衡水市用水结构与产业结构耦合动态演变研究_柴萌.pdf

科 技 创 新科 技 创 新收稿日期：2022-10-08作者简介：柴萌，女，汉族，河北省衡水水文勘测研究中心，助理工程师。衡水市用水结构与产业结构耦合动态演变研究衡水市用水结构与产业结构耦合动态演变研究摘要为了服务衡水市水资源利用和经济社会协调发展，采用生态学理论研究用水结构和产业结构耦合的动态变化趋势，利用耦合协调度模型系统分析两者相互影响、相互制约的互动机制。关键词用水结构；产业结构；耦合协调度柴萌表 1耦合协调度等级划分标准表耦合协调度 D值区间（0.00.1）（0.10.2）（0.20.3）（0.30.4）（0.40.5）协调等级12345耦合协调程度极度失调严重失调中度失调轻度失调濒临失调耦合协调度 D值区间（0.50.6）（0.60.7）（0.70.8）（0.80.9）（0.91.0）协调等级678910耦合协调程度勉强协调初级协调中级协调良好协调优质协调表 2衡水市 2011年2020年用水结构和产业结构生态位和生态熵表年份2011201220132014201520162017201820192020均值用水结构农业用水生态位0.86780.84330.84170.84770.84530.86490.85270.84390.81800.83590.8461生态熵1.17231.13981.15231.15421.14961.20131.18581.18451.16151.20431.1706工业用水生态位0.07470.08050.09630.09120.07460.05210.03830.03640.03630.00600.0586生态熵0.54450.59630.69390.68200.58820.40720.31900.31240.30080.04940.4494生活用水生态位0.05750.07620.06200.06110.08010.08290.10890.11970.14570.15810.0952生态熵0.41940.56440.44660.45700.63160.64740.90611.02781.20771.29120.7599产业结构第一产业生态位0.18790.18620.13370.11580.10800.10160.09480.12340.12440.13490.1311生态熵1.48641.47591.01320.92690.97021.04331.06291.35431.39381.36131.2088第二产业生态位0.52560.51010.51890.44660.42220.44380.42200.24470.23100.22400.3989生态熵1.09391.09261.16551.02281.03901.09701.10180.68700.67960.67550.9655第三产业生态位0.28650.30370.34740.43760.46980.45460.48330.63180.64460.64110.4700生态熵0.72890.74630.82160.99810.97410.91270.91551.14331.12931.12610.9496水是生命之源、生产之要、生态之基，随着经济的发展和人口的增加，水资源供需矛盾日益突出，缓解水资源短缺局面、服务经济社会发展至关重要。在水资源总量不足的情况下优化调整产业结构，优化配置水资源，以确保经济社会平稳发展，已成为我们面临的极其重要而又迫切解决的问题。我国已有学者利用灰色关联、线性回归等模型，对部分地区用水结构和产业结构耦合协调状况开展研究，发现其产业结构仍需进一步优化调整。河北省对用水结构的研究较多，但很少将用水结构与产业结构相结合进行研究。因此，利用生态位和耦合协调度模型系统分析衡水市用水结构和产业结构耦合的动态演化和互动机制，不仅为这一地区水资源合理利用、产业结构优化调整提供依据，而且为河北省用水结构和产业结构耦合动态演变研究提供参考。1.研究区概况衡水市位于河北省东南部平原，界于东经 1151011634，北纬 37033823之间，行政区域面积 8815km2。2021 年衡水市用水总量为 13.8 亿 m3。其中地下水利用量为 3.3 亿 m3，占总用水量的 23.9%；地表水利用量 9.7亿 m3，占总用水量的 70.3%；其他水量 0.8 亿m3，占总用水量的 5.8%。根据第二次水资源评价成果，衡水市人均水资源占有 量 148m3，仅 为 河 北 省 人 均 水 平 的48%，全国人均水平的 6.6%，世界人均水平的 2%。亩均水资源量 76m3，远低于农灌需水量，是河北省乃至全国严重26科 技 创 新科 技 创 新图 1衡水市及各县（市、区）各产业生态位和生态熵缺水地区之一。2.资料与方法2.1数据来源用水数据来源于 2011年2020年衡水市水资源公报 和 河北省水资源公报，产业数据来源于 2011年2020年 衡水统计年鉴。其中生态用水量数据缺失不予以分析。2.2研究方法采用生态位、生态熵和耦合协调度模型分析衡水市 2011年2020年用水结构和产业结构的生态位动态演化及其耦合协调状况。2.2.1 用水结构与产业结构生态位模型将用水结构和产业结构视为两个生态系统，不同类型用水和三大产业则分别为 2 个生态系统中的种群。其计算公式为：（1）式中：Wii类用水生态位；Sii类用水的用水量；Ai与时间尺度有关的量纲转换系数。采用逐年用水结构数据，故 Ai取1；Pi为研究年份与初始年份 i类用水量的差值；i值取 1、2、3。2.2.2 用水结构与产业结构生态熵模型构建生态熵模型分析比较区域内生态位相对变化情况，以用水结构为例，计算公式为：（2）式中：Qii类用水生态熵；Wi上一级 i类用水生态位。产业结构生态位、生态熵模型与用水结构生态位、生态熵模型类似，可参照用水结构计算公式进行计算。2.2.3 用水结构与产业结构耦合协调度模型耦合协调度模型用于分析事物的协调发展水平。耦合协调度 D 取值范围为 0-1，D值越大，说明用水结构和产业结构之间的耦合协调性越好。耦合协调等级划分标准见表 1。耦合度 C计算公式为：（3）协调度 T计算公式为：（4）耦合协调度 D计算公式为：（5）式中：u1、u2用水结构与产业结构系统指标标准化的平均值；、权重系数，表示用水结构系统与产业结构系统的重要程度。将用水结构与产业结构视为同等重要，故取=0.5，=0.5。3.结果与分析3.1用水结构生态位与生态熵3.1.1农业用水2011 年2020 年衡水市农业用水生 态 位 均 大 于 0.80，多 年 平 均 值 为0.846，年际间最大差值为 0.050，见表2，由此说明衡水市农业用水生态位占主导地位且波动较小，衡水市以农业发展为主。除桃城区外，各县市区多年平均农业用水生态位均大于 0.80，其中深州市、冀州区和武强县为衡水市传统农业区，耕地面积大，灌溉方式为畦灌，水资源利用率较低，故农业用水生态位较高；桃城区是衡水市主城区，全区农业种植面积小，故农业用水生态位最低。27科 技 创 新科 技 创 新2011 年2020 年衡水市农业用水生态熵均大于 1.10，表明衡水市农业用水在河北省处于优势。衡水市域内除桃城区外，其他各县市区农业用水生态熵多年平均值均在 0.951.10 范围内，桃 城 区 农 业 用 水 生 态 熵 最 小，仅 为0.648。由此说明除桃城区外，衡水市各县市区均以农业发展为主，且发展较为均衡。3.1.2工业用水衡水市工业用水生态位 2011 年2013年呈上升趋势，上升幅度为 0.022，2013 年2020 年直线下降，从 2013 年的 0.096 降至 2020 年的 0.006，见表 2，衡水市工业发展缓慢。衡水市域内，桃城区和安平县工业用水生态位明显高于其他地区，工业发展相对较快，其他地区工业发展相对缓慢，主要还是以农业为支柱产业，这与农业用水分析结果基本保持一致。衡水市工业用水受环境监察和地下水限采影响较大，为促进衡水市工业发展，应加快工业技术优化升级，向低能耗、无污染转型。2011 年2020 年衡水市工业用水生态熵均小于 0.70，且自 2013 年起显著降低，衡水市工业用水在河北省处于劣势，衡水市工业发展缓慢。桃城区、安平县、故城县和阜城县多年平均工业用水生态熵大于 1，工业用水在衡水市占有优势，工业发展相对较快；其他地区多年平均工业用水生态熵小于 1，工业发展水平低于衡水市平均水平。桃城区、冀州区、故城县和阜城县工业用水 生 态 熵 总 体 呈 上 升 趋 势，尤 其 是2018 年2020 年近指数增长，工业发展态势良好。3.1.3生活用水2011 年2020 年衡水市生活用水生态位呈波动上升趋势，从 2011 年的0.058 升至 2020 年的 0.158，见表 2，其中深州市多年平均生活用水生态位最小为 0.046，生活用水量较稳定；桃城区多 年 平 均 生 活 用 水 生 态 位 最 大 为0.240，主要原因是城区人口密度大，服务业等公共用水量大。这表明随着衡水市的发展与进步，极大地提升了居民生活水平与用水需求，衡水市应当进一步加强节水设施建设，宣传节水理念，在城市发展的同时，缓解水资源供需矛盾。衡水市生活用水生态熵呈显著上升趋势，2011 年2017 年生活用水生态熵小于 1，2018年2020年生活用水生态熵大于 1，衡水市生活用水在河北省由劣势转为优势，其中桃城区生活用水生态熵波动最大，原因在于城区内人口流动频繁。3.2产业结构生态位与生态熵根据衡水市产业结构生态位计算结果，见表 2，2011 年2020 年衡水市整体的产业结构发生了变化：第一产业生 态 位 2011 年 2017 年 逐 渐 降 低，2017 年2020 年出现回升，但仍小于2011 年，生态位由 0.188 降至 0.135；第二产业生态位下降趋势明显，生态位由0.526 降至 0.224；第三产业生态位呈上升趋势，生态位由 0.287升至 0.641。衡水市整体产业结构从以第二产业为主变为以第三产业为主，各县（市、区）产业结构变化与衡水市保持一致。根据衡水市产业结构生态熵计算结果，见表 2，2011 年2020 年衡水市第一产业生态位在河北省占优势；第二产业生态熵整体波动下降，2011 年2017 年在河北省处于优势，2018 年开始转为劣势；第三产业生态熵显著升高，2018年在全省地位由劣转优。衡水市第一产业生态位区域差异显著，见图 1，饶阳县第一产业生态位最高，且波动上升，原因在于饶阳县大力发展科技农业，近十年来第一产业产值增长了 1 倍2 倍；桃城区第一产业生态位最低，且呈持续下降趋势，主要原因是城区工业化和城市化的发展缩减了耕地面积。武邑县、深州市、饶阳县、故城县、阜城县第一产业生态熵多年平均值大于 1，其第一产业在衡水市处于优势。衡水市各县（市、区）第二产业生态位 总 体 趋 势 基 本 保 持 一 致，见 图 1，2011 年2017 年稳中有降，降低幅度较小，在 2018年出现断崖式下降，随后2019年和 2020年基本保持稳定。第二产业生态位区域差异显著，桃城区多年平均值最高为 0.510，饶阳县多年平均值最低为 0.259，相差近乎一倍。桃城区、枣强县、武强县、安平县、景县第二产业生态熵多年平均值大于 1，其第二产业在衡水市处于优势。衡水市各县（市、区）第三产业生态位总体呈上升趋势。经济的发展带动居民消费能力，第三产业蓬勃发展，逐渐替代第二产业成为衡水市支柱产业。冀州区、安平县、故城县第三产业生态熵多年平均值大于 1，其第三产业在衡水市处于优势。3.3耦合协调度衡水市农业用水与第一产业的耦合协调度呈上升（2011 年2012 年）下降（2012 年2014 年）上升（2014年 2016 年）平 稳（2016 年 2019年）下降（2019 年2020 年）的波动趋势，农业用水与第一产业耦合协调度由勉强协调转为轻度失调；工业用水与第二产业的耦合协调度呈上升