九龍江流域城市化進(jìn)程與水資源耦合關(guān)系的定量辨識

王吉蘋，薛雄志

（1.廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361024；2.廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建 廈門361102）

水資源作為不可替代的自然資源，是推動流域城市化發(fā)展的重要因素.然而隨著城市化進(jìn)程不斷加快，導(dǎo)致了流域水量缺水和水質(zhì)缺水等水資源危機(jī)［1－7］.水危機(jī)反過來又成為制約城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大瓶頸［8－9］.根據(jù)諾瑟姆理論［10］，城市化發(fā)展遵循S型曲線上升規(guī)律，水資源開發(fā)利用也遵循邏輯增長趨勢，二者之間存在著較強(qiáng)的必然聯(lián)系.因此，正確識別城市化與水資源利用之間的特定關(guān)系，是研究特定時期和特定地域人水關(guān)系系統(tǒng)的前提條件.

我國大部分地區(qū)，尤其是缺水地區(qū)，城市發(fā)展與水資源利用之間的約束關(guān)系反映在一定時空范圍內(nèi)是動態(tài)的、變化的過程，在一定的作用方式下是一個耦合過程.耦合作用即為城市化發(fā)展與水資源相互影響、相互制約，包括城市化發(fā)展對水資源利用的優(yōu)化與脅迫作用，以及水資源對城市化的支持與制約作用.在較長時間尺度上，可將城市發(fā)展與水資源耦合作用過程分為4個階段，即低水平協(xié)調(diào)階段、拮抗階段、磨合階段和高水平協(xié)調(diào)階段［11］.在我國大部分缺水城市地區(qū)，城市發(fā)展與水資源環(huán)境的耦合多處在拮抗和磨合階段或兩者的中間階段.鑒于此，我國學(xué)者在20世紀(jì)80年代中后期提出了水資源承載力的概念［12－14］.其他國家學(xué)者對這個問題也采用了類似的概念［15－18］.水資源承載力研究的主要是水資源利用的最大容量問題，難以涵蓋特定時期水資源與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互作用與協(xié)調(diào)程度.在我國很多地區(qū)，尤其是在嚴(yán)重缺水地區(qū)，當(dāng)人口經(jīng)濟(jì)和城市化規(guī)模接近或者超過水資源的承載能力，或是水資源的利用量接近或超過了天然水資源的閾值，水資源將會給社會經(jīng)濟(jì)造成很大的壓力.這個壓力，稱之為水資源約束力［19－20］.水資源約束力的識別是研究人水關(guān)系的關(guān)鍵問題.

九龍江是福建省僅次于閩江的第二大河流，流域總面積1.47×104km2，河長285km，干支流流經(jīng)龍巖的新羅區(qū)、漳平市，漳州的華安縣、長泰縣、平和縣、南靖縣、龍海市以及漳州市轄區(qū)，在廈門入海.九龍江不僅是龍巖、漳州、廈門三市的主要飲用水源，也是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水源.如何合理開發(fā)利用九龍江的水資源，協(xié)調(diào)人水關(guān)系，是九龍江流域不斷上升的城市化過程中所亟需解決的首要問題.本文鑒于此，選取九龍江的上游地區(qū)龍巖市，中下游地區(qū)漳州市以及其入?？趶B門市作為研究對象，比較分析流域三市的城市化水平與水資源利用之間存在的定量關(guān)系，探討不同城市化水平及水資源豐度情況下水資源與城市發(fā)展的交互耦合作用，以期找出相應(yīng)的水資源開發(fā)利用的合理對策.

1 研究方法

1.1 測量水資源約束力指標(biāo)的方法

關(guān)于城市化與水資源利用的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.一般認(rèn)為，城市化水平與水資源利用總量（簡稱用水總量）之間的關(guān)系符合對數(shù)曲線關(guān)系［19，21－22］，表示為：

其中，Y 為城市化水平（%）；X 為用水總量（m3）；a、b為相關(guān)系數(shù)，b＞0.

利用這一模型，可以計(jì)算一定的城市化水平對應(yīng)的用水總量.從對數(shù)曲線模型可以發(fā)現(xiàn)，每增加1個百分點(diǎn)的城市化水平需要更多的水量供給，而區(qū)域水資源總量和人類開發(fā)水資源的技術(shù)水平是有限的，水資源的利用率會受到限制，因此用水總量的增加也會受到限制.如圖1所示，如果城市化水平從Y1升到Y(jié)2，通常情況下用水總量會從X1增加到X2，而當(dāng)用水總量已接近或者超過天然水資源的閾值時，用水總量在一定時期只能上升到X′2，相應(yīng)的，城市化水平也只能達(dá)到Y(jié)′2，顯然，缺水阻礙了城市化進(jìn)程.因此，在缺水地區(qū)，要加快城市化進(jìn)程必須調(diào)整水資源利用和城市化的格局.一旦用水總量實(shí)現(xiàn)零增長或負(fù)增長，式（1）的擬合度R2將變得非常小，城市化水平和用水總量的對數(shù)關(guān)系模型無法通過顯著性檢驗(yàn).即R2它代表著回歸曲線的擬合度是否良好，或者說代表著在回歸方程中多少度X可以擬合Y的大??；而1－R2則表示了實(shí)際值和擬合曲線的偏離程度，或者說明了Y的變化不能通過X以對數(shù)曲線回歸的關(guān)系來表示.因此，1－R2可以作為全面反映水資源約束力的指標(biāo).定義W＝1－R2，W 表示水資源約束強(qiáng)度，R2越小，水資源約束強(qiáng)度W 越大，從而水資源約束力越大.

R2表示式（1）的擬合度，取值在0到1的區(qū)間之內(nèi).當(dāng)R2接近于1，W 接近于0，水資源約束力很??；當(dāng)R2接近于0，W 接近于1，水資源約束力很大.R表示X、Y2個變量之間的相關(guān)程度，一般認(rèn)為，R∈［0，0.4）為弱相關(guān)，R∈［0.4，0.6）為較強(qiáng)相關(guān)，R∈［0.6，0.8）為強(qiáng)相關(guān)，R∈［0.8，1）為極強(qiáng)相關(guān).相應(yīng)的當(dāng)W∈［0，0.36），屬于弱約束型，這表示水資源系統(tǒng)對城市化進(jìn)程的阻力??；當(dāng)W ∈［0.36，0.64），屬于較強(qiáng)約束型，這表示水資源系統(tǒng)對城市化進(jìn)程產(chǎn)生了一些阻礙；當(dāng)W ∈［0.64，0.84），屬于強(qiáng)約束型，這表示水資源系統(tǒng)對城市化進(jìn)程有較強(qiáng)的阻力；當(dāng)W∈［0.84，1），屬于極強(qiáng)的約束類型，這表示水資源系統(tǒng)對城市化進(jìn)程有非常大的阻力.

圖1 城市化水平和用水總量的關(guān)系Fig.1 The constraint relationship between urbanization level and total water utilization

1.2 數(shù)據(jù)收集和處理情況

九龍江流域邊界與其行政單元不一致，流域上游龍巖段僅包括市轄區(qū)和漳平，漳州市有部分縣市不在九龍江流域內(nèi).本文所采用數(shù)據(jù)來自福建省統(tǒng)計(jì)年鑒、中國城市年鑒和福建省水資源公報(bào)（反映地區(qū)行政單元，以市為單位），因此為方便分析，本文所指九龍江流域包括上游地區(qū)龍巖市，中下游地區(qū)漳州市以及其入?？趶B門市.

2 結(jié)果與分析

2.1 城市化水平及水資源量發(fā)展變化情況

2.1.1 人口城市化

以非農(nóng)人口占總?cè)丝诘谋壤?jì)，2003年，廈門、龍巖和漳州的城市化水平分別為59.1%，29.9%和27.7%，龍巖、漳州的城市化水平與廈門相比相差約30個百分點(diǎn).2011年，廈門、龍巖和漳州的城市化水平分別為88.5%，47.5%和47.9%，龍巖、漳州與廈門相比，城市化水平相差約40個百分點(diǎn).這說明廈門城市化進(jìn)程較快，且城市化水平遠(yuǎn)高于流域其他兩市.漳州與龍巖城市化水平與增速相差不多，漳州較龍巖略快，且城市化率也略高（圖2）.

2.1.2 經(jīng)濟(jì)城市化

流域三市10年來的經(jīng)濟(jì)一直保持著較高的增長率，按貼現(xiàn)值計(jì)算，2002—2011年廈門GDP平均增長率接近20%，龍巖和漳州的平均增長率分別為14.5%和6.9%.從人均GDP來看，龍巖的增速最快，平均增長率為14.1%，其次為漳州，平均增長率為6.3%，廈門增速最慢，僅1.4%（表1）.這說明龍巖的經(jīng)濟(jì)水平較低，在起點(diǎn)低的情況下，人均經(jīng)濟(jì)增長較容易，而廈門的經(jīng)濟(jì)已經(jīng)到了一定的發(fā)達(dá)程度，且外來常住人口日益增多，拉動內(nèi)需，帶動人均增長效益已到了拐點(diǎn)，也從另一個側(cè)面說明了廈門的城市化水平已達(dá)到了高級階段.

圖2 九龍江流域三市2002—2011年城市化水平變化曲線圖Fig.2 The change of urbanization level of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看（表2），龍巖和漳州都是農(nóng)業(yè)大市，廈門第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá).從2002到2011年，龍巖和漳州市加重了第二產(chǎn)業(yè)的投資比例，注重發(fā)展工業(yè)，廈門依然在第三產(chǎn)業(yè)上占優(yōu)勢.

表1 九龍江流域三市GDP增長情況Tab.1 The GDP growth of the three cities in Jiulong River Watershed

表2 九龍江流域三市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化情況Tab.2 The change of industrial structure of the three cities in Jiulong River Watershed

根據(jù)諾瑟姆的城市化發(fā)展曲線，在不同的城市化階段，城市化具有不同的經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵和特征.按S型曲線可將城市化分為前期（起始階段）、中期（加速階段）與后期（完成階段）3個階段，分別以城市化率30% 和70% 作為拐點(diǎn).

第一階段，即城市化前期，城市化水平較低、發(fā)展速度較慢；第二階段，人口向城市迅速集聚的中期階段，其發(fā)展態(tài)勢反映為S型曲線的中間段，曲線斜率較大；第三階段，進(jìn)入高度城市化以后城市人口比重的增長又趨于緩慢甚至停滯的后期階段，其發(fā)展態(tài)勢反映為S型曲線的右上段，曲線斜率較小.

根據(jù)三市不同階段的發(fā)展趨勢，可以判斷龍巖和漳州目前處于城市化的中期階段，而廈門已經(jīng)處于城市化的后期階段.集中表現(xiàn)為：漳州和龍巖正處在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口大規(guī)模增長階段，城市大規(guī)模擴(kuò)張以及城市工業(yè)與主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)正在加速增長；廈門工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)較發(fā)達(dá)，城市人口趨于增長性穩(wěn)定階段.

2.1.3 水資源量及開發(fā)利用情況

2011年龍巖全市水資源總量為130.66億m3，水資源實(shí)際利用量為22.24億m3，人均擁有水資源量約為4 454m3，水資源開發(fā)利用率為17.0%.2011年漳州全市水資源總量為81.08億m3，水資源實(shí)際利用量為21.12億 m3，人均擁有水資源量約為1 719m3，水資源開發(fā)利用率為26.0%，按國際通用標(biāo)準(zhǔn)，屬于輕度缺水地區(qū)（人均水資源量1 700～3 000m3）.2011年廈門全市水資源總量為9.64億m3，水資源實(shí)際利用量為7.08億m3，人均擁有水資源量為267m3，水資源開發(fā)利用率為73.4%，按國際通用標(biāo)準(zhǔn)，屬于絕對貧水區(qū)（人均水資源量＜500m3）.

2.1.4 用水總量變化情況

而從用水總量變化情況來看（圖3），流域三市用水總量均呈增長趨勢，但漳州增速低于廈門和龍巖.根據(jù)以上數(shù)據(jù)可推測龍巖、廈門兩市的城市化水平在2002—2011年間增長趨勢受水資源制約的影響較小，漳州的水資源的可利用潛力因?yàn)槌鞘谢降脑鏊俾燥@吃力，說明可能存在水資源約束力.

2.2 城市化水平與用水效益比較分析

用水效益可以用單方用水的產(chǎn)值或萬元產(chǎn)值的用水來反映.單方用水的產(chǎn)值越高，用水效益就越高.

對龍巖、漳州、廈門三市的歷年用水效益（單方水GDP）進(jìn)行分析，繪制出圖4.從圖中可以看出，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技水平的進(jìn)步，各市用水效益都不斷的提高，其中，廈門的用水效益不僅增長速率最快，是其他兩市的4倍左右，而且其用水效益也遠(yuǎn)大于其他兩市，2011年，廈門的用水效益是漳州的4.25倍，龍巖的6.25倍.分析其原因?yàn)閺B門屬于重度缺水型城市，在缺水情況下，廈門大力發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)，不斷提高水資源的利用效率與重復(fù)利用率.龍巖和漳州兩市的農(nóng)業(yè)占了較大比例，使得用水效益偏低.

圖3 九龍江流域三市2002—2011年用水總量變化曲線圖Fig.3 The change of total water utilization of e three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

圖4 九龍江流域三市2002—2011年用水效益變化曲線圖Fig.4 The change of water efficiency of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

為進(jìn)一步揭示城市化水平與用水效益的相關(guān)性，利用九龍江流域三市2002—2011年的城市化水平和用水效益數(shù)據(jù)，做出二者耦合關(guān)系變化的散點(diǎn)圖（圖5）.回歸分析表明九龍江流域三市城市化水平與用水效益呈線性增長關(guān)系，擬合系數(shù)R2都在0.5以上（表3）.由此可以說明，城市化水平和用水效益有較大的相關(guān)性.

因此，可得出以下結(jié)論：1）城市化水平與用水效益呈線性增長關(guān)系；2）城市化水平的高低排序?yàn)椋簭B門＞漳州＞龍巖，用水效益大小的排序?yàn)椋簭B門＞漳州＞龍巖.基本上呈現(xiàn)城市化水平越高的城市，其用水效益越高.因此可以得出，城市因其較發(fā)達(dá)的工業(yè)帶來較高的GDP增長，比農(nóng)村擁有更高的用水效益.3）重度缺水的廈門迫于水資源緊張的壓力，不得不調(diào)整經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策，提高用水效益，避免水資源約束力的出現(xiàn)，制約城市化進(jìn)程的發(fā)展.

圖5 九龍江流域城市化水平與用水效益的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The relationship between urbanization and water use efficiency in Jiulong River Watershed

表3 城市化水平（Y）與用水效益（x1）的線性關(guān)系模型Tab.3 The linear relational model between urbanization（Y）and water use efficiency（x1）

2.3 城市化水平與人均用水水平比較分析

人均用水水平可以用人均綜合用水量、人均生活用水量、人均農(nóng)業(yè)用水量、人均工業(yè)用水量等一系列指標(biāo)來反映.其中，人均綜合用水量是一個全面反映區(qū)域用水水平的綜合性指標(biāo).通常情況下，在一定的時間和空間范圍內(nèi)，人均綜合用水量會受到地理環(huán)境、區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水習(xí)慣等不同因素的影響，形成一個相對穩(wěn)定的數(shù)值.但是由于社會的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，也許會致使人均綜合用水量上升.反之，隨著科技的不斷進(jìn)步，節(jié)水技術(shù)的不斷研發(fā)和使用也可能會降低人均綜合用水量.因此，隨著社會的發(fā)展，不同區(qū)域類型的用水水平也會發(fā)生不同程度的改變.

圖6 九龍江流域三市2002—2011年人均綜合用水量變化曲線圖Fig.6 The change of water consumption per capita of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

根據(jù)2002—2011年的用水總量以及人口數(shù)據(jù)，算出九龍江流域三市歷年人均綜合用水量（圖6）.從中可以看出，各市歷年人均綜合用水量變化比較平緩，龍巖的人均綜合用水量最多，其次為漳州，廈門最少.具體表現(xiàn)為隨著城市化水平的提高，龍巖的人均綜合用水量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，漳州也呈現(xiàn)微弱的該趨勢.先上升主要是為滿足人民生活水平不斷提高的需求，而后下降主要是由于水資源的過度開發(fā)利用引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)問題或是當(dāng)?shù)卣熬用駥Νh(huán)境意識的覺醒，使人們轉(zhuǎn)變生產(chǎn)和生活用水方式，降低用水標(biāo)準(zhǔn).廈門則是隨城市化水平的提高，人均綜合用水量逐漸下降，說明城市化水平高的城市，節(jié)水技術(shù)發(fā)展快，人們節(jié)水意識強(qiáng).從另一個側(cè)面也可看出，廈門不僅在產(chǎn)業(yè)政策上，在公眾宣傳方面，都走在節(jié)水城市的前列，人均綜合用水量相較龍巖低了600m3，進(jìn)一步避免了或在某種程度上延遲了水資源約束力的出現(xiàn)，城市化的進(jìn)程因此沒有受到制約.

根據(jù)三市歷年城市化水平與人均綜合用水量，繪制出二者相關(guān)關(guān)系的散點(diǎn)圖（圖7）.回歸分析表明（表4），人均綜合用水量與城市化水平之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性.其中，龍巖的呈正相關(guān)，其他市呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步說明了九龍江流域三市的不同城市化水平下的水資源利用狀況.龍巖因其占主導(dǎo)地位的農(nóng)業(yè)以及蓄禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)達(dá)，仍然沿襲較為粗放和低效的水資源利用模式，而漳州雖然也是農(nóng)業(yè)大市，相比于龍巖，在城市化發(fā)展的同時，用水模式進(jìn)行了一定的調(diào)整改善，從而減少了人均用水量.

2.4 城市化與水資源的耦合作用及約束力存在的定量識別

2.4.1 城市化水平和用水總量的對數(shù)關(guān)系模型

基于2002—2011年的城市化水平和用水總量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算了九龍江流域三市的城市化水平（Y）和用水總量（X）的對數(shù)關(guān)系模型.結(jié)果如圖8和表5所示.

由表5可以看出，龍巖基本符合城市化水平與用水總量的對數(shù)關(guān)系模型，漳州呈現(xiàn)偏離狀態(tài)，廈門微弱偏離，這表明漳州和廈門在城市化進(jìn)程中存在水資源約束力.

圖7 九龍江流域城市化水平與人均綜合用水量的相關(guān)關(guān)系Fig.7 The relationship between urbanization and water consumption per capita in Jiulong River Watershed

表4 城市化水平（Y）與人均綜合用水量（x2）的線性關(guān)系模型Tab.4 The linear relational model between urbanization（Y）and water consumption per capita（x2）

圖8 九龍江流域城市化水平與用水總量的相關(guān)關(guān)系Fig.8 The relationship between urbanization and the total water utilization in Jiulong River Watershed

表5 城市化水平（Y）和用水總量（X）的對數(shù)關(guān)系模型Tab.5 The logarithmic relation model between the urbanization（Y）and the total water utilization（X）

這3個城市的城市化水平和用水總量的對數(shù)關(guān)系擬合度的順序如下：龍巖（0.791）＞廈門（0.554）＞漳州（0.384）.

2.4.2 城市化過程中九龍江流域的水資源約束強(qiáng)度

水資源約束力的大小，可由水資源約束強(qiáng)度W＝1－R2來衡量.根據(jù)表5計(jì)算得，漳州、廈門和龍巖的水資源約束強(qiáng)度分別為0.616，0.446和0.209.即漳州＞廈門＞龍巖.

漳州和廈門都屬于較強(qiáng)的約束類型，漳州的水資源約束強(qiáng)度在三者中最大.漳州屬于輕度缺水城市，然而其用水效益偏低，人均綜合用水量偏高，使得漳州在城市化發(fā)展過程中受到了水資源一定的阻礙與約束作用；廈門屬于重度缺水城市但其用水大部分依賴于客水，無論是對水資源的利用率還是在用水效益水平方面都很高，且人均綜合用水量得到了有效控制，使得該市在稀有的水資源下，水資源約束力還相對比較?。?.446）；龍巖不缺水，雖然暫時基本上不存在水資源對城市化進(jìn)程的約束作用，但明顯存在過于粗放的傳統(tǒng)用水方式，較低水平的用水效益和過高的人均用水水平，長期發(fā)展下去不加以控制，也會面臨水資源約束力增大及缺水的嚴(yán)峻問題.

由此，也可以判斷，龍巖因其城市的水資源較為豐富，城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展還未導(dǎo)致城市水資源供需矛盾突出，二者處于相對平和的磨合期.漳州城市化發(fā)展與水資源環(huán)境耦合作用過程處在拮抗階段，廈門則處在磨合與高水平協(xié)調(diào)階段之間.

3 結(jié) 論

水資源約束力的研究及水資源與城市化耦合作用階段的識別有助于拓展宏觀增長經(jīng)濟(jì)學(xué)研究，為實(shí)現(xiàn)水－生態(tài)－社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù).九龍江流域三市中廈門城市化進(jìn)程較快，且城市化水平遠(yuǎn)高于其他兩市，已經(jīng)處于城市化的后期階段，龍巖和漳州目前處于城市化的中期階段.漳州和廈門在城市化進(jìn)程中存在水資源約束力.漳州城市化發(fā)展與水資源利用耦合作用過程處在拮抗階段，廈門則處在磨合與高水平協(xié)調(diào)階段之間，龍巖因其水資源豐富，城市化水平與水資源系統(tǒng)處于相對平和的磨合期.

九龍江流域三市的水資源約束力和城市化與水資源系統(tǒng)的耦合階段存在差異，不僅與城市自身素質(zhì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會發(fā)展等內(nèi)部因素有關(guān)，還與城市之間的區(qū)域差異、區(qū)域聯(lián)系等外部因素有關(guān).因此，對于九龍江流域三市，特別是龍巖和漳州市，建立集約的水資源利用體系，構(gòu)建節(jié)水型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系，控制人均綜合用水量，提高用水效益，杜絕浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象，使城市用水總量降低，避免水資源約束強(qiáng)度的增大，是九龍江流域各地區(qū)實(shí)施城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，加速區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速增長所面臨的共同任務(wù).對于廈門市，還要尋找異地水源，如跨流域和區(qū)域調(diào)水、引水，開挖水庫蓄水，開發(fā)新水源如海水淡化、中水回用等緩解水資源需求的壓力，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源約束現(xiàn)象.在解決區(qū)域水資源與城市化關(guān)系問題時，除有效提高城市水資源環(huán)境適應(yīng)及調(diào)控能力之外，還要協(xié)調(diào)好區(qū)域之間的關(guān)系，構(gòu)建區(qū)域利益共同體以達(dá)到雙贏的目的.

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