河北省城鎮化與水資源系統的耦合協調及預測

馬海良,李珊珊,侯雅如

(1.河海大學低碳經濟研究所,江蘇 常州 213022; 2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心,江蘇 南京 211100; 3.河海大學企業管理學院,江蘇 常州 213022)

河北省城鎮化與水資源系統的耦合協調及預測

馬海良1,2,李珊珊3,侯雅如3

(1.河海大學低碳經濟研究所,江蘇 常州 213022; 2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心,江蘇 南京 211100; 3.河海大學企業管理學院,江蘇 常州 213022)

河北省水資源本底條件差且在城鎮化進程中污染嚴重,導致城鎮化發展與水資源系統相互脅迫、相互制約。在合理構建指標評價體系的基礎上,利用層次分析法賦予權重,并結合耦合協調度模型對兩系統的耦合協調態勢進行實證分析。結果表明: 2005—2014年河北省城鎮化水平單調遞增、發展迅速,而水資源系統發展相對緩慢，且在2012年出現明顯轉折,兩系統耦合協調度先升后降。據此采用指數平滑法對2015—2017年的耦合協調度進行預測,得出耦合協調度繼續降低的預測結論,并提出合理建議。

城鎮化系統;水資源系統;耦合模型;河北省

目前我國正處于經濟高速發展,城鎮化快速擴張的歷史階段。在這一階段中,城鎮化不僅包括城鎮人口增加,還包括城鎮經濟發展、城區面積規模擴大、社會文化水平不斷提高等經濟、空間、社會方面的變化。在城鎮化不斷推進的過程中,水資源由于其獨特的戰略基礎性和不可替代性在城鎮化發展中占據著舉足輕重的地位。城鎮化發展與水資源系統存在雙向作用。在城鎮化的起始階段，不同的水資源水平對其發展具有支撐[1]或限制[2]作用,之后快速的城鎮化發展會使水資源環境遭到污染和破壞[3-4],而當城鎮化發展進入成熟階段后,水資源管理水平[5]及利用效率[6]會相應的提高,使城鎮化與水資源系統相互促進,協調發展。

河北省位于氣候脆弱帶,由于受到氣候因素和人為因素的影響,該省已成為全國水資源最貧乏的省份之一。在全球變暖的大背景下,河北省的氣候也隨之發生改變，省內干旱化趨勢愈發明顯,降雨量在時空分布上嚴重不均。并且隨著城鎮化的推進和經濟社會的發展,省內地表水資源被嚴重污染,加上對地下水的過度超采,當地的水資源環境遭到嚴重破壞,眾多的地下水漏斗形成并擴大。因此對該地區進行研究具有重要的現實意義。筆者通過合理構建城鎮化與水資源的系統指標體系,利用耦合協調度模型對河北省內城鎮化與水資源系統的發展態勢及協調程度進行分析,并據此對耦合協調度進行合理預測,以期改善河北省內的水資源環境,促進當地可持續發展。

1 研究區概況

河北省環繞首都北京,地處東經113°27′～119°50′,北緯36°05′～42°40′之間,橫跨華北、東北兩大地區,總面積18.85萬km2,屬溫帶大陸性季風氣候。省內河流發源于太行山和燕山山脈,均注入渤海,主要分為海河和東北部的灤河兩大水系。多年平均降水量為531.7 mm,但空間分布不均,降水量東南多西北少。該省人口眾多,水資源相對匱乏,2014年河北省人均水資源占有量為144.27 m3/人,約為全國人均水資源占有量的1/14。隨著城鎮化的不斷推進,城鎮用水總量快速上升,水資源污染日益加重。地表污水、臭水河流增多,地下水污染物含量上升,部分城鎮的淺層地下水已不能作為飲用水源。水資源問題使當地生態環境水平和人們生活居住質量不斷下降。因此，分析研究河北省城鎮化與水資源系統的協調耦合程度,有助于了解該省城鎮化與水資源發展現狀,對合理控制河北省內城鎮化進程,改善水資源環境,促進兩系統協調發展具有指導意義。

2 數據處理與模型構建

2.1 指標體系的構建

城鎮化系統與水資源系統構成復雜且具有可變性,另外,每個省份由于城鎮化發展階段以及水資源狀況不同,其評價指標相差較大,因此不存在普遍適用我國各省份的城鎮化和水資源系統的指標體系。為了多角度、深層次地分析河北省兩系統的耦合協調發展,在參考張勝武等[7]、喬標等[8]研究的基礎上,結合河北省現狀,將河北省的城鎮化系統從人口、經濟、社會、空間4個方面來進行評價,水資源系統從水資源本底條件、水資源利用、水資源污染及治理3個方面進行分析。需說明的是,考慮地區發展不平衡的實際情況以及數據的可得性等情況,在選擇三級指標時,選擇人均指標和總量指標相結合,最終構建的指標體系如表1所示。

表1 河北省城鎮化與水資源系統綜合指標評價體系

注：括號中的數據為相應權重。

2.2 數據處理及權重分配

2.2.1 數據標準化處理

在指標評價體系中不同指標數據的數量級和量綱存在差異,為了消除影響,特采用如下方法對所獲得的數據進行標準化處理。

(1)

式中:xij為第i年第j個指標的初始觀測值;Mij為經過標準化后對應的數據。由式(1)可知，經過處理后的數據值分布在[0 ～1] 區間內。

2.2.2 指標權重與綜合評分的確定

在選取的指標中,不同指標對整個系統影響的重要程度存在差異,所以選用合適的方法對指標進行權重分配至關重要。層次分析法作為一種定性與定量相結合的方法,關注體系層次本身,通過依次對體系中指標的相互比較,最后以量化的形式確定指標間的權重，具有全面、清晰、可靠的優點,在衡量指標相對重要性方面具有良好的適用性。鑒于城鎮化和水資源系統中各個指標相互作用,多級指標不可分割,筆者采用層次分析法來對指標進行賦權(表1)。

城鎮化與水資源系統的綜合評分值由線性加權法得到,運算過程如下:

(2)

(3)

2.3 耦合度與耦合協調度模型

耦合概念是從物理學發展過來的,是指2個(或2個以上) 系統或運動形式相互作用、相互影響的過程,其程度大小可以用耦合度來表示。近年來許多學者[9-11]通過構建耦合模型來分析經濟和資源系統的協調發展水平。但由于城鎮化與資源環境建設具有交錯、動態和不平衡的特性,僅僅通過耦合度進行判別并不全面,所以有學者構建了耦合協調度函數來對多系統交互耦合的協調程度進行分析。孫耀彬等[9]所構建的耦合度與耦合協調度模型對之前的耦合模型進行了完善修改,具有較高的可信度與實用性,被其他學者廣泛借鑒運用。因此，筆者選用此方法來對河北省城鎮化與水資源系統的耦合協調進行分析評價,構建模型如下:

耦合度函數:

(4)

耦合協調程度:

(5)

T=af(U)+bf(W)

(6)

式中:T為城鎮化與水資源系統綜合調和指數,代表城鎮化與水資源系統的整體協同效應;a,b為待定系數，且a+b=1。由于在城鎮化與水資源協調耦合研究的過程中,兩系統所處地位相同,所以確定a=b=0.5。

借鑒之前學者的成果并進行完善修改,可以將耦合度C分為以下6個水平:當C=0時,耦合度極小,此時城鎮化與水資源系統相互作用程度微乎其微,兩系統無序發展;當0

通過D的數值并結合城鎮化與水資源系統綜合評分值的大小,筆者將城鎮化與水資源系統的耦合協調類型大致劃分為4大類12小類,如表2所示。

表2 城鎮化與水資源耦合協調度劃分階段

3 河北省實例分析

3.1 河北省城鎮化與水資源系統綜合評價與耦合分析

利用從中國統計局官網和《中國統計年鑒》中所獲得的數據,采用上述的指標體系和賦權方法可以求出河北省2005—2014年城鎮化與水資源系統的綜合評價值。結合筆者提出的耦合模型,求得城鎮化與水資源系統的耦合度與耦合協調度，如表3所示。為了更加直觀地觀察十年間河北省城鎮化和水資源系統綜合評價值的動態發展和兩系統耦合度、耦合協調度的變化,繪制圖1與圖2進行分析。

圖1 2005—2014年河北省城鎮化與水資源系統綜合指標值變化

圖2 2005—2014年河北省城鎮化與水資源系統耦合度與耦合協調度變化

通過對圖1進行觀察可以發現: 在2005—2014十年間,河北省的城鎮化相對評分值增長很快,城鎮化水平快速提升。由2005年評分不足0.01發展到2014年評分0.996，充分說明了這十年間河北省的城鎮化發展突飛猛進,在人口、經濟、社會、空間方面都取得了相當大的成就。如河北省2014年的醫療衛生機構為78 895家,是 2005年(18 046家)的4倍多。這與河北省近些年經濟快速發展,合理構建城市密不可分。與成果顯著的城鎮化系統相比,水資源系統的發展差強人意。水資源系統發展相對緩慢，且在2012年發生明顯轉折。2012年前水資源系統緩慢提升，在2012年達到最高峰值0.777,之后開始下降，到2014年水資源系統評分降為0.504。該轉折主要是受到人均水資源量這一指標的影響,2012年河北省降水量為17年來最多,省內水資源總量達到235.53億m3,人均水資源量為324.24 m3/人,比2011年上漲了近48.9%。另外,2012年的城市供水量與城市污水日處理能力也相應較大,2012年城市供水量為17.24億t,城市污水日處理能力為522.8萬m3,僅次于2011年和2014年。總體來說,通過圖、表可以發現河北省城鎮化與水資源系統發展并不同步,城鎮化系統發展迅速而水資源系統發展相對緩慢,同時水資源系統整體水平較低,存在較大的提升空間。為了明確了解兩系統的耦合協調關系,計算出耦合度與耦合協調度來進行定量分析。

表3 2005—2014年河北省城鎮化與水資源系統綜合指標值

結合圖1對圖2進行分析可知:總體來看2005—2014年河北省城鎮化與水資源系統耦合協調度緩慢上升,而耦合度基本處于平穩態勢,只有2005—2006年間耦合度發生較大變化,由0.149突增為0.443。這是由于河北省城鎮化水平處于單調遞增發展,2005年由于城鎮化指標大部分水平處于最小值，導致標準化過程中城鎮化綜合評分與其他年份產生較大差異,進一步導致在計算耦合度的過程中初始年份與之后年份產生差距。2005年兩系統處于低水平耦合階段,兩系統輕度失調。此時城鎮化發展滯后,對水資源系統的影響較小,城鎮化發展中產生的不良影響可以被水資源系統承載吸收,短期內可以被接受。

2006—2014年城鎮化與水資源系統的耦合度都處于0.3～0.5的范圍內,且逼近臨界值0.5,這說明河北省城鎮化與水資源系統處于拮抗時期,將要進入磨合階段。這9年又可根據耦合協調度劃分為3個階段: 2006—2007年,在這一時期城鎮化與水資源系統處于輕度失調階段，此時水資源系統發展較快,城鎮化發展勉強保持在水資源環境承載力閾值內,短期內無不良后果;在2008年兩系統進入初級協調階段,此時水資源系統發展依然高于城鎮化發展,兩系統發展協調,可以被接受;2009—2014年,此時兩系統進入中級協調耦合階段且城鎮化的發展速度加快,城鎮化水平高于水資源系統,兩者發展基本協調,短期內可以被接受。同時可以發現2013年和2014年兩系統耦合協調度降低,這與這兩年河北省內水資源總量降低,城市供水減少但廢水排放量增大具有密切聯系。

3.2 河北省城鎮化與水資源系統耦合預測

從河北省城鎮化與水資源系統耦合協調現狀來看,耦合協調程度處于中等水平,協調狀況并不理想。但由圖2可看出,2005—2014年兩系統耦合協調度具有較為明顯的發展趨勢,Robert等[12]認為時間序列的態勢具有穩定性,最近的過去態勢在某種程度上會持續到未來,所以為了更加準確地預測2015—2017年內河北省城鎮化與水資源系統的協調發展程度,筆者選取指數平滑法對兩系統的耦合協調度進行了預測，預測結果：2015年為0.56，2016年為0.53，2017年為0.49，R2=0.97，見圖3。

圖3 2005—2017年河北省城鎮化與水資源系統耦合協調度

圖3中,紅線代表觀測值,藍線代表預測值。由預測結果可知:在2015—2017年中,河北省城鎮化與水資源系統的耦合協調度逐年降低,兩系統耦合處于拮抗時期,發展協調程度下降。耦合協調度由中級協調耦合階段降低為初級協調耦合階段,城鎮化發展對水資源系統的不良影響將會進一步顯現出來,兩系統矛盾升級,河北省內城鎮化與水資源環境發展不容樂觀。

1.5 統計學方法 采用SPSS 20.0進行數據分析,計量資料以 s表示，采用配對t檢驗和方差分析。所有統計分析均為雙側，P<0.05為有顯著的統計學意義。

4 結論和建議

在合理構建指標評價體系的基礎上,利用層次分析法賦予權重,并結合耦合協調度模型對兩系統的耦合協調態勢進行實證分析。結果表明: 2005—2014年河北省城鎮化水平單調遞增、發展迅速,而水資源系統發展相對緩慢，且在2012年出現明顯轉折,兩系統耦合協調度先升后降。預測結果表明,河北省城鎮化與水資源系統的耦合協調度將逐年降低,兩系統耦合處于拮抗時期,發展協調程度下降,城鎮化發展對水資源系統的不良影響將會進一步顯現出來。

為了促進河北省水生態文明城鎮的建設,保證水資源的可持續利用,根據以上研究結論,筆者提出以下建議。

a. 調整比重,優化當地產業結構。河北省產業體系主要建立在資源型工業的基礎上,產業結構單一,集中度不高。城鎮化過程中不合理的產業結構不但降低了水資源利用的效率，而且對水資源環境造成了嚴重的污染。通過調整不同產業比重,優化產業結構,可以明顯減少省內水資源系統的壓力,促進水資源系統健康持續發展。

b. 完善制度,保護現有水資源。河北省在城鎮化發展過程中水資源污染浪費嚴重,必須建立健全法律法規,做到水資源管理有法可依,并且完善管理體制和監管體系,加大執法力度,確保節水制度建設落在實處。同時加強對人們的思想教育,使人們意識到節水護水的重要性,自覺保護水資源,以期改變省內“有河皆干,有水皆污”的現狀。

c. 采取各種有效措施實行全面治水。河北省內水資源稟賦相對貧乏,省內水源彌足珍貴。現今省內劣Ⅴ類水體高達30%以上,這不僅降低了人們的生活水平，還威脅著人們的身心健康。通過全面啟動河渠清淤及污染整治,改善惡化的水質,保障飲用水源安全,改善水資源生態環境應成為河北省水資源治理的重中之重。

[ 1 ] GOBER P. Desert urbanization and the challenges of water sustainability[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability,2010,2(3):144-150.

[ 3 ] BISWAS A K.Water management for major urban centers[J].International Journal of Water Resources Development,2006,2(22):183-197.

[ 4 ] BISWAS A K. The global water crisis-water for a thirsty urban world [J]. Brown Journal of World Affairs,2010,17(1):147-166.

[ 5 ] JEFFREY K O，KONSTANTINE P G. Quantifying the urban water supply impacts of climate change [J]. Water Re-sources Management,2008,22(10):1477-1497.

[ 6 ] 馬海良,徐佳,王普查.中國城鎮化進程中的水資源利用研究[J].資源科學,2014,36(2):34-41.

[ 7 ] 張勝武,石培基,王祖靜.干旱區內陸河流域城鎮化與水資源環境系統耦合分析:以石羊河流域為例[J].經濟地理,2012,32(8):142-148.

[ 8 ] 喬標,方創琳.城市化與生態環境協調發展的動態耦合模型及其在干旱區的應用[J].生態學報,2005,25(11):3003-3009.

[ 9 ] 劉耀彬,宋學鋒.城市化與生態系統的耦合度及預測模型研究[J].中國礦業大學學報,2005,34(1):91-96.

[10] 方創琳,孫心亮.河西走廊水資源變化與城市化過程的耦合效應分析[J].資源科學,2005,27(2):2-9.

[11] 馬海良,施陳玲,王若梅.江蘇省水資源環境和城鎮化發展的協調性[J].水利經濟,2015,33(3):1-5.

[12] ROBERT H S,DAVID S S.Time series analysis and its applications[M].New York:Springer,2006.

國家自然科學基金(41301620,41501126)；中央高校基本科研業務費基金(2016B09714)

馬海良(1979—),男,副教授,博士,主要從事水資源經濟與環境規制研究。E-mail:hilima@vip.sina.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.03.008

F407.9

A

1003-9511(2017)03-0037-05

2016-12-13 編輯：方宇彤)