長沙城市化與水資源環(huán)境交互耦合關(guān)系與時(shí)序變化研究

鄭楚菁+蔣智美+羅幸樂+李景保

摘要：通過建立耦合協(xié)調(diào)度模型和灰色關(guān)聯(lián)度模型，探索了長沙城市化水平與水資源環(huán)境的耦合關(guān)系。通過創(chuàng)建城市化系統(tǒng)和水資源環(huán)境系統(tǒng)的綜合指標(biāo)體系，對(duì)長沙市2000～2014年間的城市化與水資源環(huán)境水平進(jìn)行了量化評(píng)估，探究了其時(shí)序變化規(guī)律和主要影響因素。結(jié)果表明：2000～2014年長沙市水資源環(huán)境和城市化綜合水平均呈增長趨勢(shì)，長沙城市化和水資源環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度在0.70757～0.949998之間，達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：城市化；水資源環(huán)境；交互耦合；時(shí)序變化；長沙市

中圖分類號(hào)：TU-856

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2016）22-0109-06

1引言

改革開放以來，長沙市社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，截至2014年底長沙城市化已達(dá)72.34%；與此同時(shí)，城市化的快速進(jìn)程也對(duì)水資源產(chǎn)生了極大的需求。就水質(zhì)而言，在2002、2003、2012、2013、2014年，湘江長沙段各監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境中污染年均值都呈現(xiàn)不同程度的超標(biāo)狀態(tài)，不同年份不同斷面的超標(biāo)污染物也各有不同[1]。另外，長沙水資源量與城市化進(jìn)程間的耦合協(xié)調(diào)也存在一定問題：長沙地處長江以南洞庭湖流域，多年平均降水量在1507.2mm，理論上屬于豐水城市；但由于降水季節(jié)性分配不均，年內(nèi)降水主要集中在汛期4～9月（湖南省汛期降水量占年降水量的67.1%左右），很容易造成季節(jié)性缺水。綜上所述，長沙城市化發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)的矛盾仍然突出。鑒于此，通過對(duì)長沙城市化與水資源環(huán)境交互耦合作用關(guān)系的研究，闡明長沙城市化與水資源環(huán)境耦合度的時(shí)序變化規(guī)律及互動(dòng)耦合協(xié)調(diào)機(jī)制，為長沙在城市化發(fā)展過程中調(diào)整城市功能、合理配置水資源、保護(hù)水環(huán)境等方面提供理論依據(jù)。

2研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

長沙位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣。地域范圍為東經(jīng)111°53′～114°15′，北緯27°51′～28°41′，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和、降水充沛、雨熱同期。該市多年平均氣溫17.2℃，多年平均降水量1507.2mm。該市河網(wǎng)密布，多年平均水資源量96.19億m3，平均地表徑流量82.65億m3，徑流深550～850mm。湘江流經(jīng)長沙市的常年徑流量年均692.50億m3，地下水總儲(chǔ)量9.35億m3/a。

數(shù)據(jù)主要來源于2000～2015年《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南省水資源公報(bào)》、《長沙市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《長沙市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，個(gè)別年份有數(shù)據(jù)缺失，取相鄰年份的數(shù)值以插值法補(bǔ)齊獲得。

3研究方法

3.1指標(biāo)體系的建立及權(quán)重計(jì)算

根據(jù)已有文獻(xiàn)的研究成果[2～5]，通過頻度統(tǒng)計(jì)法對(duì)近年來評(píng)價(jià)城市化和水資源環(huán)境的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行指標(biāo)使用頻度統(tǒng)計(jì)[6]，確定從人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、社會(huì)城市化、空間城市化這4個(gè)方面選取15個(gè)指標(biāo)，以全面的角度反映城市化水平。城市水資源環(huán)境水平的衡量從社會(huì)評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和環(huán)境評(píng)價(jià)3個(gè)方面選取12項(xiàng)指標(biāo)，來綜合反映城市水資源環(huán)境的發(fā)展水平及變化趨勢(shì)。

由于原始數(shù)據(jù)量綱不同，無法直接進(jìn)行比較，故采用變異系數(shù)法[7]，對(duì)長沙市2000～2014年的15項(xiàng)城市化水平指標(biāo)和12項(xiàng)水資源環(huán)境水平指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重（表1）。

3.2灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)分析

通過灰色關(guān)聯(lián)度模型[8]，對(duì)長沙市城市化水平與水資源環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。因?yàn)樵贾笜?biāo)量綱不同，所以需要進(jìn)行無量綱化處理，計(jì)算方法采用公式（1）與（2），其關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為：

研究只涉及城市化和水資源兩個(gè)子系統(tǒng)，因此n=2。顯然，耦合度值C∈[0，1]。

T為城市化水平與水資源環(huán)境之間的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，在實(shí)際中，最好使T∈（0，1）。U1、U2為別為城市化水平和城市水資源環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)得分，α、β為待定系數(shù)。由于城市化水平和城市水資源質(zhì)量同等重要，所以α、β都取0.50，得出耦合協(xié)調(diào)度值D。根據(jù)D值大小，把城市化水平和水資源環(huán)境之間的耦合協(xié)調(diào)度類型分為3個(gè)大類和30個(gè)基本類型[9]（表2）。

4評(píng)價(jià)結(jié)果分析

4.1長沙城市化和水資源環(huán)境綜合水平測(cè)評(píng)結(jié)果

通過公式（5）和（6）計(jì)算出長沙城市化與水資源環(huán)境綜合水平得分，結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1中可以看出，從2000～2014年，長沙市城市化綜合水平除2008年有小幅回落外，其他年份均呈現(xiàn)出較快的增長，至2014年城市化率超過70%。其中城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、萬元GDP用水量等指標(biāo)一直呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，非農(nóng)業(yè)人口數(shù)、人均公園綠地面積、人均工業(yè)總產(chǎn)值等指標(biāo)基本呈較快增長。2008年的小幅回落可能與2008年南方冰災(zāi)和全球經(jīng)融危機(jī)有關(guān)。從圖2中可以看出，2000年以來，長沙市水資源環(huán)境綜合水平數(shù)值總體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)。說明長沙市城市化與水資源環(huán)境相互促進(jìn)，水資源環(huán)境正在向積極的方向發(fā)展。這與萬元GDP用水量等指標(biāo)的持續(xù)下降趨勢(shì)相吻合。但在2008年，水資源環(huán)境綜合水平出現(xiàn)較明顯的回落，原因主要在于2008年長沙工業(yè)發(fā)展速度的加快。據(jù)政府報(bào)告，長沙市2008年前3個(gè)季度增加工業(yè)投資323億元，開工建設(shè)1110個(gè)工業(yè)項(xiàng)目，與去年同期相比增長42%。從圖3中可以看出，2008年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)取水總量同比增長25.04%，污水處理廠處理能力同比下降33.3%，人均用水量上升7.65%，水資源環(huán)境綜合水平迅速下滑。隨著工業(yè)建設(shè)的結(jié)束，2008年后的歷年水資源環(huán)境綜合水平再度呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。

4.2長沙城市化和水資源環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度的時(shí)序變化分析

根據(jù)廖重斌環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的分類體系及判別標(biāo)準(zhǔn)[9]，得出長沙市城市化與水資源環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展類型，并據(jù)此劃分為以下3個(gè)階段。

4.2.1水資源環(huán)境滯后于城市化發(fā)展第一階段

該階段處于2000～2005年間，屬于中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類到良好協(xié)調(diào)發(fā)展類，其耦合協(xié)調(diào)度如表3所示。這一階段水資源環(huán)境相對(duì)于城市化發(fā)展的滯后特性，是導(dǎo)致城市化與水資源環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度處于中度協(xié)調(diào)發(fā)展的主要原因。其中，城市化綜合水平與水資源環(huán)境綜合得分都處于較低水平：城市科技水平較低，導(dǎo)致工業(yè)耗水量較大，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)量較低（2000～2005年分別為76.14%、79.26%、82.51%、87.60%、87.77%、87.63%）；城市經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)，也使得政府對(duì)于水資源環(huán)境的治理投資有限，城市污水綜合處理率長期處于50%以下；再加上人們的環(huán)保意識(shí)較差，使得水資源環(huán)境綜合水平落后于城市化綜合水平。

4.2.2城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境發(fā)展階段

該階段從2006～2009年，處于良好協(xié)調(diào)發(fā)展類。其變化的主要原因在于，數(shù)年來隨著長沙市城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)與人口集聚作用增強(qiáng)，城市生活用水量、污水量也不斷增加，制約了長沙的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)此，長沙市制定“藍(lán)天碧水”工程項(xiàng)目，要求2010年廢水治理率達(dá)70%，處理合格率85%以上，污染物去除率60%以上。2006年，長沙市出臺(tái)一系列污水處理廠改造方案，對(duì)一大批老舊處理廠進(jìn)行擴(kuò)大和改造，大大提高了污水處理能力。2007年，長沙市對(duì)污水處理費(fèi)、自來水價(jià)格進(jìn)行上調(diào)，同時(shí)配合一定的環(huán)保節(jié)水宣傳，使得長沙市污水處理率在2009年達(dá)到79.43%，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率達(dá)到90.02%，萬元GDP用水量由2001年的462m3下降到101m3。水資源綜合水平得到較大提高，領(lǐng)先于城市化水平。

4.2.3水資源環(huán)境滯后于城市化發(fā)展第二階段

該階段從2010～2014年，由良好協(xié)調(diào)發(fā)展類經(jīng)濟(jì)滯后型向優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展類環(huán)境滯后型發(fā)展。其主要原因在于該階段長沙市城市化水平的不斷提高。就人口結(jié)構(gòu)而言，至2014年年底，長沙城市化率達(dá)到70%以上，常住人口達(dá)到731.15萬人，城市生活用水排放量快速增加，達(dá)到33880萬m3/a，同比增長8.37%。就經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)而言，第二產(chǎn)業(yè)比重居高不下（超過60%），其中又以重型機(jī)械、汽車制造等重工業(yè)為主，導(dǎo)致了工業(yè)需水量、污水排放量的增加。城市污水排放總量5年間增幅分別為15.46%、10.41%、1.79%、4.44%、8.60%，至2014年達(dá)到45796萬m3，超出長沙市污水處理廠的處理能力。再加上湘江河段多年來的重金屬污染問題，使得此階段長沙市水資源環(huán)境綜合水平相對(duì)落后于城市化綜合水平，但二者總體仍處于優(yōu)秀協(xié)調(diào)發(fā)展階段（表3）。

4.3長沙城市化與水資源環(huán)境的交互耦合影響因素

利用灰色系統(tǒng)理論對(duì)長沙城市化與水資源環(huán)境系統(tǒng)交互耦合影響因素進(jìn)行量化分析。

通過公式（7）和（8）計(jì)算出長沙城市化與水資源環(huán)境系統(tǒng)間灰色關(guān)聯(lián)度。結(jié)果顯示：其灰色關(guān)聯(lián)度都大于0.5，屬于較強(qiáng)相關(guān)。這說明長沙城市化系統(tǒng)與水資源環(huán)境系統(tǒng)之間聯(lián)系緊密。為進(jìn)一步揭示二者耦合交互關(guān)系，對(duì)所得灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行降序排列，得出水資源環(huán)境約束城市化發(fā)展的主要因素、城市化系統(tǒng)脅迫水資源環(huán)境的主要因素。

水資源環(huán)境系統(tǒng)的12項(xiàng)指標(biāo)，按照與城市化系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度降序排列依次為：污水處理廠處理能力（0.721964854）、污水處理率（0.719187407）、城市供水綜合生產(chǎn)能力（0.718304991）、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率（0.65728471）、工業(yè)廢水排放總量（0.63924968）、排水管道密度（0.624246896）、單位工業(yè)產(chǎn)值工業(yè)廢污水排放量（0.616415725）、地下水資源量（0.608407862）、地表水資源量（0.607452887）、年降水量（0.606347864）、人均日生活用水量（0.594043185）、用水普及率（0.56390841）?？梢钥闯?，水資源環(huán)境對(duì)城市化體系的約束作用主要體現(xiàn)在水污染治理、供水設(shè)施及供水能力等方面，其中污水處理是最主要的因素。

城市化系統(tǒng)的15項(xiàng)指標(biāo)，按照與水資源環(huán)境系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度降序排列依次為：第三產(chǎn)業(yè)人口所占比重（0.690575876）、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)（0.675140837）、建成區(qū)總面積（0.670421596）、全市年末常住總?cè)丝冢?.670353584）、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率（0.669039307）、人均GDP（0.654823866）、人均公園綠地面積（0.653112309）、人均可支配收入（0.650306926）、人均工業(yè)總產(chǎn)值（0.646411691）、人均擁有道路面積（0.642672106）、每萬人擁有公共交通車輛（0.639088796）、城鎮(zhèn)人均居住面積（0.630603081）、城市人口密度（0.551830602）、第二三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值比（0.543545358）、第三產(chǎn)業(yè)在GDP中的比重（0.542457374）?？梢钥闯?，城市化進(jìn)程對(duì)水資源環(huán)境的脅迫作用主要體現(xiàn)在人口增長及分布、城市空間面積、經(jīng)濟(jì)狀況等方面，其中經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和空間面積是主要原因。

5結(jié)語

（1）長沙城市化綜合水平整體呈較明顯的增長趨勢(shì)，其中2008年有較小幅度的回落，但之后很快穩(wěn)步上升；說明長沙自2000年起15年來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直保持著良好的勢(shì)頭。而水資源環(huán)境綜合水平波動(dòng)較大，說明水資源環(huán)境的發(fā)展情況仍不穩(wěn)定，需要長期政策的維持。

（2）長沙城市化與水資源環(huán)境交互耦合關(guān)系在時(shí)序變化上體現(xiàn)出曲折上升的過程。長沙分別于2000～2005年、2006～2009年、2010～2014年經(jīng)歷了水資源環(huán)境滯后于城市化發(fā)展第一階段、城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境發(fā)展階段、水資源環(huán)境滯后于城市化發(fā)展第二階段，正從中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展向優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)變。自2012年始，長沙已進(jìn)入優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展階段，但環(huán)境滯后這一特點(diǎn)仍然存在。說明長沙的水資源環(huán)境并不容樂觀，水資源環(huán)境的治理和防護(hù)仍將在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)政府工作的重要地位。

（3）長沙城市化與水資源環(huán)境聯(lián)系緊密，系統(tǒng)間灰色關(guān)聯(lián)度都大于0.5，屬于較強(qiáng)相關(guān)。其中水資源環(huán)境對(duì)城市化體系的約束作用主要體現(xiàn)在水污染治理、供水設(shè)施及供水能力等方面，污水處理是最主要的因素；城市化進(jìn)程對(duì)水資源環(huán)境的脅迫作用主要體現(xiàn)在人口增長及分布、城市空間面積、經(jīng)濟(jì)狀況等方面，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和空間面積是主要原因。因此，政府應(yīng)加大對(duì)污水排放的管理力度，做好城市經(jīng)濟(jì)和空間規(guī)劃，以謀求城市與水資源環(huán)境的良性協(xié)同發(fā)展。

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