黃河流域11個城市水質(zhì)與城市發(fā)展水平及其耦合協(xié)調(diào)分析

關(guān)鍵詞：水質(zhì)；城市發(fā)展水平；耦合協(xié)調(diào)；黃河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１９

引用格式：王梅，李靜，白一帆，等．黃河流域１１ 個城市水質(zhì)與城市發(fā)展水平及其耦合協(xié)調(diào)分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：９３－９８．

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟地帶，是打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的關(guān)鍵區(qū)域。隨著西部大開發(fā)、中部崛起等戰(zhàn)略的實施，黃河流域經(jīng)濟社會發(fā)展迅速，城市化水平逐年提升［１］ ，但同時帶來了嚴重的環(huán)境問題。城市生活、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢水排入水體，造成水質(zhì)惡化，反過來限制了城市化進程。城市化與水環(huán)境之間除相互影響外，還存在相互促進關(guān)系，城市化為水質(zhì)改善提供科技、人力和物力，良好的水質(zhì)為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供保障［２］ 。黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略，流域內(nèi)城市迎來了發(fā)展新契機，正確處理水環(huán)境和城市發(fā)展的關(guān)系對保障黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實施至關(guān)重要。

近年來，黃河流域水資源和城市發(fā)展兩者的互動關(guān)系研究已取得一定進展［３－５］ 。左其亭等［６］ 構(gòu)建資源－環(huán)境－經(jīng)濟－社會多元投入產(chǎn)出指標體系，探究了黃河流域水資源利用水平與經(jīng)濟發(fā)展、社會發(fā)展的動態(tài)適配關(guān)系；刁藝璇等［７］ 定量評估了黃河流域用水行為和城鎮(zhèn)化進程的耦合協(xié)調(diào)情況，確定了限制水資源利用和城鎮(zhèn)化發(fā)展的因素；邢霞等［８］ 探討了用水效率和經(jīng)濟發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系及作用機理；王潔方等［９］ 從水資源、水污染及水治理３ 個維度構(gòu)建黃河流域水環(huán)境指標體系，衡量了黃河流域水環(huán)境與社會經(jīng)濟的整體協(xié)調(diào)度?？傮w上，現(xiàn)有研究多聚焦于黃河流域水資源的開發(fā)利用及污染治理與城市發(fā)展的關(guān)系。水質(zhì)是水環(huán)境變化最直接的表現(xiàn)，也是城市高質(zhì)量發(fā)展的重要體現(xiàn)，目前從水質(zhì)出發(fā)探索其與城市發(fā)展的關(guān)系鮮見報道。基于此，筆者以黃河流域１１ 個城市為研究對象，構(gòu)建水質(zhì)與城市發(fā)展評價指標體系，運用耦合協(xié)調(diào)度模型量化兩者的動態(tài)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，以期為建立黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展協(xié)同模式提供參考依據(jù)。

１研究城市概況及數(shù)據(jù)來源

黃河是我國第二長河，流域總面積達７９． ５ 萬ｋｍ^２，流域內(nèi)人口約占全國總?cè)丝诘模玻矗保?，地區(qū)經(jīng)濟生產(chǎn)總值約占全國的２６．５％。黃河流域水資源利用相對粗放，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活導致的水環(huán)境問題比較突出［１０］ ，２０１９ 年黃河劣Ｖ 類水質(zhì)占比達８．８％，明顯高于全國３．４％的平均水平。

選取黃河流域１１ 個城市，分別是甘肅省蘭州市，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市和呼和浩特市，陜西省榆林市、寶雞市和渭南市，山西省運城市和呂梁市，河南省三門峽市和洛陽市，山東省濟南市，對２０１２—２０１９ 年黃河流域城市發(fā)展水平與水質(zhì)的耦合協(xié)調(diào)狀況展開分析。研究所需的經(jīng)濟社會指標數(shù)據(jù)來源于各城市統(tǒng)計年鑒、《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》等，水質(zhì)指標數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站。

２研究方法

２．１評價指標體系

城市發(fā)展系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)各要素之間存在著緊密聯(lián)系，構(gòu)建科學的評價指標體系是分析城市發(fā)展系統(tǒng)與水質(zhì)系統(tǒng)相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)。參考相關(guān)文獻［１１－１２］ ，統(tǒng)計出現(xiàn)頻率較高的指標，并遵循科學性、通用性、層次性、易收集性等原則，對指標進行篩選，構(gòu)建城市發(fā)展水平和水質(zhì)評價指標體系，見表１。對于城市發(fā)展系統(tǒng)，準則層包含人口城市化、經(jīng)濟城市化、地域景觀城市化、生活質(zhì)量城市化４ 個方面。人口城市化（Ｕ_Ａ ） 是城市化興起和存在的前提，經(jīng)濟城市化（Ｕ_Ｂ） 可以促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，地域景觀城市化（Ｕ_Ｃ）反映了城市化進程中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，生活質(zhì)量城市化（Ｕ_Ｄ ）用于表征城市社會資源的發(fā)展水平。水質(zhì)系統(tǒng)的準則層即水質(zhì)因子（Ｗ），依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）及現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取溶解氧（Ｄ_Ｏ）、高錳酸鹽指數(shù)（ＣＯＤ_Ｍｎ ）、生化需氧量（ＢＯＤ）、氨氮（ＮＨ_３ －Ｎ）和總磷（Ｔ_Ｐ）５ 項指標作為水質(zhì)評價指標。

由于城市化發(fā)展與水質(zhì)變化分析中各指標發(fā)揮的作用不同， 因此需要確定各指標權(quán)重。分析采用２０１２—２０１９ 年共８ ａ 的數(shù)據(jù)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)信息，采用熵值法確定指標權(quán)重。具體計算方法見文獻［１３］，各指標權(quán)重見表１。

２．２城市發(fā)展水平量化

（１）數(shù)據(jù)預處理。鑒于所選指標原始數(shù)據(jù)量綱不同，為消除數(shù)據(jù)間的屏蔽效應，采用極差標準化方法對數(shù)據(jù)進行無量綱處理。正向指標：

３結(jié)果與分析

３．１城市發(fā)展水平分析

（１）流域整體情況。對城市發(fā)展水平進行時間序列特征分析。從圖１ 可以看出，研究期內(nèi)城市發(fā)展水平指數(shù)整體呈逐年上升趨勢，綜合ＵＤＩ 由２０１２ 年的０．３２增長至２０１９ 年的０．４７。人口、經(jīng)濟、地域景觀、生活質(zhì)量城市化水平均呈上升趨勢，其中經(jīng)濟發(fā)展水平在研究期整體表現(xiàn)最優(yōu)，地域景觀的最差?？梢?，黃河流域城市在地域景觀方面具有較大的提升空間，擴建改造城市道路、擴大中心城區(qū)面積、開展城市綠化建設(shè)是補足黃河流域城市發(fā)展水平短板的必要舉措。

對２０１９年城市發(fā)展水平１０ 個評價指標分別賦予－２０％、１０％、０、１０％、２０％共５ 種偏差進行敏感性分析，結(jié)果見圖２。可以看出，第二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比、城市人口占比、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率３ 個指標ＳＤ 值較大，分別為０．０１９、０．０１０、０．００９，為城市發(fā)展系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因子。這些指標發(fā)生微小的波動均會對城市發(fā)展水平產(chǎn)生明顯影響，因此可以采取推動第二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、吸引人口遷入城市、促進就業(yè)創(chuàng)業(yè)等措施高效地提升城市發(fā)展水平。

（２）各城市發(fā)展情況。從圖３ 可以看出，１１ 個城市２０１２—２０１９ 年發(fā)展水平均顯著提升，空間上總體呈現(xiàn)“上下游”高、“中游”低的格局。

依據(jù)各城市多年平均ＵＤＩ 值，可將１１ 個城市分為３ 個層次。第一層次為城市發(fā)展水平領(lǐng)先型，包含蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、濟南５ 個城市，ＵＤＩ 為０．４４～０．６３。濟南城市發(fā)展水平升幅最大，且歷年ＵＤＩ在所有城市中位列第一，蘭州和呼和浩特分列第二、第三，上述３ 個城市均為省會城市，集政治、經(jīng)濟、文化、科技、教育、交通等中心于一身；包頭和榆林為呼包銀榆經(jīng)濟區(qū)的重要城市，伴隨著城市人口增加、城區(qū)面積擴張、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級、城市服務(wù)和公共設(shè)施提升［２０］ ，這些城市在人口、經(jīng)濟、地域景觀、生活質(zhì)量４ 個方面表現(xiàn)出強勁的發(fā)展?jié)摿?。第二層次為城市發(fā)展水平一般型，包括寶雞、三門峽、洛陽，ＵＤＩ 為０．３１～０．３３。寶雞為關(guān)中平原城市群副中心城市、關(guān)天經(jīng)濟區(qū)副中心城市，洛陽為中原城市群副中心城市，三門峽為晉陜豫黃河金三角區(qū)域經(jīng)濟協(xié)作的中心城市，這些城市依托自身在省域（或省際）重要的經(jīng)濟或地理位置優(yōu)勢，經(jīng)濟增速明顯、人民生活水平不斷提高，但仍處于中等發(fā)展水平。第三層次為城市發(fā)展水平落后型，包括渭南、呂梁、運城，ＵＤＩ 為０．１７～０．３０。這些城市經(jīng)濟地位和地理位置一般，加上產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理及生態(tài)環(huán)境脆弱等，經(jīng)濟發(fā)展動力不足，人口外溢嚴重，城市發(fā)展水平較低。

３．２水質(zhì)分析

（１）水質(zhì)整體情況。２０１２—２０１９ 年１１ 個城市水質(zhì)指數(shù)變化見圖４?？梢钥闯?，綜合水質(zhì)為Ⅱ類尚清潔水。綜合ＷＱＩ 由２０１２ 年的０．６７ 小幅增大至２０１４年的０．６９，后下降至２０１６ 年水質(zhì)指數(shù)最小值０．６３，此后呈逐年增大趨勢，至２０１９ 年達到最大值０．７９?？傮w來看，水質(zhì)較好，特別是２０１６ 年以后，水質(zhì)持續(xù)改善。這主要得益于生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)推進，２０１５ 年４ 月《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》中明確提出了重點流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的目標，并要求到２０２０ 年重要江河湖泊水功能區(qū)水質(zhì)達標率提高到８０％。從研究結(jié)果看，黃河流域生態(tài)文明建設(shè)效果顯著。

根據(jù)敏感度計算結(jié)果，在水質(zhì)系統(tǒng)中，各指標敏感度排序為ＤＯ、ＣＯＤ_Ｍｎ、ＢＯＤ、ＴＰ、ＮＨ_３ －Ｎ，其ＳＤ 值分別為０．０１７ ２、０．０１０ ４、０．０１０ ２、０．００４ ８、０．００１ ６。ＤＯ、ＣＯＤ_Ｍｎ和ＢＯＤ 指標的小幅變化會導致ＷＱＩ 發(fā)生較大變化，這些指標為水質(zhì)系統(tǒng)的重要影響因子。根據(jù)黃河流域各城市水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，２０１２—２０１９ 年溶解氧質(zhì)量濃度整體達到Ⅰ類水標準，高錳酸鹽指數(shù)達到Ⅱ類水標準，生化需氧量、總磷、氨氮均達到Ⅲ類水標準，黃河流域水體以氮磷營養(yǎng)鹽污染為主，有機污染次之?？紤]到近年來水體ＢＯＤ 含量及水質(zhì)對其具有高敏感性，主控水體富營養(yǎng)化、兼控水體有機污染為未來進一步提升水質(zhì)的有效手段。

（２）各城市水質(zhì)情況。依據(jù)ＷＱＩ 多年平均值（見圖５），１１ 個城市水質(zhì)可分為４ 類，第一類為Ⅰ類清潔水，包含蘭州、三門峽、洛陽、濟南４ 個城市；第二類為Ⅱ類尚清潔水，包含包頭、呼和浩特、榆林、寶雞４ 個城市；第三類為Ⅲ類輕污染水，包含渭南和呂梁２ 個城市；第四類為Ⅳ類中污染水，僅運城。從各城市的ＷＱＩ值時間變化趨勢看，多數(shù)城市水質(zhì)自２０１６ 年后明顯好轉(zhuǎn)或維持在Ⅰ類清潔水水平，至２０１９ 年所有城市水質(zhì)達到Ⅱ類尚清潔及以上水平。以運城市為例，盡管水質(zhì)情況相對較差，但是通過采取河道清淤、加強排污監(jiān)管、加大污水處理量等整治黑臭水體措施，水質(zhì)得到較大幅度改善。

３．３耦合協(xié)調(diào)度分析

從圖６可以看出，２０１２—２０１９ 年整體上城市發(fā)展與水質(zhì)之間的耦合協(xié)調(diào)度為０．６０ ～０．７３，在研究時段內(nèi)屬于良好協(xié)調(diào)發(fā)展，且耦合協(xié)調(diào)度逐年增大。對比２０１２ 年和２０１９ 年的耦合協(xié)調(diào)度可以看出，蘭州、呼和浩特、濟南３ 個城市從良好協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，洛陽、運城、三門峽、寶雞、呂梁５ 個城市從低水平協(xié)調(diào)發(fā)展或輕度失調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)為良好協(xié)調(diào)發(fā)展，包頭、榆林２ 個城市維持良好協(xié)調(diào)發(fā)展，渭南從輕度失調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)為低水平協(xié)調(diào)發(fā)展，可見至２０１９ 年，絕大多數(shù)城市（渭南除外）發(fā)展和水質(zhì)之間均實現(xiàn)了良好或優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。２０１６—２０１９ 年耦合協(xié)調(diào)度明顯增大，這意味著當前及可預見的未來，城市發(fā)展對黃河水環(huán)境能起到保護作用，良好的水質(zhì)也可以助推城市良性發(fā)展。

依據(jù)多年平均城市發(fā)展與水質(zhì)耦合協(xié)調(diào)度及城市發(fā)展與水質(zhì)耦合協(xié)調(diào)等級表，１１ 個城市可分為以下４類。

第一類為濟南，屬于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展城市，城市化水平較高，水質(zhì)優(yōu)良，城市生態(tài)文明建設(shè)卓有成效，城市發(fā)展和水環(huán)境存在優(yōu)越的共生關(guān)系。濟南北連首都經(jīng)濟圈、南接長三角經(jīng)濟圈，是環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)和京滬經(jīng)濟軸上的重要交匯點，具有良好的區(qū)位優(yōu)勢。此外，濟南作為山東省的文化、教育中心，重點高等學校較多，為城市發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)的人力資源。在城市化進程中，濟南采取黃河重要支流排污口整治、灘區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治、節(jié)能減排等措施，通過水資源優(yōu)化配置和推進節(jié)水產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展，使得水質(zhì)穩(wěn)定在清潔水平。基于經(jīng)濟和人才優(yōu)勢，濟南通過科技創(chuàng)新推動污水排放監(jiān)管、污染治理及產(chǎn)業(yè)升級，建設(shè)成為“智慧” 與“生態(tài)”并重的新型城市。

第二類包含蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、寶雞、三門峽和洛陽７ 個城市，為良好協(xié)調(diào)發(fā)展城市。這些城市的發(fā)展水平屬領(lǐng)先或一般水平，多年平均水質(zhì)均達到Ⅱ類尚清潔及以上水平。這些城市處于我國華北、西北地區(qū)，水資源相對匱乏，黃河水為城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源。在研究時段前期（２０１２—２０１５ 年），上述城市（除洛陽外）均出現(xiàn)了水質(zhì)波動變化或水質(zhì)惡化等現(xiàn)象，表明該階段城市快速發(fā)展對水資源需求大，排污量也大，城市發(fā)展和水體水質(zhì)處于拮抗期；在研究時段后期（２０１６—２０１９ 年），隨著環(huán)保投入增加、水污染防治能力提升，水體質(zhì)量整體轉(zhuǎn)好。蘭州生態(tài)環(huán)境相對脆弱，但經(jīng)濟和人才優(yōu)勢明顯，可依靠創(chuàng)新驅(qū)動節(jié)水和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以及利用空間規(guī)劃來提升資源利用效率和環(huán)境治理水平［２１］ 。包頭、呼和浩特、榆林、寶雞為能源型城市，依賴于礦產(chǎn)資源和水資源，產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型艱巨，污水排放管理和污染治理在城市發(fā)展中需格外關(guān)注。三門峽、洛陽水資源較豐富，水質(zhì)條件優(yōu)越，可通過優(yōu)化配置水資源促進經(jīng)濟發(fā)展和水生態(tài)文明建設(shè)。

第三類包含呂梁、運城，為低水平協(xié)調(diào)發(fā)展城市，城市發(fā)展水平低，水質(zhì)較差，但城市已進入快速發(fā)展期，通過水污染防治和水生態(tài)文明建設(shè)的嚴格落實，水質(zhì)轉(zhuǎn)好趨勢明顯。

第四類為渭南，屬于輕度失調(diào)發(fā)展城市，城市發(fā)展速度明顯低于水質(zhì)好轉(zhuǎn)速度，一方面水質(zhì)保護對城市發(fā)展產(chǎn)生脅迫作用，另一方面水資源利用在城市化過程中配置不合理。

呂梁、運城和渭南生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，如何在保障生態(tài)安全的基礎(chǔ)上調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進經(jīng)濟發(fā)展是這３ 個城市高質(zhì)量發(fā)展必須攻克的難題。區(qū)域協(xié)同發(fā)展不失為一種可行方式，可以依托區(qū)域周圍高水平發(fā)展城市帶動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和勞動力回流，進而促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

４結(jié)論

從城市發(fā)展水平指數(shù)（ＵＤＩ）看，城市發(fā)展水平整體呈逐年上升趨勢，在人口、經(jīng)濟、生活質(zhì)量方面城市發(fā)展水平較高，地域景觀為城市發(fā)展的短板；各城市ＵＤＩ 數(shù)值差異明顯，與城市的經(jīng)濟地位、地理位置、資源條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，ＵＤＩ 在空間上呈現(xiàn)出“上下游”高、“中游”低的規(guī)律，濟南城市發(fā)展水平領(lǐng)跑，渭南墊底。敏感性分析結(jié)果表明，第二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比、城市人口占比、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率３ 個指標對ＵＤＩ影響較大，采取針對性措施使上述指標趨好發(fā)展可以快速推進城市化進程。

從水質(zhì)指數(shù)（ＷＱＩ）來看，得益于生態(tài)文明建設(shè)，２０１６ 年后ＷＱＩ 持續(xù)增大，至２０１９ 年所有城市水質(zhì)達到Ⅱ類尚清潔及以上水平；在空間上，蘭州、三門峽、洛陽、濟南４ 個城市水質(zhì)狀況較優(yōu)，多年穩(wěn)定在Ⅰ類清潔水，運城的最差，常年為Ⅳ類中污染水。依據(jù)水質(zhì)實測值，研究城市水體以氮磷營養(yǎng)鹽污染為主；敏感性分析結(jié)果表明，溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量為影響水質(zhì)的重要因子。

２０１２—２０１９ 年城市發(fā)展與水質(zhì)之間整體為良好協(xié)調(diào)發(fā)展，且耦合協(xié)調(diào)度逐年增大，說明城市發(fā)展和水質(zhì)存在良好共生關(guān)系。從空間上看，濟南為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展城市，蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、寶雞、三門峽和洛陽７ 個城市為良好協(xié)調(diào)發(fā)展城市，呂梁、運城為低水平協(xié)調(diào)發(fā)展城市，渭南為輕度失調(diào)發(fā)展城市。依據(jù)ＵＤＩ、ＷＱＩ 及兩者的耦合協(xié)調(diào)性，以及各城市特點，提出針對性措施提升城市發(fā)展和水質(zhì)的耦合協(xié)調(diào)性，如對于能源型城市，應加強污水排放管理和污染治理；對于經(jīng)濟和人才強市，可依靠科技創(chuàng)新來驅(qū)動城市發(fā)展和環(huán)境治理。

【責任編輯 呂艷梅】