1、研究背景

水资源是制约区域经济与社会发展的重要因素,其本底条件和开发强度是地区自然资源承载力的重要组成部分之一。如何在保障经济与社会稳定发展的前提下不破坏水环境、不过多消耗水资源,是很多学者一直关心的问题。这些研究大多聚焦于区域协调发展问题[1]、流域水资源保护问题[2]以及水资源承载力问题等[3]。关伟利用水资源-生态环境-经济社会耦合模型,分析了辽宁省水资源可持续利用与经济社会协调发展的潜力[4]。吴业鹏等人使用距离协调度方法,对新疆水资源与经济社会协调发展度进行了定量分析[5]。左其亭等人构建了水资源-经济社会和谐平衡模型,并将其用于分析计算河南省的水资源-经济-社会的和谐平衡状态[6]。

长期以来,京津冀地区缺水,需外界生态补水,水资源制约着该区域经济社会的发展。因此,本文以2007～2016年京津冀三地的水资源数据以及经济、社会发展的统计数据为基础,建立了水资源-经济-社会协调度分析模型,用于分析京津冀地区水资源与经济、社会子系统之间的耦合协调关系,揭示各子系统、综合系统的时空演化特征。分析结果对促进京津冀协同发展将具有现实意义与理论价值。

2、研究区概况

京津冀地区处于华北平原北部,包括北京市、天津市以及河北省。北靠燕山山脉,南面华北平原,西倚太行山,东临渤海湾;西北和北面地形较高,南面和东面地形较为平坦,总体以平原地貌为主。京津冀地区是我国北方经济重要的核心区,2017年地区总人口1.12亿,地区生产总值为80580.41亿元,占全国生产总值的9.82%。

地区水资源环境严重超载,区域水资源总量为181.15亿m3,人均水资源量仅为全国平均水平的1/9[7],水资源量长期短缺,水污染严重。2000年以来,大部分年份水资源开发利用强度超过了100%,远超国际通用的水资源开发利用安全界限。全年存在断流现象的河流比例约为70%。永定河、潮白河等主要河渠存在着全年断流的现象。京津冀三地13个地级及以上城市汛期均有干涸河道分布,保定、张家口等地干涸河道长度均超过了300km。白洋淀、七里海等湿地萎缩,长期依靠生态补水维持[7]。水资源短缺、水生态恶化、水污染严重等突出问题,已严重制约该地区经济社会可持续发展。随着京津冀协同发展战略的深入实施,以及雄安新区进入大规模实质性开工阶段,社会、经济的协调发展对京津冀地区水资源的合理开发利用提出了更高的要求。

3、研究方法

3.1指标体系构建

水资源、经济与社会系统相互作用交互耦合,构成一个复合系统。为了构建水资源协调度分析模型,参考了相关文献构建指标体系的方法,比如双系统耦合度[8,9,10]、三系统耦合度[11,12,13]以及耦合度时空分析等[14,15],依照科学性、有代表性、可获得性等原则,分别从水资源条件、水资源利用效率两个方面选取了7个指标来构建水资源评价体系,从经济实力、经济结构两个方面选取了7个指标来构建经济系统评价体系,从社会生活水平、社会人口个两方面选取了8个指标来构建社会系统评价体系。由系统层-子系统层-准则层-指标层共同构建了京津冀地区水资源协调度综合评价指标体系(见表1)。

3.2数据来源与指标权重计算

京津冀地区的水资源、经济发展、社会发展各数据来源于历年《北京统计年鉴》《天津统计年鉴》《河北经济年鉴》《天津市水资源公报》以及《河北省水资源公报》等。经济数据采用1978年可比价计算。各指标数据的量级与量纲不同,评价正负取向有差异,为了消除这些对结果的可能影响,采用极差标准化对原始数据进行处理。

公式(1)用于计算正向指标,公式(2)用于计算逆向指标。上述各式中,xij为原始数据,表示第j项指标下的第i个样本,x∗ijij*为标准化后的数据,取值范围在0～1之间。

为了保证指标权重计算的科学性,分别使用层次分析法(AHP)[16]与熵值法[17,18]来确定指标的权重,之后使用以下公式来计算指标的最终权重[9,19,20]:

式中,λj为各指标的最终权重,Vj为采用熵值法计算的权重,Wj为使用层次分析法计算的权重。最终结果如表1所示。

水资源、经济、社会子系统的综合评价分数计算方式均利用线性加权方法,公式如下:

式中,U为水资源、经济、社会子系统之一的得分,λj同式(3)。

3.3耦合度与耦合协调度借鉴电子学中耦合的概念以及电路耦合系数计算模型[21,22,23],来计算水资源-经济-社会系统之间相互作用的耦合度。综合其他学者计算耦合度公式的方法[24,25],选取了以下公式来计算耦合度:

式中,C为系统耦合度,Uw、Ue、Us分别为水资源、经济、社会子系统的综合评分,C表示各子系统之间相互作用的强弱,可以证明公式(5)中C的取值介于0和1之间,因此不需额外乘以系数。该公式计算方便,且符合三系统耦合的定义。根据之前文献的划分方法,可将耦合度划分为4个阶段:①0<C≤0.3为低水平耦合;②0.3<C≤0.5为系统颉颃阶段;③0.5<C≤0.8为系统磨合阶段;④0.8<C≤1.0为高水平耦合阶段。

T为系统的综合评分,如公式(6)所示,α、β、γ表示权重。这里认为3个子系统同等重要,因此将权重设定为1/3。理论上,T值最大可等于1,T值越大,说明系统综合发展水平越高。

为了更好地描述子系统间的耦合协调度,构建了耦合协调度模型,其中,C、T含义与前文相同。0≤D≤1,D值越大,表明系统的协调发展程度越高。选取以下区间来将耦合协调度划分为4个阶段:①0<D≤0.4为低度协调阶段;②0.4<D≤0.6为中度协调阶段;③0.6<D≤0.8为高度协调阶段;④0.8<D≤1.0为极度协调阶段。

表1京津冀水资源–经济–社会复合系统协调度评价指标体系

4、协调度结果分析

4.1系统发展水平分析

4.1.1京津冀水资源子系统发展水平分析

2007～2016年,三地的水资源子系统发展水平均呈增长趋势,见图1(a)。北京市的水资源水平从2007年的0.2864增长至2016年的0.5743,年均增长8.04%。天津市的水资源水平从2007年的0.1483增长至2016年的0.3616,年均增长10.41%。河北省的水资源水平从2007年的0.2643增长至2016年的0.4641,年均增长6.46%。总体来看,北京市的水资源发展水平最高,天津市的最低,北京、天津市的水资源发展水平在2013年出现了小幅下降。河北省的水资源水平在2007～2013年保持增长的趋势,2013年大幅下降后在2013～2016年呈现“U”型发展的趋势。

北京市的水资源总量短缺,全年供水量大于水资源总量,南水北调工程基本上解决了中心城区市民的生活用水问题;用水效率高,其中万元GDP水耗低,生态环境用水、污水处理回用量占用水比例均较高。天津市的水资源条件较差,用水量同样依靠外调水,水资源总量、人均水资源量与全年供水总量均较低,从而导致水资源子系统发展水平不高。其中,2016年全年供水总量约为北京市供水总量的70%,河北省供水总量的15%,人均水资源量也不及北京市和河北省两地;在水资源开发程度方面,万元GDP耗水量、生态环境用水量与污水处理回用量占用水比例均低于北京市,因此,在总体上拉低了天津市的水资源子系统得分。河北省的水资源条件虽然相对丰富,但用水效率低,万元GDP耗水量高,污水处理回用量低,因此整体发展水平低于北京市、高于天津市。

4.1.2京津冀经济子系统发展水平分析

2007～2016年,京津冀三地的经济子系统发展水平均有较大程度提高,见图1(b)。北京市的经济发展水平从2007年的0.3367增长到2016年的0.7623,年均增长9.5%;天津市的经济发展水平从2007年的0.1767增长到了2016年的0.7225,年均增长16.94%;河北省的经济发展水平从2007年的0.0743增长到了2016年的0.5429,年均增长24.73%。

北京市作为我国的首都,经济实力与经济结构均处于全国领先地位,2016年,人均GDP达到了12.9万元/人,产业结构以第三产业为主。河北省在10a间发展速度最快,但经济实力与经济结构均相对落后,人均GDP只有北京市的1/3,产业结构以第二产业为主。

天津市的经济发展水平在2007～2013年发展迅速,2013年与北京市的经济发展水平相当,2013～2016年增长速度放缓,但10a间平均增长率较高,建成区经济密度较高。

图12007～2016年京津冀水资源-经济-社会系统发展水平变化过程

4.1.3京津冀社会子系统发展水平分析

2007～2016年,京津冀三地的社会子系统发展水平均呈增长的趋势,见图1(c)。北京市的社会发展水平从2007年的0.6471增长到2016年的0.9993,年均增长4.95%;天津市的社会发展水平从2007年的0.4605增长到2016年的0.7630,年均增长5.77%;河北省的社会发展水平从2007年的0.0599增长到2016年的0.4030,年均增长23.59%。

北京市的社会发展水平基础较好,社会生活水平与社会人口发展水平处于领先地位。城镇与农村居民可支配收入、医疗水平、消费结构等指标数据稳步提升,大部分常住人口从事非农产业。天津市的社会发展水平在2008年有短暂下降,由于人口增加导致了医疗水平暂时跟不上社会发展水平的需要,消费中的非食物性支出在总体比例中上升;2009～2016年均保持上升态势。河北省的社会发展水平整体较低,无论是社会生活水平还是社会人口,但10a间发展速度较快,其中2013年有较大提升。

4.1.4水资源-经济-社会系统综合发展水平分析

整体来看,水资源-经济-社会系统综合发展水平由高到低依次为北京市、天津市、河北省的特征,见图1(d),10a间,京津冀三地的系统综合发展水平均得到了显著提高。分区域来看(见图2),北京、天津市的经济和社会发展水平高于水资源子系统发展水平,2007年时,水资源与经济子系统发展水平相差无几,然而,到了2016年年底经济发展水平远高于水资源系统。其中,北京市的社会子系统较发达,天津市在经过10a的发展后,经济发展追上了社会发展的步伐。2013年之前,河北省的水资源发展水平高于经济与社会发展水平,而之后,经济得到了大力发展,水资源发展水平有所下降,社会子系统依然较落后。

4.2耦合度与耦合协调度结果分析

对京津冀三地的水资源与经济社会耦合协调度的研究结果表明:耦合度均高于耦合协调度,说明水资源系统对经济和社会系统三者之间存在着相互影响和作用的关系,但是没有达到最优的协调性和相互促进发展的效果。

按时间序列,可以将耦合度水平划分为以下3个阶段,见图3(a)。

(1)2007～2009年,北京市和天津市的耦合度水平高于河北省,除2007年河北省处于磨合耦合阶段以外,京津冀地区均达到了高水平耦合,其中,河北省在2009年的耦合值有较大提高。

(2)2010～2012年,河北省的耦合值超过了天津市,接近北京市的水平。

(3)2013～2016年,河北省的耦合值超过了北京市和天津市,处于最高阶段,而天津市的耦合度水平在三地中位于最低值。经分析,天津市的水资源系统发展水平较低是造成这种结果的主要原因。

在耦合协调度方面,天津市、河北省分别在2011年和2014年达到了高度协调,见图3(b)。北京市一直处于高度协调阶段,且在2014年达到了极度协调状态。河北省在2003～2004年仍处于低度协调阶段,经过2009～2012年的中度协调阶段后,达到了高度协调。

将耦合度-耦合协调度分空间、时间来看,北京市在2007～2013年处于高水平-高度协调,2014～2016年达到了高水平-极度协调。说明北京市的水资源-经济-社会系统相对有序,已经达到了协调发展状态。

图22007～2016年分省、市水资源-经济-社会系统发展水平变化过程

图32007～2016年京津冀水资源-经济-社会系统发展耦合度与耦合协调度变化过程

天津市在2007～2010年位于高水平-中度协调状态,2011～2016年达到了高水平-高度协调,但是天津市的水资源是短板,子系统间的耦合度经过波动趋于更加有序的状态。

河北省的发展过程曲折,本底条件较差。2007年为磨合-低度协调状态,2008年处于高水平-低度协调状态,2009～2012年达到了高水平-中度协调状态,2013～2016年,则为高水平-高度协调状态。说明河北省的水资源与经济社会的耦合度与耦合协调度的发展潜力巨大,经济、社会系统的水资源仍有很大的发展空间。

5、结论

在建立京津冀三地区的水资源-经济-社会协调度综合评价体系的基础上,构建了耦合度、耦合协调度等指标,用于分析3个子系统之间的联系。通过分析,可以得出以下主要结论。

(1)京津冀地区的水资源-经济-社会系统发展水平整体呈现为上升的趋势。区域内部存在着分化现象,综合发展水平由高到低依次为北京市、天津市、河北省。水资源是京津冀地区发展的短板,掣肘该区域的经济社会发展,天津市尤为明显。河北省的经济、社会发展水平落后于北京市和天津市两地。河北省的水资源相对丰富,但2013年之后落后于经济发展的步伐。

(2)京津冀三地耦合度均高于耦合协调度,表明水资源系统对经济和社会系统三者之间存在着相互影响和相互作用的关系,但是没有达到最优的协调性和相互促进发展的效果。10a间,耦合度与耦合协调度朝向越来越和谐的状态发展,2016年,天津市和河北省达到了高水平-高度协调状态,北京市达到了高水平-极度协调状态。整体而言,水资源-经济-社会系统水平朝向愈加协调的方向发展。

(3)京津冀三地是北方重要的经济核心区,水资源匮乏,为此,采取了南水北调、水资源保护等一系列的措施来保障该区域的经济社会发展。今后应加快京津冀三地协同发展的进程,在水资源方面,根据水资源总量和整体分布情况进行统一配置,合理确定水资源开发强度,统筹安排使用水资源保护经费;优先保障生态用水,建立生态保护体系,抓源头、重洼地、保涵养,实现京津冀地区流域生态体系的完整性。

疏解北京市的非首都功能,促进人口空间流动、产业空间变迁是优化京津冀三地城市群空间的关键力量。通过构建与连通大型交通枢纽,引导生产型和生活型服务业集重新布局。以雄安新区建设为契机,打造新的经济增长极;探索教育、医疗等社会公共服务共享模式,提高相对落后地区的人民生活水平,实现乡村振兴、京津冀都市圈建设等一系列历史任务,最终实现水资源-经济-社会的可持续发展。

参考文献:

[1]王亚迪.区域水资源与经济社会均衡发展及市场机制研究[D].郑州:郑州大学,2017.

[2]史安娜,陆添添,冯楚建.长江经济带社会经济发展与水资源保护水平研究[J].河海大学学报(哲学社会科学版),2017,19(1):24-28,89.

[3]肖杰,郑国璋,郭鹏军,等.基于主成分分析的关中-天水经济区水资源承载力评价[J].中国农业资源与区划,2018,39(7):159-167.

[4]关伟.区域水资源与经济社会耦合系统可持续发展的量化分析[J].地理研究,2007,26(4):685-692.

[5]吴业鹏,袁汝华.丝绸之路经济带背景下新疆水资源与经济社会协调性评价[J].水资源保护,2016,32(4):60-66.

[6]左其亭,赵衡,马军霞.水资源与经济社会和谐平衡研究[J].水利学报,2014,45(7):785-792,800.

[7]生态环境部.全国生态状况变化(2010-2015年)遥感调查评估报告[R].北京:生态环境部,2018.

[8]马海良,李珊珊.京津冀城镇化与水资源系统的发展与协调性研究[J].当代经济管理,2019,39(9):61-67.

[9]夏富强,唐宏,杨德刚,等.干旱区典型绿洲城市发展与水资源潜力协调度分析[J].生态学报,2013,33(18):5883-5892.

[10]王会芝,牛桂敏.天津市城市化发展与生态环境的耦合协调度评价[J].城市环境与城市生态,2015,28(3):25-28.

[11]王大本.基于WSR-熵值-耦合方法的区域水资源资源承载力研究:以京津冀地区为例[J].河北工业大学学报(社会科学版),2018,10(10):1-8.

[12]刘杨,戚国强,卢静.水资源-经济-社会复合系统协调度研究[J].人民黄河,2018,40(10):51-56.

[13]倪维秋.中国三大城市群城市土地利用经济、社会、生态效益的耦合协调性及其空间格局[J].城市发展研究,2016,23(12):69-77.

[14]张凤太,苏维词.水资源与经济社会系统耦合协调时空分异研究:以贵州省为例[J].人民长江,2016,40(10):25-30.

[15]王会芝.京津冀城市群经济社会与生态环境协调发展研究[J].经济与管理,2017,31(5):22-26.

[16]徐建华.高等教育出版社[M].北京:高等教育出版社,2002:224-250.

[17]马艳梅,吴玉鸣,吴柏钧.长三角地区城镇化可持续发展综合评价:基于熵值法和象限图法[J].经济地理,2015,35(6):45-53.

[18]陈明星,陆大道,张华.中国城市化水平的综合测度及其动力因子分析[J].地理学报,2009,64(4):387-398.

[19]方创琳.科学出版社[M].北京:科学出版社,2000.

[20]方创琳,毛汉英.区域发展规划指标体系建立方法探讨[J].地理学报,1999,54(5):410-419.

[21]姜磊,柏玲,吴玉鸣.中国省域经济、资源与环境协调分析:兼论三系统耦合公式及其扩展形式[J].自然资源学报,2017,32(5):788-799.

[22]吴玉鸣,张燕.中国区域经济增长与环境的耦合协调发展研究[J].资源科学,2008,30(1):25-30.

[23]刘耀彬,李仁东,宋学锋.中国城市化与生态环境耦合度分析[J].自然资源学报,2005,20(1):105-112.

[24]刘法威,许恒周,王姝.人口—土地—经济城镇化的时空耦合协调性分析:基于中国省际面板数据的实证研究[J].城市发展研究,2014,21(8):7-11.

[25]马丽,金凤君,刘毅.中国经济与环境污染耦合度格局及工业结构解析[J].地理学报,2012,67(10):1299-1307.

常烃,贾玉成.京津冀水资源与经济社会协调度分析[J].人民长江,2020,51(02):91-96.

基金：天津社会科学院青年课题项目“资源环境承载力对区域经济的空间分异影响分析”(19YQN-01);天津社会科学院重点研究课题项目“环境治理多元化体系:理论框架与实现机制”(18YZD-08);天津社会科学院重点委托课题项目“天津农村人居环境整治问题研究”(18YWT-11).