基于遼河水源保護區城市發展與水資源環境關系研究

王程琳

(遼寧省昌圖縣水利水電工程移民局，遼寧 昌圖 112599)

水資源的需求隨著高強度的土地開發利用、工業化與城鎮化的快速推進而不斷增大，流域作為城鎮化建設的主要組成部分不僅涉及了社會、經濟、水資源系統等方面內容，而且還應考慮自然、生態、水環境系統協調可持續發展[1]。而水源保護區作為人類社會活動較為活躍和密集的區域，其水資源環境與城市發展的協調關系對于確保水資源環境質量安全、促進區域社會經濟發展具有重要意義。所以，對區域經濟發展與水資源環境的內在關系如何進行科學、合理的評價和識別十分必要，相關學者對此開展了大量的研究和探討，如夏霆[2]等以鎮江市為例從城市發展的角度分析了水環境與社會經濟的協調程度；楊麗花[3]等從流域單元的角度分析了松花江流域水環境與社會經濟發展的耦合協調關系；盧杰[4]等提出了太湖水庫水環境與社會經濟發展的內在協調關系。資料顯示，目前水資源環境與社會發展的協調關系研究主要集中在中小尺度流域，而以大尺度流域作為基本單元的研究相對較少。選取大尺度流域作為研究單位對于區域生態環境建設更具有指導意義和實踐價值，為了促進區域可持續發展有必要對遼河水源保護區城市發展與水資源環境的內在關系進行深入的分析和探討[5]。本文以遼河流域水源保護區為例對其2005—2015年城市發展與水資源環境的內在關系利用耦合模型進行了分析和探討，以期為科學有效地解決該區域生態環境保護與經濟發展之間的矛盾、促進水資源與社會經濟協調可持續發展提供一定參考和依據[6]。

1 流域概況與研究方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域不僅是實現東北地區生態經濟發展建設的重要基礎，而且是遼寧省水生態、水質量以及水平衡保護區域。遼河流域上游因其獨特的地理特征決定了該區域為生態環境保護、水源涵養以及生態修復的核心區域，水源保護區的可持續性不僅是遼河流域經濟可持續發展的重要基礎而且是遼寧省整個區域賴以生存和發展的必要前提[7]。隨著東北地區振興規劃高度的上升以及遼河流域生態經濟區建設的推進，不僅要促進水源保護區的社會經濟發展，而且要突出其生態環境保護的必要性，在生態環境建設與區域經濟發展中引入水資源環境與城市發展耦合的理論思想

不僅有助于內化流域源頭生態系統的外部性，而且對其變化在時間序列上進行客觀表征和反映有利于區域綜合發展規劃。所以，在發展振興東北地區經濟以及遼河流域生態環境建設框架內研究水資源環境與城市發展關系的演變規律具有重要意義[8]。

1.2 研究方法

耦合協調程度及其作用從協同學的角度上決定了系統由無序狀態走向有序狀態的變化趨勢，這種協同作用的度量可通過耦合度進行表征和反映[9]。據此，對水資源環境質量與城市經濟發展的內在關聯可利用耦合概念模型進行探討，然而水資源生態環境與城市經濟發展的內在變化關系和系統特征根性質受其穩定性、非線性過程影響顯著。所以，一般可采用下述函數方程反映水資源環境與城市發展變化過程：

F(c)=∑ajxji=1，2，3，…，n

(1)

F(ω)=∑bjxjj=1，2，3，…，n

(2)

式中，F(c)、F(ω)—經濟發展和水環境系統；i，j—對應于各自系統的元素；g，h—對應于各元素的權重系數，考慮到2種元素相抑制的重要程度，其值均為0.5。

引入耦合協調度模型對水資源環境與城市經濟發展交互耦合程度進行更加客觀、直觀的反映和表征，模型公式如下：

T=gF(c)+hF(ω)

(3)

(4)

(5)

式中，T、C—城市發展與水資源環境演變綜合發展和協調指數；D—系統相互耦合程度即耦合協調度，其取值區間為0～1。結合遼河流域水源保護區經濟發展特征以及水資源環境實際狀況耦合協調度評價等級見表1。

表1 遼河流域水源保護區耦合協調度評價標準

將系統的相互脅迫關系作為一個復合系統，其主導部分分別為F(c)、F(ω)2部分內容，采用下式代表系統的演化過程：

A=A1f(c)+A2f(ω)

(6)

B=B1f(c)+B2f(ω)

(7)

式中，A、B—受外來與自身影響下經濟子系統和水資源環境子系統的演化狀態；VA、VB—在外界和自身影響條件下2個系統的演化速度，計算方法如公式(8)所示。

(8)

(9)

復合系統中A和B子系統相互影響、相互作用，任一子系統的改變均可顯著引起整個系統的改變。演化速度VA、VB的函數關系即可作為整個系統的演化速度，其表達式為V=f(VA，VB)，因此系統控制變量即可選取為VA、VB，并以V的變化趨勢作為2個子系統以及整個系統的協調耦合關系發展趨勢的判別依據。

假定水資源環境與城市經濟發展的動態關系呈周期性變化特征則可在二維平面上分析VA和VB的演化軌跡并反映V的整體變化過程。

不同系統之間的的協調耦合度模型如下：

(10)

(11)

城市發展子系統和水資源環境子系統的耦合度α可用下式計算：

(12)

(13)

式中，ar(t)、ai(t)—子系統之間的綜合指數。

分別以VC、VA為變量建立坐標系，以夾角θ為模型耦合度，則坐標系中的橢圓即為V的演化軌跡，如圖1所示。

圖1 系統耦合關系演化周期示意圖

圖1中象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ分別代表低協調共生、協調發展、極限發展以及再生發展階段，其中低協調共生階段其經濟發展過程較為緩慢，經濟發展受水環境的約束和限制的影響幾乎為零；協調發展階段其水環境開始約束和限制經濟發展，水環境與經濟發展之間開始顯露矛盾但矛盾并不明顯；極限發展階段其水資源需求與破壞作用受經濟發展日趨增大，且二者矛盾突出必須通過技術調控方法達到高級協調共生狀態；再生階段是指水環境與城市化之間由交互脅迫關系重組為相互促進，并實現系統的高級協調共生發展。

本文結合已有研究成果和區域自身特征構建了遼河水源保護區水資源環境與經濟系統的評價指標體系。利用經濟規模、效率以及經濟分析方法和原則對城市發展系統進行評價指標的篩選，考慮到水源保護區后發優勢的實際情況并結合城市化快速發展過程中存在嚴重的廢水排放與水資源消耗特征，可按照水資源環境壓力、狀態、響應程度對水系統進行衡量和指標的篩選[10]。

對于復雜性系統問題層次分析法具有較為顯著的優勢，因此本文采用指標權重的計算方法進行主觀權重的計算，其基本過程是將整個評價系統劃分為目標層、準則層和指標層3個層次，其中目標層為水資源與城市協調發展耦合程度，準則層和指標層分別為各子系統的一級指標和二級指標。然后可構造相鄰等級之間的判斷矩陣，通過矩陣進行標準化處理和一致性檢驗完成各指標的權重計算。而熵權法為目前進行客觀權重計算的常用方法，其基本理論是利用各評價樣本之間的差異性即在競爭意義上各指標的激烈程度作為指標的權重[11]。據此，本文結合已有研究成果和相關專家意見在遵循了系統性、可選性、代表性以及可操作性原則的基礎上構建了評價指標體系，分別采用熵權法和層次分析法對各指標的主客觀權重進行計算，然后按照加權平均的方法確定了指標的最終權重，結果見表2。

表2中B1～B6分別代表經濟規模、效率、結構和資源壓力、狀態、相應程度；C1～C4分別為人均GDP、財政收入、固定資產投資以及社會消費品零售額；C5～C8分別為財政收入、固定資產投資、人均社會消費額以及工業產值比重增長率；C9～C10分別為規模以上工業增加值GDP比重和第三產業比重；C11～C16分別為萬元GDP工業廢水、工業廢水、城鎮居民生活廢水、人均工業廢水排放量以及單位GDP用水量、人均日生活用水量；C17～C18分別為工業廢水排放達標率和城鎮居民生活廢水排放達標率；C19～C24分別代表人均公共綠地面積、年降水量、畝均水資源量、森林覆蓋率、人均水資源量和區域水資源總量。

表2 遼河水源保護區城市發展與水資源環境協同耦合評價指標體系

2 結果分析

2.1 城市發展與水資源環境系統變化水平

對各評價指標進行無量鋼化處理可得到遼河水源保護區在2005—2015年耦合系統內在變化水平，結果如圖2所示。由圖2可知，遼河水源保護區水環境指數以及區域城市發展指數整體呈上升趨勢。社會經濟指數相對于2005年存在較快的增幅，其主要原因為該區域具有資源后發和獨特的地理優勢促進了區域較快的社會經濟增長，并對城市發展造成了顯著的影響。水環境與城市發展指數差異值在研究期間逐漸降低，由此表明水資源環境質量受到城市建設發展的影響呈逐漸降低趨勢，其主要原因為該區域生態屏障性建設需求促進了區域水資源環境基礎設施的投入和水源保護力度，進而促進了耦合水平。

圖2 遼河水源保護區系統演化趨勢

2.2 城市發展與水資源系統的耦合協調度

對研究區域的耦合協調度(D)、協調指數(C)以及綜合指數利用文中所述相關公式進行求解計算，結果如圖3所示。

圖3 遼河水源保護區系統演化趨勢

由圖3綜合發展指數變化趨勢可知，綜合指數雖然在中間出現一定的波動但整體呈緩慢增加趨勢，在2005—2007年T值均值為0.47呈現出一定的下降趨勢，由此表明水資源環境受到城市發展的脅迫壓力存在增大趨勢；然后該指數呈現出緩慢上升，并且水資源環境的投入低于城市發展表現出顯著的滯后現象；在后期T值均值綜合平均值約為0.65，相對于前期存在明顯的提升，其原因主要與保護區生態屏障建設相關。

協調發展指數(C)在2005—2010年間整體呈緩慢增大趨勢，由開始的0.826增大至0.912，該區域對水資源環境與城市經濟發展的投入大致相同；在后期該指數值明顯增大其主要原因為該區域加大了水資源生態環境保護的力度，與加快了生態建設投入有關。然而在2015年C值存在一定的回落其原因可能與降雨量有關，在降雨量不足的情況下水源無法滿足城市發展需求進而出現一定的回落。

研究期間，D值整體呈階梯式增加趨勢且各階段協調變化狀態存在一定差異，根據耦合協調度(D)的變化趨勢可將其劃分為緩慢增長期、平穩增長期以及快速增長期3個階段。其中緩慢增長期為2005—2010年，其均值為0.39，由此表明水資源環境和經濟發展的區域差異分別處于較小、較大的狀態，二者處于拮抗階段其協調水平較低，水環境資源已經開始受到社會經濟建設的輕微威脅和影響；平穩增長階段為2011—2013年其平均值為0.46，城市經濟的區域差異逐漸降低并與水資源環境處于較高的拮抗階段，經濟發展可為改善水資源質量和提升水環境提供資金支持。然而由于水環境質量的滯后性特征對其改善程度存在一定的差異。因此，表現出水環境質量受經濟實力發展的影響較為顯著，而水環境質量區域差異逐漸增大的特征。快速增長階段即可認為二者達到良性耦合階段，更多的資金可投入至水環境質量改善中，水環境質量的區域性差異隨地區間經濟差異的降低而逐漸縮小。如果其耦合作用不能達到理想效果則極有可能重新回到耦合前的階段。

2.3 城市發展與水環境的耦合度

利用文中所述系統的演化以及協調耦合度模型可分別對水環境質量以及經濟發展2條曲線進行擬合，可分別得到演化速度和和耦合度計算結果，見表3。

表3 遼河水源保護區城市發展與水資源協調耦合度計算結果

由表3計算結果和耦合協調度模型計算結果可知，遼河水源保護區β值在研究期間處于-90°～90°現象區間，由此表明該區域整體處于協調發展與低協調工程發展階段。水資源環境限制和制約城市發展的作用日益顯著，經濟發展嚴重受到水資源環境的威脅且呈增大趨勢。

3 結論

本文以遼河水源保護區為例，結合已有研究成果構建了評價指標體系，并對其水資源環境城市發展的耦合現狀利用耦合模型進行詳細分析，得出的主要結論為：遼河水源保護區水環境指數以及區域城市發展指數整體呈上升趨勢；水環境與城市發展指數差異值在研究期間逐漸降低；然后該指數緩慢上升，并且水資源環境的投入低于城市發展表現出顯著的滯后現象；在后期T值均值綜合平均值約為0.65，相對于前期存在明顯的提升其原因主要與保護區生態屏障建設相關；同時，遼河水源保護區整體處于低協調發展共生到協調發展階段，水資源環境限制和制約城市發展的作用日益顯著，經濟發展嚴重受到水資源環境的威脅且呈增大趨勢。

通過以上分析可知，科學合理的選取評價指標是研究城市發展與水資源環境協調評價的難點和核心內容，在實際生活中二者的交互作用不僅與遼河流域各城市經濟發展水平相關，而且與內部產業結構及其影響因素相關，這些因素和特征將對耦合結果造成一定的影響，在未來仍需要進一步的深入研究和完善。