天津市新型城鎮(zhèn)化與水資源耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

王 劍，裴 穎，張譯心，湯 磊，陸寶宏

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.徐州市銅山區(qū)水利工程建設(shè)中心，江蘇 徐州 221100)

0 引 言

城鎮(zhèn)化是農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)移、產(chǎn)業(yè)體系優(yōu)化、土地利用類型轉(zhuǎn)變、社會組織關(guān)系變遷的復(fù)雜過程。傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式粗放，往往會造成水資源的無序開發(fā)和利用。而新型城鎮(zhèn)化是以民生、可持續(xù)發(fā)展和質(zhì)量為內(nèi)涵，以追求平等、幸福、轉(zhuǎn)型、綠色、健康和集約為核心目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)一體、產(chǎn)業(yè)升級與低碳轉(zhuǎn)型、生態(tài)文明和集約高效、制度改革和體制創(chuàng)新為重點(diǎn)內(nèi)容的嶄新的城鎮(zhèn)化過程[1]。新型城鎮(zhèn)化建設(shè)有利于資源集約，同時水資源系統(tǒng)的優(yōu)化也符合新型城鎮(zhèn)化建設(shè)需要，兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展能夠有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

天津市近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速。截至2019年底，天津市常住人口為1 562萬，其中城鎮(zhèn)人口達(dá)1 304萬。全市生產(chǎn)總值達(dá)14 104億元，其中第三產(chǎn)業(yè)增加值達(dá)8 950億元，天津市已成為超大型城市，“華明鎮(zhèn)”模式也成為我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的典型模式之一[2]。但天津市新型城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的同時，水資源系統(tǒng)狀況并不樂觀，兩者是否協(xié)調(diào)發(fā)展仍有待研究。根據(jù)《2018年天津水資源公報》，天津市人均水資源量約為113m3/人，不足全國平均水平的6%，V類及劣V類水質(zhì)的河長占全年評價河長的48.9%[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對城鎮(zhèn)化與水資源關(guān)系的研究主要集中于兩者的相互作用及耦合機(jī)理。Arsiso等[4]發(fā)現(xiàn)，人口的快速增長和干旱的氣候是造成埃塞俄比亞首都水資源短缺的主要原因，通過WEAP模型模擬發(fā)現(xiàn)，其有效的解決方式是提高水價和用水效率以及雨水的回收利用。Gober[5]認(rèn)為，干旱地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展會導(dǎo)致水資源嚴(yán)重短缺，而有形成漏斗風(fēng)險的地下水開采、成本高的遠(yuǎn)距離調(diào)水、海水資源淡化等并不能有效解決城市與水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展問題。Al-Kharabsheh等[6]研究的2000年約旦南部塔菲拉流域城市化、干旱、環(huán)境污染對水生態(tài)的影響結(jié)果表明，人口高度集中、城市化高速發(fā)展、城市配套基礎(chǔ)設(shè)施的落后造成了水資源的短缺和水環(huán)境的污染。李珊珊等[7]借助系統(tǒng)動力學(xué)方法，對北京市城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源安全的耦合狀況進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)，兩者相互影響程度經(jīng)歷了由小變大再變小的過程，呈倒“U”形變化。鄭煒[8]對廣東省新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量與水資源安全耦合關(guān)系進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)，兩者有較強(qiáng)的相互依賴性，處于高水平耦合階段。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者多從傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化的角度研究城鎮(zhèn)化與水資源的交互作用機(jī)理及相互影響的程度，對其與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性及可持續(xù)性研究較少。為此，本文通過耦合協(xié)調(diào)度模型，定量研究天津市新型城鎮(zhèn)化建設(shè)與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r，為兩者的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

本文基于新型城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的耦合機(jī)理，并結(jié)合其特點(diǎn)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，具體指標(biāo)見表1。表1中，指標(biāo)屬性“+”表示該指標(biāo)為正向指標(biāo)，指標(biāo)值越大評價越好；“-”表示該指標(biāo)為逆向指標(biāo)，指標(biāo)值越小評價越好。新型城鎮(zhèn)化指標(biāo)體系綜合反映了天津市新型城鎮(zhèn)化過程中人口轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、生活水平提高、土地利用類型變化等情況；水資源安全評價指標(biāo)體系綜合反映了天津市水資源系統(tǒng)承受壓力、水資源稟賦條件、水資源開發(fā)利用、水環(huán)境污染及治理等情況。

表1 水資源安全與新型城鎮(zhèn)化評價指標(biāo)

1.2 數(shù)據(jù)來源

關(guān)于新型城鎮(zhèn)化的相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于天津市統(tǒng)計局官方網(wǎng)站公布的2009年～2018年天津統(tǒng)計年鑒，水資源相關(guān)數(shù)據(jù)主要來自于天津市水務(wù)局公布的2009年～2018年水資源公報。

1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，以信息熵理論為基礎(chǔ)，目前在新型城鎮(zhèn)化綜合發(fā)展指數(shù)測算和水生態(tài)環(huán)境評價研究中均得到了廣泛的應(yīng)用。在信息論中，熵越小，系統(tǒng)越有序[9]，因此熵權(quán)法可以一定程度上反映新型城鎮(zhèn)化發(fā)展與水資源安全動態(tài)演變發(fā)展過程的有序度。計算步驟如下：

(1)構(gòu)建判斷矩陣。假定共有n年數(shù)據(jù)，m個評價指標(biāo)，建立判斷矩陣X，即

(1)

通過極差標(biāo)準(zhǔn)化法得到歸一化矩陣Z，標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(2)

(3)

式中，Zij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；xij為實(shí)際的指標(biāo)值；xmax為指標(biāo)實(shí)際最大值；xmin為指標(biāo)實(shí)際最小值。

(2)計算各指標(biāo)信息熵Ej，即

(4)

(5)

式中，fij為第i年第j個指標(biāo)占所有年份該指標(biāo)和的比重。

(3)計算各指標(biāo)權(quán)重Wj，計算結(jié)果見表2。公式為

(6)

1.4 新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)與水資源安全指數(shù)

通過線性加權(quán)法計算新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)與水資源安全指數(shù)，即將各評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值與對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重的乘積線性相加，以反映新型城鎮(zhèn)化與水資源安全的綜合水平。計算公式為

(7)

(8)

式中，UIi為新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)；WIi為水資源安全指數(shù)。

1.5 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合度可以度量系統(tǒng)之間相互影響的程度，但無法反映其影響是否為良性。耦合協(xié)調(diào)度模型則能夠反映系統(tǒng)間通過正向促進(jìn)作用而不斷趨向和諧有序的發(fā)展過程[10]，可進(jìn)一步度量系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，判斷是否為良性耦合。計算公式如下[11]

(9)

T=α×UI+β×WI

(10)

(11)

式中，C為耦合度，0

借鑒以往學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)[12-13]，劃分新型城鎮(zhèn)化與水資源安全的耦合協(xié)調(diào)等級，見表3。

表3 耦合協(xié)調(diào)等級劃分

2 實(shí)例分析

2.1 天津市新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量綜合指數(shù)

利用已有數(shù)據(jù)，結(jié)合上文所得權(quán)重，計算出天津市新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)。2009年～2018年天津市新型城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)變化過程見圖1。從圖1可知，天津市新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量不斷提高，“華明鎮(zhèn)”模式成效顯著。其中，經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化增幅最大，這主要與第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有關(guān)。根據(jù)天津市統(tǒng)計局官網(wǎng)統(tǒng)計年鑒，2009年～2018年天津市第三產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率占比由37.6%增至87.2%，而第二產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率則由62.0%降為12.8%，天津市不斷向服務(wù)型創(chuàng)新城市轉(zhuǎn)變，是天津市新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的主要原因。獨(dú)具特色的“華明鎮(zhèn)”模式，推動了城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展，使社會城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提高。城市經(jīng)濟(jì)水平越高，意味著更高的公共服務(wù)水平，對人口的吸引力也就越大。根據(jù)天津市統(tǒng)計局官網(wǎng)統(tǒng)計資料顯示，2009年～2018年，天津市常住人口由1 228萬增至1 559萬，外來人口占1/3，城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎氐?/5，人口城鎮(zhèn)化水平不斷提高，但同時也給天津市有限的城市空間造成了巨大的壓力。

圖1 天津市新型城鎮(zhèn)化綜合指數(shù)變化過程

2.2 天津市水資源安全綜合指數(shù)分析

天津市水資源安全指數(shù)2009年～2018年變化過程見圖2。從圖2可知，天津市水資源系統(tǒng)不斷優(yōu)化，水資源狀態(tài)的提升最為明顯，充足的降雨、水資源的有效開發(fā)利用、水環(huán)境的改善對水資源安全的提高起主導(dǎo)作用。

圖2 天津市水資源安全綜合指數(shù)變化過程

水資源壓力指數(shù)總體呈下降趨勢，尤其在2013年后較為明顯，表明水資源系統(tǒng)承受的壓力不斷增加。新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化使工農(nóng)業(yè)用水效率有所提高，工農(nóng)業(yè)水污染有所改善，2009年～2018年工業(yè)用水占比從24.6%降至19.1%，農(nóng)業(yè)用水占比從56.0%降至35.2%，生活和服務(wù)業(yè)用水占比從14.6%升至26.1%，生態(tài)用水占比從4.8%升至19.6%，用水結(jié)構(gòu)越來越合理。水資源系統(tǒng)所承受的壓力主要來自于人口增長和服務(wù)業(yè)發(fā)展帶來的用水需求和廢水排放量的增加。此外，2013年國家啟動生態(tài)文明城市建設(shè)，生態(tài)需水量的急劇增加也增大了水資源系統(tǒng)的壓力。因此，水資源系統(tǒng)所承受的壓力不減反增。

水資源狀態(tài)指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢，說明水資源系統(tǒng)的狀態(tài)有所改善。2014年底，南水北調(diào)中線工程天津段正式通水，全市供水總量由2014年的24.1億m3增加至2018年的28.4億m3，氣候?qū)τ谒Y源狀態(tài)的影響逐漸降低。河長制、水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、綠色發(fā)展理念也進(jìn)一步促進(jìn)了天津市水資源狀況的提高。

水資源響應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步上升態(tài)勢，說明天津市對于水資源系統(tǒng)安全愈發(fā)重視。天津市政府通過加強(qiáng)宣傳節(jié)水意識、治理水環(huán)境污染、增加水利相關(guān)投入等舉措，在一定程度上緩解了水資源系統(tǒng)面臨的壓力，改善了水資源狀況。

2.3 天津市新型城鎮(zhèn)化與水資源耦合協(xié)調(diào)度時序分析

利用耦合協(xié)調(diào)度模型計算天津市新型城鎮(zhèn)化系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度值并劃分耦合協(xié)調(diào)度等級，見表4。從表4可知，天津市水資源與新型城鎮(zhèn)化的耦合度始終接近于1，說明天津市新型城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)關(guān)系緊密。天津市新型城鎮(zhèn)化與水資源耦合協(xié)調(diào)度整體呈上升趨勢，兩者的關(guān)系趨于良性發(fā)展。2013年和2014年水資源安全綜合水平較差，水生態(tài)文明城市的建設(shè)與干旱的氣候使新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和水資源的矛盾重新凸顯，協(xié)調(diào)度由中級協(xié)調(diào)回落為初級協(xié)調(diào)。2014年底，南水北調(diào)工程正式通水又使得兩者的關(guān)系重新趨于穩(wěn)定。

表4 水資源系統(tǒng)與新型城鎮(zhèn)化的耦合協(xié)調(diào)度

根據(jù)新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)與水資源安全指數(shù)的關(guān)系，可將2009年～2018年天津市新型城鎮(zhèn)化與水資源的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展分為以下2個階段：

(1)2009年～2012年，新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)與水資源安全指數(shù)較為接近，為城鎮(zhèn)資源同步型，協(xié)調(diào)發(fā)展由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹屑墔f(xié)調(diào)。這一階段，由于2009年經(jīng)濟(jì)危機(jī)對城鎮(zhèn)化發(fā)展的沖擊，天津市新型城鎮(zhèn)化水平整體較低，其對水資源系統(tǒng)造成的壓力可以被消化吸收，兩者的矛盾并不凸顯，但是穩(wěn)定性較差。

(2)2013年～2018年，兩者耦合協(xié)調(diào)度雖呈增長趨勢，但水資源安全指數(shù)低于新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量指數(shù)，為資源承載力受損型。這一階段，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進(jìn)，水資源由于整體水平相對較低，新型城鎮(zhèn)化對水資源系統(tǒng)的脅迫作用越來越明顯。雖然前期水資源安全受到氣候條件影響而有所波動，但由于水環(huán)境改善、南水北調(diào)、水資源利用效率提高等因素，系統(tǒng)越來越穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

本文通過構(gòu)建天津市水資源安全評價指標(biāo)體系與新型城鎮(zhèn)化評價指標(biāo)體系，利用耦合協(xié)調(diào)度模型，定量研究了天津市新型城鎮(zhèn)化建設(shè)與水資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r，得出如下結(jié)論：

(1)天津市新型城鎮(zhèn)化積極穩(wěn)妥推進(jìn)，其中經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化發(fā)揮著主導(dǎo)作用，空間城鎮(zhèn)化較為滯后。

(2)水資源系統(tǒng)不斷優(yōu)化，逐漸趨于穩(wěn)定，但其承受的壓力與日俱增，水資源響應(yīng)相對于水資源壓力的增加仍然不足。

(3)新型城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的耦合度接近于1，兩者交互作用密切，協(xié)調(diào)度呈波動上升趨勢，兩者的發(fā)展趨向于有序和諧。但由于水資源系統(tǒng)整體水平相對較低，加之新型城鎮(zhèn)化發(fā)展速度較快，水資源系統(tǒng)的優(yōu)化逐漸滯后于新型城鎮(zhèn)化發(fā)展。