基于耦合協(xié)調(diào)度模型的南京市用水效率與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)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(xié)調(diào)度模型的南京市用水效率與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)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(jīng)濟發(fā)展的時間序列數(shù)據(jù),構(gòu)建南京市用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度模型,探討南京市在2007—2014年期間用水效率與經(jīng)濟發(fā)展之間的動態(tài)均衡關(guān)系。首先對用水效率系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的綜合狀況進行評價,然后對兩系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進行定量分析。結(jié)果表明:2007—2014年南京市用水效率和經(jīng)濟發(fā)展水平都有大幅度增長;兩者的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系在波動中逐漸優(yōu)化,2007年處于低度協(xié)調(diào)耦合階段,2008年處于中度協(xié)調(diào)耦合階段,2009—2014年處于高度耦合協(xié)調(diào)階段;只有提高用水效率與經(jīng)濟發(fā)展并舉,才能保持耦合協(xié)調(diào)度的增長趨勢。最后針對用水效率系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)存在的不足,提出在用水效率方面優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、加強水質(zhì)污染治理,經(jīng)濟發(fā)展方面則調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、增強經(jīng)濟活力等建議。

用水效率;經(jīng)濟發(fā)展;耦合協(xié)調(diào)度;南京市

城市化進程的加速、人口的持續(xù)增長、經(jīng)濟的快速發(fā)展等因素均導致了用水量大幅度增加。一味追求經(jīng)濟發(fā)展、過度開發(fā)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(jīng)濟發(fā)展的不協(xié)調(diào),使得城市水資源供需矛盾更為突出。《中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)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(shè)節(jié)水型社會。所以有必要對城市用水效率和經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)度進行分析,認清城市目前的問題,制定與用水效率相協(xié)調(diào)的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略,這對實現(xiàn)城市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

目前,國外對于用水效率與經(jīng)濟發(fā)展之間關(guān)系的研究不多。Howec[1]定性分析了水資源利用對經(jīng)濟增長的促進作用以及兩者間的靜態(tài)關(guān)系;Meinzen-Dick等[2]研究了水資源對城市經(jīng)濟發(fā)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系。國內(nèi)學者近年來在水資源與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)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(shù),測算了不同城市經(jīng)濟與用水技術(shù)效率之間的耦合協(xié)調(diào)程度;蓋美等[5]建立了水資源與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)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(jīng)濟帶水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的協(xié)調(diào)關(guān)系進行評價;李婷等[6]構(gòu)建了江蘇省水資源利用與經(jīng)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(jīng)濟增長之間的相互動態(tài)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(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的綜合發(fā)展評價指數(shù),并利用耦合協(xié)調(diào)度模型測算了兩系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度。

目前在對用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合關(guān)系進行研究時,兩系統(tǒng)所選取的指標比較單一,且整體評價不夠全面合理。據(jù)此，筆者擬以南京市為研究區(qū)域,從綜合、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個角度出發(fā)構(gòu)建用水效率系統(tǒng),從經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展活力3個角度出發(fā)構(gòu)建經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng),在確定兩系統(tǒng)各指標權(quán)重的過程中結(jié)合熵權(quán)法,綜合考慮主觀和客觀因素,使得評價結(jié)果更切合實際。同時在對兩系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度進行定量分析時,還針對性地揭示了影響水資源與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的因素,為正確處理經(jīng)濟與用水效率之間的矛盾,最終為實現(xiàn)經(jīng)濟與用水效率的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 研究方法

1.1 綜合評價方法

將熵權(quán)法[8]與綜合評價法有機結(jié)合,分別對用水效率與經(jīng)濟發(fā)展水平進行綜合評價。

a. 構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)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(shù)據(jù)進行標準化處理,得到標準化矩陣:

Z=(zij)m×n

(2)

b. 利用熵權(quán)法確定指標的權(quán)重wi。

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

(3)

1.2 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合是指系統(tǒng)間相互依賴、相互作用、相互協(xié)同的動態(tài)關(guān)系。通過測算用水效率與經(jīng)濟發(fā)展間的耦合度,可以度量兩系統(tǒng)間協(xié)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(shù)模型,兩個系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展無關(guān);當C∈(0,0.3]時,用水效率與經(jīng)濟發(fā)展處于低水平耦合階段;當C∈(0.3,0.5]時,用水效率與經(jīng)濟發(fā)展處于拮抗階段;當C∈(0.5,0.8]時,用水效率與經(jīng)濟發(fā)展處于磨合階段;當C∈(0.8,1]時,用水效率與經(jīng)濟發(fā)展處于高水平耦合階段。

協(xié)調(diào)是指系統(tǒng)發(fā)展過程中,相互協(xié)調(diào)一致的屬性。通過協(xié)調(diào)度模型[5]可以更好地判斷用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展程度,公式為

T=(αR1+βR2)1/2

(5)

D=(CT)1/2

(6)

式中:D為耦合協(xié)調(diào)度;T為經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)與用水效率系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)指數(shù);α、β為經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)與用水效率系統(tǒng)重要程度的權(quán)系數(shù),考慮到經(jīng)濟發(fā)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(xié)調(diào)耦合;D∈(0.4,0.5]為中度協(xié)調(diào)耦合;D∈(0.5,0.8]為高度協(xié)調(diào)耦合;D∈(0.8,1]為極度協(xié)調(diào)耦合。

2 實例分析

2.1 評價指標體系的構(gòu)建及權(quán)重計算

將南京市用水效率與經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)分為用水效率子系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)。

在構(gòu)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(tǒng)上促使水資源利用效率發(fā)生變化的驅(qū)動力:經(jīng)濟(包括工業(yè)、農(nóng)業(yè))、社會、生態(tài)環(huán)境等。因此將南京市用水效率系統(tǒng)分解成綜合用水效率、生活用水效率、生產(chǎn)用水效率、生態(tài)用水效率4個子集,分別從綜合、社會、經(jīng)濟、生態(tài)4個角度評價用水效率。結(jié)合用水效率的內(nèi)涵,評價主要包括經(jīng)濟社會發(fā)展、用水結(jié)構(gòu)、單位產(chǎn)品水資源消耗量、水資源生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等內(nèi)容[9],由此選取11個評價指標。

經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的評價指標體系主要從經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟活力3個方面構(gòu)建[10],選取包括人均GDP、城鎮(zhèn)人均可支配收入、全社會固定資產(chǎn)投資額等8個評價指標。南京市用水效率與經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)綜合評價指標體系見表1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

主要采用2007—2014年數(shù)據(jù)對南京市用水效率與經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進行分析。數(shù)據(jù)來源于《南京市水資源公報》《南京市國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《南京市統(tǒng)計年鑒》《南京市財政決算報告》及南京市相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)劃報告。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 用水效率與經(jīng)濟發(fā)展綜合評價

運用本文構(gòu)建的南京市用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度模型計算用水效率和經(jīng)濟發(fā)展水平的綜合評價值,結(jié)果見表2。根據(jù)表2繪制出南京市用水效率和經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展狀況總體上均呈上升狀態(tài),經(jīng)濟發(fā)展保持不斷增長的趨勢,用水效率則有較大幅度的波動。結(jié)合表2、圖1,分析兩系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

a. 用水效率系統(tǒng)。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(chǎn)用水效率、生態(tài)用水效率下降的綜合作用導致用水效率出現(xiàn)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(nóng)業(yè)用水比例加大,而農(nóng)業(yè)用水效率與工業(yè)用水、生態(tài)用水相比較低,主要表現(xiàn)在單位面積灌溉用水量較多,萬元農(nóng)業(yè)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(tǒng)還不完善,缺少嚴格的政策法規(guī),對于水質(zhì)污染、河道管理等問題監(jiān)管不到位,導致水質(zhì)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(guān)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(xiàn)水資源可持續(xù)利用為目標,以水資源節(jié)約保護和優(yōu)化配置為重點,促進用水方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)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(shè)項目節(jié)水設(shè)施“三同時”(即節(jié)水設(shè)施與主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時投入使用)管理制度,鼓勵循環(huán)用水和節(jié)水減排改造,建立重點用水單位監(jiān)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(fā)展。經(jīng)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(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)綜合評價指標體系

表2 南京市用水效率系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)綜合評價結(jié)果

圖1 南京市用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)綜合評價值時序變化

b. 經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)。經(jīng)濟發(fā)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(jīng)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(jīng)濟結(jié)構(gòu)存在重工業(yè)突出的固有矛盾,經(jīng)濟活力指標出現(xiàn)明顯下降趨勢,使經(jīng)濟總體處于低谷期。2011年開始經(jīng)濟發(fā)展水平總體呈現(xiàn)高速、穩(wěn)定上升態(tài)勢,綜合評價值由2011年的0.342增長到2014年的0.917,經(jīng)濟實力明顯提升。這主要是因為2011年南京由“十一五”規(guī)劃向“十二五”規(guī)劃過渡。“十二五”時期(2011—2015年)是南京加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)升級的重要時期[7]。這一階段,南京市擯棄以往粗放的經(jīng)濟發(fā)展方式,逐漸向低能耗高效率的經(jīng)濟發(fā)展方式過渡,在發(fā)展經(jīng)濟的同時更加注重節(jié)能減排、改善生態(tài)環(huán)境,同時調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加快發(fā)展科學研究、水利環(huán)境等服務(wù)業(yè),不斷引進創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)等,使得經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展活力、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)3類指標都有不同程度的鞏固和提高,其中經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模增長最明顯,由2010年的0.130增長至2014年的0.455,帶動了經(jīng)濟的快速發(fā)展。

2.3.2 用水效率與經(jīng)濟發(fā)展差距

由表2可以看出,南京市用水效率與經(jīng)濟發(fā)展的差距呈波動縮小后基本穩(wěn)定不變的趨勢。2007—2011年處于不穩(wěn)定的波動階段,經(jīng)濟發(fā)展水平落后于用水效率,用水效率與經(jīng)濟發(fā)展之間的差距越來越大,表現(xiàn)為經(jīng)濟發(fā)展脅迫用水效率的提高。2011—2014年較為平穩(wěn)。2011年經(jīng)濟開始快速發(fā)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(jīng)濟發(fā)展水平高于用水效率,主要是因為2011年經(jīng)濟基數(shù)大于用水效率,且受到外界條件如用水效率、生態(tài)環(huán)境的良好影響和促進,發(fā)展迅速。這一階段兩者增速相當,呈穩(wěn)步均衡發(fā)展狀態(tài),表現(xiàn)為兩者相互影響,用水效率的提高促進經(jīng)濟的發(fā)展,同時又好又快的經(jīng)濟發(fā)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(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度

用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合度、耦合協(xié)調(diào)度計算結(jié)果見表3。根據(jù)表3繪制南京市用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合度與耦合協(xié)調(diào)度時序變化圖,見圖2。

表3 南京市用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價結(jié)果

圖2 南京市用水效率系統(tǒng)和經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)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(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)展處于共同發(fā)展狀態(tài)。由于耦合度逐漸趨近于0.5,說明二者關(guān)系在逐步走向協(xié)調(diào),進入磨合階段。2007—2010年間水資源系統(tǒng)是經(jīng)濟發(fā)展的強有力支撐;2011—2014 年間當經(jīng)濟的發(fā)展逐步回歸正常之后,經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的健康發(fā)展又推動了用水效率的提高。

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

c. 從整體來看,南京市社會經(jīng)濟系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)水平仍然較低,但是近10 年的發(fā)展過程中,兩系統(tǒng)通過內(nèi)部指標間一系列內(nèi)在的、相互依存和相互制約的關(guān)系互相影響,不斷磨合,共同發(fā)展。用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益;經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的變化影響不同部門的用水比例;經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展并舉,則有望使兩系統(tǒng)的發(fā)展進入極度協(xié)調(diào)耦合階段。

3 結(jié)論與建議

a. 南京市用水效率與經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展水平,對經(jīng)濟發(fā)展有良好的促進作用。2011年以后,經(jīng)濟高速發(fā)展,并超過用水效率水平,經(jīng)濟發(fā)展推動水資源的高效利用。

b. 用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)展處于共同發(fā)展狀態(tài)。用水效率系統(tǒng)與經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度在波動中逐步增大,由低度協(xié)調(diào)耦合逐步過渡到高度協(xié)調(diào)耦合階段,未來有望進入極度協(xié)調(diào)耦合階段。

c. 只有保持用水效率與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展才能最終實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。南京市未來發(fā)展應繼續(xù)重視在經(jīng)濟發(fā)展的同時提高用水效率。經(jīng)濟方面,主要通過加大科技創(chuàng)新投入,積極進行創(chuàng)新平臺建設(shè),提高企業(yè)自主創(chuàng)新能力等增強經(jīng)濟活力,并積極更新產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加快經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。用水效率方面,用水結(jié)構(gòu)必須得到實時優(yōu)化,加速低耗水產(chǎn)業(yè)發(fā)展,限制高耗水工業(yè)項目建設(shè)和高耗水服務(wù)業(yè)發(fā)展;針對農(nóng)業(yè)用水效率低下,生活、生態(tài)用水效率堪憂問題,應當繼續(xù)關(guān)注農(nóng)業(yè)用水效率的提高問題,遏制農(nóng)業(yè)粗放用水,高度重視生活、生態(tài)用水管理工作,加強節(jié)水設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè);同時應該注意維護水資源環(huán)境,防治工業(yè)污染,保障水資源良性循環(huán),提高水資源可持續(xù)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(shù)學位研究生科研創(chuàng)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(guī)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(guī)劃與管理研究。E-mail:zcdong@hhu.edu.cn

TV213.9

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1003-9511(2017)01-0021-05

2016-06-15 編輯：胡新宇)