海河流域水环境安全评价及动态耦合协调度分析

秦明慧，刘秀丽

▪水土资源与环境▪

海河流域水环境安全评价及动态耦合协调度分析

秦明慧1,3，刘秀丽1,2,3*

（1.中国科学院 数学与系统科学研究院，北京 100190；2.中国科学院 预测科学研究中心，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049）

【目的】对海河流域水环境安全状况和耦合协调发展态势做出客观全面的综合评价并辨析影响流域水环境安全的关键因素，为后续流域水环境管理与保护工作提供政策参考。【方法】基于压力-状态-响应模型框架，综合考虑生物多样性、非常规水源供水比例等常被忽略的指标，构建更加全面系统的水环境安全评价指标体系；构建基于EWM-PCA组合权重的模糊综合评价模型对水环境安全状况进行评价；通过建立三元动态耦合协调度模型，评价分析了压力、状态、响应子系统的动态耦合发展状态，并进行了协调度的量化计算；结合指标贡献率和指标弹性辨识出影响水环境安全的关键因素。【结果】①2009—2020年间海河流域水环境安全等级由较危险转变为较安全，同时经历了从初级耦合向高级耦合的转变，协调发展水平先降后升，偏离协调度由22.8°最高增至24.0°，2020年下降至17.3°。②各一级指标安全度有不同程度提高，其中状态指标改善最为显著，但仍处于较危险等级。③各二级指标对水环境安全的影响不一，其中人口密度增加和城镇化进程对海河流域水环境安全的破坏作用最强；氨氮、总磷的超标截面比在这一阶段大幅降低；Ⅰ-Ⅲ类河长占比仍处于较危险水平，具有较大提升潜力；非常规水源供水比例提升等则是海河流域水环境安全的有力保障。【结论】从中长期来看，加强对水体中化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸盐严重超标的治理，大力推行各类非常规水源的开发利用（如促进淡化海水的使用、提高绿地景观的雨水收储能力），维护和提高流域森林覆盖率、物种多样性等将是持续提升海河流域水环境安全度的有效途径。

水环境安全；三元动态耦合协调度；PSR模型；综合评价；海河流域

0 引言

【研究意义】近年来，伴随着城镇化进程的不断推进，国家将水环境安全保护提升至生态文明建设的重要位置，水环境整治力度不断加强[1]。流域是由降水天然形成的以分水岭为边界的综合单元，是人与水环境共生的主体自然空间，其特性决定了治水管水的思维和行为必须以流域为基础单元的观念[2-3]。各国政府部门相继提出从流域尺度维持和恢复流域水生态系统完整性的目标，并建立统一的流域管理机构对流域水资源、水环境进行一体化管理[4]。海河流域是我国经济最为发达的区域之一，水环境安全问题却相较其他流域更为严峻，流域经济社会可持续发展也受到一定制约。从水量、水质、社会、经济深度耦合的角度对海河流域水环境安全状况做出客观全面的综合评价并辨析影响流域水环境安全的关键因素，不仅可以检验既往水环境修复措施的成效，也为后续流域水环境管理与保护工作提供政策参考。

【研究进展】指标评价法是最为广泛使用的水环境安全定量评价方法，为体现指标体系层次性并区分不同指标性质，学者们通常会选择特定的模型作为构建评价指标体系的框架。其中，压力-状态-响应（Pressure-State-Response，PSR）[5]模型及其衍生模型，包括驱动力-状态-响应、驱动力-压力-状态-影响-响应、驱动力-压力-状态-影响-响应-管理等，常被用来描述复合系统的内在联系和完整发展过程，可反映水环境安全各层面要素之间的作用关系[6]。已有研究基于以上模型构建评价指标体系对省、市、湿地等尺度下的水环境安全状态进行测度与评价[7-12]，但并未形成符合不同尺度（如针对国家、流域、农村、城市、湖泊、水库等）特点的系统性、规范性指标体系，且往往缺少生物多样性等生态指标。为弥补水环境安全综合评价无法直观展现水体与人类社会发展之间的相互影响作用及其动态变化趋势的不足，现有研究从城市化发展水平、经济规模、人口规模与水环境质量的耦合协调发展关系的角度开展了一系列研究[13-15]。尚存在两方面待完善之处，第一，在研究内容上，大多将水环境与经济社会分割为2个不同的系统进行研究，未充分考虑经济系统对水环境的维护和胁迫作用。第二，在研究方法上，主要采用耦合协调度模型作为研究系统均衡发展程度的评价工具。其中在涉及多年时序数据研究时，大部分研究在静态耦合协调度计算的基础上进行了比较静态分析[16-18]，或结合马尔可夫链、β收敛模型、VAR模型等计量的时序分析方法进行耦合协调度动态变化分析[19-21]，未能反映各系统动态变化趋势。

【切入点】本文选择被广泛应用的PSR模型，在此框架下，考虑了生物多样性、非常规水源供水比例等常被忽略的指标，通过定性与定量分析，构建了流域水环境安全评价指标体系。结合熵权法（Entropy Weight Method，EWM）和主成分分析法（Principal Components Analysis，PCA）构建组合权重，减少了传统模糊综合评价中权重赋值的主观性，以提高评价结果的客观性和科学性。针对当前耦合协调度模型不具有延续性、面向未来的实用性较低的不足[22]，本文根据系统科学理论方法推导思想，构建了三元动态耦合协调度模型，在进行耦合度划分时，主要根据计算结果的正负性确立，避免了过去主观划分等级带来的偏差。最后，进行指标贡献率与弹性计算，并据此衡量不同指标对海河流域水环境安全的影响程度。【拟解决的关键问题】本研究对海河流域2009—2020年水环境安全状况与耦合协调发展态势进行综合评价，并辨识出影响海河流域水环境安全的关键指标，为海河流域水环境综合治理提供科学的理论依据和政策建议。

1 研究区概况

海河流域位于北纬35°0′—42°42′，东经115°59′—119°36′，总面积约32万km2，按地貌可划分为内蒙古高原、华北山地和海河平原。流域西面和北面被太行山、燕山和蒙古高原环抱，南面以黄河为界，东面直达渤海湾。流域水系分散，源短流急，绝大多数河流发源于占流域总面积60%以上的山地，水量季节性变化显著[23-24]。海河流域承载着京津冀地区等重要的政治、经济、文化中心和河北、山东、河南等中国主要粮食产地，20世纪80年代至21世纪初期，流域人口与GDP高速增长，水环境逐渐超载运行，出现地下水严重超采、河道干涸、河流功能退化、入海水量锐减等诸多相关问题。20世纪末期，海河流域废污水排放量逐年激增。同时，2006—2007年流域降水量过少，引发了水质的严重突变恶化[25]。21世纪以来，随着引黄济津、卫运河治理等水利工程陆续建设完工，《海河流域水资源综合规划》《海委关于全面推行河长制工作方案》《海河流域水安全保障方案》等规划方案的出台和水功能区限制纳污红线、最严格水资源管理制度等制度的落实，海河流域进入以遏制水环境恶化、实现生态环境综合治理修复为主要目标的综合修复保护阶段，实现了从单一解决水量、水质问题到对二者进行综合治理的转变[26-27]。在此过程中，海河流域“有河皆干、有水皆污”的现象有所改善，但水环境安全状况仍不乐观[28-29]。

2 模型与方法

2.1 评价指标体系构建

水环境安全是水体保持一定的水量、安全的水质条件以维护其正常的生态系统和生态功能，同时能较大限度地满足人类生产和生活的需要，使人类自身和人类群际关系处于不受威胁的状态[30]。如图1所示，在PSR模型框架下，由水体与社会经济相互作用而形成的水环境安全系统可分解为压力、状态、响应3个子系统，与评价指标体系中压力（P）、状态（S）、响应（R）等3个一级指标一一对应。

图1 水环境安全PSR模型框架

其中压力子系统代表了可能影响水体稳定性的系列人类社会经济活动。包括社会经济发展水平（如人口规模、城镇化进程、流域生产总值等）的变化，农业、工业和服务业的生产用水效率（可选用万元工业增加值用水量等指标进行描述），城乡居民用水强度，和生产中可能造成的水污染问题（如农业生产中化肥的使用[31]）等。

状态子系统代表了水体维持整个水环境系统稳定运行的能力，包括对社会经济发展的支撑力，主要通过供水水量和水质体现。具体来看，人均水资源量可体现出流域水资源稀缺性；污染河长占比反映了整体水质状况，但不能区分不同污染物的影响。因此，需进一步将污染物细分进行精准识别。除了保障现阶段数量充足、质量稳定的水资源外，水环境安全还需考虑其满足人类社会经济与生态的长期需求，即可持续性保障能力。考虑到水资源可持续性与水资源禀赋和开发利用程度密切相关，选取取水强度作为描述可持续性的代表评价指标纳入评价指标体系。

响应子系统代表了人类为增强水体稳定性和可持续性而采取的多维度措施。如，在经济上，增加污染治理投资；在思想认知上，人均受教育水平的提高往往会带来居民整体节水意识的提升；在管理上，扩大节水灌溉面积占比与非常规水源供水比例均有助于缓解地下水严重超采问题，建造水库与治理水土流失等防灾、救灾措施也可消减突发自然灾害带来的水环境安全隐患；在生态治理方面，增加生态用水、扩大流域森林覆盖率与建成区绿化覆盖率有助于维护生态系统稳定，从而充分发挥生态系统自我调节功能，间接起到保护地下含水层、改善水质的作用。此外，现有研究较少将区域生物多样性纳入水环境安全评价中，但生物多样性及其所提供的多重生态服务对于实现流域水环境安全是至关重要的。因此，本文将其作为维护水生态的另一重要指标纳入。

结合以上定性分析，根据数据的科学性、系统性、可获得性等原则，拟选择29项评价指标构建海河流域水环境安全评价指标体系。根据指标变化与水环境安全变化之间的关系，将其分为正向和负向两类指标。指标值越大，水环境安全度越高的称为正向指标，反之为负向指标，具体如表1所示。

表1 海河流域水环境安全评价指标体系

注 分级依据a.参考全国各省份数据六分位数；b.参考全国各流域数据六分位数。

本文数据主要来源于2010—2021年的《中国水资源公报》《中国生态环境状况公报》《中国环境年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国统计年鉴》《海河统计年鉴》《海河流域水资源公报》《中国水利年鉴》《中国水利统计年鉴》等相关年鉴和公报。污染物超标截面比数据取自对应年份1—12月《全国地表水水质月报》中相关数据的平均值。生物多样性数据根据中国生物物种名录[32]相关数据计算整理而得。部分海河流域社会经济相关数据，如流域人口、GDP等，主要根据流域内各省、市、县相关数据汇总计算而得，原始数据来自相关省份的统计年鉴。

进一步，遵循指标独立性原则，为避免多个指标指向一个信息的现象，对指标之间的相关性关系进行检验。按所属一级指标对二级指标分组进行因子分析，结果显示压力指标组、状态指标组和响应指标组的Kaiser-Meyer-Olkin检验统计量值（以下简称值）分别为0.41、0.55和0.45。值处于0和1之间，可反映变量间的相关性，越接近于1，意味着变量间的相关性越强，值小于0.6时，说明变量间的相关性较弱。故各组指标均通过独立性检验，可被纳入指标体系。

2.2 基于熵权-主成分分析（EWM-PCA）组合权重的模糊综合评价法

采用数学模型进行水环境安全等级评定时需要考虑大量复杂现象和多种因素的相互作用，模糊综合评价法擅长对一些模糊现象和模糊概念进行定量化处理[33]，评价过程如下。

在不考虑时间因素的条件下，构建模糊关系矩阵=[r]进行单因素评价，表示指标在等级的隶属度，其计算方法参见刘秀丽等[34]。在计算指标模糊权重时，为避免单一权重计算方法与主观赋值带来的偏差，本文采用了EWM和PCA这2种客观权重计算方法分别进行权重计算，并以2种方法所得结果的平均值作为最终评价权重[34-35]。结果如表2所示。

表2 指标权重计算结果

各一级指标模糊综合评价结果向量P、S、R根据下式计算可得，其中W=(K1,...,Kn)表示各二级权重向量，Pi、Si、Ri分别表示一级指标P、S、R对等级的隶属程度。

依据加权平均原则[36]，将各等级看作相对位置使之连续化，并用1-5依次表示，称之为各等级的秩。则压力、状态、响应三子系统安全度P、S、R为：

参考相关文献[37-41]权重平均值，设定（1/3，1/3，1/3）为3个一级指标权重值。考虑时间因素，时期流域安全度C即：

通过以上计算过程可知,计算所得安全度在区间[1,5]内，具体对应的水环境状态如表3所示。

表3 水环境安全度与水环境安全等级对应关系

2.3 动态耦合协调度分析

根据一般系统理论，水环境安全系统()不断演化的过程可一般化表示为[42]：

式中：a为线性近似式表达的参数。将水环境安全整体视为压力、状态、响应3个子系统组成的复合系统，由水环境安全定义可知，子系统间存在相互胁迫、促进的作用，即每一个子系统均是复合系统中的一个元素，其演化状态与自身和其他子系统相关。由此可进一步将式（5）拓展为：

式中：、、可视为3个子系统发展演化的状态，可通过非线性拟合方法得到对应变化曲线。A、B、C分别表示其演变速度，其符号表示了对应子系统的演化方向。整个系统的演化速度由A、B、C决定，记作=(A,B,C)。根据子系统演化速度A、B、C的符号可判断各子系统复合演化的耦合发展阶段，具体如表4所示。

表4 耦合发展阶段

2.4 关键驱动指标辨识

海河流域水环境安全度随各二级指标变化而变化。根据指标对不同等级的隶属度和指标权重，可得到单个指标安全度cx，如式（8）所示。同一年度内，单个指标安全度越高，则说明其对流域水环境安全的支撑程度越高，得分越低则代表其对流域水环境安全的损害程度越大。取第年二级指标安全度cx与当年流域安全度C之比来描述各指标对水环境安全有效影响的年度间变化，本文称之为指标贡献率，记作rx，如式（9）所示。

式中：ω为指标权重，r为时期指标对等级的隶属度；C为时期海河流域水环境安全度。指标贡献率反映了在历史时间里各指标对海河流域水环境安全影响力大小。另一方面，引入指标弹性d，其反映指标自身变化一个单位时流域安全度的变化程度，指标弹性绝对值越大，说明该指标的单位变动对流域水环境安全影响越大，因此可通过弹性计算帮助确定更行之有效的水环境安全改善方法。指标的弹性可表示为：

式中：Δ、Δ分别表示指标变化值与对应隶属度变化值，其他符号含义同上文。当处于不同区间时，Δ计算方式不尽相同，d也随之变化。最终得到不同等级区间内各指标弹性，如表5所示。

表5 指标弹性计算结果

3 结果与分析

3.1 水环境安全评价结果

2009—2020年海河流域水环境安全度计算结果如图2所示。总体看来，2009—2020年间海河流域水环境安全度由2.10提升至3.12，从较危险状态转变至较安全状态。其中，2009—2017年水环境安全度提升较缓慢，且这一阶段的提升主要来自响应指标安全度的不断提高；2017年后，随着状态指标安全度的快速提高，流域整体水环境安全度也有了明显上升。就3个一级指标来看，压力指标（P）始终处于较安全区间，且在2013年后呈现波动趋势，指标安全度提升不明显；状态指标（S）2020年前均处在非常危险状态，自2018年安全度快速上升，2020年已转变至较危险状态；响应指标（R）从2009年的较危险状态转变为2020年的较安全状态，且2012年前后安全度提升速度较快，近年增速放缓。

图2 2009—2020年海河流域水环境安全度测算结果

为辨识不同年份流域水环境安全度变化的主导因素，依据式（10）进行计算。结果表明，各压力二级指标中（图3（a）），人口密度（P1）和城镇化率（P10）指标贡献率不断下降，但下降趋势逐渐放缓，表明人口密度的增大和城镇化率的提高持续给水环境安全带来压力，且此压力趋向平稳；人口增长率（P2）和GDP增长率（P3）指标贡献率较低且有明显提高趋势，说明该2项指标安全度在2009—2020年间提升速度高于流域安全度，但对水环境安全压力的缓解作用尚不明显；第三产业增加值占GDP比重（P4）贡献率始终高于其他指标，说明在此期间P4提高是减轻流域水环境安全压力的最有效途径；万元工业增加值用水量（P5）和耕地实际灌溉亩均用水量（P6）等指标贡献率呈先增长后下降趋势，主要原因是流域内工业用水和灌溉用水效率经过一段时间的调整后已达到相对较高水平，指标安全度提升速度放缓。

图3 2009—2020年各二级指标贡献率

如图3（b）所示，大部分状态二级指标虽有所改善，但仍处于危险状态，安全度保持不变，且贡献率持续降低。例如，人均水资源量（S1）虽有波动，但常年低于500 m3的极度缺水标准线；自2007年海河被列入水体污染控制与治理科技重大专项重点示范流域后，在“控源减排、减负修复、综合调控”思路指导下，以水专项科技成果为支持，流域水体污染得到系统治理，Ⅰ—Ⅲ类河长占比（S4）从2009年的34.4%增至2020年的63.3%，但离全国平均的83.8%还有较大差距。同时，对已不具备基本水资源功能的劣Ⅴ类水体的治理也取得了显著成效，2020年海河流域劣Ⅴ类河长占比（S3）从2009年的42.4%减少至11.5%，有明显改善，但仍约为全国平均占比的3倍；“十二五”规划将氨氮确立为总量减排的约束性指标，在相关政策指导下，海河流域氨氮超标截面比（S6）在2012年后快速下降，2020年仅6%，远低于2009年的52%，该指标贡献率显著提升，对这一阶段水环境安全的等级提升有良好拉动作用；此外，总磷超标截面比（S7）也从45%下降至8%，但化学需氧量等污染物超标截面比仍在15%以上。

如图3（c）所示，各响应二级指标中，生态用水占比（R6）有效促进了流域水环境安全度的提升，2020年其指标贡献率高达0.081，在所有二级指标中仅次于第三产业增加值占GDP比重（P4）的0.083；另一个指标贡献率持续提高的指标是节水灌溉面积占比（R2），传统的漫灌、浇灌等灌溉方式耗费大量水资源，严重影响了流域整体水环境安全，2009年以来，海河流域节水灌溉面积占比不断提升，2020年已达70%，有效缓解了农业灌溉用水压力；人均受教育年限（R1）、城市建成区绿化覆盖率（R7）、森林覆盖率（R8）、非常规水源供水比例（R10）等指标已处于安全或非常安全状态，随着其指标安全度的稳定，对应贡献率呈现稳定或小幅下降趋势，但仍是流域水环境安全的有力保障。

3.2 动态耦合协调度分析

如表6计算结果所示，2009—2020年海河流域水环境安全系统动态耦合协调度呈现阶段性变化。2009—2012年，压力子系统处于较稳定提升阶段，状态子系统变化速度较小。随着对水环境安全问题的关注，海河流域加大了防洪抗旱减灾、节水灌溉建设等水利发展建设，响应子系统也因此快速提升，与压力子系统的差距缩小，系统勉强达到优质协调发展等级，整体协调水平略微提高，但此阶段流域水污染问题仍未有明显改善，状态子系统与其他子系统发展差距较大，海河流域水环境安全系统仍是低水平耦合协调发展阶段。2013—2016年，随着海河流域生态用水占比从5.0%增至7.2%、城市建成区绿化覆盖率从40.5%提升至42.0%、非常规水源供水比例由3.7%增至5.9%等变化发生，响应子系统保持较快发展速度。同时，受压力、响应子系统不断提升的影响，状态子系统发展方向从前期的低速恶化逆转为2016年的低速改善，向好趋势明显，复合系统由初级协调发展阶段转变为优质协调发展阶段，但此时3个子系统所处状态不一，海河流域水环境安全压力保持稳定，响应力度明显增加，状态水平低速提升，导致协调发展水平持续下降，协调偏离度由2013年的22.8°增加至2016年的24.0°。2017—2020年，各子系统持续保持优质耦合发展，由于水环境压力安全减轻和响应增强对水环境安全状态影响均有一定滞后性，这一阶段压力、响应子系统提升速度放缓，但状态子系统提升速度明显增强，远超过压力、响应子系统，使得各子系统发展状态差距缩小，整体协调度大幅提高，2020年协调偏离度下降至17.3°，已进入较高水平耦合协调发展阶段。

表6 2009—2025年海河流域水环境安全系统耦合协调度等级

注 2021年及以后为根据拟合曲线计算的预测值。

根据系统演变的历史拟合曲线进行计算，在保持历史变化趋势，即不对系统进行新的干预的情况下，2021—2022年水环境安全系统仍将继续优质耦合发展，2023年后响应子系统呈下降趋势，但整体协调度仍进一步提高，至2024年达到最高，随之进入磨合耦合发展阶段，2025年系统协调度降低。这一过程也表明，在经济社会发展初期，水环境状态会不可避免出现恶化，进而限制经济发展，但随着发展水平的提高，人类采用各种管理的、经济的、制度的手段，逐步解除水环境与经济社会的相互制约，水环境状态的进一步好转将给经济增长带来新的支撑，进入新的耦合协调发展时期。但这一耦合协调发展系统在一段时间后会进入极限发展阶段，形成新的水环境安全挑战。

3.3 关键指标辨识

为进一步辨识未来提升海河流域水环境安全度的关键指标，在以上分析的基础上，绘制了2020年指标安全度、2009—2020年指标安全度变化值、2020年指标弹性的气泡图，具体如图4所示。在图中，横轴（轴）为指标2020年安全度，指标点越远离纵轴（轴）表明其2020年水环境安全度越高，对水环境安全的支撑作用越强；纵轴（轴）表示对应指标2020安全度与2009年安全度的差值，指标处于轴上方表示2009—2020年期间该指标对流域水环境安全具有促进作用，处于轴下方表示2009—2020期间该指标对流域水环境安全造成一定程度威胁；气泡大小代表了对应指标弹性的大小。

图4 2020年指标安全度、2009—2020年指标安全度变化值、指标弹性气泡图

根据气泡大小与分布位置，可将各二级指标分为4类。可以看出，大部分指标在2009—2020年期间安全度有所提升，提升幅度最大的为氨氮超标截面比（S6）与总磷超标截面比（S7），2020年该2项指标安全度已达到较安全水平，指标弹性降低。部分指标，包括非常规水源供水比例（R10）、生态用水占比（R6）等已达到非常安全状态，在这一阶段其指标弹性为0。以上指标均为Ⅰ型指标。此类指标过去曾对海河流域水环境安全度产生了主导拉动作用，在未来其拉动作用不再明显，但将成为海河流域水环境安全稳定的基础和优势所在。如海河流域非常规水源供水比例（R10）由2009年的2.3%提高至8.5%，在全国范围内处于领先水平，有效缓解了流域水资源禀赋先天不足带来的限制。Ⅱ型指标处于中间区域，该类指标在过去时期显示了一定的水环境安全保护作用，其中弹性较大的指标，如单位粮食生产化肥施用量（P9），可考虑进一步挖掘其拉动潜力。Ⅲ型指标，包括劣Ⅴ类河长占比（S3）、森林覆盖率（R8）和生物多样性（R9）等，其指标安全度相对较低，但具有较高的指标弹性。此类指标具有较高的提升水环境安全的潜力，是未来提升水环境安全管理中可重点考虑的有效途径。如海河流域劣Ⅴ类河长占比2020年仍处在危险水平，在此区间内，该指标每降低1个百分点，将带来流域整体安全度0.019 0的提高，在2009—2020年间海河流域劣Ⅴ类河长占比平均每年约下降3个百分点，若按此速度保持下降趋势，2025年能达到全国平均水平，并促进流域整体安全度提高0.133 0；同样，在2020年所处的危险区间内，Ⅰ-Ⅲ类河长占比（S4）每提高1个百分点，将带来流域整体安全度0.002的提高，若实现“十四五”规划中优良水体比例达到85%的目标，流域水环境安全度将提高0.069 0。若流域内物种多样性提高1种/km2，将促进整体水环境安全度上升0.015 6。Ⅳ型指标是截至2020年仍处于危险或非常危险状态且指标弹性较低或改善趋势较弱的指标，包括取水强度（S2）、人口密度（P1）、城镇化率（P10）等，此类指标大多不易进行调节，如人口密度短时间内不会出现较大变化，人口城镇化也具有不可逆转的趋势，因此更应关注于如何缓解此类指标对水环境安全带来的损害，如针对取水强度较大从而威胁水资源可持续性的问题，可从需水端寻求提高重点部门用水效率的有效手段等。

4 结论与建议

①2009—2020年，海河流域水环境安全等级持续稳定提高，已由较危险转变为较安全，系统耦合协调度呈波动变化，2016年以来持续保持优质耦合发展状态，子系统协调度也大幅提高。②城市建成区绿化覆盖率、第三产业增加值占GDP比重和生态用水占比等二级指标已达到非常安全水平，是海河流域水环境安全的有力保障，但在未来阶段该类指标对流域水环境安全度的拉升作用不再明显。③2020年，海河流域森林覆盖率和物种多样性分别处于危险和较危险水平，增加森林面积、提升流域物种多样性将是提升流域水环境安全的有力手段。④各类污染物中，氮、磷污染得到有效控制，化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸盐指数等污染物仍严重超标，消除劣Ⅴ类水体、增加优良水体占比可有效促进流域水环境安全度提高。

对此，提出以下建议：①水环境安全系统耦合协调度的改善提升需经历长期的、渐进的动态调整。要维持系统长期耦合需发挥政府的主导作用，一方面要坚持水环境安全保护战略，通过政策调整、综合规划、市场诱导等方式减少非必要取水用水；另一方面鼓励水资源利用技术创新，在不过分威胁水环境安全的前提下最大程度发挥水资源对经济社会发展的支撑作用，保障水环境与经济社会耦合发展、协调共进。②持续加强水体污染防治。海河流域下游段农田密集，农田污水径流加重了流域氮磷污染，当前污染水体治理已取得显著成效，但仍需防范再度污染的问题。对此，建议建设农田氮磷生态拦截沟渠等环保设施，强化对农业排水中氨氮、总磷等污染物质的净化，从排放源头降低污染物含量。化学需氧量、高锰酸盐、五日生化需氧量超标反映出流域内有机污染尚未得到有效治理，建议一方面加强对高有机污染浓度的生活污水的处理，提高排放标准，另一方面对水体中已有的藻类等主要污染来源进行捕捞，并引入食藻生物对藻类繁殖进行控制。③流域人均水资源量过低严重约束流域水环境安全和经济发展，一方面要继续加强节水型社会建设，通过制定地方性分行业用水定额等强制手段提高水资源利用率。另一方面应因地制宜大力推行各类非常规水源的开发利用，如在山西等煤炭开采和洗选业较发达地区，可将开采过程中采掘井疏干水通过技术处理后用于后续洗选流程中以减少对地表水、地下水的取用；在天津等流域入海口区域则可扩大海水淡化工程建设，逐步提高海水淡化水用于市政饮用的比例；随着城镇化进程推进，城市面积持续扩大，在城市建设中，应合理规划绿化面积，并通过土壤渗水性改良、园地微地形设计等方式提高绿地景观的雨水收储能力。④建议完善封山育林管理，通过人工介入调整植物密度，增强亚林层和灌草层厚度，促进单层林发展为复层林，最大限度维护森林物种多样性，同时进一步提高森林的水源涵养和调节能力。

（作者声明本文无实际或潜在利益冲突）

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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, 刘秀丽. 海河流域水环境安全评价及动态耦合协调度分析[J]. 灌溉排水学报, 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

国家社会科学基金专项项目（E31Z060101）；国家自然科学基金项目（71874184）

秦明慧（1994-），女。博士研究生，主要从事水资源与经济协调发展、投入产出分析与计量经济模型研究。E-mail: 1208033745@qq.com

刘秀丽，女。研究员，博士，主要从事宏观经济-资源-环境-人口复杂系统建模与预测、投入产出分析与计量经济关联模型研究、面向可持续发展的政策仿真与决策支持研究。E-mail: xiuli.liu@amss.ac.cn

@《灌溉排水学报》编辑部，开放获取CC BY-NC-ND协议

责任编辑：赵宇龙