秦明慧，劉秀麗

?水土資源與環(huán)境?

海河流域水環(huán)境安全評價(jià)及動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度分析

秦明慧1,3，劉秀麗1,2,3*

（1.中國科學(xué)院 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100190；2.中國科學(xué)院 預(yù)測科學(xué)研究中心，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

【目的】對海河流域水環(huán)境安全狀況和耦合協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢做出客觀全面的綜合評價(jià)并辨析影響流域水環(huán)境安全的關(guān)鍵因素，為后續(xù)流域水環(huán)境管理與保護(hù)工作提供政策參考?！痉椒ā炕趬毫?狀態(tài)-響應(yīng)模型框架，綜合考慮生物多樣性、非常規(guī)水源供水比例等常被忽略的指標(biāo)，構(gòu)建更加全面系統(tǒng)的水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系；構(gòu)建基于EWM-PCA組合權(quán)重的模糊綜合評價(jià)模型對水環(huán)境安全狀況進(jìn)行評價(jià)；通過建立三元動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度模型，評價(jià)分析了壓力、狀態(tài)、響應(yīng)子系統(tǒng)的動態(tài)耦合發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并進(jìn)行了協(xié)調(diào)度的量化計(jì)算；結(jié)合指標(biāo)貢獻(xiàn)率和指標(biāo)彈性辨識出影響水環(huán)境安全的關(guān)鍵因素?！窘Y(jié)果】①2009—2020年間海河流域水環(huán)境安全等級由較危險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^安全，同時(shí)經(jīng)歷了從初級耦合向高級耦合的轉(zhuǎn)變，協(xié)調(diào)發(fā)展水平先降后升，偏離協(xié)調(diào)度由22.8°最高增至24.0°，2020年下降至17.3°。②各一級指標(biāo)安全度有不同程度提高，其中狀態(tài)指標(biāo)改善最為顯著，但仍處于較危險(xiǎn)等級。③各二級指標(biāo)對水環(huán)境安全的影響不一，其中人口密度增加和城鎮(zhèn)化進(jìn)程對海河流域水環(huán)境安全的破壞作用最強(qiáng)；氨氮、總磷的超標(biāo)截面比在這一階段大幅降低；Ⅰ-Ⅲ類河長占比仍處于較危險(xiǎn)水平，具有較大提升潛力；非常規(guī)水源供水比例提升等則是海河流域水環(huán)境安全的有力保障。【結(jié)論】從中長期來看，加強(qiáng)對水體中化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)的治理，大力推行各類非常規(guī)水源的開發(fā)利用（如促進(jìn)淡化海水的使用、提高綠地景觀的雨水收儲能力），維護(hù)和提高流域森林覆蓋率、物種多樣性等將是持續(xù)提升海河流域水環(huán)境安全度的有效途徑。

水環(huán)境安全；三元動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度；PSR模型；綜合評價(jià)；海河流域

0 引言

【研究意義】近年來，伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國家將水環(huán)境安全保護(hù)提升至生態(tài)文明建設(shè)的重要位置，水環(huán)境整治力度不斷加強(qiáng)[1]。流域是由降水天然形成的以分水嶺為邊界的綜合單元，是人與水環(huán)境共生的主體自然空間，其特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域?yàn)榛A(chǔ)單元的觀念[2-3]。各國政府部門相繼提出從流域尺度維持和恢復(fù)流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性的目標(biāo)，并建立統(tǒng)一的流域管理機(jī)構(gòu)對流域水資源、水環(huán)境進(jìn)行一體化管理[4]。海河流域是我國經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的區(qū)域之一，水環(huán)境安全問題卻相較其他流域更為嚴(yán)峻，流域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展也受到一定制約。從水量、水質(zhì)、社會、經(jīng)濟(jì)深度耦合的角度對海河流域水環(huán)境安全狀況做出客觀全面的綜合評價(jià)并辨析影響流域水環(huán)境安全的關(guān)鍵因素，不僅可以檢驗(yàn)既往水環(huán)境修復(fù)措施的成效，也為后續(xù)流域水環(huán)境管理與保護(hù)工作提供政策參考。

【研究進(jìn)展】指標(biāo)評價(jià)法是最為廣泛使用的水環(huán)境安全定量評價(jià)方法，為體現(xiàn)指標(biāo)體系層次性并區(qū)分不同指標(biāo)性質(zhì)，學(xué)者們通常會選擇特定的模型作為構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系的框架。其中，壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response，PSR）[5]模型及其衍生模型，包括驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)-管理等，常被用來描述復(fù)合系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和完整發(fā)展過程，可反映水環(huán)境安全各層面要素之間的作用關(guān)系[6]。已有研究基于以上模型構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系對省、市、濕地等尺度下的水環(huán)境安全狀態(tài)進(jìn)行測度與評價(jià)[7-12]，但并未形成符合不同尺度（如針對國家、流域、農(nóng)村、城市、湖泊、水庫等）特點(diǎn)的系統(tǒng)性、規(guī)范性指標(biāo)體系，且往往缺少生物多樣性等生態(tài)指標(biāo)。為彌補(bǔ)水環(huán)境安全綜合評價(jià)無法直觀展現(xiàn)水體與人類社會發(fā)展之間的相互影響作用及其動態(tài)變化趨勢的不足，現(xiàn)有研究從城市化發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、人口規(guī)模與水環(huán)境質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系的角度開展了一系列研究[13-15]。尚存在兩方面待完善之處，第一，在研究內(nèi)容上，大多將水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會分割為2個(gè)不同的系統(tǒng)進(jìn)行研究，未充分考慮經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對水環(huán)境的維護(hù)和脅迫作用。第二，在研究方法上，主要采用耦合協(xié)調(diào)度模型作為研究系統(tǒng)均衡發(fā)展程度的評價(jià)工具。其中在涉及多年時(shí)序數(shù)據(jù)研究時(shí)，大部分研究在靜態(tài)耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了比較靜態(tài)分析[16-18]，或結(jié)合馬爾可夫鏈、β收斂模型、VAR模型等計(jì)量的時(shí)序分析方法進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)度動態(tài)變化分析[19-21]，未能反映各系統(tǒng)動態(tài)變化趨勢。

【切入點(diǎn)】本文選擇被廣泛應(yīng)用的PSR模型，在此框架下，考慮了生物多樣性、非常規(guī)水源供水比例等常被忽略的指標(biāo)，通過定性與定量分析，構(gòu)建了流域水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合熵權(quán)法（Entropy Weight Method，EWM）和主成分分析法（Principal Components Analysis，PCA）構(gòu)建組合權(quán)重，減少了傳統(tǒng)模糊綜合評價(jià)中權(quán)重賦值的主觀性，以提高評價(jià)結(jié)果的客觀性和科學(xué)性。針對當(dāng)前耦合協(xié)調(diào)度模型不具有延續(xù)性、面向未來的實(shí)用性較低的不足[22]，本文根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)理論方法推導(dǎo)思想，構(gòu)建了三元動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度模型，在進(jìn)行耦合度劃分時(shí)，主要根據(jù)計(jì)算結(jié)果的正負(fù)性確立，避免了過去主觀劃分等級帶來的偏差。最后，進(jìn)行指標(biāo)貢獻(xiàn)率與彈性計(jì)算，并據(jù)此衡量不同指標(biāo)對海河流域水環(huán)境安全的影響程度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對海河流域2009—2020年水環(huán)境安全狀況與耦合協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行綜合評價(jià)，并辨識出影響海河流域水環(huán)境安全的關(guān)鍵指標(biāo)，為海河流域水環(huán)境綜合治理提供科學(xué)的理論依據(jù)和政策建議。

1 研究區(qū)概況

海河流域位于北緯35°0′—42°42′，東經(jīng)115°59′—119°36′，總面積約32萬km2，按地貌可劃分為內(nèi)蒙古高原、華北山地和海河平原。流域西面和北面被太行山、燕山和蒙古高原環(huán)抱，南面以黃河為界，東面直達(dá)渤海灣。流域水系分散，源短流急，絕大多數(shù)河流發(fā)源于占流域總面積60%以上的山地，水量季節(jié)性變化顯著[23-24]。海河流域承載著京津冀地區(qū)等重要的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心和河北、山東、河南等中國主要糧食產(chǎn)地，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，流域人口與GDP高速增長，水環(huán)境逐漸超載運(yùn)行，出現(xiàn)地下水嚴(yán)重超采、河道干涸、河流功能退化、入海水量銳減等諸多相關(guān)問題。20世紀(jì)末期，海河流域廢污水排放量逐年激增。同時(shí)，2006—2007年流域降水量過少，引發(fā)了水質(zhì)的嚴(yán)重突變惡化[25]。21世紀(jì)以來，隨著引黃濟(jì)津、衛(wèi)運(yùn)河治理等水利工程陸續(xù)建設(shè)完工，《海河流域水資源綜合規(guī)劃》《海委關(guān)于全面推行河長制工作方案》《海河流域水安全保障方案》等規(guī)劃方案的出臺和水功能區(qū)限制納污紅線、最嚴(yán)格水資源管理制度等制度的落實(shí)，海河流域進(jìn)入以遏制水環(huán)境惡化、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境綜合治理修復(fù)為主要目標(biāo)的綜合修復(fù)保護(hù)階段，實(shí)現(xiàn)了從單一解決水量、水質(zhì)問題到對二者進(jìn)行綜合治理的轉(zhuǎn)變[26-27]。在此過程中，海河流域“有河皆干、有水皆污”的現(xiàn)象有所改善，但水環(huán)境安全狀況仍不樂觀[28-29]。

2 模型與方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水環(huán)境安全是水體保持一定的水量、安全的水質(zhì)條件以維護(hù)其正常的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能，同時(shí)能較大限度地滿足人類生產(chǎn)和生活的需要，使人類自身和人類群際關(guān)系處于不受威脅的狀態(tài)[30]。如圖1所示，在PSR模型框架下，由水體與社會經(jīng)濟(jì)相互作用而形成的水環(huán)境安全系統(tǒng)可分解為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)子系統(tǒng)，與評價(jià)指標(biāo)體系中壓力（P）、狀態(tài)（S）、響應(yīng)（R）等3個(gè)一級指標(biāo)一一對應(yīng)。

圖1 水環(huán)境安全PSR模型框架

其中壓力子系統(tǒng)代表了可能影響水體穩(wěn)定性的系列人類社會經(jīng)濟(jì)活動。包括社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平（如人口規(guī)模、城鎮(zhèn)化進(jìn)程、流域生產(chǎn)總值等）的變化，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)的生產(chǎn)用水效率（可選用萬元工業(yè)增加值用水量等指標(biāo)進(jìn)行描述），城鄉(xiāng)居民用水強(qiáng)度，和生產(chǎn)中可能造成的水污染問題（如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的使用[31]）等。

狀態(tài)子系統(tǒng)代表了水體維持整個(gè)水環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，包括對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐力，主要通過供水水量和水質(zhì)體現(xiàn)。具體來看，人均水資源量可體現(xiàn)出流域水資源稀缺性；污染河長占比反映了整體水質(zhì)狀況，但不能區(qū)分不同污染物的影響。因此，需進(jìn)一步將污染物細(xì)分進(jìn)行精準(zhǔn)識別。除了保障現(xiàn)階段數(shù)量充足、質(zhì)量穩(wěn)定的水資源外，水環(huán)境安全還需考慮其滿足人類社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的長期需求，即可持續(xù)性保障能力?？紤]到水資源可持續(xù)性與水資源稟賦和開發(fā)利用程度密切相關(guān)，選取取水強(qiáng)度作為描述可持續(xù)性的代表評價(jià)指標(biāo)納入評價(jià)指標(biāo)體系。

響應(yīng)子系統(tǒng)代表了人類為增強(qiáng)水體穩(wěn)定性和可持續(xù)性而采取的多維度措施。如，在經(jīng)濟(jì)上，增加污染治理投資；在思想認(rèn)知上，人均受教育水平的提高往往會帶來居民整體節(jié)水意識的提升；在管理上，擴(kuò)大節(jié)水灌溉面積占比與非常規(guī)水源供水比例均有助于緩解地下水嚴(yán)重超采問題，建造水庫與治理水土流失等防災(zāi)、救災(zāi)措施也可消減突發(fā)自然災(zāi)害帶來的水環(huán)境安全隱患；在生態(tài)治理方面，增加生態(tài)用水、擴(kuò)大流域森林覆蓋率與建成區(qū)綠化覆蓋率有助于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，從而充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能，間接起到保護(hù)地下含水層、改善水質(zhì)的作用。此外，現(xiàn)有研究較少將區(qū)域生物多樣性納入水環(huán)境安全評價(jià)中，但生物多樣性及其所提供的多重生態(tài)服務(wù)對于實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境安全是至關(guān)重要的。因此，本文將其作為維護(hù)水生態(tài)的另一重要指標(biāo)納入。

結(jié)合以上定性分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、系統(tǒng)性、可獲得性等原則，擬選擇29項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建海河流域水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)指標(biāo)變化與水環(huán)境安全變化之間的關(guān)系，將其分為正向和負(fù)向兩類指標(biāo)。指標(biāo)值越大，水環(huán)境安全度越高的稱為正向指標(biāo)，反之為負(fù)向指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 海河流域水環(huán)境安全評價(jià)指標(biāo)體系

注 分級依據(jù)a.參考全國各省份數(shù)據(jù)六分位數(shù)；b.參考全國各流域數(shù)據(jù)六分位數(shù)。

本文數(shù)據(jù)主要來源于2010—2021年的《中國水資源公報(bào)》《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》《中國環(huán)境年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《海河統(tǒng)計(jì)年鑒》《海河流域水資源公報(bào)》《中國水利年鑒》《中國水利統(tǒng)計(jì)年鑒》等相關(guān)年鑒和公報(bào)。污染物超標(biāo)截面比數(shù)據(jù)取自對應(yīng)年份1—12月《全國地表水水質(zhì)月報(bào)》中相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值。生物多樣性數(shù)據(jù)根據(jù)中國生物物種名錄[32]相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算整理而得。部分海河流域社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，如流域人口、GDP等，主要根據(jù)流域內(nèi)各省、市、縣相關(guān)數(shù)據(jù)匯總計(jì)算而得，原始數(shù)據(jù)來自相關(guān)省份的統(tǒng)計(jì)年鑒。

進(jìn)一步，遵循指標(biāo)獨(dú)立性原則，為避免多個(gè)指標(biāo)指向一個(gè)信息的現(xiàn)象，對指標(biāo)之間的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)。按所屬一級指標(biāo)對二級指標(biāo)分組進(jìn)行因子分析，結(jié)果顯示壓力指標(biāo)組、狀態(tài)指標(biāo)組和響應(yīng)指標(biāo)組的Kaiser-Meyer-Olkin檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值（以下簡稱值）分別為0.41、0.55和0.45。值處于0和1之間，可反映變量間的相關(guān)性，越接近于1，意味著變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，值小于0.6時(shí)，說明變量間的相關(guān)性較弱。故各組指標(biāo)均通過獨(dú)立性檢驗(yàn)，可被納入指標(biāo)體系。

2.2 基于熵權(quán)-主成分分析（EWM-PCA）組合權(quán)重的模糊綜合評價(jià)法

采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水環(huán)境安全等級評定時(shí)需要考慮大量復(fù)雜現(xiàn)象和多種因素的相互作用，模糊綜合評價(jià)法擅長對一些模糊現(xiàn)象和模糊概念進(jìn)行定量化處理[33]，評價(jià)過程如下。

在不考慮時(shí)間因素的條件下，構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣=[r]進(jìn)行單因素評價(jià)，表示指標(biāo)在等級的隸屬度，其計(jì)算方法參見劉秀麗等[34]。在計(jì)算指標(biāo)模糊權(quán)重時(shí)，為避免單一權(quán)重計(jì)算方法與主觀賦值帶來的偏差，本文采用了EWM和PCA這2種客觀權(quán)重計(jì)算方法分別進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并以2種方法所得結(jié)果的平均值作為最終評價(jià)權(quán)重[34-35]。結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

各一級指標(biāo)模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量P、S、R根據(jù)下式計(jì)算可得，其中W=(K1,...,Kn)表示各二級權(quán)重向量，Pi、Si、Ri分別表示一級指標(biāo)P、S、R對等級的隸屬程度。

依據(jù)加權(quán)平均原則[36]，將各等級看作相對位置使之連續(xù)化，并用1-5依次表示，稱之為各等級的秩。則壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三子系統(tǒng)安全度P、S、R為：

參考相關(guān)文獻(xiàn)[37-41]權(quán)重平均值，設(shè)定（1/3，1/3，1/3）為3個(gè)一級指標(biāo)權(quán)重值?？紤]時(shí)間因素，時(shí)期流域安全度C即：

通過以上計(jì)算過程可知,計(jì)算所得安全度在區(qū)間[1,5]內(nèi)，具體對應(yīng)的水環(huán)境狀態(tài)如表3所示。

表3 水環(huán)境安全度與水環(huán)境安全等級對應(yīng)關(guān)系

2.3 動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)一般系統(tǒng)理論，水環(huán)境安全系統(tǒng)()不斷演化的過程可一般化表示為[42]：

式中：a為線性近似式表達(dá)的參數(shù)。將水環(huán)境安全整體視為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)，由水環(huán)境安全定義可知，子系統(tǒng)間存在相互脅迫、促進(jìn)的作用，即每一個(gè)子系統(tǒng)均是復(fù)合系統(tǒng)中的一個(gè)元素，其演化狀態(tài)與自身和其他子系統(tǒng)相關(guān)。由此可進(jìn)一步將式（5）拓展為：

式中：、、可視為3個(gè)子系統(tǒng)發(fā)展演化的狀態(tài)，可通過非線性擬合方法得到對應(yīng)變化曲線。A、B、C分別表示其演變速度，其符號表示了對應(yīng)子系統(tǒng)的演化方向。整個(gè)系統(tǒng)的演化速度由A、B、C決定，記作=(A,B,C)。根據(jù)子系統(tǒng)演化速度A、B、C的符號可判斷各子系統(tǒng)復(fù)合演化的耦合發(fā)展階段，具體如表4所示。

表4 耦合發(fā)展階段

2.4 關(guān)鍵驅(qū)動指標(biāo)辨識

海河流域水環(huán)境安全度隨各二級指標(biāo)變化而變化。根據(jù)指標(biāo)對不同等級的隸屬度和指標(biāo)權(quán)重，可得到單個(gè)指標(biāo)安全度cx，如式（8）所示。同一年度內(nèi)，單個(gè)指標(biāo)安全度越高，則說明其對流域水環(huán)境安全的支撐程度越高，得分越低則代表其對流域水環(huán)境安全的損害程度越大。取第年二級指標(biāo)安全度cx與當(dāng)年流域安全度C之比來描述各指標(biāo)對水環(huán)境安全有效影響的年度間變化，本文稱之為指標(biāo)貢獻(xiàn)率，記作rx，如式（9）所示。

式中：ω為指標(biāo)權(quán)重，r為時(shí)期指標(biāo)對等級的隸屬度；C為時(shí)期海河流域水環(huán)境安全度。指標(biāo)貢獻(xiàn)率反映了在歷史時(shí)間里各指標(biāo)對海河流域水環(huán)境安全影響力大小。另一方面，引入指標(biāo)彈性d，其反映指標(biāo)自身變化一個(gè)單位時(shí)流域安全度的變化程度，指標(biāo)彈性絕對值越大，說明該指標(biāo)的單位變動對流域水環(huán)境安全影響越大，因此可通過彈性計(jì)算幫助確定更行之有效的水環(huán)境安全改善方法。指標(biāo)的彈性可表示為：

式中：Δ、Δ分別表示指標(biāo)變化值與對應(yīng)隸屬度變化值，其他符號含義同上文。當(dāng)處于不同區(qū)間時(shí)，Δ計(jì)算方式不盡相同，d也隨之變化。最終得到不同等級區(qū)間內(nèi)各指標(biāo)彈性，如表5所示。

表5 指標(biāo)彈性計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 水環(huán)境安全評價(jià)結(jié)果

2009—2020年海河流域水環(huán)境安全度計(jì)算結(jié)果如圖2所示?？傮w看來，2009—2020年間海河流域水環(huán)境安全度由2.10提升至3.12，從較危險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至較安全狀態(tài)。其中，2009—2017年水環(huán)境安全度提升較緩慢，且這一階段的提升主要來自響應(yīng)指標(biāo)安全度的不斷提高；2017年后，隨著狀態(tài)指標(biāo)安全度的快速提高，流域整體水環(huán)境安全度也有了明顯上升。就3個(gè)一級指標(biāo)來看，壓力指標(biāo)（P）始終處于較安全區(qū)間，且在2013年后呈現(xiàn)波動趨勢，指標(biāo)安全度提升不明顯；狀態(tài)指標(biāo)（S）2020年前均處在非常危險(xiǎn)狀態(tài)，自2018年安全度快速上升，2020年已轉(zhuǎn)變至較危險(xiǎn)狀態(tài)；響應(yīng)指標(biāo)（R）從2009年的較危險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?020年的較安全狀態(tài)，且2012年前后安全度提升速度較快，近年增速放緩。

圖2 2009—2020年海河流域水環(huán)境安全度測算結(jié)果

為辨識不同年份流域水環(huán)境安全度變化的主導(dǎo)因素，依據(jù)式（10）進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，各壓力二級指標(biāo)中（圖3（a）），人口密度（P1）和城鎮(zhèn)化率（P10）指標(biāo)貢獻(xiàn)率不斷下降，但下降趨勢逐漸放緩，表明人口密度的增大和城鎮(zhèn)化率的提高持續(xù)給水環(huán)境安全帶來壓力，且此壓力趨向平穩(wěn)；人口增長率（P2）和GDP增長率（P3）指標(biāo)貢獻(xiàn)率較低且有明顯提高趨勢，說明該2項(xiàng)指標(biāo)安全度在2009—2020年間提升速度高于流域安全度，但對水環(huán)境安全壓力的緩解作用尚不明顯；第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重（P4）貢獻(xiàn)率始終高于其他指標(biāo)，說明在此期間P4提高是減輕流域水環(huán)境安全壓力的最有效途徑；萬元工業(yè)增加值用水量（P5）和耕地實(shí)際灌溉畝均用水量（P6）等指標(biāo)貢獻(xiàn)率呈先增長后下降趨勢，主要原因是流域內(nèi)工業(yè)用水和灌溉用水效率經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整后已達(dá)到相對較高水平，指標(biāo)安全度提升速度放緩。

圖3 2009—2020年各二級指標(biāo)貢獻(xiàn)率

如圖3（b）所示，大部分狀態(tài)二級指標(biāo)雖有所改善，但仍處于危險(xiǎn)狀態(tài)，安全度保持不變，且貢獻(xiàn)率持續(xù)降低。例如，人均水資源量（S1）雖有波動，但常年低于500 m3的極度缺水標(biāo)準(zhǔn)線；自2007年海河被列入水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)重點(diǎn)示范流域后，在“控源減排、減負(fù)修復(fù)、綜合調(diào)控”思路指導(dǎo)下，以水專項(xiàng)科技成果為支持，流域水體污染得到系統(tǒng)治理，Ⅰ—Ⅲ類河長占比（S4）從2009年的34.4%增至2020年的63.3%，但離全國平均的83.8%還有較大差距。同時(shí)，對已不具備基本水資源功能的劣Ⅴ類水體的治理也取得了顯著成效，2020年海河流域劣Ⅴ類河長占比（S3）從2009年的42.4%減少至11.5%，有明顯改善，但仍約為全國平均占比的3倍；“十二五”規(guī)劃將氨氮確立為總量減排的約束性指標(biāo)，在相關(guān)政策指導(dǎo)下，海河流域氨氮超標(biāo)截面比（S6）在2012年后快速下降，2020年僅6%，遠(yuǎn)低于2009年的52%，該指標(biāo)貢獻(xiàn)率顯著提升，對這一階段水環(huán)境安全的等級提升有良好拉動作用；此外，總磷超標(biāo)截面比（S7）也從45%下降至8%，但化學(xué)需氧量等污染物超標(biāo)截面比仍在15%以上。

如圖3（c）所示，各響應(yīng)二級指標(biāo)中，生態(tài)用水占比（R6）有效促進(jìn)了流域水環(huán)境安全度的提升，2020年其指標(biāo)貢獻(xiàn)率高達(dá)0.081，在所有二級指標(biāo)中僅次于第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重（P4）的0.083；另一個(gè)指標(biāo)貢獻(xiàn)率持續(xù)提高的指標(biāo)是節(jié)水灌溉面積占比（R2），傳統(tǒng)的漫灌、澆灌等灌溉方式耗費(fèi)大量水資源，嚴(yán)重影響了流域整體水環(huán)境安全，2009年以來，海河流域節(jié)水灌溉面積占比不斷提升，2020年已達(dá)70%，有效緩解了農(nóng)業(yè)灌溉用水壓力；人均受教育年限（R1）、城市建成區(qū)綠化覆蓋率（R7）、森林覆蓋率（R8）、非常規(guī)水源供水比例（R10）等指標(biāo)已處于安全或非常安全狀態(tài)，隨著其指標(biāo)安全度的穩(wěn)定，對應(yīng)貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)穩(wěn)定或小幅下降趨勢，但仍是流域水環(huán)境安全的有力保障。

3.2 動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度分析

如表6計(jì)算結(jié)果所示，2009—2020年海河流域水環(huán)境安全系統(tǒng)動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)階段性變化。2009—2012年，壓力子系統(tǒng)處于較穩(wěn)定提升階段，狀態(tài)子系統(tǒng)變化速度較小。隨著對水環(huán)境安全問題的關(guān)注，海河流域加大了防洪抗旱減災(zāi)、節(jié)水灌溉建設(shè)等水利發(fā)展建設(shè)，響應(yīng)子系統(tǒng)也因此快速提升，與壓力子系統(tǒng)的差距縮小，系統(tǒng)勉強(qiáng)達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展等級，整體協(xié)調(diào)水平略微提高，但此階段流域水污染問題仍未有明顯改善，狀態(tài)子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)發(fā)展差距較大，海河流域水環(huán)境安全系統(tǒng)仍是低水平耦合協(xié)調(diào)發(fā)展階段。2013—2016年，隨著海河流域生態(tài)用水占比從5.0%增至7.2%、城市建成區(qū)綠化覆蓋率從40.5%提升至42.0%、非常規(guī)水源供水比例由3.7%增至5.9%等變化發(fā)生，響應(yīng)子系統(tǒng)保持較快發(fā)展速度。同時(shí)，受壓力、響應(yīng)子系統(tǒng)不斷提升的影響，狀態(tài)子系統(tǒng)發(fā)展方向從前期的低速惡化逆轉(zhuǎn)為2016年的低速改善，向好趨勢明顯，復(fù)合系統(tǒng)由初級協(xié)調(diào)發(fā)展階段轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展階段，但此時(shí)3個(gè)子系統(tǒng)所處狀態(tài)不一，海河流域水環(huán)境安全壓力保持穩(wěn)定，響應(yīng)力度明顯增加，狀態(tài)水平低速提升，導(dǎo)致協(xié)調(diào)發(fā)展水平持續(xù)下降，協(xié)調(diào)偏離度由2013年的22.8°增加至2016年的24.0°。2017—2020年，各子系統(tǒng)持續(xù)保持優(yōu)質(zhì)耦合發(fā)展，由于水環(huán)境壓力安全減輕和響應(yīng)增強(qiáng)對水環(huán)境安全狀態(tài)影響均有一定滯后性，這一階段壓力、響應(yīng)子系統(tǒng)提升速度放緩，但狀態(tài)子系統(tǒng)提升速度明顯增強(qiáng)，遠(yuǎn)超過壓力、響應(yīng)子系統(tǒng)，使得各子系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)差距縮小，整體協(xié)調(diào)度大幅提高，2020年協(xié)調(diào)偏離度下降至17.3°，已進(jìn)入較高水平耦合協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

表6 2009—2025年海河流域水環(huán)境安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度等級

注 2021年及以后為根據(jù)擬合曲線計(jì)算的預(yù)測值。

根據(jù)系統(tǒng)演變的歷史擬合曲線進(jìn)行計(jì)算，在保持歷史變化趨勢，即不對系統(tǒng)進(jìn)行新的干預(yù)的情況下，2021—2022年水環(huán)境安全系統(tǒng)仍將繼續(xù)優(yōu)質(zhì)耦合發(fā)展，2023年后響應(yīng)子系統(tǒng)呈下降趨勢，但整體協(xié)調(diào)度仍進(jìn)一步提高，至2024年達(dá)到最高，隨之進(jìn)入磨合耦合發(fā)展階段，2025年系統(tǒng)協(xié)調(diào)度降低。這一過程也表明，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展初期，水環(huán)境狀態(tài)會不可避免出現(xiàn)惡化，進(jìn)而限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但隨著發(fā)展水平的提高，人類采用各種管理的、經(jīng)濟(jì)的、制度的手段，逐步解除水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會的相互制約，水環(huán)境狀態(tài)的進(jìn)一步好轉(zhuǎn)將給經(jīng)濟(jì)增長帶來新的支撐，進(jìn)入新的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展時(shí)期。但這一耦合協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)在一段時(shí)間后會進(jìn)入極限發(fā)展階段，形成新的水環(huán)境安全挑戰(zhàn)。

3.3 關(guān)鍵指標(biāo)辨識

為進(jìn)一步辨識未來提升海河流域水環(huán)境安全度的關(guān)鍵指標(biāo)，在以上分析的基礎(chǔ)上，繪制了2020年指標(biāo)安全度、2009—2020年指標(biāo)安全度變化值、2020年指標(biāo)彈性的氣泡圖，具體如圖4所示。在圖中，橫軸（軸）為指標(biāo)2020年安全度，指標(biāo)點(diǎn)越遠(yuǎn)離縱軸（軸）表明其2020年水環(huán)境安全度越高，對水環(huán)境安全的支撐作用越強(qiáng)；縱軸（軸）表示對應(yīng)指標(biāo)2020安全度與2009年安全度的差值，指標(biāo)處于軸上方表示2009—2020年期間該指標(biāo)對流域水環(huán)境安全具有促進(jìn)作用，處于軸下方表示2009—2020期間該指標(biāo)對流域水環(huán)境安全造成一定程度威脅；氣泡大小代表了對應(yīng)指標(biāo)彈性的大小。

圖4 2020年指標(biāo)安全度、2009—2020年指標(biāo)安全度變化值、指標(biāo)彈性氣泡圖

根據(jù)氣泡大小與分布位置，可將各二級指標(biāo)分為4類?？梢钥闯?，大部分指標(biāo)在2009—2020年期間安全度有所提升，提升幅度最大的為氨氮超標(biāo)截面比（S6）與總磷超標(biāo)截面比（S7），2020年該2項(xiàng)指標(biāo)安全度已達(dá)到較安全水平，指標(biāo)彈性降低。部分指標(biāo)，包括非常規(guī)水源供水比例（R10）、生態(tài)用水占比（R6）等已達(dá)到非常安全狀態(tài)，在這一階段其指標(biāo)彈性為0。以上指標(biāo)均為Ⅰ型指標(biāo)。此類指標(biāo)過去曾對海河流域水環(huán)境安全度產(chǎn)生了主導(dǎo)拉動作用，在未來其拉動作用不再明顯，但將成為海河流域水環(huán)境安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)和優(yōu)勢所在。如海河流域非常規(guī)水源供水比例（R10）由2009年的2.3%提高至8.5%，在全國范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平，有效緩解了流域水資源稟賦先天不足帶來的限制。Ⅱ型指標(biāo)處于中間區(qū)域，該類指標(biāo)在過去時(shí)期顯示了一定的水環(huán)境安全保護(hù)作用，其中彈性較大的指標(biāo)，如單位糧食生產(chǎn)化肥施用量（P9），可考慮進(jìn)一步挖掘其拉動潛力。Ⅲ型指標(biāo)，包括劣Ⅴ類河長占比（S3）、森林覆蓋率（R8）和生物多樣性（R9）等，其指標(biāo)安全度相對較低，但具有較高的指標(biāo)彈性。此類指標(biāo)具有較高的提升水環(huán)境安全的潛力，是未來提升水環(huán)境安全管理中可重點(diǎn)考慮的有效途徑。如海河流域劣Ⅴ類河長占比2020年仍處在危險(xiǎn)水平，在此區(qū)間內(nèi)，該指標(biāo)每降低1個(gè)百分點(diǎn)，將帶來流域整體安全度0.019 0的提高，在2009—2020年間海河流域劣Ⅴ類河長占比平均每年約下降3個(gè)百分點(diǎn)，若按此速度保持下降趨勢，2025年能達(dá)到全國平均水平，并促進(jìn)流域整體安全度提高0.133 0；同樣，在2020年所處的危險(xiǎn)區(qū)間內(nèi)，Ⅰ-Ⅲ類河長占比（S4）每提高1個(gè)百分點(diǎn)，將帶來流域整體安全度0.002的提高，若實(shí)現(xiàn)“十四五”規(guī)劃中優(yōu)良水體比例達(dá)到85%的目標(biāo)，流域水環(huán)境安全度將提高0.069 0。若流域內(nèi)物種多樣性提高1種/km2，將促進(jìn)整體水環(huán)境安全度上升0.015 6。Ⅳ型指標(biāo)是截至2020年仍處于危險(xiǎn)或非常危險(xiǎn)狀態(tài)且指標(biāo)彈性較低或改善趨勢較弱的指標(biāo)，包括取水強(qiáng)度（S2）、人口密度（P1）、城鎮(zhèn)化率（P10）等，此類指標(biāo)大多不易進(jìn)行調(diào)節(jié)，如人口密度短時(shí)間內(nèi)不會出現(xiàn)較大變化，人口城鎮(zhèn)化也具有不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，因此更應(yīng)關(guān)注于如何緩解此類指標(biāo)對水環(huán)境安全帶來的損害，如針對取水強(qiáng)度較大從而威脅水資源可持續(xù)性的問題，可從需水端尋求提高重點(diǎn)部門用水效率的有效手段等。

4 結(jié)論與建議

①2009—2020年，海河流域水環(huán)境安全等級持續(xù)穩(wěn)定提高，已由較危險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^安全，系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度呈波動變化，2016年以來持續(xù)保持優(yōu)質(zhì)耦合發(fā)展?fàn)顟B(tài)，子系統(tǒng)協(xié)調(diào)度也大幅提高。②城市建成區(qū)綠化覆蓋率、第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重和生態(tài)用水占比等二級指標(biāo)已達(dá)到非常安全水平，是海河流域水環(huán)境安全的有力保障，但在未來階段該類指標(biāo)對流域水環(huán)境安全度的拉升作用不再明顯。③2020年，海河流域森林覆蓋率和物種多樣性分別處于危險(xiǎn)和較危險(xiǎn)水平，增加森林面積、提升流域物種多樣性將是提升流域水環(huán)境安全的有力手段。④各類污染物中，氮、磷污染得到有效控制，化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)等污染物仍嚴(yán)重超標(biāo)，消除劣Ⅴ類水體、增加優(yōu)良水體占比可有效促進(jìn)流域水環(huán)境安全度提高。

對此，提出以下建議：①水環(huán)境安全系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的改善提升需經(jīng)歷長期的、漸進(jìn)的動態(tài)調(diào)整。要維持系統(tǒng)長期耦合需發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，一方面要堅(jiān)持水環(huán)境安全保護(hù)戰(zhàn)略，通過政策調(diào)整、綜合規(guī)劃、市場誘導(dǎo)等方式減少非必要取水用水；另一方面鼓勵水資源利用技術(shù)創(chuàng)新，在不過分威脅水環(huán)境安全的前提下最大程度發(fā)揮水資源對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支撐作用，保障水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會耦合發(fā)展、協(xié)調(diào)共進(jìn)。②持續(xù)加強(qiáng)水體污染防治。海河流域下游段農(nóng)田密集，農(nóng)田污水徑流加重了流域氮磷污染，當(dāng)前污染水體治理已取得顯著成效，但仍需防范再度污染的問題。對此，建議建設(shè)農(nóng)田氮磷生態(tài)攔截溝渠等環(huán)保設(shè)施，強(qiáng)化對農(nóng)業(yè)排水中氨氮、總磷等污染物質(zhì)的凈化，從排放源頭降低污染物含量?；瘜W(xué)需氧量、高錳酸鹽、五日生化需氧量超標(biāo)反映出流域內(nèi)有機(jī)污染尚未得到有效治理，建議一方面加強(qiáng)對高有機(jī)污染濃度的生活污水的處理，提高排放標(biāo)準(zhǔn)，另一方面對水體中已有的藻類等主要污染來源進(jìn)行捕撈，并引入食藻生物對藻類繁殖進(jìn)行控制。③流域人均水資源量過低嚴(yán)重約束流域水環(huán)境安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，一方面要繼續(xù)加強(qiáng)節(jié)水型社會建設(shè)，通過制定地方性分行業(yè)用水定額等強(qiáng)制手段提高水資源利用率。另一方面應(yīng)因地制宜大力推行各類非常規(guī)水源的開發(fā)利用，如在山西等煤炭開采和洗選業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，可將開采過程中采掘井疏干水通過技術(shù)處理后用于后續(xù)洗選流程中以減少對地表水、地下水的取用；在天津等流域入海口區(qū)域則可擴(kuò)大海水淡化工程建設(shè)，逐步提高海水淡化水用于市政飲用的比例；隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)，城市面積持續(xù)擴(kuò)大，在城市建設(shè)中，應(yīng)合理規(guī)劃綠化面積，并通過土壤滲水性改良、園地微地形設(shè)計(jì)等方式提高綠地景觀的雨水收儲能力。④建議完善封山育林管理，通過人工介入調(diào)整植物密度，增強(qiáng)亞林層和灌草層厚度，促進(jìn)單層林發(fā)展為復(fù)層林，最大限度維護(hù)森林物種多樣性，同時(shí)進(jìn)一步提高森林的水源涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)能力。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在利益沖突）

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Evaluation of Water Environmental Security in the Haihe River Basin and Analysis of Dynamic Coupling Coordination

QIN Minghui1,3, LIU Xiuli1,2,3*

(1. Academy of Mathematics and Systems Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Center for Forecasting Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

【Objective】The Haihe River plays a pivotal role in supporting various industrial and agricultural sectors in northern China. This paper presents a comprehensive evaluation of its environmental security and coordinated development to identify factors that influence environmental security most.【Method】The analysis was based on the pressure-state-response model, from which we proposed an improved comprehensive and systematic indicator system, including indicators that have been neglected, such as biodiversity and non-conventional water sources. A fuzzy comprehensive evaluation method was used to assess the water environmental security, and the entropy weight method and principal component analysis method were used to calculate the weights. A dynamic ternary-coupled coordination degree model was used to analyze the dynamic coupling and quantitatively calculate the coordination of the subsystem of pressure, state, and response. The key factors affecting water environmental security were identified through comprehensive consideration of the contribution rate and elasticity of the indicators. 【Result】①From 2009 to 2020, water environmental security in the basin had gradually improved, experiencing a transition from primary-coupling to advanced coupling. During this period, the coordinated development level decreased first followed by an increase. The deviation from the coordination had increased from 22.8° to 24.0°, except in 2020 in which it fell to 17.3°. ②The security of primary indicators had increased in all levels, among which the state indicator improved most significantly, despite still in relatively dangerous status. ③The secondary indicators had different influences on water environment security, among which the increase in population and urbanization had the most detrimental effect. Ammonia nitrogen and total phosphorus in the basin had been greatly reduced, but water quality in some parts of the basin were still category I-III, with potential to grow further. Increasing the use of non-conventional water sources can improve water environmental security. 【Conclusion】In medium and long term, water environmental security in the basin can be improved by reducing the discharge of pollutants such as COD, BOD-5, and permanganate. Increasing use of desalinated seawater and rainwater collection, as well as storage capacity of green landscape can also improve water environmental security. It is crucial to maintaining and enhancing biodiversity and vegetation coverage to reduce water and nutrient losses to improve water security in the basin.

water environmental security; ternary dynamic coupling coordination degree; PSR model; comprehensive assessment; Haihe River Basin

1672 - 3317（2023）10 - 0063 - 11

X24

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022696

秦明慧, 劉秀麗. 海河流域水環(huán)境安全評價(jià)及動態(tài)耦合協(xié)調(diào)度分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(10): 63-73.

QIN Minghui, LIU Xiuli. Evaluation of Water Environmental Security in the Haihe River Basin and Analysis of Dynamic Coupling Coordination[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 63-73.

2022-12-21

2023-06-16

2023-10-17

國家社會科學(xué)基金專項(xiàng)項(xiàng)目（E31Z060101）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71874184）

秦明慧（1994-），女。博士研究生，主要從事水資源與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展、投入產(chǎn)出分析與計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型研究。E-mail: 1208033745@qq.com

劉秀麗，女。研究員，博士，主要從事宏觀經(jīng)濟(jì)-資源-環(huán)境-人口復(fù)雜系統(tǒng)建模與預(yù)測、投入產(chǎn)出分析與計(jì)量經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)模型研究、面向可持續(xù)發(fā)展的政策仿真與決策支持研究。E-mail: xiuli.liu@amss.ac.cn

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍