王成軍,趙 丹,王秉琦,馮 濤,張 煒,董明放
(1.西安建筑科技大學 管理學院,陜西 西安 710055;2.陜西省地質調查院,陜西 西安 710054)
水作為生命賴以生存的物質資源,與人類生活、自然生態息息相關.隨著可持續發展理念的提出,水環境作為評價可持續發展的重要內容,因為受到人類社會環境的干擾,存在安全、污染、資源短缺等問題,學者們對于水環境的相關研究有著必要的理論和應用價值.首先在研究內容方面,學者們在水環境承載力[1],水環境治理,水環境安全[2],脆弱性評價[3]等方面進行了研究,也有部分學者就水環境與城鎮化[4]、社會經濟[5]、旅游活動[6]等進行了系統與系統之間的耦合研究.在研究空間上,學者們從省域[7]、區域[8]、流域[9]以及自然生態區[10]等不同空間層次展開探索.在研究方法上,通過構建指標體系,采用包括熵權模糊綜合模型[11]、云模型[12]、主成分分析[13]、層次分析法[14]等不同方法進行測算.在構建評價指標方面,王英剛等[15]構建的指標體系不僅包括了水資源相關,還包括了社會經濟和水污染控制相關;鄭博福[16]構建了融合水資源、水環境、水生態、土地生態服務功能等4個維度的水環境承載力評估體系;曹文平[17]從壓力-狀態-響應即PSR三個維度進行了指標構建;萬生新等[18]則采用DPSIR即驅動力-壓力-狀態-影響-響應進行了指標構建,從而對水生態進行安全評價.
縱觀現有水環境的研究成果較多,但大都與其他系統進行了耦合,例如與城市化、社會、經濟等系統耦合,較為單一;研究空間上不同層次均有涉獵,但對市域尺度下的耦合協調發展研究相對欠缺;方法模型各有優劣,對于指標體系的構建則難以形成統一標準.因此,本文的研究意在解決四個關鍵問題:一是關于評價指標體系的構建研究;二是評價方法及模型的選擇研究;三是對樣本即市域尺度下陜西省的10個地級市展開實例研究;四是對協調發展狀態的影響因素研究.
基于前人研究成果,借助DPSIR模型篩選相關指標因子,構建適用于測度陜西水環境協調發展指標體系,歸一化矩陣,并采用熵值法來確定指標權重矩陣.通過綜合評價法求得各子系統評價值,運用耦合協調模型計算耦合度、耦合協調度,判斷陜西省水環境的協調程度,并采用Arcgis軟件繪制時空格局圖,進行時空演化分析,最后探究水環境協調的影響因素.
陜西省位于中國中部,地跨黃河、長江兩大流域,總面積20.56萬m2.長江流域占全省面積35.2%,黃河流域占全省面積64.8%.地理位置上分為陜北、陜南和關中三大區域,包括十大地級市,其中陜北(陜北高原)包括延安市和榆林市,陜南(秦巴山地)包括商洛、安康和漢中,關中(關中平原)包括銅川、渭南、咸陽、寶雞、西安,以及兩個縣級市.本文基于數據可獲取性,剔除興平、華陰、韓城這幾個縣級市,以陜西省的10個地級市為研究對象,分別是西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南、延安、漢中、榆林、安康和商洛.
DPSIR理論源于1993年,由PSR理論與DSR理論擴展而來.為全面反映水環境的系統內影響,本文采用該理論,主要包括5個模塊,D代表驅動力,P表示壓力、S狀態、I影響、R響應.DPSIR理論框架如圖1所示,其中,驅動力子系統產生壓力,并對其他子系統產生影響,壓力與狀態子系統互為反哺和惡化關系,狀態響應互為改善,響應緩解壓力并激勵影響子系統,影響子系統補償響應子系統,五個要素之間互相影響,互為反饋.
圖1 DPSIR理論框架
驅動力子系統主要為社會經濟指標,對水環境無直接的影響,但存在間接的影響,來源于人口和經濟指標,包括X1人口自然增長率、X2人均GDP、X3第二產業占 GDP比重和X4地方財政一般預算收入.壓力子系統指對水環境整體造成壓力的指標,包括4項負效應指標即X5工業用水占比、X6萬元GDP用水量、X7工業廢水排放總量和X8地表水劣V類水體比例.狀態子系統代表水資源的狀態和水質狀態等,因此,指標選取X9產水模數、X10水土流失面積、X11總耗水量和X12農田灌溉畝均用水量,后三項為逆向指標.影響子系統是指水環境受到的影響,包括X13濕地保護率、X14地表水水質優良比例、X15降水量,前述子系統的改變而引發的影響.響應子系統指人們為了改善治理水環境而做出的努力,包括了X16治理水土保持面積、X17廢水治理設施運行費用、X18城市生活污水處理率和X19生態環境用水比重.指標體系如表1所示.
表1 陜西省水環境DPSIR系統指標體系
評價指標原始數據主要來源于2004年到2020年的《陜西省統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》和《水資源公報》,并參考各地級市統計局數據進行補充,部分指標值通過二次計算得到.由于統計年鑒中人均生產總值2004年以前按照戶籍人口計算,2005年以后按照常住人口計算,為避免結果的誤差性,最終選擇采用2004-2019年的數據,初步構建原始數據表.
由于統計年鑒不同年份數據字段不同,在收集數據時存在缺失值,為彌補信息缺失,需進行缺失值處理,本文參考龐新生[19]做法,采用多重插補缺失值.在軟件的選擇上,使用了SPSS 22軟件,并對插補全的數據進行了標準化處理,基于標準化處理后的數據進行后續的計算模擬分析.評價指標及權重見表1.
指標確權的方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法,熵值法作為一種客觀賦權方法來說,相比較主觀賦權法能夠消除主觀因素的影響,相比較其他客觀賦權法計算快速準確.傳統的熵值法計算存在不同年份的數據之間不可比的情況,本文采用改進后的熵值法,能夠有效避免該問題,即將所有年份的指標同時進行計算,具體操作計算步驟如下:
(1)
i=1,2,…,m;j=1,2,…,n
第二步信息熵和效用值計算
(2)
(3)
gj=1-ej
(4)
第三步權重計算
(5)
第四步樣本的綜合指數計算
(6)
Yk是第i年的綜合指數,要想得到歷年該城市的綜合評價值,本文采用時間加權法進行計算,設wt為時間加權系數,則這個城市在該時間內各個系統的總體綜合評價值為
Y總=wt×Yk
(7)
(8)
Y總即評價城市的歷年加總后的綜合評價指數,該值越大說明城市發展水平越高,越高越好.
為定量計算u1,u2兩個不同系統之間的相互作用強度,本文參考王成[20]、邢霞[21]、張文愛的做法[22],借鑒物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數模型,則多個系統相互作用耦合度模型為
(9)
計算出來的結果Cn越大,則表明n個系統之間的耦合強度越大,相互作用越強烈.本文的指標體系為5個系統,即n=5.
耦合度C值表示了不同系統之間的耦合強弱程度,但不能夠反映兩者之間的相互作用程度,當兩個系統的分值都很高或者都很低的時候,計算出來的耦合度也會很高,那由此得出的結論也不確切. 因此,需要對該模型進行進一步的改進,使模型不僅能夠反映系統之間的協調程度,還能夠體現出協調水平的高低. 改進的耦合協調模型為:
(10)
T=au1+bu2+cu3+du4+eu5
(11)
式中,D為耦合協調度;C為耦合度;T為社會和生態系統的綜合發展指數,反映二者的整體效益水平;a、b、c、d、e為待定參數,且滿足a+b+c+d+e=1,本文認為社會與生態系統同樣重要,假設a=b=c=d=e.耦合協調度D值越大,系統協調發展水平越高.
耦合協調度D值介于0~1之間,該值越大說明系統間協調程度越高;反之,則越低.對0~1之間的耦合協調度進行等級劃分,耦合協調度等級及對應的協調程度劃分標準如下表所示:
表2 耦合協調度等級劃分標準
為進一步直觀地體現陜西省水環境協調發展情況,按照時間加權公式將2004年到2019年的數據進行綜合計算,分別計算陜西省的綜合發展指數、耦合度、耦合協調度,利用ArcGIS10.2軟件制作空間分布圖,由圖2可知,陜西省水環境的綜合評價值從0.16上升到0.22,呈上升趨勢,耦合度從0.65到0.79,協調耦合度則由0.51的勉強協調達到2019年的0.7也即中級協調,整體均呈現上升趨勢,且整體高耦合中度協調,穩中有進,態勢良好.全省總體維持在0.05~0.3的區間內,全省的水環境在過去16年間整體達到勉強協調程度以上狀態,從2004年到2019年,16年間跨越了3個階段,驅動力-壓力-狀態-影響-響應各子系統之間也高度耦合,在2011年達到峰值最高耦合度達到0.841,后面下降并趨于穩定.
圖2 2004—2019陜西省水環境DPSIR系統耦合度、協調度與綜合評價值時序變化
分析模型計算結果,在2012年各市均處于一個波谷,究其原因是各市的響應子系統均有不同程度的降低,尤其銅川在這一年的響應子系統得分降低了80%;西安市則在2010年達到峰值0.256 3,源于響應子系統的增加值;榆林市和延安市2011年的綜合評價值急速增加也同理.
如表3所示,該數據反映了2004—2019年的協調耦合程度的時間序列變化,局部較波動,整體呈上升趨勢,但個別存在回落狀況,然后再趨于穩定.分析各市的協調耦合度榆林市最高,協調程度從瀕臨失調到良好協調,從最初的0.451到0.825,跨越了5個階段;銅川市協調程度最弱,雖有波動但整體仍然維持在瀕臨失調,在2011年達到了最高初級協調.僅有榆林市和寶雞市在2019年達到了良好協調,表明了該時水環境的協調狀況優于其他各市.
表3 2004-2009各市耦合協調程度
3.2.1 陜西省水環境整體時空格局
通過ArcGIS 10.2軟件繪制如圖5所示的陜西省綜合發展指數(左)、耦合度(中)、耦合協調度(右)時空格局圖.從綜合評價值來看,陜西基本上分為兩個區域,一個區域綜合評價值較高在0.2~0.25區間,包括除了渭南以外的關中地區和漢中、商洛,另一個區域的綜合評級在0.15~0.2之間,包括陜北地區及渭南、安康市.從耦合度來看,則較為分散,西安市的耦合度最低,居于中間,延安市耦合度最高.從協調耦合度來看,同耦合度的分布類似.整體來看,西安市作為陜西省會城市,其水環境協調發展程度與其經濟發展程度不成正比.
3.2.2 陜西省各市水環境耦合度時空格局
為更加細致刻畫出陜西省內部10個城市的水環境DPSIR系統耦合度指數之間的對比,自2004—2019年隔5年為代表,通過ArcGIS 10.2軟件繪制如圖4所示2004年、2009年、2014年和2019年的耦合度時空格局圖.2004年、2009年、2014年和2019年陜北區域的社會生態耦合度指數分別為0.726、0.686、0.927、0.96,陜南區域的耦合度分別為0.551、0.652、0.678、0.929,關中一帶的耦合度分別為0.682、0.668、0.689、0.772.可以看出,計算期間內陜西省水環境耦合度指數陜北陜南地區的耦合度高于關中地區,整體呈現上重下輕狀,表現為陜南陜北地區水環境DPSIR系統之間的關聯性高于關中地區,關中地區水環境各系統之間的緊密結合性有待增強.
圖3 陜西省綜合時空格局圖
圖4 2004、2009、2014、2019年耦合度時空格局圖
圖5 2004、2009、2014、2019年耦合協調度
3.2.3 陜西省各市水環境耦合協調度時空格局
為進一步探討陜西省內不同地區的協調發展狀況.一方面從時序變化上看,2004年、2009年、2014年和2019年陜北地區耦合協調度指數分別0.513 5、0.553 5、0.702 5和0.787,陜南地區分別為0.514 3、0.556 7、0.625 3和0.657 7,關中地帶協調指數為0.518 4、0.542 2、0.591 2和0.690 6,陜西省的整體耦合協調度分別為0.516 2、0.548 8、0.623 7和0.7,2004年—2019年陜西省水環境的協調度指數較低,16年間僅跨越了3個階段,且協調水平仍然較低.另一方面從空間變化上,通過圖5時空格局圖可將陜西分為三個層次的城市地區,第一個層次為延安、榆林、西安和寶雞,2019年均達到了中級或良好協調狀態;第二層次為咸陽、渭南、商洛、安康和漢中市;第三層次為銅川市,變化較慢,2019年仍處于瀕臨失調階段.
為更好地解釋陜西省耦合協調度時空變化差異,從而制定更加有效的策略,本文參考國內學者錢麗[23]等的方法,采用面板模型檢驗耦合協調度的影響因素.以指標體系中的19個變量作為解釋變量,以耦合協調度值作為被解釋變量進行面板模型構建.首先對面板模型面板的涉及3個模型即混合POOL模型、固定效應FE模型和隨機效應RE模型進行模型檢驗,便于找出最優模型,計算結果如表4所示:F檢驗呈現出5%水平的顯著性F(9,22)=12.759,p=0.000<0.05,意味著相對POOL模型而言,FE模型更優.BP檢驗并未呈現出顯著性chi(1)=0.122,p=0.364>0.05,意味著相對RE模型而言,POOL模型更優.Hausman檢驗并未呈現出顯著性chi(18)=nan,p=nan>0.05,意味著相對FE模型而言,RE模型更優.綜上分析,本文最終以FE模型作為最終結果.
表4 面板模型檢驗結果
如表5可知,對耦合協調度指數具有顯著影響的因素分別有:(1)就人口自然增長率而言,其呈現出0.05水平的顯著性(t=2.401,p=0.025<0.05),并且回歸系數值為0.008>0,說明人口自然增長率對耦合協調度值會產生顯著的正向影響關系.(2)針對萬元GDP用水量而言,其呈現出0.01水平的顯著性(t=-4.968,p=0.000<0.01),并且回歸系數值為-0.000<0,說明萬元GDP用水量對耦合協調度值會產生顯著的負向影響關系.(3)針對濕地保護率而言,其呈現出0.05水平的顯著性(t=2.334,p=0.029<0.05),并且回歸系數值為0.001>0,說明濕地保護率對耦合協調度值會產生顯著的正向影響關系.(4)針對地表水水質優良(達到或好于III類)比例而言,其呈現出0.01水平的顯著性(t=3.294,p=0.003<0.01),并且回歸系數值為0.001>0,說明地表水水質優良(達到或好于III類)比例對耦合協調度值會產生顯著的正向影響關系.
表5 面板模型計算結果
通過構建陜西省水環境協調發展的評價指標體系,采用熵值法和耦合度模型,對2004—2019年陜西省的數據進行了測算,計算出陜西省各個市歷年的綜合發展指數、耦合度、耦合協調度,并對測算結果進行了時間和空間上的對比分析.整體來看,陜西省水環境協調發展水平呈不斷上升趨勢,前7年維持在勉強失調,于2011轉為初級失調,2019年提高到中級協調,這中間跨越了3個不同的階段,整體趨勢雖不斷提高,但離良好協調狀態差距仍然較大,有待進一步提升.從時間發展來看,陜西省各個城市的協調程度呈上升趨勢,除銅川市外,其他9個城市最終都達到了協調程度,但仍距良好協調存在較大距離,達到優良的協調程度離不開水環境內部系統兩兩之間正向反饋作用,水環境的協調發展要同步社會經濟發展進行,驅動力與壓力之間促進,影響狀態、影響、響應系統,互為正反饋,一個也不能落下.從空間分布上來看,陜南陜北的協調程度高于關中地區,銅川的協調程度最差.
最后,采用面板模型進行分析發現,對耦合協調度具有顯著影響的主要因素有四個,分別是人口自然增長率、萬元GDP用水量、濕地保護率和地表水水質優良比例.通過對這四項顯著影響因素的分析探討,在政策建議方面,本文針對陜西省現有水環境協調狀態,提出四個方面的建議,以期對陜西省水環境協調狀況的改善提供借鑒意義.一是完善水環境治理體系法律法規建設,強化監督;二是人口宏觀政策的調控;三是加強環境治理,進一步增強生態治理,全面降低水污染;四是就省內各地區不同地理位置發揮其優勢,合理規劃城市空間,協同發展,均衡治理.