青島市城市化與水環境耦合協調關系評估

陳 浩，黃綿松，劉 建

（1.山東大學環境研究院，山東青島266237；2.北京首創股份有限公司，北京100028；3.寧夏首創海綿城市建設發展有限公司，寧夏固原756000）

隨著社會經濟的快速發展，大量人口進入城市，現階段全球54%的人口集中在城市，未來還會繼續增加［1］，這勢必會對城市周邊的生態環境產生影響，造成水資源需求、廢水排放增加，水資源短缺等水環境問題。城市化的加速給水環境造成了極大壓力，而水環境惡化也會反過來制約城市發展［2］。因此，研究城市化與水環境之間的脅迫與約束機制，討論二者的耦合協調關系成為了國內外研究的熱點。Craniel等［3］研究墨西哥尤卡坦半島發現，區域地下水嚴重污染與城市化進程有很高的相關性；Yoshikoshi等［4］分析了日本和泰國城市化發展與地下水環境之間的關系；宋新山等［5］分析了中國城市化進程中城市化與城市水資源可持續發展問題；方創琳等［6-7］研究了不同地區城市化與水資源變化的交互耦合過程。國內外學者多角度、多方面對城市化與水環境之間的耦合協調關系進行了研究，但是對于城市化與水環境系統中具體指標對兩系統作用的研究較少。

青島市經濟發達，淡水資源不足，在快速城市化進程中忽略了原有的水文生態，河流、湖泊、綠地等環境不同程度受損，地面硬化面積大幅增加，存在的逢雨必澇、水生態惡化、水資源緊缺、水環境污染嚴重等問題制約了該地區的社會經濟發展［8］，2017年《全國城市市政基礎設施規劃建設“十三五”規劃》將青島列入海綿城市建設行列。筆者以青島市為例，利用灰色關聯度模型、耦合協調度模型，通過計算城市化與水環境的關聯系數、城市化綜合指數、水環境綜合指數以及城市化與水環境耦合協調度，對研究區2000—2017年城市化與水環境的耦合關系進行研究。

1 研究區概況

青島市位于山東半島東南部，南臨黃海，屬于溫帶季風氣候區，受東南季風和湍流影響具有顯著的海洋性氣候特點，年均降水量731 mm，年際變化較大。2017年青島市地表水資源量為8.99億m3，地下水資源量為6.39億m3，人均水資源量約為372 m3。隨著海綿城市建設的推進，2017年水資源量增幅較大，但仍遠低于多年平均值。青島市總面積11 282 km2，其中市區面積3 293 km2。隨著國家“一帶一路”倡議的推進以及國家“十三五”規劃的進行，青島市社會經濟迅速發展，城市化水平顯著提高，2017年青島市常住人口達到929萬人，實現國民生產總值11 037.28億元，居全國第12位。伴隨著城市化的進行，對水資源的需求持續增加，水資源已無法滿足研究區工業生產、居民生活以及生態需水的要求，加上水資源污染和浪費嚴重，該地區城市化與水環境系統矛盾加劇，嚴重制約了青島市社會經濟持續、健康發展。

2 數據來源與研究方法

2.1 評價指標的選取和數據來源

為了定量研究城市化與水環境的耦合關系，遵循科學性、可比性、整體性、層次性、可操作性和完備性等原則［9］，構建了關于城市化與水環境關系的評價指標體系。參考相關指標體系［10-14］，結合青島市實際情況，采用頻度分析法，從人口城市化、經濟城市化、社會城市化、空間城市化四個方面選取16項指標反映城市化發展水平。同時，根據世界經合組織和聯合國環境規劃署共同提出的環境指標壓力-狀態-響應模型（PRS），從水環境壓力、水環境狀態以及水環境響應三個方面選取16項指標，用來綜合反映城市水環境的水平和發展趨勢（見表1）。本文研究的基礎數據來源于2001—2018年《山東省統計年鑒》《青島市統計年鑒》《青島市水資源公報》《青島市環境狀況公報》。

2.2 研究方法

2.2.1 數據標準化處理

由于選擇的指標量綱不同，因此所選數據數量級之間存在著明顯差異，為了使指標的評估更加科學、有效，對指標進行標準化處理，以排除尺度、量級以及正負方向的干擾［15］。采用級差標準法對數據進行無量綱處理。正向指標：

式中：Xij為標準化的值（ i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；m是年數、n是指標個數）；xij為初始值；xjmax為所有樣本年中第j個指標的最大值；xjmin為第j個指標的最小值。

表1 青島市城市化與水環境耦合關系評價指標體系

2.2.2 指標權重的確定

應用熵值法確定指標權重。熵值法是通過評價指標的內在信息確定指標的效用值，在一定程度上可以避免主觀偏差［16］。

式中：uij為指標標準化數值。

根據熵的定義，計算第j個指標的熵hj：

計算指標j的差異率aj：

計算指標j的熵權系數wj：

2.2.3 綜合指數計算

將城市化綜合評價指數P（x）和水環境綜合評價指數Q（y）分別作為城市化和水環境定量評價的標準。城市化綜合評價指數：

式中：Pj和Qj分別為城市化和水環境系統評價指標；t為城市化指標個數；s為水環境指標個數。

2.2.4 城市化與水環境耦合協調度模型

構建城市化與水環境耦合協調度模型，作為判斷城市化與水環境兩個系統協調發展情況的依據。城市化與水環境耦合協調度模型為

式中：C為耦合度，C比較大表示城市化與水環境之間處于良好狀態，耦合度較高；T為城市化與水環境綜合調和指數，它反映城市化與水環境整體協同效應；a、b為待定系數，由于城市化與水環境同等重要，因此取a＝b＝0.5；D為耦合協調度，是度量系統之間協調狀態的指標，可以用來檢驗耦合度是否良性共振［17］，D的值比較大說明城市化與水環境處于良好協調狀態。

2.2.5 等級評定

借鑒蔣元勇等［7，10，18-19］關于城市化與水環境之間的耦合度以及耦合協調度劃分標準，按照均勻分布函數對城市化與水環境的耦合度、耦合協調度進行等級劃分（見表2）。其中：當C＝0時，城市化與水環境之間無任何關系；當C＝1時，城市化與水環境達到良性共振狀態；0＜C≤0.3為低水平耦合階段，此時城市化水平處于快速起步階段，水環境質量下降；0.3＜C≤0.5為拮抗階段，此階段城市快速發展，水環境破壞嚴重；0.5＜C≤0.8為磨合階段，此階段城市發展的大量資金投入水環境治理，城市化與水環境開始向高水平耦合發展；0.8＜C＜1.0為高水平耦合階段，此階段城市化水平不僅得到很大發展，水生態環境也很大程度提高，城市化與水環境建設相互促進、共同發展。

表2 城市化與水環境耦合度、耦合協調度分類和等級劃分標準

表2等級劃分中，耦合度每個階段可以對應一個或多個耦合協調度階段，耦合度處于高水平耦合階段可以對應良好、中度、初級協調，以及勉強耦合等耦合協調度階段；耦合度處于磨合階段耦合協調度不會超過勉強耦合階段，耦合度處于拮抗以及低水平耦合時，耦合協調度只會出現失調的情況［20］。

2.2.6 城市化與水環境灰色關聯模型分析

為了定量評價青島城市化與水環境之間的相互作用關系，分別找出城市化指標中對水環境影響較大的指標和水環境指標中對城市化影響較大的指標，建立灰色關聯度模型進行計算分析。指標的關聯度系數：

式中：（t）為t時刻城市化與水環境的關聯度系數；Δij＝|（t） -（t） | ，（t） 和（t） 分別為青島市t時刻城市化水平與水環境水平的標準化值；Δmax＝ max（i）max（j） |（t） -（t） | ； Δmin＝min（i）min（j） |（t） -t） |； ρ為分辨系數，一般取0.5。

由于計算所得的關聯度系數太多并且分散，為了方便比較，因此采用平均值法處理數據，將2000—2017年每年的關聯度系數集中于一個值上。由于每項指標在綜合評價中所起的作用不同，因此需要對關聯度系數求加權平均值，計算指標關聯度系數的加權平均值φij：

通過比較不同指標φij值可以選出水環境系統對城市化水平、城市化水平對水環境系統影響較大的指標，其中0＜φij≤1，φij越大表明關聯度越強，φij＝1表明一個系統中的某項指標與另一個系統密切相關，且變化規律相同。

2.3 耦合度與耦合協調度計算結果

以青島市統計數據為基礎，進行數據處理得到各指標的權重（見表 1），根據式（7）～式（11）計算得到城市化與水環境的耦合度C以及耦合協調度D。根據計算結果，對青島市2000—2017年的耦合度等級與耦合協調程度進行劃分，見表3。

表3 2000—2017年青島市城市化與水環境耦合關系計算結果

3 結果分析

3.1 青島市城市化水平綜合指數時序分析

根據城市化子系統指標中各個因子的權重以及所獲取的原始數據，分別對2000—2017年青島市的人口城市化、經濟城市化、空間城市化以及社會城市化進行分析。結果表明：2000—2017年研究區域人口、經濟、空間和社會城市化指數都呈增大趨勢（見圖1）。其中：人口城市化指數和空間城市化指數增長速度比較緩慢，分別從2000年的0.005和0增長到了2017年的0.120和0.143；社會城市化指數在2000—2009年增速較慢，2010—2013年快速增加，是同時期各個城市化指數中增速最快的，2014—2017年社會城市化指數波動增大；經濟城市化指數2000—2017年基本處于穩定勻速增長狀態，說明青島市經濟呈現穩定、快速增長趨勢。得益于人口、社會、空間和經濟城市化指數的增長，青島市城市化綜合指數呈現明顯上升趨勢，從2000年的 0.042增長到了 2017年的 0.926，其中2000—2008年增長速度相對緩慢，年均增長0.034；2009年受全球經濟危機影響，在各子系統的綜合作用下，城市化綜合指數基本保持不變；2010—2013年城市化綜合指數快速增長，年均增長0.078，大約是前一個階段的兩倍；2014—2017年增速降低，年均增長0.036，在此期間產業結構調整升級，第三產業占比從48.1%提高到了55.2%，對城市化水平的提高有重要影響。

圖1 2000—2017年青島市城市化指數變化趨勢

3.2 水環境系統綜合指數時序分析

根據水環境系統中各個指標的權重以及所獲取的原始數據，分別對2000—2017年青島市水環境壓力、水環境狀態和水環境響應指數進行計算，結果表明：在水環境壓力、狀態和響應3個子系統的綜合作用下，水環境系統綜合指數呈現比較劇烈的波動變化，水環境壓力、狀態以及響應指數呈現不同波動趨勢，見圖2。2000—2017年，水環境壓力指數呈波動性緩慢增長趨勢，從2000年的0.048 4增長到了2017年的0.243 6，伴隨著城市化進程的加快，水環境破壞日益嚴重，2007年以后，受生態文明建設和經濟結構調整影響，水環境污染得到控制，水環境壓力保持相對穩定。水環境狀態指數呈現W形波動變化態勢，青島市屬于季風性氣候區，降水年際變化較大，人均水資源和水資源開發利用率波動較大，從而導致水環境狀態指數波動較大，2002年下降到最小值0.067 1，2007年達到最大值0.299 7。相較于2016年，水環境狀態指數在2017年出現比較明顯提升，可能與海綿城市建設有關。水環境響應指數在2000—2003年表現為緩慢增長，2004—2017年呈現U形波動變化趨勢，2006年達到最小值0.083 1，2017年達到最大值0.251 7，水環境響應的變化與政府對于水環境保護力度的加大有直接關系。青島市水環境綜合指數總體呈現W形波動上升趨勢，2002年為最小值0.303 1，2011年上升到最大值0.697 7，伴隨著經濟水平和技術水平的提升，政府加大環保投資以及海綿城市建設，青島市對于水環境的優化能力逐漸增強。

圖2 2000—2017年青島市水環境系統綜合指數變化趨勢

圖3 2000—2017年青島市城市化與水環境耦合關系

3.3 青島市城市化與水環境耦合協調關系時序分析

利用耦合模型分別計算青島市城市化與水環境的耦合度以及耦合協調度，見圖3。從圖中可以看出，青島市城市化與水環境的耦合度與耦合協調度呈現增大趨勢，耦合協調度的擬合曲線也呈現線性增大趨勢（確定系數 R2＝0.95）。青島市城市化與水環境在2000—2001年處于低水平耦合階段，同時2000年國家“十五”計劃提出全面推進城市化建設，青島市響應國家政策，加快城市化發展，受城市化發展加速影響，這一時期水質開始下降，城市化對水環境的脅迫作用較大，城市化與水環境為極度失調狀態。2002—2003年城市化與水環境處于極度失調的拮抗階段，城市化持續快速發展，該階段水資源消耗量猛增、污染物排放增多，受城市化影響，水環境承載力明顯下降，尤其是2002年水環境狀態指數降到了最低點。同時期的黃河三角洲城市區域，城市化速度明顯慢于青島，對水環境的破壞較小，城市化與水環境處于基本協調狀態［19］。2004—2007年城市化與水環境的發展進入磨合階段，二者協調度從中度失調變為勉強耦合，其中2006年城市化與水環境達到高水平耦合，而協調度處于勉強耦合。由于城市化的發展受到水環境破壞的制約，因此當地政府已經開始注意對水環境的保護和修復，促進二者開始朝著協調的方向共同發展。2008—2010年城市化與水環境處于初級協調的高水平耦合階段，這個時期城市化繼續快速發展，同時通過加強對水環境污染的控制，水環境質量好轉，城市化與水環境的發展較為協調。2009—2017年城市化與水環境從中級協調達到了良好協調的高水平耦合狀態，該階段，二者發展協調良好，在保持高速城市化的同時，提高了水環境的質量，城市化與水環境進入相互促進、相互發展的良好協調發展階段。

3.4 青島市城市化與水環境灰色關聯度分析

依據式（12）、式（13）對青島市城市化與水環境各具體指標的灰色關聯度系數進行計算，結果顯示它們的灰色關聯度系數都大于0.5，屬于較強相關，耦合作用也較強［21］。為了深入研究城市化與水環境相互作用的關系，分別找出城市化指標中對水環境脅迫作用較大的指標和水環境指標中對城市化約束作用較大的指標并分析。

城市化的各項具體指標與水環境系統的灰色關聯度（見圖4）能夠客觀反映城市化對水環境的脅迫作用，灰色關聯度的綜合指數為0.658 5。城市化指標中影響作用最大的是受大學教育人口比例，影響最小的是醫護人員比例，其中影響相對較大的前5個指標分別是受大學教育人口比例、第三產業就業人口所占比重、城市人口密度、城鎮人均居住面積以及城鎮失業率。對城市化系統的4個一級指標分析發現，2000—2017年青島市城市化子系統對水環境的脅迫程度排序為人口城市化（綜合指數0.675 2）＞空間城市化（綜合指數0.661 4）＞社會城市化（綜合指數0.655 7）＞經濟城市化（綜合指數0.649 7）。隨著人口城市化的加速，城市用水量增加，造成水資源匱乏，對水環境系統的脅迫作用最大；空間城市化的進行導致城市大量土地被開發，地表徑流、地下水受到嚴重影響［22］；青島市社會發展程度較高，社會城市化發展速度較快，社會城市化對水環境的影響較為突出；作為城市化最重要的組成部分，青島市耗水型企業較多，用水結構不合理，水資源利用效率低，水環境污染較為嚴重，導致經濟城市化對水環境系統影響較大。

青島市水環境主要從水環境壓力、水環境狀態以及水環境響應3個方面的16個指標對城市化發展產生約束，見圖5，灰色關聯度綜合指數為0.622 1。各項指標中對城市化影響最大的是工業用水重復利用率，影響最小的是人均水資源量。水環境對城市化約束影響較大的5個指標是工業用水重復利用率、萬元GDP氨氮排放量、生活污水處理率、建成區綠化覆蓋率以及城市人均公共綠地面積。對水環境系統3個一級指標分析發現，水環境系統中對城市化約束最大的是水環境響應，其次是水環境壓力，最小的是水環境狀態。青島市城市化進程較快，對水資源的需求量大，因此提高水資源利用效率，能夠減小水環境對城市化的束縛，尤其是重復利用水能夠在一定程度上緩解城市發展過程中的用水不足。污染導致水環境壓力增大，可利用水資源減少，阻礙城市化的發展［23］，開展海綿城市建設意義重大而深遠。隨著海綿城市建設的進行，建城區能夠涵養水源、儲存降水的綠地增加，大量雨水收集設施的建立增加了水資源的豐富程度，水環境的狀態進一步提升。

圖4 城市化指標與水環境系統的灰色關聯度

圖5 水環境指標與城市化系統的灰色關聯度

4 結 論

城市化是人類社會經濟發展的必然趨勢，但城市化過程中會對水環境產生脅迫作用，同時水環境也會約束城市發展并影響城市化的質量。通過建立城市化與水環境關系的評價指標體系，對2000—2017年青島市城市化與水環境的耦合協調關系進行了分析研究，結果表明：青島市城市化綜合指數呈現明顯上升趨勢，青島市水環境綜合指數呈現波動上升趨勢；青島市城市化與水環境耦合協調關系總體呈現上升趨勢，經歷了從低水平耦合的極度失調到高水平耦合良好協調發展的階段；青島市城市化與水環境兩個系統各指標間的灰色關聯度系數都大于0.5，處于較高關聯狀態。