基于耦合模型的水生態(tài)環(huán)境與區(qū)域經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展研究

張 英

(浙江水利水電學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

人類的生產(chǎn)、生存活動對水生態(tài)造成的影響使得水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展面臨很大的挑戰(zhàn)。目前國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略將人與自然的競爭關(guān)系調(diào)整成“人水和諧”共處關(guān)系。為促進水生態(tài)環(huán)境與地域經(jīng)濟間的發(fā)展，近年對環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)研究主要集中在：環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展內(nèi)涵研究、耦合關(guān)系研究、耦合協(xié)調(diào)關(guān)系實證研究、測度方法研究等方面[1-4]。某一區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟之間有著必然性的關(guān)聯(lián)。為謀求區(qū)域水生態(tài)的可持續(xù)開發(fā)、利用，保證水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的共同發(fā)展，評價和分析社會經(jīng)濟發(fā)展與區(qū)域水生態(tài)間的相互作用和協(xié)同發(fā)展狀況，本文建構(gòu)了涵蓋“水生態(tài)環(huán)境”和“社會經(jīng)濟”兩個不同類屬性特征的指標體系，分析計算了這兩個子系統(tǒng)中各指標的綜合評價值，明確出了水生態(tài)環(huán)境綜合等級劃分、區(qū)間限定和等級特征描述，探討和比對了上述兩個子系統(tǒng)的評價值狀況，研究了這兩個子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展狀況和層次, 進行了“水生態(tài)環(huán)境—社會經(jīng)濟”總系統(tǒng)內(nèi)的耦合關(guān)系和協(xié)同發(fā)展分析，給出了修復(fù)、改善水生態(tài)環(huán)境的措施和途徑。

1 DPSIR模型

為滿足生態(tài)環(huán)境管理和決策的需求，David等于1979年提出PSR(Pressure-State-Response,PSR)體系來研究環(huán)境問題[5]。其中Pressure指標描述人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的壓力，State指標表示在上述壓力下資源與環(huán)境的質(zhì)量、社會經(jīng)濟狀況等；Response則描述社會各層面對造成環(huán)境脆弱壓力的響應(yīng)。PSR框架模型因果關(guān)系清晰，人類活動對環(huán)境施加的壓力P造成環(huán)境狀態(tài)的變化S，人類社會采取恢復(fù)環(huán)境質(zhì)量或防止環(huán)境退化的措施R來應(yīng)對這一變化。

歐洲環(huán)境署EEA(European Environment Agency,EEA)提出的DPSIR模型可更準確地描述環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性和因素間的因果關(guān)系。該模型涵蓋壓力(Pressure)，狀態(tài)(State)、響應(yīng)(Response)、驅(qū)動力(Driving force)和影響(Impact)五個方面的指標。以水生態(tài)環(huán)境為例，在DPSIR概念框架中，人口規(guī)模和經(jīng)濟發(fā)展等這些驅(qū)動力D導(dǎo)致廢水排放量或?qū)λ鷳B(tài)環(huán)境的干擾增加，由此產(chǎn)生(用水需求和廢水排放等)的壓力P，壓力迫使水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變S(水環(huán)境的特征和水質(zhì)參數(shù)等來表征)，水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的改變對人類或水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響I，這些影響促使人類社會對水生態(tài)環(huán)境做出直接和間接響應(yīng)R(采取措施對環(huán)境進行改善和修復(fù)等)，人類社會的響應(yīng)作用于驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)或直接作用于影響，以使此反饋鏈保持穩(wěn)定與平衡，調(diào)整和改善人類社會和水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的相互作用，使得水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)處于安全的可承載區(qū)間，最終謀求社會發(fā)展與水生態(tài)環(huán)境之間的可持續(xù)發(fā)展。近年來，DPSIR模型在我國環(huán)境管理能力分析、水資源可持續(xù)利用、生態(tài)安全評價等方面得到了廣泛應(yīng)用[6]。

2 評價指標體系

2.1 水生態(tài)環(huán)境指標體系

本研究在DPSIR模型基礎(chǔ)上，根據(jù)水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的實際建構(gòu)了DSR指標體系?；贒SR概念框架，人類社會經(jīng)濟發(fā)展“驅(qū)動力”給水生態(tài)環(huán)境持續(xù)、健康發(fā)展造成的“壓力”(負荷)引起水生態(tài)環(huán)境“狀態(tài)S”的諸多改變，這些狀態(tài)表征指標直接“影響”人類社會經(jīng)濟活動，最終促使人類社會采取一系列“響應(yīng)R”措施來調(diào)整、改善、優(yōu)化水生態(tài)環(huán)境?！绊憫?yīng)”指社會經(jīng)濟活動對水生態(tài)環(huán)境的體現(xiàn)和表征，采取的調(diào)整、維持、改善水生態(tài)環(huán)境的措施，“響應(yīng)”的意義在于在激發(fā)和保障水生態(tài)環(huán)境合理的管理延續(xù)及提出改變當前水生態(tài)環(huán)境狀況的思路、措施和途徑等。例如：黨中央提出的“新五化”中對水環(huán)境和水資源利用進行的“要求”、“規(guī)范”和“約束”均表現(xiàn)為“間接驅(qū)動力”。水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)DSR模型如圖1所示。

圖1水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)DSR模型

從浙江省水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟的實際情況出發(fā)，依據(jù)評價指標體系建構(gòu)原則和DSR模型內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)文獻[7-8]，甄選出水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)包括24個評價指標，見表1所示。表1中數(shù)據(jù)來源于歷年浙江省統(tǒng)計年鑒和浙江省水資源公報。

備注：1、產(chǎn)水系數(shù)=某地區(qū)水資源總量/年降雨總量；產(chǎn)水模數(shù)=某地區(qū)水資源總量/地區(qū)總面積。

2、YY5指標中，2006年前為廢污水排放量，2006年之后為退水量。

2.2 社會經(jīng)濟指標體系

社會經(jīng)濟指標體系涵蓋了26個指標(見表2所示)，其中“驅(qū)動力”指標8個；“狀態(tài)”和“響應(yīng)”指標各9個。

表2 社會經(jīng)濟系統(tǒng)評價指標體系

3 評價模型及綜合評價值確定

3.1 評價指標體系矩陣建構(gòu)

以t為本研究考察年份時間段，n為評價體系中的指標項數(shù)量，構(gòu)造研究體系的n×t原始數(shù)據(jù)矩陣X，X為xij的集合，xij表示第i項指標第j年的原始數(shù)據(jù)，i=1，2，…，n;j=1，2，…，t。以水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為例：n=24，t=19(1998年—2016年，共計19年)。

3.2 指標體系變換及歸一化

在系統(tǒng)評價過程中，對高優(yōu)指標和低優(yōu)指標進行處理，以使不同指標間具有同趨向性，便于有效地進行模型統(tǒng)一分析。當xij具有正功效時，yij=(xij-minij)/(maxij-minij)。當xij具有負功效時，yij=(maxij-xij)/(maxij-minij)。其中maxij為系統(tǒng)Xi集合上全部指標的上限值、minij為Xi集合上所有指標的下限值，yij為xij對所研究系統(tǒng)的功效貢獻值。所有yij的集合即為功效矩陣Y。對功效矩陣Y進行歸一化處理，處理后的指標集合為P。其中pij表示第i項指標第j年的標準化值，pij∈[0，1]。

3.3 評價指標權(quán)重計算

若同一指標在研究時間段內(nèi)不同年份的數(shù)據(jù)隨機性、無序程度和差異越大，則該指標在系統(tǒng)評價的權(quán)重就越大，反之亦然。第i個指標的權(quán)重值計算見公式(1)。

第i個指標的權(quán)重值

(1)

計算得到的社會經(jīng)濟系統(tǒng)中各指標的權(quán)重值見表2。水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的評價指標熵權(quán)值計算思路和方法同社會經(jīng)濟系統(tǒng)計算(限于篇幅，此處略去)。

3.4 指標評價值確定

評價體系中各評價指標值與對應(yīng)權(quán)重值的乘積累計求和可得到各指標在第j年的綜合評價值Gj。評價指標權(quán)重越大，該指標在研究系統(tǒng)中的影響程度就越大，反之，該指標在評價系統(tǒng)中的影響程度就越小[9]。

4 系統(tǒng)評價值結(jié)果分析

4.1 水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)評價

計算得出的水生態(tài)環(huán)境綜合評價值GS見圖2。1998年—2016年浙江省水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價值發(fā)展變化趨于明顯的增長態(tài)勢(2003、2008、2011、2013年除外)，說明水生態(tài)環(huán)境整體向良好的方向發(fā)展。1998年—2002年間，水生態(tài)環(huán)境綜合評價值歷經(jīng)多次波動，一直在0.339 1附近進行調(diào)整；2003年后該評價值一路持續(xù)攀升(2008、2011、2013年有所減少)，在2016年達到最大值0.774 6。2003年—2016年間該指標的平均值為0.519 9。十一五期間水生態(tài)環(huán)境綜合評價值平均值為0.461 6，十二五期間的平均值比十一五期間提升了40.16%。

圖2水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)評價值

本研究確定出的水生態(tài)環(huán)境等級標準、綜合指標值和等級特征見表3。水生態(tài)環(huán)境綜合評價值GS從“差”等級(1998年—2005年)邁入“中”等級(2006年—2009年)后，再進入“良”等級(2010年—2016年)，一致保持著穩(wěn)步的增長和強健的發(fā)展勢頭，鑒于評價值多年來良好的發(fā)展態(tài)勢，預(yù)測近年將上升到“優(yōu)”等級。1998年—2005年，水生態(tài)環(huán)境評價值處于“差”等級，期間政府和群眾處于對水生態(tài)環(huán)境保護的認識和重視，實施了一系列的水利及環(huán)境修復(fù)工程，對后續(xù)水生態(tài)環(huán)境的改善有重要的作用。2006年的水生態(tài)環(huán)境躍入到“中”等級(該等級平均值0.439 0)。2010年—2016年間水生態(tài)環(huán)境躍入了“良”的等級(等級平均值0.651 6)，綜合評價值年均增長6.729 5%。2011年的降水量比2010年少了1/3，人均水資源量少了約1/2等因素導(dǎo)致該年水生態(tài)環(huán)境評價值較上年環(huán)比下降5.12%。

2001年—2015年間水生態(tài)環(huán)境評價值環(huán)比指數(shù)年均增長1.059 3，年均環(huán)比增長幅度值5.933 7%；以2000年為基準期的定基指數(shù)年均值為1.343 9，年均定基增長幅度值為34.394 8%。驅(qū)動力指標的貢獻率均值為31.076 7%。歷年狀態(tài)指標值與水生態(tài)環(huán)境綜合評價值變化高度相似，狀態(tài)指標值占到總指標的36.796 7%。XX1和XX3指標貢獻率趨勢為：快速觸底后在15%附近徘徊。隨著政府和民眾的環(huán)保意識增強，行業(yè)和民眾將節(jié)約概念落實到實際行動中，萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量和人均每日用水量指標快速降低，但經(jīng)過多年的潛力挖掘后，這兩個指標進入相對穩(wěn)定的調(diào)整階段。

表3 水生態(tài)環(huán)境綜合等級、區(qū)間及等級特征

水生態(tài)環(huán)境評價中響應(yīng)、狀態(tài)、驅(qū)動力三方面的主要變化為：2003年后響應(yīng)指標對整體的貢獻率保持著強勁的上升態(tài)勢，2008年后貢獻率保持在40%左右。2005年—2006年間，狀態(tài)指標和響應(yīng)指標的貢獻率經(jīng)過彼消此長的調(diào)整后，響應(yīng)指標逐漸成為主導(dǎo)因素。以此時間段為標志，其后，響應(yīng)指標貢獻率>狀態(tài)指標貢獻率>驅(qū)動力指標貢獻率(個別年份除外)。水生態(tài)環(huán)境綜合評價值的提升主要是由響應(yīng)類指標的拉動所致，水生態(tài)相關(guān)主體(政府、企業(yè)、人民群眾)行為的作用下，水資源利用率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、萬元GDP工業(yè)廢水排放量、城市污水處理率等指標的優(yōu)化和提升拉動了整體綜合指標的提升。

4.2 社會經(jīng)濟系統(tǒng)評價

社會經(jīng)濟綜合評價值GH從1997年的0.038 5一路快速攀升到0.948 3，年均變化率19.24%。社會經(jīng)濟綜合評價值變化分為3個階段：1998年—2003年間的綜合評價值穩(wěn)步增長，年均增長率為16.223 4%；2004年—2010年間該數(shù)值劇烈波動震蕩；2010年后，社會經(jīng)濟綜合評價值年均變化率為9.368 2%。這三個階段的環(huán)比增長指數(shù)年均增長率分別為：16.226 4%、15.488 6%和9.368 2%，表現(xiàn)為前期快速增長，后期持續(xù)穩(wěn)定增長的態(tài)勢。

4.3 兩系統(tǒng)評價值對比狀況

考慮水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的實際，本研究確定出GS和GH的對比關(guān)系分類標準為：GS=GH表示兩系統(tǒng)屬于“經(jīng)濟水生態(tài)環(huán)境同步型”；當GS>GH表示兩系統(tǒng)為“經(jīng)濟滯后型”，其中GH/GS>0.8為“經(jīng)濟相對滯后型”，0.60.8為“水生態(tài)環(huán)境相對滯后型”。

在總系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展分析中，1998年—2007年總體表現(xiàn)為“經(jīng)濟滯后型”(GS>GH)，其中1998年—2001年間為“經(jīng)濟極度滯后型”，2002年為“經(jīng)濟嚴重滯后型”，2003年—2007年間為“經(jīng)濟相對滯后型”。2008年—2016年表現(xiàn)為“水生態(tài)環(huán)境滯后型”(GS

5 系統(tǒng)耦合分析

耦合是指幾個系統(tǒng)間通過各種作用而彼此影響最終聯(lián)合起來的現(xiàn)象[10]。1976年Weick提出松散耦合理論來解釋經(jīng)濟管理領(lǐng)域范疇內(nèi)對象間既各自獨立又互相聯(lián)系的二元關(guān)系，探求不同產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)象間的共生、互動、協(xié)同關(guān)系，分析多個經(jīng)濟現(xiàn)象間最佳的結(jié)合方式。耦合決定了系統(tǒng)在到達臨界區(qū)域時走向何種序與結(jié)構(gòu)[11-12]，體現(xiàn)子系統(tǒng)間的關(guān)系特征，強調(diào)子系統(tǒng)間相互依賴和影響等的契合性。耦合度是描述不同領(lǐng)域(子系統(tǒng))間相互影響程度的特征指標。耦合度雖然在一定程度上反映了子系統(tǒng)間發(fā)展的協(xié)調(diào)狀況，但是卻無法有效的反映子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展層次, 為此進一步引入?yún)f(xié)調(diào)度來表征子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度[13]。

下式中系統(tǒng)耦合度C∈[0，1](其計算式見公式(2))，協(xié)同度D∈[0，1](其計算式見公式(3))，M為綜合調(diào)和指數(shù)(其計算式見公式(4))，α、β分別為水生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的待定系數(shù)(本例中待定系數(shù)α=0.5，β=0.5)，q為總系統(tǒng)中包含的子系統(tǒng)個數(shù)(本研究中包含兩個子系統(tǒng)，所以q=2)。

C=q×[(GS×GH)/(GS+GH)q]1/q

(2)

D=(C×M)1/n

(3)

M=αGS+βGH

(4)

歷年水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)耦合度見表4。其中耦合度C∈(0.60，0.80]時，為中度耦合；C∈(0.80，0.90]為良好耦合；C>0.90為優(yōu)質(zhì)耦合。1998年和1999年這兩年總系統(tǒng)為中度耦合，2000年系統(tǒng)為良好耦合。2001年—2016年水生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)與社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的耦合度都在0.9以上。

表4 歷年水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)耦合度

總系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)耦合關(guān)系并不能說明“水生態(tài)環(huán)境”和“社會經(jīng)濟”兩個子系統(tǒng)的協(xié)同目標、內(nèi)容和效應(yīng)吻合，為有效的反映兩個子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展層次，需要進一步研究協(xié)調(diào)度[14]。從1998年—2016年協(xié)同度數(shù)據(jù)可知，二者的協(xié)同程度還是存在很大的差異。系統(tǒng)內(nèi)水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)間的協(xié)同度范圍為0.347 990—0.930 410，并表現(xiàn)為逐年上升的趨勢。本研究確定出的協(xié)同度D的具體標準為：協(xié)同程度D∈[0.00，0.35)表示系統(tǒng)處于“協(xié)同失調(diào)”狀態(tài)；D∈[0.35，0.60)表示系統(tǒng)處于“協(xié)同過渡”狀態(tài)；“中度協(xié)同”的D∈[0.60，0.80)；“高度協(xié)同”的協(xié)同度介于0.80和0.95?！八鷳B(tài)環(huán)境—社會經(jīng)濟”系統(tǒng)的協(xié)同程度沿著“協(xié)同過渡”—“中度協(xié)同”—“高度協(xié)同”的路徑逐步發(fā)展。1999年—2005年間系統(tǒng)協(xié)同程度為“低度協(xié)同”，2006年—2011年間為“中度協(xié)同”，2013年—2016年間為“高度協(xié)同”。

6 建 議

本研究提出的提升水生態(tài)環(huán)境的建議和措施為：

(1) 基于人水和諧的治理理念，充分考慮當?shù)厮Y源、水生態(tài)條件，編制水生態(tài)規(guī)劃和整治方案。工程設(shè)計中注重水系連通、水陸和諧，生態(tài)環(huán)保優(yōu)先。工程建設(shè)中維護水的自然循環(huán)狀態(tài)，將工程建設(shè)對水生態(tài)的影響減小到最小[15]。

(2) 以水生態(tài)需求管理為目標，提高水生態(tài)環(huán)境管理水平，提高用水效率和效益，走內(nèi)涵式發(fā)展和集約式管理道路。

(3) 水環(huán)境治理中積極推進、集成、創(chuàng)新水生態(tài)修復(fù)的技術(shù)。

(4) 建立水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，進行水量、水質(zhì)、水文，底泥、生境、水體浮游生物、水生動植物、生物量等的監(jiān)測。為研究水生態(tài)變化趨勢，制定水生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

(5) 在水開發(fā)利用、治理、排泄、節(jié)約、保護等方面，實行全過程的統(tǒng)一管理，充分發(fā)揮水資源功能。