海綿城市視域下水資源與社會經濟發展協同評價

陳 莉，張安安

(安徽建筑大學經濟與管理學院，安徽 合肥 230022)

為使城市能夠應對自然災害，適應環境變化，可將城市打造成一塊“彈性”良好的海綿，洪澇時吸水、蓄存，干旱時釋放，并及時對城市中水質不達標或已被污染的水資源進行凈化[1]。經濟發展是人們生活水平的重要保障，規劃區域經濟建設、提升區域經濟實力是我國“十四五”規劃的重要內容；水資源在經濟發展過程中必不可少，是生命構成和活動的根本物質基礎，二者之間的協調程度已經成為影響區域經濟發展的重要因素[2-3]。然而，降水分布不均引發的季節性缺水，以及水污染引發的水質性缺水，都嚴重阻礙了社會經濟的良好運行[4]。在海綿城市視域下剖析各地區水資源和社會經濟系統的協同度，實現水資源的可持續利用與社會經濟的協同發展顯得尤為重要。

近些年來，不同領域關于協同度的研究越來越多，已有的研究成果顯示，李同升等[5]以渭河流域水資源與社會經濟系統為研究對象，運用SD模型評價協同發展情況。章恒全[6]指出各區域的水資源利用效率對經濟增長產生的效應不同，水資源問題對三大產業均有影響尤其是對第三產業影響顯著。萬晨、冀連華、胡勝祥等[7-9]構建了相對科學的指標體系來計算兩者之間的協同程度。蓋美等[10]，選擇模糊識別模型對水資源與社會經濟系統的協同關系進行研究。馬向東、趙克勤等[11-12]則另辟蹊徑地提出協同理論和集對分析方法(SPA)，這為構建協同模型提供了新思路。除此之外，孟慶松等[13]提出的復合系統整體協調度模型更是受到了廣泛認可。

學者們運用各種研究方法，從省域、市域和區域等不同范圍搭建指標體系，研究不同子系統之間的協同關系。但將研究具體到水資源與社會經濟，又以全國主要城市為研究對象，基于協同原理并采用復合系統整體協同度法的目前只有少數文獻涉及。本文嘗試運用復合系統協同度評價模型，對全國主要城市(不包括拉薩、烏魯木齊)水資源與社會經濟系統的協同度進行評價，以期豐富相關文獻，為各城市水資源和社會經濟的協同發展提供借鑒。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文研究所需數據主要來源于2016—2020年的《中國統計年鑒》，各省及市統計年鑒，各省及市的水資源公報、國民經濟與社會經濟發展公報等，個別缺失數據通過插值法補齊。

1.2 研究方法

1.2.1 協同理論

為研究復雜系統之間的協同作用，了解協同作用下各子系統在不同時間、空間條件下的特征及演變規律，1971年德國物理學家赫爾曼哈肯(Hermann Haken)提出協同學理論，指出協同系統由多個子系統組成，它們相互聯系、相互作用，共同產生協調、合作的效應。雖然學者們關于協同的研究方法和側重點存在差異，但對協同的內涵即“1+1>2”的理解是一致的。在模型測算過程中，我們稱系統內部各要素之間的協調程度為協同度[11]，其大小代表了系統從無序到有序的變化過程，是定量分析子系統之間協調發展狀態的重要指標，本文研究的協同度是指水資源與社會經濟系統之間的協同程度。

1.2.2 復合系統整體協同度法

A1和A2分別代表水資源系統和社會經濟系統的序參量集合，A1=(x11,x12,…,x17)，A2=(x21,x22,…,x27)，且i∈[1,2]，j∈[1,7]，aij

(1)

式中，Di(Aij)∈(0,1)，xij的有序度越大，說明其在系統Ai中的作用越大，再利用線性加權求和法即可得出系統Ai的有序度Di(Aij)為

(2)

式中，wj代表第j個指標的權重，D1(A1),D2(A2)分別為水資源系統A1和社會經濟系統A2的有序度。

設N為水資源與社會經濟相互之間的協同能力，根據各個子系統有序度的集合平均數計算它們的協同能力，公式如下：

(3)

協同度C是在水資源與社會經濟二者相互影響的過程中確定下來的，具體計算公式如下：

(4)

2 協同度評價模型

2.1 序參量的選擇

選擇具有代表性的指標作為模型序參量是實證分析的第一步，考慮到數據的科學性和可獲得性，首先針對水資源系統和社會經濟系統分別確定了20個初選指標，再采用德爾菲法，分別篩選水資源系統和社會經濟系統的初選指標，最終各選出7個得分較高的指標[14]。水資源系統序參量包括單位面積平均降水量x11、人均水資源量x12、有效灌溉面積x13、供水總量x14、生產運營用水量x15、居民生活用水量x16、污水排放量x17；社會經濟系統序參量包括年末常住人口數x21、城鎮化水平x22、人均GDPx23、人均可支配收入x24、第二產業增加值x25、第三產業增加值x26以及職工平均工資x27。

2.2 數據處理

為消除序參量之間的量綱差異，使不同單位、不同數量級的序參量具有可比性，本文采用歸一化處理法，利用公式(5)對原始數據進行無量綱化處理。再利用熵值法計算指標權重，在協同理論中，“熵”被用來表示指標的作用程度，所得指標權重直接影響序參量的有序度，可對復合系統協同度評價模型進行改進，指標的權重越大，代表在協同度評價過程中所起的作用越大，反之作用越小[15]。

(5)

式中，x′ij為無量綱化處理后的數據；xjmin為第j個指標的最小值；xjmax為第j個指標的最大值。

熵值法計算公式中第j項指標的熵值為

(6)

信息熵冗余度為dj=1-ej，計算權重為

(7)

綜上所述，權重計算結果見表1。

表1 各序參量權重

續表

2.3 水資源-社會經濟系統有序度

2.3.1 水資源系統有序度

將熵值法所得的各指標權重以及無量綱化處理后的數值代入公式(2)，計算出我國29個主要城市2015—2019年的水資源系統有序度D1(A1)，觀察數據列表(表2)，各城市水資源系統有序度隨時間的變化趨勢清晰可見。

從時間序列來看，近5年大部分城市的水資源系統有序度較小，且無明顯變化規律。從空間分布來看，東部地區水資源有序度的波動幅度明顯高于中西部地區，而東部地區本身南北差異較大，以福州為代表的多數南方城市的水資源有序度明顯高于沈陽等北方城市。觀察序參量的權重列表可知，單位面積降水總量、人均水資源量和有效灌溉面積對水資源有序度的影響較大，這些因素受降水等氣候條件限制，具有很大的隨機性，且空間分布不均，同時城市水資源的開發利用率、政府環境政策以及民眾節水意識等因素也直接影響著區域耕地的有效灌溉率。2015年4月第一批海綿城市建設試點確立，我國正式開始了海綿城市的系統建設，但由于發展時間較短，經驗尚淺，不少地區的海綿城市建設工作仍處于起步階段，海綿城市規劃中倡導的高效開發利用水資源并未得到充分的實踐，以至于多數地區的水資源系統有序度增長緩慢，甚至存在倒退風險。

2.3.2 社會經濟系統有序度

參照上述水資源系統有序度的計算方法，得出我國29個主要城市2015—2019年的社會經濟系統有序度D2(A2)，由計算結果(表2)可知，相較于水資源系統有序度，各城市社會經濟系統有序度在空間上的變化情況更為顯著，尤其是東中部地區，各城市之間差異明顯。

表2 水資源與社會經濟子系統有序度

續表

以北京、南京、杭州、武漢、合肥、鄭州為代表的多數城市的社會經濟系統有序度從2015年開始呈現出較為穩定的增長態勢。這些城市地處長江經濟帶的核心位置，背靠長三角經濟區，同時受中部崛起戰略和武漢城市圈的共同作用，經濟社會發展迅速。觀察序參量的權重(表1)可知，影響社會經濟系統有序度的因素主要集中在年末常住人口、第二產業增加值和職工平均工資3個指標。分析社會經濟系統的影響因素發現，這些城市的上述指標均呈現出逐年增長的趨勢，社會經濟水平穩步提升。尤其是以工業為代表的第二產業在2015—2019年間強勢發展，這直接帶動了當地職工的平均工資，對保障和改善民生、促進社會和諧穩定作用明顯，也吸引了大量人才以及外來人口常住，為城市注入新鮮血液，實現社會經濟發展良性循環。

2.4 水資源-社會經濟系統協同度

運用復合系統協同度模型，分析2015—2019年間我國29個主要城市(除拉薩、烏魯木齊外)水資源與社會經濟系統協同度之間的協同發展情況。首先對原始數據進行無量綱化處理，利用熵值法計算各指標權重，再依據指標權重計算各序參量的有序度，最后得出水資源-社會經濟系統的協同度。復合系統的協同度測算過程是一個動態評價的過程，協同度C∈[-1,1]，取值為正，說明復合系統處于協同狀態，反之，則處于不協同狀態；取值越大，協同度越高，反之越低。由于目前尚未有統一的標準可以度量復合系統協同度，本文參考夏業領和何剛[16]的研究結果，將復合系統協同度劃分為6個等級并給出相應的劃分標準，如表3所示。

表3 協同度等級劃分

依據公式(4)計算水資源與社會經濟系統之間的協同度，為了在空間上更直觀地比較各城市之間協同度的差異，將計算結果繪制成柱狀圖(圖1～圖5)。觀察協同度計算結果，發現29個主要城市的水資源與社會經濟系統協同程度存在一定差距，2015—2019年間，哈爾濱、長春、呼和浩特、西寧、海口、南寧的協同度一直為負值，始終處于不協調的狀態。而石家莊市的協同度在2018年之前均為正，屬于輕度協同，自2018年開始協同度逐漸轉為負值，進入輕度不協統同范疇，這表明石家莊市近幾年水資源與社會經濟系統的協同發展存在問題，并且這種不協同的態勢正在慢慢惡化，究其原因，不難發現石家莊市水資源系統的有序度偏低。要改變這種現狀，就要更大限度地發揮水資源系統的運行能力，這也是我國大力推行海綿城市建設的重要原因。除此之外，其他城市的水資源與社會經濟系統協同度均大于零，目前處于協同發展的狀態。

圖1 2015年水資源與社會經濟系統協同度

圖2 2016年水資源與社會經濟系統協同度

圖3 2017年水資源與社會經濟系統協同度

圖4 2018年水資源與社會經濟系統協同度

圖5 2019年水資源與社會經濟系統協同度

3 分析與討論

參考復合系統協同度等級劃分標準，將全國29個主要城市水資源-社會經濟系統的協同程度分為三類，第一類是以杭州、長沙、重慶等5個城市為代表的中度協同，其協同度在(0.2,0.6]范圍內；第二類是協同度在(0,0.2]區間內的輕度協同，主要包括北京、天津、合肥、上海、廣州等17個城市；第三類是協同度位于(-0.2,0]的輕度不協同，包括海口、蘭州、西寧、石家莊等7個城市。

目前協同程度最高的是杭州市，已經進入中度協同。一方面，杭州市水資源儲備相對豐富，降水量較多，另一方面，該市的經濟水平位于全國前列，相較于同等經濟水平的其他城市，其生產運營用水和污水排放量均得到了有效的控制，這不僅保護了城市水生態，也保證了水資源的充足供給。2021年5月，財政部、住建部、水利部聯合評審，杭州成功入選全國首批20個海綿示范城市。但近些年杭州市的協同度增長緩慢，且存在一定的波動，要使協同水平得到長久有效的提升，杭州市仍需繼續貫徹海綿城市建設主張。北京、天津、上海、廣州等城市處于輕度協同狀態，分析發現，這些城市有限的水資源難以供給日益激增的城市化人口，無法為社會經濟發展提供充足的養分，只有繼續落實海綿城市政策，將城市打造成為優質的海綿體，水資源問題帶來的發展矛盾才能得到緩解。而海口、蘭州、西寧、石家莊等城市屬于低度不協同，它們中的大部分經濟發展較為落后，相對充足的水資源量并未得到合理的利用，水資源的保障作用發揮受阻，不能有效促進社會經濟發展；更有部分城市，經濟發展起步較晚，降水量偏低，城市水資源常年匱乏，工農業供水受限，直接導致了該區域水資源有序度與社會經濟有序度均落后于其他地區，常年處于不協同狀態。

研究發現，城市水資源與社會經濟系統的協同程度整體偏低，二者之間的協同作用未達到最優狀態，“1+1>2”的系統協同優勢發揮不足，這必定會對社會經濟的發展帶來一定的阻礙。各城市之間的協同度也存在明顯差異，2015—2019年間，我國大部分城市的社會經濟發展趨于穩定，社會經濟系統有序度普遍呈上升趨勢，而水資源系統有序度卻呈現出停滯甚至倒退的現象，水資源與社會經濟發展的落差直接導致了復合系統協同程度較低。雖然早在2014年11月，我國住房和城鄉建設部就已經頒布了《海綿城市建設技術指南》，但從實證結果來看，我國海綿城市建設工作仍存在諸多不足，城市水資源問題并未得到有效的解決。同時也從側面說明，全國大部分城市的經濟發展較為健康，水資源系統還有巨大的開發利用潛力，對經濟的保障作用也有很大的發揮空間，需要進一步優化配置水資源，否則短期內很難與社會經濟同步發展。

4 海綿城市視域下水資源與社會經濟協同發展的路徑分析

4.1 重視流域保護，消減水域污染

城市內及城市周邊的江河湖泊承載著城市的生態環境，依據海綿城市的建設思想，這些流域就像天然的海綿體，干旱時蓄水，洪澇時泄洪。南京市經濟系統有序度一直穩居全國前列，且城市流域分布廣泛，地表水資源豐富，但水資源與社會經濟系統的協同程度較低，屬于低度協同。調查發現，南京夏季洪澇災害頻發，一方面是城市基建中的防洪排水設施尚不健全，但更重要的原因是城市流域的水生態遭到破壞，河流湖泊的蓄水、凈化等功能在洪澇時未能及時發揮作用[17]。因此必須重視對城市流域的保護，在海綿城市建設中重塑流域水生態，將城市流域打造成天然的海綿體。加之人口城市化帶來的大量生活垃圾開始與治理不合格的工業廢水一齊涌入城市的河流湖泊，水體富營養化問題日益嚴重，破壞了河流的凈化與排水功能。經濟發展位列第一梯隊的北京、上海、廣州等城市，雖然雨水資源相對豐富，經濟基礎雄厚，但大量的工業廢水與生活污水使城市水質性缺水嚴重，水資源與社會經濟之間的協同度并不高。此時，亟需行之有效的污水回收處理技術來實現污水再生利用。依據海綿城市的建設理念，一方面，要嚴肅整治生活污水排放問題，在源頭處進行消減；另一方面，要建立現代化的污水處理廠，運用科學高效的技術設備使廢水達到合格的排放標準或者回收處理再利用，實現城市水資源的可持續發展。具體可參考美國的最佳管理措施(BMPS)，該措施致力于消減水域污染，改善水質性缺水，符合海綿城市建設的核心要求[18]。

4.2 恢復城市濕地，保障雨水利用

在“海綿城市”建設中人工濕地的建設至關重要，當城市出現大雨或是特大暴雨時會導致洪澇災害的發生，甚至會出現“城市看海”的現象，濕地系統又稱“自然之腎”，可調節氣候、營養土質、凈化水質、緩解洪澇災害等，是人類的重要生存環境，也是維護動植物多樣性的基礎[19]。然而，建筑面積隨著城市化進程的加快正在急速擴張，有限的濕地系統逐漸硬化，各種難以降解的生活垃圾也破壞了濕地系統的生態功能，因此，修復城市濕地系統至關重要，這是城市天然的雨水滯納凈化場。在修復受損濕地的同時，也要關注新開發區的濕地保護，肆意填埋坑塘等破壞濕地的現象必須嚴令禁止，以犧牲濕地為代價的城市建設終將增加城市內澇風險，甚至引發更為嚴峻的自然災害。習近平總書記在中央城鎮化工作會議上指出，解決城市水問題，因順應自然，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”[20]。良好的濕地系統，既是解決城市洪澇災害的重要途徑，也是健全雨水收集系統，緩解城市季節性缺水和水質性缺水的最優方案。

4.3 加強頂層設計，推進協同發展

無論是水資源利用亦或是社會經濟發展，政府都是主導者，它們統籌城市建設的各項工作，協調多個機構和部門，要建立完善的系統管理體系，必須加強頂層設計。水資源與社會經濟的協同發展過程涉及水利、環保、財政、市場等多個部門，需要協調大量的人力、物力、財力，因此制定合理的規劃管理政策，對各城市依據政府規劃切實執行具有重要的指導意義。首先，各城市經濟發展委員會應當協調包括海綿城市建設部門在內的相關水資源開發利用機構，依據本城市的自然環境狀況和城市經濟基礎等特點規劃經濟建設，繪制社會主義現代化城市藍圖。在宏觀層面上協調水資源與社會經濟之間的合作關系，形成供需平衡、相互配合的協調發展局面，這也是海綿城市建設的良好基礎。此外，要解決城市水資源問題，建設海綿城市勢在必行，而我國海綿城市建設目前仍處于起步階段，無論是前期規劃建設或是后期維護營運都需要大量的資金提供保障，資金是建設優質水環境的重要動力。因此，要緩解水資源與社會經濟之間的不平衡，還要同時保證社會經濟的健康發展。如福州、南昌、南寧等豐水地區，水生態稟賦好，人口密度不高，水資源利用壓力較小，但經濟發展相對滯后，導致協同度偏低，針對這些地區，則需要重點發展區域經濟，提高經濟增長速度，這也是為水資源的可持續利用提高動力，為水資源-社會經濟協同發展提供保障。