基于DPSIRM模型的城市化進程與水安全耦合關系分析

王欣， 侯效靈， 侯保燈， 王麗川,， 黃亞， 王偉

(1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046； 2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038； 3.廣西大學，廣西 南寧 530004； 4.遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，洪澇災害、水質污染、水資源短缺等事件頻發，水安全問題已成為國內外研究熱點，與糧食安全、環境安全和生態安全緊密相連[1-2]。水安全是指健康的自然水資源存在于社會和經濟之間的良性互動，在不損害經濟或社會正常發展需求的前提下，以其自身的公正獨特實現水資源的合理分配和可持續發展[3]。研究城市化進程與區域水安全之間的關系對于控制不安全因素、緩解供水矛盾、進一步提高水資源利用率、促進經濟社會發展和水資源開發具有重要意義。

20世紀70年代PSR(壓力P、狀態S、響應R)模型首次被提出，并應用于分析環境壓力、現狀與響應之間的關系[4]。聯合國基于把PSR模型改進為DSR(驅動力D、狀態S、響應R)模型的基礎上，提出并開發了DPSIR(驅動力D、壓力P、狀態S、影響I、響應R)模型以代表資源或環境系統的概念與結構，而后便有學者出于決策者視角將“管理”應用于DPSIR模型，即DPSIRM(驅動力D、壓力P、狀態S、影響I、響應R、管理M)模型。孫曉蓉等[5]根據模型框架搭建了區域環境風險變化評價模型并對工業進程中突發性環境污染事件進行了評估；陳華偉等[6]基于DPSIRM概念將多元聯系數與馬爾科夫鏈隨機模型進行耦合，對東營市水生態安全進行了評價；更有學者將其與健康距離模型、遺傳算法和投影追蹤算法結合起來[7-8]，應用于各個領域，其實用性更為廣泛。

保定市位于水資源匱乏的華北地區，屬“資源性缺水”與“水質性缺水”并存地區[9]。隨著經濟社會的發展與城市化進程的加快，水資源的過度開發和利用、生態系統的退化與水污染的加劇，導致保定市水安全問題日益突出。當前，國內外學者將城市化進程與水安全問題主要歸結為水資源匱乏與水環境污染兩方面[10-11]。隨著中國城市化水平的不斷提高，大部分城市水資源供需矛盾日益突出，城市化進程與水安全之間存在著不可分割的關系。2017年4月1日，雄安新區設立，基于此背景，研究保定市的城市化進程與水安全評價，這對新區的水資源規劃、利用和管理具有重要的參考作用和現實意義[12]。

鑒于此，本文以保定市為研究區域(為保持數據的連續性，2017—2018年數據仍包括雄安新區雄縣、容城、安新3縣)，結合水資源特點與實際情況，參考并借鑒相關研究成果，構建基于DPSIRM概念模型的保定市城市化進程與水安全評價指標體系，利用T-C-D耦合協調度模型對保定市2005—2018年城市發展與水安全情況進行定量評價，以期為雄安新區建設背景下的保定市及其他類似城市的水資源規劃與管理提供參考依據和決策支持。

1 研究區概況

保定市位于河北省中部，是京津冀地區中心城市。地處太行山北部東麓、冀中平原西部，介于北緯38°10′～40°00′、東經113°40′～116°20′之間。地勢由西北向東南傾斜，占地面積22 190 km2(含雄縣、容城、安新3縣，下同)，其中山區面積10 988.1 km2，平原面積11 124.9 km2，分別占總面積的49.7%和50.3%。

保定市多年平均氣溫13.4 ℃，年平均降水量498.9 mm，年內降水分配不均，主要集中在6—8月，7月最多。保定市位于海河流域大清河水系的中上游，大清河水系流域面積4.3萬km2，白洋淀以上流域面積3.1萬km2。境內水系的最大特點是呈扇形分布，自成水系。保定市多年平均地表水資源量16.20億m3，地下水資源量22.23億m3，水資源總量29.78億m3，多年平均入境水量6.32億m3。市內主要有永定河、潴龍河、白溝河和南拒馬河等河流以及西大洋、王快、安格莊等水庫；市區東部有白溝河和南拒馬河大堤圍繞形成的蘭溝洼滯洪區，設計滯洪量2.0億m3，充分發揮滯洪作用，承擔白溝河、南拒馬河超標準洪水，如遇特枯年份等特殊情況時，作為調蓄池供雄安新區城市生態用水。享有“華北明珠”之譽的白洋淀位于西南一隅，更有引黃入冀補淀工程沿區域邊界向白洋淀生態補水、南水北調中線工程橫穿市區保障生活生產用水。

2 研究方法與數據處理

2.1 數據來源與處理

研究數據主要來源于《河北省水資源公報》《河北省統計年鑒》《保定經濟統計年鑒》和保定市供水網(http://www.bdwater.com)。部分缺失數據采用趨勢預測獲取。

由于收集的原始數據存在單位、大小不統一等問題，因此首先對數據進行標準化處理。指標的種類劃分為與城市化進程或水安全發展過程呈正相關關系的正向指標和呈負相關關系的負向指標。標準化公式如下：

對于正向性指標“+”，

x′ij=(xij-xminj)/(xmaxj-xminj)。

(1)

對于負向性指標“-”，

x′ij=(xmaxj-xij)/(xmaxj-xminj)。

(2)

式中：xmaxj和xminj分別代表j指標的最大值和最小值；xij為指標初始數據，x′ij為處理后的標準值。

2.2 指標體系構建

以DPSIRM模型概念框架為基礎，構建驅動力、壓力、狀態、影響、響應和管理6個子系統，如圖1所示。具體含義為：城市人口和經濟社會發展推動水資源變化，作為“D驅動力”子系統；由此帶來的水資源需求與壓力作為“P壓力”子系統；面對水資源供需所推動的經濟社會發展作為“S狀態”子系統；水資源與社會、自然、經濟之間的矛盾和效益作為“I影響”子系統；為了社會建設以及水資源與社會、自然、經濟之間矛盾的緩解，將水污染治理與水資源空間供需作為“R響應”子系統；通過政策發布來加強水資源的調控作為“M管理”子系統。

圖1 DPSIRM框架模型

根據河北省保定市的水資源特點和利用狀況，以城市化發展現實情況為基礎，以合理性、代表性與科學性為原則，將城市化進程作為評價指標的目標層，下設人口城市化、經濟城市化、空間城市化與社會城市化4個要素層[13]。由于水安全問題涉及面較廣，且各指標體系應該具有一定的層次結構。為了與2000年3月在荷蘭海牙召開的世界部長級會議上提出的21世紀水安全所面臨的挑戰相整合[14]，以水量、水質與水價作為評價指標的要素層建立水安全指標體系。

2.3 指標權重確定

主觀賦值法雖然操作簡單、計算便捷，但是受外在因素的影響，科學嚴謹程度薄弱[15-16]。為避免某種程度上由主觀因素引起的偏差，本文采用改進后的熵值法，可避免因相互間微小差別就可能引起不同指標的熵權間成倍數變化的問題。各個指標層權重的詳細算法見參考文獻[17]。權重計算結果見表1。

表1 城市化進程與水安全評價指標及其權重

續表

2.4 T-C-D耦合協調度模型

耦合是指多個事物之間相互影響與作用的現象，城市化進程與水安全之間正是這種關系。為了更加清晰地表征二者是在高水平上相互促進還是在低水平上相互制約，本文選取T-C-D耦合協調度模型進行評價，具體步驟如下。

根據指標權重計算兩系統的逐年綜合評價指數：

(3)

式中：u為綜合評價指數；wj1為第j個指標權重值；n為年份。

計算城市化進程與水安全整體綜合評價指數T：

T=αu1+βu2。

(4)

式中：α與β均取0.5；u1與u2分別為城市化進程與水安全綜合評價指數。

基于二者差異系數越小、系統關系越協調這一原則，確定耦合度公式為：

(5)

式中：C為耦合度；k為調節系數，k≥2，本文取k=2。

耦合度C僅反映二者相互作用程度，因此還需計算二者耦合協調度：

(6)

其中D為耦合協調度，0≤D≤1。

將兩系統耦合協調等級進行劃分并分類[18]，結果見表2和表3。

表2 城市化進程與水安全耦合協調發展類型劃分

表3 城市化進程與水安全耦合協調度等級劃分

3 結果與分析

3.1 城市化進程發展過程分析

我國學者基于諾瑟姆提出的城市化進程軌跡S型曲線理論進行數學模型推導，提出城市化進程一般分為緩慢、加速、減速、成熟4個階段[13]。根據《保定經濟統計年鑒》數據顯示，以城鎮人口占比作為劃分標準時，保定市城市化進程分為兩個主要階段，如圖2所示。由圖2可以看出：2005—2016年,城市化率由31.83%增至49.03%，為加速發展階段；2017—2018年,城市化率由50.88%增至53.49%，為減速發展階段。

圖2 保定市城鎮人口占比情況

下面從表現城市化進程特征的4個要素進行分析，并作出趨勢分析圖，如圖3所示。

1)人口城市化(圖3(a))：加速發展階段，城鎮化率大幅增加，近10年增加了17.2%，人口密度由于計劃生育的普及有所下降；減速發展階段，人口密度相對于加速發展階段的偏低，城鎮人口占比呈上升趨勢。

2)經濟城市化(圖3(b))：加速發展階段，2016年的人均GDP為2005年的2.9倍，經濟城市化水平極大提升；雖然城市化進程處于減速發展階段，但保定市經濟水平仍然處于增長態勢，2018年的人均GDP較上年提高了5.8%，這與人民經濟生活水平提高和政府不斷改善投資結構密不可分。

3)空間城市化(圖3(c))：加速發展階段，人均道路面積由11.46 m2增加至20.24 m2，增加了76.6%；減速發展階段，銷售住宅面積較加速發展階段出現小幅下降，但整體呈增長態勢。

4)社會城市化(圖3(d))：加速發展階段，截至2016年底，保定市學校、醫院服務數量分別同比增長37.16%和50.87%，整體保持高速發展態勢；減速發展階段，2017年開始，學校、醫院服務數量增加的速率也較加速發展階段的偏大，社會受教育與醫療程度得到了很大提升。

圖3 保定市城市化進程特征曲線

3.2 城市化不同發展階段水安全發展過程分析

2005—2018年保定市城市化進程與水安全耦合協調度見表4，據表4結果分析得出：2005—2018年保定市水安全特征整體呈現上升趨勢，尤其在2017—2018年增勢迅猛，這與南水北調中線工程的建設以及政府加快推進水環境治理密不可分。南水北調中線工程有效保障了人民生活用水，地下水水位埋深也逐步恢復。

表4 2005—2018年保定市城市化進程與水安全耦合協調度

為進一步觀察保定市城市化進程與水安全的相互關系，本文以城市化進程的不同階段為時間序列，分析保定市水安全發展特征，結果如圖4所示。

1)水量指標特征(圖4(a))：城市化加速發展階段，人口高度集中，生活用水量大幅增加，圖像呈“幾”字型，主要是因為社會快速發展，隨后節水器具的普及使得生活用水量進入平穩狀態，耗水率在73%上下波動，變幅不明顯，未圖示；城市化減速發展階段，2018年人均水資源量降至185 m3，在注重人水合一、打造環境景觀的時代背景下，生態用水量增勢迅猛，比2016年提高了2.3倍。

2)水質指標特征(圖4(b))：城市化加速發展階段，優良水質占比從2005年便開始提升并維持在70%左右，后期仍處于穩定階段；城市化減速發展階段，由于城市經濟發展，大規模的工業廢水排放與農藥的使用，使優良水質占比有下降趨勢。經過有關部門治理，優良水質占比回升至80%，且南水北調中線供水水質優良，優良水質占比有繼續增長趨勢。

3)水價指標特征(圖4(c))：無論是城市化加速發展階段，還是減速發展階段，水價均呈現上升趨勢。到戶水價逐年上升，但水資源費(稅)與污水處理費均為階段性上升，穩步一段時間后再繼續增加。水價上漲的主要原因是水資源管理費與污水處理費的上漲。

2005—2016年城市化加速發展階段，保定市水安全發展的主要特征為用水量逐年增加，人均水資源量呈波浪形上下浮動，污水處理回用量明顯增加；2017—2018年城市化減速發展階段，保定市供水行業已完全成熟，更加注重生態建設，水價小幅提升。

圖4 保定市水安全發展歷程特征曲線

3.3 耦合協調態勢分析

根據公式(3)—(6)，計算耦合協調態勢，結果見表4，并對所得圖像進行擬合。保定市水安全與城市化進程子系統耦合態勢如圖5所示。

圖5 2005—2018年保定市水安全與城市化進程子系統耦合協調態勢

由圖5可以看出，保定市水安全與城市化進程經濟子系統擬合程度最高。經濟發展直接影響供水管道的使用以及水廠工藝的升級與優化。而改善水質和優化水價也與城市結構的變化和居民生活的質量息息相關。因此，科學調控城市化進程與水安全水平，可使保定的城市化進程與水安全保持可持續發展的協調態勢。

保定市城市化進程與水安全擬合程度如圖6所示，由圖6可知：保定市2005—2018年，城市化進程與水安全相關系數為0.928 7，總體耦合效果良好；2005—2007年基本處于嚴重失調發展城市化進程滯后階段，此階段城市化進程與水安全呈相互脅迫作用；2008—2017年處于由中度失調發展城市化進程滯后階段轉向瀕臨失調發展水安全滯后階段，此階段注重城市經濟發展，忽略了水污染等問題，對水安全已呈現脅迫作用；2018年處于勉強協調發展水安全滯后階段，在此階段保定市經歷了城市化進程由加速發展階段向減速發展階段的轉化，但水安全滯后發展仍不容樂觀。這一結論與代倩倩等[19]在河北省水資源安全評價中得出的結果一致。

總體來看，2005—2018年保定市城市化進程與水安全耦合協調發展處于中度失調轉向勉強協調發展態勢，總體呈現逐漸改善的狀態。

圖6 2005—2018年保定市城市化進程與水安全耦合協調發展態勢

4 結論

本文以河北省保定市為例，選擇較近的時間序列2005—2018年，研究保定市城市化進程與水安全的耦合關系，主要結論如下：

1)基于DPSIRM模型構建包含驅動力、壓力、狀態、影響、響應和管理6個子系統的指標評價體系，采用T-C-D耦合協調度模型，定量評價了保定市城市化進程與水安全系統的耦合程度，其研究成果與有關學者在河北省水環境安全及其評價體系研究中得出的結果一致。結果顯示，保定市城市化進程與水安全系統的耦合程度均由失調發展轉向協調發展，證明DPSIRM模型在該區域實用性較強。

2)保定市2005—2016年為城市化加速發展階段，2017—2018年為城市化減速發展階段。水安全系統整體呈上升趨勢，且在城市化減速發展階段增勢迅猛。保定市水安全與城市化進程的經濟子系統耦合程度最高，其次為空間、社會及人口子系統。

3)城市化進程與水安全總體耦合效果良好，皆在2005—2016年穩步發展，2017—2018年趨于穩步發展，二者之間存在緊密聯系?？傮w來看，保定市由中度失調發展狀態轉向勉強協調發展狀態，但多數階段處于失調狀態，情況不容樂觀。