九龍江流域城市化進程與水資源耦合關系的定量辨識

王吉蘋，薛雄志

（1.廈門理工學院環境科學與工程學院，福建 廈門361024；2.廈門大學環境與生態學院，福建 廈門361102）

水資源作為不可替代的自然資源，是推動流域城市化發展的重要因素.然而隨著城市化進程不斷加快，導致了流域水量缺水和水質缺水等水資源危機［1－7］.水危機反過來又成為制約城市社會經濟發展的一大瓶頸［8－9］.根據諾瑟姆理論［10］，城市化發展遵循S型曲線上升規律，水資源開發利用也遵循邏輯增長趨勢，二者之間存在著較強的必然聯系.因此，正確識別城市化與水資源利用之間的特定關系，是研究特定時期和特定地域人水關系系統的前提條件.

我國大部分地區，尤其是缺水地區，城市發展與水資源利用之間的約束關系反映在一定時空范圍內是動態的、變化的過程，在一定的作用方式下是一個耦合過程.耦合作用即為城市化發展與水資源相互影響、相互制約，包括城市化發展對水資源利用的優化與脅迫作用，以及水資源對城市化的支持與制約作用.在較長時間尺度上，可將城市發展與水資源耦合作用過程分為4個階段，即低水平協調階段、拮抗階段、磨合階段和高水平協調階段［11］.在我國大部分缺水城市地區，城市發展與水資源環境的耦合多處在拮抗和磨合階段或兩者的中間階段.鑒于此，我國學者在20世紀80年代中后期提出了水資源承載力的概念［12－14］.其他國家學者對這個問題也采用了類似的概念［15－18］.水資源承載力研究的主要是水資源利用的最大容量問題，難以涵蓋特定時期水資源與社會經濟發展的相互作用與協調程度.在我國很多地區，尤其是在嚴重缺水地區，當人口經濟和城市化規模接近或者超過水資源的承載能力，或是水資源的利用量接近或超過了天然水資源的閾值，水資源將會給社會經濟造成很大的壓力.這個壓力，稱之為水資源約束力［19－20］.水資源約束力的識別是研究人水關系的關鍵問題.

九龍江是福建省僅次于閩江的第二大河流，流域總面積1.47×104km2，河長285km，干支流流經龍巖的新羅區、漳平市，漳州的華安縣、長泰縣、平和縣、南靖縣、龍海市以及漳州市轄區，在廈門入海.九龍江不僅是龍巖、漳州、廈門三市的主要飲用水源，也是重要的工農業生產水源.如何合理開發利用九龍江的水資源，協調人水關系，是九龍江流域不斷上升的城市化過程中所亟需解決的首要問題.本文鑒于此，選取九龍江的上游地區龍巖市，中下游地區漳州市以及其入海口廈門市作為研究對象，比較分析流域三市的城市化水平與水資源利用之間存在的定量關系，探討不同城市化水平及水資源豐度情況下水資源與城市發展的交互耦合作用，以期找出相應的水資源開發利用的合理對策.

1 研究方法

1.1 測量水資源約束力指標的方法

關于城市化與水資源利用的關系，國內外學者進行了大量的研究.一般認為，城市化水平與水資源利用總量（簡稱用水總量）之間的關系符合對數曲線關系［19，21－22］，表示為：

其中，Y 為城市化水平（%）；X 為用水總量（m3）；a、b為相關系數，b＞0.

利用這一模型，可以計算一定的城市化水平對應的用水總量.從對數曲線模型可以發現，每增加1個百分點的城市化水平需要更多的水量供給，而區域水資源總量和人類開發水資源的技術水平是有限的，水資源的利用率會受到限制，因此用水總量的增加也會受到限制.如圖1所示，如果城市化水平從Y1升到Y2，通常情況下用水總量會從X1增加到X2，而當用水總量已接近或者超過天然水資源的閾值時，用水總量在一定時期只能上升到X′2，相應的，城市化水平也只能達到Y′2，顯然，缺水阻礙了城市化進程.因此，在缺水地區，要加快城市化進程必須調整水資源利用和城市化的格局.一旦用水總量實現零增長或負增長，式（1）的擬合度R2將變得非常小，城市化水平和用水總量的對數關系模型無法通過顯著性檢驗.即R2它代表著回歸曲線的擬合度是否良好，或者說代表著在回歸方程中多少度X可以擬合Y的大小；而1－R2則表示了實際值和擬合曲線的偏離程度，或者說明了Y的變化不能通過X以對數曲線回歸的關系來表示.因此，1－R2可以作為全面反映水資源約束力的指標.定義W＝1－R2，W 表示水資源約束強度，R2越小，水資源約束強度W 越大，從而水資源約束力越大.

R2表示式（1）的擬合度，取值在0到1的區間之內.當R2接近于1，W 接近于0，水資源約束力很小；當R2接近于0，W 接近于1，水資源約束力很大.R表示X、Y2個變量之間的相關程度，一般認為，R∈［0，0.4）為弱相關，R∈［0.4，0.6）為較強相關，R∈［0.6，0.8）為強相關，R∈［0.8，1）為極強相關.相應的當W∈［0，0.36），屬于弱約束型，這表示水資源系統對城市化進程的阻力小；當W ∈［0.36，0.64），屬于較強約束型，這表示水資源系統對城市化進程產生了一些阻礙；當W ∈［0.64，0.84），屬于強約束型，這表示水資源系統對城市化進程有較強的阻力；當W∈［0.84，1），屬于極強的約束類型，這表示水資源系統對城市化進程有非常大的阻力.

圖1 城市化水平和用水總量的關系Fig.1 The constraint relationship between urbanization level and total water utilization

1.2 數據收集和處理情況

九龍江流域邊界與其行政單元不一致，流域上游龍巖段僅包括市轄區和漳平，漳州市有部分縣市不在九龍江流域內.本文所采用數據來自福建省統計年鑒、中國城市年鑒和福建省水資源公報（反映地區行政單元，以市為單位），因此為方便分析，本文所指九龍江流域包括上游地區龍巖市，中下游地區漳州市以及其入海口廈門市.

2 結果與分析

2.1 城市化水平及水資源量發展變化情況

2.1.1 人口城市化

以非農人口占總人口的比例計，2003年，廈門、龍巖和漳州的城市化水平分別為59.1%，29.9%和27.7%，龍巖、漳州的城市化水平與廈門相比相差約30個百分點.2011年，廈門、龍巖和漳州的城市化水平分別為88.5%，47.5%和47.9%，龍巖、漳州與廈門相比，城市化水平相差約40個百分點.這說明廈門城市化進程較快，且城市化水平遠高于流域其他兩市.漳州與龍巖城市化水平與增速相差不多，漳州較龍巖略快，且城市化率也略高（圖2）.

2.1.2 經濟城市化

流域三市10年來的經濟一直保持著較高的增長率，按貼現值計算，2002—2011年廈門GDP平均增長率接近20%，龍巖和漳州的平均增長率分別為14.5%和6.9%.從人均GDP來看，龍巖的增速最快，平均增長率為14.1%，其次為漳州，平均增長率為6.3%，廈門增速最慢，僅1.4%（表1）.這說明龍巖的經濟水平較低，在起點低的情況下，人均經濟增長較容易，而廈門的經濟已經到了一定的發達程度，且外來常住人口日益增多，拉動內需，帶動人均增長效益已到了拐點，也從另一個側面說明了廈門的城市化水平已達到了高級階段.

圖2 九龍江流域三市2002—2011年城市化水平變化曲線圖Fig.2 The change of urbanization level of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

從產業結構來看（表2），龍巖和漳州都是農業大市，廈門第三產業發達.從2002到2011年，龍巖和漳州市加重了第二產業的投資比例，注重發展工業，廈門依然在第三產業上占優勢.

表1 九龍江流域三市GDP增長情況Tab.1 The GDP growth of the three cities in Jiulong River Watershed

表2 九龍江流域三市產業結構變化情況Tab.2 The change of industrial structure of the three cities in Jiulong River Watershed

根據諾瑟姆的城市化發展曲線，在不同的城市化階段，城市化具有不同的經濟內涵和特征.按S型曲線可將城市化分為前期（起始階段）、中期（加速階段）與后期（完成階段）3個階段，分別以城市化率30% 和70% 作為拐點.

第一階段，即城市化前期，城市化水平較低、發展速度較慢；第二階段，人口向城市迅速集聚的中期階段，其發展態勢反映為S型曲線的中間段，曲線斜率較大；第三階段，進入高度城市化以后城市人口比重的增長又趨于緩慢甚至停滯的后期階段，其發展態勢反映為S型曲線的右上段，曲線斜率較小.

根據三市不同階段的發展趨勢，可以判斷龍巖和漳州目前處于城市化的中期階段，而廈門已經處于城市化的后期階段.集中表現為：漳州和龍巖正處在社會經濟快速發展和人口大規模增長階段，城市大規模擴張以及城市工業與主導產業正在加速增長；廈門工業與第三產業較發達，城市人口趨于增長性穩定階段.

2.1.3 水資源量及開發利用情況

2011年龍巖全市水資源總量為130.66億m3，水資源實際利用量為22.24億m3，人均擁有水資源量約為4 454m3，水資源開發利用率為17.0%.2011年漳州全市水資源總量為81.08億m3，水資源實際利用量為21.12億 m3，人均擁有水資源量約為1 719m3，水資源開發利用率為26.0%，按國際通用標準，屬于輕度缺水地區（人均水資源量1 700～3 000m3）.2011年廈門全市水資源總量為9.64億m3，水資源實際利用量為7.08億m3，人均擁有水資源量為267m3，水資源開發利用率為73.4%，按國際通用標準，屬于絕對貧水區（人均水資源量＜500m3）.

2.1.4 用水總量變化情況

而從用水總量變化情況來看（圖3），流域三市用水總量均呈增長趨勢，但漳州增速低于廈門和龍巖.根據以上數據可推測龍巖、廈門兩市的城市化水平在2002—2011年間增長趨勢受水資源制約的影響較小，漳州的水資源的可利用潛力因為城市化水平的增速略顯吃力，說明可能存在水資源約束力.

2.2 城市化水平與用水效益比較分析

用水效益可以用單方用水的產值或萬元產值的用水來反映.單方用水的產值越高，用水效益就越高.

對龍巖、漳州、廈門三市的歷年用水效益（單方水GDP）進行分析，繪制出圖4.從圖中可以看出，隨著社會和經濟的發展以及科技水平的進步，各市用水效益都不斷的提高，其中，廈門的用水效益不僅增長速率最快，是其他兩市的4倍左右，而且其用水效益也遠大于其他兩市，2011年，廈門的用水效益是漳州的4.25倍，龍巖的6.25倍.分析其原因為廈門屬于重度缺水型城市，在缺水情況下，廈門大力發展節水型產業，不斷提高水資源的利用效率與重復利用率.龍巖和漳州兩市的農業占了較大比例，使得用水效益偏低.

圖3 九龍江流域三市2002—2011年用水總量變化曲線圖Fig.3 The change of total water utilization of e three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

圖4 九龍江流域三市2002—2011年用水效益變化曲線圖Fig.4 The change of water efficiency of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

為進一步揭示城市化水平與用水效益的相關性，利用九龍江流域三市2002—2011年的城市化水平和用水效益數據，做出二者耦合關系變化的散點圖（圖5）.回歸分析表明九龍江流域三市城市化水平與用水效益呈線性增長關系，擬合系數R2都在0.5以上（表3）.由此可以說明，城市化水平和用水效益有較大的相關性.

因此，可得出以下結論：1）城市化水平與用水效益呈線性增長關系；2）城市化水平的高低排序為：廈門＞漳州＞龍巖，用水效益大小的排序為：廈門＞漳州＞龍巖.基本上呈現城市化水平越高的城市，其用水效益越高.因此可以得出，城市因其較發達的工業帶來較高的GDP增長，比農村擁有更高的用水效益.3）重度缺水的廈門迫于水資源緊張的壓力，不得不調整經濟產業政策，提高用水效益，避免水資源約束力的出現，制約城市化進程的發展.

圖5 九龍江流域城市化水平與用水效益的相關關系Fig.5 The relationship between urbanization and water use efficiency in Jiulong River Watershed

表3 城市化水平（Y）與用水效益（x1）的線性關系模型Tab.3 The linear relational model between urbanization（Y）and water use efficiency（x1）

2.3 城市化水平與人均用水水平比較分析

人均用水水平可以用人均綜合用水量、人均生活用水量、人均農業用水量、人均工業用水量等一系列指標來反映.其中，人均綜合用水量是一個全面反映區域用水水平的綜合性指標.通常情況下，在一定的時間和空間范圍內，人均綜合用水量會受到地理環境、區域產業結構和用水習慣等不同因素的影響，形成一個相對穩定的數值.但是由于社會的發展，人們對生活質量的要求不斷提高，也許會致使人均綜合用水量上升.反之，隨著科技的不斷進步，節水技術的不斷研發和使用也可能會降低人均綜合用水量.因此，隨著社會的發展，不同區域類型的用水水平也會發生不同程度的改變.

圖6 九龍江流域三市2002—2011年人均綜合用水量變化曲線圖Fig.6 The change of water consumption per capita of the three cities in Jiulong River Watershed from 2002to 2011

根據2002—2011年的用水總量以及人口數據，算出九龍江流域三市歷年人均綜合用水量（圖6）.從中可以看出，各市歷年人均綜合用水量變化比較平緩，龍巖的人均綜合用水量最多，其次為漳州，廈門最少.具體表現為隨著城市化水平的提高，龍巖的人均綜合用水量呈現先上升后下降的趨勢，漳州也呈現微弱的該趨勢.先上升主要是為滿足人民生活水平不斷提高的需求，而后下降主要是由于水資源的過度開發利用引發了一系列生態環境和社會經濟問題或是當地政府及居民對環境意識的覺醒，使人們轉變生產和生活用水方式，降低用水標準.廈門則是隨城市化水平的提高，人均綜合用水量逐漸下降，說明城市化水平高的城市，節水技術發展快，人們節水意識強.從另一個側面也可看出，廈門不僅在產業政策上，在公眾宣傳方面，都走在節水城市的前列，人均綜合用水量相較龍巖低了600m3，進一步避免了或在某種程度上延遲了水資源約束力的出現，城市化的進程因此沒有受到制約.

根據三市歷年城市化水平與人均綜合用水量，繪制出二者相關關系的散點圖（圖7）.回歸分析表明（表4），人均綜合用水量與城市化水平之間表現出一定的相關性.其中，龍巖的呈正相關，其他市呈負相關，進一步說明了九龍江流域三市的不同城市化水平下的水資源利用狀況.龍巖因其占主導地位的農業以及蓄禽養殖業的發達，仍然沿襲較為粗放和低效的水資源利用模式，而漳州雖然也是農業大市，相比于龍巖，在城市化發展的同時，用水模式進行了一定的調整改善，從而減少了人均用水量.

2.4 城市化與水資源的耦合作用及約束力存在的定量識別

2.4.1 城市化水平和用水總量的對數關系模型

基于2002—2011年的城市化水平和用水總量的統計數據，計算了九龍江流域三市的城市化水平（Y）和用水總量（X）的對數關系模型.結果如圖8和表5所示.

由表5可以看出，龍巖基本符合城市化水平與用水總量的對數關系模型，漳州呈現偏離狀態，廈門微弱偏離，這表明漳州和廈門在城市化進程中存在水資源約束力.

圖7 九龍江流域城市化水平與人均綜合用水量的相關關系Fig.7 The relationship between urbanization and water consumption per capita in Jiulong River Watershed

表4 城市化水平（Y）與人均綜合用水量（x2）的線性關系模型Tab.4 The linear relational model between urbanization（Y）and water consumption per capita（x2）

圖8 九龍江流域城市化水平與用水總量的相關關系Fig.8 The relationship between urbanization and the total water utilization in Jiulong River Watershed

表5 城市化水平（Y）和用水總量（X）的對數關系模型Tab.5 The logarithmic relation model between the urbanization（Y）and the total water utilization（X）

這3個城市的城市化水平和用水總量的對數關系擬合度的順序如下：龍巖（0.791）＞廈門（0.554）＞漳州（0.384）.

2.4.2 城市化過程中九龍江流域的水資源約束強度

水資源約束力的大小，可由水資源約束強度W＝1－R2來衡量.根據表5計算得，漳州、廈門和龍巖的水資源約束強度分別為0.616，0.446和0.209.即漳州＞廈門＞龍巖.

漳州和廈門都屬于較強的約束類型，漳州的水資源約束強度在三者中最大.漳州屬于輕度缺水城市，然而其用水效益偏低，人均綜合用水量偏高，使得漳州在城市化發展過程中受到了水資源一定的阻礙與約束作用；廈門屬于重度缺水城市但其用水大部分依賴于客水，無論是對水資源的利用率還是在用水效益水平方面都很高，且人均綜合用水量得到了有效控制，使得該市在稀有的水資源下，水資源約束力還相對比較小（0.446）；龍巖不缺水，雖然暫時基本上不存在水資源對城市化進程的約束作用，但明顯存在過于粗放的傳統用水方式，較低水平的用水效益和過高的人均用水水平，長期發展下去不加以控制，也會面臨水資源約束力增大及缺水的嚴峻問題.

由此，也可以判斷，龍巖因其城市的水資源較為豐富，城市化進程的迅速發展還未導致城市水資源供需矛盾突出，二者處于相對平和的磨合期.漳州城市化發展與水資源環境耦合作用過程處在拮抗階段，廈門則處在磨合與高水平協調階段之間.

3 結 論

水資源約束力的研究及水資源與城市化耦合作用階段的識別有助于拓展宏觀增長經濟學研究，為實現水－生態－社會經濟系統的協調和持續發展提供決策依據.九龍江流域三市中廈門城市化進程較快，且城市化水平遠高于其他兩市，已經處于城市化的后期階段，龍巖和漳州目前處于城市化的中期階段.漳州和廈門在城市化進程中存在水資源約束力.漳州城市化發展與水資源利用耦合作用過程處在拮抗階段，廈門則處在磨合與高水平協調階段之間，龍巖因其水資源豐富，城市化水平與水資源系統處于相對平和的磨合期.

九龍江流域三市的水資源約束力和城市化與水資源系統的耦合階段存在差異，不僅與城市自身素質、產業結構、社會發展等內部因素有關，還與城市之間的區域差異、區域聯系等外部因素有關.因此，對于九龍江流域三市，特別是龍巖和漳州市，建立集約的水資源利用體系，構建節水型產業結構體系，控制人均綜合用水量，提高用水效益，杜絕浪費水資源的現象，使城市用水總量降低，避免水資源約束強度的增大，是九龍江流域各地區實施城鎮化戰略，加速區域經濟快速增長所面臨的共同任務.對于廈門市，還要尋找異地水源，如跨流域和區域調水、引水，開挖水庫蓄水，開發新水源如海水淡化、中水回用等緩解水資源需求的壓力，避免出現嚴重的水資源約束現象.在解決區域水資源與城市化關系問題時，除有效提高城市水資源環境適應及調控能力之外，還要協調好區域之間的關系，構建區域利益共同體以達到雙贏的目的.

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