廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統關系研究

張 勇，郭純青

(桂林理工大學環境學院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展，具有高度內在聯系的經濟區得以出現，其中，廣西北部灣經濟區作為國家重點扶持的戰略區域所獲得發展舉世矚目。2010年《廣西北部灣經濟區條例》頒布，確定北部灣經濟區由南寧、北海、防城港、欽州四市加玉林和崇左兩個交通物流市所組成，至2016年末，北部灣經濟區地區生產總值已占廣西的47.99%，已經成為廣西經濟的中流砥柱。但在可喜的經濟發展形勢和卓越的經濟發展成果下，隱藏著城市化系統與水資源系統相互脅迫的巨大壓力[1]。廣西北部灣經濟區正處于以第一產業(農業)為支柱的傳統社會轉型為以第二產業(工業)和第三產業(服務業)為支柱的現代社會的重要時期，水資源被賦予更多的社會屬性[2-4]，在社會經濟快速發展的同時，水資源供需矛盾日益尖銳。通過對廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統的發展狀況進行分析，以研究這兩者的相互關系與動態演變態勢，從而能較好地反映兩系統的相互脅迫作用，將對地區發展起一定的指導作用。

國內外學者對水資源與城市化兩者之間的關系給予高度的關注，主要研究方向集中在城市化發展對水資源的自然屬性與社會屬性的利用上。一部分學者認為，城市化水平的提高會加劇地區供水問題，水資源系統進而會限制城市化水平的發展[5-7]；另有一部分學者認為，無序的城市化才會帶來水資源的惡化[8-10]，合理的城市化發展雖然會使用供水量增加，但節水技術的進步會進一步的提高水資源利用效率[11-13]。值得注意的是，這些研究大多基于水資源對城市化的約束或城市化對水資源的影響單一方向上，而水資源與城市化的影響往往是相互的，存在雙向作用。因此，本文希望通過構建兩者的動態耦合模型，研究北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統之間的相互作用關系，從而探尋兩者的發展態勢。

1 研究方法

1.1 耦合模型

耦合是指兩個(或兩個以上的)系統相互影響和相互作用的現象,通過借鑒物理學的演化思想[14],可構建系統的非線性演化方程式：

(1)

式中：f為xi的非線性函數。

在原點處將進行泰勒級數展開,并依據利亞普斯諾夫第一近似定理[15],將非線性系統的保證其穩定性,從而得到近似線性系統：

f(x)=f(0)+a1x1+a2x2+…+anxn+X(x1,x2,…,xn)

(2)

(3)

按上述方法建立水資源支撐能力(W)與城市化(U)系統的一般函數為：

(4)

式中：x,y為兩系統的元素(以時間為變量的函數)；a,b為各元素的權重。

由于水資源的支撐能力與城市化系統相互影響與作用,兩者作為一個復合系統,f(W)與f(U)在系統中占據主導地位,其演化方程可表示為：

(5)

式中：A,B為系統受到自身和外來因素影響下的演化狀態；VA,VB為其演化速度。

由于整個系統只有f(W)與f(U)這兩個元素,所以當f(W)與f(U)協調時,整個系統的運行也是協調的,系統的演化速度V是關于VA,VB的函數,所以V=f(VA,VB)。通過控制VA、VB的變量,對V進行分析,可以獲知整個系統及f(W)與f(U)的協調關系。

首先建立滿足S型發展機制的V模型,通過將VA,VB的演化軌跡投影在直角坐標系中進行分析。將水資源支撐能力與城市化系統的耦合度a=arctan(VA/VB),也是復合系統的演變過程(圖1),分為4個階段。

圖1 系統演化軌跡

(1)當-90°≤α<0°時,系統處于初級發展時期,城市化系統發展緩慢,區域水資源支撐能力能夠滿足其發展,水資源支撐力與城市化系統之間的限制與影響可忽略。

(2)當0°≤α<90°時,系統進入協調發展時期。此時,科學技術的進步,加快了城市化發展的步伐,落后的用水技術加劇兩系統的矛盾,但并不尖銳。

(3)當90°≤α<180°時,系統進入極限發展時期。城市化的高速發展,對用水條件的要求進一步提高,但由于水資源的局限性和污染惡化,兩系統的矛盾將日益嚴重,水資源危機越演越烈。此時,為保障區域的正常發展并保證城市化系統的不斷進步,人們將采取一系列措施來緩解矛盾,使兩系統的耦合進入良性階段,從而進入一個高級協調階段。

(4)當180°≤α<270°時,原有的系統在人們正確措施的協調下,系統進入再生時期。此時,水資源支撐能力能有效的保障城市化發展,水資源與城市化系統和諧共生,最終達到較高的水平,但新的問題也將會隨之而來。

1.2 數據處理

(6)

式中：xij為第i年的第j個指標的初始值；Zij為經過標準化處理后相對應的數據[16]。

將各項指標標準化后，通過均方差賦權求得得各指標的權重：

(7)

式中：wj為各指標的權重；σ(xi)為各指標的標準差。

1.3 水資源支撐能力評價

為更好的描述水資源條件對北部灣經濟區社會經濟發展的支撐能力，避免因評價單元尺度過大而忽視北部灣經濟區內部差異所造成的誤差，規避綜合性指標或指標體系所忽略過境水的問題，以水資源開發利用率指標為基礎，從市級行政單元尺度對水資源的支撐能力進行評價[5]。

水資源開發利用率為評價單元中從自然水資源中獲得的取水量與單元中水資源總量的比值,計算公式：

(8)

式中：WWI為水資源開發利用率；S為行政研究單元供水總量；NW為區域非常規水源的數量；如中水回用、海水利用等；S-NW為研究行政單元在自然水資源的取水量；WR為行政單元的水資源總量。

在應用過程中需要注意,對于有些行政單元來說取水量不僅包括區域內的內源水,還有流經區域的過境水。而指標中行政單元的水資源總量往往不包括過境水這部分的資源量,對于像北海這樣過境水資源較大且利用得較多的行政區來說,水資源開發利用率對于研究區域的水資源供用關系產生較大的誤差。為了解決過境水造成誤差的問題,在小的評價單元內更為準確的評價單元水問題,用包括研究單元以及上游來水的水資源開發利用指標來表征該研究區的用水矛盾,具體計算如下：

(9)

式中：n為研究評價單元及其上游單元所涉及的評價單元；Sn為評價單元的供水量；NWn為區域非常規水資源數量；Sn-NWn為區域取水量；WRn為水資源總量。

同時在各個行政區,其各自的優先用水權不同,所以為了更加準確的衡量該區水資源量的缺乏程度,應從BWWI和WWI中選取較小值,并將其標準化,從而更好表示當前研究區域內可用的水資源量對社會經濟發展的支撐能力：

(10)

式中：WSPI為水資源支撐指數。

1.4 城市化系統評價

城市化系統的評價，應當從城市化的內涵出發，堅持城市化建設的核心就是人的城市化，實現人口城市化、空間城市化、經濟城市化和社會城市化，最終實現人的無差別發展[17]。參考大量文獻，根據城市化的內涵，構建城市化系統的評價體系，如表1所示。

表1 廣西北部灣經濟區各行政單元及北部灣經濟區城市化系統指標及權重

2 結果與分析

2.1 水資源支撐能力評價與城市化系統評價結果

采用《廣西水資源公報》和《廣西統計年鑒》2010-2016相關數據，結合上文公式可以計算廣西北部灣經濟區6市的多年水資源支撐指數(WPSI)及權重(表2)，進一步得出2010-2016年間廣西北部灣經濟區水資源支撐能力及城市化系統的綜合評分(表3)。為了更直觀的看出自廣西北部灣經濟區的水資源支撐能力及城市化系統的動態發展過程，特繪制了圖2。

從圖2可以看出，2010-2016年間，廣西北部灣經濟區及各行政單元的城市化系統呈不斷上升趨勢。這說明北部灣經濟區城市化系統在《廣西北部灣經濟區條例》頒布的7年時間里經濟建設取得顯著的進步，2016年廣西北部灣經濟區城市化系統綜合評分為0.70，是2010年的3倍多。這與城鎮人口的增多和經濟的飛速發展有著密切聯系。如經濟區2016年城鎮人口約1 041.88萬人，較2010年838.44萬人增長了24.26%；地區生產總值8 808.10億元，比2010年4 275.37億元增長了1.1倍；各行政單元城市化系統評分呈上漲態勢。

表2 各行政單元2010-2016年歷年水資源支撐力計算結果

表3 2010-2016年廣西北部灣經濟區水資源支撐能力及城市化系統綜合評分標準化數值

圖2 2010-2016年水資源支撐能力與城市化系統綜合評價

與城市化系統所取得的成就相比，水資源支撐能力則略顯不足，各行政單元水資源支撐能力波動性也較大。水資源用水邊際性越發明顯，單方水GDP由2010年的40.69 元/m3增至2016年的79.78 元/m3，年均增幅約13.7%，而地區生產總值相較增長1.2倍；同時，在產業結構調整過程中，農業是用水大戶的局面并未改變，農業用水占用水總量的65%。因此，廣西北部灣經濟區的水資源情況不容樂觀。

2.2 廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統耦合態勢分析

根據所得到數據,對經濟區水資源支撐能力與城市化系統進行非線性擬合,結合公式(1)～(5),可以求得以t來表示的VA和VB:

1.22t3-0.07t4(R2=0.988)

(11)

VB=0.041+0.029t-0.004 1t2(R2=0.974)

(12)

根據上述方程,計算出2010-2016年間廣西北部灣經濟區的水資源支撐能力系統演變速度VA,城市化系統系統演變速度VB,正切值tanα,以及兩系統耦合度的α值,結果見表4。為了更直觀的反映出廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統系統的耦合演化過程,依據表4做出了兩系統的耦合曲線,見圖3。

表4 2010-2016年廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統系統協調發展的耦合度

圖3 廣西北部灣經濟區水資支撐能力與城市化系統系統耦合演化曲線

2010-2016年間，水資源支撐能力與城市化系統已經處于協調發展時期。伴隨著城市化系統日益提高，水資源支撐能力與城市化系統的相互脅迫作用日益明顯,兩者的耦合度直逼臨界值(90°)，這與北部灣經濟區正處于經濟社會轉型期的實際相符合[1]，水資源支撐能力與城市化系統系統矛盾越演越烈。預計不久的將來,系統會步入極限發展時期，原有的水資源系統難以維持高速發展的城市化進程，水資源支撐能力越發薄弱，主要表現如下。

(1)隨著城市化程度的提高，農村人口開始逐漸向城市聚居，工業、商業高速發展，水資源壓力逐步增大。如南寧市2016年廢水排放總量達到6.54 億m3，較2010年的5.22 億m3增加了25%。并且第一用水大戶仍是農業，農業用水比重雖有所下降，總量卻居高不下；2016年農田灌溉水有效利用系數為0.479，低于“十二五”規劃綱要所規定的0.53。南寧市水資源的繼續開發潛力已經開始下降的勢頭，在干旱和極端干旱事件發生的情況下，區域社會經濟的發展必然受制于水資源的支撐能力不足。

(2)在城市化推進的過程中，未形成城市化發展與改進用水技術和提高用水效率的水資源協調發展的局勢，導致供水水源過于單一。如北海市社會經濟正處于跨越式發展的重要時期, 伴隨著社會經濟的發展，水資源支撐能力問題越發突出，北海市水資源總量遠少于其他行政單元，過于依靠地下水資源的使用，過去由于對地下水的不合理開發利用，引起過海水入侵的現象；玉林市主要供水來源于蘇煙水庫,隨著城市的不斷發展，人口數量和企業的增多，用水安全保障主要受到經濟因素的影響，水資源的需求增大。

3 結 語

本文通過構建廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統系統研究，得到以下結論：2010-2016年間,北部灣經濟區水資源支撐力與城市化系統系統的發展并不同步，水資源支撐能力是能在不同程度上滿足區域社會經濟的發展，但用水邊際越發明顯；水資源支撐能力與城市化系統越發逼近極限發展時期，經分析研究，提出以下建議。

(1)穩定城市化步伐，提高城市化質量。2016年，北部灣經濟區城市人口高達1 041萬人，占總人口的51%，但城市人口的增加主要依靠的是城市對農村土地的擴張后吸納人口，這種“硬擴展”并不是農村人口通過就業而轉變為城市人口，極容易產生“泡沫”。因此，北部灣的城市化發展的重心應該轉移到提高城市化質量上來，如：優化城鎮的空間格局，停止“硬擴展”的腳步；發展高新技術，對遭到破壞與污染的水資源環境進行必要的恢復治理。

(2)大力挖掘節水潛力，提高水資源的使用效率。2016年，北部灣經濟區用水總量為110.4 億m3，地表水與地下水為主要供水水源，在城市化發展過程中，過于依賴粗放式的水資源投入，這種低效的水資源使用方法容易造成水資源壓力、產生污染。因此，在調整產業結構和產品結構的過程中，應推廣城市化所帶來的國內外先進的節水技術：工業上，通過計劃用水和節約用水，逐步對現有企業進行節水技術改造，提高用水重復利用率，例如對工藝水的回用既可以減少水污染，又可以節約水資源；生活上，積極推廣節水技術和節水裝置，例如，住宅節水便器的使用將帶來16 L/人的節水效率；農業上，遵循水利設施與農業技術措施相結合的原則，例如，推廣節水灌溉工程設施的建設，形成一條節水型農業道路。