粤港澳大湾区水资源-社会经济耦合协调评价及障碍因子分析

陈 娟,王 森*,杨建涛,何兴昌

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611;2 水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东 广州 510611;3 河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

水是生命之源,水资源是城市发展的刚性约束条件。在气候变化及人类活动的影响下,社会经济发展水平与水资源条件不相匹配,水资源供需问题突出,成为制约城市发展的瓶颈[1]。因此,处理好社会经济与水资源间协调关系,对推动水资源与社会经济可持续发展有着重要意义。大湾区地处中国沿海开放前沿,是中国开发程度最高、经济活力最强的区域之一。2019年《粤港澳大湾区发展规划纲要》印发,大湾区发展战略的深入实施,社会经济发展对大湾区水资源的有效利用提出了更高要求。

近年来,针对水资源及相关系统间耦合协调关系研究已成为研究热点。安莉娜等[2]以遵义为例建立耦合协调数学模型分析水资源承载力水平与城镇化质量水平的时空协调关系。张恬姿等[3]利用水资源-经济社会-生态环境耦合模型,分析了甘肃省水资源-经济社会-生态环境耦合协调的驱动因素。常烃等[4]构建了京津冀水资源-经济-社会系统耦合协调度模型,分析了各子系统和综合系统的发展水平以及系统的协调程度。李波等[5]建立水-能源-环境系统的耦合协调评价指标体系,定量分析黄河流域水-能源-环境系统与子系统之间的耦合协调发展水平。

综上研究发现,国内学者研究水资源-经济社会-生态环境、水资源-经济-社会、水-能源-环境的关系较多,很少单独研究水资源与社会经济的协调关系。因此,开展大湾区水资源-社会经济耦合协调关系评价,揭示系统间时空演变特征,分析其主要障碍因子,对提高水资源利用率,促进大湾区可持续发展具有一定的理论价值。

1 研究区概况与数据来源

由于资料限制,本文研究区域仅包含粤港澳大湾区中的广东省9市,并简称大湾区。大湾区位于广东省东南部,地处珠江流域尾闾,由广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9个珠三角城市组成,总面积约5.6万km2,在国家发展大局中具有重要战略地位。2021年大湾区内常住人口7 860.60万人,国内生产总值为10.06亿元,占全国生产总值的8.75%。

大湾区多年平均水资源总量为568亿m3,入境水资源量约为2 880亿m3(高要+石角+河源)。2021年大湾区水资源总量为391.3亿m3,用水总量为221.0亿m3,其中工业用水占29.85%、农业用水占30.58%、生活用水占37.09%、人工生态环境补水占2.48%。水资源年内、年际分布极不均匀,年径流主要集中在汛期 4—9 月,占全年的71.3%～85.0%,而枯水季 10 月—翌年 3 月仅占全年的15.0%～28.7%。随着大湾区社会和经济的发展,对水资源的需求越来越大,水资源的有限性及由此带来的污染问题和用水量不断增长之间的矛盾越来越突出。

数据来源于2011—2021年的《广东省水资源公报》《广东统计年鉴》。

2 研究方法与数据来源

2.1 指标体系构建

本文从水资源、社会经济2个系统出发,水资源从水资源条件及水资源利用2方面考虑,社会经济从经济水平、社会结构和城市建设3方面考虑。水资源条件从水资源特征出发,选取了产水系数、产水模数和人均水资源量;水资源利用从生活、工业、农业、及地方生产总值出发,选取了人均综合用水量、万元工业增加值用水量、耕地实际灌溉亩均用水量和万元地区生产总值用水量。经济水平主要考虑了人均GDP和人均可支配收入;社会结构从人口、城市化及产业结构出发选取了人口密度、城镇化和第三产业生产总值占比;城市建设主要从生态环境考虑,选取了城市污水处理率和城市人均公园绿地面积。社会经济涵盖了社会、经济、环境的相关指标。构建系统-准则-指标3个层次共计14个评价指标的大湾区水资源-社会经济评价指标体系,见表1。

表1 大湾区水资源-社会经济评价指标体系

表2 耦合协调状态判别标准

2.2 研究方法

2.2.1指标标准化

对指标进行标准化处理,保证各指标具有可比性,见式(1)、(2)。

正向指标:yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

负向指标:yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中yij——指标标准化后的值;maxxj——指标的最大值;minxj——指标的最小值;i——第i个样本;j——第j个指标。

2.2.2指标权重

采用组合权重w,其中主观权重w1采用层次分析法,具体计算见文献[6],客观权重w2采用熵权法,具体计算见文献[7]。利用最小信息熵原理构造模型[8],见式(3)、(4)。

(3)

(4)

用拉格朗日乘数法求解,见式(5)。

(5)

式中w(i)——第i个指标组合权重;w1(i)——第i个指标主观权重;w2(i)——第i个指标客观权重;n——指标数。

2.2.3综合值

水资源系统、社会经济系统的综合值利用线性加权法进行求解,见式(6)。

(6)

式中U1——水资源系统综合值;U2——社会经济系统综合值;ωj——第j个指标组合权重;m——水资源系统指标数;n——社会经济系统指标数。

2.2.4耦合协调度模型

为了判定系统间协调发展关系,采用耦合协调度模型,通过计算系统间的相对离差系数量化系统间协调程度[9],见式(7)、(8)。

(7)

(8)

式中α——水资源系统权重,β——社会经济系统权重,考虑两系统同等重要,α=β=0.5;C——耦合度;D——耦合协调度,值在0～1。

根据D值大小划分为 5 级[10-11],结合水资源与社会经济相对关系,对于失调和过渡阶段进一步划分为社会经济过快发展和社会经济过慢发展,具体见表 2。

2.2.5障碍因子诊断模型

为了量化指标对指标体系的影响程度,引入障碍度函数,判别主要障碍因子。根据评价指标在体系中权重和指标偏离度来推求障碍度,见式(9)、(10)[12-13]。

Iij=1-yij

(9)

(10)

式中Iij——第j个样本第i个指标偏离度;Hij——第j个样本第i个指标障碍度;n——指标数。

指标障碍度越小,说明体系受该项指标的影响越弱;指标障碍度越大,说明体系受该项指标的影响越强。

3 结果与分析

3.1 水资源-社会经济耦合协调时空演变

3.1.1时间演变

为探索大湾区水资源-社会经济耦合协调发展的时间演变,采用2011—2021年指标数据计算耦合协调度,绘制趋势,见图1。

2011—2021年水资源系统综合值变化不大,在0.18～0.26,其中2011、2021年值最低,为0.18。2011、2021年降水量均低于常年,属偏枯水年,水资源条件相对较差。2011—2021年社会经济系统综合值呈缓慢上升趋势,2019年达到0.30;受疫情影响,2020、2021年社会经济略低于2019年,均为0.29。

2011—2021年大湾区水资源-社会经济协调耦合度在0.43～0.51,处于过渡阶段低度协调状态;相对于水资源系统,社会经济系统发展过快,且与水资源系统间差距有增大趋势。

3.1.2空间特征

为揭示大湾区水资源-社会经济耦合协调发展的空间特征,选取2011、2016、2021年3个典型年份绘制空间分布,见图2。

a)2011年

2011年,大湾区各市耦合协调度在0.35～0.47。处于轻度失调状态的有佛山,其他均处于低度协调状态,其中耦合协调度最高的为珠海。广州、佛山和肇庆3个市属于社会经济过快发展,深圳、珠海、惠州、东莞、中山和江门6个市属于社会经济过慢发展。

2016年,大湾区各市耦合协调度在0.44～0.56,均处于低度协调状态,其中耦合协调度最高的为珠海,最低的为佛山。广州、佛山、东莞和中山4个市属于社会经济过快发展,深圳、珠海、惠州、江门和肇庆5个市属于社会经济过慢发展。

2021年,大湾区各市耦合协调度在0.42～0.53,均处于低度协调状态,其中耦合协调度最高的为珠海,最低的为惠州。9个市均属于社会经济过快发展。随着大湾区社会经济发展,水资源滞后于社会经济的城市也有增多的趋势。

从区域看,珠海水资源条件较好,珠江流域八大口门中的崖门、磨刀门、鸡啼门和虎跳门都流经珠海,其中纵贯珠海的磨刀门水道多年平均径流量约923亿m3,为八大口门之首,过境水资源量丰富;珠海属亚热带海洋性气候,海洋对本地气候调节作用明显,常年降雨充沛。珠海社会经济也比较突出,人均GDP、人均可支配收入均高于大湾区平均值,而人口密度仅为大湾区平均值的1/2。佛山地处珠江三角洲,本市用水主要依赖于过境水量,人均水资源量接近广东省平均值的1/3,大湾区平均值的1/2。佛山人均GDP、人均可支配收入接近大湾区平均值,城镇化率明显高于大湾区平均值,第三产业生产总值占比明显低于大湾区平均值。

3.2 障碍因子分析

利用障碍因子诊断模型计算大湾区2011—2021年14个指标的障碍度(%),见图3。

图3 水资源-社会经济耦合协调障碍因子及障碍度

人均水资源量是大湾区水资源-社会经济耦合协调的主要障碍因子,障碍度为14.5%。第二为人均GDP,障碍度为13.4%。其后3个指标依次为第三产业生产总值占比、城镇化率和耕地实际灌溉亩均用水量,其障碍度分别为10.9%、9.8%和9.5%。在水资源系统中,人均水资源量受降水影响较大,不易管控,可通过调水工程、非常规水资源利用来部分缓解。正在实施的珠江三角洲水资源配置工程从西江干流水道向珠江三角洲东部地区引水,解决广州、东莞、深圳城市缺水问题。加强非常规水资源利用,推广再生水、雨水、淡化海水等利用方式。未来以增加人均GDP、增大第三产业生产总值占比,适当控制城市发展速度以及优化农业灌溉模式减小灌溉亩均用水量成为推动大湾区水资源-社会经济耦合协调发展的重点。加快经济结构转型升级,大力发展新兴产业,提高经济活力,促进用水方式转变。

4 讨论

大湾区各市严格落实水资源总量控制制度,积极推进节水型社会、水生态文明城市和海绵城市建设,强化节水减排、再生水利用等。大湾区用水效率明显提高,万元地区生产总值用水量和万元工业增加值用水量均显著下降,人均综合用水量逐渐下降,耕地实际灌溉亩均用水量略有下降。随着大湾区经济快速发展,社会经济系统发展过快,与水资源系统间差距有增大趋势,说明水资源形势仍比较严峻,影响水资源社会经济协调发展的主要障碍因子有人均水资源量、第三产业生产总值占比、城镇化率和耕地实际灌溉亩均用水量。因此,在落实水资源节约与保护现有制度和措施的前提下,进一步优化水资源配置,大力推进雨洪资源利用等节约水、涵养水的工程建设,构建绿色生态水网,推进水资源全面节约和循环利用。强化城市建设管理,集中力量着力调整用水结构,提高用水效率,促进经济发展方式加快转变,促进社会经济与水资源协调发展。

本研究中不确定性主要源于评价指标体系的构建,在指标体系上主要考虑了水资源与社会经济耦合协调关系,其中社会经济涵盖了社会、经济、环境的相关指标。由于数据的可获取性及体系构建的科学性等因素,指标体系并不能全面反映系统间的耦合协调关系,今后的研究仍需继续完善。

因资料数据限制,尚未将香港、澳门纳入分析,而香港、澳门水资源与大湾区水资源紧密联系,大湾区对香港供水满足了香港80%左右的用水需求,对澳门供水满足了澳门98%以上的用水需求。后续应加强粤港澳大湾区整体水资源研究。

5 结论

通过构建指标体系,运用耦合协调度模型和障碍因子诊断模型对大湾区2011—2021年水资源-社会经济耦合协调时空特征和主要障碍因子进行分析,主要结论如下。

a)2011—2021年,大湾区水资源与社会经济协调水平较低,社会经济发展过快,且差距增大;九市基本处于低度协调状态,耦合协调度珠海较高,佛山相对较低。

b)水资源与社会经济均存在影响协调发展的障碍因子。水资源主要障碍因子有人均水资源量、耕地实际灌溉亩均用水量。社会经济主要障碍因子有人均GDP、第三产业生产总值占比、城镇化率。大湾区各市主要障碍因子空间差异性不大。