近15年来中国北方水资源-社会经济-生态环境耦合协调发展评价

杜新强，何立滢，姚泓钰，任思睿，乔琪庭

（1.吉林大学新能源与环境学院，长春 130021；2.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021）

0 引 言

水资源是一个国家重要的基础性、战略性资源与能源［1］，具有自然属性、社会属性、经济属性、生态属性和环境属性，水资源系统与社会经济、生态环境系统之间存在极其复杂的交互耦合关系［2］。中国北方地区长期承受着严重的水资源供给压力［3］，其多数行政区内人均水资源量远低于国际公认的极度缺水标准（500 m3/人），水资源压力指数显著大于中国南方地区［4，5］，成为制约中国北方社会经济与生态环境可持续发展的重要因素。

针对水资源及其相关系统间耦合协调关系的研究，从研究对象上，主要集中在水资源与社会经济［6-10］、城镇化［11］、生态环境［12］、能源［13，14］、粮食［13，14］等之间的两两组合；从研究尺度上，主要集中在省域［6，7，13］、市域［10-12，15，16］、流域［9，14，17，18］上；从研究方法上，一是基于协调发展理论构建综合评价模型，分析系统协调关系在时间上的演变特征，或进行空间上的对比分析，具体方法包括多变量综合评价方法［6，11-15，19］、模糊及灰色理论法［10，20］等；二是基于数据流探究子系统间的关系，具体方法有系统动力学模型［9］、多目标优化模型［16，17］、水资源整体模型［18］等。

本文以中国北方为研究区，量化分析近15年（2005年-2019年）来水资源、社会经济、生态环境子系统的发展水平；在此基础上，构建耦合协调评价体系，分析“水资源-社会经济-生态环境”耦合度和耦合协调度的时空特征及演变规律，探究影响综合系统协调发展的因素，为推动水资源开发利用与社会经济以及生态环境的可持续发展提供科学依据。

1 研究区与数据来源

中国北方地区，地处31°23′～53°31′N，73°40′～135°5′E 之间，总面积为564 万km2，约占中国国土面积的58.6%。一般划分为东北、西北和华北三个片区，东北地区包括黑龙江、吉林和辽宁，西北地区包括新疆、青海、宁夏、甘肃、陕西、内蒙古，华北地区包括北京、天津、山东、山西、河南、河北。区域气候包括温带季风气候、温带大陆性气候和高原山地气候，年降水量自东向西从1 000 mm逐渐减小到100 mm以下，平均气温在-5～20 ℃之间［21］。2019年，中国北方地区总人口为5.84 亿，生产总值（GDP）达到34.92万亿元。

本研究中所选指标数据来源于《中国统计年鉴》《中国水资源公报》《中国城市建设统计年鉴》以及各省水资源公报和统计年鉴等。

2 研究方法

构建水资源-社会经济-生态环境耦合协调评价体系，在各子系统和整个系统的发展水平评价基础上，量化子系统间的耦合度和耦合协调度。

2.1 水资源-社会经济-生态环境耦合协调评价指标体系

为准确评价水资源、社会经济与生态环境系统间相互约束、相互促进的复杂关系，结合已有关于水资源、社会经济、生态环境耦合协调评价的研究成果［7，10-12］，遵循科学性、可比性、整体性、层次性、可操作性和完备性原则，建立水资源-社会经济-生态环境系统耦合协调评价的指标体系；对指标层中的原始数据采用极差标准化法进行去量纲正向化处理［8］，并采用熵权法［19］来计算各个指标的权重（表1）。其中，水资源子系统发展水平由水资源条件、水资源利用效率和水资源利用结构3 个一级指标、10个二级指标（a1-1～a3-2）进行反映；社会经济子系统发展水平由经济实力、产业结构、社会结构和社会建设4个一级指标、8 个二级指标（b1～b4-3）进行反映；生态环境子系统发展水平则由生态治理、环境压力和城市环境3 个一级指标、7 个二级指标（c1-1～c3）进行反映。

表1 中国北方地区耦合协调度评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of coupling coordination degree in northern China

2.2 子系统发展水平综合评价模型

式中：n表示各个系统中包含的指标数；Uw（w）、Us（s）、Ue（e）分别表示水资源、社会经济、生态环境子系统的综合评分，即表示各子系统的综合发展水平；αj、βj、γj分别表示各项指标在子系统中的权重；Wj、Sj、Ej分别表示对应标准化矩阵中的标准值。

式中：T表示系统综合评分，反映整个系统的发展水平和整体间的协同效应；α、β、γ分别为水资源子系统、社会经济子系统和生态环境子系统的权重，当认为三个系统重要性相当时，α、β、γ分别取值均取1/3；Uw、Us、Ue分别表示水资源、社会经济、生态环境子系统的综合评分。

2.3 系统耦合度与耦合协调度评价模型

2.3.1 耦合度

耦合是指两个（或两个以上的）系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象；耦合度描述要素发展的整体水平及之间的协同效应，体现彼此相互作用影响的程度。通过求解任意n个系统间的耦合度Cn，来表示各子系统之间相互作用的强弱，Cn取值介于（0，1）之间，公式如下［19］：

若判断水资源、社会经济、生态环境3 个子系统间的耦合度，则n取3（式3），若判断3 个子系统间任意2 个系统的耦合度，则n取2。

2.3.2 耦合协调度

耦合度虽能反映水资源、社会经济和生态环境三者间相互作用的程度，但不能表征各系统间是在高水平上相互促进还是低水平上相互限制［23］，因此，引入复合系统的耦合协调度［式（4）］反映系统间相互作用的类型。

式中：D表示耦合协调度，C表示耦合度，T表示系统综合评分。

借鉴文献［6，7］中判断标准，依据耦合度（C）和耦合协调度（D）对耦合协调等级进行划分，标准见表2。

表2 耦合协调等级的划分Tab.2 Classification standard of coupling coordination model

3 结果与分析

3.1 子系统发展水平

通过对比近15年研究区水资源、社会经济和生态环境子系统发展水平得分的平均值及增长值（表3）可知，各片区、各行政区（辽宁省除外）在各子系统发展水平上，均呈增长状态，其中，社会经济子系统发展水平增长最快，而水资源子系统发展水平增长值相对偏低。在各片区水资源系统发展水平得分上，东北地区各省平均分为0.31，高于华北（0.28）和西北地区（0.26）；在社会经济子系统上，华北地区（0.50）高于东北（0.34）和西北地区（0.32）；各片区的生态环境系统平均发展水平则无明显优劣之分。

表3 近15年来北方地区水资源子系统（Uw）、社会经济子系统（Us）、生态环境子系统（Ue）平均发展水平及变化幅度Tab.3 The average development level and variation range of the water resources subsystem（Uw），socio-economy subsystem（Us），and eco-environment subsystem（Ue）in the northern region in the past 15 years

为进一步反映片区各子系统发展水平差异，讨论相关影响因素，对近年来各子系统准则层及指标层得分求取平均值，见图1～图6，结果表明：

3.1.1 水资源子系统发展水平

西北地区水资源条件好（图1）、人口基数小，区域人均水资源量和人均用水量大［图2（a）］，地表水资源较地下水资源丰富，地下水的供水压力小；区域水资源利用效率发展水平低，用水重复利用量和污水再生利用量少，近15年共计82.48 亿m3，仅相当于华北地区的16.3%。用水结构均衡度不高（0.48），农业用水占比是生态用水占比的25倍。

东北地区降水量较西北地区充沛，但人口密度相比西北要大［图2（b）］，人均水资源量和人均用水量不高，拉低区域水资源条件得分（图1），尽管水资源利用效率优于西北地区，但也存在着生态用水量占比低、污水再生利用量少和万元GDP 用水量高的问题。

华北地区人均水资源仅为235 m³，不到西北地区人均水资源拥有量的10%，全区总供水量和人均用水量小，水资源禀赋先天不足，但水资源利用效率具有明显优势（图1），用水结构均衡度达0.75，污水再生利用量和用水重复利用量最高［图2（c）］，万元GDP 用水量为分区最低，仅为东北地区万元GDP 用水量的35.2%，由此弥补了水资源条件的不足。

图1 2005-2019年水资源子系统发展水平平均得分Fig.1 Average scores of development level of water resources subsystem from 2005 to 2019

图2 2005-2019年北方地区水资源子系统各指标层得分情况Fig.2 Evaluation scores of each indicator layer of the water resources subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.1.2 社会经济子系统发展水平

西北地区在经济实力、社会结构、产业结构方面均落后，但社会建设情况良好［图3和图4（a）］，人均生产总值不高。在产业结构上，第三产业的发展水平相对落后，生产总值占比为49%，低于其余分区，人口数量少和城镇率低造成了西北地区“地多、人少”的现象。近些年来随着农业的大力发展，有效灌溉面积上升，农业机械化耕作水平也得到显著提高，社会建设良好，供水管网漏损率较低（9.8%）。

东北地区的社会经济建设水平一般，社会建设相对落后（图3）。其中供水管网漏损率高［图4（b）］，漏损率在20%左右，单位面积平均有效灌溉面积上的机械动力低，第一产业生产总值占比为14.4%，远高于其他地区，间接拉低了东北地区社会经济系统水平。

华北地区在经济实力、产业结构、社会结构和社会建设方面总体上都优于其他分区（图3），虽然华北地区的6 个行政区各项指标得分不一致，城镇化水平参差不齐，但单位灌溉面积上农业机械总动力大、人均地区生产总值高、供水管道建设好、常住人口多是普遍的优势因素，供水管网漏损率略优于西北地区［图4（c）］。

图3 2005-2019年社会经济子系统发展水平平均得分Fig.3 Average scores of development level of socio-economy subsystem from 2005 to 2019

图4 2005-2019年北方地区社会经济子系统各指标层得分情况Fig.4 Evaluation scores of each indicator layer of the socio-economy subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.1.3 生态环境子系统发展水平

西北地区在环境治理和环境压力方面优于其他分区（图5），而城市治理得分较低，城市园林绿地面积、城市日污水处理量和工业废水投资额是地区短板［图6（a）］。

东北地区的环境治理和环境压力得分在三大片区中处于中等偏下位置，而城市环境得分则属于中等偏上（图5）。省际发展水平差异大，辽宁省发展水平得分最高，吉林省在城市绿化和废污水处理方面弱，子系统发展水平最低，相较于华北地区，东北的环境压力得分略有优势［图6（b）］。

华北地区，总体上城市环境得分较高（图5），环境压力和环境治理得分良好，建成区绿化覆盖率高，部分省份（如山西）在城市日污水和工业废水处理方面投入力度较低［图6（c）］。

图5 2005-2019年生态环境子系统发展水平平均得分Fig.5 Average scores of development level of eco-environment subsystem from 2005 to 2019

图6 2005-2019年北方地区生态环境子系统各指标层得分情况Fig.6 Evaluation scores of each indicator layer of the eco-environment subsystem in the northern regions from 2005 to 2019

3.2 耦合协调发展水平

依据建立的耦合协调度模型，计算2005-2019年北方15 个省级行政区的平均耦合度C、系统综合发展水平T和耦合协调度D，并按照等级划分标准进行分类，见表4和图7。

由表4可知，北方地区水资源系统与其他系统的耦合水平处于最高等级，表明水资源与社会经济和生态环境之间具有显著的相互影响和相互制约关系。但由于水资源-社会经济-生态环境综合系统发展水平得分（T）远小于耦合水平得分（C），因此耦合协调发展水平得分（D）始终低于耦合度（C），表示3 个子系统之间并未达到理想的协调发展状态。经过15年的发展，多数地区水资源与社会经济和生态环境系统，由濒临失调衰退向勉强耦合协调或初级耦合协调发展转变，未来还有很大的上升空间，但水资源子系统的发展水平仍是限制整体耦合协调发展的主要因素。

在时间序列上，2005-2019年中国北方地区15 个省级行政区的系统耦合协调度呈现缓慢增高趋势（图7）。

图7 2005-2019年北方地区水资源-社会经济-生态环境耦合协调度变化Fig.7 The dynamic changes of the coupling coordination degree about water resources，socioeconomy，and eco-environment in the northern regions from 2005 to 2019

东北是一个以煤炭、钢铁、建材、石化等资源性产品供应和以初级农产品加工为主的老工业基地［24］，发展传统农业种植和加工，消耗当地资源和能源［25］，在工业生产过程中对水资源的需求量大，万元工业增加值用水量为三个分区中最高（图8）。虽然有吉林引松供水工程、河湖联通工程以及黑龙江三江平原灌区田间配套工程等水利建设，但是地区水资源压力仍旧较大，水资源系统发展水平增幅缓慢。在中国迈入新产业体系构建阶段时，东北地区单一的产业结构造成了产品的有限性和附加值的局限性［25，26］，“产业缺位”，因此地区经济在三个分区中发展最慢（表3），这也抑制了区域耦合协调发展水平的提高。

图8 2005-2019年北方地区万元工业增加值用水量Fig.8 Average amount of water consumption of ten thousand yuan industrial added value in the northern regions from 2005 to 2019

西北地区水少地多，水土资源不相匹配，生态系统脆弱［27］。在评价时段初期，西北地区水资源-社会经济-生态环境系统耦合协调水平处于三大片区的最底层，近15年来区域经济发展水平迅猛提高、地区人口迅速增加，进一步加剧了水资源系统压力，水资源利用效率低下与水资源过度利用问题并存，部分地区生态环境受到破坏（如水土流失、地下水水位下降、水污染等）［27–29］；另一方面，随着近15年来生态环境修复投入增加，水土流失治理面积加大，西北地区粗放式取水用水的现象有所改善，生态环境子系统发展水平得到一定提高［30，31］（表3）。虽然在研究期内，西北地区水资源系统发展水平仅提高了0.02 左右，发展缓慢，但由于社会经济和生态环境系统发展水平较大幅度的提升，社会经济系统得分增加0.20 左右，生态环境系统得分增加超过0.10，西北地区耦合协调水平仍得以不断提升，逐渐超过东北地区（表4和图7）。

表4 2005-2019年北方地区耦合协调变化情况Tab.4 Coupling coordination degree changes in the northern regions from 2005-2019

华北地区一直是我国经济发达、人口密集的地方，气候适宜、利于耕作，煤矿石油资源丰富、工业和服务业发达，城镇化程度高，但区域水资源条件存在劣势，人均水资源、全区总供水量和人均用水量存在矛盾，年均工业用水总量约是西北地区的2 倍。然而，华北地区经过近15年社会经济的快速发展，人口数量增加了3 353.6 万，用水矛盾并未愈发尖锐，且水资源子系统得分和耦合协调度较其他分区有更加明显的上升趋势（表3和图7），这与华北地区优化用水结构、增强用水效率有很大关系。华北地区工业废水治理投资列各片区之首（图9），社会供水系统建设力度强，城市建设趋于绿色化发展［32］。同时，南水北调、引黄入冀、引滦入津等一系列引水工程的建设缓解了地区用水压力［33］，保障区域经济社会和生态环境的发展，因此华北地区的耦合发展水平较高且不断提升，水资源系统也朝着更好的方向发展。水资源具有自然和社会属性，在人类活动干预下，水文循环模式呈现“自然-社会”二元结构特征［34］，因此通过管理区域水资源、优化产业结构、提高用水效率等举措的实施，可以帮助地区水资源系统维持在相对均衡状态，保障区域经济稳定发展。

图9 2005-2019年北方地区各省工业废水治理投资额平均值Fig.9 Average value of investment in industrial wastewater treatment in the northern regions from 2005 to 2019

3.3 系统耦合协调问题水平

对水资源、社会经济和生态环境之间双系统的耦合协调度进行对比，得到耦合协调问题分类，见表5。

由表5可知，多数行政单元社会经济和生态环境耦合协调度大，社会经济和生态环境发展领先，而水资源-生态环境则相反，一直处于耦合落后发展状态，可见北方水资源与社会经济、生态环境间的协调性弱。主要原因在于地区的水资源系统发展水平普遍较低且发展速度明显低于其他系统，是限制耦合协调水平提高的决定性因素。

表5 2005-2019年中国北方耦合协调问题分类Tab.5 Classification of coupling and coordination issues in northern China from 2005 to 2019

华北地区水资源发展水平较其他地区表现良好，发展水平有所提升，但发展速度缓慢，而东北地区和西北地区，除辽宁省外，水资源发展水平则近15年来基本没有变化（表3），这与农业用水占比加大，用水结构过于单一，区域水资源利用效率不高有关［35］。2005-2019年，西北地区年均农业用水占比84.7%，居高难下，东北地区农业用水占比不断升高，由68.7%上涨至78.4%，有效灌溉面积扩大75.5%，而华北地区农业用水占比则由66.3%下降至55.5%，耕地面积逐年下降，有效灌溉面积缩减32.03%。华北地区第三产业迅猛发展，近年来随着商品贸易和电力运输，区域虚拟水流入量大幅度增加，地区或在转移水资源密集型产业（如农产品的加工跨区贸易、工业）的同时将水资源压力向外输出［36，37］。西北地区和东北地区近15年来粮食总产量分别增加67.3%和86.2%，大量的虚拟水嵌于作物中输出到其他地区［38，39］，水资源压力转移模式使得西北和东北地区用水结构持续处于单一状态，用水结构均衡度提高速度慢。

4 结 论

在构建水资源-社会经济-生态环境耦合协调评价体系的基础上，建立耦合协调评价模型，对2005-2019年中国北方15个省级行政区进行分析，得到结论如下。

（1）水资源、社会经济与生态环境各子系统发展水平和速度具有区域性特点。我国北方地区各系统发展水平总体上呈现上升趋势，水资源子系统发展缓慢，生态环境次之，社会经济发展最快。对于水资源子系统而言，区域用水效率低和用水结构单一是限制西北和东北水资源系统发展的共同原因，而华北则主要受到地区水资源条件的限制。对于社会经济子系统而言，西北受到区域经济实力低、总人口少和城镇化水平低的约束，东北则受到区域经济实力低和供水管网建设落后的制约，华北地区则整体良好。对于生态环境子系统而言，城市绿化程度低和废水治理投资力度低阻碍了西北和东北生态环境的发展，而华北整体较好，部分省份工业和城市废污水治理建设力度不足。

（2）水资源-社会经济-生态环境的整体系统耦合协调度不断提升，但仍处于初级阶段。3 个子系统始终处于优质耦合水平，相互支撑和影响，但耦合协调等级多处于勉强耦合或初级耦合协调发展状态。华北地区在产业结构、用水效率、供水结构等方面进行调整优化，从而提高水资源发展水平，使其耦合协调程度相对最好；西北地区在经济社会和生态环境建设水平明显提高的背景下，耦合协调程度提高明显，并超过了东北地区。

（3）水资源发展水平低导致基于水资源的双系统耦合协调度低。北方地区普遍存在社会经济-生态环境发展领先，而水资源与其他子系统耦合发展落后的现象，主要受限于水资源发展水平低且发展速度缓慢，揭示出水资源仍是系统发展的主要制约因素。其中，西北地区和东北地区农业用水占比过大，用水结构单一，用水效率低，导致地区水资源系统发展停滞不前，而华北地区或通过转移耗水产业，从而提高水资源系统发展水平。

由以上研究结果可见，目前中国北方水资源-社会经济-生态环境的耦合协调发展水平主要受制于水资源子系统。因此，需要持续优化产业结构、进一步合理配置水资源、不断提高水资源利用率和用水结构均衡水平，倡导多举措节约用水来促进区域水资源系统的发展。