饮用水水源地生态环境与经济社会发展耦合协调研究<br/>——以昆明市松华坝水库为例

饮用水水源地生态环境与经济社会发展耦合协调研究
——以昆明市松华坝水库为例

2022-12-05李中杰李亚丽汪艳如张大为

环境工程技术学报 2022年6期

李中杰，李亚丽，汪艳如，张大为

昆明市生态环境科学研究院

随着社会经济快速发展、城市规模扩大和人口持续增长，城市供水安全面临较大压力，对饮用水水源地的管理与保护工作提出了更高要求。与此同时，产业结构优化、种养殖模式调整、人口总量限制等各类措施的实施，往往使饮用水水源地所在区域的社会经济发展出现不协调、不均衡等问题，由此也会影响饮用水水源地的管理与保护工作。目前，在生态保护补偿标准核算[1-4]、政策实施绩效评价[5-7]等方面已经开展了大量的研究工作，但一个区域特别是饮用水水源地的可持续发展水平是由区域位置、资源禀赋、环境状况等构成的复杂系统，其各组分之间必然存在密切的相互作用。衡量区域可持续性不仅应关注各子系统的变化，还应考虑各系统之间的相互作用[8-10]，而耦合协调度模型具有指标体系全面，操作简单，能较好地揭示系统之间关系及内部协调程度高等优势，已在区域经济发展与生态环境耦合协调研究[8,11-14]、区域资源环境与社会经济耦合分析[10,15-16]、区域城市化与水资源水环境耦合协调性[11,17-19]、污染物时空分布特征及演化规律[20]等方面得到广泛应用，但在饮用水水源地生态保护补偿方面的应用还相对较少。

笔者选取昆明市7 个集中式饮用水水源地之一的松华坝水库为研究区域，利用层次分析法（AHP）结合熵权法定量评估饮用水水源地生态保护补偿效益，并利用耦合协调度模型分析研究区域生态环境与社会经济发展之间的耦合协调演进过程，以期分析近年来实施生态保护补偿政策对提升饮用水水源地管理保护工作的积极作用，为进一步促进饮用水水源地生态环境与社会经济协调发展提供技术支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

昆明地处中国西南地区、云贵高原中部，是云南省省会、滇中城市群中心城市，2020 年昆明市常住人口达到846 万人，城镇化率为79.67%。作为昆明主城区7 个集中式饮用水水源地之一[1]，松华坝水库供水安全直接关系到昆明城市饮水安全和社会稳定，近10 年每年供水量均在1 亿m3以上，占昆明主城区供水总量的20.0%～47.6%。松华坝水库始建于1958 年，1995 年完成加固扩建，坝址以上控制径流面积为629.8 km2（含松华坝水库地表径流面积593 km2和地下水汇入的区域），多年平均径流量为2.01 亿m3，设计总库容为2.29 亿m3，设计综合供水量为1.5 亿m3。松华坝水库水源保护区总面积为629.8 km2，涉及滇源、阿子营、松华、双龙、龙泉5 个街道办事处，共计38 个村委会216 个自然村，其中滇源镇、阿子营乡原属嵩明县管辖，2009 年8 月昆明市人民政府授权盘龙区托管后改为滇源、阿子营街道办事处，实现了松华坝水库流域管理与行政管理的统一。受饮用水水源保护政策制约，目前水源保护区内产业结构以传统种植业为主，二、三产业发展受到较大限制。近年来松华坝水库全年平均水质能够达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质标准，但总氮浓度超过Ⅱ类水质标准的现象较为普遍，这主要与水源保护区内以农田径流、农村生活源、水土流失等面源污染为主的污染特征有较大关系，2020 年面源污染排放的化学需氧量、总氮、总磷、氨氮分别占水源保护区内各污染物排放总量的97%、98%、97%和88%。

1.2 生态保护补偿效益评估方法

1.2.1 评估指标体系

在借鉴资料文献[5-6]的基础上，结合松华坝水库实际状况，构建昆明城市饮用水水源地生态保护补偿效益评估指标体系（表1），其由社会经济发展水平和生态环境建设水平2 个子系统的4 个准则层和16 项指标构成，16 项指标中除水质指标属水库区域外，其余指标均属水源保护区范围。其中，社会经济发展水平子系统包含经济发展和社会效益2 个准则层，由6 项具体指标组成；生态环境建设水平子系统包含生态环境状况、生态环境保护投入2 个准则层，由10 项指标组成。

表1 饮用水水源地生态保护补偿效益评估指标体系Table 1 Evaluation index system of benefits of ecological protection compensation of drinking water sources

1.2.2 评估指标数据标准化

鉴于评估指标体系中的原始指标在数量级和单位之间存在差异，难以科学合理地进行计算比较，因此采用极差标准法对数据进行无量纲处理以消除原始指标的量纲不同对评价结果造成的影响。数据标准化的计算公式如下。

式中：Xij为标准化处理后的评估指标值；xij为评估指标的初始值；i为年份，取1,2,···,m；j为评估指标，取1,2,···,n；max（xij）、min（xij）分别为各评估指标的最大值和最小值。

受极差标准化处理影响，熵值法过程极差标准化必有数值0 和1，但数据处理过程中需要使用对数，为减小误差，需对标准化数据进行平移[16]。计算公式如下：

式中：为标准化数据平移后的值。

1.2.3 评估指标权重赋值

熵权法是通过分析各指标间的关联程度以及各指标的信息量来确定指标的权重，指标的信息熵越小，信息的无序度越低，其信息的效用值越大，指标的权重越大[13]。相较于专家打分等方法，熵权法可在一定程度上避免主观因素所带来的偏差。评估指标体系熵权法的计算公式如下：

式中：Pij为第i年第j个指标的占比；K为常数，与研究时段的年份总数m有关，一般令K=1/lnm；Ej为第j个指标的信息熵；Wj为第j个指标的权重。

1.2.4 生态保护补偿效益评估指数

根据研究，加权几何平均值是比加权算术平均值更优的运算方式，选择加权几何平均值法作为生态保护补偿效益评估指数的基本算法。将评估指标体系中各指标进行加权得到准则层评估结果，计算公式如下：

式中：Aia为第i年第a个准则层评估结果；Bib为第i年第b个准则层评估结果。

在此基础上，对准则层评估结果进行加权计算得到2 个子系统评估结果，进而得到目标层评估结果（即饮用水水源地生态保护补偿效益评估指数），计算公式如下：

式中：SA为社会经济发展水平子系统评估指数；SB为生态环境建设水平子系统评估指数；SE为饮用水水源地生态保护补偿效益评估指数；Wa为第a个准则层的权重；Wb为第b个准则层的权重；WA为社会经济发展水平子系统的权重；WB为生态环境建设水平子系统的权重；Aia、Bib含义同式（7）和式（8）。

1.3 耦合协调度分析方法

1.3.1 耦合协调度分析模型

耦合度是借鉴物理学中的容量耦合概念及容量耦合系数模型，代表相关的2 个系统之间的相互作用；但由于耦合度只描述系统间的耦合强度情况，并不能很好地反映复合系统的整体协调程度，有可能出现2 个子系统（或多个子系统）综合评价值均较低，但其耦合度却较高的情况[12]。为此，在耦合度分析基础上，引入协调发展度组成耦合协调度模型[14,21]，对社会经济发展水平和生态环境建设水平2 个系统之间的关系进行定量测度。系统的耦合协调度计算模型如下所示：

式中：C为社会经济发展水平与生态环境建设水平2 个子系统的耦合度指数；D为社会经济发展水平与生态环境建设水平的耦合协调度指数；T为社会经济发展水平与生态环境建设水平的协调指数，其值等于SE，即生态保护补偿效益评估指数；SA、SB含义同式（9）和式（10）。

1.3.2 耦合协调度分级

D越接近1，则耦合协调程度越好。一般将D划分为3 个阶段、10 种类型[12]，如表2 所示。

表2 耦合协调度及耦合协调类型Table 2 Coupling coordination degree and coupling coordination type

1.4 数据来源

根据饮用水水源地生态保护补偿效益指标体系筛选结果，经济发展、社会效益类指标来源于2008—2020 年《盘龙区统计年鉴》《盘龙区国民经济和社会发展统计公报》等资料；生态环境状况、生态环境保护投入类指标来源于2008—2020 年《盘龙区统计年鉴》《昆明市生态环境状况公报》及专项研究资料。利用Excel 2021 软件进行数据统计和处理；利用SPSS 26.0 软件对各评估指标及计算结果进行Pearson相关性分析、多元线性回归分析，并利用Gephi 软件进行共发生网络图制作；利用Origin 2021 软件进行评估指数变化趋势图制作。

2 结果与分析

2.1 生态保护补偿效益评估

2.1.1 评估指标权重及相关性分析

根据评估指标权重赋值方法，得到松华坝水库饮用水水源地生态保护补偿效益评估指标体系各指标权重、准则层权重、子系统权重，结果见表3。同时，对饮用水水源地生态保护补偿效益评估指标进行相关性分析，形成强烈显著相关（｜r｜>0.8，P<0.05）的共发生网络（图1）。总体而言，社会效益的各项指标如农村常住人口数（A21），除与化学需氧量年排放量（B11）、总氮年排放量（B12）等污染物指标呈正相关外，与其他大部分指标呈负相关，表明饮用水水源保护区内人类活动是各类生态环境问题产生的主要因素，对生态环境质量改善较为不利。

图1 基于相关性的评价指标共发生网络Fig.1 Symbiosis network of evaluation indexes based on correlation

表3 松华坝水库饮用水水源地生态保护补偿效益评估指标权重Table 3 Weights of evaluation indicators for benefits of ecological protection compensation of Songhuaba drinking water source

2.1.2 生态保护补偿效益变化趋势分析

2.1.2.1 社会经济发展水平

松华坝水库饮用水水源地经济社会发展水平评估结果如图2 所示。由图2 可知，2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地社会经济发展水平持续升高，评估指数由0.03 增至0.93。这与近年来昆明市认真落实绿色发展理念、不断加大饮用水水源地保护管理工作有关：一方面，通过产业结构调整、生态保护补偿、脱贫攻坚等工作开展，饮用水水源地农村经济得到一定发展，2020 年饮用水水源地内居民人均可支配收入较2008 年增长了2.6 倍；另一方面，随着区域生态环境改善，年供应达标水量保持稳定，饮用水水源地居民对生态环境保护政策的认知度不断提升，自觉参与生态环境保护工作的意识持续增强。

图2 2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地社会经济发展水平评估指数Fig.2 Evaluation indexes of socio-economic development of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.1.2.2 生态环境建设水平

松华坝水库饮用水水源地生态环境建设水平评估结果如图3 所示。由图3 可知，2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地生态环境建设水平呈现波动上升趋势，生态环境建设水平评估指数由0.07 增至2011 年的0.63，而后降至2013 年的0.33，此后逐步上升，至2020 年达到0.78。分析认为，自2009 年起，昆明市进一步加强集中式饮用水源保护管理工作，在水源保护区内严格实行“止耕禁养”、禁“花”减“菜”、农改林等措施，不断调整产业结构和农业布局，持续加大生活污水处理、生活垃圾收集、生态湿地净化等污染治理设施建设力度，2020 年水源保护区内化学需氧量、总氮排放量较2008 年分别降低了57%和65%，2020 年水源保护区内生活污水处理设施覆盖率、生活垃圾收集清运率均达到100%，使得生态环境保护投入评估指数呈现上升趋势。但也应看到，2013 年前后受管理政策松动、流动性人口增多等因素影响，库区水质类别达标率、库区水质总氮达标率均出现一定程度的下降，导致生态环境状况评估指数出现波动，也给生态环境建设水平带来不利影响。

图3 2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地生态环境建设水平评估指数Fig.3 Evaluation indexes of eco-environmental construction level of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.1.2.3 生态保护补偿效益

松华坝水库饮用水水源地生态保护补偿效益评估结果如图4 所示。由图4 可知，2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地生态保护补偿效益呈现波动上升趋势，其评估指数年均增长速度为23.6%，高于生态环境建设水平评估指数增速（20.2%），但低于社会经济发展水平评估指数增速（31.9%）。分析认为，近年来松华坝水库饮用水水源地社会经济得到一定发展，而产业结构调整、污染治理投入增加、生态建设力度加大使得污染物排放量不断降低，区域生态环境质量持续改善，居民对生态环境保护工作的认同感、参与感不断提高。

图4 2008—2020 年松华坝水库饮用水水源地生态保护补偿效益评估指数Fig.4 Evaluation indexes of benefits of ecological protection compensation of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.2 社会经济发展与生态环境建设耦合协调度分析

2008—2020 年，松华坝水库饮用水水源地社会经济发展与生态环境建设2 个系统之间的耦合度由0.44 增至0.50（图5），基本稳定处于拮抗阶段[16]，表明此时社会经济发展与生态环境建设2 个子系统之间的相互作用逐渐加强。

图5 2008—2020 年社会经济发展与生态环境建设耦合协调性关系Fig.5 Coupling and coordinative relationship between socioeconomic development and ecological environment construction in 2008-2020

与耦合度变化趋势有所不同，2008—2020 年，松华坝水库饮用水水源地社会经济发展与生态环境建设2 个系统之间的耦合协调度呈现波动上升趋势。具体来说，2008—2010 年2 个系统之间的耦合协调度为0.15～0.39，处于失调衰退阶段，分别属于严重失调衰退、中度失调衰退、轻度失调衰退程度，表明此时社会经济发展水平不高，对生态环境建设的重视不够，社会经济发展与生态环境建设协调度整体不高，2 个系统之间的相互作用程度和协同效应相对较弱。2011—2018 年2 个系统之间的耦合协调度为0.42～0.59，处于过渡调和阶段，分别属于濒临失调衰退、勉强协调发展程度，这与2009 年以后昆明市重视并持续加大饮用水水源地保护管理工作具有较大关系，该时期通过不断加大生态保护补偿力度，在居民生产生活、污染治理、生态建设、能力建设等方面加大资金投入，生态环境状况得到一定改善，但2 个子系统之间的耦合协调度相对较低。2019—2020年2 个系统之间的耦合协调度为0.64～0.65，处于协调发展阶段，均属于初级协调发展程度，表明经过近10 年的努力，生态环境建设与社会经济发展水平耦合协调度有所升高，2 个子系统处于交替影响阶段，需要在社会经济稳定发展的同时持续加大生态环境建设力度，以尽快达到良好协调和优质协调阶段。

2.3 讨论

2.3.1 生态保护补偿政策实施效果的主要影响因素

相关性分析发现，生态保护补偿效益评估指数与群众对生态环境保护政策的认知度、森林覆盖率、生活污水处理设施覆盖率、农村常住居民人均可支配收入、生态保护补偿资金呈显著正相关，而与人口数量、化学需氧量排放量、单位耕地面积化肥施用量呈显著负相关。近年来通过实施生产扶持补助、生活补助、以投代补、配套资金支持等方式，昆明市持续推进饮用水水源地生态保护补偿工作，提高了饮用水源区社会经济发展水平，促进了饮用水水源地污染防控能力提升，使水质状况稳中向好、营养状态保持稳定，对于保障城市饮水安全具有重要支撑作用。

2.3.2 社会经济发展与生态环境建设协调发展的关键因子

利用多元线性回归分析可知，生活垃圾收集清运率、库区水质类别达标率对耦合度指数的贡献较大，人口数量、库区水质总氮达标率、水库综合营养状态指数、群众对生态环境保护政策的认知度对协调指数的贡献较大，化学需氧量排放量、单位耕地面积化肥施用量对耦合协调度指数的贡献较大。随着近年来饮用水水源地生态保护补偿政策的实施，一方面弥补了水源保护区放弃发展机会而遭受的损失，实现了水质改善和生态环境保护，纠正环境的外部性问题；另一方面，水源保护区内居民群众真正体会到实实在在的获得感、幸福感，对良好生态环境及绿色发展理念的认同感不断增强，由要我保护转变为我要保护，并逐步自觉参与到污染治理设施管理、违法行为监督、义务宣传行为中去。

2.3.3 对饮用水水源地管理保护的建议

一是加快开展昆明市饮用水水源保护区生态系统服务价值评估，以此为基础完善重点生态功能区转移支付资金分配机制和生态保护补偿机制。二是在严格保护生态环境的前提下，依托饮用水水源地洁净水源、清洁空气、优美自然风光等生态优势，积极打造“两山”教育基地，探索乡土游、周末游等生态旅游新模式，科学合理推动生态产品价值实现。三是鼓励打造特色鲜明的农产品地理标志品牌，提升生态产品溢价，切实做到生态环境保护与社会经济发展双赢。四是营造各方共同参与生态环境保护的良好氛围，提升保护生态环境的思想自觉和行动自觉。