基于DPSIRM模型的城市化进程与水安全耦合关系分析

王欣， 侯效灵， 侯保灯， 王丽川,， 黄亚， 王伟

(1.华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046； 2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038； 3.广西大学，广西 南宁 530004； 4.辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

近年来，随着城市化进程的不断加快，洪涝灾害、水质污染、水资源短缺等事件频发，水安全问题已成为国内外研究热点，与粮食安全、环境安全和生态安全紧密相连[1-2]。水安全是指健康的自然水资源存在于社会和经济之间的良性互动，在不损害经济或社会正常发展需求的前提下，以其自身的公正独特实现水资源的合理分配和可持续发展[3]。研究城市化进程与区域水安全之间的关系对于控制不安全因素、缓解供水矛盾、进一步提高水资源利用率、促进经济社会发展和水资源开发具有重要意义。

20世纪70年代PSR(压力P、状态S、响应R)模型首次被提出，并应用于分析环境压力、现状与响应之间的关系[4]。联合国基于把PSR模型改进为DSR(驱动力D、状态S、响应R)模型的基础上，提出并开发了DPSIR(驱动力D、压力P、状态S、影响I、响应R)模型以代表资源或环境系统的概念与结构，而后便有学者出于决策者视角将“管理”应用于DPSIR模型，即DPSIRM(驱动力D、压力P、状态S、影响I、响应R、管理M)模型。孙晓蓉等[5]根据模型框架搭建了区域环境风险变化评价模型并对工业进程中突发性环境污染事件进行了评估；陈华伟等[6]基于DPSIRM概念将多元联系数与马尔科夫链随机模型进行耦合，对东营市水生态安全进行了评价；更有学者将其与健康距离模型、遗传算法和投影追踪算法结合起来[7-8]，应用于各个领域，其实用性更为广泛。

保定市位于水资源匮乏的华北地区，属“资源性缺水”与“水质性缺水”并存地区[9]。随着经济社会的发展与城市化进程的加快，水资源的过度开发和利用、生态系统的退化与水污染的加剧，导致保定市水安全问题日益突出。当前，国内外学者将城市化进程与水安全问题主要归结为水资源匮乏与水环境污染两方面[10-11]。随着中国城市化水平的不断提高，大部分城市水资源供需矛盾日益突出，城市化进程与水安全之间存在着不可分割的关系。2017年4月1日，雄安新区设立，基于此背景，研究保定市的城市化进程与水安全评价，这对新区的水资源规划、利用和管理具有重要的参考作用和现实意义[12]。

鉴于此，本文以保定市为研究区域(为保持数据的连续性，2017—2018年数据仍包括雄安新区雄县、容城、安新3县)，结合水资源特点与实际情况，参考并借鉴相关研究成果，构建基于DPSIRM概念模型的保定市城市化进程与水安全评价指标体系，利用T-C-D耦合协调度模型对保定市2005—2018年城市发展与水安全情况进行定量评价，以期为雄安新区建设背景下的保定市及其他类似城市的水资源规划与管理提供参考依据和决策支持。

1 研究区概况

保定市位于河北省中部，是京津冀地区中心城市。地处太行山北部东麓、冀中平原西部，介于北纬38°10′～40°00′、东经113°40′～116°20′之间。地势由西北向东南倾斜，占地面积22 190 km2(含雄县、容城、安新3县，下同)，其中山区面积10 988.1 km2，平原面积11 124.9 km2，分别占总面积的49.7%和50.3%。

保定市多年平均气温13.4 ℃，年平均降水量498.9 mm，年内降水分配不均，主要集中在6—8月，7月最多。保定市位于海河流域大清河水系的中上游，大清河水系流域面积4.3万km2，白洋淀以上流域面积3.1万km2。境内水系的最大特点是呈扇形分布，自成水系。保定市多年平均地表水资源量16.20亿m3，地下水资源量22.23亿m3，水资源总量29.78亿m3，多年平均入境水量6.32亿m3。市内主要有永定河、潴龙河、白沟河和南拒马河等河流以及西大洋、王快、安格庄等水库；市区东部有白沟河和南拒马河大堤围绕形成的兰沟洼滞洪区，设计滞洪量2.0亿m3，充分发挥滞洪作用，承担白沟河、南拒马河超标准洪水，如遇特枯年份等特殊情况时，作为调蓄池供雄安新区城市生态用水。享有“华北明珠”之誉的白洋淀位于西南一隅，更有引黄入冀补淀工程沿区域边界向白洋淀生态补水、南水北调中线工程横穿市区保障生活生产用水。

2 研究方法与数据处理

2.1 数据来源与处理

研究数据主要来源于《河北省水资源公报》《河北省统计年鉴》《保定经济统计年鉴》和保定市供水网(http://www.bdwater.com)。部分缺失数据采用趋势预测获取。

由于收集的原始数据存在单位、大小不统一等问题，因此首先对数据进行标准化处理。指标的种类划分为与城市化进程或水安全发展过程呈正相关关系的正向指标和呈负相关关系的负向指标。标准化公式如下：

对于正向性指标“+”，

x′ij=(xij-xminj)/(xmaxj-xminj)。

(1)

对于负向性指标“-”，

x′ij=(xmaxj-xij)/(xmaxj-xminj)。

(2)

式中：xmaxj和xminj分别代表j指标的最大值和最小值；xij为指标初始数据，x′ij为处理后的标准值。

2.2 指标体系构建

以DPSIRM模型概念框架为基础，构建驱动力、压力、状态、影响、响应和管理6个子系统，如图1所示。具体含义为：城市人口和经济社会发展推动水资源变化，作为“D驱动力”子系统；由此带来的水资源需求与压力作为“P压力”子系统；面对水资源供需所推动的经济社会发展作为“S状态”子系统；水资源与社会、自然、经济之间的矛盾和效益作为“I影响”子系统；为了社会建设以及水资源与社会、自然、经济之间矛盾的缓解，将水污染治理与水资源空间供需作为“R响应”子系统；通过政策发布来加强水资源的调控作为“M管理”子系统。

图1 DPSIRM框架模型

根据河北省保定市的水资源特点和利用状况，以城市化发展现实情况为基础，以合理性、代表性与科学性为原则，将城市化进程作为评价指标的目标层，下设人口城市化、经济城市化、空间城市化与社会城市化4个要素层[13]。由于水安全问题涉及面较广，且各指标体系应该具有一定的层次结构。为了与2000年3月在荷兰海牙召开的世界部长级会议上提出的21世纪水安全所面临的挑战相整合[14]，以水量、水质与水价作为评价指标的要素层建立水安全指标体系。

2.3 指标权重确定

主观赋值法虽然操作简单、计算便捷，但是受外在因素的影响，科学严谨程度薄弱[15-16]。为避免某种程度上由主观因素引起的偏差，本文采用改进后的熵值法，可避免因相互间微小差别就可能引起不同指标的熵权间成倍数变化的问题。各个指标层权重的详细算法见参考文献[17]。权重计算结果见表1。

表1 城市化进程与水安全评价指标及其权重

续表

2.4 T-C-D耦合协调度模型

耦合是指多个事物之间相互影响与作用的现象，城市化进程与水安全之间正是这种关系。为了更加清晰地表征二者是在高水平上相互促进还是在低水平上相互制约，本文选取T-C-D耦合协调度模型进行评价，具体步骤如下。

根据指标权重计算两系统的逐年综合评价指数：

(3)

式中：u为综合评价指数；wj1为第j个指标权重值；n为年份。

计算城市化进程与水安全整体综合评价指数T：

T=αu1+βu2。

(4)

式中：α与β均取0.5；u1与u2分别为城市化进程与水安全综合评价指数。

基于二者差异系数越小、系统关系越协调这一原则，确定耦合度公式为：

(5)

式中：C为耦合度；k为调节系数，k≥2，本文取k=2。

耦合度C仅反映二者相互作用程度，因此还需计算二者耦合协调度：

(6)

其中D为耦合协调度，0≤D≤1。

将两系统耦合协调等级进行划分并分类[18]，结果见表2和表3。

表2 城市化进程与水安全耦合协调发展类型划分

表3 城市化进程与水安全耦合协调度等级划分

3 结果与分析

3.1 城市化进程发展过程分析

我国学者基于诺瑟姆提出的城市化进程轨迹S型曲线理论进行数学模型推导，提出城市化进程一般分为缓慢、加速、减速、成熟4个阶段[13]。根据《保定经济统计年鉴》数据显示，以城镇人口占比作为划分标准时，保定市城市化进程分为两个主要阶段，如图2所示。由图2可以看出：2005—2016年,城市化率由31.83%增至49.03%，为加速发展阶段；2017—2018年,城市化率由50.88%增至53.49%，为减速发展阶段。

图2 保定市城镇人口占比情况

下面从表现城市化进程特征的4个要素进行分析，并作出趋势分析图，如图3所示。

1)人口城市化(图3(a))：加速发展阶段，城镇化率大幅增加，近10年增加了17.2%，人口密度由于计划生育的普及有所下降；减速发展阶段，人口密度相对于加速发展阶段的偏低，城镇人口占比呈上升趋势。

2)经济城市化(图3(b))：加速发展阶段，2016年的人均GDP为2005年的2.9倍，经济城市化水平极大提升；虽然城市化进程处于减速发展阶段，但保定市经济水平仍然处于增长态势，2018年的人均GDP较上年提高了5.8%，这与人民经济生活水平提高和政府不断改善投资结构密不可分。

3)空间城市化(图3(c))：加速发展阶段，人均道路面积由11.46 m2增加至20.24 m2，增加了76.6%；减速发展阶段，销售住宅面积较加速发展阶段出现小幅下降，但整体呈增长态势。

4)社会城市化(图3(d))：加速发展阶段，截至2016年底，保定市学校、医院服务数量分别同比增长37.16%和50.87%，整体保持高速发展态势；减速发展阶段，2017年开始，学校、医院服务数量增加的速率也较加速发展阶段的偏大，社会受教育与医疗程度得到了很大提升。

图3 保定市城市化进程特征曲线

3.2 城市化不同发展阶段水安全发展过程分析

2005—2018年保定市城市化进程与水安全耦合协调度见表4，据表4结果分析得出：2005—2018年保定市水安全特征整体呈现上升趋势，尤其在2017—2018年增势迅猛，这与南水北调中线工程的建设以及政府加快推进水环境治理密不可分。南水北调中线工程有效保障了人民生活用水，地下水水位埋深也逐步恢复。

表4 2005—2018年保定市城市化进程与水安全耦合协调度

为进一步观察保定市城市化进程与水安全的相互关系，本文以城市化进程的不同阶段为时间序列，分析保定市水安全发展特征，结果如图4所示。

1)水量指标特征(图4(a))：城市化加速发展阶段，人口高度集中，生活用水量大幅增加，图像呈“几”字型，主要是因为社会快速发展，随后节水器具的普及使得生活用水量进入平稳状态，耗水率在73%上下波动，变幅不明显，未图示；城市化减速发展阶段，2018年人均水资源量降至185 m3，在注重人水合一、打造环境景观的时代背景下，生态用水量增势迅猛，比2016年提高了2.3倍。

2)水质指标特征(图4(b))：城市化加速发展阶段，优良水质占比从2005年便开始提升并维持在70%左右，后期仍处于稳定阶段；城市化减速发展阶段，由于城市经济发展，大规模的工业废水排放与农药的使用，使优良水质占比有下降趋势。经过有关部门治理，优良水质占比回升至80%，且南水北调中线供水水质优良，优良水质占比有继续增长趋势。

3)水价指标特征(图4(c))：无论是城市化加速发展阶段，还是减速发展阶段，水价均呈现上升趋势。到户水价逐年上升，但水资源费(税)与污水处理费均为阶段性上升，稳步一段时间后再继续增加。水价上涨的主要原因是水资源管理费与污水处理费的上涨。

2005—2016年城市化加速发展阶段，保定市水安全发展的主要特征为用水量逐年增加，人均水资源量呈波浪形上下浮动，污水处理回用量明显增加；2017—2018年城市化减速发展阶段，保定市供水行业已完全成熟，更加注重生态建设，水价小幅提升。

图4 保定市水安全发展历程特征曲线

3.3 耦合协调态势分析

根据公式(3)—(6)，计算耦合协调态势，结果见表4，并对所得图像进行拟合。保定市水安全与城市化进程子系统耦合态势如图5所示。

图5 2005—2018年保定市水安全与城市化进程子系统耦合协调态势

由图5可以看出，保定市水安全与城市化进程经济子系统拟合程度最高。经济发展直接影响供水管道的使用以及水厂工艺的升级与优化。而改善水质和优化水价也与城市结构的变化和居民生活的质量息息相关。因此，科学调控城市化进程与水安全水平，可使保定的城市化进程与水安全保持可持续发展的协调态势。

保定市城市化进程与水安全拟合程度如图6所示，由图6可知：保定市2005—2018年，城市化进程与水安全相关系数为0.928 7，总体耦合效果良好；2005—2007年基本处于严重失调发展城市化进程滞后阶段，此阶段城市化进程与水安全呈相互胁迫作用；2008—2017年处于由中度失调发展城市化进程滞后阶段转向濒临失调发展水安全滞后阶段，此阶段注重城市经济发展，忽略了水污染等问题，对水安全已呈现胁迫作用；2018年处于勉强协调发展水安全滞后阶段，在此阶段保定市经历了城市化进程由加速发展阶段向减速发展阶段的转化，但水安全滞后发展仍不容乐观。这一结论与代倩倩等[19]在河北省水资源安全评价中得出的结果一致。

总体来看，2005—2018年保定市城市化进程与水安全耦合协调发展处于中度失调转向勉强协调发展态势，总体呈现逐渐改善的状态。

图6 2005—2018年保定市城市化进程与水安全耦合协调发展态势

4 结论

本文以河北省保定市为例，选择较近的时间序列2005—2018年，研究保定市城市化进程与水安全的耦合关系，主要结论如下：

1)基于DPSIRM模型构建包含驱动力、压力、状态、影响、响应和管理6个子系统的指标评价体系，采用T-C-D耦合协调度模型，定量评价了保定市城市化进程与水安全系统的耦合程度，其研究成果与有关学者在河北省水环境安全及其评价体系研究中得出的结果一致。结果显示，保定市城市化进程与水安全系统的耦合程度均由失调发展转向协调发展，证明DPSIRM模型在该区域实用性较强。

2)保定市2005—2016年为城市化加速发展阶段，2017—2018年为城市化减速发展阶段。水安全系统整体呈上升趋势，且在城市化减速发展阶段增势迅猛。保定市水安全与城市化进程的经济子系统耦合程度最高，其次为空间、社会及人口子系统。

3)城市化进程与水安全总体耦合效果良好，皆在2005—2016年稳步发展，2017—2018年趋于稳步发展，二者之间存在紧密联系。总体来看，保定市由中度失调发展状态转向勉强协调发展状态，但多数阶段处于失调状态，情况不容乐观。