劉 藝，張鄭賢，張鋒賢

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省地下水?dāng)?shù)值模擬與污染控制工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250022；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)問題一直是一個(gè)國家發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注對象，兩者之間有著密切的關(guān)系[1]。水環(huán)境是生態(tài)環(huán)境體系中的重要組成部分，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系更加緊密。通過實(shí)證研究，賈彧等[2]得出水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在明顯相關(guān)性的結(jié)論。良好的水環(huán)境為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動(dòng)力支持；此外，經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展又為營造一個(gè)和諧的水環(huán)境體系提供物質(zhì)條件[3]。伴隨著新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來臨，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水環(huán)境的影響越來越大，水環(huán)境對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)作用也越來越強(qiáng)。李志濤等[4]選取鄱陽湖流域典型水環(huán)境污染指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并分析模擬鄱陽湖流域經(jīng)濟(jì)增長與水環(huán)境之間的關(guān)系，結(jié)果表明鄱陽湖流域經(jīng)濟(jì)和水環(huán)境之間存在明顯的相關(guān)性。黃智華等[5]定量研究了1990—2000年太湖水環(huán)境演變與流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，并根據(jù)此相關(guān)關(guān)系對未來30年太湖水質(zhì)的污染狀況進(jìn)行了預(yù)測。

目前，已有的大都是關(guān)于水環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究，而對于近年來水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與各水污染監(jiān)測指標(biāo)間耦合作用機(jī)理的研究相對較少。耦合作用是物理學(xué)中的基本概念，將山東省GDP與水污染監(jiān)測指標(biāo)兩個(gè)子系統(tǒng)元素間的相互作用，定義為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水污染監(jiān)測指標(biāo)的耦合作用。耦合作用主要表現(xiàn)為：①區(qū)域經(jīng)濟(jì)的規(guī)模增長會(huì)促使用水需求的增長，而用水量的增加又會(huì)引起區(qū)域污水排放量的增加和水質(zhì)的惡化。這種變化不僅影響經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，而且影響生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，而生態(tài)環(huán)境的惡化又反過來限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。②水資源系統(tǒng)的長期發(fā)展模式也受到宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的巨大影響[6]。

本文采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量計(jì)算，分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水環(huán)境污染的耦合作用強(qiáng)弱并提出改善措施，這將有利于主管部門采取相應(yīng)的政策措施，以緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷增長與水資源、水環(huán)境承載能力有限的矛盾，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)為山東省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)水治污提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海的東北段，地處黃河下游，緊鄰韓國和日本，有利于發(fā)展對外經(jīng)濟(jì)；北部與河北相連，與遼寧省大連市隔海相望，南部連著江蘇，有利于發(fā)展對內(nèi)經(jīng)濟(jì)[7]。山東省的自然資源非常豐富，既有黃金等貴重金屬，也有煤和石油等經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的資源，山東省屬于丘陵地帶，自然景觀美麗，又有“孔孟之鄉(xiāng)”的美稱，文化底蘊(yùn)深厚，旅游業(yè)較為發(fā)達(dá)[8]。山東省多年平均降雨量為 659.4 mm，年降水日數(shù)和強(qiáng)度呈明顯的緯向分布，且由東南向西北逐漸下降。優(yōu)越的地理位置與水文地質(zhì)條件使得近年來山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，許多領(lǐng)域在全國處于領(lǐng)先地位。山東省主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)居全國前列，成為中國東部經(jīng)濟(jì)大省[9]，基本形成以能源、建材、機(jī)械、化工、冶金、紡織等支柱產(chǎn)業(yè)為主體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系。

2 研究方法

灰色系統(tǒng)理論(Grey System Theory)目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，并取得了顯著成就。灰色關(guān)聯(lián)度是一個(gè)量化模型，表示兩個(gè)序列關(guān)聯(lián)性大小的度量，反映的是系統(tǒng)發(fā)展過程中因素間相對變化的情況，其目的就是通過一定的方法理清系統(tǒng)中各因素間的主要關(guān)系，找出影響最大的因素，把握矛盾的主要方面[10]。灰色關(guān)聯(lián)分析一般包括下列步驟：

a. 確定比較對象(評價(jià)對象)和參考數(shù)列(評價(jià)標(biāo)準(zhǔn))。

b. 確定各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

c. 原始數(shù)據(jù)變換(對參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理)。

d. 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

ξ(k)=

(1)

e. 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

(2)

式中：r0i為第i個(gè)評價(jià)對象即子序列與母序列的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度；wi為各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重；N為數(shù)據(jù)長度。

3 模型應(yīng)用

山東省的經(jīng)濟(jì)增長對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量變化的影響主要涉及工業(yè)廢水、生活廢水及其中所含的氨氮和COD等指標(biāo)。選取2002—2015年山東省最為重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)GDP為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，生活廢水、工業(yè)廢水及廢水中所含的COD、氨氮等水污染重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)為評價(jià)對象，分析各評價(jià)對象與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GDP之間的關(guān)系，確定與GDP耦合作用最強(qiáng)的水污染監(jiān)測指標(biāo)。2002—2015年山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標(biāo)時(shí)序圖見圖1。

圖1 2002—2015年山東省GDP與水污染監(jiān)測指標(biāo)時(shí)序

國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)是衡量一個(gè)國家或地區(qū)總體經(jīng)濟(jì)狀況的重要指標(biāo)，反映了一個(gè)國家或地區(qū)不同年度總體經(jīng)濟(jì)的態(tài)勢[11]。由圖1可知，2002—2015年山東省GDP總體呈上升趨勢，GDP數(shù)值增高意味著經(jīng)濟(jì)形勢趨好，社會(huì)整體就業(yè)形勢好轉(zhuǎn)，生活水平提高。隨著國家節(jié)水環(huán)境保護(hù)政策的制定，工業(yè)COD及工業(yè)氨氮排放量下降明顯，工業(yè)廢水排放量小幅增長，2011年之后逐漸降低；生活廢水、生活COD及生活氨氮排放量略有增加，2011年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后生活廢水、生活COD及生活氨氮排放量增長迅猛。

3.1 模型建立

以2002—2015年山東省GDP的數(shù)值為母序列，分別以工業(yè)廢水、工業(yè)氨氮、工業(yè)COD、生活廢水、生活氨氮及生活COD的排放量為子序列。由分析可知，數(shù)據(jù)序列存在一定的增長或下降趨勢，故選用初值化變換的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，經(jīng)無量綱化處理后序列{X1(t)}為工業(yè)廢水排放量，{X2(t)}為生活廢水排放量，{X3(t)}為工業(yè)COD排放量，{X4(t)}為生活COD排放量，{X5(t)}為工業(yè)氨氮排放量，{X6(t)}為生活氨氮排放量，{X7(t)}為山東省GDP。得到無量綱化數(shù)據(jù)見表1，k時(shí)刻各子序列與母序列之間的絕對差見表2。

表1 無量綱化數(shù)據(jù)

3.2 模型求解

將建立的模型通過MATLB數(shù)學(xué)軟件求解，計(jì)算出山東省GDP與各水污染重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)間的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度數(shù)值。山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標(biāo)關(guān)聯(lián)度見表3。

表3 山東省GDP與各水污染監(jiān)測指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

3.3 關(guān)聯(lián)度分析

整體上看，若取最優(yōu)值r7j=1，說明X7與水污染的某一指標(biāo)Xj之間關(guān)聯(lián)性大，并表明X7與Xj的單個(gè)指標(biāo)間耦合作用明顯；若0

表4 灰色關(guān)聯(lián)度分級表[12]

計(jì)算結(jié)果表明：山東省GDP與各水污染重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)間的灰色關(guān)聯(lián)度區(qū)間為[0.588 7，0.687 2]，對比表4可知，屬中等或較強(qiáng)關(guān)聯(lián)度，說明水污染的各監(jiān)測指標(biāo)與GDP之間存在著中等或較強(qiáng)的耦合作用。為了進(jìn)一步探索GDP與各水污染指標(biāo)之間的交互耦合機(jī)制及主要驅(qū)動(dòng)力，對關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序：r72>r71>r76>r74>r73>r75。由排序結(jié)果可知，與山東省GDP的關(guān)聯(lián)性由強(qiáng)到弱依次為：生活廢水排放量、工業(yè)廢水排放量、生活廢水中的氨氮排放量、生活廢水中的COD排放量、工業(yè)廢水中COD排放量及工業(yè)廢水中的氨氮排放量。

其中生活廢水排放量與GDP增長的關(guān)聯(lián)度最大，耦合作用最強(qiáng)。分析其原因主要是：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)人口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增加，用水量也隨之增加，而城鎮(zhèn)的污水排放量要遠(yuǎn)大于農(nóng)村污水排放量[13]；由于生活廢水排放量基數(shù)的增長，使得廢水中氨氮和COD的含量也隨之增加。工業(yè)廢水及工業(yè)廢水中的氨氮和COD排放量與GDP的耦合作用要弱于生活廢水及生活廢水中的氨氮和COD排放量，主要原因是經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展對生態(tài)環(huán)境及水資源造成了一定的破壞，國家針對工業(yè)出臺了一系列的節(jié)能減排措施，運(yùn)用嚴(yán)格的法律制度保護(hù)生態(tài)環(huán)境，將生態(tài)文明建設(shè)提升到制度層面，使得環(huán)境得到較大改善[14]。由圖1可知，廢水中工業(yè)氨氮及工業(yè)COD的排放量逐年遞減，在2011年之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后的年份下降更為明顯，排污狀況經(jīng)過整治取得顯著成效。

廢水排放量的增加，會(huì)破壞水體原有的形態(tài)和功能，降低水體的水質(zhì)等級和可用性，增加水資源的利用成本。因此，山東省在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，未來應(yīng)更加關(guān)注和控制與GDP耦合作用較強(qiáng)、關(guān)聯(lián)性更為密切的生活廢水及生活廢水中COD和氨氮的排放量。優(yōu)化生活污水的排放現(xiàn)狀及現(xiàn)有排水管網(wǎng)的布局，大力發(fā)展生活污水處理廠，不斷提高污水處理的技術(shù)以緩解日益緊張的水資源壓力，是合理利用水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的必然要求，也是可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)[15]。

4 應(yīng)對措施

針對山東省社會(huì)經(jīng)濟(jì)及污水處理的現(xiàn)狀，結(jié)合地理特征及水文地質(zhì)條件，提出相關(guān)建議和措施以緩解生活污水的污染進(jìn)程。

a. 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式[16]。“能耗高、污染重、附加值低”等問題已嚴(yán)重制約山東省經(jīng)濟(jì)競爭力的提升。未來，山東省應(yīng)更加注重“綠色發(fā)展”，完善產(chǎn)業(yè)體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，積極化解重工業(yè)、高耗能產(chǎn)業(yè)的困境，強(qiáng)化重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)安全等標(biāo)準(zhǔn)的硬約束。進(jìn)一步敞開大門，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，構(gòu)建協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)效益型經(jīng)濟(jì)體系，力爭在生態(tài)環(huán)境保護(hù)等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新突破。

b. 加強(qiáng)污水處理廠和配套管網(wǎng)建設(shè)，提高污廢水利用率。污水回用是解決工業(yè)和生活用水量增長的主要出路，應(yīng)加強(qiáng)污水處理的配套管網(wǎng)建設(shè)，以解決污水的排放、收集和處理問題。將處理后的生活污水在工業(yè)中循環(huán)利用，高濃度的生活污水處理后可用于農(nóng)業(yè)灌溉，既降低了淡水的消耗量，又解決了環(huán)境污染問題。

c. 預(yù)防為主，完善管理機(jī)制。在防污治污的問題上，首先要確定“以防為主”的方針，建立、健全高效的運(yùn)行管理機(jī)制和保障處理設(shè)施，加強(qiáng)防治水體污染的科學(xué)研究，提高防治效率，降低防污治污成本?？稍O(shè)立生活污水治理專項(xiàng)資金，扶持地區(qū)生活污水處理設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)，在生活污水治理過程中，要明確各有關(guān)部門的防污責(zé)任，完善立法，嚴(yán)格執(zhí)法，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管并重，使人類活動(dòng)和社會(huì)行為都承擔(dān)起節(jié)水環(huán)保的道義和法律責(zé)任。

d. 生活、工業(yè)污水分類處理，提高生產(chǎn)加工技術(shù)。相對于生活廢水而言，工業(yè)廢水具有排放量大、污染物種類繁多，污染物質(zhì)毒性強(qiáng)、危害大，恢復(fù)比較困難等特點(diǎn)，因此，將生活與工業(yè)廢水分類處理，能夠提高污水處理效率，改善處理后的水質(zhì)[17]。應(yīng)借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的污水處理技術(shù)，加大污水處理力度，提高污水中污染物的去除標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)造紙、印染、鋼鐵等污水排放量較大的工廠、企業(yè)改革生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)過程中的耗水量、排污量，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

e. 提高環(huán)境保護(hù)意識。環(huán)境保護(hù)意識的提高對水環(huán)境的改善起到至關(guān)重要的作用，要充分利用各種媒體，通過有效形式宣傳普及節(jié)水環(huán)保知識，提高人們的思想道德素養(yǎng)，讓民眾自覺承擔(dān)起生態(tài)文明建設(shè)的責(zé)任，在日常生活中提倡使用節(jié)水器具，重復(fù)利用水資源，建立綠色低碳的生活方式[18]。

5 結(jié) 語

通過對山東省水污染與經(jīng)濟(jì)增長關(guān)系的實(shí)證分析，評價(jià)山東省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)GDP與水體污染的耦合作用機(jī)制，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法探索山東省GDP變化與其水資源污染水平的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果表明，從整體上看，GDP與水污染監(jiān)測各指標(biāo)間存在耦合關(guān)系。通過計(jì)算，山東省的GDP與生活廢水排放量的耦合作用最強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度達(dá)0.687 2，屬較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。因此，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中勢必會(huì)造成生活廢水排放量的增加。為了構(gòu)建“青山綠水”的和諧社會(huì)，必須規(guī)范生活污水處理的現(xiàn)狀，加強(qiáng)生活污水的治理，使生活污水有序排放，及時(shí)處理。目前生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，政府應(yīng)加大投資力度，及時(shí)采取有效防治措施，改善水環(huán)境，努力實(shí)現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)協(xié)同推進(jìn)[19]。

參考文獻(xiàn)：

[1] CELA E B B，DANKELMAN I，STERN J. Bookshelf：powerful synergies：gender equality，economic development and environmental sustainability[J]. Reproductive Health Matters，2014，22(43)：197-199.

[2] 賈彧，孔繁成. 陜西經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性[J]. 企業(yè)經(jīng)濟(jì)，2011(8)：139-141.

[3] 陳延斌，董大朋，陳才.山東省經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境污染水平關(guān)系的計(jì)量研究[J].地域研究與開發(fā)，2011，30(5)：50-54.

[4] 李志濤，黃河清，張明慶，等. 鄱陽湖流域經(jīng)濟(jì)增長與水環(huán)境污染關(guān)系研究[J]. 資源科學(xué)，2010，32(2)：267-273.

[5] 黃智華，薛濱，逄勇. 太湖水環(huán)境演變與流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系及趨勢[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2006，15(5)：627-631.

[6] 許新宜，王浩，甘泓. 華北地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)水資源規(guī)劃理論與方法[M]. 鄭州：黃河水利出版社，1997.

[7] MA Y，ZHU F，WANG K. Research on environmental regulation influence in Shandong Province regional economic development[J]. Advanced Materials Research，2012，524-527：3241-3244.

[8] JIE Y U，BUSINESS S O，UNIVERSITY S N. Evalution and optimization of the coordinative degree between tourism industry and regional economy in Shandong Province[J]. China Population Resources & Environment，2014，24(4)：163-168.

[9] 邢秀鳳，劉穎宇. 山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的計(jì)量分析[J]. 中國人口·資源與環(huán)境，2006，16(1)：58-61.

[10] 鄧聚龍. 灰理論基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[11] 李冰. 中國東、中、西部地區(qū)環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)性分析[J]. 環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2014，34(8)：48-54.

[12] 羅上華，馬蔚純，王祥榮，等.城市環(huán)境保護(hù)規(guī)劃與生態(tài)建設(shè)指標(biāo)體系實(shí)證[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23(1)：45-55.

[13] 李長嘉，潘成忠，雷宏軍，等. 1992—2008年我國工業(yè)廢水排放變化效應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2013，26(5)：569-575.

[14] 王剛. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的北京市GDP預(yù)測及其影響因素分析[J]. 特區(qū)經(jīng)濟(jì)，2017(8)：120-121.

[15] 陳立，李成江，郭興芳，等. 城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造的幾點(diǎn)思考[J].水處理技術(shù)，2011，37(9)：120-122.

[16] 蔡繼，董增川，陳康寧. 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與水資源可持續(xù)利用的耦合性分析[J]. 水利經(jīng)濟(jì)，2007，25(5)：43-45.

[17] 戎麗麗，胡繼連. 區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長與水資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的脫鉤狀況評價(jià):基于山東省的實(shí)證分析[J]. 價(jià)格理論與實(shí)踐，2016(12)：192-195.

[18] 吳舜澤，徐敏，馬樂寬，等. 重點(diǎn)流域“十三五”規(guī)劃落實(shí)“水十條”的思路與重點(diǎn)[J]. 環(huán)境保護(hù)，2015，43(18)：14-17.

[19] 嚴(yán)登華，王浩，張建云，等. 生態(tài)海綿智慧流域建設(shè):從狀態(tài)改變到能力提升[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2017，28(2)：302-310.