基于耦合模型的遼河流域城市化發(fā)展與水資源環(huán)境協(xié)調(diào)機(jī)制研究

楊永利

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

隨城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，水資源利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日趨突出，水資源與城市化之間的協(xié)調(diào)關(guān)系成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵要素。隨城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)，水資源利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日趨突出。為保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境及促進(jìn)水系統(tǒng)的良性循環(huán)，探索兩系統(tǒng)之間內(nèi)在作用機(jī)理和演變趨勢(shì)對(duì)于促進(jìn)人水和諧發(fā)展具有重要意義[1-2]。

國(guó)內(nèi)外研究比較集中于水資源系統(tǒng)受人口規(guī)模、氣候改變等要素的影響。近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水文地質(zhì)、生態(tài)學(xué)等方面，深入分析了城市化發(fā)展與水資源間的相互關(guān)系，二者的交互關(guān)系主要體現(xiàn)在水資源環(huán)境約束城市發(fā)展的同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的改變[3-9]。水資源受城市化影響的研究注重于某一城市水環(huán)境、供水量和循環(huán)等內(nèi)容，如汪慧珍等[10]結(jié)合北京市市級(jí)情況，評(píng)價(jià)了其降水污染源狀況。針對(duì)城市化約束條件的分析，董林等[11]提出生態(tài)、功能、經(jīng)濟(jì)和制度性約束為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要內(nèi)容。

綜上分析，針對(duì)資源型缺水地區(qū)兩系統(tǒng)相互影響的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩的成果，而涉及相對(duì)豐水地區(qū)的研究還鮮有報(bào)道。隨著東北地區(qū)城市化發(fā)展和水生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，水資源環(huán)境與城市化發(fā)展之間的平衡關(guān)系逐漸趨于失調(diào)，一系列問題亟待探討。鑒于此，本文選取遼河流域?yàn)榘咐?，采用隸屬函數(shù)和變差系數(shù)法構(gòu)造水資源環(huán)境與城市化指標(biāo)體系，采用灰關(guān)聯(lián)、耦合協(xié)調(diào)模型剖析了交互作用機(jī)理及其時(shí)空演變態(tài)勢(shì)，為加快城市化建設(shè)、提升遼河流域用水效率和水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

遼河流域位于總面積為21.9萬km2。遼河全長(zhǎng)1345km，年均徑流量128×108m3，有太子河、渾河、柴河、等支流。流域內(nèi)以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年均降水?50～1100mm，平均氣溫8.0～12.6℃，氣候特點(diǎn)為日照充足、四季分明、冬冷夏熱，干流經(jīng)鐵嶺、本溪、撫順、等地區(qū)后匯入渤海。遼河流域地貌形態(tài)復(fù)雜，地勢(shì)呈東西兩側(cè)向中間、自南向北傾斜。

遼河干流地處遼寧省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)，其生產(chǎn)總值、耕地面積和人口規(guī)模約占遼寧省的1/3。該區(qū)聚集了紡織、機(jī)械、化工和冶金等大多數(shù)行業(yè)，所以遼河干流屬于典型的污染區(qū)。相比于滬寧杭地區(qū)，其落后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和獨(dú)特的氣象水文條件使得水質(zhì)型和季節(jié)性缺水問題嚴(yán)重制約著遼河流域的城市化進(jìn)程。主要體現(xiàn)在：①季節(jié)性缺水，全年降水的67.5%集中于每年的6—9月份，秋冬季河道斷流、缺水現(xiàn)象較為常見；②水質(zhì)型缺水，遼河流域各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，且不同斷面和年份的水環(huán)境污染程度存在一定差異，加之年內(nèi)水資源分配不均衡進(jìn)一步激化了用水矛盾；③水資源競(jìng)爭(zhēng)激烈，因經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與水資源管理不協(xié)調(diào)，在排污、取水過程中各市縣可能糾紛；④水生態(tài)惡化，遼河干流為大規(guī)模水電梯級(jí)開發(fā)的突出影響段，也是水庫(kù)大壩、水電站等工程建設(shè)聚集區(qū)，加之不合理的開發(fā)利用使得河流生態(tài)功能不斷退化，河流天然徑流發(fā)生較大的改變[12-18]。

1.2 研究方法

1.2.1建立指標(biāo)體系

本文采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)PSP模型和康慕誼城市化概念模型，結(jié)合水資源環(huán)境與城市化的內(nèi)涵及遼河干流實(shí)際情況，遵循可獲取性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和科學(xué)性原則初步確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后對(duì)初選評(píng)價(jià)因子利用相關(guān)系數(shù)法獲取代表性因子，最終建立適用于遼河流域的水資源環(huán)境與城市化發(fā)展耦合指標(biāo)體系，見表1。城市化發(fā)展主要與區(qū)域生活、空間和人口等內(nèi)容相關(guān)，所以從空間、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人口4個(gè)層面選取16項(xiàng)典型因子。質(zhì)和量為水資源環(huán)境的兩重屬性，從供給壓力、響應(yīng)狀態(tài)和現(xiàn)狀水平選取20個(gè)代表性因子。

1.2.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

當(dāng)前，因沒有專門性統(tǒng)計(jì)遼河流域的數(shù)據(jù)，因此考慮選用遼河干流8個(gè)市縣面板數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)來源于2004—2018年遼寧省及各市縣的統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃。

因各指標(biāo)的數(shù)量級(jí)和單位不同無法直接參與運(yùn)算，為了消除各評(píng)價(jià)要素間的不可通透性采用模糊隸屬度函數(shù)和SPSS21.0軟件，標(biāo)準(zhǔn)化處理2004—2018年各市縣的指標(biāo)初始值。采用半升梯函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，即：

(1)

運(yùn)用半降梯形隸屬函數(shù)歸一化處理負(fù)向指標(biāo)，即：

(2)

1.2.3權(quán)重的計(jì)算

水資源環(huán)境與城市化發(fā)展覆蓋的范圍廣、涉及要素多，一般的方法難以量化。目前，普遍應(yīng)用的客觀賦權(quán)法-變差系數(shù)法，其基本原理是依據(jù)評(píng)估指標(biāo)的變異程度描述有效信息狀況，具有原理清晰、運(yùn)算簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)各指標(biāo)所占權(quán)重運(yùn)用變差系數(shù)法計(jì)算，其詳細(xì)過程為：

步驟一：構(gòu)造特征值矩陣，結(jié)合流域水資源狀況和城市化發(fā)展水平構(gòu)造特征值矩陣。設(shè)Sj、Xj為各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，利用下式求解變異系數(shù)：

(2)

步驟二：采用歸一化處理公式確定各系統(tǒng)中評(píng)價(jià)因子權(quán)重，其表達(dá)式為：

(3)

步驟三：運(yùn)用下式確定單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)對(duì)象i的綜合得分，即：

(4)

Si=ωj×Sij

(5)

式中，Xij—評(píng)價(jià)指標(biāo)j關(guān)于對(duì)象i的數(shù)值；minXj、maxXj—評(píng)價(jià)要素j關(guān)于所有對(duì)象的最小和最大值；m、n—參評(píng)樣本數(shù)和指標(biāo)數(shù)。

1.2.4耦合協(xié)調(diào)度模型

水資源環(huán)境與城市化發(fā)展間存在滯后變化和交互關(guān)系，在兩者數(shù)值相近但綜合得分較低的情況下，單獨(dú)應(yīng)用耦合度模型很容易出現(xiàn)偽協(xié)調(diào)的虛高耦合度。所以，采用耦合協(xié)調(diào)度模型評(píng)判兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

(7)

表1 水資源環(huán)境與城市化發(fā)展耦合評(píng)價(jià)體系

式中，C、D—耦合度和協(xié)調(diào)度，利用公式D=(C×T)1/2確定。U1、U2—城市化和水資源環(huán)境綜合得分；α、β—待定系數(shù)，兩系統(tǒng)同等重要時(shí)α和β值均取0.5；T—兩系統(tǒng)的協(xié)調(diào)指數(shù)；評(píng)價(jià)過程中只涉及2個(gè)系統(tǒng)，所以n=2。

1.2.5灰色關(guān)聯(lián)度模型

水資源環(huán)境與城市化發(fā)展耦合系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)理未知但部分信息已知，所以對(duì)8個(gè)市縣水資源環(huán)境與城市化進(jìn)程之間的驅(qū)動(dòng)因素利用灰色關(guān)聯(lián)度GRA模型定量評(píng)價(jià)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化化后的各評(píng)價(jià)指標(biāo)值和公式(9)求解關(guān)聯(lián)系數(shù)，即：

(9)

以上關(guān)系式反映不同時(shí)刻的關(guān)聯(lián)程度，數(shù)據(jù)較為分散且多。為更好的對(duì)比分析，將所有關(guān)聯(lián)系數(shù)利用求平均值的方法集中于某一點(diǎn)，其計(jì)算式為：

(10)

2 城市化與水資源環(huán)境測(cè)度分析

2.1 耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序演變態(tài)勢(shì)

為了更好的揭示遼河干流水資源環(huán)境與城市化耦合的時(shí)序變化特征，選取界面數(shù)據(jù)為遼河流域各城市歷年樣點(diǎn)，對(duì)2004—2018年的耦合協(xié)調(diào)度利用公式(9)求解，如圖1所示。

圖1 2004—2018年耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化特征

根據(jù)圖1可知，兩系統(tǒng)之間的耦合協(xié)調(diào)度在長(zhǎng)時(shí)間序列上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，可見遼河流域近15a內(nèi)的水資源環(huán)境與城市化發(fā)展關(guān)系呈良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。其中，水資源環(huán)境與城市化系統(tǒng)的得分呈上下波動(dòng)變化趨勢(shì)，且水資源環(huán)境的波動(dòng)更為顯著；由此表明，兩系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)內(nèi)在機(jī)制在整體優(yōu)化的背景下仍有待進(jìn)一步完善，還需要繼續(xù)探索其驅(qū)動(dòng)變化特征。

2.2 各城市空間組合及耦合協(xié)調(diào)特征

2.2.1各城市耦合協(xié)調(diào)度空間分異及組合

為準(zhǔn)確反映遼河流域各市縣耦合協(xié)調(diào)度組合特征和空間分異性，對(duì)多年平均耦合協(xié)調(diào)度利用公式(8)求解，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果利用Jenks分析法劃分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示，耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域有遼陽(yáng)、盤錦和營(yíng)口市，平均值處于0.908186-0.9287625之間；其次為沈陽(yáng)、鞍山、鐵嶺、本溪地區(qū)，平均值介于0.8686319-0.908185范圍，撫順市的耦合度最低為0.868618。根據(jù)圖2可以看出，各市縣耦合協(xié)調(diào)度與城鎮(zhèn)化水平并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，可對(duì)各市縣利用城鎮(zhèn)化和協(xié)調(diào)度開展空間組合，中耦合低城市化和高耦合低城市化為盤錦市、營(yíng)口市，低耦合中城市化為遼陽(yáng)市，中耦合協(xié)調(diào)中城市化的為鐵嶺、撫順、鞍山，高耦合高城市化的為沈陽(yáng)和本溪。

圖2 2018年耦合協(xié)調(diào)度與城市化水平

2.2.2各城市耦合協(xié)調(diào)度空間組合變化

結(jié)合耦合協(xié)調(diào)度與城市化水平空間組合(圖2)，進(jìn)一步分期其變化特征劃分及空間差異。

(1)中耦合協(xié)調(diào)低城市化(盤錦市)。盤錦市城市化進(jìn)程較為滯后且發(fā)展歷史較短，該城市2018年GDP占流域平均的62%，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重為全流域最低，僅達(dá)到流域平均的35%；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)落后、資源優(yōu)勢(shì)難以維繼和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)等因素，對(duì)盤錦市經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重的制約。從水資源環(huán)境的角度分析，盤錦地區(qū)的降水充沛且過境水量較多，水資源負(fù)荷較小且人均綜合用水量低，因此達(dá)到中等協(xié)調(diào)水平。

(2)高耦合協(xié)調(diào)低城市化(營(yíng)口市)。該區(qū)域水利設(shè)施不完善、地貌形態(tài)復(fù)雜且以山地丘陵為主，城市化處于較低水平(46%)，2018年?duì)I口市人均GDP不及全省平均的1/2。該市有大凌河、大遼河、遼河、沙子河、小柳河等大小河流21條，水資源豐度條件為全流域最好。工業(yè)規(guī)模較小且污水排放量和水資源消耗量均為最低水平，價(jià)值人均耗水量低及城市規(guī)模小，因此營(yíng)口市為高協(xié)調(diào)水平。

(3)低耦合協(xié)調(diào)中城市化(遼陽(yáng)市)。該城市占地面積較小，其城市化水平受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理制約為遼河干流最低谷。規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)量最大但利潤(rùn)率較低，加之長(zhǎng)期以來投入污水處理的力度不足，年污水排放量最大且處理能力較低，水環(huán)境污染負(fù)荷過高，因此處于低耦合協(xié)調(diào)水平。

(4)中耦合協(xié)調(diào)中城市化(鐵嶺、撫順、鞍山)。這3個(gè)城市的水利工程建設(shè)tourism較高且水資源本地條件優(yōu)越，水庫(kù)大壩、水利樞紐數(shù)量較多。其污水處理率、人均收入和環(huán)保產(chǎn)業(yè)單位數(shù)量均處于高值，因此屬于中等協(xié)調(diào)水平。

(5)高耦合高城市化(沈陽(yáng)、本溪)。沈陽(yáng)和本溪地區(qū)的科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，水資源利用效率和城市化水平均處于高值，污水處理率和水環(huán)境治理能力強(qiáng)，價(jià)值供水管道長(zhǎng)度和城市供水綜合生產(chǎn)能力較其它城市搞，所以屬于高度協(xié)調(diào)狀態(tài)。

2.3 城市化與水資源環(huán)境的交互耦合機(jī)制

2.3.1城市化與水資源環(huán)境間的驅(qū)動(dòng)要素

系統(tǒng)之間的灰色關(guān)聯(lián)度利用公式(9)、(10)求解，采用測(cè)度值確定脅迫水資源環(huán)境和約束城市化發(fā)展的關(guān)鍵因素。

(1)城市化發(fā)展制約因素。沈陽(yáng)、本溪、遼陽(yáng)市的城市化系統(tǒng)關(guān)于水資源環(huán)境指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度多小于0.5，因此為較弱相關(guān)性。環(huán)境負(fù)荷、人均水資源量、供水設(shè)施和供水能力為水資源環(huán)境約束城市化的主要因素?？梢姡|陽(yáng)市的供水能力高且水利設(shè)施完好，水資源本地條件對(duì)城市發(fā)展的約束較少；但資源配套速度與人口增長(zhǎng)之間仍存在矛盾，亟待解決水污染問題。所以，以上3個(gè)城市的水資源規(guī)劃應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，側(cè)重人均水資源的合理分配和加快完成轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

環(huán)境壓力和供水設(shè)施為鞍山、撫順的主要約束因素，其中生產(chǎn)用水總量為造成環(huán)境壓力的關(guān)鍵要素。這與鞍山、撫順兩個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和耗水企業(yè)產(chǎn)值占比較大相關(guān)，另外水庫(kù)大壩數(shù)量對(duì)鞍山城市化發(fā)展的影響較為顯著。所以，這兩個(gè)城市不僅要盡可能的減少排水量，鼓勵(lì)開發(fā)先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，還要加強(qiáng)水利設(shè)施建設(shè)增強(qiáng)供水保障能力和用水時(shí)空調(diào)控。

環(huán)境負(fù)荷和環(huán)境治理對(duì)盤錦、營(yíng)口、鐵嶺城市化影響較為顯著，這與資源型城市的發(fā)展特征基本相符。另外，鐵嶺市為資源型城市但其農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占比較大，有效灌溉面積在一定程度上制約了城市化發(fā)展水平。所以，這些城市應(yīng)進(jìn)一步改善水資源環(huán)境和加強(qiáng)水污染治理，建立和完善企業(yè)工業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型機(jī)制。

(2)水資源環(huán)境脅迫因素?？傮w而言，科技文化水平、人口結(jié)構(gòu)和人口規(guī)模為切坡水資源環(huán)境的主要因素。水資源的減少與人口聚集程度直接相關(guān)，水資源分配受供水壓力的影響對(duì)水環(huán)境功能產(chǎn)生間接的影響。

2.3.2城市化與水資源環(huán)境間的內(nèi)驅(qū)動(dòng)要素

(1)城市化發(fā)展綜合水平。采用指標(biāo)權(quán)重大小判別城市化發(fā)展水平驅(qū)動(dòng)因子，權(quán)重值越大則影響城市化的程度越高。2004—2018年耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化特征如圖3所示。根據(jù)圖3可知，經(jīng)濟(jì)城市化為影響遼河流域城市化水平的主要因素，除撫順地區(qū)外其他城市的經(jīng)濟(jì)城市化均在0.4～0.5范圍，可見經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)張為推動(dòng)各市縣城市化進(jìn)程的重要因素，包括第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)總值的增加等因素。

圖3 2004—2018年耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化特征

2004—2018年耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化特征如圖4所示。根據(jù)圖4可知，水資源水平權(quán)重為遼河流域各市縣水資源系統(tǒng)最大值，可見遼河流域具有樂觀的水資源本地條件，這水資源本地條件與自上游至下游逐漸提升的實(shí)際情況保持一致。其中，營(yíng)口地區(qū)的水資源水平權(quán)重最低，其原因?yàn)樵摰貐^(qū)雖然具有豐富的水資源條件，但山地丘陵區(qū)為降水和徑流深高值集中區(qū)，水資源開采成本高且邊際效益低。

水資源環(huán)境響應(yīng)所占權(quán)重普遍低于壓力，因此水環(huán)境污染問題在遼河干流較為突出，水環(huán)境抗逆能力低且水環(huán)境治理緩慢。對(duì)此，為轉(zhuǎn)變水環(huán)境污染現(xiàn)狀應(yīng)加大治理力度，樹立科學(xué)發(fā)展觀和水資源可持續(xù)利用理念。

圖4 2004—2018年耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化特征

3 結(jié)論

(1)2004—2018年遼河流域水資源與城市化進(jìn)程的協(xié)調(diào)關(guān)系趨于優(yōu)化，部分年份存在一定的波動(dòng)，因此需要進(jìn)一步完善水資源環(huán)境與城市化發(fā)展的內(nèi)部機(jī)制。

(2)遼河干流各市縣耦合協(xié)調(diào)度與城市化發(fā)展的空間分異性明顯，結(jié)合耦合協(xié)調(diào)度和城鎮(zhèn)化水平將各市縣劃分為5種類型，可為流域生態(tài)的實(shí)施和水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)指導(dǎo)。

(3)遼河干流水資源環(huán)境與城市化的交互耦合關(guān)系比較復(fù)雜，其中水資源本底條件為對(duì)水環(huán)境的影響較為突出，同時(shí)受人均水平和資源豐度等因素的限制；主導(dǎo)遼河干流城市發(fā)展的因素為經(jīng)濟(jì)城市化，并且與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)規(guī)模相關(guān)。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)因素，約束城市化發(fā)展的因素有環(huán)境壓力、供水設(shè)施，而脅迫水資源環(huán)境的因素為人口結(jié)構(gòu)。