管曉丹 沈曉涵 李夢雅 黃建平 魏志敏 馬艷莉

摘要 ?黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障，也是我國糧食作物的主要產(chǎn)區(qū)。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，當(dāng)?shù)厮Y源分配出現(xiàn)了顯著變化。因此，厘清黃河流域城鎮(zhèn)化作用下水循環(huán)的改變對制定黃河流域城鎮(zhèn)化政策具有重要意義。本文利用資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的黃河流域下墊面數(shù)據(jù)、世界人口數(shù)據(jù)集的人口密度和Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace）的Center for Space Research （CSR）陸地總水儲量格點(diǎn)數(shù)據(jù)，開展了黃河流域城鎮(zhèn)化過程中地下水的變化特征分析工作。結(jié)果表明：黃河流域城鎮(zhèn)化程度具有顯著的空間差異，下游存在明顯的城鎮(zhèn)化加劇現(xiàn)象;全域人口密度整體呈上升趨勢，其中下游的人口增長趨勢最大;黃河流域的地下水呈下降趨勢，以下游的地下水下降最為顯著。通過對比黃河流域新增城鎮(zhèn)、不變城鎮(zhèn)和消失城鎮(zhèn)的地下水變化差異，發(fā)現(xiàn)地下水下降幅度最小出現(xiàn)在消失城鎮(zhèn)，新增城鎮(zhèn)的地下水下降幅度小于不變城鎮(zhèn)的區(qū)域。因此，黃河流域城鎮(zhèn)化對地下水的減少具有顯著的作用，新增城鎮(zhèn)地下水并沒有出現(xiàn)顯著下降的結(jié)果也說明近年來城鎮(zhèn)化后的地下水保護(hù)政策取得的效果良好。

關(guān)鍵詞 ?黃河流域; 城鎮(zhèn)化; 人口密度; 地下水

黃河流域是我國當(dāng)前西部大開發(fā)的重要地區(qū)之一，流經(jīng)青、川、甘、寧、蒙、陜、晉、豫、魯九省，其流域大部分屬于水資源短缺的半干旱和半濕潤區(qū)（劉昌明，2004），以全國約2％的水資源量支撐了全國約15％的耕地以及12％的人口供水（黃建平等，2020;王國慶等，2020;葉培龍等，2020）。1961—2016年黃河流域無論是實(shí)測徑流還是天然徑流，都存在明顯的下降趨勢（馬柱國等，2020），人類對水資源的需求已經(jīng)遠(yuǎn)超流域水資源的承載力，造成地表水的過度利用和地下水的過度開采，人類用水已經(jīng)顯著改變了流域的水循環(huán)及水資源格局（張建云等，2013），黃河河川徑流量呈現(xiàn)減少趨勢、花園口近幾年略有回升，但未來變動(dòng)不明朗（賈紹鳳和梁媛，2020）。

黃河流域作為我國的重要糧食產(chǎn)地，人口密度達(dá)到159人／km 2。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，黃河流域地區(qū)呈現(xiàn)出顯著的城鎮(zhèn)化現(xiàn)象。城鎮(zhèn)化是指農(nóng)村人口不斷向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，第二、三產(chǎn)業(yè)不斷向城鎮(zhèn)集聚，從而使城鎮(zhèn)數(shù)量增加，城鎮(zhèn)人口、經(jīng)濟(jì)、建設(shè)用地、社會消費(fèi)等規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程，一般包括人口城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)城鎮(zhèn)化、空間城鎮(zhèn)化和社會城鎮(zhèn)化等過程（Bao and Fang，2008）。其中，人口城鎮(zhèn)化是其最基本和最核心的內(nèi)涵（鮑超，2014），是人口向城鎮(zhèn)集中并由此推動(dòng)城鎮(zhèn)發(fā)展的過程，這一過程伴隨著國家的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式、生活方式的重大轉(zhuǎn)變（陸大道和陳明星，2015）。同時(shí)也是一個(gè)國家（地區(qū)）實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必由之路（Guo et al.，2015）。因此，政府積極推進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展（國務(wù)院發(fā)展研究中心和世界銀行聯(lián)合課題組，2014），并為城鎮(zhèn)化良性發(fā)展做好保駕護(hù)航（Guo et al.，2015;Bai et al.，2017）。城鎮(zhèn)化也存在多種表現(xiàn)形式，在“多村一社區(qū)”模式建設(shè)的城鎮(zhèn)化創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，“大村莊制”農(nóng)村社區(qū)提出了使原本居住分散的村民實(shí)現(xiàn)集中居?。ㄒ缀屯跛假t，2020）的新形式。

黨的十八大后，中央統(tǒng)籌謀劃新型城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略，明確提出新型城鎮(zhèn)化發(fā)展要以人為核心。黨的十九屆五中全會再次指出“推進(jìn)以人為核心的新型城鎮(zhèn)化”的發(fā)展政策（方世南，2021）。人作為城鎮(zhèn)化的核心，在城鎮(zhèn)化推進(jìn)過程中對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到了重要作用。相較于受經(jīng)濟(jì)增長方式影響的傳統(tǒng)意義城鎮(zhèn)化，新型城鎮(zhèn)化更加注重城市規(guī)模的擴(kuò)張（史玉豐，2019）。根據(jù)城鎮(zhèn)化特征，在城鎮(zhèn)化過程中農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民開始逐漸向城鎮(zhèn)聚集，造成人口數(shù)量增加，人口數(shù)量的變化進(jìn)一步改變城鎮(zhèn)化地區(qū)的人類活動(dòng)情況，人類活動(dòng)一定程度反映了城鎮(zhèn)化的程度。

城鎮(zhèn)化的過程中，必然會影響局地水循環(huán)的改變。城鎮(zhèn)化主要通過改變地下水的補(bǔ)給進(jìn)而影響地下水，城鎮(zhèn)地表水泥化減少了地下水的降雨入滲補(bǔ)給（Kim et al.，2001）。以坦桑尼亞的阿魯沙為例，從2015年到2050年，阿魯沙將迅速增長到2015年城市規(guī)模的179％。由于不透水地表面積的增加，地下水補(bǔ)給量將減少23％，建模地下水盆地（包括阿魯沙西部和西南部城市的大部分地區(qū)以及周邊地區(qū)）的地下水位預(yù)計(jì)最多將下降55 m（Olarinoye et al.，2020）。對于典型干旱半干旱地區(qū)的黃河流域，如何在城鎮(zhèn)化過程中解決增長的水資源需求和地下水下降情況，是黃河流域城鎮(zhèn)化持續(xù)發(fā)展必須要解決的問題。但同時(shí)我們需要認(rèn)識到黃河流域未出現(xiàn)用水量激增或用水結(jié)構(gòu)失調(diào)現(xiàn)象（刁藝璇等，2020），說明在黃河流域開展城鎮(zhèn)化是可行的。因此，研究黃河流域城鎮(zhèn)化的變化特征，厘清黃河流域城鎮(zhèn)化帶來的水資源變化，可以為黃河流域水資源的開發(fā)利用管理提供重要的理論依據(jù)，符合黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的國家戰(zhàn)略，有助于黃河流域亟待通過新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級、新興產(chǎn)業(yè)培育來轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，加快推動(dòng)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)（趙建吉等，2020）。

1 研究區(qū)域介紹、數(shù)據(jù)和方法

1 1 黃河流域介紹

黃河流域上、中、下游的劃分，既是地形、地貌、水文等自然因素決定的，也是科學(xué)保護(hù)治理的需要。河口以上稱為黃河上游，河口至河南鄭州桃花峪區(qū)域稱為黃河中游，黃河干流自桃花峪至渤海灣稱為黃河下游。由于上游的源區(qū)具有特殊的地理位置、海拔高度等獨(dú)特特性，導(dǎo)致該地區(qū)的環(huán)境特征獨(dú)特，文中把位于青藏高原上的區(qū)域單獨(dú)劃分出來作為源區(qū)（圖1）。

1 2 數(shù)據(jù)和方法

下墊面數(shù)據(jù)為中國多時(shí)期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集（徐新良等，2018）來自資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)，本文使用的是2000—2020年的年數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km。該數(shù)據(jù)集是基于美國陸地衛(wèi)星Landsat TM影像，通過人工目視解譯生成，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個(gè)一級類型以及25個(gè)二級類型。人口密度數(shù)據(jù)來自世界人口數(shù)據(jù)集（WorldPop and CIESIN，2018），使用的是2000—2020年的年數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km。

地下水?dāng)?shù)據(jù)采用Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace）中Center for Space Research （CSR）數(shù)據(jù)（Save et al.，2016）中陸地總水儲量距平月數(shù)據(jù)（2004—2009年平均）代替地下水的變化，空間分辨率為0 25°×0 25°，時(shí)間范圍為2004年1月—2017年6月。陸地總水儲量由地表雪、土壤中的蓄水變化，以及地下水（以及在較小程度上的地表水）組成，當(dāng)土壤和雪中水儲量變化已知時(shí)，GRACE重力測量可用于量化地下水儲量變化（Chen，2014）。由于黃河流域大部分處于干旱半干旱地區(qū)，土壤水分變化相對較小，且雪覆蓋較少，并有研究指出黃河流域陸地總水儲量變化值與地下水儲量變化值顯著相關(guān)（r=0 72，p<0 01）（魯曉娟等，2022）。因此，利用黃河流域陸地總水儲量的變化代表地下水的變化開展分析。

本文采用一元線性回歸計(jì)算人口密度和地下水的變化趨勢，利用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 量t分布，得到了一個(gè)假設(shè)檢驗(yàn)的雙側(cè)p值，p值小于0 05大于0 01標(biāo)記*，表示通過了置信度為95％的顯著性檢驗(yàn)，p值小于0 01標(biāo)記 * * ，表示通過 置信度為99％的顯著性檢驗(yàn)。在文中定義地下水極差是計(jì)算地下水時(shí)間范圍內(nèi)的最大值減去最小值，是地下水在時(shí)間范圍內(nèi)變動(dòng)的最大范圍，量化地下水的下降幅度。

2 ?黃河流域城鎮(zhèn)化、人口密度分布與趨勢分析

2 1 黃河流域人口密度的分布和趨勢

黃河流域全域2000—2020年人口密度的平均分布（圖2）表明，黃河流域源區(qū)、上游、中游和下游人口密度區(qū)域平均值分別為25 49人·km ?-2 ，103 30人·km ?-2 ，220 10人·km ?-2 和615 06 人·km ??-2 （表1），空間分布呈現(xiàn)人口密度自源區(qū)、上游、中游、下游逐漸增大的特征。從2000—2020年，黃河流域源區(qū)、上游、中游和下游的人口密度趨勢分別為0 26人·km ?-2 ·a ?-1 ，1 11人·km ?-2 ·a ?-1 ，1 12人·km ?-2 ·a ?-1 和2 07人·km ?-2 ·a ?-1 （表1， 圖3 ），雖然黃河流域存在人口減少的區(qū)域，但黃河流域整體人口密度呈現(xiàn)增長趨勢，且下游的人口增長趨勢最為顯著。

2 2 黃河流域城鎮(zhèn)分布變化

人口密度一定程度上可以體現(xiàn)黃河流域城鎮(zhèn)化，但更為直觀的數(shù)據(jù)是城鎮(zhèn)下墊面的占比變化。圖4為黃河流域源區(qū)、上游、中游和下游2000年和2020年下墊面的對比，內(nèi)圈為2000年的下墊面，外圈為2020年的下墊面，并給出2020年下墊面占比較多的前7種類型（占比小于3 8％的百分比數(shù)字不顯示）。對比發(fā)現(xiàn)黃河流域源區(qū)、上游和中游草地和旱地的面積占比較大，合計(jì)占比超50％，城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的占比均小于3 8％，城鎮(zhèn)化程度較低。黃河流域下游旱地的占比最大，達(dá)60％;2020年城鎮(zhèn)用地的占比較2000年有明顯增加，占比達(dá)3 87％，其余下墊面的變化較小。綜上在2000—2020年黃河流域的四個(gè)區(qū)域內(nèi)，黃河下游的城鎮(zhèn)化的程度最大，且在2000—2020年間關(guān)于城鎮(zhèn)化的變化最為明顯，與下游的人口密度分布和增率最大相對應(yīng)。

基于2000、2005、2010、2015、2020年的下墊面數(shù)據(jù)，把下墊面城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)分為消失，新增，不變城鎮(zhèn)三種細(xì)類型，消失城鎮(zhèn)定義為2000年下墊面是城鎮(zhèn)，2005年下墊面不是城鎮(zhèn)的格點(diǎn);新增城鎮(zhèn)定義為2000年下墊面不是城鎮(zhèn)，2005年或2010年下墊面是城鎮(zhèn)的格點(diǎn);不變城鎮(zhèn)定義為2000年至2020年下墊面城鎮(zhèn)均是城鎮(zhèn)的格點(diǎn)（其他情況的格點(diǎn)數(shù)目較少，不列入討論）。再劃分為三種格點(diǎn)細(xì)類型之后，統(tǒng)計(jì)三種城鎮(zhèn)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在地下水?dāng)?shù)據(jù)格點(diǎn)周圍的數(shù)量，并計(jì)算它們分別占三種城鎮(zhèn)細(xì)格點(diǎn)的百分比（圖5），進(jìn)一步根據(jù)地下水?dāng)?shù)據(jù)周圍最高占比的城鎮(zhèn)格點(diǎn)類型定義為該點(diǎn)地下水的城鎮(zhèn)類型（圖6）。根據(jù)圖5我們發(fā)現(xiàn)三種城鎮(zhèn)格點(diǎn)集中的范圍不一致，消失城鎮(zhèn)集中在上游和中游上半?yún)^(qū)域，新增城鎮(zhèn)分布比較均勻，不變城鎮(zhèn)集中在中下游區(qū)域，這與人口密度從源區(qū)向下游逐漸增加結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步對比黃河流域城鎮(zhèn)格點(diǎn)數(shù)量變化的差異，計(jì)算了源區(qū)、上游、中游和下游地區(qū)新增城鎮(zhèn)、不變城鎮(zhèn)和消失城鎮(zhèn)的數(shù)量對比（圖6），發(fā)現(xiàn)中游的數(shù)量大于上游大于源區(qū)和下游;源區(qū)內(nèi)的新增城鎮(zhèn)的高數(shù)量一定程度上表示了2000—2020年間黃河源的人類活動(dòng)有了很大的提高。除了源區(qū)外，其余三個(gè)區(qū)域內(nèi)的不變城鎮(zhèn)的數(shù)量最多，且新增城鎮(zhèn)的數(shù)量要多于消失城鎮(zhèn)，說明黃河流域在2000—2020年整體上是在推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的。下游城鎮(zhèn)數(shù)量少是基于下游本身所占面積的，其城鎮(zhèn)化的程度本身還是很高的（圖4）。

3 ?黃河流域城鎮(zhèn)化過程地下水變化差異

為了了解黃河流域城鎮(zhèn)化對地下水的影響，計(jì)算了黃河流域基于2002—2017年的地下水趨勢（圖7）。圖中黃河流域除源區(qū)外，上游、中游和下游的地下水距平呈下降趨勢，且黃河流域下游的地下水距平下降最明顯。這一結(jié)果與人口密度和城鎮(zhèn)化的結(jié)果相匹配，人口密度大的區(qū)域城鎮(zhèn)化程度高，地下水下降快。

為更進(jìn)一步了解黃河流域城鎮(zhèn)化與地下水關(guān)系，根據(jù)圖5、圖6的劃分，將消失、新增、不變城鎮(zhèn)類型的地下水變化特征進(jìn)行對比（圖8），發(fā)現(xiàn)消失城鎮(zhèn)地下水距平比新增和不變城鎮(zhèn)大;隨著時(shí)間的推移，消失城鎮(zhèn)的地下水距平與新增城鎮(zhèn)和不變城鎮(zhèn)逐漸拉開差距，說明地下水距平在下降的同時(shí)，消失城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的地下水距平相較不變和消失的區(qū)域有了一定的恢復(fù)情況。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)消失城鎮(zhèn)和新增城鎮(zhèn)的差值小于消失和不變城鎮(zhèn)地下水距平的差值，表明新增城鎮(zhèn)的地下水距平高于不變城鎮(zhèn)地下水距平，說明非城鎮(zhèn)在轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)區(qū)域過程中，地下水距平在一段時(shí)間內(nèi)不會表現(xiàn)出類似不變城鎮(zhèn)地下水距平強(qiáng)烈的下降。

在了解黃河流域全域的消失城鎮(zhèn)和新增城鎮(zhèn)地下水變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了黃河流域消失城鎮(zhèn)和新增城鎮(zhèn)對應(yīng)的原下墊面（圖9）。該圖表明黃河流域內(nèi)城鎮(zhèn)化消失和新興城鎮(zhèn)化多發(fā)生在旱地下墊面，消失前下墊面旱地占比為57 14％，新增前下墊面旱地占比為59 09％。黃河流域消失城鎮(zhèn)、新增城鎮(zhèn)（原下墊面是旱地的格點(diǎn)）、不變城鎮(zhèn)和旱地的2004—2018年地下水極差表明在全域、源區(qū)、上游和中游的不變城鎮(zhèn)的地下水下降最大（圖10），分別為28 4 cm、8 9 cm、11 4 cm和30 7 cm，大部分通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域（全域，上游，中游）內(nèi)也是不變城鎮(zhèn)的地下水下降趨勢最大（表2），說明城鎮(zhèn)化導(dǎo)致了地下水的下降顯著。消失城鎮(zhèn)的地下水在黃河流域全域及各個(gè)分區(qū)內(nèi)下降幅度（圖10）均最小，這與前文圖8的結(jié)論相一致。同時(shí)注意到新增城鎮(zhèn)的地下水下降幅度（圖10）和下降趨勢（表2）與旱地差距不大，很大原因與城鎮(zhèn)化過程中，科學(xué)的地下水保護(hù)政策有密切關(guān)系，城鎮(zhèn)化后地下水沒有發(fā)生明顯的改變。

4 結(jié)論與討論

利用資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的黃河流域下墊面數(shù)據(jù)、 世界人口數(shù)據(jù)集的人口密度和Grace的CSR陸地總水儲量的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，探究黃河流域城鎮(zhèn)化過程中人口密度和地下水的變化。得到以下結(jié)論：

1）黃河流域人口密度逐年增長，增長趨勢和人口密度最大的區(qū)域主要分布在黃河流域下游。黃河流域地下水逐年減少，且下降趨勢最明顯的格點(diǎn)也大多分布在黃河流域下游。通過對比2000年和2020年的下墊面情況，黃河流域下游的城鎮(zhèn)化程度顯著。

2）將黃河流域城鎮(zhèn)化分為三種變化類型：新增城鎮(zhèn)、消失城鎮(zhèn)和不變城鎮(zhèn)。 根據(jù)對比三種城鎮(zhèn)化類型的地下水變化特征，發(fā)現(xiàn)不變城鎮(zhèn)的地下水下降幅度最大，消失城鎮(zhèn)地下水的下降幅度最小，說明城鎮(zhèn)化消失后會改善地下水的下降趨勢。消失城鎮(zhèn)和新增城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化前最多的下墊面是旱地，旱地轉(zhuǎn) 化為 新增城鎮(zhèn)后地下水無明顯的下降趨勢，一定程度上說明了近期城鎮(zhèn)化更加注重對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

受限于地下水的時(shí)間長度和精度的限制，不能捕捉更長時(shí)間信號內(nèi)的城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的地下水變化特征。此外，地下水變化同時(shí)受到多種因素影響，城鎮(zhèn)化只是人類活動(dòng)的一種表現(xiàn)方法，后續(xù)可能采用更加全面的人類活動(dòng)數(shù)據(jù)和自然氣候因子開展黃河流域的地下水的變化機(jī)制研究。

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Characteristics of urbanization in the Yellow River Basin

GUAN Xiaodan ?1，2 ，SHEN Xiaohan 1，LI Mengya 3，HUANG Jianping ?1，2 ，WEI Zhimin 1， MA Yanli 1

1College of Atmospheric Sciences/Key Laboratory of Semi-Arid Climate Change，Ministry of Education，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;

2Collaborative Innovation Center for Western Ecological Safety，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;

3School of geographic sciences/Key Laboratory of Spatial-temporal Big Data Analysis and Application of Natural Resources in Megacities，MNR，East China Normal University，Shanghai 200241，China

The Yellow River basin is an important ecological barrier in our country，as well as the main producing area for grain crops.In recent years，the distribution of local water resources has had a significant impact on the development of urbanization.As a result，it is critical to understand the impact of urbanization on the water cycle in the Yellow River basin.The characteristics of groundwater change in the Yellow River basin are analyzed using the Resource Environmental Science and Data Centers Yellow River basin underlying surface data，population density and Gravity Recovery and Climate Experiment （Grace） data from the world population data set，and grid data of total land water storage from the Center for Space Research （CSR）.The results show that there is a significant spatial difference in the degree of urbanization in the Yellow River basin，with urbanization intensifying in the lower reaches of the Yellow River and，in particular，the groundwater showing a downward trend.Comparing the difference of groundwater change among new urbanization，constant urbanization and disappearing urbanization in the Yellow River basin reveals that the decrease of groundwater is the smallest in the disappearing cities and towns;groundwater levels in new towns have fallen less than in areas that have always been urban.Therefore，as a typical arid and semi-arid region，the urbanization of the Yellow River basin plays a significant role in the reduction of groundwater，and the recent urbanization of groundwater protection has achieved good results.

Yellow River Basin;urbanization;population density;groundwater

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20221223002

（責(zé)任編輯：袁東敏）