水資源系統(tǒng)對鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化的響應關系研究

傅 春，羅 勇，裴伍涵，鄧俊鵬，王樂志

（南昌大學建筑工程學院，南昌330031）

城鎮(zhèn)化是社會發(fā)展的必然，城鎮(zhèn)化所帶來的各種各樣的問題也是無法回避的。城鎮(zhèn)化的發(fā)展不僅可以擴大國內(nèi)的需求，促進社會經(jīng)濟的繁榮，而且能夠吸引巨大的投資，帶動整個社會的發(fā)展［1，2］。水資源是推動城鎮(zhèn)化進程和支撐經(jīng)濟發(fā)展的關鍵性資源。如果將城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)割裂開，盲目追求城鎮(zhèn)化，而忽視對水資源系統(tǒng)科學合理的開發(fā)利用，則可能會影響我國很多地區(qū)的城鎮(zhèn)化進程甚至影響整個國家的城鎮(zhèn)化進程，從而導致經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展受阻［3］。所以在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的進程中，必須充分考慮城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)的實際情況從而進行科學合理的配置，促進二者有機協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展［4］。城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的研究也是國際熱點。NAYAN N K 等［5］對城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源之間的關系進行研究，探究城鎮(zhèn)化對其供求平衡及其內(nèi)在聯(lián)系；PLETO J V R 等［6］研究Meycauayan 河與城市化的關系，發(fā)現(xiàn)Meycauayan 河的惡化是快速工業(yè)化，城市化和人口增長的結果；LUO P P 等［7］對典型干旱國家埃及的水資源管理的歷史評估和未來可持續(xù)性挑戰(zhàn)進行研究。國內(nèi)雖然起步稍晚一些，但是研究成果豐碩，主要研究了城鎮(zhèn)化與水資源的相互影響機制、城鎮(zhèn)化對水資源用水效率、水資源配置等方面的影響及制約機制。焦士興等［8］研究了江西省城鎮(zhèn)化進程與水資源利用的響應關系、蔣元勇等［9］對南昌城市化與水資源環(huán)境交互耦合作用關系進行分析、ZHANG X L 等［10］采用隨機前沿分析模型對2007-2017年黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率進行了測算、張清華［11］對缺水比較嚴重的華東北部地區(qū)進行了水資源可持續(xù)利用評價、王娜等［12］利用生態(tài)足跡理論、LMDI、Topic 模型研究了干旱區(qū)水資源利用與經(jīng)濟發(fā)展關系、張明貴采用基尼系數(shù)、泰爾指數(shù)及加權變異對新疆、陜西等西北部干旱區(qū)域的水資源利用與經(jīng)濟要素匹配關系進行了研究［13］。

干旱地區(qū)是典型的缺水區(qū)域，因此政界、學界格外重視其水資源利用，傳統(tǒng)研究中也對其進行了大量研究；而對于降水比較充沛的長江中下游地區(qū)的城鎮(zhèn)水資源利用尚未引起足夠重視，面對人口城鎮(zhèn)化和快速城鎮(zhèn)化，水資源管理變得更加復雜?；诖耍疚倪x取長江中下游典型濕潤區(qū)鄱陽湖流域作為研究對象，結合鄱陽湖流域?qū)嶋H情況，構建城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源利用的綜合評價體系，運用SPSS 相關分析、響應度模型定量分析城鎮(zhèn)化發(fā)展水平與城鎮(zhèn)水資源利用的相互作用機制及響應特征。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄱陽湖流域位于N 24°29′～30°04′、E 113°34′～118°28′。全省總面積16.69 萬km2，人口4280 萬，河流2 400 多條，總長約18 400 km2，主要河流有5 條。全省多年平均降水量1 638 mm，遠遠超過濕潤區(qū)800 mm 的界限，屬于典型濕潤區(qū)。多年平均水資源總量1 565 億m3。以2018年為例，全省水資源總量1 149.09 億m3，人均水資源占有量2 462 m3，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值4.73 萬元。平均氣溫為18.9 ℃，降水量為1 543 mm，日照為1 735 h。

1.2 研究方法

1.2.1 指標體系的構建

基于前人的研究，綜合考慮城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源兩大系統(tǒng)實際現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)的可獲得性、指標體系的科學性、客觀性、典型性與獨立性原則，從城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源利用兩大方向構建指標體系，分別從社會、人口、經(jīng)濟和空間［14，15］4 個維度構建城鎮(zhèn)化系統(tǒng)二級指標體系，加入人均消費水平、人口規(guī)模、人均GDP、城鎮(zhèn)密度等三級指標，共計19個指標來測評城鎮(zhèn)化水平。其次，對于城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)，主要從自然稟賦、用水負荷、利用效率、管理質(zhì)量［16，17］4 個方面構建水資源系統(tǒng)二級指標體系，加入人均城鎮(zhèn)居民用水量、人均水資源擁有量、工業(yè)重復用水率、萬元GDP 用水量、城鎮(zhèn)污水處理率等三級指標，共計15 個指標來測度水資源綜合利用水平，具體見表1。

表1 城鎮(zhèn)化與水資源利用評價體系Tab.1 Urbanization and water resources utilization evaluation system

1.2.2 熵權法確定權重

根據(jù)各指標的標準化值，運用熵權法，計算得到各指標權重［18］。

其中，k=＞0，滿足ej≥0。

式中：ej為第j項指標的熵值；pij為第j項指標在第i年所占的比重，xij表示為i=1，…，n，j=1，…，m；wj為第j項指標的熵權；規(guī)定當pij=0時，ln(pij)=0。

1.2.3 綜合指數(shù)計算

由權重值與標準化后的值相乘，就可以得到城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)和水資源綜合利用指數(shù)。

式中：Fi，Si分別為第i年城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)和水資源綜合利用指數(shù)；wij，kij分別為城鎮(zhèn)化和水資源的綜合指數(shù)第j個指標的熵化權重；zij為標準化后的指標值。

1.2.4 城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的相關分析

伴隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，許多生態(tài)環(huán)境問題尤其是城鎮(zhèn)化與水資源利用之間的相互作用及其博弈關系，早已受到學界和政界的廣泛關注。主要集中在以下3個方面：

第一，城鎮(zhèn)化進程中水資源系統(tǒng)的壓力。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，工業(yè)化得以迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)人口急劇增加，城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需水量和廢污水排放量明顯增加，供需矛盾日益突出［19］。

第二，城鎮(zhèn)化進程中水資源系統(tǒng)的貢獻。水資源是城鎮(zhèn)的“血液”，無論是城鎮(zhèn)人口的衣食住行等日常生活，還是工業(yè)的飛速發(fā)展都離不開水資源［20］。而且水資源還可以改善生態(tài)環(huán)境以及居住條件，是吸引投資和吸引人才的重要氣候、環(huán)境因素，也是城鎮(zhèn)活力所在。

第三，城鎮(zhèn)化發(fā)展進程與水資源系統(tǒng)的相關關系。城鎮(zhèn)化進程中，農(nóng)業(yè)、綠化用地不斷減少，城鎮(zhèn)建設及工業(yè)用地不斷增加，城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)用水量明顯增加；同樣的城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)污廢水排放量明顯增加，人與自然、生態(tài)、環(huán)境、水資源的矛盾日益加劇［20］。隨著人們生態(tài)環(huán)保意識增強，為了保護和進一步開發(fā)有限的水資源，水利建設和水環(huán)境修復投資將有所加強，社會發(fā)展對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)以及水資源系統(tǒng)的影響逐步升級［21］。在城鎮(zhèn)化進程中，社會經(jīng)濟、水資源、生態(tài)環(huán)境這三個系統(tǒng)相互制約、相互促進，其相互影響機制見圖1。

圖1 城鎮(zhèn)化與“社會經(jīng)濟-水資源-生態(tài)環(huán)境”復合系統(tǒng)的相互影響機制Fig.1 The interaction mechanism between urbanization and the“social economy-water resources-ecological environment”complex system

1.2.5 響應度模型

響應指數(shù)表示函數(shù)中因變量對自變量所產(chǎn)生變化的敏感程度，通常用響應度來表征。以城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)為自變量，城鎮(zhèn)水資源綜合利用指數(shù)及各分量指數(shù)為因變量構建響應度模型，揭示城鎮(zhèn)化發(fā)展與城鎮(zhèn)水資源綜合利用的響應關系及作用強度［22］。

式中：ξj為T時期內(nèi)的城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)第j個分量對城鎮(zhèn)化的綜合響應度；θj(t)為t年第j個水資源子系統(tǒng)對城鎮(zhèn)化系統(tǒng)的響應系數(shù)；Ut為第t年城鎮(zhèn)化綜合評價指數(shù)；βjt為t年第j個水資源子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)。

2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

2006-2018年《江西省水資源公報》；2007-2019年《江西省統(tǒng)計年鑒》；2006-2018年《江西省環(huán)境狀況年報》；國家統(tǒng)計局官網(wǎng)年度數(shù)據(jù)庫或依據(jù)有關數(shù)據(jù)經(jīng)過運算整理獲得。

2.2 數(shù)據(jù)處理

因各項指標的量綱、量級、單位均有所不同，若不對數(shù)據(jù)進行標準化處理，不易比較而且易對結果產(chǎn)生偏差，因此采用極差標準化法對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理［23］，指標數(shù)值經(jīng)標準化后均可限定在［0，1］范圍內(nèi)。

3 研究結果與分析

3.1 鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展水平

城鎮(zhèn)化發(fā)展水平各指標的權重見表1。權重值排序為：X1（0.280）≥X4（0.280）＞X3（0.229）＞X2（0.211），這說明相較于其他指標，社會城鎮(zhèn)化、空間城鎮(zhèn)化因素對鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化發(fā)展影響最大。在選取的19個指標中，影響鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化發(fā)展的主要因素為單位人口交通、醫(yī)療等城鎮(zhèn)公用基礎配套量。鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)變化趨勢如圖2所示。結果表明：2006-2018年，鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展?jié)摿八秸w呈逐年上升趨勢，其中2007-2010年和2016-2018年城鎮(zhèn)化發(fā)展進程加快，2015-2016年鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平有微弱下降。2006-2018年空間城鎮(zhèn)化發(fā)展指數(shù)呈直線型，社會城鎮(zhèn)化、人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化整體呈同步上升趨勢。經(jīng)濟發(fā)展、人口非農(nóng)化是城鎮(zhèn)化發(fā)展的主要動力，2009年以來鄱陽湖流域完善了城鄉(xiāng)公共就業(yè)服務體系，提升了地區(qū)交通通達度，提高了城鄉(xiāng)居民可支配收入，拓寬了城鎮(zhèn)空間格局，鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化得以快速發(fā)展。

圖2 鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)Fig.2 Comprehensive urbanization development index of Poyang Lake Basin

3.2 鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源利用水平

通過熵權法計算獲得鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源綜合利用各評價指標的權重見表1，權重值排序為：Y4（0.349）＞Y3（0.258）＞Y2（0.212）＞Y1（0.182）。這說明相較于其他指標，降水充沛的濕潤區(qū)水資源管理質(zhì)量、水資源利用效率因素對城鎮(zhèn)水資源利用影響最大。在選取的15個指標中，對鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源利用影響較大的因素主要是工業(yè)、公用及生活等用水指標以及污廢水處理及排放指標。鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源利用指數(shù)變化趨勢如圖3所示。結果表明：2006年到2018年間，鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源利用指數(shù)整體呈波動上升趨勢，反映了鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源綜合利用呈現(xiàn)良性發(fā)展狀態(tài)。水資源用水負荷指數(shù)呈上升趨勢，隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，人口、產(chǎn)業(yè)不斷向城鎮(zhèn)聚集，生產(chǎn)、生活用水量不斷增加，鄱陽湖流域城鎮(zhèn)用水壓力逐年上升，水資源管理水平、利用效率、農(nóng)業(yè)以及工業(yè)用水效率都得到提升。水資源管理質(zhì)量水平指數(shù)逐年增加，表明用水治水節(jié)水能力不斷提高，水功能區(qū)水質(zhì)達標率、城鎮(zhèn)污水處理率，萬元工業(yè)增加值廢水排放量這些指標都在朝著好的方向發(fā)展，水資源管理與治理水平逐漸提高。

圖3 鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源綜合發(fā)展水平Fig.3 Comprehensive development level of urban water resources in Poyang Lake Basin

3.3 鄱陽湖流域相關響應分析

3.3.1 城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源利用的相關分析

借助SPSS 軟件對鄱陽湖流域水資源各準則層與城鎮(zhèn)化各準則層的相關性進行分析（表2），結果表明水資源系統(tǒng)中（用水負荷、管理質(zhì)量、利用效率）均與城鎮(zhèn)化各分量（社會、人口、空間、經(jīng)濟）存在比較強的相關性；水資源系統(tǒng)中的自然稟賦條件與城鎮(zhèn)化各分量的相關性均不顯著，說明水資源系統(tǒng)中自然稟賦受降雨等自然水文條件的影響比較強烈。城鎮(zhèn)化系統(tǒng)中各項分量指數(shù)與城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)中的用水負荷均呈現(xiàn)出較強的負向相關性，表明鄱陽湖流域水資源的負荷壓力受城鎮(zhèn)化發(fā)展狀況的影響較大，城鎮(zhèn)化發(fā)展對城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的消耗效應。相反，水資源管理質(zhì)量指數(shù)及利用效率指數(shù)與城鎮(zhèn)化各分量指數(shù)均表現(xiàn)為顯著的正向相關，表明城鎮(zhèn)化的發(fā)展，大力促進了城鎮(zhèn)水資源管理質(zhì)量和利用效率的顯著提高，城鎮(zhèn)化各項準則層與水資源各項準則層的相關關系見表2。

表2 城鎮(zhèn)化各分量與水資源各分量的相關關系Tab.2 Correlation between each component of urbanization and each component of water resources

3.3.2 城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源利用的響應函數(shù)

為了探尋城鎮(zhèn)發(fā)展與水資源利用的內(nèi)在奧秘，借助于分析軟件嘗試多種回歸分析。通過對城鎮(zhèn)化及城鎮(zhèn)水資源各子系統(tǒng)的響應指數(shù)分別進行曲線擬合，比較擬合優(yōu)度、篩選結果、建立最優(yōu)響應度函數(shù)（表3）。對擬合的響應函數(shù)進行檢驗，當p＜0.1 時，響應函數(shù)具有顯著性意義；p＜0.05，表示顯著；p＜0.01，表示非常顯著；測定系數(shù)R2值越大表明擬合優(yōu)度越高，鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源綜合利用對城鎮(zhèn)化的綜合響應函數(shù)及其檢驗見表3。

表3 2006-2018年鄱陽湖流域城鎮(zhèn)水資源綜合利用對城鎮(zhèn)化的綜合響應度及其檢驗Tab.3 The comprehensive response of urban water resources comprehensive utilization to urbanization in the Poyang Lake Basin from 2006 to 2018 and its test

3.3.3 城鎮(zhèn)化與城鎮(zhèn)水資源利用的響應分析

由表3可知，鄱陽湖流域水資源綜合利用、用水負荷、利用效率、管理質(zhì)量等發(fā)展指數(shù)對城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)的R2分別為0.928，0.900，0.988，0.990 擬合程度高，效果好，表明水資源綜合利用程度、用水負荷、利用效率、管理質(zhì)量易受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響；而水資源自然稟賦R2=0.470，p＞0.1 擬合效果不好，說明水資源自然稟賦主要受自然水文條件影響，受城鎮(zhèn)化影響較小。鄱陽湖流域水資源綜合利用指數(shù)對城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)響應度為0.558，各分量按響應度值從大到小排列依次為：管理質(zhì)量（0.391）＞利用效率（0.304）＞自然稟賦（0.225）＞用水負荷（0.200），這說明水資源管理質(zhì)量、利用效率較水資源自然稟賦、用水負荷更易受城鎮(zhèn)化的響影響；因此，在用水需求不斷增加的城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中必須努力提高水資源管理質(zhì)量和綜合利用效率。

如圖4所示，鄱陽湖流域水資源綜合利用指數(shù)與城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)響應度較高。2007、2008、2009、2011、2013、2014、2017、2018年水資源綜合利用指數(shù)值均位于擬合曲線下方，此時水資源不但沒有成為城鎮(zhèn)化發(fā)展的動力，反而成為制約城鎮(zhèn)化發(fā)展的阻力。2006、2010、2012、2015、2016年均位于擬合曲線上方，2017年、2018年雖然在擬合曲線下方，但是離擬合曲線特別近，說明鄱陽湖流域水資源管理質(zhì)量與利用效率都在提高，水資源綜合利用水平與城鎮(zhèn)化的發(fā)展趨于協(xié)調(diào)，水資源成為城鎮(zhèn)化發(fā)展的動力。

4 結 語

（1）2006-2018年鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源綜合利用均整體呈增長態(tài)勢。鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化發(fā)展相對穩(wěn)健，水資源綜合利用過程變化比較劇烈，2011年因受降雨量影響較大，水資源綜合發(fā)展指數(shù)呈局部“V”字型。

（2）鄱陽湖流域城鎮(zhèn)化各子系統(tǒng)的上升發(fā)展趨勢較為同步。2015-2018年社會、人口、經(jīng)濟指數(shù)在加速發(fā)展，弱于空間指數(shù)，說明城鎮(zhèn)化發(fā)展較快，但受制于人口、經(jīng)濟等因數(shù)。盡管鄱陽湖流域水資源綜合利用指數(shù)、利用效率、和管理質(zhì)量整體呈上升發(fā)展趨勢，但水資源負荷仍逐年增加，主要原因是城鎮(zhèn)公共用水量和居民生活用水量的增加抵消了工業(yè)節(jié)水及其他節(jié)水措施的效果。

（3）水資源對城鎮(zhèn)化系統(tǒng)的響應逐年增強，表明對于降雨充沛的長江中下游濕潤區(qū)，在發(fā)展城鎮(zhèn)化的同時也要不斷提高水資源綜合利用效率和管理質(zhì)量，還要在水資源自然稟賦、用水負荷、水質(zhì)水量上下工夫。城鎮(zhèn)化系統(tǒng)中各項分量指數(shù)與城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)中的用水負荷均呈現(xiàn)出較強的負向相關性，表明鄱陽湖流域水資源的負荷壓力受城鎮(zhèn)化發(fā)展狀況的影響較大，城鎮(zhèn)化發(fā)展對城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的消耗效應。城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)中的水資源管理質(zhì)量及利用效率與城鎮(zhèn)化各項分量指數(shù)都存在較為顯著的正向相關性，說明城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時能夠促進城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)的發(fā)展，提高水資源利用效率以及水資源管理能力，緩解城鎮(zhèn)水資源供需矛盾、促進城鎮(zhèn)水資源系統(tǒng)的優(yōu)化配置。