西安市城市化與水資源環(huán)境耦合關系研究及預測

馮文文， 郭 夢， 錢 會, 侯 凱

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

“城市化”一詞最早來源于英國，是指農業(yè)人口流向城市的過程，現階段更多指社會變遷、經濟轉型及文化發(fā)展等綜合性過程[1]。改革開放后，我國城市化發(fā)展進入快車道，城市化率由1978年的17.92%上升至2016年的57.35%[2]。城市化水平的提高，增加了對水資源的消耗，水問題能否妥善解決，已成為影響城市化健康協調發(fā)展的重要因素之一[3-4]。

目前國內外很多專家學者對城市化與水資源之間的關系進行了研究，如Srinivasan等[5]利用人類-環(huán)境耦合系統(tǒng)研究了印度Chennai地區(qū)城市化與水資源之間的相互關系，認為政府需要采取更多措施來避免水資源短缺問題，以保證城市化發(fā)展的正常有序進行；Ren Chongfen等[6]在研究城市化與水資源關系時，創(chuàng)新性地引入生物學新陳代謝的概念來描述水資源問題，認為水資源代謝能力的大小會對城市化發(fā)展產生影響。此后，人們對水資源的研究更加側重于其對城市化發(fā)展的影響，并建立耦合模型來分析兩者間的相互作用關系，如黃珍濤等[7]利用耦合協調模型對南京市城市化與水資源的耦合作用進行了研究，認為兩者的耦合協調過程是呈波動增長的；吉婷婷等[8]分析了蘇州市城市化對社會經濟、生態(tài)環(huán)境以及水資源的影響，并建立了該地區(qū)的水資源承載力模型。由此可見，通過建立耦合模型來研究城市化與水資源環(huán)境之間的關系，已成為當下的熱門手段。

2017年，西安市國民生產總值(GDP)總量達到7471.89×108元，相較于2016年增加了19.38%，到2020年GDP有望達到10000億元[9]。經濟高速增長加快了城市化前行的步伐，社會發(fā)展與水資源之間的矛盾也愈發(fā)尖銳。西安市地處干旱和半干旱地區(qū)，大氣降水是域內水資源的主要補給來源，受人類活動影響，地表水和地下水均產生了不同程度的污染，同時降水的時空分布不均更是加劇了整個社會與水資源之間的供需矛盾，水資源短缺將是西安市城市發(fā)展長期面臨的重大問題[10-14]。

基于此，本文利用2005-2017年的統(tǒng)計數據，在考慮城市化均衡發(fā)展與人的主客觀需求基礎上，構建了城市化與水資源環(huán)境綜合評價指標體系和耦合協調度模型，利用主客觀組合賦權的層次分析法(AHP)確定各級指標權重，分析了近13年來西安市城市化與水資源環(huán)境的耦合關系及影響因素，并對2020年的耦合情況進行了預測，為未來西安市水生態(tài)治理及城市可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

2 研究區(qū)概況與數據來源

2.1 研究區(qū)概況

西安市位于陜西省中部，107°40′～109°49′E和33°39′～34°44′N之間。氣候上屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風，多年平均降水量為515.7 mm，受地形影響由南向北逐漸增加；年平均氣溫約為13.3℃，最高氣溫出現在7月為32℃，最低氣溫為1月為-4℃，最高與最低氣溫相差達28℃。

西安市水資源總量約為23.47×108m3，人均占有水資源量約為234 m3，不及全國人均水資源量的十分之一；地表水資源總量約為18.03×108m3，可利用量約為38%；地下水資源總量約為13.94×108m3，可利用量約為63%[9-12]。

2005-2017年西安市經濟狀況取得了巨大成就，國民生產總值(GDP)呈倍數增長，從2005年的1313.93×108元增長至2017年的7471.89×108元；城鎮(zhèn)人口比重從2005年的71.89%增長至2017年的73.42%；第三產業(yè)占GDP比重由2005年的53.84%增長至2017年的61.49%[9]。

2.2 數據來源

本文所采用的城市化相關數據來源于2015-2017年的《西安市統(tǒng)計年鑒》；水資源相關數據來源于2005-2017年的《西安市水資源公報》和《陜西省水資源公報》；2020年各項指標數據來自《西安城市總體規(guī)劃(2008-2020年)修改》。

3 研究方法

3.1 綜合指數計算

城市化系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的相互作用關系，受到其系統(tǒng)自身組成因素的穩(wěn)定性、非線性過程影響[3]。借助線性代數的相關知識，將水資源系統(tǒng)與城市化系統(tǒng)概化為一系列線性方程組，表示為：

(1)

式中：f(c)，f(ω)為城市化和水資源環(huán)境系統(tǒng)(標準化運算所得為本文的綜合指數)；xi、xj分別為對應于各自系統(tǒng)中的元素；ωi、ωj分別為系統(tǒng)中對應元素的權重。

3.2 耦合協調模型

耦合協調程度是對系統(tǒng)內要素間相互混亂程度及變化趨勢的描述，耦合度可以用來反映整個系統(tǒng)有序程度[15]。因此，對城市化系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)的內在關聯可利用耦合概念模型進行探討。本次研究利用耦合協調度模型來反映城市化與水資源環(huán)境間的耦合程度，其模型公式如下[7-8,16]：

T=αf(c)+βf(ω)

(2)

(3)

(4)

式中：D為耦合協調度；C為耦合度；T為城市化與水資源綜合評價指數，它反映了系統(tǒng)作為整體的協同效應或貢獻；α，β為待定系數(根據西安市的實際情況，取α=β=0.5)；k為調節(jié)系數(一般情況下，2≤k≤5，本文只有城市化和水環(huán)境兩個要素，因而取k=2)。

根據前人研究資料[11,13-14]及西安市城市化與水資源利用現狀，相應的耦合協調度分類見表1。

3.3 指標體系計權重確定

在確定評價城市化和水資源環(huán)境的指標時，首要應考慮人的生活需求和全面發(fā)展。城市化與水資源環(huán)境關系可以簡述為：城市化的快速發(fā)展對水資源供給能力提出了更高的要求，使得水資源面臨前所未有的壓力，水資源壓力的大小則決定了水資源保護需要的成本和力度，水資源保護的成效又成為影響水資源水平的重要因素[3](見圖1)。

圖1 城市化與水資源相互關系示意圖

基于上述分析，結合已有研究成果[17-19]和區(qū)域自身特征構建了西安城市化與水資源環(huán)境的評價指標體系，見表2。

為了消除各評價指標測量尺度與量綱不同的影響，采用主客觀組合賦權的層次分析法(AHP)，一級指標本研究采用主觀賦權法，二級指標利用客觀賦值變異系數法來確定各指標的權重[20-22]。本文認為和諧健康的現代城市化應該是經濟、人口、社會、空間四者協調共同發(fā)展，因此城市化4項一級指標X1、X2、X3、X4對城市化發(fā)展的貢獻是相等的，其權重均為0.25。同理，對與水資源環(huán)境來說，開發(fā)、節(jié)約與保護同樣重要，因而水資源環(huán)境3項一級指標Y1、Y2、Y3權重均為0.333。

表1 耦合度和耦合協調度評價等級分類表

4 結果分析

圖2為城市化與水資源環(huán)境的耦合度與耦合協調度關系。由圖2可以看出，西安市的城市化發(fā)展與水資源環(huán)境耦合度總體上呈趨于良好的發(fā)展過程：初期為低水平耦合，而后變?yōu)橐粋€平穩(wěn)的過程，2012年為耦合度值最大年份；協調過程經歷了初期的弱協調，而后進入相互拮抗的磨合期，最后步入協調發(fā)展的有序過程。結合圖3城市化與水資源環(huán)境綜合指數評價，可將此過程劃分為2個階段：(1)城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境階段；(2)城市化發(fā)展超前于水資源環(huán)境階段。

4.1 城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境階段

2005-2012年為西安市城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境的階段，由圖3可以看出，城市化綜合指數增加了0.2474，水資源環(huán)境綜合指數下降了0.222，說明在這一階段隨著城市化發(fā)展進程的加快，水資源環(huán)境狀況在不斷惡化。耦合協調度呈上升趨勢，屬于失調向初級協調的過渡階段。

圖4為2005-2020年西安市城市化綜合評價4項指數變化趨勢，表3為2005-2020年西安市主要評價指標數值統(tǒng)計。圖4表明，2005-2012年城市化綜合評價的各項指數均呈上升趨勢，說明該階段城市化進程發(fā)展迅速，結合表3分析表現為GDP增加了232%，城鎮(zhèn)人口增長了14.71%，說明這一階段GDP和人口增長是推動城市化發(fā)展的主要驅動力；第三產業(yè)與第二產業(yè)的產值比下降了7.07%，說明各產業(yè)經濟發(fā)展不均衡，第二產業(yè)發(fā)展速度最快；建成區(qū)面積增長了95%，人均公園綠地面積增長了56%，說明城市面積擴大同時也兼顧了人均生活空間和環(huán)境的發(fā)展；城鎮(zhèn)居民人均可支配收入增長了211%，萬人擁有醫(yī)生數和萬人擁公共汽車輛數分別增加了92%和16%，說明隨著城鎮(zhèn)居民收入的增長，城市社會條件也在不斷改善，尤其是醫(yī)療衛(wèi)生條件，但公共事業(yè)發(fā)展則稍顯遲滯。

表2 西安市城市化與水資源環(huán)境耦合關系評價體系及權重

圖2西安城市化與水資源環(huán)境的耦合度與耦合協調度 圖3西安城市化發(fā)展與水資源環(huán)境的綜合評價指數

表3 2005-2020年西安市主要評價指標數值統(tǒng)計或預測表

圖5為2005-2020年水資源環(huán)境綜合評價3項指數變化趨勢。圖5表明，2005-2012年資源環(huán)境綜合評價的各項指數都呈下降趨勢，結合表3可以看出，人均擁有水資源量下降了23%，城鎮(zhèn)生活污水排放量增長了479%，污水處理率下降了5.98%，表明城市發(fā)展產生的生活污水在不斷增加，原有的城市污水處理設施已經有些不堪重負。

4.2 城市化發(fā)展超前于水資源環(huán)境階段

2013-2017年為西安市城市化發(fā)展超前于水資源環(huán)境階段。由圖3可以看出，該階段城市化與水資源環(huán)境的耦合協調關系屬于中級協調到高級協調，耦合協調度增加了0.1723，耦合度卻比最高值下降了0.0288，主要是因為城市化發(fā)展速度過快，部分達到或超過現狀條件下的水資源承載能力，導致出現協調卻不耦合的異?，F象。

2013-2017年，城市化綜合評價的各項指數都呈快速上升趨勢(圖4)，說明該階段城市化進程顯著提速，結合表3分析表現為GDP增長了52%，2017年第三產業(yè)占GDP比重達到61.49%，與第二產業(yè)產值比更是高達176%，表明經濟增長依舊是推動城市化發(fā)展的主要驅動力，人口的影響已經被弱化，同時第三產業(yè)占經濟比重在不斷增加，并解決了58.29%的城鎮(zhèn)人口就業(yè)問題，說明該階段西安經濟轉型和產業(yè)升級帶來的效果正在逐步顯現，這種不顯著增加城市水資源負擔的發(fā)展方式應當是西安市未來城市化發(fā)展的方向。社會發(fā)展方面，2013-2017年西安市人均公園綠地面積增長了12.52%，人均擁有道路面積增長了10%，萬人擁有醫(yī)生數增加了18.29%，表明城市化快速推進的同時也兼顧了人均生活空間和環(huán)境的改善，但與經濟增加52%和人口增加14%相比，社會生活的基本醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境條件和公共出行條件的改善力度還不夠。

圖4 西安市城市化綜合評價4項指數變化趨勢

另外，由圖5結合表3可以看出，人均擁有水資源量下降了0.25%，年降水量和年供水量則分別增加了53%和73%，極大的改善了城市水資源狀況，是水資源環(huán)境綜合指數上升的主要因素；城鎮(zhèn)生活污水排放量增長了164%，污水處理率增加了1.33%，工業(yè)廢水排放達標率增加了11.33%，表明該階段，西安市加大了對水資源保護的重視力度及對污水治理的投資，使得污水處理率和工業(yè)用水效率有了明顯的提升，水資源壓力水平降低。

綜合以上因素，城市化大發(fā)展背景下水資源環(huán)境狀況得到適度改善，承載能力在不斷增強，但遠達不到城市化發(fā)展的要求，因而使得城市化與水資源環(huán)境綜合指數二者間的差距逐漸擴大，至2017年，其相對差距大于0.24，且呈不斷增加的趨勢，水資源環(huán)境嚴重滯后于城市化發(fā)展。

圖5 西安市水資源環(huán)境綜合評價3項指數變化趨勢

5 未來水平年耦合預測

2018年2月西安成為第9個國家中心城市，在國家層面的大力推動下西安市提出到2020年GDP總量要達到1萬億元，經濟的高速發(fā)展對現有的水資源環(huán)境狀況提出了更高要求。為應對西安城市化發(fā)展過快，水資源對于城市化發(fā)展的掣肘問題，西安市政府在《西安城市規(guī)劃(2008-2020年)修改》中提出了實施一系列水生態(tài)恢復改善措施，并被國家水利部列為“全國水生態(tài)文明城市建設”試點城市。

在“開源節(jié)流”的原則指導下，實施生態(tài)引水相互聯通西安市內現有湖泊水系，提出了一系列針對性的措施和指標?；诖吮疚睦民詈蠀f調度模型，對2020年西安市城市化和水資源環(huán)境耦合協調情況進行了預測分析(見圖2、圖3)。結果表明，至2020年城市化與水資源環(huán)境耦合協調度由2017年的0.8015上升至0.9230，已達到高級協調階段；水資源環(huán)境綜合指數由2017年的0.5790上升至0.8210，增長了42%，與城市化與水資源綜合指數差距已縮小至0.0671，說明西安市實施的水生態(tài)恢復措施是積極富有成效的，極大地改善了西安市現有的水資源狀況，為未來城市化發(fā)展提供了充足的水資源，使城市化發(fā)展更加協調、有序。

6 結 論

通過建立城市化和水資源系統(tǒng)的綜合評價指標體系，確立了二者間的耦合協調度模型，對西安市城市化與水資源環(huán)境協調關系進行評價及預測，主要結論如下：

(1)模型結果表明，2005-2017年西安市城市化與水資源環(huán)境耦合協調關系呈波動式上升趨勢，耦合協調度由2005年的0.3299升至2017年的0.8015；70%的年份屬于中高水平協調階段，說明西安市水資源豐富有較大開發(fā)潛力，應加快推進城市化進程，合理規(guī)劃使用域內水資源，最終達到城市化和水資源環(huán)境協調、有序發(fā)展。

(2)依據綜合指數評價結果將西安市城市發(fā)展劃分為兩個階段，2005-2012年為城市化發(fā)展滯后于水資源環(huán)境階段，表明城市化的快速發(fā)展使得原有市政設施不堪重負，水資源環(huán)境狀況在不斷惡化；2013-2017年為城市化發(fā)展超前于水資源環(huán)境階段，得益于西安市采取一系列富有成效的措施，使水資源環(huán)境狀況不斷改善，但與城市化的高速發(fā)展相比，還是顯得不夠，水資源環(huán)境指數將長期低于城市化綜合指數。

(3)2020年西安市城市化與水資源環(huán)境耦合預測結果表明，實施以“開源節(jié)流”為主的水生態(tài)保護措施是積極富有成效的，不僅改善了西安市的水資源情況，而且促進了節(jié)水型社會建設和發(fā)展方式的轉變；但規(guī)劃出臺時間較早，對水資源的規(guī)劃涵養(yǎng)以地表水為主，忽視了地下水系統(tǒng)作為天然調蓄水庫的重大作用，其次目標的實際完成率仍有待考量，因而水資源短缺將是西安市城市發(fā)展長期面臨的重大問題，因此加強水資源保護、提升市政供水和污水處理能力及增強市民節(jié)水意識刻不容緩。