淮河流域水環境—社會—經濟系統協調發展研究

(南京林業大學 經濟管理學院,江蘇 南京 210037)

淮河流域位于我國東部地區,處于長江和黃河兩大流域之間,流域總面積約27萬km2,流經湖北、河南、安徽、江蘇和山東5省、40個地級市、181個縣,總人口約1.7億人,平均人口密度是全國平均水平的4.8倍,居各江河流域人口密度之首。2016年,淮河流域人均GDP為4.39萬元,低于全國平均水平,屬于經濟欠發達地區；農業發展條件優越,主要作物有水稻、小麥、大豆等,是我國重要的商品糧棉油基地;工業礦產資源豐富,以食品、輕紡工業為主,近年來煤化工、建材、機械制造等輕工業有了較大發展,一大批大中型工業城市崛起。由于工農業迅速發展和城市人口大規模增加,大量工業廢水和生活污水排放遠遠超過水環境容量,對流域生態環境造成嚴重破壞,使水環境和社會經濟系統難以協調發展。此外,淮河流域存在嚴重的水質性缺水問題。根據《治淮匯刊》和《淮河流域水資源公報》有關水質數據,2001—2010年流域Ⅲ類以上的水質比例不足整體評價河長的1/2,但“十二五”期間流域水質達標率緩慢上升,廢污水排放量有所減少?？傮w上,淮河流域水環境形勢嚴峻,水環境狀況脆弱,水資源短缺嚴重制約著流域社會經濟的協調健康發展。

近年,眾多學者對水環境和社會經濟的協調發展進行了系列研究[1,2]。鄭旭等[3]采用環境庫茨涅茲曲線模型對水環境污染和社會經濟發展演變軌跡進行了研究,描述了工業廢水、COD排放量和生活污水等污染排放指標和人均GDP的不同曲線特征。在此基礎上,揣小偉等[4]比較分析了不同社會經濟發展模式對江蘇水環境的影響,認為調整產業結構和削減重點污染行業有利于保護水環境。部分學者通過建立水環境承載力評價指標體系對不同區域水環境質量進行了評價。冫工明峰等[5-7]應用模加和方法評價了不同地區水環境承載力現狀,并對主要影響因素進行了分析;姜大川等[8]運用混合模型計算了武漢城市圈水環境承載力狀況,表明水環境是制約經濟社會發展的關鍵因素;陳自娟等[9]分析了水環境承載力和流域生態補償之間的內在關系,通過有效調節流域內利益主體間的經濟關系來確保經濟社會發展和區域資源環境承載力相協調等。同時,對淮河流域水污染也有一定的研究基礎。Peng X[10]基于EKC曲線理論分析得到淮河流域五省經濟增長導致工業“三廢”排放量增加,只有走循環經濟道路才能實現淮河流域經濟與環境的協調發展;YT Guo等利用模糊物元理論[11]、TOPSIS模型[12]評價了淮河流域社會經濟與生態環境的耦合協調度,并識別出了影響協調發展的主要因素。同時,陳巖[13]、劉倩倩[14,15]等認為水質、水量、洪澇、旱災會影響流域水資源的脆弱性,影響區域水安全和可持續發展;徐娜[16]從氣候變化角度分析了珠江流域水資源的脆弱性;童國平[17]從水量角度論述了流域水量和社會經濟之間的脫鉤關系,通過提高水資源利用率來增強流域整體的協調發展水平。

綜上所述,本文認為:①評價社會經濟與水環境的協調發展模型多集中于EKC曲線和環境承載力指標,方法較單一。②研究大多討論經濟社會、資源、環境系統整體的協調度,單獨從水污染角度判斷水環境和社會、經濟系統的整體協調發展值得進一步研究。同時,不同系統之間的相互關系值得重視,如了解水環境和社會、經濟系統各自的作用,有利于更清晰地分辨出社會經濟狀況對水環境的影響力大小,有針對性地提出改善建議。③對淮河流域的可持續發展研究,討論經濟增長和生態環境協調發展較多,從水污染問題出發的水環境質量、水環境與流域各區域經濟社會發展的相互關系有待深化。

本文把水環境和社會、經濟看成三個復合子系統,將淮河流域各省區域水環境與社會經濟協調發展水平作為研究內容,通過構建系統評價指標體系來了解系統的整體協調性和各系統之間的耦合關系。首先采用改進的突變級數法科學評估淮河流域水環境與社會經濟各系統及其系統整體發展狀況和協調發展水平,然后利用耦合模型測度四省區域水環境與社會、經濟系統的耦合度分析出社會、經濟發展對流域水環境質量的影響,為淮河流域水環境和社會經濟的協調發展提供理論依據和參考。

1 研究方法

1.1 突變理論

突變理論由法國數學家Rene Thom創立,是主要利用動態系統的拓撲理論構造自然現象與社會活動中不連續變化現象的數學模型,并用來描述和預測事物連續性中斷的質變過程[18]。突變理論適用于系統內部作用尚不明確的研究,而流域水環境和社會、經濟的協調發展可理解為流域系統內部各指標的逐漸變化導致整體流域系統的水環境協調發展水平發生質變,其中每一個指標數據變化都可引起突變現象,因此本文應用突變理論來評價水環境和社會、經濟的協調發展水平具有一定的科學性和合理性。

表1 常見突變模型的勢函數、分叉集和歸一公式

1.2 系統整體協調發展水平評價

突變級數法首先是對系統的評價目標進行多層次矛盾分解,然后利用突變理論與模糊數學理論相結合得到突變模糊隸屬函數,由此函數得到初等突變模型和分歧方程,在此基礎之上推到出歸一化公式,再進行綜合量化計算,最終歸一為一個參數。該參數即為總隸屬函數,它可實現對系統的綜合評價[19](表1)。其中,總隸屬函數可計算出區域的水環境與社會、經濟系統發展的綜合評價值,實現對流域的協調發展狀況進行合理評價。

改進的突變級數法主要體現在用熵權法計算指標權重,確定指標排序,即:①熵權法。在運用突變級數法對目標進行綜合評估的過程中，必須對各指標按重要性程度從大到小進行排序。利用熵權法得到的指標權重確定各指標的重要性,權重越大,重要性越大,這樣避免了指標排序的主觀性,研究結果更加客觀準確[14]。熵權法確定各指標權重的具體步驟可參照文獻[14]。②常見突變模型。如果1個指標(系統狀態變量)包括2個對應的下級指標(系統控制變量)可視為尖點突變系統;同理,當一個指標分布含有1、3、4個下級指標,分別視為折疊突變、燕尾突變和蝴蝶突變模型[19],其勢函數、分叉集和歸一公式見表1。③突變系統的綜合評價選擇原則。結合多目標模糊決策理論和實際情況確定評價原則:如果各指標為相互聯系、相互補足的關系,采用“互補”的原則,即狀態變量取各控制變量的平均值;如果各指標是相互獨立的,采用“非互補”的原則,即狀態變量利用“大中取小”的準則在各控制變量中取值。④系統協調發展水平劃分。由突變級數法得到水環境和社會、經濟系統的綜合評價值,反映系統的綜合發展狀況,對其進行等距劃分,得到五個協調發展水平階段,見表2。

表2 水環境和社會、經濟系統的協調發展水平劃分

1.3 基于耦合模型的系統相互關系研究

突變級數法評價得到的系統綜合值可反映水環境和社會經濟系統的整體協調發展水平。為了進一步確定水環境分別和社會、經濟系統之間的相互關系,引入耦合度模型來說明兩兩系統之間的內在聯系。本文從水污染問題出發,認為社會經濟發展會直接影響水環境狀況,為了更加明確社會和經濟系統對水環境的影響大小,分別計算水環境和社會系統、水環境和經濟系統之間的耦合度(C),表達式為:

(1)

式中,U1、U2分別為水環境和社會、經濟兩個系統的綜合評價值。當C=0時,耦合度最小,表示水環境和社會、經濟系統之間處于無關聯狀態并向無序方向發展;當C=1時,水環境和社會、經濟系統之間達到最佳的有序發展狀態。根據耦合度的變化特征,采用中值分段法將耦合度劃分為4個區間,見表3。

表3 耦合度和耦合階段劃分

2 評價指標體系構建

2.1 水環境系統評價指標選取

依據指標體系建立原則,從水污染和污水治理兩個方面構建水環境質量評價指標體系,選取5個評價指標,分別為：A1(萬元GDP廢污水排放量)、A2(萬元工業增加值氨氮排放量)、A3(萬元工業增加值COD排放量)、A4(城市生活污水處理率)、A5(廢污水處理費用)。其中,選取萬元GDP廢污水排放量、萬元工業增加值氨氮排放量、萬元工業增加值COD排放量來衡量工業發展產生的污染物對水環境的影響,選取城市生活污水處理率、廢污水處理費用來衡量水污染的治理水平和資金投入。

2.2 社會系統評價指標選取

從人口發展和生活水平方面選取4個評價指標對淮河流域社會發展狀況進行了綜合評價,分別為：B1(人口自然增長率)、B2(城鎮化率)、B3(城鎮居民人均可支配收入)、B4(農村居民人均純收入)。其中,選取人口自然增長率、城鎮化率來衡量人口的增長狀況和城市化發展;從城鎮居民和農村居民的經濟收入角度,選取城鎮居民人均可支配收入和農村居民人均純收入兩個指標來衡量人們生活發展水平。

表4 淮河流域水環境和社會經濟系統指標熵權值

2.3 經濟系統評價指標選取

從經濟活力和經濟結構方面選取4個評價指標對流域經濟增長狀況進行評價,分別為C1(人均GDP)、C2(第三產業產值)、C3(第一產業比重)、C4(第三產業比重)。其中,從人均GDP、第三產業產值來衡量整體經濟狀況和產業發展活力,以第一產業比重和第三產業比重來衡量流域第一產業和第三產業在整體產值中所占的比重,可了解產業發展份額和發展趨勢。運用熵權法得到淮河流域水環境和社會經濟系統協調發展評價的指標熵權,見表4。

從表4可見,各系統的指標熵權值可判斷各指標的重要性程度(用I表示),即IA2>IA3>IA1、IA5>IA4,得到I水污染>I污水治理;IB1>IB2、IB3>IB4,得到I生活水平>I人口發展;IC2>IC1、IC3>IC4,得到I經濟結構>I經濟活力;將指標從左至右排列來確定各系統指標重要性,得到淮河流域水環境—社會—經濟協調發展水平指標體系,見圖1。

圖1 淮河流域水環境—社會—經濟協調發展水平評價指標體系

該評價指標體系涉及到的初等突變模型類型主要是尖點突變系統(如污水治理、生活水平、人口發展、經濟結構和經濟活力等)和燕尾突變系統(如水污染),然后采用各系統下的歸一公式和指標“互補”原則得到水環境、社會、經濟各系統評價值,最后遵循各系統之間“非互補”原則,得到淮河流域水環境—社會—經濟系統的綜合評價值,并對整體協調發展水平進行評價。

3 水環境—社會—經濟系統協調發展水平分析

3.1 地域協調發展水平空間分析

“十一五”和“十二五”兩個時期淮河流域整體地域的協調性分別處于較高和高水平狀態,內部差距小。為了進一步了解各區域內部協調性水平差距,對各省區域的綜合值進行排序(圖2)。

由圖2(a)可見,淮河流域河南省水環境—社會—經濟系統發展綜合值最小,其次是江蘇省和安徽省,山東省最大。 “十一五”期間,淮河流域上游協調性相對較差,中游狀況一般,山東區域水系協調發展水平最優。由圖2(b)可見,“十二五”時期的系統發展綜合值提高,系統協調性水平上升,空間協調性也發生了變化。安徽省的系統發展綜合值排名下降,協調水平在流域整體中最差;河南省和江蘇省區域的系統綜合值排名上升,區域協調狀況在流域整體中逐步改善;山東省區域的協調性一直保持整體的最高水平?？傊?淮河流域西部地區協調水平較差,東北部協調水平最優,流域南部(安徽省)的協調狀況在整體中地位下降,所以需要關注流域南部經濟水平的發展,尋找經濟增長點,提高經濟實力,做到經濟狀況與社會發展水平相協調,達到流域整體的可持續健康發展。

圖2 淮河流域水環境—社會—經濟系統的協調性時空變化

3.2 水環境—社會—經濟系統的耦合協調性分析

淮河流域內河南省水環境—社會—經濟系統耦合協調性結果分析:河南省區域水環境、社會、經濟各系統的評價值、綜合評價值、水環境和社會之間的耦合度C1、水環境和經濟之間的耦合度C2等結果見表5、圖3。

表5 河南省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價結果

圖3 河南省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價變化

具體分析為:①水環境、社會和經濟各系統評價。從圖3可見,2005—2011年水環境系統評價值一直處于小幅增長的狀況,隨后4年狀況則逐漸趨于穩定,說明河南省區域在“十一五”期間水環境狀況得到逐漸改善,并在“十二五”期間保持良好狀態。由于河南省大力發展工業,導致河流污染嚴重。隨著節能環保意識的提高,當地水資源環境狀況逐漸改善。在研究期間,河南省社會系統評價值不斷增長,說明流域人口數量和生活水平不斷提高;經濟系統評價值呈先陡后緩的走勢,表明河南省前期經濟發展迅速,后期逐漸回歸平穩,經濟狀況穩定良好。②系統的綜合評價。由表5可知,河南省區域的系統綜合評價值波動增加,系統整體協調狀態呈“較低水平—較高水平—高水平”的發展趨勢,表明水環境和社會、經濟的綜合協調發展狀況逐步改善。其中,2005年系統整體處于低水平協調發展狀態,“十一五”期間則過渡到較高水平協調發展狀態,“十二五”期間發展到高水平協調發展狀態。③系統耦合度。河南省區域水環境和社會系統的耦合度保持在0.5左右,耦合階段為拮抗,表明社會發展對水環境的影響較大,人口增加和生活水平提高影響到水環境狀況,但兩者的相互作用保持不變。河南省水環境和經濟系統的耦合度為0.8—1并不斷下降,處于高水平耦合階段,表明經濟發展對水環境影響很大,但兩系統之間的相互作用越來越小,經濟發展不再以犧牲水環境質量為代價,實現了經濟發展和環境壓力的強脫鉤,經濟發展質量提高。

淮河流域內安徽省水環境—社會—經濟系統耦合協調性結果分析:安徽省區域水環境、社會、經濟各系統評價值、綜合評價值、水環境和社會之間的耦合度C1、水環境和經濟之間的耦合度C2等結果見表6、圖4。

表6 安徽省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價結果

圖4 安徽省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價變化

具體分析為:①對水環境、社會和經濟系統的評價。從圖4可見,水環境系統評價值不斷增加,說明安徽省區域經歷“十一五”和“十二五”兩個階段,水環境狀況逐步改善,水資源質量穩步提高。社會系統評價值在逐漸增加,說明安徽省區域的社會生活穩步發展。經濟系統評價值呈現先增后緩的增長趨勢,說明安徽省在“十一五”期間經濟發展迅速,而在“十二五”期間經濟增速明顯放緩,逐漸下降到10%以下,實現經濟穩定增長。②系統綜合評價。由表6可知,整體協調狀態呈較低水平—較高水平—高水平的發展趨勢,表明安徽省區域水環境和社會、經濟系統綜合協調發展狀況逐步改善。其中,2005年系統整體處于較低水平發展狀態,“十一五”前期的協調發展水平較高,后期及“十二五”期間已發展并保持在高水平協調發展狀態。③從系統耦合度情況。與河南省相同,安徽省區域水環境和社會系統的耦合階段為拮抗,表明社會發展對水環境影響較大,但兩者的相互作用保持不變。安徽省水環境和經濟系統的耦合度由高水平衰退到磨合階段,表明經濟發展對水環境影響很大但逐漸減小,這是因為安徽省經濟發展逐漸擺脫了對環境資源的依賴,經濟方式的轉變使經濟效益不斷提高。

淮河流域內江蘇省水環境—社會—經濟系統耦合協調性結果分析:江蘇省區域水環境、社會、經濟各系統評價值、綜合評價值、水環境和社會之間的耦合度C1、水環境和經濟之間的耦合度C2等結果見表7、圖5。

表7 江蘇省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價結果

圖5 江蘇省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價變化

具體分析為:①水環境、社會和經濟系統的評價。從圖5可見,水環境系統評價值緩慢增加,但在2010年評價值出現凹點,表明江蘇省在“十一五”前期注重發展經濟，隨著規劃的完成,人們開始保護水環境,減少工業廢水廢物的排放,使江蘇省水資源質量緩慢提高。2010年由于江蘇省萬元工業增加值氨氮排放量達37.46t/a/萬元,工業廢水效益低,導致經濟效益和社會效益提高的同時損害了水環境效益。社會系統評價值逐步增長,說明流域內人口數量不斷增加，人們的生活質量不斷提高。經濟系統評價值出現先增后緩的增加趨勢,主要是“十一五”期間過度追求經濟增速,經濟增速達15%以上,“十二五”期間經濟增速放緩,經濟質量提高。②系統綜合評價。由表7可知,江蘇省區域的系統整體狀態呈“低水平—較高水平—高水平”的發展趨勢,表明水環境和社會、經濟的綜合協調發展狀況逐步改善,但期間略有波動。其中,2005年系統整體為低水平協調,在“十一五”前兩年系統協調發展水平較高,后期已保持在高水平協調狀態。其中,2010年系統協調狀況受到水環境的影響,工業產值上升導致廢水廢物大量排放,環境狀況短期惡化。③系統耦合度。江蘇省區域水環境和社會系統的相互關系保持不變,而水環境和經濟系統之間的作用關系越來越弱,得益于該省經濟效益不斷提高。

淮河流域內山東省水環境—社會—經濟系統耦合協調性結果分析:山東省區域水環境、社會、經濟各系統評價值、綜合評價值、水環境和社會之間的耦合度C1、水環境和經濟之間的耦合度C2等結果見表8、圖6。

表8 山東省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價結果

圖6 山東省水環境—社會—經濟系統耦合協調發展評價變化

具體分析為:①從水環境、社會和經濟系統的評價情況。從圖6可見,水環境系統評價值在“十一五”期間上升幅度大,而“十二五”期間增加緩慢。由于山東省發展經濟忽視了環境質量,隨著經濟結構優化升級和保護環境的政策與環保意識提高,水環境狀況不斷改善。社會系統評價值呈波動式逐漸增加,其中2010年和2013年人口數量和人口密度大幅度增加,導致區域內水環境壓力增大,水環境狀況出現短期惡化。經濟系統評價值呈現先增后緩的增長狀態,表明經濟發展狀況逐漸變好。②系統綜合評價。由表8可知,山東省區域的系統整體協調狀態呈低水平—較高水平—高水平的發展趨勢,表明整體協調發展水平不斷提高。其中,2005年系統整體處于低水平協調發展狀態;在“十一五”期間,系統協調發展水平由較高發展水平到高水平協調狀態;在“十二五”期間水環境、社會、經濟系統整體仍保持在高水平協調發展狀態,其中2010年系統綜合狀況受到社會系統的影響,主要是當年人口數量急劇增加造成水環境壓力陡增。③系統耦合度。與其他區域相同,山東省區域水環境和社會系統的耦合階段為拮抗且不變。山東省水環境和經濟系統的耦合度為由高水平衰退到磨合階段,表明雖然經濟發展比社會發展對水環境的影響更大,但社會發展和經濟發展對水環境的影響力逐漸減小,兩者相互關系變弱。同時，需要重視社會系統的發展,積極轉變社會生活方式達到節約用水，實現水環境和社會耦合度下降。

4 結論

主要結論為:①從流域整體協調發展水平空間變化特征看，從“十一五”發展到“十二五”階段,流域整體協調性從較高水平上升到高水平,而流域南部地區(安徽省)的協調狀況下降,因此安徽省急需提高經濟發展水平和流域整體的綜合協調狀況?？傮w來說,流域內部協調性差距較小,其中西部地區協調水平較差,東北部協調水平保持最優。②從淮河流域各省區域水資源—社會—經濟各系統的發展狀況看,水環境和社會、經濟三大系統評價值整體呈增長趨勢,但經濟系統評價值變化狀態為先增后緩,水環境和社會系統評價值波動上升,說明淮河流域內各省份的社會經濟越來越好,水環境狀況逐步得到改善。“十一五”期間,由于淮河流域各省注重經濟發展,經濟增速普遍達到10%以上,使水環境質量變差。隨著“十二五”期間經濟結構的優化升級、環境保護政策的出臺、節水技術的提高和環保意識的增強等使經濟效益越來越好,水環境質量也逐步提高,呈可持續發展狀態。③從系統的綜合狀況和協調發展水平來看,淮河流域各省區域的整體協調狀態呈低水平—較低—較高水平—高水平的發展趨勢,表明水環境和社會、經濟的綜合協調發展狀況逐步提高。此外,由于受到突變級數法法的影響,使系統的綜合評價值由三個系統的最小評價值決定,所以淮河流域的經濟系統主要影響系統的綜合評價,要想流域未來水環境和社會經濟的協調發展水平再得到提高,經濟發展需要盡快走出過渡期和發展期,努力實現經濟發展方式的優化升級,積極發展第三產業,提高經濟發展活力來保證經濟水平的提高和穩定發展,實現經濟和社會水環境系統協調健康發展。④從系統之間耦合度看,淮河流域各省區域水環境和社會系統耦合為拮抗階段,表明社會發展對水環境影響較大,但兩者的相互作用基本保持不變。水環境和經濟系統的耦合是由高水平衰退到磨合階段,表明經濟發展對水環境影響很大,但經濟對水環境的作用越來越小,兩個系統的相互關系越來越弱,這是因為經濟發展逐漸擺脫了對環境資源的依賴,經濟方式轉變使經濟效益不斷提高。