飲用水水源地生態環境與經濟社會發展耦合協調研究
——以昆明市松華壩水庫為例

李中杰，李亞麗，汪艷如，張大為

昆明市生態環境科學研究院

隨著社會經濟快速發展、城市規模擴大和人口持續增長，城市供水安全面臨較大壓力，對飲用水水源地的管理與保護工作提出了更高要求。與此同時，產業結構優化、種養殖模式調整、人口總量限制等各類措施的實施，往往使飲用水水源地所在區域的社會經濟發展出現不協調、不均衡等問題，由此也會影響飲用水水源地的管理與保護工作。目前，在生態保護補償標準核算[1-4]、政策實施績效評價[5-7]等方面已經開展了大量的研究工作，但一個區域特別是飲用水水源地的可持續發展水平是由區域位置、資源稟賦、環境狀況等構成的復雜系統，其各組分之間必然存在密切的相互作用。衡量區域可持續性不僅應關注各子系統的變化，還應考慮各系統之間的相互作用[8-10]，而耦合協調度模型具有指標體系全面，操作簡單，能較好地揭示系統之間關系及內部協調程度高等優勢，已在區域經濟發展與生態環境耦合協調研究[8,11-14]、區域資源環境與社會經濟耦合分析[10,15-16]、區域城市化與水資源水環境耦合協調性[11,17-19]、污染物時空分布特征及演化規律[20]等方面得到廣泛應用，但在飲用水水源地生態保護補償方面的應用還相對較少。

筆者選取昆明市7 個集中式飲用水水源地之一的松華壩水庫為研究區域，利用層次分析法（AHP）結合熵權法定量評估飲用水水源地生態保護補償效益，并利用耦合協調度模型分析研究區域生態環境與社會經濟發展之間的耦合協調演進過程，以期分析近年來實施生態保護補償政策對提升飲用水水源地管理保護工作的積極作用，為進一步促進飲用水水源地生態環境與社會經濟協調發展提供技術支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

昆明地處中國西南地區、云貴高原中部，是云南省省會、滇中城市群中心城市，2020 年昆明市常住人口達到846 萬人，城鎮化率為79.67%。作為昆明主城區7 個集中式飲用水水源地之一[1]，松華壩水庫供水安全直接關系到昆明城市飲水安全和社會穩定，近10 年每年供水量均在1 億m3以上，占昆明主城區供水總量的20.0%～47.6%。松華壩水庫始建于1958 年，1995 年完成加固擴建，壩址以上控制徑流面積為629.8 km2（含松華壩水庫地表徑流面積593 km2和地下水匯入的區域），多年平均徑流量為2.01 億m3，設計總庫容為2.29 億m3，設計綜合供水量為1.5 億m3。松華壩水庫水源保護區總面積為629.8 km2，涉及滇源、阿子營、松華、雙龍、龍泉5 個街道辦事處，共計38 個村委會216 個自然村，其中滇源鎮、阿子營鄉原屬嵩明縣管轄，2009 年8 月昆明市人民政府授權盤龍區托管后改為滇源、阿子營街道辦事處，實現了松華壩水庫流域管理與行政管理的統一。受飲用水水源保護政策制約，目前水源保護區內產業結構以傳統種植業為主，二、三產業發展受到較大限制。近年來松華壩水庫全年平均水質能夠達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅱ類水質標準，但總氮濃度超過Ⅱ類水質標準的現象較為普遍，這主要與水源保護區內以農田徑流、農村生活源、水土流失等面源污染為主的污染特征有較大關系，2020 年面源污染排放的化學需氧量、總氮、總磷、氨氮分別占水源保護區內各污染物排放總量的97%、98%、97%和88%。

1.2 生態保護補償效益評估方法

1.2.1 評估指標體系

在借鑒資料文獻[5-6]的基礎上，結合松華壩水庫實際狀況，構建昆明城市飲用水水源地生態保護補償效益評估指標體系（表1），其由社會經濟發展水平和生態環境建設水平2 個子系統的4 個準則層和16 項指標構成，16 項指標中除水質指標屬水庫區域外，其余指標均屬水源保護區范圍。其中，社會經濟發展水平子系統包含經濟發展和社會效益2 個準則層，由6 項具體指標組成；生態環境建設水平子系統包含生態環境狀況、生態環境保護投入2 個準則層，由10 項指標組成。

表1 飲用水水源地生態保護補償效益評估指標體系Table 1 Evaluation index system of benefits of ecological protection compensation of drinking water sources

1.2.2 評估指標數據標準化

鑒于評估指標體系中的原始指標在數量級和單位之間存在差異，難以科學合理地進行計算比較，因此采用極差標準法對數據進行無量綱處理以消除原始指標的量綱不同對評價結果造成的影響。數據標準化的計算公式如下。

式中：Xij為標準化處理后的評估指標值；xij為評估指標的初始值；i為年份，取1,2,···,m；j為評估指標，取1,2,···,n；max（xij）、min（xij）分別為各評估指標的最大值和最小值。

受極差標準化處理影響，熵值法過程極差標準化必有數值0 和1，但數據處理過程中需要使用對數，為減小誤差，需對標準化數據進行平移[16]。計算公式如下：

式中：為標準化數據平移后的值。

1.2.3 評估指標權重賦值

熵權法是通過分析各指標間的關聯程度以及各指標的信息量來確定指標的權重，指標的信息熵越小，信息的無序度越低，其信息的效用值越大，指標的權重越大[13]。相較于專家打分等方法，熵權法可在一定程度上避免主觀因素所帶來的偏差。評估指標體系熵權法的計算公式如下：

式中：Pij為第i年第j個指標的占比；K為常數，與研究時段的年份總數m有關，一般令K=1/lnm；Ej為第j個指標的信息熵；Wj為第j個指標的權重。

1.2.4 生態保護補償效益評估指數

根據研究，加權幾何平均值是比加權算術平均值更優的運算方式，選擇加權幾何平均值法作為生態保護補償效益評估指數的基本算法。將評估指標體系中各指標進行加權得到準則層評估結果，計算公式如下：

式中：Aia為第i年第a個準則層評估結果；Bib為第i年第b個準則層評估結果。

在此基礎上，對準則層評估結果進行加權計算得到2 個子系統評估結果，進而得到目標層評估結果（即飲用水水源地生態保護補償效益評估指數），計算公式如下：

式中：SA為社會經濟發展水平子系統評估指數；SB為生態環境建設水平子系統評估指數；SE為飲用水水源地生態保護補償效益評估指數；Wa為第a個準則層的權重；Wb為第b個準則層的權重；WA為社會經濟發展水平子系統的權重；WB為生態環境建設水平子系統的權重；Aia、Bib含義同式（7）和式（8）。

1.3 耦合協調度分析方法

1.3.1 耦合協調度分析模型

耦合度是借鑒物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數模型，代表相關的2 個系統之間的相互作用；但由于耦合度只描述系統間的耦合強度情況，并不能很好地反映復合系統的整體協調程度，有可能出現2 個子系統（或多個子系統）綜合評價值均較低，但其耦合度卻較高的情況[12]。為此，在耦合度分析基礎上，引入協調發展度組成耦合協調度模型[14,21]，對社會經濟發展水平和生態環境建設水平2 個系統之間的關系進行定量測度。系統的耦合協調度計算模型如下所示：

式中：C為社會經濟發展水平與生態環境建設水平2 個子系統的耦合度指數；D為社會經濟發展水平與生態環境建設水平的耦合協調度指數；T為社會經濟發展水平與生態環境建設水平的協調指數，其值等于SE，即生態保護補償效益評估指數；SA、SB含義同式（9）和式（10）。

1.3.2 耦合協調度分級

D越接近1，則耦合協調程度越好。一般將D劃分為3 個階段、10 種類型[12]，如表2 所示。

表2 耦合協調度及耦合協調類型Table 2 Coupling coordination degree and coupling coordination type

1.4 數據來源

根據飲用水水源地生態保護補償效益指標體系篩選結果，經濟發展、社會效益類指標來源于2008—2020 年《盤龍區統計年鑒》《盤龍區國民經濟和社會發展統計公報》等資料；生態環境狀況、生態環境保護投入類指標來源于2008—2020 年《盤龍區統計年鑒》《昆明市生態環境狀況公報》及專項研究資料。利用Excel 2021 軟件進行數據統計和處理；利用SPSS 26.0 軟件對各評估指標及計算結果進行Pearson相關性分析、多元線性回歸分析，并利用Gephi 軟件進行共發生網絡圖制作；利用Origin 2021 軟件進行評估指數變化趨勢圖制作。

2 結果與分析

2.1 生態保護補償效益評估

2.1.1 評估指標權重及相關性分析

根據評估指標權重賦值方法，得到松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益評估指標體系各指標權重、準則層權重、子系統權重，結果見表3。同時，對飲用水水源地生態保護補償效益評估指標進行相關性分析，形成強烈顯著相關（｜r｜>0.8，P<0.05）的共發生網絡（圖1）。總體而言，社會效益的各項指標如農村常住人口數（A21），除與化學需氧量年排放量（B11）、總氮年排放量（B12）等污染物指標呈正相關外，與其他大部分指標呈負相關，表明飲用水水源保護區內人類活動是各類生態環境問題產生的主要因素，對生態環境質量改善較為不利。

圖1 基于相關性的評價指標共發生網絡Fig.1 Symbiosis network of evaluation indexes based on correlation

表3 松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益評估指標權重Table 3 Weights of evaluation indicators for benefits of ecological protection compensation of Songhuaba drinking water source

2.1.2 生態保護補償效益變化趨勢分析

2.1.2.1 社會經濟發展水平

松華壩水庫飲用水水源地經濟社會發展水平評估結果如圖2 所示。由圖2 可知，2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地社會經濟發展水平持續升高，評估指數由0.03 增至0.93。這與近年來昆明市認真落實綠色發展理念、不斷加大飲用水水源地保護管理工作有關：一方面，通過產業結構調整、生態保護補償、脫貧攻堅等工作開展，飲用水水源地農村經濟得到一定發展，2020 年飲用水水源地內居民人均可支配收入較2008 年增長了2.6 倍；另一方面，隨著區域生態環境改善，年供應達標水量保持穩定，飲用水水源地居民對生態環境保護政策的認知度不斷提升，自覺參與生態環境保護工作的意識持續增強。

圖2 2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地社會經濟發展水平評估指數Fig.2 Evaluation indexes of socio-economic development of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.1.2.2 生態環境建設水平

松華壩水庫飲用水水源地生態環境建設水平評估結果如圖3 所示。由圖3 可知，2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地生態環境建設水平呈現波動上升趨勢，生態環境建設水平評估指數由0.07 增至2011 年的0.63，而后降至2013 年的0.33，此后逐步上升，至2020 年達到0.78。分析認為，自2009 年起，昆明市進一步加強集中式飲用水源保護管理工作，在水源保護區內嚴格實行“止耕禁養”、禁“花”減“菜”、農改林等措施，不斷調整產業結構和農業布局，持續加大生活污水處理、生活垃圾收集、生態濕地凈化等污染治理設施建設力度，2020 年水源保護區內化學需氧量、總氮排放量較2008 年分別降低了57%和65%，2020 年水源保護區內生活污水處理設施覆蓋率、生活垃圾收集清運率均達到100%，使得生態環境保護投入評估指數呈現上升趨勢。但也應看到，2013 年前后受管理政策松動、流動性人口增多等因素影響，庫區水質類別達標率、庫區水質總氮達標率均出現一定程度的下降，導致生態環境狀況評估指數出現波動，也給生態環境建設水平帶來不利影響。

圖3 2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地生態環境建設水平評估指數Fig.3 Evaluation indexes of eco-environmental construction level of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.1.2.3 生態保護補償效益

松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益評估結果如圖4 所示。由圖4 可知，2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益呈現波動上升趨勢，其評估指數年均增長速度為23.6%，高于生態環境建設水平評估指數增速（20.2%），但低于社會經濟發展水平評估指數增速（31.9%）。分析認為，近年來松華壩水庫飲用水水源地社會經濟得到一定發展，而產業結構調整、污染治理投入增加、生態建設力度加大使得污染物排放量不斷降低，區域生態環境質量持續改善，居民對生態環境保護工作的認同感、參與感不斷提高。

圖4 2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益評估指數Fig.4 Evaluation indexes of benefits of ecological protection compensation of Songhuaba drinking water source in 2008-2020

2.2 社會經濟發展與生態環境建設耦合協調度分析

2008—2020 年，松華壩水庫飲用水水源地社會經濟發展與生態環境建設2 個系統之間的耦合度由0.44 增至0.50（圖5），基本穩定處于拮抗階段[16]，表明此時社會經濟發展與生態環境建設2 個子系統之間的相互作用逐漸加強。

圖5 2008—2020 年社會經濟發展與生態環境建設耦合協調性關系Fig.5 Coupling and coordinative relationship between socioeconomic development and ecological environment construction in 2008-2020

與耦合度變化趨勢有所不同，2008—2020 年，松華壩水庫飲用水水源地社會經濟發展與生態環境建設2 個系統之間的耦合協調度呈現波動上升趨勢。具體來說，2008—2010 年2 個系統之間的耦合協調度為0.15～0.39，處于失調衰退階段，分別屬于嚴重失調衰退、中度失調衰退、輕度失調衰退程度，表明此時社會經濟發展水平不高，對生態環境建設的重視不夠，社會經濟發展與生態環境建設協調度整體不高，2 個系統之間的相互作用程度和協同效應相對較弱。2011—2018 年2 個系統之間的耦合協調度為0.42～0.59，處于過渡調和階段，分別屬于瀕臨失調衰退、勉強協調發展程度，這與2009 年以后昆明市重視并持續加大飲用水水源地保護管理工作具有較大關系，該時期通過不斷加大生態保護補償力度，在居民生產生活、污染治理、生態建設、能力建設等方面加大資金投入，生態環境狀況得到一定改善，但2 個子系統之間的耦合協調度相對較低。2019—2020年2 個系統之間的耦合協調度為0.64～0.65，處于協調發展階段，均屬于初級協調發展程度，表明經過近10 年的努力，生態環境建設與社會經濟發展水平耦合協調度有所升高，2 個子系統處于交替影響階段，需要在社會經濟穩定發展的同時持續加大生態環境建設力度，以盡快達到良好協調和優質協調階段。

2.3 討論

2.3.1 生態保護補償政策實施效果的主要影響因素

相關性分析發現，生態保護補償效益評估指數與群眾對生態環境保護政策的認知度、森林覆蓋率、生活污水處理設施覆蓋率、農村常住居民人均可支配收入、生態保護補償資金呈顯著正相關，而與人口數量、化學需氧量排放量、單位耕地面積化肥施用量呈顯著負相關。近年來通過實施生產扶持補助、生活補助、以投代補、配套資金支持等方式，昆明市持續推進飲用水水源地生態保護補償工作，提高了飲用水源區社會經濟發展水平，促進了飲用水水源地污染防控能力提升，使水質狀況穩中向好、營養狀態保持穩定，對于保障城市飲水安全具有重要支撐作用。

2.3.2 社會經濟發展與生態環境建設協調發展的關鍵因子

利用多元線性回歸分析可知，生活垃圾收集清運率、庫區水質類別達標率對耦合度指數的貢獻較大，人口數量、庫區水質總氮達標率、水庫綜合營養狀態指數、群眾對生態環境保護政策的認知度對協調指數的貢獻較大，化學需氧量排放量、單位耕地面積化肥施用量對耦合協調度指數的貢獻較大。隨著近年來飲用水水源地生態保護補償政策的實施，一方面彌補了水源保護區放棄發展機會而遭受的損失，實現了水質改善和生態環境保護，糾正環境的外部性問題；另一方面，水源保護區內居民群眾真正體會到實實在在的獲得感、幸福感，對良好生態環境及綠色發展理念的認同感不斷增強，由要我保護轉變為我要保護，并逐步自覺參與到污染治理設施管理、違法行為監督、義務宣傳行為中去。

2.3.3 對飲用水水源地管理保護的建議

一是加快開展昆明市飲用水水源保護區生態系統服務價值評估，以此為基礎完善重點生態功能區轉移支付資金分配機制和生態保護補償機制。二是在嚴格保護生態環境的前提下，依托飲用水水源地潔凈水源、清潔空氣、優美自然風光等生態優勢，積極打造“兩山”教育基地，探索鄉土游、周末游等生態旅游新模式，科學合理推動生態產品價值實現。三是鼓勵打造特色鮮明的農產品地理標志品牌，提升生態產品溢價，切實做到生態環境保護與社會經濟發展雙贏。四是營造各方共同參與生態環境保護的良好氛圍，提升保護生態環境的思想自覺和行動自覺。

3 結論與建議

（1）根據飲用水水源地實際情況，利用AHP 構建多級遞階層次結構的指標體系，其由4 個準則層（經濟發展、社會效益、生態環境狀況、生態環境保護投入）和16 項具體指標構成，經計算完成飲用水水源地生態保護補償效益評估工作。

（2）通過實施生態保護補償工作，2008—2020 年松華壩水庫飲用水水源地生態保護補償效益呈現波動上升趨勢（年均增速達23.6%），直接促進了社會經濟發展與生態環境建設耦合協調程度的提升，2 個子系統之間的耦合協調度由失調衰退階段逐漸向過渡調和階段、協調發展階段轉變。

（3）為持續推進飲用水水源地管理保護工作，下一步應從加快開展昆明市飲用水水源保護區生態系統服務價值評估、科學合理推動生態產品價值實現、鼓勵打造特色鮮明的農產品地理標志品牌、營造各方共同參與生態環境保護的良好氛圍等方面開展工作。