經濟發(fā)展與水環(huán)境監(jiān)測指標的耦合關聯(lián)性研究

劉 藝，張鄭賢，張鋒賢

(1.濟南大學水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；2.山東省地下水數值模擬與污染控制工程技術研究中心，山東 濟南 250022；3.中國科學技術大學工程科學學院，安徽 合肥 230026)

生態(tài)環(huán)境與經濟問題一直是一個國家發(fā)展的重點關注對象，兩者之間有著密切的關系[1]。水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境體系中的重要組成部分，與經濟發(fā)展的關系更加緊密。通過實證研究，賈彧等[2]得出水環(huán)境與經濟發(fā)展之間存在明顯相關性的結論。良好的水環(huán)境為區(qū)域經濟發(fā)展提供動力支持；此外，經濟的良好發(fā)展又為營造一個和諧的水環(huán)境體系提供物質條件[3]。伴隨著新經濟時代的來臨，經濟發(fā)展對水環(huán)境的影響越來越大，水環(huán)境對經濟發(fā)展的推動作用也越來越強。李志濤等[4]選取鄱陽湖流域典型水環(huán)境污染指標和經濟指標，并分析模擬鄱陽湖流域經濟增長與水環(huán)境之間的關系，結果表明鄱陽湖流域經濟和水環(huán)境之間存在明顯的相關性。黃智華等[5]定量研究了1990—2000年太湖水環(huán)境演變與流域內社會經濟發(fā)展之間的關系，并根據此相關關系對未來30年太湖水質的污染狀況進行了預測。

目前，已有的大都是關于水環(huán)境污染與經濟發(fā)展、產業(yè)結構的關系研究，而對于近年來水環(huán)境質量現狀及經濟發(fā)展與各水污染監(jiān)測指標間耦合作用機理的研究相對較少。耦合作用是物理學中的基本概念，將山東省GDP與水污染監(jiān)測指標兩個子系統(tǒng)元素間的相互作用，定義為區(qū)域經濟發(fā)展與水污染監(jiān)測指標的耦合作用。耦合作用主要表現為：①區(qū)域經濟的規(guī)模增長會促使用水需求的增長，而用水量的增加又會引起區(qū)域污水排放量的增加和水質的惡化。這種變化不僅影響經濟的進一步發(fā)展，而且影響生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，而生態(tài)環(huán)境的惡化又反過來限制區(qū)域經濟的發(fā)展。②水資源系統(tǒng)的長期發(fā)展模式也受到宏觀經濟系統(tǒng)發(fā)展的巨大影響[6]。

本文采用灰色關聯(lián)度分析法，對區(qū)域經濟發(fā)展與水環(huán)境的關聯(lián)性進行定量計算，分析經濟發(fā)展對水環(huán)境污染的耦合作用強弱并提出改善措施，這將有利于主管部門采取相應的政策措施，以緩解社會經濟不斷增長與水資源、水環(huán)境承載能力有限的矛盾，實現社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，同時為山東省的經濟發(fā)展和節(jié)水治污提供一定的參考依據。

1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海的東北段，地處黃河下游，緊鄰韓國和日本，有利于發(fā)展對外經濟；北部與河北相連，與遼寧省大連市隔海相望，南部連著江蘇，有利于發(fā)展對內經濟[7]。山東省的自然資源非常豐富，既有黃金等貴重金屬，也有煤和石油等經濟發(fā)展必不可少的資源，山東省屬于丘陵地帶，自然景觀美麗，又有“孔孟之鄉(xiāng)”的美稱，文化底蘊深厚，旅游業(yè)較為發(fā)達[8]。山東省多年平均降雨量為 659.4 mm，年降水日數和強度呈明顯的緯向分布，且由東南向西北逐漸下降。優(yōu)越的地理位置與水文地質條件使得近年來山東省社會經濟發(fā)展迅速，許多領域在全國處于領先地位。山東省主要經濟指標居全國前列，成為中國東部經濟大省[9]，基本形成以能源、建材、機械、化工、冶金、紡織等支柱產業(yè)為主體的社會經濟體系。

2 研究方法

灰色系統(tǒng)理論(Grey System Theory)目前已廣泛應用于農業(yè)、社會經濟等領域，并取得了顯著成就?；疑P聯(lián)度是一個量化模型，表示兩個序列關聯(lián)性大小的度量，反映的是系統(tǒng)發(fā)展過程中因素間相對變化的情況，其目的就是通過一定的方法理清系統(tǒng)中各因素間的主要關系，找出影響最大的因素，把握矛盾的主要方面[10]?；疑P聯(lián)分析一般包括下列步驟：

a. 確定比較對象(評價對象)和參考數列(評價標準)。

b. 確定各指標對應的權重。

c. 原始數據變換(對參考數列和比較數列進行無量綱化處理)。

d. 計算關聯(lián)系數

ξ(k)=

(1)

e. 計算關聯(lián)度

(2)

式中：r0i為第i個評價對象即子序列與母序列的灰色加權關聯(lián)度；wi為各指標對應的權重；N為數據長度。

3 模型應用

山東省的經濟增長對區(qū)域水環(huán)境質量變化的影響主要涉及工業(yè)廢水、生活廢水及其中所含的氨氮和COD等指標。選取2002—2015年山東省最為重要的經濟指標GDP為評價標準，生活廢水、工業(yè)廢水及廢水中所含的COD、氨氮等水污染重點監(jiān)測指標為評價對象，分析各評價對象與評價標準GDP之間的關系，確定與GDP耦合作用最強的水污染監(jiān)測指標。2002—2015年山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標時序圖見圖1。

圖1 2002—2015年山東省GDP與水污染監(jiān)測指標時序

國內生產總值(GDP)是衡量一個國家或地區(qū)總體經濟狀況的重要指標，反映了一個國家或地區(qū)不同年度總體經濟的態(tài)勢[11]。由圖1可知，2002—2015年山東省GDP總體呈上升趨勢，GDP數值增高意味著經濟形勢趨好，社會整體就業(yè)形勢好轉，生活水平提高。隨著國家節(jié)水環(huán)境保護政策的制定，工業(yè)COD及工業(yè)氨氮排放量下降明顯，工業(yè)廢水排放量小幅增長，2011年之后逐漸降低；生活廢水、生活COD及生活氨氮排放量略有增加，2011年出現轉折，之后生活廢水、生活COD及生活氨氮排放量增長迅猛。

3.1 模型建立

以2002—2015年山東省GDP的數值為母序列，分別以工業(yè)廢水、工業(yè)氨氮、工業(yè)COD、生活廢水、生活氨氮及生活COD的排放量為子序列。由分析可知，數據序列存在一定的增長或下降趨勢，故選用初值化變換的方法對數據進行無量綱化處理，經無量綱化處理后序列{X1(t)}為工業(yè)廢水排放量，{X2(t)}為生活廢水排放量，{X3(t)}為工業(yè)COD排放量，{X4(t)}為生活COD排放量，{X5(t)}為工業(yè)氨氮排放量，{X6(t)}為生活氨氮排放量，{X7(t)}為山東省GDP。得到無量綱化數據見表1，k時刻各子序列與母序列之間的絕對差見表2。

表1 無量綱化數據

3.2 模型求解

將建立的模型通過MATLB數學軟件求解，計算出山東省GDP與各水污染重點監(jiān)測指標間的灰色加權關聯(lián)度數值。山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標關聯(lián)度見表3。

表3 山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標關聯(lián)度

3.3 關聯(lián)度分析

整體上看，若取最優(yōu)值r7j=1，說明X7與水污染的某一指標Xj之間關聯(lián)性大，并表明X7與Xj的單個指標間耦合作用明顯；若0

表4 灰色關聯(lián)度分級表[12]

計算結果表明：山東省GDP與各水污染重點監(jiān)測指標間的灰色關聯(lián)度區(qū)間為[0.588 7，0.687 2]，對比表4可知，屬中等或較強關聯(lián)度，說明水污染的各監(jiān)測指標與GDP之間存在著中等或較強的耦合作用。為了進一步探索GDP與各水污染指標之間的交互耦合機制及主要驅動力，對關聯(lián)度大小進行排序：r72>r71>r76>r74>r73>r75。由排序結果可知，與山東省GDP的關聯(lián)性由強到弱依次為：生活廢水排放量、工業(yè)廢水排放量、生活廢水中的氨氮排放量、生活廢水中的COD排放量、工業(yè)廢水中COD排放量及工業(yè)廢水中的氨氮排放量。

其中生活廢水排放量與GDP增長的關聯(lián)度最大，耦合作用最強。分析其原因主要是：隨著經濟的發(fā)展、城市化進程的加快，城鄉(xiāng)人口結構發(fā)生變化，城鎮(zhèn)人口數量不斷增加，用水量也隨之增加，而城鎮(zhèn)的污水排放量要遠大于農村污水排放量[13]；由于生活廢水排放量基數的增長，使得廢水中氨氮和COD的含量也隨之增加。工業(yè)廢水及工業(yè)廢水中的氨氮和COD排放量與GDP的耦合作用要弱于生活廢水及生活廢水中的氨氮和COD排放量，主要原因是經濟的迅猛發(fā)展對生態(tài)環(huán)境及水資源造成了一定的破壞，國家針對工業(yè)出臺了一系列的節(jié)能減排措施，運用嚴格的法律制度保護生態(tài)環(huán)境，將生態(tài)文明建設提升到制度層面，使得環(huán)境得到較大改善[14]。由圖1可知，廢水中工業(yè)氨氮及工業(yè)COD的排放量逐年遞減，在2011年之后出現轉折，之后的年份下降更為明顯，排污狀況經過整治取得顯著成效。

廢水排放量的增加，會破壞水體原有的形態(tài)和功能，降低水體的水質等級和可用性，增加水資源的利用成本。因此，山東省在經濟發(fā)展的過程中，未來應更加關注和控制與GDP耦合作用較強、關聯(lián)性更為密切的生活廢水及生活廢水中COD和氨氮的排放量。優(yōu)化生活污水的排放現狀及現有排水管網的布局，大力發(fā)展生活污水處理廠，不斷提高污水處理的技術以緩解日益緊張的水資源壓力，是合理利用水資源、保護生態(tài)環(huán)境的必然要求，也是可持續(xù)發(fā)展的重點[15]。

4 應對措施

針對山東省社會經濟及污水處理的現狀，結合地理特征及水文地質條件，提出相關建議和措施以緩解生活污水的污染進程。

a. 調整產業(yè)結構，優(yōu)化經濟發(fā)展模式[16]。“能耗高、污染重、附加值低”等問題已嚴重制約山東省經濟競爭力的提升。未來，山東省應更加注重“綠色發(fā)展”，完善產業(yè)體系，促進產業(yè)結構升級，積極化解重工業(yè)、高耗能產業(yè)的困境，強化重點領域節(jié)能、環(huán)境保護、生態(tài)安全等標準的硬約束。進一步敞開大門，優(yōu)化經濟發(fā)展模式，構建協(xié)調發(fā)展的生態(tài)效益型經濟體系，力爭在生態(tài)環(huán)境保護等重點領域實現新突破。

b. 加強污水處理廠和配套管網建設，提高污廢水利用率。污水回用是解決工業(yè)和生活用水量增長的主要出路，應加強污水處理的配套管網建設，以解決污水的排放、收集和處理問題。將處理后的生活污水在工業(yè)中循環(huán)利用，高濃度的生活污水處理后可用于農業(yè)灌溉，既降低了淡水的消耗量，又解決了環(huán)境污染問題。

c. 預防為主，完善管理機制。在防污治污的問題上，首先要確定“以防為主”的方針，建立、健全高效的運行管理機制和保障處理設施，加強防治水體污染的科學研究，提高防治效率，降低防污治污成本?？稍O立生活污水治理專項資金，扶持地區(qū)生活污水處理設施的建設、運行與維護，在生活污水治理過程中，要明確各有關部門的防污責任，完善立法，嚴格執(zhí)法，實現監(jiān)管并重，使人類活動和社會行為都承擔起節(jié)水環(huán)保的道義和法律責任。

d. 生活、工業(yè)污水分類處理，提高生產加工技術。相對于生活廢水而言，工業(yè)廢水具有排放量大、污染物種類繁多，污染物質毒性強、危害大，恢復比較困難等特點，因此，將生活與工業(yè)廢水分類處理，能夠提高污水處理效率，改善處理后的水質[17]。應借鑒國內外先進的污水處理技術，加大污水處理力度，提高污水中污染物的去除標準，引導造紙、印染、鋼鐵等污水排放量較大的工廠、企業(yè)改革生產工藝，減少生產過程中的耗水量、排污量，以達到節(jié)能減排的目的。

e. 提高環(huán)境保護意識。環(huán)境保護意識的提高對水環(huán)境的改善起到至關重要的作用，要充分利用各種媒體，通過有效形式宣傳普及節(jié)水環(huán)保知識，提高人們的思想道德素養(yǎng)，讓民眾自覺承擔起生態(tài)文明建設的責任，在日常生活中提倡使用節(jié)水器具，重復利用水資源，建立綠色低碳的生活方式[18]。

5 結 語

通過對山東省水污染與經濟增長關系的實證分析，評價山東省的經濟發(fā)展指標GDP與水體污染的耦合作用機制，運用灰色關聯(lián)度分析方法探索山東省GDP變化與其水資源污染水平的關聯(lián)性，結果表明，從整體上看，GDP與水污染監(jiān)測各指標間存在耦合關系。通過計算，山東省的GDP與生活廢水排放量的耦合作用最強，關聯(lián)度達0.687 2，屬較強關聯(lián)性。因此，在經濟發(fā)展的過程中勢必會造成生活廢水排放量的增加。為了構建“青山綠水”的和諧社會，必須規(guī)范生活污水處理的現狀，加強生活污水的治理，使生活污水有序排放，及時處理。目前生活污水處理基礎設施建設相對滯后，政府應加大投資力度，及時采取有效防治措施，改善水環(huán)境，努力實現地區(qū)經濟發(fā)展和環(huán)境保護協(xié)同推進[19]。

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