海河流域水環境安全評價及動態耦合協調度分析

秦明慧，劉秀麗

?水土資源與環境?

海河流域水環境安全評價及動態耦合協調度分析

秦明慧1,3，劉秀麗1,2,3*

（1.中國科學院 數學與系統科學研究院，北京 100190；2.中國科學院 預測科學研究中心，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049）

【目的】對海河流域水環境安全狀況和耦合協調發展態勢做出客觀全面的綜合評價并辨析影響流域水環境安全的關鍵因素，為后續流域水環境管理與保護工作提供政策參考。【方法】基于壓力-狀態-響應模型框架，綜合考慮生物多樣性、非常規水源供水比例等常被忽略的指標，構建更加全面系統的水環境安全評價指標體系；構建基于EWM-PCA組合權重的模糊綜合評價模型對水環境安全狀況進行評價；通過建立三元動態耦合協調度模型，評價分析了壓力、狀態、響應子系統的動態耦合發展狀態，并進行了協調度的量化計算；結合指標貢獻率和指標彈性辨識出影響水環境安全的關鍵因素。【結果】①2009—2020年間海河流域水環境安全等級由較危險轉變為較安全，同時經歷了從初級耦合向高級耦合的轉變，協調發展水平先降后升，偏離協調度由22.8°最高增至24.0°，2020年下降至17.3°。②各一級指標安全度有不同程度提高，其中狀態指標改善最為顯著，但仍處于較危險等級。③各二級指標對水環境安全的影響不一，其中人口密度增加和城鎮化進程對海河流域水環境安全的破壞作用最強；氨氮、總磷的超標截面比在這一階段大幅降低；Ⅰ-Ⅲ類河長占比仍處于較危險水平，具有較大提升潛力；非常規水源供水比例提升等則是海河流域水環境安全的有力保障。【結論】從中長期來看，加強對水體中化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽嚴重超標的治理，大力推行各類非常規水源的開發利用（如促進淡化海水的使用、提高綠地景觀的雨水收儲能力），維護和提高流域森林覆蓋率、物種多樣性等將是持續提升海河流域水環境安全度的有效途徑。

水環境安全；三元動態耦合協調度；PSR模型；綜合評價；海河流域

0 引言

【研究意義】近年來，伴隨著城鎮化進程的不斷推進，國家將水環境安全保護提升至生態文明建設的重要位置，水環境整治力度不斷加強[1]。流域是由降水天然形成的以分水嶺為邊界的綜合單元，是人與水環境共生的主體自然空間，其特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎單元的觀念[2-3]。各國政府部門相繼提出從流域尺度維持和恢復流域水生態系統完整性的目標，并建立統一的流域管理機構對流域水資源、水環境進行一體化管理[4]。海河流域是我國經濟最為發達的區域之一，水環境安全問題卻相較其他流域更為嚴峻，流域經濟社會可持續發展也受到一定制約。從水量、水質、社會、經濟深度耦合的角度對海河流域水環境安全狀況做出客觀全面的綜合評價并辨析影響流域水環境安全的關鍵因素，不僅可以檢驗既往水環境修復措施的成效，也為后續流域水環境管理與保護工作提供政策參考。

【研究進展】指標評價法是最為廣泛使用的水環境安全定量評價方法，為體現指標體系層次性并區分不同指標性質，學者們通常會選擇特定的模型作為構建評價指標體系的框架。其中，壓力-狀態-響應（Pressure-State-Response，PSR）[5]模型及其衍生模型，包括驅動力-狀態-響應、驅動力-壓力-狀態-影響-響應、驅動力-壓力-狀態-影響-響應-管理等，常被用來描述復合系統的內在聯系和完整發展過程，可反映水環境安全各層面要素之間的作用關系[6]。已有研究基于以上模型構建評價指標體系對省、市、濕地等尺度下的水環境安全狀態進行測度與評價[7-12]，但并未形成符合不同尺度（如針對國家、流域、農村、城市、湖泊、水庫等）特點的系統性、規范性指標體系，且往往缺少生物多樣性等生態指標。為彌補水環境安全綜合評價無法直觀展現水體與人類社會發展之間的相互影響作用及其動態變化趨勢的不足，現有研究從城市化發展水平、經濟規模、人口規模與水環境質量的耦合協調發展關系的角度開展了一系列研究[13-15]。尚存在兩方面待完善之處，第一，在研究內容上，大多將水環境與經濟社會分割為2個不同的系統進行研究，未充分考慮經濟系統對水環境的維護和脅迫作用。第二，在研究方法上，主要采用耦合協調度模型作為研究系統均衡發展程度的評價工具。其中在涉及多年時序數據研究時，大部分研究在靜態耦合協調度計算的基礎上進行了比較靜態分析[16-18]，或結合馬爾可夫鏈、β收斂模型、VAR模型等計量的時序分析方法進行耦合協調度動態變化分析[19-21]，未能反映各系統動態變化趨勢。

【切入點】本文選擇被廣泛應用的PSR模型，在此框架下，考慮了生物多樣性、非常規水源供水比例等常被忽略的指標，通過定性與定量分析，構建了流域水環境安全評價指標體系。結合熵權法（Entropy Weight Method，EWM）和主成分分析法（Principal Components Analysis，PCA）構建組合權重，減少了傳統模糊綜合評價中權重賦值的主觀性，以提高評價結果的客觀性和科學性。針對當前耦合協調度模型不具有延續性、面向未來的實用性較低的不足[22]，本文根據系統科學理論方法推導思想，構建了三元動態耦合協調度模型，在進行耦合度劃分時，主要根據計算結果的正負性確立，避免了過去主觀劃分等級帶來的偏差。最后，進行指標貢獻率與彈性計算，并據此衡量不同指標對海河流域水環境安全的影響程度。【擬解決的關鍵問題】本研究對海河流域2009—2020年水環境安全狀況與耦合協調發展態勢進行綜合評價，并辨識出影響海河流域水環境安全的關鍵指標，為海河流域水環境綜合治理提供科學的理論依據和政策建議。

1 研究區概況

海河流域位于北緯35°0′—42°42′，東經115°59′—119°36′，總面積約32萬km2，按地貌可劃分為內蒙古高原、華北山地和海河平原。流域西面和北面被太行山、燕山和蒙古高原環抱，南面以黃河為界，東面直達渤海灣。流域水系分散，源短流急，絕大多數河流發源于占流域總面積60%以上的山地，水量季節性變化顯著[23-24]。海河流域承載著京津冀地區等重要的政治、經濟、文化中心和河北、山東、河南等中國主要糧食產地，20世紀80年代至21世紀初期，流域人口與GDP高速增長，水環境逐漸超載運行，出現地下水嚴重超采、河道干涸、河流功能退化、入海水量銳減等諸多相關問題。20世紀末期，海河流域廢污水排放量逐年激增。同時，2006—2007年流域降水量過少，引發了水質的嚴重突變惡化[25]。21世紀以來，隨著引黃濟津、衛運河治理等水利工程陸續建設完工，《海河流域水資源綜合規劃》《海委關于全面推行河長制工作方案》《海河流域水安全保障方案》等規劃方案的出臺和水功能區限制納污紅線、最嚴格水資源管理制度等制度的落實，海河流域進入以遏制水環境惡化、實現生態環境綜合治理修復為主要目標的綜合修復保護階段，實現了從單一解決水量、水質問題到對二者進行綜合治理的轉變[26-27]。在此過程中，海河流域“有河皆干、有水皆污”的現象有所改善，但水環境安全狀況仍不樂觀[28-29]。

2 模型與方法

2.1 評價指標體系構建

水環境安全是水體保持一定的水量、安全的水質條件以維護其正常的生態系統和生態功能，同時能較大限度地滿足人類生產和生活的需要，使人類自身和人類群際關系處于不受威脅的狀態[30]。如圖1所示，在PSR模型框架下，由水體與社會經濟相互作用而形成的水環境安全系統可分解為壓力、狀態、響應3個子系統，與評價指標體系中壓力（P）、狀態（S）、響應（R）等3個一級指標一一對應。

圖1 水環境安全PSR模型框架

其中壓力子系統代表了可能影響水體穩定性的系列人類社會經濟活動。包括社會經濟發展水平（如人口規模、城鎮化進程、流域生產總值等）的變化，農業、工業和服務業的生產用水效率（可選用萬元工業增加值用水量等指標進行描述），城鄉居民用水強度，和生產中可能造成的水污染問題（如農業生產中化肥的使用[31]）等。

狀態子系統代表了水體維持整個水環境系統穩定運行的能力，包括對社會經濟發展的支撐力，主要通過供水水量和水質體現。具體來看，人均水資源量可體現出流域水資源稀缺性；污染河長占比反映了整體水質狀況，但不能區分不同污染物的影響。因此，需進一步將污染物細分進行精準識別。除了保障現階段數量充足、質量穩定的水資源外，水環境安全還需考慮其滿足人類社會經濟與生態的長期需求，即可持續性保障能力。考慮到水資源可持續性與水資源稟賦和開發利用程度密切相關，選取取水強度作為描述可持續性的代表評價指標納入評價指標體系。

響應子系統代表了人類為增強水體穩定性和可持續性而采取的多維度措施。如，在經濟上，增加污染治理投資；在思想認知上，人均受教育水平的提高往往會帶來居民整體節水意識的提升；在管理上，擴大節水灌溉面積占比與非常規水源供水比例均有助于緩解地下水嚴重超采問題，建造水庫與治理水土流失等防災、救災措施也可消減突發自然災害帶來的水環境安全隱患；在生態治理方面，增加生態用水、擴大流域森林覆蓋率與建成區綠化覆蓋率有助于維護生態系統穩定，從而充分發揮生態系統自我調節功能，間接起到保護地下含水層、改善水質的作用。此外，現有研究較少將區域生物多樣性納入水環境安全評價中，但生物多樣性及其所提供的多重生態服務對于實現流域水環境安全是至關重要的。因此，本文將其作為維護水生態的另一重要指標納入。

結合以上定性分析，根據數據的科學性、系統性、可獲得性等原則，擬選擇29項評價指標構建海河流域水環境安全評價指標體系。根據指標變化與水環境安全變化之間的關系，將其分為正向和負向兩類指標。指標值越大，水環境安全度越高的稱為正向指標，反之為負向指標，具體如表1所示。

表1 海河流域水環境安全評價指標體系

注 分級依據a.參考全國各省份數據六分位數；b.參考全國各流域數據六分位數。

本文數據主要來源于2010—2021年的《中國水資源公報》《中國生態環境狀況公報》《中國環境年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國統計年鑒》《海河統計年鑒》《海河流域水資源公報》《中國水利年鑒》《中國水利統計年鑒》等相關年鑒和公報。污染物超標截面比數據取自對應年份1—12月《全國地表水水質月報》中相關數據的平均值。生物多樣性數據根據中國生物物種名錄[32]相關數據計算整理而得。部分海河流域社會經濟相關數據，如流域人口、GDP等，主要根據流域內各省、市、縣相關數據匯總計算而得，原始數據來自相關省份的統計年鑒。

進一步，遵循指標獨立性原則，為避免多個指標指向一個信息的現象，對指標之間的相關性關系進行檢驗。按所屬一級指標對二級指標分組進行因子分析，結果顯示壓力指標組、狀態指標組和響應指標組的Kaiser-Meyer-Olkin檢驗統計量值（以下簡稱值）分別為0.41、0.55和0.45。值處于0和1之間，可反映變量間的相關性，越接近于1，意味著變量間的相關性越強，值小于0.6時，說明變量間的相關性較弱。故各組指標均通過獨立性檢驗，可被納入指標體系。

2.2 基于熵權-主成分分析（EWM-PCA）組合權重的模糊綜合評價法

采用數學模型進行水環境安全等級評定時需要考慮大量復雜現象和多種因素的相互作用，模糊綜合評價法擅長對一些模糊現象和模糊概念進行定量化處理[33]，評價過程如下。

在不考慮時間因素的條件下，構建模糊關系矩陣=[r]進行單因素評價，表示指標在等級的隸屬度，其計算方法參見劉秀麗等[34]。在計算指標模糊權重時，為避免單一權重計算方法與主觀賦值帶來的偏差，本文采用了EWM和PCA這2種客觀權重計算方法分別進行權重計算，并以2種方法所得結果的平均值作為最終評價權重[34-35]。結果如表2所示。

表2 指標權重計算結果

各一級指標模糊綜合評價結果向量P、S、R根據下式計算可得，其中W=(K1,...,Kn)表示各二級權重向量，Pi、Si、Ri分別表示一級指標P、S、R對等級的隸屬程度。

依據加權平均原則[36]，將各等級看作相對位置使之連續化，并用1-5依次表示，稱之為各等級的秩。則壓力、狀態、響應三子系統安全度P、S、R為：

參考相關文獻[37-41]權重平均值，設定（1/3，1/3，1/3）為3個一級指標權重值。考慮時間因素，時期流域安全度C即：

通過以上計算過程可知,計算所得安全度在區間[1,5]內，具體對應的水環境狀態如表3所示。

表3 水環境安全度與水環境安全等級對應關系

2.3 動態耦合協調度分析

根據一般系統理論，水環境安全系統()不斷演化的過程可一般化表示為[42]：

式中：a為線性近似式表達的參數。將水環境安全整體視為壓力、狀態、響應3個子系統組成的復合系統，由水環境安全定義可知，子系統間存在相互脅迫、促進的作用，即每一個子系統均是復合系統中的一個元素，其演化狀態與自身和其他子系統相關。由此可進一步將式（5）拓展為：

式中：、、可視為3個子系統發展演化的狀態，可通過非線性擬合方法得到對應變化曲線。A、B、C分別表示其演變速度，其符號表示了對應子系統的演化方向。整個系統的演化速度由A、B、C決定，記作=(A,B,C)。根據子系統演化速度A、B、C的符號可判斷各子系統復合演化的耦合發展階段，具體如表4所示。

表4 耦合發展階段

2.4 關鍵驅動指標辨識

海河流域水環境安全度隨各二級指標變化而變化。根據指標對不同等級的隸屬度和指標權重，可得到單個指標安全度cx，如式（8）所示。同一年度內，單個指標安全度越高，則說明其對流域水環境安全的支撐程度越高，得分越低則代表其對流域水環境安全的損害程度越大。取第年二級指標安全度cx與當年流域安全度C之比來描述各指標對水環境安全有效影響的年度間變化，本文稱之為指標貢獻率，記作rx，如式（9）所示。

式中：ω為指標權重，r為時期指標對等級的隸屬度；C為時期海河流域水環境安全度。指標貢獻率反映了在歷史時間里各指標對海河流域水環境安全影響力大小。另一方面，引入指標彈性d，其反映指標自身變化一個單位時流域安全度的變化程度，指標彈性絕對值越大，說明該指標的單位變動對流域水環境安全影響越大，因此可通過彈性計算幫助確定更行之有效的水環境安全改善方法。指標的彈性可表示為：

式中：Δ、Δ分別表示指標變化值與對應隸屬度變化值，其他符號含義同上文。當處于不同區間時，Δ計算方式不盡相同，d也隨之變化。最終得到不同等級區間內各指標彈性，如表5所示。

表5 指標彈性計算結果

3 結果與分析

3.1 水環境安全評價結果

2009—2020年海河流域水環境安全度計算結果如圖2所示。總體看來，2009—2020年間海河流域水環境安全度由2.10提升至3.12，從較危險狀態轉變至較安全狀態。其中，2009—2017年水環境安全度提升較緩慢，且這一階段的提升主要來自響應指標安全度的不斷提高；2017年后，隨著狀態指標安全度的快速提高，流域整體水環境安全度也有了明顯上升。就3個一級指標來看，壓力指標（P）始終處于較安全區間，且在2013年后呈現波動趨勢，指標安全度提升不明顯；狀態指標（S）2020年前均處在非常危險狀態，自2018年安全度快速上升，2020年已轉變至較危險狀態；響應指標（R）從2009年的較危險狀態轉變為2020年的較安全狀態，且2012年前后安全度提升速度較快，近年增速放緩。

圖2 2009—2020年海河流域水環境安全度測算結果

為辨識不同年份流域水環境安全度變化的主導因素，依據式（10）進行計算。結果表明，各壓力二級指標中（圖3（a）），人口密度（P1）和城鎮化率（P10）指標貢獻率不斷下降，但下降趨勢逐漸放緩，表明人口密度的增大和城鎮化率的提高持續給水環境安全帶來壓力，且此壓力趨向平穩；人口增長率（P2）和GDP增長率（P3）指標貢獻率較低且有明顯提高趨勢，說明該2項指標安全度在2009—2020年間提升速度高于流域安全度，但對水環境安全壓力的緩解作用尚不明顯；第三產業增加值占GDP比重（P4）貢獻率始終高于其他指標，說明在此期間P4提高是減輕流域水環境安全壓力的最有效途徑；萬元工業增加值用水量（P5）和耕地實際灌溉畝均用水量（P6）等指標貢獻率呈先增長后下降趨勢，主要原因是流域內工業用水和灌溉用水效率經過一段時間的調整后已達到相對較高水平，指標安全度提升速度放緩。

圖3 2009—2020年各二級指標貢獻率

如圖3（b）所示，大部分狀態二級指標雖有所改善，但仍處于危險狀態，安全度保持不變，且貢獻率持續降低。例如，人均水資源量（S1）雖有波動，但常年低于500 m3的極度缺水標準線；自2007年海河被列入水體污染控制與治理科技重大專項重點示范流域后，在“控源減排、減負修復、綜合調控”思路指導下，以水專項科技成果為支持，流域水體污染得到系統治理，Ⅰ—Ⅲ類河長占比（S4）從2009年的34.4%增至2020年的63.3%，但離全國平均的83.8%還有較大差距。同時，對已不具備基本水資源功能的劣Ⅴ類水體的治理也取得了顯著成效，2020年海河流域劣Ⅴ類河長占比（S3）從2009年的42.4%減少至11.5%，有明顯改善，但仍約為全國平均占比的3倍；“十二五”規劃將氨氮確立為總量減排的約束性指標，在相關政策指導下，海河流域氨氮超標截面比（S6）在2012年后快速下降，2020年僅6%，遠低于2009年的52%，該指標貢獻率顯著提升，對這一階段水環境安全的等級提升有良好拉動作用；此外，總磷超標截面比（S7）也從45%下降至8%，但化學需氧量等污染物超標截面比仍在15%以上。

如圖3（c）所示，各響應二級指標中，生態用水占比（R6）有效促進了流域水環境安全度的提升，2020年其指標貢獻率高達0.081，在所有二級指標中僅次于第三產業增加值占GDP比重（P4）的0.083；另一個指標貢獻率持續提高的指標是節水灌溉面積占比（R2），傳統的漫灌、澆灌等灌溉方式耗費大量水資源，嚴重影響了流域整體水環境安全，2009年以來，海河流域節水灌溉面積占比不斷提升，2020年已達70%，有效緩解了農業灌溉用水壓力；人均受教育年限（R1）、城市建成區綠化覆蓋率（R7）、森林覆蓋率（R8）、非常規水源供水比例（R10）等指標已處于安全或非常安全狀態，隨著其指標安全度的穩定，對應貢獻率呈現穩定或小幅下降趨勢，但仍是流域水環境安全的有力保障。

3.2 動態耦合協調度分析

如表6計算結果所示，2009—2020年海河流域水環境安全系統動態耦合協調度呈現階段性變化。2009—2012年，壓力子系統處于較穩定提升階段，狀態子系統變化速度較小。隨著對水環境安全問題的關注，海河流域加大了防洪抗旱減災、節水灌溉建設等水利發展建設，響應子系統也因此快速提升，與壓力子系統的差距縮小，系統勉強達到優質協調發展等級，整體協調水平略微提高，但此階段流域水污染問題仍未有明顯改善，狀態子系統與其他子系統發展差距較大，海河流域水環境安全系統仍是低水平耦合協調發展階段。2013—2016年，隨著海河流域生態用水占比從5.0%增至7.2%、城市建成區綠化覆蓋率從40.5%提升至42.0%、非常規水源供水比例由3.7%增至5.9%等變化發生，響應子系統保持較快發展速度。同時，受壓力、響應子系統不斷提升的影響，狀態子系統發展方向從前期的低速惡化逆轉為2016年的低速改善，向好趨勢明顯，復合系統由初級協調發展階段轉變為優質協調發展階段，但此時3個子系統所處狀態不一，海河流域水環境安全壓力保持穩定，響應力度明顯增加，狀態水平低速提升，導致協調發展水平持續下降，協調偏離度由2013年的22.8°增加至2016年的24.0°。2017—2020年，各子系統持續保持優質耦合發展，由于水環境壓力安全減輕和響應增強對水環境安全狀態影響均有一定滯后性，這一階段壓力、響應子系統提升速度放緩，但狀態子系統提升速度明顯增強，遠超過壓力、響應子系統，使得各子系統發展狀態差距縮小，整體協調度大幅提高，2020年協調偏離度下降至17.3°，已進入較高水平耦合協調發展階段。

表6 2009—2025年海河流域水環境安全系統耦合協調度等級

注 2021年及以后為根據擬合曲線計算的預測值。

根據系統演變的歷史擬合曲線進行計算，在保持歷史變化趨勢，即不對系統進行新的干預的情況下，2021—2022年水環境安全系統仍將繼續優質耦合發展，2023年后響應子系統呈下降趨勢，但整體協調度仍進一步提高，至2024年達到最高，隨之進入磨合耦合發展階段，2025年系統協調度降低。這一過程也表明，在經濟社會發展初期，水環境狀態會不可避免出現惡化，進而限制經濟發展，但隨著發展水平的提高，人類采用各種管理的、經濟的、制度的手段，逐步解除水環境與經濟社會的相互制約，水環境狀態的進一步好轉將給經濟增長帶來新的支撐，進入新的耦合協調發展時期。但這一耦合協調發展系統在一段時間后會進入極限發展階段，形成新的水環境安全挑戰。

3.3 關鍵指標辨識

為進一步辨識未來提升海河流域水環境安全度的關鍵指標，在以上分析的基礎上，繪制了2020年指標安全度、2009—2020年指標安全度變化值、2020年指標彈性的氣泡圖，具體如圖4所示。在圖中，橫軸（軸）為指標2020年安全度，指標點越遠離縱軸（軸）表明其2020年水環境安全度越高，對水環境安全的支撐作用越強；縱軸（軸）表示對應指標2020安全度與2009年安全度的差值，指標處于軸上方表示2009—2020年期間該指標對流域水環境安全具有促進作用，處于軸下方表示2009—2020期間該指標對流域水環境安全造成一定程度威脅；氣泡大小代表了對應指標彈性的大小。

圖4 2020年指標安全度、2009—2020年指標安全度變化值、指標彈性氣泡圖

根據氣泡大小與分布位置，可將各二級指標分為4類。可以看出，大部分指標在2009—2020年期間安全度有所提升，提升幅度最大的為氨氮超標截面比（S6）與總磷超標截面比（S7），2020年該2項指標安全度已達到較安全水平，指標彈性降低。部分指標，包括非常規水源供水比例（R10）、生態用水占比（R6）等已達到非常安全狀態，在這一階段其指標彈性為0。以上指標均為Ⅰ型指標。此類指標過去曾對海河流域水環境安全度產生了主導拉動作用，在未來其拉動作用不再明顯，但將成為海河流域水環境安全穩定的基礎和優勢所在。如海河流域非常規水源供水比例（R10）由2009年的2.3%提高至8.5%，在全國范圍內處于領先水平，有效緩解了流域水資源稟賦先天不足帶來的限制。Ⅱ型指標處于中間區域，該類指標在過去時期顯示了一定的水環境安全保護作用，其中彈性較大的指標，如單位糧食生產化肥施用量（P9），可考慮進一步挖掘其拉動潛力。Ⅲ型指標，包括劣Ⅴ類河長占比（S3）、森林覆蓋率（R8）和生物多樣性（R9）等，其指標安全度相對較低，但具有較高的指標彈性。此類指標具有較高的提升水環境安全的潛力，是未來提升水環境安全管理中可重點考慮的有效途徑。如海河流域劣Ⅴ類河長占比2020年仍處在危險水平，在此區間內，該指標每降低1個百分點，將帶來流域整體安全度0.019 0的提高，在2009—2020年間海河流域劣Ⅴ類河長占比平均每年約下降3個百分點，若按此速度保持下降趨勢，2025年能達到全國平均水平，并促進流域整體安全度提高0.133 0；同樣，在2020年所處的危險區間內，Ⅰ-Ⅲ類河長占比（S4）每提高1個百分點，將帶來流域整體安全度0.002的提高，若實現“十四五”規劃中優良水體比例達到85%的目標，流域水環境安全度將提高0.069 0。若流域內物種多樣性提高1種/km2，將促進整體水環境安全度上升0.015 6。Ⅳ型指標是截至2020年仍處于危險或非常危險狀態且指標彈性較低或改善趨勢較弱的指標，包括取水強度（S2）、人口密度（P1）、城鎮化率（P10）等，此類指標大多不易進行調節，如人口密度短時間內不會出現較大變化，人口城鎮化也具有不可逆轉的趨勢，因此更應關注于如何緩解此類指標對水環境安全帶來的損害，如針對取水強度較大從而威脅水資源可持續性的問題，可從需水端尋求提高重點部門用水效率的有效手段等。

4 結論與建議

①2009—2020年，海河流域水環境安全等級持續穩定提高，已由較危險轉變為較安全，系統耦合協調度呈波動變化，2016年以來持續保持優質耦合發展狀態，子系統協調度也大幅提高。②城市建成區綠化覆蓋率、第三產業增加值占GDP比重和生態用水占比等二級指標已達到非常安全水平，是海河流域水環境安全的有力保障，但在未來階段該類指標對流域水環境安全度的拉升作用不再明顯。③2020年，海河流域森林覆蓋率和物種多樣性分別處于危險和較危險水平，增加森林面積、提升流域物種多樣性將是提升流域水環境安全的有力手段。④各類污染物中，氮、磷污染得到有效控制，化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數等污染物仍嚴重超標，消除劣Ⅴ類水體、增加優良水體占比可有效促進流域水環境安全度提高。

對此，提出以下建議：①水環境安全系統耦合協調度的改善提升需經歷長期的、漸進的動態調整。要維持系統長期耦合需發揮政府的主導作用，一方面要堅持水環境安全保護戰略，通過政策調整、綜合規劃、市場誘導等方式減少非必要取水用水；另一方面鼓勵水資源利用技術創新，在不過分威脅水環境安全的前提下最大程度發揮水資源對經濟社會發展的支撐作用，保障水環境與經濟社會耦合發展、協調共進。②持續加強水體污染防治。海河流域下游段農田密集，農田污水徑流加重了流域氮磷污染，當前污染水體治理已取得顯著成效，但仍需防范再度污染的問題。對此，建議建設農田氮磷生態攔截溝渠等環保設施，強化對農業排水中氨氮、總磷等污染物質的凈化，從排放源頭降低污染物含量。化學需氧量、高錳酸鹽、五日生化需氧量超標反映出流域內有機污染尚未得到有效治理，建議一方面加強對高有機污染濃度的生活污水的處理，提高排放標準，另一方面對水體中已有的藻類等主要污染來源進行捕撈，并引入食藻生物對藻類繁殖進行控制。③流域人均水資源量過低嚴重約束流域水環境安全和經濟發展，一方面要繼續加強節水型社會建設，通過制定地方性分行業用水定額等強制手段提高水資源利用率。另一方面應因地制宜大力推行各類非常規水源的開發利用，如在山西等煤炭開采和洗選業較發達地區，可將開采過程中采掘井疏干水通過技術處理后用于后續洗選流程中以減少對地表水、地下水的取用；在天津等流域入海口區域則可擴大海水淡化工程建設，逐步提高海水淡化水用于市政飲用的比例；隨著城鎮化進程推進，城市面積持續擴大，在城市建設中，應合理規劃綠化面積，并通過土壤滲水性改良、園地微地形設計等方式提高綠地景觀的雨水收儲能力。④建議完善封山育林管理，通過人工介入調整植物密度，增強亞林層和灌草層厚度，促進單層林發展為復層林，最大限度維護森林物種多樣性，同時進一步提高森林的水源涵養和調節能力。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

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Evaluation of Water Environmental Security in the Haihe River Basin and Analysis of Dynamic Coupling Coordination

QIN Minghui1,3, LIU Xiuli1,2,3*

(1. Academy of Mathematics and Systems Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Center for Forecasting Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

【Objective】The Haihe River plays a pivotal role in supporting various industrial and agricultural sectors in northern China. This paper presents a comprehensive evaluation of its environmental security and coordinated development to identify factors that influence environmental security most.【Method】The analysis was based on the pressure-state-response model, from which we proposed an improved comprehensive and systematic indicator system, including indicators that have been neglected, such as biodiversity and non-conventional water sources. A fuzzy comprehensive evaluation method was used to assess the water environmental security, and the entropy weight method and principal component analysis method were used to calculate the weights. A dynamic ternary-coupled coordination degree model was used to analyze the dynamic coupling and quantitatively calculate the coordination of the subsystem of pressure, state, and response. The key factors affecting water environmental security were identified through comprehensive consideration of the contribution rate and elasticity of the indicators. 【Result】①From 2009 to 2020, water environmental security in the basin had gradually improved, experiencing a transition from primary-coupling to advanced coupling. During this period, the coordinated development level decreased first followed by an increase. The deviation from the coordination had increased from 22.8° to 24.0°, except in 2020 in which it fell to 17.3°. ②The security of primary indicators had increased in all levels, among which the state indicator improved most significantly, despite still in relatively dangerous status. ③The secondary indicators had different influences on water environment security, among which the increase in population and urbanization had the most detrimental effect. Ammonia nitrogen and total phosphorus in the basin had been greatly reduced, but water quality in some parts of the basin were still category I-III, with potential to grow further. Increasing the use of non-conventional water sources can improve water environmental security. 【Conclusion】In medium and long term, water environmental security in the basin can be improved by reducing the discharge of pollutants such as COD, BOD-5, and permanganate. Increasing use of desalinated seawater and rainwater collection, as well as storage capacity of green landscape can also improve water environmental security. It is crucial to maintaining and enhancing biodiversity and vegetation coverage to reduce water and nutrient losses to improve water security in the basin.

water environmental security; ternary dynamic coupling coordination degree; PSR model; comprehensive assessment; Haihe River Basin

1672 - 3317（2023）10 - 0063 - 11

X24

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022696

秦明慧, 劉秀麗. 海河流域水環境安全評價及動態耦合協調度分析[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 63-73.

QIN Minghui, LIU Xiuli. Evaluation of Water Environmental Security in the Haihe River Basin and Analysis of Dynamic Coupling Coordination[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 63-73.

2022-12-21

2023-06-16

2023-10-17

國家社會科學基金專項項目（E31Z060101）；國家自然科學基金項目（71874184）

秦明慧（1994-），女。博士研究生，主要從事水資源與經濟協調發展、投入產出分析與計量經濟模型研究。E-mail: 1208033745@qq.com

劉秀麗，女。研究員，博士，主要從事宏觀經濟-資源-環境-人口復雜系統建模與預測、投入產出分析與計量經濟關聯模型研究、面向可持續發展的政策仿真與決策支持研究。E-mail: xiuli.liu@amss.ac.cn

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協議

責任編輯：趙宇龍