饶清华,林秀珠,李家兵,陈 琪,陈文花
流域社会经济与水环境质量耦合协调度分析
饶清华1,林秀珠1,李家兵2,3*,陈 琪4,陈文花5
(1.福建师范大学福清分校近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室,福建 福清 350300;2.福建师范大学环境科学与工程学院,福建 福州 350007;3.路易斯安那州立大学植物、环境和土壤科学系,美国路易斯安那州 巴吞鲁日 70803;4.福建省水利水电勘测设计研究院,福建 福州 350001;5.福建省环境监测中心站,福建 福州 350003)
从经济发展、社会发展、环境保护等方面构建耦合协调评价指标体系,采用熵权法确定指标权重,利用力学平衡模型,对闽江流域各个地区2006~2016年耦合协调程度进行评估.结果表明:三明、南平、福州市的经济发展水平、社会发展水平、环境保护水平总体上均呈现逐年递增的趋势,在空间上大体表现为福州>三明>≈南平.三明、南平、福州等地区的耦合协调度总体上呈现递增趋势,在空间上表现为福州>三明≈南平.从时间变化看,可以将闽江流域耦合协调度划分成3个阶段:阶段I (2006~2009年)、阶段II (2009~2013年)、阶段III (2013~2016年).根据闽江流域各地区耦合协调度偏离方向的大小,将闽江流域各地区不同年限的耦合协调发展划分为环境保护滞后型(I象限)、经济发展滞后型(II象限)、社会发展滞后型(III象限),并对不同滞后类型分别提出改进方向.
社会经济;水环境质量;耦合协调;闽江流域
水是人类赖以生存的资源,对社会和国民经济的发展、人民生活质量的改善发挥着决定性作用.水环境资源的开发利用程度标志着国家的经济和科技发展水平.然而,随着社会经济的发展,人们生活质量提高,生活、生产过程产生的大量废水排入到自然水体中,造成水体严重污染,引起了社会的广泛关注.我国政府明确提出水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题.经济社会发展必须建立在资源能支撑、环境能容纳、生态受保护的基础上,确保青山常在、绿水长流.“绿水青山就是金山银山”,因此,要正确处理生态环境保护和经济发展之间的关系,必须坚持人与自然和谐共生,从生态、环境、资源3个方面加快构建生态功能保护红线、环境质量安全底线、自然资源利用上线的“三大红线”,将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内.在此深刻背景下,开展社会经济与水环境协调发展研究显得十分必要,通过相关研究能够揭示社会经济与水环境之间的协调发展关系及其主要发展“短板”.目前,关于社会经济与水环境协调发展已有一定的研究,主要集中在以下几个方面:①从不同的视角研究流域协调发展,如水环境承载力[1-7],水足迹[8-11],水环境生态安全[12-13]等;②采用不同的研究方法对流域协调发展进行评估,如主成分分析法[14]、多元回归分析法[15];③从不同的空间格局研究流域协调发展程度[16-18].
流域协调发展指标体系一般包含多个子系统,分为多个层次,因此流域耦合协调发展评估问题是一种多目标、多决策的复合系统问题.耦合协调发展评估的本质就是根据流域社会、经济、环境实际,建立指标体系,将流域内不同子系统的评价指标转换成一维实数的耦合协调发展综合指数.已有的研究方法往往仅评估流域各子系统之间的协调发展关系,而不能揭示发展过程中的主要“短板”,导致评价结果不能完全反映流域发展的客观实际情况.基于力学平衡的协调发展模型能够反映流域内不同区域各个子系统的发展水平以及主要制约因素,为制定差异化流域协调发展政策提供科学依据[19-20].
闽江作为福建省的第一大河,全流域面积达60992km2,其中在福建省内面积达59922km2,占全省陆域面积的48.87%,是福建省重要的地表水饮用水源.闽江流域的生态环境对福建省的经济发展以及人民生活质量具有极其重要的影响.目前,针对闽江流域水质变化开展了少量的研究,主要包括:流域水体水质参数研究[21],水质变化特征与趋势[22-24],水体重金属、有机物等污染物来源、分布[25-29]等.梳理已有研究发现,对于闽江流域水质变化与社会经济协调发展关系的研究十分缺乏.此外,随着经济的发展和人民生活水平的提高,闽江流域水污染问题频繁出现,水环境压力日益增大,对流域社会经济的协调发展产生不利影响.开展闽江流域社会经济与水环境协调发展研究显得十分必要,通过相关研究能够揭示社会经济与水环境之间的协调发展关系及其主要发展“短板”.因此,本研究以闽江流域为例,引入力学平衡的模型,对流域内的经济、社会发展情况与水环境保护情况进行时空分布研究,以期为流域经济、社会与水环境质量协调发展提供科学依据.
以闽江流经的主要城市三明、南平、福州为研究对象,分别采用水汾桥断面、竹岐断面、白岩潭断面水质代表三明市、南平市、福州市的水环境状况,对2006~2016年期间的闽江流域社会经济与水环境协调发展情况进行分析.
研究所需数据主要来源于《福建省统计年鉴》(2006~2016年)、《福建省水资源公报》(2006~2016年)、《三明统计年鉴》(2011~2015年)、《南平统计年鉴》(2011~2015年)、《福州统计年鉴》(2011~2015年).水质数据来源于福建省生态环境厅.
系统耦合协调是指2个或2个以上系统或系统要素相互关联、相互耦合、相互促进的过程.流域社会经济与水环境质量协调发展是指在流域经济、社会的发展过程中,提高资源能源的利用效率,减少水环境污染物产生与排放,从而实现流域经济社会发展与生态环境保护双赢.基于流域可持续发展的内在特征,将流域可持续发展分解成经济发展、社会发展、环境保护3大子系统,3者之间既存在相互促进作用,又存在相互制约作用,3者的耦合协调发展是实现流域可持续发展的必要条件.首先采用无量纲化对原始数据进行标准化处理,以消除不同指标之间不同单位的影响;其次利用熵权法确定指标权重;最后对3个系统的初始值进行标准化处理后,将各项指标加权叠加法合成.耦合协调度评价指标体系及权重具体见表1.
1.2.1 经济发展 经济发展是流域可持续发展的基础,经济发展是在经济增长的基础上,流域经济结构、社会结构、环境效益持续的创新或变化过程.经济发展主要包含经济总量的增长、经济结构的改进和优化、经济质量的改善和提高等3个方面的内容,具体表现为:国内生产总产值(GDP)、固定资产投资、第一产业比重、第二产业比重、第三产业比重、人均GDP等.
1.2.2 社会发展 社会发展是指在经济发展基础上的社会全面进步,是流域可持续发展的表现形式.本研究所指的社会发展主要考虑流域内生活水平、生活质量的改善和提高,具体表现为:年末总人口、人均财政收入、人均社会消费品零售额、城镇居民恩格尔系数等.
1.2.3 环境保护 生态环境保护首先要以人为本,强调从流域的生活、生产活动与生态环境的关系出发,追求人与自然的和谐;其次生态环境保护要以资源环境承载力为前提,经济社会发展必须建立在资源能支撑、环境能容纳、生态受保护的基础上,确保青山常在、绿水长流、空气常新.因此,环境保护主要通过单位GDP的COD排放量、单位GDP的NH3-N排放量、工业废水排放量、生活废水排放量、CODMn、NH3-N、公共绿地面积、年降水量、水资源量、人均水资源量、人均综合用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、森林覆盖率等指标来体现.
将经济发展、社会发展、环境保护3大子系统之间的耦合协调关系映射为笛卡尔坐标系中3个不同方向的作用力,并根据3者的力学平衡结果来定量测度流域社会经济与水环境质量协调发展的状态,构建基于力学平衡模型的流域社会经济与水环境质量协调发展判别模型(图1)[19-20].其中,矢量1、2、3分别代表流域经济发展、社会发展、环境保护子系统的发展指数.矢量1、2、3夹角弧度均为2π/3,3个矢量的合力合即为流域社会经济与水环境质量协调发展的状态.当流域经济发展、社会发展、环境保护子系统之间实现完全均衡协调发展时,合力为0,合位于坐标系原点处.在实际发展过程中,子系统的各要素条件存在较大差异,流域经济发展、社会发展、环境保护3个子系统的综合发展水平并非完全均衡,而是更多的处于此消彼长的非均衡状态,即存在合不同程度的偏离均衡点的情况.因此,通过测度合的大小与偏离程度便可直观地反映出流域各子系统间的协调发展关系及其主要发展“短板”.实际计算过程中,采用极坐标(,)表征耦合协调度.极径表征偏离距离,越大,表示各子系统的发展越不均衡,协调度越差;极角表征子系统耦合的偏离方向.将1、2、3的方向角度分别定义为0、2π/3、4π/3,根据矢量运算规则,具体的计算公式为:
表1 流域经济、社会、环境协调发展综合评估指标体系
式中:、、分别为流域经济发展、社会发展、环境保护子系统发展指数;表示3个子系统发展状态的合力;、、、和、、、分别表示其x轴与y轴的坐标;r、θ分别表示合力的极径、极角.
流域经济发展(ED)、社会发展(SD)、环境保护(EP)水平指数分别表征流域发展过程中对应的3个子系统的发展水平,2006~2016年闽江流域各地区的经济发展、社会发展、环境保护水平指数具体见图2.
2.1.1 经济发展水平 研究期内,三明、南平、福州市的经济发展水平呈现逐年递增的趋势,分别由2006年的0.327,0.328,0.494上升至2016年的0.578,0.492,0.978,增长幅度分别为76.75%,50.00%, 97.98%.在空间上表现为福州>三明>南平,说明南平地区经济相对落后,而闽江流域下游地区福州市的经济发展水平相对较高.其中,2006~2016年期间三明与福州的人均GDP差距基本保持一致,2者基本保持同步增长的态势.福州与南平的人均GDP差距呈现进一步扩大的趋势,可能将制约闽江流域经济的可持续发展.此外,2006~2016年期间福州地区的第一第二产业比重呈现逐渐下降的趋势,第三产业比重上升较快,2016年的比重超过50%;相反,三明、南平地区虽然第一产业逐渐下降,由于第二产业比重上升较大,导致第三产业比重不但没有升高,反而呈现缓慢下降的趋势.作为衡量一个国家或流域产业结构和社会化水平的重要标志,三明、南平地区的第一、二产业比重明显偏大,第三产业比重较小,说明上述地区第三产业的发展缓慢,地区的经济结构状态亟需进一步调整.
2.1.2 社会发展水平 研究期内,三明、南平、福州市的社会发展水平呈现逐年递增的趋势,分别由2006年的0.276,0.278,0.483上升至2016年的0.449, 0.444,0.998,增长幅度分别为62.68%,59.71%, 106.63%.在空间上表现为福州>三明≈南平.其中,三明地区2006~2013年的社会发展与经济发展基本呈现同步增长的趋势,但社会发展水平显著低于经济发展水平;2013~2016年的社会发展水平放缓,未能与经济发展保持同步增长的趋势.南平地区2006~ 2007年的社会发展水平则高于经济发展水平, 2007~2014年时经济发展水平与社会发展水平基本保持一致,2014~2016年的社会发展水平呈现变缓的趋势.福州地区2006~2016年的经济发展与社会发展均呈现逐年递增的趋势,2者基本保持同步增长的态势.人均地方财政收入是反映某一区域社会发展水平的重要指标.三明、南平、福州地区的人均地方财政收入在2006~2016年均表现出较大幅度的增长,就人均地方财政收入增幅而言,福州>>三明>南平.通过引入人均社会消费品零售额来反映一个地方的消费能力.三明、南平、福州地区的人均社会消费品零售额分别由2006年的4105.65,4382.70, 10784.03元增长到2016年的16755.58,17327.98, 54771.66元,就增幅而言,福州>>南平≈三明.此外,居民消费结构的差异,突出体现在恩格尔系数(EC)的差异上.EC是衡量一个国家和地区人民生活水平的重要指标.由恩格尔系数可知,三明地区基本上处于小康-相对富裕级别,南平地区2014~2016年处于相对富裕级别,其余时段基本上处于小康级别,福州地区则基本上处于相对富裕级别.
2.1.3 环境保护水平 研究期内,三明、南平、福州市的环境保护水平总体上呈现递增的趋势,分别由2006年的0.347,0.393,0.409上升至2016年的0.601,0.607,0.713,增长幅度分别为73.20%,54.45%, 74.33%.在空间上表现为福州>三明≈南平.三明、南平地区的环境保护水平呈现较为一致的状态,表现为下降-波动-上升的趋势.福州地区2006~2009年环境保护水平呈现缓慢上升的趋势,2009~2011年出现一定程度的下降,2011~2016上升趋势明显.三明、南平、福州地区单位GDP的COD排放量、单位GDP的NH3-N排放量、工业废水排放量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等指标总体上呈现下降的趋势.与此相反,生活废水排放量呈现逐年递增的趋势,公共绿地面积、森林覆盖率等指标总体上表现出上升的趋势.CODMn、NH3-N浓度呈现波动但总体上下降的状态.此外,年降水量、水资源量、人均水资源量等指标由于受气候因素的影响较大,呈现波动的趋势.总结上述分析,2006~2009年期间,三明、南平地区的工业废水排放量、生活废水排放量、CODMn、NH3-N浓度呈现上升的趋势,而年降水量、水资源量、人均水资源量等指标表现出下降的趋势,上述7个指标在2009~2013呈现波动的趋势,这可能是三明、南平地区2006~2009期间环境保护水平发展缓慢甚至呈现下降的趋势以及2009~2013期间环境保护水平表现出波动状态的主要原因.2009~2011年,福州地区单位GDP的COD排放量、单位GDP的NH3-N排放量、工业废水排放量、人均综合用水量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量等指标出现上升的趋势,推测这可能是导致福州地区2009~2011年环境保护水平下降的原 因.
如图3所示,闽江流域不同地区的耦合协调度在空间上表现为福州>三明≈南平,表明南平地区的耦合协调程度最优,三明地区次之,福州地区相对最差.从时间上看,可以将闽江流域耦合协调度划分成3个阶段:阶段I (2006~2009年),该阶段内三明、南平与福州地区的耦合协调度水平变化呈现相反的趋势,表现为福州>南平>≈三明.总体上看福州地区呈现上升的趋势,而三明、南平地区呈现一定程度的下降,其中南平地区的下降幅度最大、三明地区次之,说明2006~2009年期间南平地区的耦合协调程度最优,三明地区次之,福州地区相对最差.阶段II (2009~2013年),该阶段空间表现为福州>三明≈南平,说明2009~2013年期间南平地区的耦合协调程度最优,三明地区次之,福州地区相对最差.三明地区耦合协调度总体上呈现缓慢上升的趋势.南平地区的耦合协调度总体上呈现较大的波动,表现为“M”型结构.福州地区2009~2013年的耦合协调度水平总体递增,但与三明地区相比呈现相反的趋势,表现为“W”型结构.阶段III (2013~2016年),该阶段空间表现为福州>三明>南平,表明该阶段南平地区的耦合协调程度最优,三明地区次之,福州地区相对最差.三明、南平地区的耦合协调度水平变化较为一致,总体上呈现增加的趋势,2015~2016年增长幅度较大.福州地区先呈现先上升后下降的趋势.
图3 闽江流域各地区耦合协调度指数
闽江流域内整体的耦合协调度总体上呈现递增趋势,说明区域的耦合协调程度在下降.其原因可能有以下几个方面:一方面,三明、南平地区的经济发展水平较慢,并且南平地区与福州的人均GDP差距呈现进一步扩大的趋势;另一方面,三明、南平地区的社会发展水平显著低于经济发展水平,并且与经济发展水平相比,增长较为缓慢;此外,相对于经济发展、社会发展水平而言,福州地区的环境保护水平偏低.
图4 闽江流域各地区耦合协调度及象限分布
矢量1、2、3两两结合可将空间划分为3个象限,每个象限所表征的矢量状态各不相同.根据闽江流域各地区耦合协调度偏离方向的大小(图4),分析各地区耦合协调发展所面临的主要制约因素,并将闽江流域各地区不同年限的耦合协调发展划分为3种滞后类型.
2.3.1 环境保护滞后型(I象限) 包括三明市(2011年、2013~2014年)、福州市(2006~2016年).相对于经济发展、社会发展而言,三明、福州地区在上述年限的环境保护水平偏低,即三明、福州地区耦合协调发展所面临的压力主要来自环境保护.2011年、2013~2014年三明地区CODMn、NH3-N浓度与往年相比偏高,年降水量、水资源量、人均水资源量等指标由于受气候因素的影响,呈现显著偏低的趋势.此外,生活废水排放量却逐年递增.因此,这可能是三明地区上述时间段环境保护水平偏低的主要原因.三明地区以造纸、印染、化工、合成革、合成氨、制药、食品等为主体产业,因此,应对重点排污行业实行严格的排污总量控制,抓好重点污染行业环境整治,推进重点行业专项治理,实施清洁化改造,实行主要污染物排放等量或减量置换.严控新(扩)建制浆造纸、印染、合成革、电镀、有色金属、化工等高污染、高风险的项目,禁止新建制革项目;重金属重点控制区域禁止新建、扩建增加相应重金属排放量的项目;印染、电镀、合成革行业新建企业必须全部进入相应行业的集控区.福州地区作为福建省省会,经济发展较快,人口数量较多,因此生活废水排放量、CODMn浓度、NH3-N浓度等指标与三明、南平地区相比明显偏高.此外,年降水量、水资源量、人均水资源量等指标由于受气候因素的影响,在整个流域内处于最低水平.近年来福州地区环境保护和生态建设成效较好,环境质量总体保持稳定,但是仍然存在诸多瓶颈制约和短板,主要体现在以下几个方面:水源地水库的富营养化和水华爆发的风险依然存在;污水管网建设滞后,雨污分流不到位,难以发挥减排成效;规模化畜禽养殖场标准化整治水平不高,建陶业、印染行业、畜禽养殖业等重点行业污染治理和清洁生产工作还需要进一步推进;农村村镇环境基础设施尚不完善.因此,应加大化学需氧量、氨氮、总磷、重金属及其他影响人体健康的污染整治力度;以保护饮用水水源地和改善闽江入海口水质为目标,重点加强生活污水治理和畜禽养殖污染整治;推进造纸、建陶、氮肥、有色金属、印染、钢铁、农副食品加工、原料药制造、农药、电镀等重点行业专项治理,实行主要污染物排放等量或减量置换;加快城镇污水处理设施建设,加强配套管网建设,提高污水管网覆盖率和截污能力.
2.3.2 经济发展滞后型(II象限) 根据象限分布的结果表明,三明、南平、福州地区均不属经济发展滞后型.与福州地区相比,三明、南平地区经济发展仍然处于较低水平,第一、二产业比重较大,第三产业比重较小.经济总量的增长、经济结构的改进和优化、经济质量的改善和提高等难以满足地区的快速发展需要.因此,应加大生产性服务业发展力度,加快公共服务平台建设,引导生产性服务业企业在中心城区、开发园区、农业(工业)产业基地及有条件的城镇等区域集聚发展;积极调整工业产业结构,促进产业结构与产品结构优化升级,重点发展低污染、低能耗、高效益、高附加值的高新技术产业、新兴工业和都市型工业,采用先进技术改造提升纺织、建材、食品等传统产业;加快淘汰重污染、低效率、高能耗的“五小企业”.加速集聚资源,提升电子信息、机械装备、石油化工等主导产业的技术水平和产品层次;培育发展战略性新兴产业,以重大项目为抓手,以技术和人才为支撑,将新能源、新材料、新能源汽车产业培育成先导性产业.
2.3.3 社会发展滞后型(III象限) 包括三明市(2006~2010年、2012年、2015~2016年)、南平市(2006~2016年).三明、南平地区在上述年限耦合协调发展的压力主要来自地区的社会发展与经济发展及环境保护未呈现同步状态,表现为流域内居民生活水平、生活质量的改善和提高等难以满足地区的快速发展需要,说明高速经济增长与居民生活质量水平存在反差.三明、南平地区的人均地方财政收入以及人均社会消费品零售额呈现增长的趋势,就增幅而言,远低于福州地区.此外,三明地区(2006~ 2010年、2012年)、南平地区(2006-2013年)的EC较大,均大于40%.因此,应进一步推动更高质量就业,深入实施就业优先战略,建立健全覆盖城乡的公共就业创业服务体系;拓宽多层次增收渠道,壮大村级集体经济,保障农民集体经济组织成员权益,确保农民分享流转收益,拓宽农村外部增收渠道和财产性收入渠道,稳步增加农民收入;改进和完善职工收入与经济效益协调增长机制,全面落实企业工资指导线制度;积极拓宽消费领域,优化消费水平与结构,促进食品消费向营养型、健康型发展;推进绿色环保、节能性耐用消费品的普及;鼓励提高服务性消费,扩大教育培训、医疗保健、文教娱乐、旅游休闲等服务消费和休闲消费.
3.1 2006~2016年,三明、南平、福州市的经济发展水平呈现逐年递增的趋势,在空间上表现为福州>三明>南平;三明、南平、福州市的社会发展与环境保护水平均呈现逐年递增的趋势,在空间上均表现为福州>三明≈南平.
3.2 闽江流域内的三明、南平、福州等地区的耦合协调度总体上呈现递增趋势,在空间上表现为福州>三明≈南平.从时间上看,可以将闽江流域耦合协调度划分成3个阶段:阶段I (2006~2009年),三明、南平与福州地区的耦合协调度水平变化呈现相反的趋势,表现为福州>南平≈三明;阶段II (2009~2013年),空间表现为福州>三明≈南平;阶段III (2013~ 2016年),空间表现为福州>三明>南平.
3.3 根据闽江流域各地区耦合协调度偏离方向的大小,将闽江流域各地区不同年限的耦合协调发展划分为3种滞后类型:环境保护滞后型(I象限),包括三明市(2011年、2013~2014年)、福州市(2006~ 2016年);经济发展滞后型(II象限),三明、南平、福州地区均不属经济发展滞后型;社会发展滞后型(III象限),包括三明市(2006~2010年、2012年、2015~ 2016年)、南平市(2006~2016年).
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Analysis of coupling coordination between social economy and water environment quality in river basin.
RAO Qing-hua1, LIN Xiu-zhu1, LI Jia-bing2,3*, CHEN Qi4, CHEN Wen-hua5
(1.Key Laboratory of Measurement and Control System for Coastal Environment, Fuqing Branch of Fujian Normal University, Fuqing 350300, China;2.College of Environmental Science and Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;3.School of Plant, Environmental and Soil Sciences, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA;4.Fujian Provincial Investigation Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower, Fuzhou 350001, China;5.Fujian Environmental Monitoring Center, Fuzhou 350003, China)., 2019,39(4):1784~1792
An indicator system for coupling coordination assessment was constructed based on indices from three aspects: economic development, social development and environmental protection, with weights determined by applying a mechanical balance model based on the information entropy theory. We applied our indicator system to evaluate coupling coordination degree of the Min River basin over the period from 2006 to 2016. The results showed that: the level of economic development, social development and environmental protection in Sanming, Nanping and Fuzhou regions all have increased during this period. Spatially, Fuzhou achieved the greatest improvement, followed by Sanming, then Nanping. The same increasing trend has been found on the coupling coordination degree at all three regions. Spatially, the degree of improvement achieved in each region followed the order of Fuzhou, Sanming, and Nanping. According to the status of the coupling coordination, we divided the research period into three stages: stage I (2006~2009), stage II (2009~2013) and stage III (2013~2016). Within each stage, we categorized the regional coupling coordination into three groups based on the deviation directionof the coupling coordination degree in each area of the Min River basin: lagging in environmental protection type (I quadrant), lagging in economic development type (II quadrant) and lagging in social development type (III quadrant), and we also discussed the improvement suggestions for each type in this article.
social economy;water environment quality;coupling coordination;Min River basin
X32
A
1000-6923(2019)04-1784-09
2018-09-06
福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划项目(闽教科[2018]47号);福建省自然科学基金资助项目(2018J01744);近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室(福建师范大学福清分校)开放课题(S1-KF 1707);福建师范大学福清分校2017年度高级别项目校内培育项目(KY2017S05)
*责任作者, 副教授, lijiabing@fjnu.edu.cn
饶清华(1981-),男,博士,副教授,主要从事环境影响评价方面研究.发表论文29篇.