基于耦合協調度模型的南京市用水效率與經濟發展關系

耿 芳,董增川,管西柯

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

基于耦合協調度模型的南京市用水效率與經濟發展關系

耿 芳,董增川,管西柯

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

基于2007—2014年南京市用水效率與經濟發展的時間序列數據,構建南京市用水效率系統與經濟發展系統間的耦合協調度模型,探討南京市在2007—2014年期間用水效率與經濟發展之間的動態均衡關系。首先對用水效率系統和經濟發展系統的綜合狀況進行評價,然后對兩系統的耦合協調度進行定量分析。結果表明:2007—2014年南京市用水效率和經濟發展水平都有大幅度增長;兩者的耦合協調關系在波動中逐漸優化,2007年處于低度協調耦合階段,2008年處于中度協調耦合階段,2009—2014年處于高度耦合協調階段;只有提高用水效率與經濟發展并舉,才能保持耦合協調度的增長趨勢。最后針對用水效率系統和經濟發展系統存在的不足,提出在用水效率方面優化用水結構、加強水質污染治理,經濟發展方面則調整經濟結構、增強經濟活力等建議。

用水效率;經濟發展;耦合協調度;南京市

城市化進程的加速、人口的持續增長、經濟的快速發展等因素均導致了用水量大幅度增加。一味追求經濟發展、過度開發水資源、忽略用水效率的提高以及對污水的處理,會造成用水效率與經濟發展的不協調,使得城市水資源供需矛盾更為突出。《中國可持續發展水資源戰略研究報告》認為,解決我國水的問題,核心是提高用水效率,建設節水型社會。所以有必要對城市用水效率和經濟發展的協調度進行分析,認清城市目前的問題,制定與用水效率相協調的經濟發展戰略,這對實現城市社會經濟的可持續發展具有重要的意義。

目前,國外對于用水效率與經濟發展之間關系的研究不多。Howec[1]定性分析了水資源利用對經濟增長的促進作用以及兩者間的靜態關系;Meinzen-Dick等[2]研究了水資源對城市經濟發展的約束與限制作用;Thawale等[3]通過修正的Penman公式估算了水資源的利用情況與農業經濟發展的關系。國內學者近年來在水資源與經濟發展關系的研究方面也取得了一些成果。孫愛軍等[4]借鑒物理學中的耦合度函數,測算了不同城市經濟與用水技術效率之間的耦合協調程度;蓋美等[5]建立了水資源與經濟可持續發展評價指標體系,運用可變模糊識別模型分別對大連市和遼寧沿海經濟帶水資源與社會經濟發展之間的協調關系進行評價;李婷等[6]構建了江蘇省水資源利用與經濟增長間的VAR模型,探討了江蘇省在1995—2013年間水資源利用與經濟增長之間的相互動態影響;周校培等[7]采用全排列綜合圖示法測算了2007—2014 年南京市水資源系統和社會經濟系統的綜合發展評價指數,并利用耦合協調度模型測算了兩系統間的耦合協調度。

目前在對用水效率系統與經濟發展系統的耦合關系進行研究時,兩系統所選取的指標比較單一,且整體評價不夠全面合理。據此，筆者擬以南京市為研究區域,從綜合、社會、經濟、生態4個角度出發構建用水效率系統,從經濟發展規模、經濟結構和經濟發展活力3個角度出發構建經濟發展系統,在確定兩系統各指標權重的過程中結合熵權法,綜合考慮主觀和客觀因素,使得評價結果更切合實際。同時在對兩系統的耦合協調度進行定量分析時,還針對性地揭示了影響水資源與經濟協調發展的因素,為正確處理經濟與用水效率之間的矛盾,最終為實現經濟與用水效率的協調發展提供理論依據和實踐指導。

1 研究方法

1.1 綜合評價方法

將熵權法[8]與綜合評價法有機結合,分別對用水效率與經濟發展水平進行綜合評價。

a. 構造判斷矩陣。設有m個評價指標,n個評價對象,則判斷矩陣為

X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n) (1)

為消除量綱的影響,增強指標的可比性,需對原始數據進行標準化處理,得到標準化矩陣:

Z=(zij)m×n

(2)

b. 利用熵權法確定指標的權重wi。

c. 將各個評價因子標準化的指標值與相應的權重值相乘,即得到系統的綜合評價值:

(3)

1.2 耦合協調度模型

耦合是指系統間相互依賴、相互作用、相互協同的動態關系。通過測算用水效率與經濟發展間的耦合度,可以度量兩系統間協同作用的強弱程度。借鑒物理學中的容量耦合概念及其容量耦合系數模型,兩個系統之間的耦合度模型[5]為

C=[R1R2/(R1+R2)2]1/2

(4)

式中:C為耦合度;R1、R2分別為用水效率、經濟發展的綜合評價值。

由于R1、R2∈[0,1],因此C∈[0,1]。當C=0時,用水效率與經濟發展無關;當C∈(0,0.3]時,用水效率與經濟發展處于低水平耦合階段;當C∈(0.3,0.5]時,用水效率與經濟發展處于拮抗階段;當C∈(0.5,0.8]時,用水效率與經濟發展處于磨合階段;當C∈(0.8,1]時,用水效率與經濟發展處于高水平耦合階段。

協調是指系統發展過程中,相互協調一致的屬性。通過協調度模型[5]可以更好地判斷用水效率系統與經濟發展系統之間的耦合協調發展程度,公式為

T=(αR1+βR2)1/2

(5)

D=(CT)1/2

(6)

式中:D為耦合協調度;T為經濟發展系統與用水效率系統的綜合協調指數;α、β為經濟發展系統與用水效率系統重要程度的權系數,考慮到經濟發展與用水效率的提高同等重要,取α=β=0.5。

由于R1、R2∈[0,1],因此T∈[0,1],D∈[0,1]。當D∈[0,0.4]為低度協調耦合;D∈(0.4,0.5]為中度協調耦合;D∈(0.5,0.8]為高度協調耦合;D∈(0.8,1]為極度協調耦合。

2 實例分析

2.1 評價指標體系的構建及權重計算

將南京市用水效率與經濟耦合協調發展系統分為用水效率子系統與經濟發展子系統。

在構建水資源利用效率評價指標體系時,應考慮施加在水資源系統上促使水資源利用效率發生變化的驅動力:經濟(包括工業、農業)、社會、生態環境等。因此將南京市用水效率系統分解成綜合用水效率、生活用水效率、生產用水效率、生態用水效率4個子集,分別從綜合、社會、經濟、生態4個角度評價用水效率。結合用水效率的內涵,評價主要包括經濟社會發展、用水結構、單位產品水資源消耗量、水資源生態環境可持續發展等內容[9],由此選取11個評價指標。

經濟發展子系統的評價指標體系主要從經濟發展規模、經濟結構和經濟活力3個方面構建[10],選取包括人均GDP、城鎮人均可支配收入、全社會固定資產投資額等8個評價指標。南京市用水效率與經濟耦合協調發展系統綜合評價指標體系見表1。

2.2 數據來源

主要采用2007—2014年數據對南京市用水效率與經濟發展的耦合協調關系進行分析。數據來源于《南京市水資源公報》《南京市國民經濟與社會發展統計公報》《南京市統計年鑒》《南京市財政決算報告》及南京市相關的統計數據和規劃報告。

2.3 結果分析

2.3.1 用水效率與經濟發展綜合評價

運用本文構建的南京市用水效率系統與經濟發展系統的耦合協調度模型計算用水效率和經濟發展水平的綜合評價值,結果見表2。根據表2繪制出南京市用水效率和經濟發展水平綜合評價值的時序變化圖(見圖1)。由圖1可以看出,南京市用水效率和經濟發展狀況總體上均呈上升狀態,經濟發展保持不斷增長的趨勢,用水效率則有較大幅度的波動。結合表2、圖1,分析兩系統的發展趨勢。

a. 用水效率系統。用水效率在2007—2010年高速增長,2011年由于綜合用水效率、生活用水效率、生產用水效率、生態用水效率下降的綜合作用導致用水效率出現急劇下降的局面,綜合評價值由2010年的0.472降至2011年的0.201。究其原因：①南京市2011年降水量大幅減少導致農業用水比例加大,而農業用水效率與工業用水、生態用水相比較低,主要表現在單位面積灌溉用水量較多,萬元農業GDP用水量也較多等方面。②雖然降水量減少,居民生活用水量卻沒有相應減少,且人口自然增長率遠高于2010年,人均日生活用水量在所研究年份中也是最大的。③南京市2011年水資源管理系統還不完善,缺少嚴格的政策法規,對于水質污染、河道管理等問題監管不到位,導致水質不達標問題突出[7]。2012年用水效率又恢復高速增長,這主要是因為2012年南京市按照《省政府關于實行最嚴格水資源管理制度的實施意見》的指導思想[11],實行最嚴格的水資源管理制度,主要以實現水資源可持續利用為目標,以水資源節約保護和優化配置為重點,促進用水方式轉變和產業結構調整,嚴格取水項目審批制度和用水效率考核管理,全面實施建設項目節水設施“三同時”(即節水設施與主體工程同時設計、同時施工、同時投入使用)管理制度,鼓勵循環用水和節水減排改造,建立重點用水單位監管制度,引導水資源利用向高效率、高效益和低排放、低污染方向發展。經過不懈努力,2012—2014年用水效率有了較大幅度的增長。

表1 南京市用水效率與經濟耦合協調發展系統綜合評價指標體系

表2 南京市用水效率系統和經濟發展系統綜合評價結果

圖1 南京市用水效率系統與經濟發展系統綜合評價值時序變化

b. 經濟發展系統。經濟發展一直保持不斷增長趨勢,綜合評價值由2007年的0.058增長至2014年的0.917。2007—2010年間經濟保持緩慢增長,這一階段主要受全球金融危機和需求不足的影響,加上經濟結構存在重工業突出的固有矛盾,經濟活力指標出現明顯下降趨勢,使經濟總體處于低谷期。2011年開始經濟發展水平總體呈現高速、穩定上升態勢,綜合評價值由2011年的0.342增長到2014年的0.917,經濟實力明顯提升。這主要是因為2011年南京由“十一五”規劃向“十二五”規劃過渡。“十二五”時期(2011—2015年)是南京加快轉變經濟發展方式、創新驅動產業升級的重要時期[7]。這一階段,南京市擯棄以往粗放的經濟發展方式,逐漸向低能耗高效率的經濟發展方式過渡,在發展經濟的同時更加注重節能減排、改善生態環境,同時調整產業結構,加快發展科學研究、水利環境等服務業,不斷引進創新型產業等,使得經濟發展規模、經濟發展活力、經濟結構3類指標都有不同程度的鞏固和提高,其中經濟發展規模增長最明顯,由2010年的0.130增長至2014年的0.455,帶動了經濟的快速發展。

2.3.2 用水效率與經濟發展差距

由表2可以看出,南京市用水效率與經濟發展的差距呈波動縮小后基本穩定不變的趨勢。2007—2011年處于不穩定的波動階段,經濟發展水平落后于用水效率,用水效率與經濟發展之間的差距越來越大,表現為經濟發展脅迫用水效率的提高。2011—2014年較為平穩。2011年經濟開始快速發展,同時用水效率急劇下降,2012年用水效率恢復增長。這期間經濟發展水平高于用水效率,主要是因為2011年經濟基數大于用水效率,且受到外界條件如用水效率、生態環境的良好影響和促進,發展迅速。這一階段兩者增速相當,呈穩步均衡發展狀態,表現為兩者相互影響,用水效率的提高促進經濟的發展,同時又好又快的經濟發展也為合理配置、高效利用水資源提供保障。

2.3.3 用水效率系統與經濟發展系統耦合協調度

用水效率系統與經濟發展系統的耦合度、耦合協調度計算結果見表3。根據表3繪制南京市用水效率系統與經濟發展系統的耦合度與耦合協調度時序變化圖,見圖2。

表3 南京市用水效率系統與經濟發展系統耦合協調發展評價結果

圖2 南京市用水效率系統和經濟發展系統耦合協調度時序變化

a. 從耦合度時序變化來看,整體上耦合度在波動中稍有提升,2007—2014年用水效率系統與經濟發展系統的耦合度均在0.3～0.5之間,表明兩者處于拮抗階段,即用水效率與經濟發展處于共同發展狀態。由于耦合度逐漸趨近于0.5,說明二者關系在逐步走向協調,進入磨合階段。2007—2010年間水資源系統是經濟發展的強有力支撐;2011—2014 年間當經濟的發展逐步回歸正常之后,經濟發展系統的健康發展又推動了用水效率的提高。

b. 從耦合協調度時序變化來看,2007—2014年用水效率系統與經濟發展系統的耦合協調度數值一直不斷增大,表明南京市用水效率與經濟發展之間關系不斷改善,逐漸趨于協調。2007—2010年間由于用水效率與經濟發展的曲線軌跡不一致,造成兩者協調度較低或耦合度下降,耦合協調度數值波動較大。2012—2014年用水效率與經濟發展的曲線軌跡逐漸趨同,耦合度與協調度都呈穩定的上升趨勢,從而促進了耦合協調度的增大,表明用水效率與經濟發展進入高度協調耦合階段。

c. 從整體來看,南京市社會經濟系統與水資源系統的耦合協調水平仍然較低,但是近10 年的發展過程中,兩系統通過內部指標間一系列內在的、相互依存和相互制約的關系互相影響,不斷磨合,共同發展。用水結構的優化產生更大的經濟效益;經濟結構的變化影響不同部門的用水比例;經濟發展過程中所排放的各類污染物,有可能污染水體造成可利用水資源量的減少,從而降低水資源利用效率[9]。未來若能保證提高用水效率與經濟發展并舉,則有望使兩系統的發展進入極度協調耦合階段。

3 結論與建議

a. 南京市用水效率與經濟發展水平在研究期均有大幅度增長,2011年以前用水效率水平高于經濟發展水平,對經濟發展有良好的促進作用。2011年以后,經濟高速發展,并超過用水效率水平,經濟發展推動水資源的高效利用。

b. 用水效率系統與經濟發展系統的耦合度在0.3～0.5之間,處于拮抗階段,并逐步接近磨合階段,表明用水效率與經濟發展處于共同發展狀態。用水效率系統與經濟發展系統的耦合協調度在波動中逐步增大,由低度協調耦合逐步過渡到高度協調耦合階段,未來有望進入極度協調耦合階段。

c. 只有保持用水效率與經濟的協調發展才能最終實現社會經濟的可持續發展。南京市未來發展應繼續重視在經濟發展的同時提高用水效率。經濟方面,主要通過加大科技創新投入,積極進行創新平臺建設,提高企業自主創新能力等增強經濟活力,并積極更新產業結構,加快經濟轉型。用水效率方面,用水結構必須得到實時優化,加速低耗水產業發展,限制高耗水工業項目建設和高耗水服務業發展;針對農業用水效率低下,生活、生態用水效率堪憂問題,應當繼續關注農業用水效率的提高問題,遏制農業粗放用水,高度重視生活、生態用水管理工作,加強節水設施基礎建設;同時應該注意維護水資源環境,防治工業污染,保障水資源良性循環,提高水資源可持續利用性。

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10.3880/j.issn.1003-9511.2017.01.006

國家自然科學基金面上項目(41471014);江蘇省普通高校學術學位研究生科研創新計劃(KYZZ15_0136);江蘇省水利科技重點項目(2016003)

耿芳(1992—),女,碩士研究生,主要從事水資源規劃與管理研究。E-mail:15295502252@163.com

董增川(1963—),男,教授,主要從事水資源規劃與管理研究。E-mail:zcdong@hhu.edu.cn

TV213.9

A

1003-9511(2017)01-0021-05

2016-06-15 編輯：胡新宇)