海綿城市視域下水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展協(xié)同評價

陳 莉，張安安

(安徽建筑大學經(jīng)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(huán)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(jīng)濟發(fā)展是人們生活水平的重要保障，規(guī)劃區(qū)域經(jīng)濟建設、提升區(qū)域經(jīng)濟實力是我國“十四五”規(guī)劃的重要內容；水資源在經(jīng)濟發(fā)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(xié)調程度已經(jīng)成為影響區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2-3]。然而，降水分布不均引發(fā)的季節(jié)性缺水，以及水污染引發(fā)的水質性缺水，都嚴重阻礙了社會經(jīng)濟的良好運行[4]。在海綿城市視域下剖析各地區(qū)水資源和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同度，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與社會經(jīng)濟的協(xié)同發(fā)展顯得尤為重要。

近些年來，不同領域關于協(xié)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(jīng)濟系統(tǒng)為研究對象，運用SD模型評價協(xié)同發(fā)展情況。章恒全[6]指出各區(qū)域的水資源利用效率對經(jīng)濟增長產(chǎn)生的效應不同，水資源問題對三大產(chǎn)業(yè)均有影響尤其是對第三產(chǎn)業(yè)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(xié)同程度。蓋美等[10]，選擇模糊識別模型對水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)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(xié)同理論和集對分析方法(SPA)，這為構建協(xié)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(tǒng)整體協(xié)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(qū)域等不同范圍搭建指標體系，研究不同子系統(tǒng)之間的協(xié)同關系。但將研究具體到水資源與社會經(jīng)濟，又以全國主要城市為研究對象，基于協(xié)同原理并采用復合系統(tǒng)整體協(xié)同度法的目前只有少數(shù)文獻涉及。本文嘗試運用復合系統(tǒng)協(xié)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(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)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(jīng)濟的協(xié)同發(fā)展提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所需數(shù)據(jù)主要來源于2016—2020年的《中國統(tǒng)計年鑒》，各省及市統(tǒng)計年鑒，各省及市的水資源公報、國民經(jīng)濟與社會經(jīng)濟發(fā)展公報等，個別缺失數(shù)據(jù)通過插值法補齊。

1.2 研究方法

1.2.1 協(xié)同理論

為研究復雜系統(tǒng)之間的協(xié)同作用，了解協(xié)同作用下各子系統(tǒng)在不同時間、空間條件下的特征及演變規(guī)律，1971年德國物理學家赫爾曼哈肯(Hermann Haken)提出協(xié)同學理論，指出協(xié)同系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，它們相互聯(lián)系、相互作用，共同產(chǎn)生協(xié)調、合作的效應。雖然學者們關于協(xié)同的研究方法和側重點存在差異，但對協(xié)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(tǒng)內部各要素之間的協(xié)調程度為協(xié)同度[11]，其大小代表了系統(tǒng)從無序到有序的變化過程，是定量分析子系統(tǒng)之間協(xié)調發(fā)展狀態(tài)的重要指標，本文研究的協(xié)同度是指水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的協(xié)同程度。

1.2.2 復合系統(tǒng)整體協(xié)同度法

A1和A2分別代表水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)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(tǒng)Ai中的作用越大，再利用線性加權求和法即可得出系統(tǒng)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(tǒng)A1和社會經(jīng)濟系統(tǒng)A2的有序度。

設N為水資源與社會經(jīng)濟相互之間的協(xié)同能力，根據(jù)各個子系統(tǒng)有序度的集合平均數(shù)計算它們的協(xié)同能力，公式如下：

(3)

協(xié)同度C是在水資源與社會經(jīng)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(xié)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(shù)據(jù)的科學性和可獲得性，首先針對水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)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(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)運營用水量x15、居民生活用水量x16、污水排放量x17；社會經(jīng)濟系統(tǒng)序參量包括年末常住人口數(shù)x21、城鎮(zhèn)化水平x22、人均GDPx23、人均可支配收入x24、第二產(chǎn)業(yè)增加值x25、第三產(chǎn)業(yè)增加值x26以及職工平均工資x27。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為消除序參量之間的量綱差異，使不同單位、不同數(shù)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(shù)據(jù)進行無量綱化處理。再利用熵值法計算指標權重，在協(xié)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(tǒng)協(xié)同度評價模型進行改進，指標的權重越大，代表在協(xié)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(shù)據(jù)；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(xù)表

2.3 水資源-社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度

2.3.1 水資源系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)有序度D1(A1)，觀察數(shù)據(jù)列表(表2)，各城市水資源系統(tǒng)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(tǒng)有序度較小，且無明顯變化規(guī)律。從空間分布來看，東部地區(qū)水資源有序度的波動幅度明顯高于中西部地區(qū)，而東部地區(qū)本身南北差異較大，以福州為代表的多數(shù)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(fā)利用率、政府環(huán)境政策以及民眾節(jié)水意識等因素也直接影響著區(qū)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(tǒng)建設，但由于發(fā)展時間較短，經(jīng)驗尚淺，不少地區(qū)的海綿城市建設工作仍處于起步階段，海綿城市規(guī)劃中倡導的高效開發(fā)利用水資源并未得到充分的實踐，以至于多數(shù)地區(qū)的水資源系統(tǒng)有序度增長緩慢，甚至存在倒退風險。

2.3.2 社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度

參照上述水資源系統(tǒng)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(jīng)濟系統(tǒng)有序度D2(A2)，由計算結果(表2)可知，相較于水資源系統(tǒng)有序度，各城市社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度在空間上的變化情況更為顯著，尤其是東中部地區(qū)，各城市之間差異明顯。

表2 水資源與社會經(jīng)濟子系統(tǒng)有序度

續(xù)表

以北京、南京、杭州、武漢、合肥、鄭州為代表的多數(shù)城市的社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度從2015年開始呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的增長態(tài)勢。這些城市地處長江經(jīng)濟帶的核心位置，背靠長三角經(jīng)濟區(qū)，同時受中部崛起戰(zhàn)略和武漢城市圈的共同作用，經(jīng)濟社會發(fā)展迅速。觀察序參量的權重(表1)可知，影響社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度的因素主要集中在年末常住人口、第二產(chǎn)業(yè)增加值和職工平均工資3個指標。分析社會經(jīng)濟系統(tǒng)的影響因素發(fā)現(xiàn)，這些城市的上述指標均呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，社會經(jīng)濟水平穩(wěn)步提升。尤其是以工業(yè)為代表的第二產(chǎn)業(yè)在2015—2019年間強勢發(fā)展，這直接帶動了當?shù)芈毠さ钠骄べY，對保障和改善民生、促進社會和諧穩(wěn)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(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展良性循環(huán)。

2.4 水資源-社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

運用復合系統(tǒng)協(xié)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(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度之間的協(xié)同發(fā)展情況。首先對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，利用熵值法計算各指標權重，再依據(jù)指標權重計算各序參量的有序度，最后得出水資源-社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同度。復合系統(tǒng)的協(xié)同度測算過程是一個動態(tài)評價的過程，協(xié)同度C∈[-1,1]，取值為正，說明復合系統(tǒng)處于協(xié)同狀態(tài)，反之，則處于不協(xié)同狀態(tài)；取值越大，協(xié)同度越高，反之越低。由于目前尚未有統(tǒng)一的標準可以度量復合系統(tǒng)協(xié)同度，本文參考夏業(yè)領和何剛[16]的研究結果，將復合系統(tǒng)協(xié)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(xié)同度等級劃分

依據(jù)公式(4)計算水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的協(xié)同度，為了在空間上更直觀地比較各城市之間協(xié)同度的差異，將計算結果繪制成柱狀圖(圖1～圖5)。觀察協(xié)同度計算結果，發(fā)現(xiàn)29個主要城市的水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同程度存在一定差距，2015—2019年間，哈爾濱、長春、呼和浩特、西寧、?？凇⒛蠈幍膮f(xié)同度一直為負值，始終處于不協(xié)調的狀態(tài)。而石家莊市的協(xié)同度在2018年之前均為正，屬于輕度協(xié)同，自2018年開始協(xié)同度逐漸轉為負值，進入輕度不協(xié)統(tǒng)同范疇，這表明石家莊市近幾年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展存在問題，并且這種不協(xié)同的態(tài)勢正在慢慢惡化，究其原因，不難發(fā)現(xiàn)石家莊市水資源系統(tǒng)的有序度偏低。要改變這種現(xiàn)狀，就要更大限度地發(fā)揮水資源系統(tǒng)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(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度均大于零，目前處于協(xié)同發(fā)展的狀態(tài)。

圖1 2015年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

圖2 2016年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

圖3 2017年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

圖4 2018年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

圖5 2019年水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)同度

3 分析與討論

參考復合系統(tǒng)協(xié)同度等級劃分標準，將全國29個主要城市水資源-社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)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(xié)同，其協(xié)同度在(0.2,0.6]范圍內；第二類是協(xié)同度在(0,0.2]區(qū)間內的輕度協(xié)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(xié)同度位于(-0.2,0]的輕度不協(xié)同，包括?？?、蘭州、西寧、石家莊等7個城市。

目前協(xié)同程度最高的是杭州市，已經(jīng)進入中度協(xié)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(jīng)濟水平位于全國前列，相較于同等經(jīng)濟水平的其他城市，其生產(chǎn)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(tài)，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(lián)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(xié)同度增長緩慢，且存在一定的波動，要使協(xié)同水平得到長久有效的提升，杭州市仍需繼續(xù)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(xié)同狀態(tài)，分析發(fā)現(xiàn)，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(jīng)濟發(fā)展提供充足的養(yǎng)分，只有繼續(xù)落實海綿城市政策，將城市打造成為優(yōu)質的海綿體，水資源問題帶來的發(fā)展矛盾才能得到緩解。而?？凇⑻m州、西寧、石家莊等城市屬于低度不協(xié)同，它們中的大部分經(jīng)濟發(fā)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(fā)揮受阻，不能有效促進社會經(jīng)濟發(fā)展；更有部分城市，經(jīng)濟發(fā)展起步較晚，降水量偏低，城市水資源常年匱乏，工農業(yè)供水受限，直接導致了該區(qū)域水資源有序度與社會經(jīng)濟有序度均落后于其他地區(qū)，常年處于不協(xié)同狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，城市水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同程度整體偏低，二者之間的協(xié)同作用未達到最優(yōu)狀態(tài)，“1+1>2”的系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)勢發(fā)揮不足，這必定會對社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來一定的阻礙。各城市之間的協(xié)同度也存在明顯差異，2015—2019年間，我國大部分城市的社會經(jīng)濟發(fā)展趨于穩(wěn)定，社會經(jīng)濟系統(tǒng)有序度普遍呈上升趨勢，而水資源系統(tǒng)有序度卻呈現(xiàn)出停滯甚至倒退的現(xiàn)象，水資源與社會經(jīng)濟發(fā)展的落差直接導致了復合系統(tǒng)協(xié)同程度較低。雖然早在2014年11月，我國住房和城鄉(xiāng)建設部就已經(jīng)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(jīng)濟發(fā)展較為健康，水資源系統(tǒng)還有巨大的開發(fā)利用潛力，對經(jīng)濟的保障作用也有很大的發(fā)揮空間，需要進一步優(yōu)化配置水資源，否則短期內很難與社會經(jīng)濟同步發(fā)展。

4 海綿城市視域下水資源與社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)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(tài)環(huán)境，依據(jù)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(jīng)濟系統(tǒng)有序度一直穩(wěn)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(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同程度較低，屬于低度協(xié)同。調查發(fā)現(xiàn)，南京夏季洪澇災害頻發(fā)，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(tài)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(fā)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(tài)，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(yè)廢水一齊涌入城市的河流湖泊，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴重，破壞了河流的凈化與排水功能。經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟基礎雄厚，但大量的工業(yè)廢水與生活污水使城市水質性缺水嚴重，水資源與社會經(jīng)濟之間的協(xié)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(xiàn)污水再生利用。依據(jù)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(xiàn)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(xiàn)城市水資源的可持續(xù)發(fā)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(xiàn)大雨或是特大暴雨時會導致洪澇災害的發(fā)生，甚至會出現(xiàn)“城市看海”的現(xiàn)象，濕地系統(tǒng)又稱“自然之腎”，可調節(jié)氣候、營養(yǎng)土質、凈化水質、緩解洪澇災害等，是人類的重要生存環(huán)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(tǒng)逐漸硬化，各種難以降解的生活垃圾也破壞了濕地系統(tǒng)的生態(tài)功能，因此，修復城市濕地系統(tǒng)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(fā)區(qū)的濕地保護，肆意填埋坑塘等破壞濕地的現(xiàn)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(fā)更為嚴峻的自然災害。習近平總書記在中央城鎮(zhèn)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(tǒng)，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(tǒng)，緩解城市季節(jié)性缺水和水質性缺水的最優(yōu)方案。

4.3 加強頂層設計，推進協(xié)同發(fā)展

無論是水資源利用亦或是社會經(jīng)濟發(fā)展，政府都是主導者，它們統(tǒng)籌城市建設的各項工作，協(xié)調多個機構和部門，要建立完善的系統(tǒng)管理體系，必須加強頂層設計。水資源與社會經(jīng)濟的協(xié)同發(fā)展過程涉及水利、環(huán)保、財政、市場等多個部門，需要協(xié)調大量的人力、物力、財力，因此制定合理的規(guī)劃管理政策，對各城市依據(jù)政府規(guī)劃切實執(zhí)行具有重要的指導意義。首先，各城市經(jīng)濟發(fā)展委員會應當協(xié)調包括海綿城市建設部門在內的相關水資源開發(fā)利用機構，依據(jù)本城市的自然環(huán)境狀況和城市經(jīng)濟基礎等特點規(guī)劃經(jīng)濟建設，繪制社會主義現(xiàn)代化城市藍圖。在宏觀層面上協(xié)調水資源與社會經(jīng)濟之間的合作關系，形成供需平衡、相互配合的協(xié)調發(fā)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(guī)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(yōu)質水環(huán)境的重要動力。因此，要緩解水資源與社會經(jīng)濟之間的不平衡，還要同時保證社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。如福州、南昌、南寧等豐水地區(qū)，水生態(tài)稟賦好，人口密度不高，水資源利用壓力較小，但經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，導致協(xié)同度偏低，針對這些地區(qū)，則需要重點發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟，提高經(jīng)濟增長速度，這也是為水資源的可持續(xù)利用提高動力，為水資源-社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展提供保障。