基于力學(xué)平衡模型的中國水資源可持續(xù)利用研究

王玉梅　丁俊新　孫海燕

摘要：準(zhǔn)確評估水資源可持續(xù)利用水平及要素間的協(xié)調(diào)性是緩解日益嚴(yán)重的人水沖突的前提?；赑SR指標(biāo)框架，采用綜合指數(shù)和力學(xué)平衡模型，測度2011年和2019年中國各省市水資源可持續(xù)利用水平和協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。結(jié)果表明：① 全國超一半省市水資源利用屬于“不可持續(xù)”和“弱可持續(xù)”型，可持續(xù)利用水平總體較低；② 從協(xié)調(diào)類型看，協(xié)調(diào)型和基本協(xié)調(diào)型省市居多，但協(xié)調(diào)型比例下降而基本協(xié)調(diào)和失調(diào)類型比例上升；③ 偏離度以Ⅰ象限和Ⅲ象限省市分布居多，自然狀態(tài)是Ⅰ象限省市的主要制約因素，Ⅲ象限則受到用水壓力和保護響應(yīng)的雙重制約；④ 基于問題突出性將各省市劃分為3種問題類型并提出了相應(yīng)的改進措施。研究成果可為提高區(qū)域水資源可持續(xù)利用水平提供科學(xué)參考。

關(guān) 鍵 詞：水資源系統(tǒng)； 可持續(xù)性； 協(xié)調(diào)性； 力學(xué)平衡模型

中圖法分類號： X32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.012

0 引 言

水資源是人類和其他生物賴以生存和發(fā)展的重要資源，具有“自然-社會-經(jīng)濟”三重屬性和“生活-生產(chǎn)-生態(tài)”三重價值［1］，是維持區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展的重要保障。水資源可持續(xù)利用是指既滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，又能實現(xiàn)要素間協(xié)調(diào)發(fā)展的一種水資源合理利用方式［2-3］。1992年 “國際水與環(huán)境大會”在愛爾蘭召開，會議明確提出了水資源系統(tǒng)及其可持續(xù)性研究問題［4］，之后，水資源可持續(xù)利用逐漸成為可持續(xù)性研究和水資源研究領(lǐng)域的熱點問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法從不同視角和尺度對水資源可持續(xù)利用進行了廣泛探討。在水資源可持續(xù)利用評價方面，一些學(xué)者基于社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源供需及水環(huán)境問題之間的因果關(guān)系構(gòu)建可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系［5］，采用灰色關(guān)聯(lián)分析［6］、突變理論［7］、系統(tǒng)動力學(xué)［8］或多種方法集成的綜合模型［9］等方法對水資源可持續(xù)利用情況進行定量評價。其次，從承載力視角判斷區(qū)域水資源的可持續(xù)利用能力。水資源是否超載是衡量其可持續(xù)性的重要指標(biāo)［10］，學(xué)者們主要通過核算水生態(tài)足跡［11-12］或水生態(tài)承載力［13］來判斷區(qū)域水資源承載力水平，據(jù)此反映水資源在特定時空背景下對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐能力。在水資源利用效率研究方面，學(xué)者們主要采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，對區(qū)域［14］、城市［15］或產(chǎn)業(yè)［16］用水效率進行測度分析，認(rèn)為提高水資源利用效率是促進區(qū)域可持續(xù)性的重要途徑。在水資源與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展研究方面，諸學(xué)者主要采用傳統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)模型［17-19］，判斷水資源與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)水平及二者之間的演進趨勢。

縱觀國內(nèi)外已有研究，多以水資源可持續(xù)利用水平時空分析及要素間綜合協(xié)調(diào)性等級判定為主，缺乏系統(tǒng)要素間相互協(xié)調(diào)關(guān)系的準(zhǔn)確量化研究。力學(xué)平衡協(xié)調(diào)模型彌補了傳統(tǒng)協(xié)調(diào)模型的不足，不僅能反映出水資源系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)狀態(tài)，還能直觀準(zhǔn)確地反映出要素間的匹配關(guān)系及主要“短板”要素。因此，本文在水資源可持續(xù)利用能力評估基礎(chǔ)上，借鑒力學(xué)平衡模型構(gòu)建水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)性測度方法，以此判定各要素間的匹配協(xié)調(diào)關(guān)系，并識別阻礙水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題，為提升區(qū)域水資源可持續(xù)利用能力提供參考。同時，科學(xué)有效地測度區(qū)域水資源可持續(xù)利用水平及要素間的協(xié)調(diào)性，是高效合理利用區(qū)域水資源的前提基礎(chǔ)，對推動水生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

中國水資源總量較為豐沛，據(jù)2019年統(tǒng)計，全國多年（1956～2019年）平均水資源總量為27 710.88億m3，居世界第6位，但人均水資源量僅2 000 m3左右，臨界中度缺水國家，其中超1/3的省市人均水資源量不足1 000 m3，屬重度缺水地區(qū)。中國幅員遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜多樣，水資源時空分布不均，水土資源不匹配問題較為顯著，加之水環(huán)境污染，用水效率不高，缺水地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水日趨緊張。因此，提高用水效率、加強水資源保護與管理，不斷提升水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可持續(xù)利用能力，是解決水資源短缺、緩解人水矛盾的必然選擇。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2011年為“十二五”計劃的起始年，“十二五”規(guī)劃中明確提出了節(jié)能、節(jié)水、減排目標(biāo)，強調(diào)經(jīng)濟增長質(zhì)量而非增長速度，標(biāo)志著中國經(jīng)濟發(fā)展進入一個新的時期，2019年為“十三五”計劃結(jié)束的前一年，對兩個時間段的研究結(jié)果進行比較，能夠反映出經(jīng)濟發(fā)展進入新時期后，水資源可持續(xù)利用特征及要素協(xié)調(diào)性的發(fā)展變化情況。因此，本文選取2011年和2019年數(shù)據(jù)進行對比分析。社會經(jīng)濟用水強度、水資源數(shù)量和質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于中國及各省市水資源公報（2011年和2019年）和生態(tài)環(huán)境狀況公報（2011年和2019年），其他指標(biāo)原始數(shù)據(jù)主要來源于中國及各省市統(tǒng)計年鑒（2012年和2020年）、中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒（2012年和2020年）和中國水利統(tǒng)計年鑒（2012年和2020年）。

2 研究方法

2.1 水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系構(gòu)建

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（Pressure-State-Response，簡稱“PSR模型”）是1980年代由經(jīng)濟合作和開發(fā)組織（OECD）與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出的概念模型［20-21］，用于判斷人類社會經(jīng)濟活動與環(huán)境問題之間的因果關(guān)系，是較為成熟的評價指標(biāo)體系框架之一，故本文借助于PSR模型構(gòu)建水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系。模型中，P指標(biāo)描述人類社會經(jīng)濟活動給水資源系統(tǒng)施加的各種壓力，用于衡量社會經(jīng)濟用水及工農(nóng)業(yè)污染對水資源系統(tǒng)造成的影響。S指標(biāo)描述水資源系統(tǒng)所呈現(xiàn)的狀態(tài)，是自然狀態(tài)基礎(chǔ)上壓力影響與保護響應(yīng)相互作用的結(jié)果；自然狀態(tài)是水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)，主要考慮了水資源數(shù)量、質(zhì)量、區(qū)域產(chǎn)水能力和水源涵養(yǎng)能力4個方面。R指標(biāo)是指人類為減緩社會經(jīng)濟壓力，預(yù)防水資源狀態(tài)惡化，改善或提升水資源狀態(tài)而采取的資源節(jié)約、污染控制、保護投入等對策措施。在PSR模型準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，進一步依據(jù)指標(biāo)的科學(xué)性、系統(tǒng)性、獨立性、代表性和數(shù)據(jù)可獲得性等原則對指標(biāo)層指標(biāo)進行篩選，最終遴選出了23個具體評價指標(biāo)，構(gòu)建了水資源可持續(xù)利用評價指標(biāo)體系，見表1。

2.2 可持續(xù)性指數(shù)測度方法

本文運用綜合加權(quán)指數(shù)法對2011年和2019年中國及其各省市的水資源利用可持續(xù)性水平進行測度，具體步驟如下：

分別沿OP、OS和OR反方向做延長線OP′、OS′和OR′，以此作為水資源系統(tǒng)利用壓力、自然狀態(tài)和保護響應(yīng)的逆向發(fā)展矢量方向，據(jù)此將結(jié)果空間劃分為6個象限（見圖2）。依據(jù)“利用壓力、自然狀態(tài)、保護響應(yīng)”三要素間矢量正負(fù)關(guān)系的相互組合，形成各象限矢量動力狀態(tài)特征。每個象限由一個正向矢量要素和一個負(fù)向矢量要素構(gòu)成，通過研究結(jié)果所在象限及與矢量方向的親疏遠(yuǎn)近，可以清晰直觀地判斷出研究區(qū)域水資源各要素間的協(xié)調(diào)程度及存在的問題，從而提出有針對性的對策措施［25］。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源可持續(xù)利用水平分析

根據(jù)公式（2）和（3）計算水資源可持續(xù)利用綜合評價指數(shù)，2011年和2019年全國各省市水資源可持續(xù)利用綜合評價指數(shù)D計算結(jié)果見圖3。由圖3可知，全國各省市水資源可持續(xù)利用指數(shù)分布于0.464～0.741之間，采用系統(tǒng)聚類法，對全國各省市D指數(shù)進行聚類分析，綜合2011年和2019年的聚類結(jié)果，可將水資源可持續(xù)利用綜合評價指數(shù)劃分為不可持續(xù)（D≤0.5）、弱可持續(xù)（0.50.8）5個等級。全國31個省市的可持續(xù)性等級共涉及4個類型：

（1） 不可持續(xù)型。主要表現(xiàn)為自然狀態(tài)很差，遠(yuǎn)低于全國水平，其他兩項或一項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用水平偏低或不高，綜合水資源可持續(xù)利用能力偏低。2011年，豫、冀、魯?shù)?個省市處于“不可持續(xù)”水平，占全部省市的19.35%；其中，河南省的D指數(shù)（0.41）最低，三項要素的可持續(xù)利用水平均低于全國水平。2019年，“不可持續(xù)”省市數(shù)量不變，其中滬、魯、甘3省市主要因保護響應(yīng)度上升，綜合可持續(xù)利用水平提高，達(dá)到“弱可持續(xù)”等級；遼、蘇、晉3省則因為用水壓力上升，且自然狀態(tài)惡化（遼、蘇）或保護響應(yīng)降低（晉），可持續(xù)利用等級降為“不可持續(xù)”型。上述省市的總體特征表現(xiàn)為水資源自然狀態(tài)較差，大部分省市屬于資源型缺水地區(qū)，人均水資源量遠(yuǎn)低于全國水平，同時，水資源保護響應(yīng)力度不足。

（2） 弱可持續(xù)型。主要表現(xiàn)為兩項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用水平低于全國，或一項要素指標(biāo)很差，其他兩項指標(biāo)高于全國水平。2011年鄂、蘇、粵等14個省市處于“弱可持續(xù)”水平，三要素中，用水壓力高于全國而自然狀態(tài)和保護響應(yīng)低于全國（三要素的逆可持續(xù)狀態(tài)）的省市比例為50.00%，64.29%和42.86%，表明制約水資源可持續(xù)利用的主要障礙因素為自然狀態(tài)，其次為利用壓力和保護響應(yīng)；2019年，“弱可持續(xù)”型省市減少到10個，其中，僅藏、粵兩省區(qū)的自然狀態(tài)

較好，其他省市的自然狀態(tài)較差（津、甘、滬）或接近全國水平（鄂、皖、黑、吉）；僅魯、津、吉三省的用水壓力較低，其他省市的用水壓力均高于全國水平，三要素的逆可持續(xù)比例為70%，70%，50%，可見，三要素的阻礙度呈上升趨勢，用水壓力和自然狀態(tài)的阻礙比例均達(dá)到了70%。

（3） 中可持續(xù)型。主要表現(xiàn)為兩項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用水平高于全國，或一項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用水平突出。2011年贛、浙、藏等10個省市處于“中可持續(xù)”水平，其中僅內(nèi)蒙古的自然狀態(tài)較低，其他省市的自然狀態(tài)均高于全國水平；高用水壓力、低自然狀態(tài)和低保護響應(yīng)的省市比例為40%，10%和60%，表明保護響應(yīng)偏低是制約大多數(shù)省市水資源可持續(xù)利用的主要因素，其次為用水壓力；2019年，“中可持續(xù)”型省市增加到11個，三要素的逆可持續(xù)比例為54.55%，27.27%和27.27%，表明用水壓力是阻礙大部分“中可持續(xù)型”省市水資源可持續(xù)利用的主要制約因素。

（4） 較強可持續(xù)型。主要表現(xiàn)為三項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用能力均高于全國水平，或兩項要素指標(biāo)的可持續(xù)利用水平較為突出。2011年，僅海南省的可持續(xù)利用水平較強，海南省的自然狀態(tài)優(yōu)越，處于全國最高水平，但其用水壓力也很高，且保護響應(yīng)度略低于全國水平；2019年，較強可持續(xù)省市增加到4個，其中，青、浙2省三要素的可持續(xù)利用水平均較好，廣西的用水壓力較高，四川省的保護響應(yīng)偏低?？傮w來看，較強可持續(xù)型省市的自然狀態(tài)均較好，用水壓力和保護響應(yīng)是制約水資源可持續(xù)利用水平進一步提高的主要阻礙因素。

3.2 水資源利用協(xié)調(diào)性分析

依據(jù)公式（5）～（7）計算得到全國各省市的協(xié)調(diào)要素合力F合（r，θ），結(jié)果見圖4。

3.2.1 水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展類型特征分析

采用系統(tǒng)聚類（歐式距離）法，對全國各省市極徑r值進行聚類，綜合2011年和2019年的聚類結(jié)果，將水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)度劃分為協(xié)調(diào)（0

（1） 協(xié)調(diào)型。該類型的整體特征表現(xiàn)為水資源利用壓力、自然狀態(tài)和保護響應(yīng)3個要素間的發(fā)展變化差距較小，各要素子系統(tǒng)彼此均衡、有序發(fā)展，相互匹配合理，水資源開發(fā)利用綜合效益顯著。2011年東北三省，華東的皖、蘇、浙等11個省市的水資源利用處于協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，占全部省市的35.48%；2019年，協(xié)調(diào)型省市減少到7個，遼、京、蘇、皖等7個省市下降為基本協(xié)調(diào)狀態(tài)，而滬、渝、滇3省市上升到協(xié)調(diào)狀態(tài)。協(xié)調(diào)型省市在空間分布上較為零散，集聚特征不明顯。

（2） 基本協(xié)調(diào)型。該類型特征表現(xiàn)為水資源利用3要素子系統(tǒng)間的發(fā)展差距較大，但依然在合理閾值范圍之內(nèi)，要素間的不均衡發(fā)展產(chǎn)生了一定的牽制作用，水資源利用綜合效益有效性受到一定程度的制約。2011年滬、鄂、渝等15個省市處于基本協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，占全部省市的48.38%，各省市大致以“湘”為交叉點，沿著“內(nèi)蒙古-冀-魯-豫-鄂-湘-粵”和“新-青-川-渝-湘-贛-閩”兩條軸線呈交叉分布。2019年基本協(xié)調(diào)型省市增加到17個，所占比例達(dá)到了54.84%；空間分布上，西部省市大致沿著“新-甘-青-川-滇-桂”方向呈軸線分布，而華北4省市（內(nèi)蒙古、京、冀、晉）和遼寧等東中部省市則以山東省為中心、以太行山和長江為界限，大致呈橢圓形集中分布。

（3） 失調(diào)型。主要特征表現(xiàn)為水資源利用三要素子系統(tǒng)間發(fā)展差距顯著，要素匹配失衡，某些要素過度發(fā)展或嚴(yán)重衰退，致使水資源系統(tǒng)的“短板效應(yīng)”顯著，整體效益低下。2011年有5省市處于失調(diào)狀態(tài)，占全部省市的16.13%，其中寧、晉、津3省市的自然狀態(tài)發(fā)展水平最差，屬水資源嚴(yán)重短缺型失調(diào)，而海南省的利用壓力承受水平最高，屬高壓力型失調(diào)，西藏的保護響應(yīng)水平最差，屬低響應(yīng)型失調(diào)。2019年失調(diào)型省市增加到7個，所占比例上升到22.58%，其中寧、津、藏、瓊4省市的失調(diào)類型不變，新增的粵、贛、湘3省則均屬于高壓力型失調(diào)。

3.2.2 水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)偏度特征分析

根據(jù)協(xié)調(diào)要素的r和θ值，可標(biāo)記出各省市在偏離度空間象限中所處的具體位置，并由此判斷水資源系統(tǒng)各要素間的均衡程度及協(xié)調(diào)發(fā)展的主要制約因素。由圖4可見，2011年和2019年全國各省市水資源系統(tǒng)偏離度θ在Ⅰ～Ⅵ象限中均有分布，結(jié)合水資源系統(tǒng)可持續(xù)利用類型劃分，各象限省市分布情況及具體特征如下：

（1） 高響應(yīng)-低狀態(tài)象限（第Ⅰ象限）。第Ⅰ象限的主要特征表現(xiàn)為水資源的自然狀態(tài)較差，而保護響應(yīng)度較高，自然狀態(tài)是制約水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展的主要因素。2011年，環(huán)渤海5省市（遼、京、津、冀、魯）、西北的寧、甘等自然狀態(tài)值最差的11個省市集中分布在這一象限，囊括了中國水資源嚴(yán)重短缺的大部分區(qū)域。這些省市中，環(huán)渤海和長三角省市區(qū)域經(jīng)濟較為活躍，經(jīng)濟基礎(chǔ)較好，水資源節(jié)約利用、污染治理能力較強，因而環(huán)境保護響應(yīng)值較高；加之水資源利用效率高，區(qū)域整體用水壓力較低，這兩項優(yōu)勢在一定程度上彌補了水資源嚴(yán)重短缺的不足，提升了水資源系統(tǒng)的綜合可持續(xù)利用能力。2019年，該象限省市數(shù)量減少到9個，變動省市主要發(fā)生在臨近象限之間，如北京市由Ⅰ轉(zhuǎn)為Ⅵ象限，表明近年來北京市的水資源利用壓力進一步降低，且保護響應(yīng)度提高，可持續(xù)利用態(tài)勢向好發(fā)展；江蘇省由Ⅰ轉(zhuǎn)為Ⅱ象限，黑龍江省則由Ⅰ轉(zhuǎn)為Ⅲ象限，表明近年來這2省的水資源利用壓力增大，而保護響應(yīng)沒有得到相應(yīng)提升甚至出現(xiàn)衰退情況；內(nèi)蒙古則由Ⅵ轉(zhuǎn)為Ⅰ象限，高響應(yīng)、低狀態(tài)成為主要顯性特征，人水矛盾呈加劇趨勢。

（2） 高壓力-低狀態(tài)象限（第Ⅱ象限）。第Ⅱ象限總體特征表現(xiàn)為水資源利用壓力較高，而自然狀態(tài)較低，水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展受到資源環(huán)境條件和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的雙重制約。2011年，僅皖、豫2省處于Ⅱ象限，2省市的環(huán)境保護響應(yīng)度也相對較弱，導(dǎo)致水資源綜合可持續(xù)利用水平偏低。2019年，Ⅱ象限省市數(shù)量增加到4個，蘇、新2省分別由Ⅰ象限和Ⅲ象限遷移至該象限，兩省區(qū)的用水壓力相對上升而自然狀態(tài)有所下降，新疆因保護響應(yīng)大幅提高，水資源綜合可持續(xù)指數(shù)提高到中可持續(xù)水平，江蘇省則因保護響應(yīng)增幅較小降為不可持續(xù)水平。

（3） 高壓力-低響應(yīng)象限（第Ⅲ象限）。第Ⅲ象限整體特征表現(xiàn)為水資源利用壓力偏高，而保護響應(yīng)度相對較低。2011年，閩、粵、新等5省區(qū)分布于此象限，因面臨用水壓力和保護響應(yīng)的雙重制約，可持續(xù)發(fā)展整體水平較低，除廣西（中可持續(xù)）外，均處于弱可持續(xù)利用狀態(tài)。2019年該象限省市增加到9個，其中，湘、贛、瓊、藏4省區(qū)集體由Ⅳ轉(zhuǎn)為Ⅲ象限，4省區(qū)的用水壓力顯著上升，而保護響應(yīng)未得到同步協(xié)調(diào)增長，要素配置嚴(yán)重失衡，水資源系統(tǒng)均處于失調(diào)狀態(tài)，尤其是瓊、藏2省區(qū)，三要素均呈逆可持續(xù)性增長，水資源可持續(xù)利用形勢嚴(yán)峻，海南省由較強可持續(xù)降為中可持續(xù)狀態(tài)，而西藏由中可持續(xù)降為弱可持續(xù)狀態(tài)。

（4） 高狀態(tài)-低響應(yīng)象限（第Ⅳ象限）。第Ⅳ象限的總體特征表現(xiàn)為水資源自然狀態(tài)良好，而保護響應(yīng)較低，保護響應(yīng)是水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。2011年，湘、贛、瓊等6省區(qū)分布于該象限，6省區(qū)的水資源自然狀態(tài)優(yōu)越，但整體經(jīng)濟發(fā)展水平偏低，工農(nóng)業(yè)用水強度大，污染物排放量偏高，致使水資源利用效率低下；部分省區(qū)的環(huán)保及生態(tài)建設(shè)資金投入不足，水資源管理水平較低，故而制約了水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。2019年，Ⅳ象限省市減少到3個，省區(qū)分布變化較大，湘、贛、瓊、藏4省區(qū)因用水壓力上升而自然狀態(tài)下降集體遷移到Ⅲ象限，桂、滇兩省區(qū)則分別因自然狀態(tài)和用水壓力相對上升，由Ⅲ象限和Ⅴ象限遷移到該象限。

（5） 高狀態(tài)-低壓力象限（第Ⅴ象限）。第Ⅴ象限總體表現(xiàn)為水資源自然狀態(tài)良好，且利用壓力相對較低，水資源系統(tǒng)的綜合可持續(xù)利用水平總體偏高，要素協(xié)調(diào)狀態(tài)較好。2011年，滇、渝、黔等5省分布于該象限，其中，黔、吉、浙3省處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。協(xié)調(diào)型省市中，吉、黔2省處于逆向協(xié)調(diào)狀態(tài)（各要素呈負(fù)向增長狀態(tài)），表明其社會經(jīng)濟發(fā)展動力不足，缺乏活力，水資源利用與保護消極協(xié)調(diào)發(fā)展，僅浙江省處于正向協(xié)調(diào)狀態(tài)，在有效利用水資源的同時，水生態(tài)環(huán)境保護較好，滇、渝兩省區(qū)的保護響應(yīng)度較低，與利用壓力處于逆向協(xié)調(diào)狀態(tài)。2019年，吉、滇2省區(qū)因用水壓力上升分別沿順時針方向遷移到Ⅲ象限和Ⅳ象限，因其他兩項要素同步上升幅度不足，綜合可持續(xù)利用指數(shù)呈降低趨勢；青海省則因用水壓力降低，保護響應(yīng)提升，由Ⅳ象限遷移到Ⅴ象限，并由中可持續(xù)提升到較強可持續(xù)利用水平。上述變動表明提高保護響應(yīng)度，增加社會經(jīng)濟系統(tǒng)對水資源自然系統(tǒng)的投入，提高用水效益，是促進水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

（6） 低壓力-高響應(yīng)象限（第Ⅵ象限）。第Ⅵ象限總體特征表現(xiàn)為用水壓力偏低，而保護響應(yīng)度相對較高，兩項要素均利好水資源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。2011年，陜、內(nèi)蒙古2省區(qū)分布于Ⅵ象限，2省區(qū)的用水壓力遠(yuǎn)低于全國水平，內(nèi)蒙古的環(huán)境保護資金、水利、環(huán)保人員投入及生態(tài)保護建設(shè)水平均處于全國前列，陜西省的水資源自然狀態(tài)及保護響應(yīng)度也高于全國水平，故而提高了水資源綜合可持續(xù)指數(shù)，2省區(qū)均處于中可持續(xù)利用水平；2019年，陜西省逆時針方向遷移靠近OR軸，表明其用水壓力上升而自然狀態(tài)惡化，但因保護響應(yīng)協(xié)調(diào)增幅不足，綜合可持續(xù)利用水平降低；內(nèi)蒙古遷移至Ⅰ象限，北京市則由Ⅰ象限遷移至Ⅵ象限。

3.3 水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展問題識別及對策建議

識別各區(qū)域水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題，有助于制定因地制宜的水資源利用調(diào)控策略及其相關(guān)保護策略?；谒Y源系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性測度結(jié)果及特征分析，以問題的突出性作為主要判定依據(jù)，將31個省市區(qū)劃分為3種問題類型并提出相應(yīng)的對策措施。

（1） 自然狀態(tài)嚴(yán)重滯后型。主要分布在Ⅰ、Ⅱ象限，水資源嚴(yán)重短缺，自然狀態(tài)較差，經(jīng)濟增長的水資源約束較強。自然狀態(tài)是水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)可持續(xù)利用的根本，提升水資源自然狀態(tài)主要從三方面著手：① 增加區(qū)域水資源數(shù)量，多渠道開源，包括污水處理及回用，跨區(qū)域調(diào)水，擴大海水淡化利用規(guī)模等；② 改善水資源質(zhì)量，加強水污染治理，確保各類水體達(dá)到相應(yīng)的功能標(biāo)準(zhǔn)；③ 改善水資源賦存環(huán)境，植樹、種草，提高區(qū)域森林、草地覆蓋率，增強水資源涵養(yǎng)能力，增加區(qū)域生態(tài)濕地面積比例，提高水體自然凈化能力和水量調(diào)節(jié)能力。

（2） 保護響應(yīng)嚴(yán)重滯后型。主要分布在Ⅲ、Ⅳ象限，因水資源豐富，自然狀態(tài)較好，從而忽視了水資源的節(jié)約利用，水資源環(huán)境保護投入與生態(tài)建設(shè)不足，水污染控制能力較弱，保護響應(yīng)明顯滯后，與其他要素的配置失衡，因此，失調(diào)省市比例較大。應(yīng)積極倡導(dǎo)水資源節(jié)約利用政策，加強節(jié)水工藝和設(shè)備的研究及推廣使用，提高水資源重復(fù)利用率；增加水環(huán)境保護資金和人力投入，提高水污染處理能力，做好區(qū)域水生態(tài)建設(shè)，嚴(yán)格執(zhí)行水資源相關(guān)保護和水污染控制法律法規(guī)，加強社會經(jīng)濟系統(tǒng)對水資源的調(diào)控管理能力。

（3） 高用水壓力型。主要包括Ⅱ象限、Ⅲ象限省市及Ⅳ象限（OR′逆時針15°范圍內(nèi)省市）部分省市，總體特征表現(xiàn)為用水較為粗放，工農(nóng)業(yè)用水強度較大，污染水平偏高，用水效益低下。其中，Ⅱ象限省市自然狀態(tài)偏低，Ⅲ、Ⅳ象限省市保護響應(yīng)滯后，因而各省市水資源協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展均面臨雙重甚至三重因素制約，因此，需要采取綜合措施，從根本上杜絕水資源低效益使用造成的浪費問題。① 通過發(fā)展規(guī)劃和區(qū)域經(jīng)濟協(xié)作，合理調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局，從源頭上實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置；② 采用先進的生產(chǎn)工藝和技術(shù)設(shè)備，降低單位產(chǎn)值或產(chǎn)品的耗水量，提高用水效率；③ 明確水資源的稀缺價值，通過經(jīng)濟政策和手段形成節(jié)水獎懲機制，提高水資源的節(jié)約保護意識，推動節(jié)水型社會的建設(shè)和發(fā)展。

4 結(jié) 論

（1） 2011年和2019年，全國大部分省市水資源系統(tǒng)處于“不可持續(xù)”和“弱可持續(xù)”水平，兩類型省市數(shù)量比例分別達(dá)到了64.51%和51.61%，全國超一半省市的可持續(xù)利用水平較低，水資源可持續(xù)利用形勢嚴(yán)峻，沒有省市達(dá)到強可持續(xù)水平。總體來看，弱可持續(xù)省市數(shù)量減少，較強可持續(xù)省市數(shù)量上升，全國水資源綜合可持續(xù)利用水平有所提高，D指數(shù)由0.559提高至0.601，可持續(xù)等級由“弱可持續(xù)”提升至“中可持續(xù)”水平。

（2） 2011年和2019年，全國大部分省市水資源利用協(xié)調(diào)類型為協(xié)調(diào)型和基本協(xié)調(diào)型，且協(xié)調(diào)型比例下降，而基本協(xié)調(diào)和失調(diào)類型比例上升，反映出全國水資源利用協(xié)調(diào)度整體呈下降趨勢，失調(diào)型省市的要素配置亟待優(yōu)化。

（3） 全國各省市水資源系統(tǒng)偏離度θ在Ⅰ～Ⅵ象限中均有分布，2011年，Ⅰ象限省市分布最多，占全部省市的35.48%，自然狀態(tài)是制約水資源系統(tǒng)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要因素；2019年Ⅰ象限和Ⅲ象限省市分布最多，占全部省市的29.03%，Ⅲ象限要素配置特征主要表現(xiàn)為水資源利用壓力偏高，而保護響應(yīng)度相對較低，二者是水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展的雙重制約因素。

（4） 基于水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性測度結(jié)果及特征分析，以問題的突出性作為主要判定依據(jù)，將31個省市區(qū)劃分為3種問題類型：自然狀態(tài)嚴(yán)重滯后型，主要分布在Ⅰ、Ⅱ象限；保護響應(yīng)嚴(yán)重滯后型，主要分布在Ⅲ、Ⅳ象限；高用水壓力型，主要包括Ⅱ象限、Ⅲ象限省市及Ⅳ象限（OR′逆時針15°范圍內(nèi)省市）部分省市。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on sustainable utilization of water resources in China based on mechanical balance model

WANG Yumei，DING Junxin，SUN Haiyan

（School of Resources and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai 264025，China）

Abstract： Accurate assessment of the sustainable utilization levels of water resources and the coordination between elements is a prerequisite for mitigating growing human-water conflicts.Based on the PSR indicator framework，a comprehensive index and a mechanistic equilibrium model are adopted to measure the sustainable utilization level and coordinated development status of water resources systems in provinces and municipalities in China in 2011 and 2019.The results show that：① More than half of the provinces and municipalities in China are unsustainable or weakly sustainable in terms of water resources utilization，and the overall sustainable utilization level is relatively low.② In terms of coordination types，the majority of provinces and municipalities are of the coordination type or basic coordination type，but the proportion of coordination type is decreased while the proportion of basic coordination or dysfunctional type is increased.③ Deviation degree is predominantly distributed between quadrant Ⅰ and quadrant Ⅲ provinces and municipalities.Natural state is the main constraint for quadrant Ⅰ provinces and municipalities.Quadrant Ⅲ is constrained by both water stress and conservation response.④ Based on the prominence of the problems，the provinces and municipalities are classified into three problem types and corresponding improvement measures are proposed.These results can provide scientific reference for improving the sustainable utilization of regional water resources.

Key words： water resources system；sustainability；coordination；mechanical balance model

收稿日期：2022-07-08

基金項目：山東省自然科學(xué)基金面上項目（ZR2020MD009）

作者簡介：王玉梅，女，副教授，博士，主要從事資源環(huán)境評價與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail：wangym508@163.com

通信作者：丁俊新，男，講師，碩士，主要從事資源環(huán)境評價與地理教學(xué)研究。E-mail：dingjunxin2@163.com