陳 娟,王 森*,楊建濤,何興昌

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611;2 水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611;3 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

水是生命之源,水資源是城市發(fā)展的剛性約束條件。在氣候變化及人類活動的影響下,社會經(jīng)濟發(fā)展水平與水資源條件不相匹配,水資源供需問題突出,成為制約城市發(fā)展的瓶頸[1]。因此,處理好社會經(jīng)濟與水資源間協(xié)調(diào)關(guān)系,對推動水資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。大灣區(qū)地處中國沿海開放前沿,是中國開發(fā)程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一。2019年《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》印發(fā),大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施,社會經(jīng)濟發(fā)展對大灣區(qū)水資源的有效利用提出了更高要求。

近年來,針對水資源及相關(guān)系統(tǒng)間耦合協(xié)調(diào)關(guān)系研究已成為研究熱點。安莉娜等[2]以遵義為例建立耦合協(xié)調(diào)數(shù)學模型分析水資源承載力水平與城鎮(zhèn)化質(zhì)量水平的時空協(xié)調(diào)關(guān)系。張?zhí)褡说萚3]利用水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合模型,分析了甘肅省水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)的驅(qū)動因素。常烴等[4]構(gòu)建了京津冀水資源-經(jīng)濟-社會系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型,分析了各子系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)的發(fā)展水平以及系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度。李波等[5]建立水-能源-環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)評價指標體系,定量分析黃河流域水-能源-環(huán)境系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平。

綜上研究發(fā)現(xiàn),國內(nèi)學者研究水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境、水資源-經(jīng)濟-社會、水-能源-環(huán)境的關(guān)系較多,很少單獨研究水資源與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此,開展大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價,揭示系統(tǒng)間時空演變特征,分析其主要障礙因子,對提高水資源利用率,促進大灣區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有一定的理論價值。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

由于資料限制,本文研究區(qū)域僅包含粵港澳大灣區(qū)中的廣東省9市,并簡稱大灣區(qū)。大灣區(qū)位于廣東省東南部,地處珠江流域尾閭,由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個珠三角城市組成,總面積約5.6萬km2,在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。2021年大灣區(qū)內(nèi)常住人口7 860.60萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值為10.06億元,占全國生產(chǎn)總值的8.75%。

大灣區(qū)多年平均水資源總量為568億m3,入境水資源量約為2 880億m3(高要+石角+河源)。2021年大灣區(qū)水資源總量為391.3億m3,用水總量為221.0億m3,其中工業(yè)用水占29.85%、農(nóng)業(yè)用水占30.58%、生活用水占37.09%、人工生態(tài)環(huán)境補水占2.48%。水資源年內(nèi)、年際分布極不均勻,年徑流主要集中在汛期 4—9 月,占全年的71.3%～85.0%,而枯水季 10 月—翌年 3 月僅占全年的15.0%～28.7%。隨著大灣區(qū)社會和經(jīng)濟的發(fā)展,對水資源的需求越來越大,水資源的有限性及由此帶來的污染問題和用水量不斷增長之間的矛盾越來越突出。

數(shù)據(jù)來源于2011—2021年的《廣東省水資源公報》《廣東統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 指標體系構(gòu)建

本文從水資源、社會經(jīng)濟2個系統(tǒng)出發(fā),水資源從水資源條件及水資源利用2方面考慮,社會經(jīng)濟從經(jīng)濟水平、社會結(jié)構(gòu)和城市建設(shè)3方面考慮。水資源條件從水資源特征出發(fā),選取了產(chǎn)水系數(shù)、產(chǎn)水模數(shù)和人均水資源量;水資源利用從生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、及地方生產(chǎn)總值出發(fā),選取了人均綜合用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、耕地實際灌溉畝均用水量和萬元地區(qū)生產(chǎn)總值用水量。經(jīng)濟水平主要考慮了人均GDP和人均可支配收入;社會結(jié)構(gòu)從人口、城市化及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出發(fā)選取了人口密度、城鎮(zhèn)化和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比;城市建設(shè)主要從生態(tài)環(huán)境考慮,選取了城市污水處理率和城市人均公園綠地面積。社會經(jīng)濟涵蓋了社會、經(jīng)濟、環(huán)境的相關(guān)指標。構(gòu)建系統(tǒng)-準則-指標3個層次共計14個評價指標的大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟評價指標體系,見表1。

表1 大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟評價指標體系

表2 耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)判別標準

2.2 研究方法

2.2.1指標標準化

對指標進行標準化處理,保證各指標具有可比性,見式(1)、(2)。

正向指標:yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

負向指標:yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中yij——指標標準化后的值;maxxj——指標的最大值;minxj——指標的最小值;i——第i個樣本;j——第j個指標。

2.2.2指標權(quán)重

采用組合權(quán)重w,其中主觀權(quán)重w1采用層次分析法,具體計算見文獻[6],客觀權(quán)重w2采用熵權(quán)法,具體計算見文獻[7]。利用最小信息熵原理構(gòu)造模型[8],見式(3)、(4)。

(3)

(4)

用拉格朗日乘數(shù)法求解,見式(5)。

(5)

式中w(i)——第i個指標組合權(quán)重;w1(i)——第i個指標主觀權(quán)重;w2(i)——第i個指標客觀權(quán)重;n——指標數(shù)。

2.2.3綜合值

水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)的綜合值利用線性加權(quán)法進行求解,見式(6)。

(6)

式中U1——水資源系統(tǒng)綜合值;U2——社會經(jīng)濟系統(tǒng)綜合值;ωj——第j個指標組合權(quán)重;m——水資源系統(tǒng)指標數(shù);n——社會經(jīng)濟系統(tǒng)指標數(shù)。

2.2.4耦合協(xié)調(diào)度模型

為了判定系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系,采用耦合協(xié)調(diào)度模型,通過計算系統(tǒng)間的相對離差系數(shù)量化系統(tǒng)間協(xié)調(diào)程度[9],見式(7)、(8)。

(7)

(8)

式中α——水資源系統(tǒng)權(quán)重,β——社會經(jīng)濟系統(tǒng)權(quán)重,考慮兩系統(tǒng)同等重要,α=β=0.5;C——耦合度;D——耦合協(xié)調(diào)度,值在0～1。

根據(jù)D值大小劃分為 5 級[10-11],結(jié)合水資源與社會經(jīng)濟相對關(guān)系,對于失調(diào)和過渡階段進一步劃分為社會經(jīng)濟過快發(fā)展和社會經(jīng)濟過慢發(fā)展,具體見表 2。

2.2.5障礙因子診斷模型

為了量化指標對指標體系的影響程度,引入障礙度函數(shù),判別主要障礙因子。根據(jù)評價指標在體系中權(quán)重和指標偏離度來推求障礙度,見式(9)、(10)[12-13]。

Iij=1-yij

(9)

(10)

式中Iij——第j個樣本第i個指標偏離度;Hij——第j個樣本第i個指標障礙度;n——指標數(shù)。

指標障礙度越小,說明體系受該項指標的影響越弱;指標障礙度越大,說明體系受該項指標的影響越強。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)時空演變

3.1.1時間演變

為探索大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時間演變,采用2011—2021年指標數(shù)據(jù)計算耦合協(xié)調(diào)度,繪制趨勢,見圖1。

2011—2021年水資源系統(tǒng)綜合值變化不大,在0.18～0.26,其中2011、2021年值最低,為0.18。2011、2021年降水量均低于常年,屬偏枯水年,水資源條件相對較差。2011—2021年社會經(jīng)濟系統(tǒng)綜合值呈緩慢上升趨勢,2019年達到0.30;受疫情影響,2020、2021年社會經(jīng)濟略低于2019年,均為0.29。

2011—2021年大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)耦合度在0.43～0.51,處于過渡階段低度協(xié)調(diào)狀態(tài);相對于水資源系統(tǒng),社會經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展過快,且與水資源系統(tǒng)間差距有增大趨勢。

3.1.2空間特征

為揭示大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的空間特征,選取2011、2016、2021年3個典型年份繪制空間分布,見圖2。

a)2011年

2011年,大灣區(qū)各市耦合協(xié)調(diào)度在0.35～0.47。處于輕度失調(diào)狀態(tài)的有佛山,其他均處于低度協(xié)調(diào)狀態(tài),其中耦合協(xié)調(diào)度最高的為珠海。廣州、佛山和肇慶3個市屬于社會經(jīng)濟過快發(fā)展,深圳、珠海、惠州、東莞、中山和江門6個市屬于社會經(jīng)濟過慢發(fā)展。

2016年,大灣區(qū)各市耦合協(xié)調(diào)度在0.44～0.56,均處于低度協(xié)調(diào)狀態(tài),其中耦合協(xié)調(diào)度最高的為珠海,最低的為佛山。廣州、佛山、東莞和中山4個市屬于社會經(jīng)濟過快發(fā)展,深圳、珠海、惠州、江門和肇慶5個市屬于社會經(jīng)濟過慢發(fā)展。

2021年,大灣區(qū)各市耦合協(xié)調(diào)度在0.42～0.53,均處于低度協(xié)調(diào)狀態(tài),其中耦合協(xié)調(diào)度最高的為珠海,最低的為惠州。9個市均屬于社會經(jīng)濟過快發(fā)展。隨著大灣區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展,水資源滯后于社會經(jīng)濟的城市也有增多的趨勢。

從區(qū)域看,珠海水資源條件較好,珠江流域八大口門中的崖門、磨刀門、雞啼門和虎跳門都流經(jīng)珠海,其中縱貫珠海的磨刀門水道多年平均徑流量約923億m3,為八大口門之首,過境水資源量豐富;珠海屬亞熱帶海洋性氣候,海洋對本地氣候調(diào)節(jié)作用明顯,常年降雨充沛。珠海社會經(jīng)濟也比較突出,人均GDP、人均可支配收入均高于大灣區(qū)平均值,而人口密度僅為大灣區(qū)平均值的1/2。佛山地處珠江三角洲,本市用水主要依賴于過境水量,人均水資源量接近廣東省平均值的1/3,大灣區(qū)平均值的1/2。佛山人均GDP、人均可支配收入接近大灣區(qū)平均值,城鎮(zhèn)化率明顯高于大灣區(qū)平均值,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比明顯低于大灣區(qū)平均值。

3.2 障礙因子分析

利用障礙因子診斷模型計算大灣區(qū)2011—2021年14個指標的障礙度(%),見圖3。

圖3 水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)障礙因子及障礙度

人均水資源量是大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)的主要障礙因子,障礙度為14.5%。第二為人均GDP,障礙度為13.4%。其后3個指標依次為第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比、城鎮(zhèn)化率和耕地實際灌溉畝均用水量,其障礙度分別為10.9%、9.8%和9.5%。在水資源系統(tǒng)中,人均水資源量受降水影響較大,不易管控,可通過調(diào)水工程、非常規(guī)水資源利用來部分緩解。正在實施的珠江三角洲水資源配置工程從西江干流水道向珠江三角洲東部地區(qū)引水,解決廣州、東莞、深圳城市缺水問題。加強非常規(guī)水資源利用,推廣再生水、雨水、淡化海水等利用方式。未來以增加人均GDP、增大第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比,適當控制城市發(fā)展速度以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉模式減小灌溉畝均用水量成為推動大灣區(qū)水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的重點。加快經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級,大力發(fā)展新興產(chǎn)業(yè),提高經(jīng)濟活力,促進用水方式轉(zhuǎn)變。

4 討論

大灣區(qū)各市嚴格落實水資源總量控制制度,積極推進節(jié)水型社會、水生態(tài)文明城市和海綿城市建設(shè),強化節(jié)水減排、再生水利用等。大灣區(qū)用水效率明顯提高,萬元地區(qū)生產(chǎn)總值用水量和萬元工業(yè)增加值用水量均顯著下降,人均綜合用水量逐漸下降,耕地實際灌溉畝均用水量略有下降。隨著大灣區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展,社會經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展過快,與水資源系統(tǒng)間差距有增大趨勢,說明水資源形勢仍比較嚴峻,影響水資源社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的主要障礙因子有人均水資源量、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比、城鎮(zhèn)化率和耕地實際灌溉畝均用水量。因此,在落實水資源節(jié)約與保護現(xiàn)有制度和措施的前提下,進一步優(yōu)化水資源配置,大力推進雨洪資源利用等節(jié)約水、涵養(yǎng)水的工程建設(shè),構(gòu)建綠色生態(tài)水網(wǎng),推進水資源全面節(jié)約和循環(huán)利用。強化城市建設(shè)管理,集中力量著力調(diào)整用水結(jié)構(gòu),提高用水效率,促進經(jīng)濟發(fā)展方式加快轉(zhuǎn)變,促進社會經(jīng)濟與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展。

本研究中不確定性主要源于評價指標體系的構(gòu)建,在指標體系上主要考慮了水資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,其中社會經(jīng)濟涵蓋了社會、經(jīng)濟、環(huán)境的相關(guān)指標。由于數(shù)據(jù)的可獲取性及體系構(gòu)建的科學性等因素,指標體系并不能全面反映系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系,今后的研究仍需繼續(xù)完善。

因資料數(shù)據(jù)限制,尚未將香港、澳門納入分析,而香港、澳門水資源與大灣區(qū)水資源緊密聯(lián)系,大灣區(qū)對香港供水滿足了香港80%左右的用水需求,對澳門供水滿足了澳門98%以上的用水需求。后續(xù)應(yīng)加強粵港澳大灣區(qū)整體水資源研究。

5 結(jié)論

通過構(gòu)建指標體系,運用耦合協(xié)調(diào)度模型和障礙因子診斷模型對大灣區(qū)2011—2021年水資源-社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)時空特征和主要障礙因子進行分析,主要結(jié)論如下。

a)2011—2021年,大灣區(qū)水資源與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)水平較低,社會經(jīng)濟發(fā)展過快,且差距增大;九市基本處于低度協(xié)調(diào)狀態(tài),耦合協(xié)調(diào)度珠海較高,佛山相對較低。

b)水資源與社會經(jīng)濟均存在影響協(xié)調(diào)發(fā)展的障礙因子。水資源主要障礙因子有人均水資源量、耕地實際灌溉畝均用水量。社會經(jīng)濟主要障礙因子有人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占比、城鎮(zhèn)化率。大灣區(qū)各市主要障礙因子空間差異性不大。