云南省城市化與水資源的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

童 彥， 潘玉君， 張梅芬， 張 玲

(1.曲靖師范學(xué)院 文化旅游學(xué)院， 云南 曲靖 655011; 2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650092)

水不僅是重要自然資源，而且還是戰(zhàn)略性經(jīng)濟社會資源，同時還是一個國家綜合國力的有機組成部分[1]。隨著城市化進程加快，導(dǎo)致水資源壓力增大。作為城市化發(fā)展的重要支撐要素，水資源與城市化之間存在著復(fù)雜的關(guān)系[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對城市化與水資源之間的關(guān)系進行了一些研究，主要圍繞水貧困與城市化的協(xié)調(diào)關(guān)系研究、水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐能力研究、用水指標(biāo)與與城市化指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析、用水效率與城市化水平的關(guān)系等方面展開。

例如，Srinivasan等[3]研究了印度Chennai地區(qū)水資源與城市化之間的相互關(guān)系，并提出政府應(yīng)采取更多措施來解決水資源短缺。馮文文等[4]通過耦合協(xié)調(diào)模型，對西安市城市化與水資源環(huán)境耦合關(guān)系及未來趨勢進行研究；張勇等[5]運用水資源開發(fā)利用率，通用動態(tài)耦合模型對廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)水資源支撐能力與城市化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢進行研究，認(rèn)為兩系統(tǒng)一直處于極限發(fā)展階段，但用水邊際性明顯；李歡等[6]通過構(gòu)建水貧困及城市化發(fā)展模型，對湖南省水貧困及城市化水平進行測度，定量評估水貧困與城市化耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的時空變化；海霞等[7]運用超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)模型，定量分析京津冀城市群不同行業(yè)的用水效率，從經(jīng)濟、社會、人口與土地等不同城市化角度，全面分析了城市發(fā)展水平與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活三大行業(yè)用水效率之間的相互關(guān)系。華佳等[8]通過確立淮安市城市化指標(biāo)和用水指標(biāo)，利用灰色關(guān)聯(lián)法對二者的相互關(guān)系進行分析，并對用水潛力和人口承載力進行預(yù)測。叢東來等[9]運用層次分析法、因子分析法和響應(yīng)度模型對哈爾濱市水資源開發(fā)利用和城鎮(zhèn)化發(fā)展的響應(yīng)關(guān)系進行研究。綜上所述，就研究方法而言，城市化與水資源關(guān)系的研究多采用耦合協(xié)調(diào)模型、數(shù)據(jù)包絡(luò)模型、響應(yīng)度模型等定量分析方法；就研究區(qū)域而言，對城市群或干旱半干旱地區(qū)的研究較多，對水資源總量很豐富的西南地區(qū)關(guān)注較少。

鑒于此，本研究以水資源總量居全國第3的云南省為例，探討其城市化系統(tǒng)與水資源的相互作用，為正確評價云南省城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)，進而為促進區(qū)域人口、資源、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處我國西南邊疆，北緯21°9′—29°15′，東經(jīng)97°31′—106°12′。云南省土地面積為3.94×105km2，其中84%為山地；氣候以亞熱帶山地和高原季風(fēng)氣候為主，干、濕季節(jié)分明，具有明顯的垂直分異；降水以降雨為主。水資源總量豐富，多年平均水資源總量約2.21×1011m3，僅次于西藏、四川兩省區(qū)，居全國第3位[10]。受地形、海拔、降水量的時空分布和經(jīng)濟社會發(fā)展等自然因素和人文因素的影響，水資源空間分布極不均勻，呈現(xiàn)出西多東少，南多北少，山區(qū)多，河谷平壩少的總體空間分布特征。此外，水資源與經(jīng)濟發(fā)展要素不匹配，占全省土地面積6%的壩區(qū)，集中了2/3的人口和1/3的耕地，但水資源量卻只有全省的5%；滇中城市群人均水資源量僅為700 m3左右，處于缺水狀態(tài)[11-16]。改革開放以來，云南省城市化水平有了很大提高，截至2017年全省建成區(qū)面積達1 844.87 km2，城區(qū)人口為1 388.21萬人，相比2008年，建成區(qū)面積增加694.5 km2，年平均增長率為6.03%；城區(qū)人口增加428.9萬人，年平均增長率為4.47%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

云南省及各市(州)多年城市化相關(guān)數(shù)據(jù)與水資源數(shù)據(jù)來源于《云南統(tǒng)計年鑒》與《云南水資源公報》。在采集以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，建立多年城市化與水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在GIS技術(shù)支持下，運用ArcGIS 10.2軟件，揭示云南省城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時間序列特征與空間格局特征。

1.3 研究方法

1.3.1 指標(biāo)的選擇 基于上述對云南省水資源狀況與城市化進程的認(rèn)識，遵循科學(xué)性、層次性、代表性、可獲取性等原則[17]，選取18項指標(biāo)構(gòu)建云南省城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 云南省城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價指標(biāo)體系

1.3.2 分類標(biāo)準(zhǔn) 在參考現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上[18-21]，將城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展水平分為3個階段(協(xié)調(diào)階段、磨合階段和失調(diào)階段)，10種發(fā)展類型；同時根據(jù)測算結(jié)果，將城市化與水資源的對比關(guān)系劃分為：水資源與城市化同步發(fā)展型、城市化發(fā)展滯后型和水資源滯后型3種對比類型，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。

表2 云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型劃分

1.3.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于城市化與水資源評價指標(biāo)存在數(shù)量級、量綱和指標(biāo)屬性的差異[22]，因此需要對指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究中，采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。計算公式為：

(1)

1.3.4 權(quán)重的確定 確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要有層次分析法(AHP)、主成分分析法、熵權(quán)法、變異系數(shù)法、德爾菲法(Delphi)等。其中，熵權(quán)法通過指標(biāo)信息熵的計算確定指標(biāo)權(quán)重，能較好地消除了人為因素對指標(biāo)權(quán)重確定的影響[23]，故本文采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。其計算結(jié)果詳見表1。

1.3.5 耦合度模型 本文引入耦合度模型，把城市化與水資源兩個系統(tǒng)相互作用彼此影響的現(xiàn)象定義為城市化與水資源的耦合。通過耦合度的計算，評價兩系統(tǒng)相互作用的強弱程度。耦合度越大，系統(tǒng)之間的發(fā)展方向越有序，關(guān)系越趨于穩(wěn)定[24-26]。其計算公式為：

(2)

(3)

式中：U，W分別為城市化綜合發(fā)展水平和水資源綜合水平;xij′為第i個年份的第j項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù);Wj為第j項指標(biāo)的權(quán)重;C為耦合度,C∈[0,1]。

1.3.6 耦合協(xié)調(diào)度模型 由于耦合度只揭示系統(tǒng)間相互影響、相互作用的程度，無法反映城市化與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。因此，在耦合度計算的基礎(chǔ)上，引入耦合協(xié)調(diào)度模型，定量測算云南省城市化與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。其計算公式為：

(4)

T=α·U+β·W

(5)

式中：D為耦合協(xié)調(diào)度;T為城市化與水資源的綜合發(fā)展指數(shù);U，W分別為城市化綜合發(fā)展水平和水資源綜合水平;α，β為待定系數(shù)，本研究認(rèn)為兩系統(tǒng)的貢獻度同等重要,因此取α=β=0.5[27]。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)公式(2)—(5)計算得到2008—2017年云南省城市化與水資源耦合度、發(fā)展度與協(xié)調(diào)度，并根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展類型劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)對研究時段內(nèi)云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型和對比類型進行劃分結(jié)果(詳見表3)，并在此基礎(chǔ)上對二者的協(xié)調(diào)狀態(tài)進行定量評價。

表3 云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)性評價結(jié)果

2.1 城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的時間序列特征分析

2.1.1 城市化與水資源耦合度C與發(fā)展度T分析 城市化與水資源耦合度C反映了兩系統(tǒng)內(nèi)部的依賴程度。由表3可知，云南省城市化與水資源耦合度C在2008年為0.834 0，自2009年起，耦合度C值均在0.9以上。隨著城市化進程，云南省人口城市化、土地城市化和經(jīng)濟城市化各項指標(biāo)均呈逐年上升趨勢。與此同時，水資源系統(tǒng)中，萬元GDP用水量逐年下降，城市污水處理率逐年增加，水資源效率提高。這表明，云南省經(jīng)濟社會發(fā)展進程中，城市化與水資源的相互依賴程度較高，城市化進程促進了水資源效率提高，同時水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展支撐能力的提高又有效推動了城市化進程。

由表3和圖1可知，云南省城市化與水資源發(fā)展度T由2008年0.191 1增加至2017年的0.895 3，發(fā)展度增加幅度較快。這表明，云南省城市化與水資源總體發(fā)展趨勢良好，水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐能力較強。

2.1.2 城市化與水資源協(xié)調(diào)度D分析 由表3和圖1可知，研究時段內(nèi)(2008—2017年)，云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)度D呈逐年增長特征，且增幅較大。2008年協(xié)調(diào)度D僅為0.399 2，屬于低度失調(diào)類型，之后協(xié)調(diào)度D逐年增長，協(xié)調(diào)發(fā)展類型依次轉(zhuǎn)變?yōu)闉l臨失調(diào)、初級協(xié)調(diào)、中度協(xié)調(diào)、良好協(xié)調(diào)和優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。這表明，云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢良好，水資源對城市化的支撐有效促進了云南省經(jīng)濟社會發(fā)展。

2.1.3 城市化與水資源對比類型分析 由表3和圖1可知，2008—2012年云南省城市化綜合指數(shù)U的增長速度略低于水資源綜合指數(shù)W的增長速度，呈現(xiàn)城市化滯后特征；自2013年起，城市化綜合指數(shù)U增長至0.642 8，與此同時，水資源綜合指數(shù)W僅為0.606 8，開始呈現(xiàn)水資源滯后特征。綜上所述，研究時段內(nèi)，云南省城市化與水資源對比類型表現(xiàn)為，由城市化滯后向水資源滯后轉(zhuǎn)變。

圖1 云南城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)變化

2.1.4 城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展階段分析 按照表3云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)性評價結(jié)果，并結(jié)合表2城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展先后經(jīng)歷了2個階段：失調(diào)階段和協(xié)調(diào)階段。失調(diào)階段(2008—2009年)：該階段協(xié)調(diào)度D由2008年0.399 2增加至2009年的0.493 8，這表明，云南省總體城市化與水資源兩系統(tǒng)總體在由無序向有序轉(zhuǎn)變，但仍處于低度失調(diào)和瀕臨失調(diào)的失調(diào)階段。協(xié)調(diào)階段(2010—2017年)：該階段自2010年起，協(xié)調(diào)度D值增加至0.639 8，為初級協(xié)調(diào)類型，城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進入到協(xié)調(diào)階段，并隨著協(xié)調(diào)度D值的增加，逐漸由初級協(xié)調(diào)向中級協(xié)調(diào)、良好協(xié)調(diào)和優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變，全省城市化與水資源兩系統(tǒng)總體協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)良好。

2.2 城市化與水資源耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的空間格局特征分析

由公式(2)—(5)計算得到2008與2017年云南省各市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)度D，并根據(jù)城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，在GIS技術(shù)支持下，分別對上述兩個時段各市(州)城市化與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展類型進行劃分，進而揭示不同時段云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展的空間格局特征，以及空間格局的變化特征。根據(jù)協(xié)調(diào)度D的計算結(jié)果，并在GIS技術(shù)支持下，分別得到2008年和2017年各市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)的空間格局，結(jié)果詳見圖2，表4—5。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，2008—2017年云南省16個市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型的數(shù)量組成與空間格局發(fā)生了變化。從協(xié)調(diào)發(fā)展類型的數(shù)量組成看，2008—2017年云南省16個市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的類型和階段沒有發(fā)生變化，仍劃分為良好協(xié)調(diào)、中部協(xié)調(diào)、初級協(xié)調(diào)、勉強協(xié)調(diào)、和瀕臨失調(diào)5種類型，2個階段(協(xié)調(diào)階段和磨合階段)，但協(xié)調(diào)類型和階段的數(shù)量及市(州)組成有所變化。從協(xié)調(diào)發(fā)展類型的數(shù)量組成與空間分布特征看(表4，圖2所示)，2008—2017年云南省16個市(州)中，處于“良好協(xié)調(diào)”類型的市(州)無論從數(shù)量看還是組成看，均未發(fā)生變化，依然僅為省會昆明市；處于“中度協(xié)調(diào)”類型的市(州)從1個增至2個，新增楚雄州；處于“初級協(xié)調(diào)”的市(州)增至7個，新增德宏州和迪慶州；處于“勉強協(xié)調(diào)”類型的市(州)減至5個，其中臨滄市由“瀕臨失調(diào)”升至“勉強協(xié)調(diào)”；處于“瀕臨失調(diào)”類型的市(州)減至1個，僅剩昭通市。從協(xié)調(diào)發(fā)展階段變化看(表5)，2008—2017年全省16個市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展分屬于2個階段(協(xié)調(diào)階段和磨合階段)。其中，處于“協(xié)調(diào)階段”的市州由8個增加至10個，新增德宏州和迪慶州，主要分布于滇中、滇南和滇西；處于“磨合階段”的市(州)由8個減少至6個，主要分布于滇西南、滇東南和滇東北。綜上所述，全省總體呈現(xiàn)以昆明為中心，從中部“協(xié)調(diào)”型，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘墶笆д{(diào)”型的空間變化特征。

表4 2008-2017年云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展類型變化

圖2 2008與2017年云南城市化與水資源協(xié)調(diào)狀態(tài)的空間格局

表5 2008-2017年云南省城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展階段變化

3 結(jié) 論

(1) 研究時段內(nèi)，云南省自2013年起，由城市化滯后向水資源滯后轉(zhuǎn)變，城市化與水資源之間的相互依賴程度高，協(xié)調(diào)發(fā)展與總體發(fā)展趨勢良好。

(2) 云南省城市化與水資源之間的相互依賴程度高，協(xié)調(diào)發(fā)展與總體發(fā)展趨勢良好。城市化進程促進了水資源效率提高，同時水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展支撐能力的提高又有效推動了城市化進程。

(3) 云南省16個市(州)城市化與水資源協(xié)調(diào)發(fā)展階段分屬協(xié)調(diào)階段和磨合階段，呈現(xiàn)以昆明為中心，從中部“協(xié)調(diào)型”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘墶笆д{(diào)型”的空間格局。