关中地区水资源-社会经济-生态系统耦合协调发展评价

刘 科 韩 路 范聪喆

(1.陕西省江河水库工作中心,陕西 西安 710018;2.陕西河湖生态维护治理有限公司,陕西 西安 710068)

关中地区是陕西省和西北地区发展体系的重要组成部分,水资源极其匮乏,近年来随着省域产业结构不断调整,社会经济迅速发展,使水资源、社会经济和生态环境之间的矛盾日益凸显,给地区发展带来一定影响。开展“水资源-社会经济-生态”系统协调发展研究对关中地区及陕西省经济生态的高质量发展和可持续发展十分重要。

耦合是指两个及以上因素之间相互作用、相互制约并不断优化调整逐渐协调发展的现象。近年来关于系统耦合协调发展的相关研究成为热点,涉及领域也颇为广泛,水利范畴内的研究也逐渐成熟。汪顺生等[1]通过建立相应的耦合协调度评价模型和ARIMA-GM组合模型,探讨了河南省黄河流域水资源-经济-生态系统耦合发展现状并预测了未来五年变化趋势。张恬姿等[2]采用耦合协调度模型计算分析了甘肃省2010—2019年“水资源-经济社会-生态”系统耦合协调度的时空分布状态,并通过重心演化模型描述了耦合协调度演变特征。周有荣等[3]通过构建YYPO-PP-CM协调度评价模型对云南省“水资源-经济-社会-水生态”协调度进行了评价分析。杜新强等[4]构建了“水资源-社会经济-生态”耦合协调评价模型,从片区、行政单元的尺度上量化分析了中国北方2005—2019年各子系统及其耦合系统的发展状态。王富强等[5]运用耦合协调度模型评价了2006—2019年京津冀地区“水-经济-生态”的耦合协调发展状态,并利用灰色关联法分析了影响地区耦合协调发展的主要因素。以上研究表明,基于水资源因素的耦合协调模型在研究区域规律方面具有一定优势,构建适合地区特点的指标体系和评价模型能够更好地应用此方法。

本文以关中地区为研究区域,根据地区发展特点构建“水资源-社会经济-生态”系统指标评价体系,采用组合权重模型和耦合协调度评价模型,分析水资源、社会经济、生态及复合系统的发展水平及时空分布状况,并利用障碍度模型计算探讨制约地区发展水平的相关因素,以期为关中地区及“丝绸之路经济带”的水资源优化配置、社会经济发展和生态环境改善提供参考。

1 研究区概况

关中地区(东经106°18′～110°38′,北纬33°34′～35°52′)处于陕西省中部,总面积5.55万km2,位于渭河(黄河最大支流)流域,属于半湿润半干旱气候带。地区多年平均降水量500～700mm,多年平均水资源量约为419.67亿m3。2020年人口2587.55万,GDP1.69万亿元;区域内总面积5.5万km2,包括西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南5市及杨凌农业高新技术产业示范区(以下简称杨凌区),共辖54个县(区)。

2 研究方法

2.1 数据来源及指标体系构建

本文数据来自陕西省2010—2020年《统计年鉴》《水资源公报》《陕西省环境状况公报》以及关中地区各行政区政府工作报告和各地国民经济与社会发展统计公报等,少数未统计数据利用插值法补齐。

根据指标体系选取相关原则[6-7],参考现有研究资料相关成果[8-11],结合本文研究目的和研究区域特点,构建水资源、社会经济、生态3个准则层(共30个指标层)的综合评价指标体系,具体见表1。

表1 关中地区“水资源-社会经济-生态”系统综合评价指标体系

2.2 指标权重模型

2.2.1 基本权重的确定

层次分析法(AHP)[12]属于主观赋权法,根据各指标对评价结果的贡献程度计算权重。熵值法[13]属于客观赋权法,利用各指标表征出的直观信息因子数量计算权重。利用上述方法计算得到的各指标基本权重分别为W′和W″。

熵值法需先消除各指标之间的量纲差异,即将各因素进行标准化处理,计算公式为

正指标:

(1)

负指标:

(2)

式中:Xij为标准化后系统i的j指标值;xmax和xmin分别为指标最大、最小值;xij为系统i的第j指标原值。

将标准化的数据代入式(3)～式(6)进行计算,得到各评价指标的熵权(权重)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Pij为第j个指标所占比重;Ej为第j个指标熵值;Wj为各指标权重;W″ij为修正后的指标权重;n为地级市数;m为各系统指标总数。

2.2.2 组合权重的确定

为了降低熵值法和AHP计算结果倾向性,使分析者主观评价和被分析对象客观属性能够同等体现,提高指标权重的科学性和合理性,本文采用线性加权法确定指标组合权重[14]。指标组合权重W*根据式(7)计算:

(7)

式中:W′ij、W″ij分别为AHP计算权重、熵值法计算权重;θ为线性加权系数,反映两类权重的重要程度,θ取值范围为0～1,本文认为W′ij、W″ij加权地位相当,所以取θ=0.5。

2.3 耦合协调度评价模型

2.3.1 综合评价指数

根据上述计算方法确定各指标的协调权重,结合本文研究内容进一步确定关中地区水资源-社会经济-生态系统综合评价模型,计算方法[15]如下:

(8)

(9)

(10)

T=aE(w)+bE(s)+cE(e)

(11)

式中:E(w)、E(s)、E(e)分别为水资源、经济社会、生态系统综合评价指数;T为复合系统综合评价指数;a、b、c分别为各系统所占权重,a=b=c=1/3。

2.3.2 耦合协调度指数

耦合度是反映各研究因子间相互作用程度的度量指标,耦合协调度是衡量研究因子间协调发展态势的判定指标[16]。

(12)

(13)

式中:C为耦合度;D为耦合协调度;T为复合系统综合评价指数。参考相关学者[17-19]研究结果及文献[1]-[5],结合关中地区区域特点划分耦合协调度等级,见表2。

表2 耦合协调度等级划分

2.4 障碍度模型

障碍度广义上指系统关联因子对系统某一发展趋势产生异向影响的程度,本文采用障碍度模型分析影响关中地区水资源-经济社会-生态耦合系统正向发展的评价指标,具体计算过程[20]如下:

(14)

Ii=1-Xij

(15)

(16)

3 结果分析

3.1 水资源-经济社会-生态发展水平分析

关中地区2010—2020年水资源、社会经济、生态三大系统及其复合系统综合评价指数见图1。由图1可知,三大系统的综合评价指数基本上为:生态系统>水资源系统>社会经济系统,其中生态系统评价指数普遍较高,并随时间有快速上升趋势,表明关中地区多年生态治理成效已经开始体现;水资源系统历年评价指数呈上下跳跃变化,最大变差为0.06,说明水资源系统发展处于不稳定状态,这可能与近年来极端天气气候增加和社会产业调整影响用水需求有关;社会经济系统评价指数历年来呈稳步上升趋势,表明关中地区社会经济综合发展水平逐步提升,2013年政府提出“一带一路”倡议,作为丝绸之路的重要承载地,关中地区集聚了较多资源,经济发展较为迅速[21];复合系统综合评价指数变化趋势与生态系统指标相似,整体上呈平稳上升变化,表明生态环境的改善对地区整体发展有良好促进作用。

图1 关中地区水资源-经济社会-生态系统综合评价指数时间对比变化

图2反映了三大系统及复合系统综合评价指数的时空分布状况。根据图2(a)统计分析各地区及年度水资源系统评价指数,西安市和渭南市的水资源发展水平相对较低,其评价指数处于0.28～0.45之间,均低于平均水平,这是由于西安市近两年地下水超采严重,年超采量达2300万m3,占全省超采量的45%左右;杨凌示范区水资源系统评价指数稳定在中上水平,近两年则有缓慢下降态势;宝鸡市则有逐年增长态势。

图2 关中地区水资源-经济社会-生态系统综合评价指数时空分布

根据图2(b)统计分析各地区及年度社会经济系统评价指数,可以明显看出,西安市社会经济系统发展水平最高,历年评价指数在0.8以上,充分表明西安市经济发展势头良好。渭南市、铜川市、杨凌区三个地区水资源发展水平相对较低,其评价指数均低于0.4,处于下游水平;宝鸡市、咸阳市社会经济发展指数比较平稳,评价指数维持在0.45左右,其中宝鸡市近几年有上升趋势。

根据图2(c)统计分析各年度及地区生态系统评价指数,咸阳市和渭南市生态系统发展水平相对较低,其中评价指数多数年处于0.5以下,但具有上升态势,这与社会经济系统发展现象的成因可能一致,地区产业结构调整变化、人口增长等给生态系统带来一定压力;西安市、宝鸡市、杨凌区逐年呈增长态势,铜川市有逐年缓慢下降态势。

根据图2(d)统计分析各年度及地区复合系统评价指数,代表水资源系统、社会经济系统和生态系统的整体发展程度,其中西安市各年度的整体发展水平最高,渭南市整体发展水平最低,但近几年有上升趋势,铜川市则有下降趋势。

3.2 “水资源-经济社会-生态”系统耦合协调分析

图3为关中地区2010—2020年“水资源-社会经济-生态”系统耦合协调度分布图。由图3(a)可以看出,2010—2020年关中地区各系统间基本上呈初级耦合协调,在2011年、2014—2018年期间有上升趋势,2011年及2014年发生较大凹降,2018—2019年期间有缓慢下降趋势,整体上呈缓慢增长趋势。

图3 关中地区“水资源-经济社会-生态”系统耦合协调度

关中地区各行政区2010—2020年“水资源-社会经济-生态”系统耦合协调度见图3(b),各市(区)不同年份的耦合协调度介于0.57～0.77之间,其协调等级覆盖基本协调和初级协调,处于较低的耦合协调水平,因此具有较大的上升空间。从数值分布上来看,6市(区)各年度基本处于初级耦合协调,部分年份低于0.6,属于基本耦合协调,从变化趋势来看,关中6市(区)各系统间耦合协调度呈缓慢上升趋势。

3.3 障碍因子诊断

利用障碍度模型分析关中地区2010—2020年“水资源-经济社会-生态”系统协调发展过程中逆向因素,本文将耦合系统作为整体研究目标,将涵盖水资源、社会经济、生态的共30个子指标一并作为耦合系统基本影响因子进行分析,关中地区复合系统综合发展水平障碍因子流向比重见图4。

图4 关中地区“水资源-经济社会-生态”系统综合发展水平障碍因子流向比重

由图4可以看出,地下水资源量、供水总量、污径比、人均有效灌溉面积等指标占比较大。可见水资源发展水平是制约关中地区社会经济发展和生态环境改善的最大因素,社会经济系统准则层的人均有效灌溉面积、生态系统准则层的污径比等指标对耦合系统也产生较大影响。水资源发展水平对关中地区全面发展具有至关重要的作用,降雨气候等不可变因素长期影响区域水资源量,进一步制约了农业灌溉和工业生产的发展,因此需加强水资源区域内外的优化配置,规划完善跨地区多层次调水工程,加快水资源集约节约管理,提高用水效率和节水水平,引汉济渭工程是解决关中地区缺水问题的关键,工程建成后多年平均调水规模可达15亿m3,可满足包括西安、咸阳等城市在内共21个受水对象的生活及工业用水,惠及1411万人,较大程度上缓解关中地区水资源短缺形势[22]。另外,通过提高工业污水回用及处理能力,普遍推行生活节水并实施划定水功能区限制纳污红线、加强与规范入河湖排污口监督管理等措施,从源头减少排放,从末端加强治理,以促进水资源承载力水平的提高。

4 结 论

本文通过耦合协调度评价模型分析了关中地区2010—2020年“水资源-经济社会-生态”系统耦合协调发展状况,并采用障碍度模型讨论了主要影响因素,主要结论如下:

a.关中地区2010—2020年“水资源-经济社会-生态”系统综合评价指数整体上呈平稳上升变化趋势,三大系统的综合评价指数基本上为:生态系统>水资源系统>社会经济系统,其中生态系统发展水平普遍较高且有快速上升的趋势。水资源系统发展水平呈上下跳跃变化趋势。社会经济系统发展水平呈稳步上升趋势。

b.关中地区2010—2020年复合系统耦合协调度整体呈上下跳跃式增长趋势,基本处于初级耦合协调状态,各地市协调等级变化态势相对稳定,其耦合协调水平较低。

c.地下水超采、资源型缺水和污水排放严重影响关中地区社会经济系统和生态环境系统全面发展,需要加强水资源区域内外的优化配置,加快水资源污染治理和集约节约管理。