9%;房山區(qū)工業(yè)用水量由2012年的7 465萬m3下降到2021年的4 365萬m3,年均下降率為4.6%,萬元工業(yè)增加值水耗由2012年的26.91萬m3下降到2021年的13.21萬m3,年均下降率為5.91%;豐臺區(qū)工業(yè)用水量由2012年的3 190萬m3下降到2021年的1 644萬m3,年均下降率為5.4%;萬元工業(yè)增加值水耗由2012年的15.03 m3/萬元下降到2021年的5.00 m3/萬元,年均下降率為6.67%。特別是在“十四五”期間,在工業(yè)領域,北京市將嚴控工業(yè)新水取用量、萬元工業(yè)增加值用水量指標,推動將再生水作為工業(yè)生產用水的首要來源。

圖5 各區(qū)第二產業(yè)用水與經濟關系

從第三產業(yè)來看(圖6),隨著全市產業(yè)結構不斷優(yōu)化調整,首都經濟進一步向現(xiàn)代服務業(yè)主導的服務經濟轉型,第三產業(yè)比重不斷提高。特別是,豐臺區(qū)的第三產業(yè)產值最高,其次是大興、石景山和房山區(qū),第三產業(yè)產值最低的是門頭溝區(qū)。豐臺區(qū)第三產業(yè)產值由2012年的710.32億元增長到2021年的1 680.1億元,其中服務業(yè)用水由2012年的4 417萬m3增長到4 540萬m3,增長了2.7%;萬元服務業(yè)增加值水耗由2012年的6.21 m3/萬元下降到2021年的2.64 m3/萬元,年均下降6.4%。大興區(qū)第三產業(yè)產值由2012年的219.8億元增長到2021年的669.2億元,其中服務業(yè)用水由2012年的3 104萬m3增長到2019年的3 447萬m3,在2020—2021年服務業(yè)用水量略有下降,2021年服務業(yè)用水量為3 034萬m3;萬元服務業(yè)增加值水耗由2012年的14.12 m3/萬元下降到2020年的3.69 m3/萬元,年均下降8.2%。門頭溝區(qū)服務業(yè)產值由2012年的56.4億元增長到2021年的194.7億元,年均增長了7.9%,其中服務業(yè)用水由2012年的4 417萬m3增長到4 540萬m3,增長了2.7%;萬元服務業(yè)增加值水耗由2012年的578 m3/萬元增長到2021年的738 m3/萬元,年均增長2.4%?？傮w來看,豐臺區(qū)萬元服務業(yè)增加值水耗的降低使得該區(qū)的水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展評價等級從較高水平耦合發(fā)展到高水平耦合狀態(tài),門頭溝區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)第三產業(yè)用水效率的提高使各自的評價等級呈現(xiàn)“梯級”變化趨勢,分別實現(xiàn)由不耦合狀態(tài)向較高水平耦合狀態(tài)的轉變。石景山區(qū)因為其較高的用水效率和第三產業(yè)增加值,使其耦合程度基本處于高水平耦合階段。

圖6 各區(qū)第三產業(yè)用水與經濟關系

4 結論

a)從永定河流域高質量協(xié)同發(fā)展角度,基于“壓力-狀態(tài)-響應”模型,從經濟社會、水資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境等多維度遴選了16個典型評價指標,構建了永定河經流北京市的5個區(qū)水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價指標體系,通過綜合PSR與熵權法,建立了基于物元可拓模型的水與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展綜合評價模型,對永定河(北京段)5個區(qū)的水資源開發(fā)利用與經濟社會耦合協(xié)同發(fā)展水平進行綜合評價,評價結果合理、可行,該模型為永定河(北京段)經濟社會發(fā)展提供了一定的決策支撐。

b)研究結果表明,研究區(qū)水資源開發(fā)利用與經濟社會協(xié)同發(fā)展程度總體由低水平耦合程度向較高水平轉變。總體上,石景山區(qū)與豐臺區(qū)的協(xié)同發(fā)展水平處于高度耦合狀態(tài),已達到I級水平,這與其經濟發(fā)展依靠用水效率較高的第三產業(yè)有關;門頭溝區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)水資源可持續(xù)利用與經濟社會協(xié)調發(fā)展狀態(tài)達到Ⅱ級,處于較高水平耦合。其原因是大興區(qū)和房山區(qū)的經濟主要依靠農業(yè)和工業(yè),農業(yè)的用水效率較低下,這也導致了在研究區(qū)內大興區(qū)和房山區(qū)評價等級較低;隨著經濟的發(fā)展、節(jié)水措施的改進,用水效率逐步提升,導致大興區(qū)和房山區(qū)的水資源與經濟發(fā)展協(xié)同耦合評價等級從不耦合階段發(fā)展到耦合階段。

c)從產業(yè)結構來看,大興區(qū)、房山區(qū)的第一、二產業(yè)所占比重較大,水與經濟社會耦合程度也受第一、二產業(yè)很大影響;對于門頭溝區(qū)第二產業(yè)所占比較較小,水與經濟社會耦合程度受其影響不顯著;豐臺區(qū)第三產業(yè)占比較大,水與經濟社會耦合程度受第三產業(yè)影響較大;石景山區(qū)水與經濟社會耦合程度受第二、三產業(yè)影響顯著。