陜西省城鎮(zhèn)化與水資源耦合協(xié)調(diào)與障礙分析

(陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，陜西 西安 710061)

1 研究背景

水資源是人類存在和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是制約一個(gè)地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量的重要因素。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷深入，城市規(guī)模擴(kuò)張、人口聚集、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)傾斜導(dǎo)致城市水資源利用結(jié)構(gòu)、利用效率和水資源管理方式發(fā)生改變。陜西省水資源自然稟賦不足，是全國(guó)典型的缺水地區(qū)，2019年全省人均水資源占有量?jī)H為238.79m3，是世界平均水平的1/10、全國(guó)平均水平的1/2，而快速城鎮(zhèn)化帶來(lái)的人口聚集和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將進(jìn)一步加劇水資源緊張的局面。

近年來(lái)，研究人員從國(guó)家、省級(jí)或地市級(jí)層面對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源的關(guān)系進(jìn)行了研究。闞大學(xué)等[1-2]、鄭德鳳等[3]以全國(guó)為研究對(duì)象，從城鎮(zhèn)化對(duì)水資源利用的影響和兩者協(xié)調(diào)性方面進(jìn)行了深入分析。刁藝璇等[4]以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，從時(shí)空分布上分析了城鎮(zhèn)化與水資源利用水平的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，識(shí)別了影響兩者耦合協(xié)調(diào)的主要障礙因素；張煒等[5]以西部地區(qū)8個(gè)省會(huì)城市為研究對(duì)象，分析了新型城鎮(zhèn)化對(duì)水資源利用效率的影響；李珊珊等[6-15]從省(自治區(qū)、直轄市)層面對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用的關(guān)系進(jìn)行了分析。目前，基于陜西省水資源方面的研究大多停留在水資源承載力分析上，對(duì)于水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)因素耦合關(guān)系的研究較少[16-18]。僅方蘭、汪旺等[19-20]通過(guò)模型研究了陜西省水資源與能源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展之間的耦合關(guān)系。目前，我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化發(fā)展由速度型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期，快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的水資源矛盾愈發(fā)突出，為促進(jìn)陜西省城鎮(zhèn)化向高質(zhì)量高水平方向發(fā)展，本文通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及障礙度分析模型，探究陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源之間的關(guān)系，為城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展提供建議參考。

2 指標(biāo)體系建立與研究方法

2.1 指標(biāo)體系

本文指標(biāo)體系的選取遵循科學(xué)性、合理性與數(shù)據(jù)的可獲得性原則，結(jié)合相關(guān)研究成果，構(gòu)建了城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)耦合關(guān)系綜合指標(biāo)體系[6,9,11-13,15,21]。本體系包含城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展水平和水資源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)2個(gè)目標(biāo)層指標(biāo)體系，涉及8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層和25項(xiàng)指標(biāo)。指標(biāo)權(quán)重通過(guò)熵權(quán)法得到，指標(biāo)體系中包括正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，較高的正向指標(biāo)有助于提高城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的耦合水平，而較高的負(fù)向指標(biāo)則會(huì)降低兩者的耦合水平。具體指標(biāo)列于表1。

表1 城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)耦合關(guān)系綜合指標(biāo)體系

續(xù)表

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2007—2019年)和《陜西省水資源公報(bào)》(2007—2019年)。為統(tǒng)一指標(biāo)的特征和范圍，將對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行如下標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

(2)

式中：Xij為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的原始值，當(dāng)Xij為0時(shí)，取極小值替代，便于模型中取對(duì)數(shù)計(jì)算。

2.3 研究方法

基于前人的研究成果，本文構(gòu)建了城鎮(zhèn)化與水資源綜合評(píng)價(jià)函數(shù)和城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系模型來(lái)評(píng)價(jià)陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展情況。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建障礙度模型，分析影響兩者耦合關(guān)系的障礙因素及其障礙度。

a.城鎮(zhèn)化與水資源綜合評(píng)價(jià)函數(shù)為

(3)

(4)

式中：U(1)、U(2)分別為城鎮(zhèn)化、水資源子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；Wj為城鎮(zhèn)化、水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Zij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值；m、n分別為城鎮(zhèn)化、水資源子系統(tǒng)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

b.城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)耦合關(guān)系模型為

(5)

式中：M為城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的耦合度，[0,1]。

c.城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系模型為

(6)

K=αU(1)+βU(2)

(7)

式中：D為城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，取值范圍為[0,1]；K為城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；α、β分別為城鎮(zhèn)化和水資源系統(tǒng)的權(quán)重。

由于城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)相互影響，兩者對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展同等重要，故取α=β=0.5。

d.障礙度模型。為分析各指標(biāo)對(duì)陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)耦合關(guān)系的影響程度，本文引入障礙度模型[4,14,22,23]識(shí)別陜西省2007—2019年各年的城鎮(zhèn)化發(fā)展主要障礙因素，以便有針對(duì)性地采取措施提升陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，具體計(jì)算公式為

(8)

Tij=WjRij

(9)

Eij=1-Zij

(10)

式中：Oij為指標(biāo)障礙度，反映單指標(biāo)對(duì)兩者耦合度障礙作用大小，Oij越大則表示該指標(biāo)對(duì)兩者耦合度的影響越大；Eij為指標(biāo)偏離度；Tij為指標(biāo)貢獻(xiàn)度；Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Rij為第j個(gè)指標(biāo)第i年的權(quán)重；Zij為單項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)值。

3 結(jié)果分析

3.1 城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)綜合指標(biāo)及耦合關(guān)系研究

3.1.1 城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)綜合指標(biāo)分析

由圖1可知，陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展水平呈直線上升趨勢(shì)，說(shuō)明13年間陜西省城鎮(zhèn)化建設(shè)取得了顯著成果。截至2019年陜西省城鎮(zhèn)化綜合評(píng)價(jià)指數(shù)已達(dá)到0.982，城鎮(zhèn)化發(fā)展水平較高，這與城鎮(zhèn)人口快速增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、社會(huì)資源配置及土地的合理性開(kāi)發(fā)有著密切的關(guān)系，反映陜西省從“十五”到“十三五”期間城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃合理、調(diào)控措施得當(dāng)。受水資源稟賦、水資源利用效率等因素影響2007—2019年陜西省水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)波動(dòng)上升的狀態(tài)，截至2019年陜西省水資源綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.716，處于中等水資源利用水平。

圖1 2007—2019年陜西省城鎮(zhèn)化評(píng)價(jià)指數(shù)、水資源綜合評(píng)價(jià)指數(shù)及兩者協(xié)調(diào)耦合性比較

3.1.2 城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合性分析

如圖1所示，2007—2019年陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合性主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第1個(gè)階段為2007—2011年，城鎮(zhèn)化發(fā)展滯后于水資源發(fā)展系統(tǒng)，在這一階段中城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度處于系統(tǒng)發(fā)展的初期，總體為由中度失調(diào)過(guò)渡到低水平耦合，表現(xiàn)為水資源總體上能夠保證城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，并且為城鎮(zhèn)化發(fā)展提供有力的保障。第2階段為2012—2019年，水資源系統(tǒng)滯后于城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，在這一階段中城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)總體由低水平耦合逐漸過(guò)渡到優(yōu)質(zhì)耦合協(xié)調(diào)階段，但從兩者的綜合評(píng)價(jià)曲線來(lái)看，差距逐年增大，說(shuō)明水資源系統(tǒng)發(fā)展已逐步趨于飽和，對(duì)于城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展的協(xié)同推進(jìn)作用逐漸減弱。

3.2 障礙度分析

本文采用障礙度模型對(duì)影響陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展和水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合度的主要障礙因素進(jìn)行分析，各年度排名前5的障礙因素見(jiàn)表2。各因素出現(xiàn)的頻率及障礙度大小直接反映該因素對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展和水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合度的影響程度。從表2分析得出，2007—2019年對(duì)陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展和水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合關(guān)系影響較大的因素是水資源總量、人均水資源占有量、生活用水、人均用水量和農(nóng)業(yè)畝均用水量，屬于穩(wěn)定的障礙因素。其中水資源總量在2007年、2017年、2018年和2019年分別達(dá)到27.09%、11.08%、14.34%和21.78%，這表明陜西省在城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中深受水資源稟賦多寡的影響，水資源總量少是制約陜西省城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的重要因素；人均用水量在2008年、2009年、2011年和2019年分別達(dá)到20.03%、12.24%、13.85%和21.07%，這表明在城鎮(zhèn)化推進(jìn)進(jìn)程中人口城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的生活方式改變，促使人均用水矛盾更加凸顯，節(jié)水生活方式亟須形成；農(nóng)業(yè)畝均用水量在2008年、2009年、2018年和2019年分別達(dá)到14.17%、9.56%、15.18%和25.58%，這表明城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中由于生活水平的提高農(nóng)產(chǎn)品種植種類發(fā)生變化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)畝均用水量增大，種植結(jié)構(gòu)和灌溉方式需要進(jìn)一步改善和優(yōu)化。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)

表2 2007—2019年陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源系統(tǒng)耦合度單指標(biāo)主要障礙因子及其障礙度

模型和障礙度分析模型，實(shí)證分析了2007—2019年陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源利用水平的協(xié)調(diào)耦合程度，并分析了影響兩者協(xié)調(diào)耦合關(guān)系的主要障礙因素，得出以下主要結(jié)論：

a.陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展和水資源系統(tǒng)的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度逐年遞增，二者的協(xié)調(diào)程度在經(jīng)歷了初期的弱協(xié)調(diào)性，最終發(fā)展到優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的階段。

b.隨著陜西省城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展步入新常態(tài)，水資源對(duì)于城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要性更加凸顯，其承載能力受到越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。水資源總量少已成為制約陜西省城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展的重大難題。

c.在新型城鎮(zhèn)化推進(jìn)過(guò)程中，影響兩者耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的穩(wěn)定障礙因素主要為水資源總量、人均水資源占有量、生活用水、人均用水量和農(nóng)業(yè)畝均用水量。

4.2 相關(guān)建議

“十四五”是我國(guó)邁入新發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要時(shí)期，針對(duì)城市的新發(fā)展階段要求全面推進(jìn)城市重構(gòu)，進(jìn)一步深化以人為核心的新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，提升城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。陜西省作為我國(guó)西北地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、教育中心，水資源總量不容樂(lè)觀，“十四五”時(shí)期城鎮(zhèn)人口將進(jìn)一步聚集，預(yù)計(jì)城鎮(zhèn)化率將達(dá)到65%，水資源短缺導(dǎo)致的用水矛盾將更加突出。為深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記來(lái)陜考察的重要講話精神，奮力譜寫(xiě)陜西新時(shí)代追趕超越新篇章，基于本研究成果對(duì)陜西省“十四五”城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源保護(hù)提出以下建議：

a.結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源稟賦情況制定差別化的城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略和布局結(jié)構(gòu)。從研究結(jié)果來(lái)看，水資源已成為制約陜西省城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要因素，受限于水資源自然稟賦不足，為確保城鎮(zhèn)化發(fā)展的質(zhì)量，保障水資源系統(tǒng)安全，不宜過(guò)快推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，將中速水平發(fā)展作為陜西省中長(zhǎng)期的發(fā)展基調(diào)。積極踐行區(qū)域協(xié)調(diào)的城鎮(zhèn)化，從關(guān)中、陜北、陜南三個(gè)不同區(qū)域?qū)用娼Y(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源稟賦情況制定差別化的城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略和布局結(jié)構(gòu)。

b.積極推動(dòng)粗放型發(fā)展方式向內(nèi)涵型發(fā)展道路轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與優(yōu)化。截至2019年陜西省三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為8∶46∶46，其中一、二產(chǎn)業(yè)作為用水大戶，占比高出全國(guó)平均水平8個(gè)百分點(diǎn)，“十四五”期間，陜西省應(yīng)以提高農(nóng)業(yè)用水效率和生活用水效率為重點(diǎn)，優(yōu)化全省水資源利用效率及利用結(jié)構(gòu)，同時(shí)將水資源作為最大的剛性約束，合理規(guī)劃城市規(guī)模、人口、產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

c.持續(xù)加強(qiáng)水資源管理。陜西省作為一個(gè)典型的缺水省份，受季風(fēng)氣候和地形地勢(shì)影響，水資源時(shí)空分布不均，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大前提下應(yīng)實(shí)施“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，借助稅收杠桿的調(diào)節(jié)作用，倒逼用水主體轉(zhuǎn)變用水方式，堅(jiān)決抑制不合理用水需求。持續(xù)推動(dòng)水污染物減排，減輕水環(huán)境壓力，以微增長(zhǎng)的供水總量和高效的水資源利用，推動(dòng)陜西新型城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)要進(jìn)一步加強(qiáng)水資源保護(hù)宣傳，提高全民節(jié)水意識(shí)。