城市化與水環(huán)境的耦合問題研究——以杭州市為例

黃 賓，胡其昌，李 霄

(浙江水利水電學院經(jīng)濟與管理工程學院，浙江 杭州 310018)

始自20世紀90年代中期的中國城市化進程，在將中國城市化快速推進至較高水平的同時(據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2013年中國城市化水平為53.73%，1995 年則為 29.04%，年均增長 1.37%，而主要發(fā)達國家的城市化水平年均增長率近幾十年來始終維持在0.2%左右)，也出現(xiàn)了諸如資源枯竭、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等一系列城市化與自身環(huán)境協(xié)同發(fā)展失調(diào)的問題.在此背景下，中央適時提出了促進城市和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總體戰(zhàn)略，城市化和環(huán)境之間的協(xié)同發(fā)展因此成為理論研究和實踐工作的熱點問題.

在與城市化協(xié)同演進的諸多環(huán)境要素中，水環(huán)境由于以下特殊性，成為城市化和自身環(huán)境協(xié)同演進的關鍵.首先，區(qū)別于煤和石油等不可再生資源，水資源雖然有限但是可以循環(huán)再生，不易枯竭但會隨發(fā)展規(guī)模擴大而日趨緊張，是城市化發(fā)展速度和規(guī)模的軟性約束.其次，水環(huán)境涉及生產(chǎn)和生活的各個領域，最易被污染而且極易通過其地上、地表和地下的立體循環(huán)系統(tǒng)擴大影響范圍，極大制約著城市化發(fā)展質(zhì)量的提升.最后，相比而言，水環(huán)境治理見效較快，受益面廣，其投入和產(chǎn)出的過程均會對整個城市化發(fā)展的速度、規(guī)模和質(zhì)量產(chǎn)生深遠影響.因此說，水環(huán)境與城市化的協(xié)調(diào)發(fā)展對城市化的健康發(fā)展意義重大.

本文通過構(gòu)建基于均方差權系數(shù)的城市化和水環(huán)境發(fā)展測度模型，以及基于容量耦合的耦合關系模型，用于度量城市化和水環(huán)境的耦合關系，并利用杭州市2000年至2013年的數(shù)據(jù)，研究杭州市城市化與水環(huán)境的耦合發(fā)展情況.研究有助于更好理解城市化與水環(huán)境之間的關系，同時也可以為其他地區(qū)的相關研究提供參考借鑒.

1 研究方法

1.1 測度模型

1.1.1 概念界定

城市化是指人口向城市地區(qū)集中，以及農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械貐^(qū)的過程.其包含兩層含義，一是人口遷移，以及隨之而來的要素流動、產(chǎn)業(yè)遷移和社會結(jié)構(gòu)變遷等;二是景觀改變，包括土地利用形態(tài)的改變和規(guī)模的擴大［1］.水環(huán)境是與水相關的資源和要素的集合和狀態(tài)，一般可以從水環(huán)境水平、水環(huán)境壓力和水環(huán)境保護三個方面進行分析［2］.

1.1.2 測度指標體系

在對城市化和水環(huán)境的概念進行界定的基礎上，參照前人研究［3－5］，遵循科學性、可得性、可比性等原則，構(gòu)建城市化和水環(huán)境的測度指標體系(見表1).

表1 城市化和水環(huán)境測度指標體系

1.1.3 數(shù)據(jù)標準化處理

為了消除各類數(shù)據(jù)在量綱、量級和正負方向上的差異，采用極差法對數(shù)據(jù)進行標準化處理，見公式(1)，其中xij(i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…m)為屬性值，i為第i個年份，j為第j個指標，xij即為第i年第j個指標的數(shù)據(jù);xjmax和xjmin分別為第j個指標中的最大和最小值;Zij為xij的標準化處理結(jié)果，其值越大則正向效應越明顯.測度指標體系中，除水環(huán)境壓力下的兩個指標為負向指標外，其余指標均為正向指標.

1.1.4 均方差權系數(shù)

為了避免層次分析法的主觀性、主成分分析法的數(shù)據(jù)丟失和BP神經(jīng)網(wǎng)絡要求有先驗結(jié)果等不足，本文采用均方差方法獲取權系數(shù).該方法以標準化后的屬性值Zij為隨機變量，在計算各個隨機變量均方差的基礎上進行歸一化處理，其結(jié)果即為各指標的權重系數(shù)，這種方法可以通過描述各個隨機變量離散程度較為客觀的反映指標影響力大小.具體計算步驟如下:

指標矢量方向的隨機變量均值:

依據(jù)上述方法求得指標層的權系數(shù)，同理推出準則層的權系數(shù)，如表1所示.

1.1.5 測度值計算

目標層各年度的測度值計算公式為:

1.2 耦合模型

1.2.1 容量耦合度函數(shù)

源自物理學中容量耦合的概念是指兩個及以上系統(tǒng)相互作用和影響的現(xiàn)象，耦合度則是度量這種作用和影響程度的尺度，其函數(shù)表達形式如公式(6)所示.本文中的耦合是指城市和水環(huán)境兩個子系統(tǒng)相互作用和影響的現(xiàn)象，耦合度用來衡量兩者間作用和影響的程度.

其中，Di和 Dj(i=1，2，3，…，m;j=1，2，3，…m;i≠j)分別是第i和第j個子系統(tǒng)的測度值，C耦是m個子系統(tǒng)之間的耦合度值，取值在［0，1］之間.耦合度值為0，表示子系統(tǒng)之間處于無關狀態(tài)，系統(tǒng)將向無序發(fā)展.耦合度值為1，表示子系統(tǒng)之間達到良性共振.耦合度值越大則子系統(tǒng)間的有序狀態(tài)越好.

1.2.2 耦合度分類標準

根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的S理論，結(jié)合城市化發(fā)展與環(huán)境關系的相關研究［6］，得出城市化與水環(huán)境耦合度分類標準(見表2).

表2 城市化和水環(huán)境耦合度分類標準

2 杭州市城市化與水環(huán)境耦合

2.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到數(shù)據(jù)的可得性以及統(tǒng)計口徑的一致性，選取杭州市2000－2013年的相關數(shù)據(jù)進行研究.從城市化發(fā)展的速度上看，杭州市2000年左右開始真正進入高速發(fā)展期，因此樣本年份選擇也能夠充分體現(xiàn)城市化發(fā)展和水環(huán)境的相互影響過程.其中，城市化發(fā)展數(shù)據(jù)來源于2001－2014年杭州市統(tǒng)計年鑒，水環(huán)境數(shù)據(jù)來源于2001－2014年浙江省水資源公報，間接數(shù)據(jù)經(jīng)過相應處理，部分缺失數(shù)據(jù)采用插值法補缺.

2.2 測度結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到2000年至2013年杭州市城市化和水環(huán)境子系統(tǒng)的測度值(見圖1).

圖1 杭州市城市化與水環(huán)境測度值及耦合度值圖

杭州市城市化測度值在樣本年份內(nèi)一直增加，顯示城市化的持續(xù)發(fā)展進程.杭州市人均GDP在2000年和2013年分別為2.2萬元和11.8萬元，年均增長率31.2%，遠高于同期全國人均 GDP的0.78萬元和3.85萬元，以及27.8%的年均增長率.人口從2000年的621萬增加到2013年的884萬，位列全國第10，成為超大城市.城市基本建設投資2000年為170億，2013年達到852億，保持年均28.7%的高速增長.經(jīng)濟持續(xù)增長產(chǎn)生的帶動效應，人口規(guī)模不斷擴大帶來的需求拉動，以及城市建設投資驅(qū)動下的的資本放大效應，使得杭州市的城市化發(fā)展持續(xù)保持高速增長態(tài)勢，城市化子系統(tǒng)的測度值因此在樣本年份內(nèi)不斷增加.

相比城市化測度值的持續(xù)增加，樣本年份內(nèi)的水環(huán)境測度值不僅沒有增加，反而是末年和首年相比略有下降(2000 年為 0.34，2013 年為 0.33)，顯示出不容樂觀的水環(huán)境狀況.水環(huán)境測度值在2002年達到年本年份內(nèi)的最高值0.44后就出現(xiàn)了連續(xù)9年的持續(xù)低值，并且在此期間甚至出現(xiàn)了2005年的最低值0.19，直至2012年勉強回到0.4以上(2012年為0.41)，而后在2013年又開始回落，表明水環(huán)境在低位徘徊并不斷反復的真實狀況.

2.3 耦合結(jié)果

樣本年份內(nèi)，杭州市城市化和水環(huán)境耦合度基本不高.除2000年耦合度(2000年耦合度為0.27)在低水平狀態(tài)、2012年耦合度(2012年耦合度為0.53)在磨合狀態(tài)外，其余年份耦合度均處于頡頏狀態(tài)，表明杭州市城市化發(fā)展超越水環(huán)境自身的承載能力范圍.整體上看，剔除個別年份(2006年耦合度位于階段高點)的偶然因素，耦合度可以分為三個階段.第一階段是2000－2002年，第二階段是2002－2007年，第三階段是2007－2013年.

第一階段，耦合度呈增長趨勢.這一時期，杭州城市化發(fā)展開始起步，城市化的速度和力度持續(xù)增大，初始水環(huán)境狀態(tài)良好.城市化發(fā)展對水環(huán)境的負面影響在水環(huán)境自身可以容納的范圍內(nèi).在城市發(fā)展的同時保持了對水環(huán)境的適當投入，既保證了城市面貌的改善也兼顧了水環(huán)境狀態(tài)的維持.因此兩者間的耦合度不斷提高.

第二階段，耦合度開始下降.這一時期，產(chǎn)業(yè)發(fā)展，人口劇增，城市擴容，城市化發(fā)展加速，對水資源的索取量加大，產(chǎn)生大量的工業(yè)和生活廢水，人為阻斷了自然流動的水體，破壞了水環(huán)境的自凈和恢復能力.水環(huán)境保護未得到與城市化發(fā)展同樣的重視，治理投入力度不及破壞程度，水環(huán)境的承載能力下降.兩者間的耦合度不斷降低.

第三階段，耦合度又開始上升，但仍未能有效進入磨合階段.隨著前期水環(huán)境狀況的日益惡劣，以及人們環(huán)保意識的不斷提升，水環(huán)境保護受到重視，表現(xiàn)為治理投入加大，保護力度增強，兩者間耦合度開始回升.但由于前一階段不良水環(huán)境的滯后影響，加之治理投入未能與實際需要完全匹配，耦合未能有效進入磨合階段，因此這一階段的耦合度并沒有超過第一階段的高點，而且還在2011年和2013年出現(xiàn)兩次低點反復，顯示兩者間耦合的不穩(wěn)定性，也凸顯出問題的復雜性.

3 結(jié)論與啟示

3.1 研究結(jié)論

本文通過構(gòu)建基于均方差權系數(shù)的城市化和水環(huán)境發(fā)展測度模型，以及基于容量耦合的耦合關系模型，度量城市化和水環(huán)境的耦合關系.并利用杭州市2000－2013年的相關數(shù)據(jù)，研究了杭州市城市化與水環(huán)境的耦合發(fā)展情況.研究表明:

杭州市城市化持續(xù)高速發(fā)展.自2000開始至今，杭州市在人口、經(jīng)濟、空間和社會發(fā)展的共同作用下，城市化進程得到高效推進，城市化水平不斷提高，并且人口、經(jīng)濟、空間和社會等子系統(tǒng)均成為城市化發(fā)展的積極因素，各自作用基本相當，表明在樣本年份內(nèi)杭州市城市化是在各類因素共同且相對均等作用下的高速發(fā)展，是一種較為全面的系統(tǒng)發(fā)展.同時，由于樣本年份內(nèi)沒有出現(xiàn)過城市化的負增長，因此表明杭州市城市化發(fā)展的持續(xù)性.

杭州市水環(huán)境整體狀況不佳.樣本年份的末年與首年相比有不明顯的下降，但中間年份的下降明顯，起始年份的微弱下降掩蓋了過程中的實際變差，這表明雖然近些年來，一序列的水環(huán)境治理措施開始取得成效，一定程度上扭轉(zhuǎn)了樣本早期年份水環(huán)境惡化的趨勢，但是由于水環(huán)境問題的系統(tǒng)復雜性，現(xiàn)有舉措只能部分緩解惡化趨勢.

城市化和水環(huán)境耦合度不高，樣本年份內(nèi)的大部分時間沒有明顯提升.耦合度用于度量系統(tǒng)中若干子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，杭州市城市化和水環(huán)境耦合度不高，說明兩者間發(fā)展的協(xié)調(diào)性不夠.并且大部分年份內(nèi)耦合度呈現(xiàn)不明顯的變化，在城市化高速發(fā)展的情況下，這更加說明水環(huán)境狀況相對意義上的不容樂觀.

3.2 研究啟示

通過以上對杭州市城市化和水環(huán)境耦合問題的研究，給我們帶來的啟示是:

城市化發(fā)展并不必然帶來包括水環(huán)境在內(nèi)的城市環(huán)境的同步發(fā)展.特別是在城市化持續(xù)高速發(fā)展的情況下，水環(huán)境雖然變化不大，但是相對而言已經(jīng)是嚴重的發(fā)展滯后，因此兩相比較，耦合度沒有明顯提升.作為城市化發(fā)展的重要環(huán)境要素之一，水環(huán)境應該至少與城市化同步發(fā)展，城市化發(fā)展與水環(huán)境的低度耦合將會極大制約城市化發(fā)展質(zhì)量的提升，簡單發(fā)展城市規(guī)模和數(shù)量將有可能帶來更為棘手的“半城市化”和“偽城市化”等一系列后續(xù)城市化問題.

城市化發(fā)展應該和水環(huán)境發(fā)展相匹配.城市化發(fā)展要注意對水資源的適度索取，排污要考慮水環(huán)境的吸納能力，城市建設要兼顧水循環(huán)的系統(tǒng)聯(lián)通，這就要求根據(jù)水環(huán)境的承載能力限制，科學制訂并有序?qū)嵤┓袭數(shù)貙嶋H的城市化發(fā)展規(guī)劃.同時，考慮到水環(huán)境影響的關聯(lián)性和滯后性，應該把城市化發(fā)展財富更多更持續(xù)的投入到水環(huán)境治理領域，并且考慮到歷史欠賬，投入力度應該大于城市發(fā)展力度.

［1］陳明星，陸大道，張 華.中國城市化水平的綜合測度及其動力因子分析［J］.地理學報，2009(4):387－398.

［2］匡耀求，黃寧生.中國水資源利用與水環(huán)境保護研究的若干問題［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2013，23(4):29 －33.

［3］孫焱林，王中林，張攀紅.空間、經(jīng)濟、人口城市化協(xié)調(diào)性測度［J］.城市問題，2014(7):9 －13.

［4］潘爭偉，金菊良，吳開亞，等.區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)脆弱性指標體系及綜合決策模型研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2014，23(4):518－525.

［5］馬 濤，王 菲，杜 澄.城市水環(huán)境系統(tǒng)綜合評價指標體系探討［J］.生態(tài)經(jīng)濟，2014，30(7):133 －135.

［6］劉耀彬，李仁東，宋學鋒.中國城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度分析［J］.自然資源學報，2005，20(1):105－112.