城市空間水環(huán)境脅迫影響機(jī)理分析
——基于GWR模型

韓 楓， 申泓彥， 王 威， 魏 磊

（1.河南省水文水資源局，鄭州 450003； 2.河南省科學(xué)院，鄭州 450002）

環(huán)境脅迫（environmental stress）指環(huán)境因素的量接近或超過(guò)有機(jī)體、種群或群落的一個(gè)或多個(gè)忍耐極限時(shí)造成的脅迫作用. 城市空間水環(huán)境包括城市自然水體和人工水體，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［1］.在城市內(nèi)部空間發(fā)展作用下，水環(huán)境受脅迫程度不斷提升. 通常情況下，城市空間的動(dòng)態(tài)性調(diào)整，加快了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加了人口空間集聚性，對(duì)水環(huán)境，如水溫、水質(zhì)等產(chǎn)生重要影響，使城市水環(huán)境質(zhì)量惡化. 同時(shí)，城市內(nèi)部空間的調(diào)整通常伴隨土地開(kāi)放程度調(diào)整與區(qū)域開(kāi)放政策調(diào)整，進(jìn)而對(duì)城市空間內(nèi)環(huán)境治理能力及水環(huán)境產(chǎn)生重要影響［1-2］. GWR（Geographically Weighted Regression），即地理加權(quán)回歸，是一種空間計(jì)量的常用方法. 楊媛媛等［3］應(yīng)用GWR模型，對(duì)貴州省耕地集約利用水平時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并探討了影響區(qū)域內(nèi)耕地集約利用水平的主要因素，為提升區(qū)域耕地集約利用水平提供了科學(xué)參考. 高甜等［4］應(yīng)用GWR模型，對(duì)中國(guó)省際用水效率及其影響因素進(jìn)行分析，指出不同影響因素對(duì)各省的用水效率影響程度存在差異，其中受教育年限影響因素對(duì)用水效率的影響最為明顯. 為有效研究城市空間水環(huán)境脅迫影響機(jī)理，本文以中國(guó)東南地區(qū)為例，運(yùn)用GWR模型對(duì)城市空間水環(huán)境影響機(jī)理指標(biāo)進(jìn)行定量檢驗(yàn)分析，以期為城市空間水環(huán)境治理、推進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考與借鑒.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)2003年“中國(guó)（大陸）區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析”報(bào)告中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)東南地區(qū)包括浙江省、湖北省、湖南省、江西省、上海市、江蘇省與安徽省等地區(qū)，共622個(gè)縣區(qū). 該區(qū)域總面積為73.564萬(wàn)km2，氣候類型包括亞熱帶季風(fēng)氣候、大陸性亞熱帶季風(fēng)溫潤(rùn)氣候等，七月平均氣溫在30 ℃，一月平均氣溫在5 ℃，年平均降水量在1200～2300 mm. 據(jù)知網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究平臺(tái)數(shù)據(jù)分析，2019年?yáng)|南地區(qū)城鎮(zhèn)化水平達(dá)65.7%，區(qū)域人均GDP為8.7萬(wàn)元. 該地區(qū)各城市的水資源豐富，徑流年際變化大. 根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2019》全國(guó)各省市區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)數(shù)據(jù)顯示，2019年?yáng)|南地區(qū)主要城市污水排放總量（上海市、杭州市、南京市、長(zhǎng)沙市、武漢市、南昌市）為1 716 870.6萬(wàn)t/a，COD超標(biāo)率為27.1%，氨氮超標(biāo)率為27.1%，總磷超標(biāo)率為16.7%，區(qū)域污染較嚴(yán)重.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究涉及自然環(huán)境要素、人類活動(dòng)要素、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)內(nèi)容. 數(shù)據(jù)主要來(lái)源地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）、中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.cma.cn）、國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn/）、中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）以及2017—2019 年?yáng)|南地區(qū)42 條主要河流、3個(gè)湖泊的85個(gè)采樣點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（各地生態(tài)環(huán)境局）.

2 城市空間水環(huán)境脅迫影響機(jī)理分析

2.1 指標(biāo)選取

綜合相關(guān)文獻(xiàn)分析，城市空間水環(huán)境受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、人口空間性聚集程度、環(huán)境治理能力、土地開(kāi)放程度、區(qū)域開(kāi)放政策等因素影響較為明顯［5-8］. 據(jù)此，選擇以下影響機(jī)理指標(biāo)進(jìn)行分析，具體如表1所示.

表1 城市空間水環(huán)境影響機(jī)理指標(biāo)Tab.1 Influencing mechanism index of urban spatial water environment

2.2 模型選擇與構(gòu)建

根據(jù)上述分析，選擇包括空間位置與相關(guān)特性的加權(quán)回歸模型（GWR），對(duì)東南地區(qū)的城市空間水環(huán)境影響機(jī)理進(jìn)行分析. 公式表示為：

式中：i表示東南地區(qū)622個(gè)縣區(qū)；yi表示第i個(gè)區(qū)縣的水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)；xik(k=1,2,…,6 )表示表1中的6個(gè)指標(biāo)；βik表示回歸系數(shù)；εi表示隨機(jī)誤差項(xiàng).

由于地理空間存在溢出效應(yīng)，距離相近的事物關(guān)聯(lián)性極為緊密，因此引入權(quán)重矩陣，表示指標(biāo)的相對(duì)重要性［7］. 公式表示為：

2.3 GWR模型計(jì)算結(jié)果與分析

如表2所示，修正模型后殘差平方和為0.145，與預(yù)期結(jié)果相符，表明該模型能夠有效反映出各影響機(jī)理指標(biāo)對(duì)城市空間水環(huán)境脅迫影響的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如下.

表2 城市空間水環(huán)境影響機(jī)理指標(biāo)檢驗(yàn)分析Tab.2 Test and analysis of influencing mechanism index of urban spatial water environment

結(jié)合表2檢驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析.

第一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平回歸系數(shù)均值為0.007 9，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)對(duì)城市空間的水環(huán)境脅迫產(chǎn)生正向影響. 具體表現(xiàn)為：區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高在一定程度上增加了工業(yè)點(diǎn)源污染、城市生活污染等，加劇了東南地區(qū)水污染效應(yīng)，與實(shí)際理論分析情況相符合［10-11］.

第二，產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況回歸系數(shù)均值為-0.084 6，表明產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況指標(biāo)對(duì)城市空間水環(huán)境脅迫產(chǎn)生負(fù)向影響. 結(jié)合中國(guó)東南地區(qū)主要城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況分析，總結(jié)出城區(qū)多以綠色、低碳基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)以及消費(fèi)與服務(wù)產(chǎn)業(yè)為主，生活污水排放較集中，收集率較高，且污水處理能力相對(duì)較強(qiáng)，城市小流域土地利用生態(tài)化明顯，改善了城市河流水環(huán)境質(zhì)量［14-17］.

第三，人口空間聚集程度回歸系數(shù)均值為0.096 5，表明人口空間聚集程度指標(biāo)對(duì)城市空間的水環(huán)境脅迫產(chǎn)生顯著正向影響，且該指標(biāo)的正向影響高于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)影響. 孔令健等［10］相關(guān)研究指出，安徽阜陽(yáng)市泉河等污染物主要來(lái)源于污水廠尾水，究其根本原因?yàn)榈貐^(qū)人口密度大，且氣溫較高，人均日用水量普遍較高，城市污水量大. 即使東南地區(qū)的污水處理率在95%以上，生活污水仍成為水環(huán)境污染物的主要來(lái)源. 根據(jù)張倩［9］相關(guān)研究，合肥市水環(huán)境污染源主要來(lái)源生活污水，其中氨氮占比為45.5%；TP 占比為41.3%. 同時(shí)，東南地區(qū)的地形多平緩，水系的流動(dòng)性不高，河流流速較為緩慢，水環(huán)境的凈化能力相對(duì)較低，在生活污水大量排放的情況下，水環(huán)境的生態(tài)功能逐漸退化［9，18］. 因此，在未來(lái)城市空間規(guī)劃過(guò)程中，政府應(yīng)注意協(xié)調(diào)人口空間分布和水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，降低人口空間聚集程度，緩解城市空間水環(huán)境壓力［19-21］.

第四，環(huán)境治理能力回歸系數(shù)均值為-0.110 9，表明通過(guò)政府對(duì)水環(huán)境保護(hù)的持續(xù)投資，能夠收到良好的水環(huán)境優(yōu)化效果，對(duì)城市空間水環(huán)境脅迫產(chǎn)生顯著負(fù)向影響. 結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、人口空間聚集程度三項(xiàng)影響機(jī)理指標(biāo)分析可知，城市中心區(qū)域應(yīng)為水環(huán)境保護(hù)的集中地［7，14］. 由此可見(jiàn)，環(huán)境治理能力對(duì)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要性，在具體實(shí)踐中應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)城市中心區(qū)域的環(huán)境保護(hù)管制力度，以降低水環(huán)境承載負(fù)荷［22］.

第五，土地開(kāi)放程度回歸系數(shù)均值為0.002 1，表明土地開(kāi)放程度越高，水系河網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到破壞的可能性越大，降低了水環(huán)境的承載能力，對(duì)城市空間的水環(huán)境脅迫產(chǎn)生正向影響. 由于東南地區(qū)的土地開(kāi)放程度高，建成區(qū)面積較大，老城區(qū)與新開(kāi)發(fā)區(qū)域的管網(wǎng)銜接存在混接、錯(cuò)接等問(wèn)題，導(dǎo)致管網(wǎng)截污不到位，加劇了水環(huán)境的污染負(fù)荷［9］，孫巍和張文勝［11］相關(guān)研究指出，導(dǎo)致武漢黃孝河黑臭的主要原因是管網(wǎng)截流污水不徹底. 同時(shí)，東南地區(qū)雨量充沛，降水對(duì)城市生活垃圾產(chǎn)生直接沖刷影響，污染物隨地表徑流進(jìn)入水體的概率、數(shù)量持續(xù)增加，造成水環(huán)境污染加重.

第六，區(qū)域開(kāi)放政策回歸系數(shù)均值為-0.001 4，表明區(qū)域開(kāi)放政策對(duì)城市空間的水環(huán)境脅迫產(chǎn)生負(fù)向影響. 即通過(guò)區(qū)域開(kāi)發(fā)政策實(shí)施，可以有效調(diào)整城市的生態(tài)功能區(qū)規(guī)劃，進(jìn)而提高城市產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)范性，提高生態(tài)環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)性，降低水環(huán)境的污染負(fù)荷［8，22］. 同時(shí)，區(qū)域開(kāi)放政策進(jìn)一步明確了土地開(kāi)放強(qiáng)度，有效避免了人口過(guò)度集聚，為城市空間的水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用.

3 結(jié)論與建議

以城市空間水環(huán)境脅迫影響機(jī)理分析為切入點(diǎn)，以中國(guó)東南地區(qū)為例，探索出水環(huán)境影響機(jī)理指標(biāo)主要包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、人口空間性聚集程度、環(huán)境治理能力、土地開(kāi)放程度、區(qū)域開(kāi)放政策［2-3］.為研究以上6個(gè)指標(biāo)對(duì)水環(huán)境脅迫的影響，探究其空間相關(guān)性，選擇包括空間位置與相關(guān)特性的加權(quán)回歸模型（GWR），對(duì)東南地區(qū)的城市空間水環(huán)境影響機(jī)理指標(biāo)進(jìn)行定量檢驗(yàn)分析，得出以下主要結(jié)論：

1）經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口空間性聚集程度、土地開(kāi)放程度回歸系數(shù)均值分別0.007 9、0.096 5、0.002 1，表明這三項(xiàng)影響機(jī)理指標(biāo)對(duì)城市空間水環(huán)境脅迫產(chǎn)生正向影響. 由于中國(guó)東南地區(qū)資源豐富，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口密集度高，土地開(kāi)放強(qiáng)度大，造成生態(tài)空間被擠占，所以該地區(qū)的人均日用水量高，污水排放量大，加劇了水環(huán)境的污染負(fù)荷.

2）產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、環(huán)境治理能力、區(qū)域開(kāi)放政策回歸系數(shù)均值分別為-0.084 6、-0.110 9、-0.001 4，表明這三項(xiàng)影響機(jī)理指標(biāo)對(duì)城市空間水環(huán)境脅迫產(chǎn)生負(fù)向影響. 由于東南地區(qū)的城市產(chǎn)業(yè)布局相對(duì)合理，環(huán)境治理投入資金較大，生態(tài)功能分區(qū)較為科學(xué)，城市水環(huán)境綜合治理水平較高，改善了城市河流水環(huán)境質(zhì)量，一定程度上降低了水環(huán)境污染效應(yīng).

為推進(jìn)東南地區(qū)城市空間水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，提出如下建議：

第一，生活污水控制. 針對(duì)上述東南地區(qū)生活污水排放問(wèn)題，建議進(jìn)一步完善管網(wǎng)建設(shè)，并對(duì)已建成污水管網(wǎng)進(jìn)行全面巡檢，避免出現(xiàn)雨污管道錯(cuò)接、混接等情況［9，11］. 同時(shí)，東南地區(qū)要加強(qiáng)對(duì)污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)其污水處理能力進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)污水處理不達(dá)標(biāo)情況，提出改造建議. 另外，東南地區(qū)應(yīng)綜合運(yùn)用新型污水處理技術(shù)，如厭氧區(qū)碳源分流多級(jí)AO工藝、河道水陸生態(tài)界面重建與污染攔截技術(shù)等，降低水體污染程度.

第二，工業(yè)點(diǎn)源控制. 東南地區(qū)應(yīng)嚴(yán)格選擇新增加的工業(yè)企業(yè)，力爭(zhēng)在源頭控制工業(yè)污染進(jìn)入；加強(qiáng)工業(yè)園區(qū)污水集中處理設(shè)施建設(shè)，保證園區(qū)內(nèi)污染物排放達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化功能布局，提高工業(yè)排污監(jiān)管力度，針對(duì)未穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理設(shè)施進(jìn)行集中整治等［12，21］.

第三，城市面源污染控制. 東南地區(qū)應(yīng)綜合運(yùn)用截流、滲透、儲(chǔ)存、傳輸方式，在源頭上控制雨水徑流污染物. 同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和維護(hù)排水管道，做到雨水與污水分流排放. 在面源污染末端，通過(guò)生態(tài)技術(shù)與人工技術(shù)降解污染物的方式，減少面源污染進(jìn)入水體中. 除此之外，東南地區(qū)應(yīng)構(gòu)建完善的城市水體補(bǔ)水凈化方案、水利調(diào)控方案等，為提升水環(huán)境凈化效果提供保障［22-23］.