□柴萌

科技創(chuàng)新

衡水市用水結構與產業(yè)結構耦合動態(tài)演變研究

□柴萌

為了服務衡水市水資源利用和經濟社會協(xié)調發(fā)展，采用生態(tài)學理論研究用水結構和產業(yè)結構耦合的動態(tài)變化趨勢，利用耦合協(xié)調度模型系統(tǒng)分析兩者相互影響、相互制約的互動機制。

用水結構；產業(yè)結構；耦合協(xié)調度

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基，隨著經濟的發(fā)展和人口的增加，水資源供需矛盾日益突出，緩解水資源短缺局面、服務經濟社會發(fā)展至關重要。在水資源總量不足的情況下優(yōu)化調整產業(yè)結構，優(yōu)化配置水資源，以確保經濟社會平穩(wěn)發(fā)展，已成為我們面臨的極其重要而又迫切解決的問題。我國已有學者利用灰色關聯(lián)、線性回歸等模型，對部分地區(qū)用水結構和產業(yè)結構耦合協(xié)調狀況開展研究，發(fā)現(xiàn)其產業(yè)結構仍需進一步優(yōu)化調整。河北省對用水結構的研究較多，但很少將用水結構與產業(yè)結構相結合進行研究。因此，利用生態(tài)位和耦合協(xié)調度模型系統(tǒng)分析衡水市用水結構和產業(yè)結構耦合的動態(tài)演化和互動機制，不僅為這一地區(qū)水資源合理利用、產業(yè)結構優(yōu)化調整提供依據，而且為河北省用水結構和產業(yè)結構耦合動態(tài)演變研究提供參考。

1.研究區(qū)概況

衡水市位于河北省東南部平原，界于東經115°10'～116°34'，北緯37°03'～38°23'之間，行政區(qū)域面積8815km2。2021年衡水市用水總量為13.8億m3。其中地下水利用量為3.3億m3，占總用水量的23.9%；地表水利用量9.7億m3，占總用水量的70.3%；其他水量0.8億m3，占總用水量的5.8%。根據第二次水資源評價成果，衡水市人均水資源占有量148m3，僅為河北省人均水平的48%，全國人均水平的6.6%，世界人均水平的2%。畝均水資源量76m3，遠低于農灌需水量，是河北省乃至全國嚴重缺水地區(qū)之一。

表1 耦合協(xié)調度等級劃分標準表

表2 衡水市2011年—2020年用水結構和產業(yè)結構生態(tài)位和生態(tài)熵表

2.資料與方法

2.1 數(shù)據來源

用水數(shù)據來源于2011年—2020年《衡水市水資源公報》和《河北省水資源公報》，產業(yè)數(shù)據來源于2011年—2020年《衡水統(tǒng)計年鑒》。其中生態(tài)用水量數(shù)據缺失不予以分析。

2.2 研究方法

采用生態(tài)位、生態(tài)熵和耦合協(xié)調度模型分析衡水市2011年—2020年用水結構和產業(yè)結構的生態(tài)位動態(tài)演化及其耦合協(xié)調狀況。

2.2.1用水結構與產業(yè)結構生態(tài)位模型

將用水結構和產業(yè)結構視為兩個生態(tài)系統(tǒng)，不同類型用水和三大產業(yè)則分別為2個生態(tài)系統(tǒng)中的種群。其計算公式為：

式中：

Wi—i類用水生態(tài)位；

Si—i類用水的用水量；

Ai—與時間尺度有關的量綱轉換系數(shù)。

采用逐年用水結構數(shù)據，故Ai取1；Pi為研究年份與初始年份i類用水量的差值；i值取1、2、3。

2.2.2用水結構與產業(yè)結構生態(tài)熵模型

構建生態(tài)熵模型分析比較區(qū)域內生態(tài)位相對變化情況，以用水結構為例，計算公式為：

式中：

Qi—i類用水生態(tài)熵；

Wi—上一級i類用水生態(tài)位。

產業(yè)結構生態(tài)位、生態(tài)熵模型與用水結構生態(tài)位、生態(tài)熵模型類似，可參照用水結構計算公式進行計算。

2.2.3用水結構與產業(yè)結構耦合協(xié)調度模型

耦合協(xié)調度模型用于分析事物的協(xié)調發(fā)展水平。耦合協(xié)調度D取值范圍為0-1，D值越大，說明用水結構和產業(yè)結構之間的耦合協(xié)調性越好。耦合協(xié)調等級劃分標準見表1。

耦合度C計算公式為：

協(xié)調度T計算公式為：

耦合協(xié)調度D計算公式為：

式中：

u1、u2—用水結構與產業(yè)結構系統(tǒng)指標標準化的平均值；

α、β—權重系數(shù)，表示用水結構系統(tǒng)與產業(yè)結構系統(tǒng)的重要程度。

將用水結構與產業(yè)結構視為同等重要，故取α=0.5，β=0.5。

3.結果與分析

3.1 用水結構生態(tài)位與生態(tài)熵

3.1.1農業(yè)用水

2011年—2020年衡水市農業(yè)用水生態(tài)位均大于0.80，多年平均值為0.846，年際間最大差值為0.050，見表2，由此說明衡水市農業(yè)用水生態(tài)位占主導地位且波動較小，衡水市以農業(yè)發(fā)展為主。除桃城區(qū)外，各縣市區(qū)多年平均農業(yè)用水生態(tài)位均大于0.80，其中深州市、冀州區(qū)和武強縣為衡水市傳統(tǒng)農業(yè)區(qū)，耕地面積大，灌溉方式為畦灌，水資源利用率較低，故農業(yè)用水生態(tài)位較高；桃城區(qū)是衡水市主城區(qū)，全區(qū)農業(yè)種植面積小，故農業(yè)用水生態(tài)位最低。

圖1 衡水市及各縣（市、區(qū)）各產業(yè)生態(tài)位和生態(tài)熵

2011年—2020年衡水市農業(yè)用水生態(tài)熵均大于1.10，表明衡水市農業(yè)用水在河北省處于優(yōu)勢。衡水市域內除桃城區(qū)外，其他各縣市區(qū)農業(yè)用水生態(tài)熵多年平均值均在0.95～1.10范圍內，桃城區(qū)農業(yè)用水生態(tài)熵最小，僅為0.648。由此說明除桃城區(qū)外，衡水市各縣市區(qū)均以農業(yè)發(fā)展為主，且發(fā)展較為均衡。

3.1.2工業(yè)用水

衡水市工業(yè)用水生態(tài)位2011年—2013年呈上升趨勢，上升幅度為0.022，2013年—2020年直線下降，從2013年的0.096降至2020年的0.006，見表2，衡水市工業(yè)發(fā)展緩慢。衡水市域內，桃城區(qū)和安平縣工業(yè)用水生態(tài)位明顯高于其他地區(qū)，工業(yè)發(fā)展相對較快，其他地區(qū)工業(yè)發(fā)展相對緩慢，主要還是以農業(yè)為支柱產業(yè)，這與農業(yè)用水分析結果基本保持一致。衡水市工業(yè)用水受環(huán)境監(jiān)察和地下水限采影響較大，為促進衡水市工業(yè)發(fā)展，應加快工業(yè)技術優(yōu)化升級，向低能耗、無污染轉型。

2011年—2020年衡水市工業(yè)用水生態(tài)熵均小于0.70，且自2013年起顯著降低，衡水市工業(yè)用水在河北省處于劣勢，衡水市工業(yè)發(fā)展緩慢。桃城區(qū)、安平縣、故城縣和阜城縣多年平均工業(yè)用水生態(tài)熵大于1，工業(yè)用水在衡水市占有優(yōu)勢，工業(yè)發(fā)展相對較快；其他地區(qū)多年平均工業(yè)用水生態(tài)熵小于1，工業(yè)發(fā)展水平低于衡水市平均水平。桃城區(qū)、冀州區(qū)、故城縣和阜城縣工業(yè)用水生態(tài)熵總體呈上升趨勢，尤其是2018年—2020年近指數(shù)增長，工業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好。

3.1.3生活用水

2011年—2020年衡水市生活用水生態(tài)位呈波動上升趨勢，從2011年的0.058升至2020年的0.158，見表2，其中深州市多年平均生活用水生態(tài)位最小為0.046，生活用水量較穩(wěn)定；桃城區(qū)多年平均生活用水生態(tài)位最大為0.240，主要原因是城區(qū)人口密度大，服務業(yè)等公共用水量大。這表明隨著衡水市的發(fā)展與進步，極大地提升了居民生活水平與用水需求，衡水市應當進一步加強節(jié)水設施建設，宣傳節(jié)水理念，在城市發(fā)展的同時，緩解水資源供需矛盾。

衡水市生活用水生態(tài)熵呈顯著上升趨勢，2011年—2017年生活用水生態(tài)熵小于1，2018年—2020年生活用水生態(tài)熵大于1，衡水市生活用水在河北省由劣勢轉為優(yōu)勢，其中桃城區(qū)生活用水生態(tài)熵波動最大，原因在于城區(qū)內人口流動頻繁。

3.2 產業(yè)結構生態(tài)位與生態(tài)熵

根據衡水市產業(yè)結構生態(tài)位計算結果，見表2，2011年—2020年衡水市整體的產業(yè)結構發(fā)生了變化：第一產業(yè)生態(tài)位2011年—2017年逐漸降低，2017年—2020年出現(xiàn)回升，但仍小于2011年，生態(tài)位由0.188降至0.135；第二產業(yè)生態(tài)位下降趨勢明顯，生態(tài)位由0.526降至0.224；第三產業(yè)生態(tài)位呈上升趨勢，生態(tài)位由0.287升至0.641。衡水市整體產業(yè)結構從以第二產業(yè)為主變?yōu)橐缘谌a業(yè)為主，各縣（市、區(qū)）產業(yè)結構變化與衡水市保持一致。

根據衡水市產業(yè)結構生態(tài)熵計算結果，見表2，2011年—2020年衡水市第一產業(yè)生態(tài)位在河北省占優(yōu)勢；第二產業(yè)生態(tài)熵整體波動下降，2011年—2017年在河北省處于優(yōu)勢，2018年開始轉為劣勢；第三產業(yè)生態(tài)熵顯著升高，2018年在全省地位由劣轉優(yōu)。

衡水市第一產業(yè)生態(tài)位區(qū)域差異顯著，見圖1，饒陽縣第一產業(yè)生態(tài)位最高，且波動上升，原因在于饒陽縣大力發(fā)展科技農業(yè)，近十年來第一產業(yè)產值增長了1倍～2倍；桃城區(qū)第一產業(yè)生態(tài)位最低，且呈持續(xù)下降趨勢，主要原因是城區(qū)工業(yè)化和城市化的發(fā)展縮減了耕地面積。武邑縣、深州市、饒陽縣、故城縣、阜城縣第一產業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1，其第一產業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。

衡水市各縣（市、區(qū)）第二產業(yè)生態(tài)位總體趨勢基本保持一致，見圖1，2011年—2017年穩(wěn)中有降，降低幅度較小，在2018年出現(xiàn)斷崖式下降，隨后2019年和2020年基本保持穩(wěn)定。第二產業(yè)生態(tài)位區(qū)域差異顯著，桃城區(qū)多年平均值最高為0.510，饒陽縣多年平均值最低為0.259，相差近乎一倍。桃城區(qū)、棗強縣、武強縣、安平縣、景縣第二產業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1，其第二產業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。

衡水市各縣（市、區(qū)）第三產業(yè)生態(tài)位總體呈上升趨勢。經濟的發(fā)展帶動居民消費能力，第三產業(yè)蓬勃發(fā)展，逐漸替代第二產業(yè)成為衡水市支柱產業(yè)。冀州區(qū)、安平縣、故城縣第三產業(yè)生態(tài)熵多年平均值大于1，其第三產業(yè)在衡水市處于優(yōu)勢。

3.3 耦合協(xié)調度

衡水市農業(yè)用水與第一產業(yè)的耦合協(xié)調度呈上升（2011年—2012年）—下降（2012年—2014年）—上升（2014年—2016年）—平穩(wěn)（2016年—2019年）—下降（2019年—2020年）的波動趨勢，農業(yè)用水與第一產業(yè)耦合協(xié)調度由勉強協(xié)調轉為輕度失調；工業(yè)用水與第二產業(yè)的耦合協(xié)調度呈上升（2011年—2013年）—平穩(wěn)（2013年—2017年）—下降（2017年—2018年）—上升（2018年—2019年）—下降（2019年—2020年）的波動趨勢，工業(yè)用水與第二產業(yè)耦合協(xié)調度由勉強協(xié)調轉為嚴重失調；生活用水與第三產業(yè)的耦合協(xié)調度呈上升（2011年—2012年）—下降（2012年—2013年）—上升（2013年—2019年）—平穩(wěn)（2019年—2020年）的波動趨勢，生活用水與第三產業(yè)耦合協(xié)調度由嚴重失調轉為優(yōu)質協(xié)調。

4.結論

從用水結構來看，衡水市用水以農業(yè)用水為主，農業(yè)和工業(yè)用水生態(tài)位減小，生活用水則不斷增大。各縣（市、區(qū)）用水結構存在差異：其中農業(yè)用水生態(tài)熵較大的縣（市、區(qū)）為深州市、冀州區(qū)、武強縣；工業(yè)用水生態(tài)熵較大的縣（市、區(qū)）為桃城區(qū)、安平縣、故城縣；生活用水生態(tài)熵較大的縣（市、區(qū)）為桃城區(qū)、棗強縣、武邑縣。衡水市應壓縮農業(yè)用水規(guī)模，優(yōu)化種植結構，發(fā)展節(jié)水農業(yè)，使農業(yè)向高科技、高效益方向調整。

從產業(yè)結構來看，2011年—2020年衡水市整體產業(yè)結構發(fā)生變化：第一、第二產業(yè)生態(tài)位減小，第三產業(yè)生態(tài)位增大，衡水市整體產業(yè)結構從以第二產業(yè)為主變?yōu)橐缘谌a業(yè)為主，各縣（市、區(qū)）產業(yè)結構變化與衡水市保持一致。衡水市應不斷優(yōu)化升級產業(yè)結構，走綠色高效發(fā)展之路。

衡水市不同用水結構與產業(yè)結構耦合協(xié)調度變化較大，但變化趨勢存在明顯差異，農業(yè)用水與第一產業(yè)耦合協(xié)調度由勉強協(xié)調轉為輕度失調，工業(yè)用水與第二產業(yè)耦合協(xié)調度由勉強協(xié)調轉為嚴重失調，生活用水與第三產業(yè)耦合協(xié)調度由嚴重失調轉為優(yōu)質協(xié)調。因此，衡水市要按照“節(jié)水優(yōu)先、高速發(fā)展”為原則，合理配置水資源，實現(xiàn)水資源科學合理配置、保障經濟社會持續(xù)協(xié)調發(fā)展。□

2022-10-08

柴萌，女，漢族，河北省衡水水文勘測研究中心，助理工程師。