北京市密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度分析

王磊，吳佳俊，魏丹，金梁，索琳娜，丁建莉，高偉，安志裝

［關(guān)鍵詞］ 水土資源；耦合協(xié)調(diào)度模型；密云水庫

［摘要］ 密云水庫作為北京市重要的水源地，如何實現(xiàn)其水土資源高效利用已成為影響區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的主要因素，分析密云水庫在社會經(jīng)濟快速發(fā)展中的水土資源耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，可為指導(dǎo)水土資源科學(xué)合理利用、推動可持續(xù)發(fā)展提供支撐?；诿茉扑畮鞂嶋H情況，從水資源和土地資源兩個方面共選擇了18個評價指標，構(gòu)建了水土資源耦合協(xié)調(diào)評價指標體系，分析2012—2020年密云水庫水土資源開發(fā)利用程度和相互作用關(guān)系。結(jié)果表明：2012—2020年密云水庫水資源總量呈增長趨勢，尤其是在2018年后呈跳躍式增長，總用水量不斷減少，用水結(jié)構(gòu)比較合理，水資源開發(fā)利用處于健康狀態(tài)；森林覆蓋率和林木綠化率顯著增加，耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加，水土流失治理面積呈先增加后減少的趨勢，水土流失面積明顯減少；密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度保持平穩(wěn)，整體處于中級失調(diào)，土地資源開發(fā)利用已超過水資源承載能力，需引起高度重視，及時采取科學(xué)有效的水土資源保護措施。

［中圖分類號］ TV213；F301.24［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）06－0057－04

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，自然資源尤其是土地資源和水資源的過度開發(fā)將造成生態(tài)環(huán)境的破壞，制約可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施[1]。區(qū)域水土資源耦合協(xié)調(diào)研究可為區(qū)域水土資源科學(xué)合理開發(fā)提供支撐，推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[2]。早期水土資源耦合協(xié)調(diào)研究只關(guān)注水資源或土地資源本身，以概念性或模型分析為主，很少考慮外部因素對其的影響。隨著資源短缺、環(huán)境惡化等問題不斷加重，國內(nèi)外學(xué)者逐漸將水資源和土地資源視為一個整體進行綜合評判研究，但大多數(shù)研究集中在土地利用變化對流域水質(zhì)的影響等方面[3]。目前，水土資源耦合協(xié)調(diào)研究方法主要有耦合協(xié)調(diào)度模型法、“3S”技術(shù)評價法、熵權(quán)法、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型法等，其中耦合協(xié)調(diào)度模型法可操作性較強，應(yīng)用最為廣泛。

密云水庫作為北京市重要的水源地，在保障首都水源安全方面發(fā)揮著重要作用。加強密云水庫水源保護工作，事關(guān)城鄉(xiāng)供水安全、城市平穩(wěn)運行、人民安居樂業(yè)和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[4]。密云水庫周邊坡地較多，可利用土地資源少，產(chǎn)出效益低，且水資源短缺問題突出，水土保持能力差[5]。目前，如何實現(xiàn)密云水庫水土資源高效利用已成為影響區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一[6]。分析密云水庫在水土資源開發(fā)利用中的水土資源耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，可為推動水土資源科學(xué)利用和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[7]。本研究以密云水庫水源保護區(qū)為例，通過資料分析和實地調(diào)研相結(jié)合的方法，構(gòu)建密云水庫水源保護區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)評價指標體系，并分析密云水庫水源保護區(qū)水土資源開發(fā)利用程度和耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)，以期為密云水庫水土資源科學(xué)利用和優(yōu)化調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

1區(qū)域概況

密云水庫位于北京市密云區(qū)城北13 km處，地處燕山群山丘陵中，面積約180 km2，平均海拔155 m，庫容約40億m3，平均水深約30 m，有白河和潮河兩大入庫河流，是北京市最重要的飲用水水源地。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候區(qū)，四季分明，干濕冷暖變化明顯，年均氣溫13.5 ℃，年均降水量480 mm，降水主要集中在6—9月，無霜期170 d。

2研究方法

2.1水土資源耦合協(xié)調(diào)評價指標體系

基于2012—2020年北京市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報、北京統(tǒng)計年鑒，分析密云水庫水源保護區(qū)水土資源利用特點，遵循科學(xué)性、典型性、可獲取性原則，分別從水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)兩個方面選取18個指標，構(gòu)建水土資源耦合協(xié)調(diào)評價指標體系，并采取最小-最大極值標準化法對評價指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，運用熵值法確定各指標權(quán)重[8]，見表1。

2.2水土資源耦合協(xié)調(diào)度評價

水土資源耦合協(xié)調(diào)度模型分為耦合度和耦合協(xié)調(diào)度，耦合度指多個系統(tǒng)之間相互作用關(guān)系，耦合協(xié)調(diào)度指多個系統(tǒng)或系統(tǒng)要素之間相互作用過程中的耦合程度[9]，計算公式分別為O=2X1×X2X1+X2212（1）

D=O×12X1+12X212（2）

X1=1n∑ni=1Si×Wi（3）

X2=1m∑mj=1Sj×Wj（4）式中：O為水土資源耦合度；D為水土資源耦合協(xié)調(diào)度；X1、X2分別為水資源、土地資源評價指數(shù)；Si為第i個歸一化處理后的水資源評價指標年均值；Wi為第i個水資源評價指標權(quán)重；n為水資源評價指標數(shù)；Sj為第j個歸一化處理后的土地資源評價指標年均值；Wj為第j個土地資源評價指標權(quán)重；m為土地資源評價指標數(shù)。

為表征水土資源耦合協(xié)調(diào)程度，對計算得到的水土資源耦合協(xié)調(diào)度進行區(qū)間分類，總體上分為協(xié)調(diào)類和失調(diào)類[10]， 王磊等：北京市密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度分析具體見表2。

3結(jié)果與分析

3.1密云水庫水資源變化特征

2012—2020年密云水庫水資源評價指標變化見表3。由表3可知，2012—2020年密云水庫水資源總量呈先下降后快速上升的趨勢，尤其是在2018年后呈跳躍式增長，水資源總量在2020年最多，在2016年最少；總用水量整體呈下降趨勢，2012年總用水量最多，2020年總用水量最少。在用水結(jié)構(gòu)方面，整體呈農(nóng)業(yè)用水量＞生活用水量＞生態(tài)環(huán)境用水量＞工業(yè)用水量的格局，其中2012—2020年農(nóng)業(yè)用水量明顯下降，生態(tài)環(huán)境用水量和生活用水量呈增加趨勢，工業(yè)用水量波動下降，節(jié)能環(huán)保支出呈明顯增加趨勢，生活污水集中處理率保持平穩(wěn)上升。

水資源開發(fā)利用率是指開發(fā)利用的水資源量（包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水）與水資源總量的比值，可以反映該區(qū)域的水資源開發(fā)程度，也能在一定程度上表征區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源開發(fā)是否協(xié)調(diào)，是表征區(qū)域或流域是否健康發(fā)展的重要指標。2012—2020年密云水庫水資源開發(fā)利用率見圖1，可知其整體呈下降趨勢，在2012—2016年比較平穩(wěn)，2015—2016年急劇升高，2016—2020年快速下降。2016年密云水庫水資源開發(fā)利用率最高，達到了29.35%，這與2015年密云水庫開始南水北調(diào)反向輸水有關(guān)；2020年密云水庫水資源開發(fā)利用率最低，只有5.84%，這與密云水庫水資源總量不斷增加和政府、群眾的保水意識逐步提高有關(guān)。密云水庫水資源開發(fā)利用率與健康狀況可表現(xiàn)為：水資源開發(fā)利用率大于45%為較差狀態(tài)，35%～45%為中等健康狀態(tài)，小于35%為健康狀態(tài)[11-12]。2012—2020年密云水庫水資源開發(fā)利用一直處于健康狀態(tài)。

3.2密云水庫土地資源變化特征

2012—2020年密云水庫土地資源評價指標變化見表4。由表4可知，2012—2020年森林覆蓋率和林木綠化率不斷增加，2020年密云水庫森林覆蓋率達65.05%，林木綠化率達73.25%；2012—2020年水土流失面積顯著下降，2020年水土流失面積相比于2012年減少了60.16%，水土流失治理面積呈先增加后減少的趨勢，這與退耕還林（草）政策的實施、水土流失治理工程和小流域綜合治理工程的不斷推進有關(guān)。2012—2020年耕地面積和人均耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加，且主要變化均發(fā)生在2013—2014年，房屋竣工面積呈先上升后下降的趨勢。

3.3密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度

2012—2020年，密云水庫水資源評價指數(shù)穩(wěn)步提升，土地資源評價指數(shù)逐步下降，水土資源耦合度和協(xié)調(diào)度整體比較平穩(wěn)，協(xié)調(diào)程度總體處于中級失調(diào)（見表5和圖2）?？傮w來看，密云水庫水資源與土地資源開發(fā)利用處于相反的發(fā)展趨勢，在水資源保護取得成效的同時一定程度上忽視了土地資源的保護，水土資源耦合協(xié)調(diào)度整體處于較低水平。

（1）水資源評價指數(shù)。2012—2020年密云水庫水資源評價指數(shù)從0.077增加到0.260，增長了近2.4倍，且呈不斷增長趨勢，表明雖然隨著城市化進程的加快，各方面水資源需求不斷增加，但是密云水庫持續(xù)采取的水資源保護和治理措施成效顯著，使得水資源開發(fā)利用處于健康水平。

（2）土地資源評價指數(shù)。2012—2020年密云水庫土地資源評價指數(shù)變化可分為兩個階段：一是2012—2014年土地資源評價指數(shù)顯著下降，原因可能是2014年北京市遭遇特大暴雨，水庫需水量大幅增加導(dǎo)致土地面積大幅減少；二是2015—2020年土地資源評價指數(shù)略有上升之后持續(xù)下降，總體指數(shù)偏低，表明密云水庫土地資源開發(fā)強度過高，土地資源保護不足。

（3）水土資源耦合度。2012—2020年密云水庫水土資源耦合度呈先上升后下降的變化趨勢，2012—2016年水土資源耦合度不斷增加，表明在城市化發(fā)展中水資源和土地資源開發(fā)利用程度是相符的，開發(fā)利用強度比較合理；2016—2020年水土資源耦合度不斷下降，尤其是2020年水土資源耦合度較低，表明密云水庫土地資源開發(fā)已逐漸超過水資源承載能力。

（4）水土資源耦合協(xié)調(diào)度。2012—2020年密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度整體處于中級失調(diào)狀態(tài)，協(xié)調(diào)度變化比較平穩(wěn)，但整體上略有下降。密云水庫庫區(qū)面積大，降水量較少，土壤侵蝕量大，坡耕地水土流失嚴重，生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)水土資源的能力較差，土地資源開發(fā)利用已超過水資源承載能力，現(xiàn)狀不容樂觀，需要相關(guān)部門高度重視水土資源保護工作，制定科學(xué)合理、全面可行的保護措施。

4討論與結(jié)論

本研究基于密云水庫實際情況，從水資源和土地資源兩個方面共選擇了18個評價指標，構(gòu)建了水土資源耦合協(xié)調(diào)評價指標體系，分析2012—2020年密云水庫水土資源開發(fā)利用程度和相互作用關(guān)系。結(jié)果表明：2012—2020年密云水庫水資源總量呈增長趨勢，尤其是在2018年后呈跳躍式增長，總用水量不斷減少，用水結(jié)構(gòu)比較合理，水資源開發(fā)利用處于健康狀態(tài)；森林覆蓋率和林木綠化率顯著增加，水土流失治理面積呈先增加后減少的趨勢，水土流失面積明顯減少，耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加；密云水庫水土資源耦合協(xié)調(diào)度保持平穩(wěn)，整體處于中級失調(diào)，土地資源開發(fā)利用已超過水資源承載能力，需引起高度重視，及時采取科學(xué)有效的水土資源保護措施。

雖然本研究分析了密云水庫水土資源在社會經(jīng)濟快速發(fā)展中的耦合協(xié)調(diào)狀況，但是缺少對水土資源驅(qū)動因素及其影響機制的深入研究，下一步應(yīng)綜合考慮水土資源的影響因子，并對水資源和土地資源的供需關(guān)系開展進一步研究，構(gòu)建更詳細、更全面的水土資源綜合評價指標體系，加強水土資源耦合協(xié)調(diào)研究的深度和廣度，為指導(dǎo)水土資源的科學(xué)合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐。

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［作者簡介］ 王磊（1993—），男，甘肅慶陽人，助理研究員，博士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染治理；通信作者安志裝（1969—），男，河南商丘人，研究員，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染治理。

［收稿日期］ 2022-06-01

（責(zé)任編輯李佳星）