基于辽河水源保护区城市发展与水资源环境关系研究

王程琳

(辽宁省昌图县水利水电工程移民局，辽宁 昌图 112599)

水资源的需求随着高强度的土地开发利用、工业化与城镇化的快速推进而不断增大，流域作为城镇化建设的主要组成部分不仅涉及了社会、经济、水资源系统等方面内容，而且还应考虑自然、生态、水环境系统协调可持续发展[1]。而水源保护区作为人类社会活动较为活跃和密集的区域，其水资源环境与城市发展的协调关系对于确保水资源环境质量安全、促进区域社会经济发展具有重要意义。所以，对区域经济发展与水资源环境的内在关系如何进行科学、合理的评价和识别十分必要，相关学者对此开展了大量的研究和探讨，如夏霆[2]等以镇江市为例从城市发展的角度分析了水环境与社会经济的协调程度；杨丽花[3]等从流域单元的角度分析了松花江流域水环境与社会经济发展的耦合协调关系；卢杰[4]等提出了太湖水库水环境与社会经济发展的内在协调关系。资料显示，目前水资源环境与社会发展的协调关系研究主要集中在中小尺度流域，而以大尺度流域作为基本单元的研究相对较少。选取大尺度流域作为研究单位对于区域生态环境建设更具有指导意义和实践价值，为了促进区域可持续发展有必要对辽河水源保护区城市发展与水资源环境的内在关系进行深入的分析和探讨[5]。本文以辽河流域水源保护区为例对其2005—2015年城市发展与水资源环境的内在关系利用耦合模型进行了分析和探讨，以期为科学有效地解决该区域生态环境保护与经济发展之间的矛盾、促进水资源与社会经济协调可持续发展提供一定参考和依据[6]。

1 流域概况与研究方法

1.1 辽河流域概况

辽河流域不仅是实现东北地区生态经济发展建设的重要基础，而且是辽宁省水生态、水质量以及水平衡保护区域。辽河流域上游因其独特的地理特征决定了该区域为生态环境保护、水源涵养以及生态修复的核心区域，水源保护区的可持续性不仅是辽河流域经济可持续发展的重要基础而且是辽宁省整个区域赖以生存和发展的必要前提[7]。随着东北地区振兴规划高度的上升以及辽河流域生态经济区建设的推进，不仅要促进水源保护区的社会经济发展，而且要突出其生态环境保护的必要性，在生态环境建设与区域经济发展中引入水资源环境与城市发展耦合的理论思想

不仅有助于内化流域源头生态系统的外部性，而且对其变化在时间序列上进行客观表征和反映有利于区域综合发展规划。所以，在发展振兴东北地区经济以及辽河流域生态环境建设框架内研究水资源环境与城市发展关系的演变规律具有重要意义[8]。

1.2 研究方法

耦合协调程度及其作用从协同学的角度上决定了系统由无序状态走向有序状态的变化趋势，这种协同作用的度量可通过耦合度进行表征和反映[9]。据此，对水资源环境质量与城市经济发展的内在关联可利用耦合概念模型进行探讨，然而水资源生态环境与城市经济发展的内在变化关系和系统特征根性质受其稳定性、非线性过程影响显著。所以，一般可采用下述函数方程反映水资源环境与城市发展变化过程：

F(c)=∑ajxji=1，2，3，…，n

(1)

F(ω)=∑bjxjj=1，2，3，…，n

(2)

式中，F(c)、F(ω)—经济发展和水环境系统；i，j—对应于各自系统的元素；g，h—对应于各元素的权重系数，考虑到2种元素相抑制的重要程度，其值均为0.5。

引入耦合协调度模型对水资源环境与城市经济发展交互耦合程度进行更加客观、直观的反映和表征，模型公式如下：

T=gF(c)+hF(ω)

(3)

(4)

(5)

式中，T、C—城市发展与水资源环境演变综合发展和协调指数；D—系统相互耦合程度即耦合协调度，其取值区间为0～1。结合辽河流域水源保护区经济发展特征以及水资源环境实际状况耦合协调度评价等级见表1。

表1 辽河流域水源保护区耦合协调度评价标准

将系统的相互胁迫关系作为一个复合系统，其主导部分分别为F(c)、F(ω)2部分内容，采用下式代表系统的演化过程：

A=A1f(c)+A2f(ω)

(6)

B=B1f(c)+B2f(ω)

(7)

式中，A、B—受外来与自身影响下经济子系统和水资源环境子系统的演化状态；VA、VB—在外界和自身影响条件下2个系统的演化速度，计算方法如公式(8)所示。

(8)

(9)

复合系统中A和B子系统相互影响、相互作用，任一子系统的改变均可显著引起整个系统的改变。演化速度VA、VB的函数关系即可作为整个系统的演化速度，其表达式为V=f(VA，VB)，因此系统控制变量即可选取为VA、VB，并以V的变化趋势作为2个子系统以及整个系统的协调耦合关系发展趋势的判别依据。

假定水资源环境与城市经济发展的动态关系呈周期性变化特征则可在二维平面上分析VA和VB的演化轨迹并反映V的整体变化过程。

不同系统之间的的协调耦合度模型如下：

(10)

(11)

城市发展子系统和水资源环境子系统的耦合度α可用下式计算：

(12)

(13)

式中，ar(t)、ai(t)—子系统之间的综合指数。

分别以VC、VA为变量建立坐标系，以夹角θ为模型耦合度，则坐标系中的椭圆即为V的演化轨迹，如图1所示。

图1 系统耦合关系演化周期示意图

图1中象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ分别代表低协调共生、协调发展、极限发展以及再生发展阶段，其中低协调共生阶段其经济发展过程较为缓慢，经济发展受水环境的约束和限制的影响几乎为零；协调发展阶段其水环境开始约束和限制经济发展，水环境与经济发展之间开始显露矛盾但矛盾并不明显；极限发展阶段其水资源需求与破坏作用受经济发展日趋增大，且二者矛盾突出必须通过技术调控方法达到高级协调共生状态；再生阶段是指水环境与城市化之间由交互胁迫关系重组为相互促进，并实现系统的高级协调共生发展。

本文结合已有研究成果和区域自身特征构建了辽河水源保护区水资源环境与经济系统的评价指标体系。利用经济规模、效率以及经济分析方法和原则对城市发展系统进行评价指标的筛选，考虑到水源保护区后发优势的实际情况并结合城市化快速发展过程中存在严重的废水排放与水资源消耗特征，可按照水资源环境压力、状态、响应程度对水系统进行衡量和指标的筛选[10]。

对于复杂性系统问题层次分析法具有较为显著的优势，因此本文采用指标权重的计算方法进行主观权重的计算，其基本过程是将整个评价系统划分为目标层、准则层和指标层3个层次，其中目标层为水资源与城市协调发展耦合程度，准则层和指标层分别为各子系统的一级指标和二级指标。然后可构造相邻等级之间的判断矩阵，通过矩阵进行标准化处理和一致性检验完成各指标的权重计算。而熵权法为目前进行客观权重计算的常用方法，其基本理论是利用各评价样本之间的差异性即在竞争意义上各指标的激烈程度作为指标的权重[11]。据此，本文结合已有研究成果和相关专家意见在遵循了系统性、可选性、代表性以及可操作性原则的基础上构建了评价指标体系，分别采用熵权法和层次分析法对各指标的主客观权重进行计算，然后按照加权平均的方法确定了指标的最终权重，结果见表2。

表2中B1～B6分别代表经济规模、效率、结构和资源压力、状态、相应程度；C1～C4分别为人均GDP、财政收入、固定资产投资以及社会消费品零售额；C5～C8分别为财政收入、固定资产投资、人均社会消费额以及工业产值比重增长率；C9～C10分别为规模以上工业增加值GDP比重和第三产业比重；C11～C16分别为万元GDP工业废水、工业废水、城镇居民生活废水、人均工业废水排放量以及单位GDP用水量、人均日生活用水量；C17～C18分别为工业废水排放达标率和城镇居民生活废水排放达标率；C19～C24分别代表人均公共绿地面积、年降水量、亩均水资源量、森林覆盖率、人均水资源量和区域水资源总量。

表2 辽河水源保护区城市发展与水资源环境协同耦合评价指标体系

2 结果分析

2.1 城市发展与水资源环境系统变化水平

对各评价指标进行无量钢化处理可得到辽河水源保护区在2005—2015年耦合系统内在变化水平，结果如图2所示。由图2可知，辽河水源保护区水环境指数以及区域城市发展指数整体呈上升趋势。社会经济指数相对于2005年存在较快的增幅，其主要原因为该区域具有资源后发和独特的地理优势促进了区域较快的社会经济增长，并对城市发展造成了显著的影响。水环境与城市发展指数差异值在研究期间逐渐降低，由此表明水资源环境质量受到城市建设发展的影响呈逐渐降低趋势，其主要原因为该区域生态屏障性建设需求促进了区域水资源环境基础设施的投入和水源保护力度，进而促进了耦合水平。

图2 辽河水源保护区系统演化趋势

2.2 城市发展与水资源系统的耦合协调度

对研究区域的耦合协调度(D)、协调指数(C)以及综合指数利用文中所述相关公式进行求解计算，结果如图3所示。

图3 辽河水源保护区系统演化趋势

由图3综合发展指数变化趋势可知，综合指数虽然在中间出现一定的波动但整体呈缓慢增加趋势，在2005—2007年T值均值为0.47呈现出一定的下降趋势，由此表明水资源环境受到城市发展的胁迫压力存在增大趋势；然后该指数呈现出缓慢上升，并且水资源环境的投入低于城市发展表现出显著的滞后现象；在后期T值均值综合平均值约为0.65，相对于前期存在明显的提升，其原因主要与保护区生态屏障建设相关。

协调发展指数(C)在2005—2010年间整体呈缓慢增大趋势，由开始的0.826增大至0.912，该区域对水资源环境与城市经济发展的投入大致相同；在后期该指数值明显增大其主要原因为该区域加大了水资源生态环境保护的力度，与加快了生态建设投入有关。然而在2015年C值存在一定的回落其原因可能与降雨量有关，在降雨量不足的情况下水源无法满足城市发展需求进而出现一定的回落。

研究期间，D值整体呈阶梯式增加趋势且各阶段协调变化状态存在一定差异，根据耦合协调度(D)的变化趋势可将其划分为缓慢增长期、平稳增长期以及快速增长期3个阶段。其中缓慢增长期为2005—2010年，其均值为0.39，由此表明水资源环境和经济发展的区域差异分别处于较小、较大的状态，二者处于拮抗阶段其协调水平较低，水环境资源已经开始受到社会经济建设的轻微威胁和影响；平稳增长阶段为2011—2013年其平均值为0.46，城市经济的区域差异逐渐降低并与水资源环境处于较高的拮抗阶段，经济发展可为改善水资源质量和提升水环境提供资金支持。然而由于水环境质量的滞后性特征对其改善程度存在一定的差异。因此，表现出水环境质量受经济实力发展的影响较为显著，而水环境质量区域差异逐渐增大的特征。快速增长阶段即可认为二者达到良性耦合阶段，更多的资金可投入至水环境质量改善中，水环境质量的区域性差异随地区间经济差异的降低而逐渐缩小。如果其耦合作用不能达到理想效果则极有可能重新回到耦合前的阶段。

2.3 城市发展与水环境的耦合度

利用文中所述系统的演化以及协调耦合度模型可分别对水环境质量以及经济发展2条曲线进行拟合，可分别得到演化速度和和耦合度计算结果，见表3。

表3 辽河水源保护区城市发展与水资源协调耦合度计算结果

由表3计算结果和耦合协调度模型计算结果可知，辽河水源保护区β值在研究期间处于-90°～90°现象区间，由此表明该区域整体处于协调发展与低协调工程发展阶段。水资源环境限制和制约城市发展的作用日益显著，经济发展严重受到水资源环境的威胁且呈增大趋势。

3 结论

本文以辽河水源保护区为例，结合已有研究成果构建了评价指标体系，并对其水资源环境城市发展的耦合现状利用耦合模型进行详细分析，得出的主要结论为：辽河水源保护区水环境指数以及区域城市发展指数整体呈上升趋势；水环境与城市发展指数差异值在研究期间逐渐降低；然后该指数缓慢上升，并且水资源环境的投入低于城市发展表现出显著的滞后现象；在后期T值均值综合平均值约为0.65，相对于前期存在明显的提升其原因主要与保护区生态屏障建设相关；同时，辽河水源保护区整体处于低协调发展共生到协调发展阶段，水资源环境限制和制约城市发展的作用日益显著，经济发展严重受到水资源环境的威胁且呈增大趋势。

通过以上分析可知，科学合理的选取评价指标是研究城市发展与水资源环境协调评价的难点和核心内容，在实际生活中二者的交互作用不仅与辽河流域各城市经济发展水平相关，而且与内部产业结构及其影响因素相关，这些因素和特征将对耦合结果造成一定的影响，在未来仍需要进一步的深入研究和完善。