湖南省水貧困與城市化水平測度及其時空耦合協調研究

李 歡， 李景保， 王 凱

(湖南師范大學 資源與環境科學學院， 湖南 長沙 410081)

1 研究背景

我國南方地區因降水時空分布不均和不斷增長的水資源需求量及城市化引發的水資源污染等問題，水資源短缺狀況的發展速度實則比北方地區更快[1]。水貧困已成為制約城市化可持續發展的重要因素[2]。因此，將水貧困與城市化發展相結合進行研究，對于解決水資源短缺及城市化可持續發展具有重要意義。

國內外關于水貧困與城市化已有較多研究。在水貧困方面，學者多以水貧困指數(Water Poverty Index,WPI)模型為基礎展開研究，認為WPI是評價水資源短缺情況的一個簡單而有效的工具，能夠幫助決策者更好地制定當地政策[3-4], 并根據不同空間尺度區域的實際情況改善了WPI模型，如Forouzani等[5]提出了制定農業用水貧困指標的概念路徑，并給予了一系列步驟建議；Van Ty等[6]提出MWPI(改良的水貧困指數)，并使用基準方法評估Srepok河流域(東南亞典型的農村地區)的水資源狀況；孫才志等[7]融入了社會適應性指標來測度中國水貧困情況。在水貧困與城市化方面，國外研究主要集中于用水貧困理論來評估城市水資源狀況[8-9]，國內學者主要對農村及干旱區水貧困與城市化的協調關系進行研究[2,10]。由此可見, 針對濕潤地區有關水貧困與城市化關系的研究成果較貧乏。

湖南是國家“兩型社會” 建設示范區,城市化與工業化的發展進程加快，對水資源需求量不斷增加，然而, 季節性水資源短缺嚴重,使水資源供需矛盾日益加劇。本文以湖南省為研究對象，基于WPI模型和城市化內涵，構建適用于湖南省的水貧困與城市化評價指標體系，計算2007-2017年水貧困與城市化綜合發展指數，對水貧困程度及城市化水平進行測度。并利用耦合協調度模型，從時空維度分析二者之間的耦合協調差異，以期為湖南省乃至亞熱帶豐水地區的水資源合理配置、保護與經濟可持續發展提供理論指導。

2 研究區域與方法

2.1 研究區域概況及數據來源

湖南省地處我國中南部，位于長江中游南岸，土地面積約21.18×104km2，其中耕地面積約占土地面積的15.2%，2017年人口密度達322.1人/km2，城鎮化率為54.62%，略低于全國平均水平(57.35%)；該省屬亞熱帶大陸性季風性濕潤氣候，降水總量遠高于全國平均水平，但年降水相對變率大且時空分布不均。降水主要集中在4-8月，占全年的63.09%，秋冬兩季少雨,僅占17%和12%。據統計，降水最大年份2002年達1 964.95 mm，最小年份2011年僅為1051.3 mm[11]；洞庭湖西北部及湘東南地區年降水相對變率大。因此，看似不缺水的湖南實則面臨著嚴峻的水資源短缺問題[12]。

本文研究原始數據來源于2008-2018年 《湖南省統計年鑒》《湖南省水資源公報》《湖南省農村統計年鑒》以及湖南省經濟和社會發展統計公報。

2.2 研究方法

2.2.1 水貧困指數模型 水貧困理論始于Sullivan等[13]提出的 WPI(Water Poverty Index)，該理論融合了水資源狀況、供水設施狀況、利用能力、使用效率和環境狀況5 個維度的指標來度量水貧困程度，既能反映區域水資源的本底狀況，還能反映水工程、水管理以及當地的經濟與環境狀況，完整地體現了水貧困的內涵[14]。公式如下：

(1)

式中：WPI為水貧困指數，WPI值越大，水貧困程度越輕微;R、A、C、U、E分別為子系統中水資源狀況、供水設施狀況、利用能力、使用效率和環境狀況;wr,wa,wc,wu,we分別為各子系統對應的指標權重。

2.2.2 城市化發展模型 城市化是指農村人口(農村地域)向城市人口(城市地域)轉化的過程，同時也是城市文明不斷向農村傳播與擴散，最終達到城鄉共享的過程，是質與量的統一[15]。不同領域學者主要從人口、經濟、社會、空間4個角度對城市化予以闡述，本文依此構建城市化發展模型，公式如下：

(2)

式中：UL為城市化發展指數，數值越大，表示城市化發展水平越高;P、F、S、I分別為子系統中人口、經濟、社會、空間城市化;up、uf、us、ui分別為各子系統對應的指標權重。

2.2.3 耦合協調度模型 耦合最早源于物理學，指兩個或兩個以上的系統或運動形式通過各種相互作用而彼此影響以致聯合起來的現象，是一種系統間在良性互動下形成的相互協調、依賴、促進的動態關聯關系[16]。協調度指系統演變過程中內部各要素相互和諧一致的屬性[17]。二者的區別在于耦合度更多表現系統間的相互影響程度，而協調度則側重于系統間對整體的和諧屬性。本文采用耦合協調度模型[18]對湖南省水貧困與城市化兩大系統的耦合度與協調度進行測度。公式如下：

C={f(x)g(x)/[(f(x)+g(x))/2]2}K

(3)

(K≥2)

T=αf(x)+βg(x)

(4)

(5)

式中：C為水貧困與城市化的耦合度，C值越高，說明二者擬合程度越好;f(x)、g(x)分別為水貧困與城市化發展指數；K為調節系數,本文取K=2；T為水貧困與城市化的綜合評價指數；α、β為待定系數，在文中表示衡量水貧困與城市化的重要程度，二者同等重要，故α=β=0.5；D為協調度，D值越大，代表兩系統協調程度越好。借鑒相關參考文獻[2,19]，對耦合度與協調度進行等級劃分，見表1。

表1 耦合度與協調度等級劃分

3 指標體系的構建及權重確定

3.1 水貧困評價指標的選取及權重確定

目前，較為公認的水貧困定義為獲得水能力的缺乏及用水權利的缺乏[20]。本文以WPI模型為框架，結合湖南省水資源發展現狀，遵循科學性、系統性、可操作性的原則，構建了適合于湖南省水貧困的評價指標共21個，并利用熵值法[21]對各指標進行賦權，結果如表2。

3.2 城市化評價指標體系選取及權重確定

基于城市化內涵，分別從人口、經濟、社會、空間4個子系統選取13個指標構建城市化評價指標體系，以反映區域城市化發展綜合水平，利用熵值法[21]對各指標進行賦權，結果見表3。

表2 水貧困評價指標體系及權重確定

4 結果與分析

4.1 湖南省水貧困程度的時空格局變化

4.1.1 湖南省近10年間水貧困程度的變化趨勢 根據公式(1)，計算得近10年水貧困及各子系統發展指數值(圖1)。整體來看，水貧困指數值從2007年的0.135增加到2017年0.857，水貧困程度降幅為84.14%，這表明湖南省水貧困程度得到大幅改善。再從不同時段上看水貧困程度的變化狀態：(1)2007-2008年水貧困程度下降了44.82%。在獲批兩型社會試驗區的開局之年，全省經濟發展勢頭迅猛，經濟效益顯著，人均GDP增長率高達18.17%，為近10年來增速最快的時期，在大力推進新型工業化的過程中，加強對資源的集約利用和環境的有效保護，萬元GDP用水量下降約20%，水資源利用率明顯提高。該時段水貧困程度減緩速度最快。(2)2009-2012年水貧困程度下降67.69%。該時段面臨國際金融危機的嚴重沖擊及國內經濟下行壓力加大的嚴峻形勢，加之降水量年際變率大，導致該時段水貧困程度改善速度較為緩慢。(3)2013-2017年水貧困程度降低了69.82%。該時段為發展轉型和改革的關鍵期，在國內外經濟形勢的雙重壓力下，保持經濟穩中求進。此外，在此期間發生了持續高溫和極端干旱事件如2013-2016年，導致水貧困程度有所波動，水貧困程度年均減緩速度為10年來最慢時段。

表3 城市化評價指標體系及權重確定

圖1 2007-2017年湖南省水貧困指數及各子系統發展指數變化曲線

4.1.2 湖南省水貧困程度的空間分布差異 為了便于對比分析不同時段不同區域水貧困程度的空間分布差異,分別選取2008、2012、2016年3個時間節點的水貧困指數值，輔以ArcGIS軟件，采用自然斷點分級法將湖南省14個市(州)的水貧困程度劃分為嚴重貧困區、較貧困區、中等貧困區、較富裕區、富裕區5種類型區(圖2)。

總體來看，各市(州)水貧困程度差異顯著但保持相對穩定狀態，有50%市(州)水貧困程度保持不變。其中長沙市一直處于富裕區，株洲市處于較富裕區，張家界市處于較貧困區，常德、懷化、湘潭、永州4市均處于中等貧困區。

以不同時段的區域而言，2008年益陽、婁底、邵陽市均屬嚴重貧困區，岳陽、張家界和湘西州屬較貧困區，常德、懷化、永州、衡陽和湘潭市屬中等貧困區，郴州與株洲市屬較富裕區，長沙市為富裕區；2012年婁底、益陽、邵陽市均由嚴重貧困區轉為較貧困區，岳陽市由較貧困區轉為中等貧困區，水貧困程度有所改善，湘西州和郴州市水貧困程度均不同程度加劇。2012年湖南省平均年降水量較往年平均偏多16.7%，全省14個市(州)降水量均高于多年平均降水量。此外，該省著力加強供水設施建設，提高水資源使用能力，水貧困程度整體改善。而郴州市正處于工業化發展的中前期，大力發展重工業的同時沒有注重水資源的保護和高效利用，萬元GDP用水量及工業廢水排放量居全省前列，導致水貧困程度加劇。湘西州位于湖南省西北部，境內多山，地形閉塞，經濟發展水平不高且增長相對較為緩慢，在水資源的開發和利用方面較全省落后，處于嚴重貧困區；2016年各市(州)水貧困程度保持相對穩定，其中益陽與衡陽市相較于2012年水貧困程度有所加劇。在這一時期，與湖南省其他市(州)相比，兩市農業用水比例增加，農田有效灌溉面積減少等，導致水貧困程度加劇。

4.2 湖南省城市化綜合發展水平時空變化

4.2.1 城市化發展水平的時間變化 根據公式(2)，計算得近10年城市化及各子系統發展指數值(圖3)。分析可得，城市化綜合指數值由2007年0.106增長到2017年0.916，增幅為88.42%，這表明該省城市化水平不斷提高。根據城市化水平發展速度，可大致分為兩個時段：(1)平緩增長期(2007-2011年)，該5年期間城市化綜合指數值增加了0.299。該時段湖南省在國家政策的大力支持下，不斷尋求經濟與資源環境相協調發展的路徑，穩步推進各項事業全面發展。(2)波動上升期(2012-2017年)，該6年期間城市化綜合指數值增加了0.475。其中，2013年城市化指數值出現小高峰，反映在社會城市化指數的高值上。相較2012年，城鎮居民可支配收入增加了14.2%，衛生機構個數較上年增長了22%，增幅較往年最大。由此可見，社會城市化提升了城市化綜合水平，使得2013年湖南省城市化綜合水平增幅較大。

圖2 不同年份湖南省各市州水貧困程度差異及變化

圖3 2007-2017年湖南省城市化綜合指數及各子系統發展指數變化趨勢

4.2.2 城市化發展水平的空間差異 為了便于對比分析不同時段不同區域城市化水平的空間分布差異,分別選取2008、2012、2016年3個時間節點的城市化指數值，輔以ArcGIS軟件，采用自然斷點分級法將湖南省14個市(州)的城市化水平劃分為低水平區、較低水平區、中等水平區、較高水平區、高水平區5種類型區(圖4)。

總體來看，近10年來各市(州)城市化水平空間差異較大且呈擴大態勢，僅有約28.5%的市(州)城市化發展水平保持穩定，其中長沙市一直處于高水平區，湘潭、株洲市屬較高水平區類。進一步分析發現， 2008-2012年有42.8%的城市逐漸向高水平區轉移，城市化發展水平提升速度較快。其中張家界市、益陽市、永州市已逐步從低水平區或較低水平區轉移到中等水平區，常德市、衡陽市、郴州市由較低水平區域或中等水平區發展到較高水平區； 2012-2017年有64.2%的城市城市化發展水平向低等級轉移。常德市、岳陽市、衡陽市、郴州市均由較高水平區下滑到中等水平區；張家界市、益陽市、永州市由中等水平區下滑到較低水平區；婁底市、懷化市由較低水平區下滑到低水平區。究其原因，自2012年以來，全省經濟發展水平差異逐漸擴大，長株潭城市群經濟迅猛發展，城市化發展水平大步向前，而湘西等偏遠地區經濟增長緩慢，城市化建設配套設施水平較低，區域發展差距明顯。與此同時，面對國內外錯綜復雜的經濟環境及新時代改革的繁重任務，2012-2017年全省GDP增速比2007-2012年下降1.6%，致使各市(州)城市化發展水平有所回落。

圖4 不同年份湖南省各市(州)城市化發展水平空間差異及變化

4.3 湖南省水貧困與城市化耦合協調性時空變化分析

4.3.1 湖南省水貧困與城市化的耦合性與協調性時序分析 根據公式(3)～(5)，計算湖南省2007-2017年水貧困與城市化發展的耦合度與協調度值，反映近10年間湖南省水貧困與城市化的耦合度與協調度變化情況(圖5)。

圖5 2007-2017年湖南省水貧困與城市化耦合度與協調度變化曲線

(1)從耦合度變化曲線來看，近10年間湖南省水貧困與城市化的耦合度總體呈波動上升趨勢且均在0.9以上，屬極強耦合，耦合度值由0.972增長到0.998，這表明二者間相互影響相互促進的作用增強。但2009與2012年耦合度值有所下降，究其原因，主要在于面對2008年國際金融危機的嚴重沖擊，該省經濟增速放緩，城市化發展滯后于水資源的合理利用與保護。2012年該省年降水量達1 692.3 mm，為近10年以來的降水最豐年，使得水貧困指數偏高，從而水貧困與城市化耦合度值偏低。

(2)從協調度變化趨勢來看，湖南省水貧困與城市化協調度由0.343增加到0.941，增幅達63.5%。可劃分為7個階段：2007年處于輕度失調階段、2008-2009年處于瀕臨失調階段、2010年處于勉強協調階段、2011年處于初級協調階段、2012-2013年處于中級協調階段、2014-2015年處于良好協調階段、2016-2017年處于優質協調階段。由此可見，近10年間湖南省水貧困與城市化由輕度失調逐步過渡到優質協調，二者正走向協調有序發展。

(3)該省水貧困與城市化的耦合度水平高于協調度且波動較小，協調度呈線性上升狀態，且不斷靠近耦合度。這表明該省水貧困與城市化相互聯系、相互作用的關系較強，并有逐步走向高度協調的良好趨勢。

4.3.2 湖南省水貧困與城市化的耦合協調性空間變化 為進一步揭示湖南省水貧困與城市化發展協調度的空間差異及分布特點，分別計算得出近10年湖南省14個市(州)水貧困與城市化綜合發展的協調度值并加以平均，參考協調度等級類型(表1)，輔助ArcGIS軟件，將湖南省14個市州的協調度分為4類(圖6)，分別為良好協調型、初級協調型、勉強協調型、瀕臨失調型。

圖6 湖南省各市(州)水貧困與城市化發展協調度空間差異

(1)良好協調型。主要是長沙市，其協調度值為0.878。長沙市位于湖南省東北部，湘江下游，地勢起伏小，境內地表水系發達，水資源較為豐富。同時，長沙市作為湖南省政治經濟文化中心，是全國“兩型社會”綜合配套改革試驗區的核心城市，也是長江中游城市群和長江經濟帶的重要節點城市，城市化發展水平居全省首位。良好的經濟基礎帶動用水效率不斷提高，從而使得該市水貧困與城市化發展的協調程度穩步提升，屬良好協調型。

(2)初級協調型。主要是株洲、湘潭兩市，其協調度值分別為0.655和0.603。株洲與湘潭同屬長株潭城市群核心成員之一，是長株潭兩型社會建設綜合配套改革試驗區的重要部分，城市化發展水平僅次于長沙市。2017年兩市的人均GDP分別為64 248元和72 437元，遠超全國平均水平(5 3935元)。但兩市存在萬元GDP用水量較高、農村用水粗放、水資源利用效率較低等問題，導致城市化發展指數略高于水貧困指數，水資源開發和利用滯后于城市化的發展，屬初級協調型。

(3)勉強協調型。包括常德市、岳陽市、衡陽市、郴州市四大區域，協調度值在0.553～0.580之間。其中，岳陽與常德市位于洞庭湖平原區，處湘江與長江交匯地帶，地表水與地下水充足，人均水資源量較高。兩市依托良好的水資源本底條件，加強供水設施建設，著力提高用水能力和使用效率，2017年，兩市供水管道長度均達1 500 km以上，居全省前列。農村用水效率逐步提高，兩市農田有效灌溉面積與農業機械總動力均達到全省較高水平。岳陽與常德市是環洞庭湖生態經濟圈的重要城市，近年來經濟發展較為迅速，截止2017年，人均GDP均在5.5×104元以上；郴州市境內有湘江、贛江、北江三大水系流經，水資源富足，但該市在發展重工業的同時，工業廢水排放量居全省前列，污水處理率較低。衡陽市近年來不斷優化產業結構，截止2017年三次產業結構比為14.1∶38.7∶47.2，城鎮化率達52.46%，但該市地表水及地下水資源量較少，人均水資源量不高，城市化發展水平高于水資源的開發利用水平。整體來看，該類型區屬于勉強協調型。

(4)瀕臨失調型。主要包括張家界市、湘西州、懷化市、永州市、邵陽市、婁底市、益陽市七大區域，協調度值在0.402～0.484之間。該類型區分布較為集中，涵蓋全省1/2的城市，主要分布在丘陵山地地區。因常年受到地形抬升作用，降水量豐富，加之該類型區人口密度較小，人均水資源量普遍較多。但受地理位置與自然條件等因素的影響，城市化發展水平較低，水貧困發展指數高于城市化發展指數，屬于瀕臨失調型。

由上述分析表明，導致水貧困與城市化耦合協調性空間差異的主要驅動因素，除了與區域地形、地貌、降水等自然因素有關外，還與區域的社會經濟、技術、基礎設施、用水效率等因素密切相關。

5 結論與討論

(1)2007-2017年湖南省水貧困程度呈下降趨勢，各子系統對水貧困程度減緩的驅動力大小依次為使用、能力、環境、設施和資源，各子系統相對獨立又互相影響，共同體現水貧困內涵的綜合性。各市(州)水貧困程度差異顯著但保持相對穩定狀態，有50%市(州)水貧困程度保持不變。

(2)2007-2017年湖南省城市化水平不斷提高，各子系統對城市化水平高低的影響力分別為社會城市化、經濟城市化、空間城市化和人口城市化。各市(州)城市化水平分異明顯且區域差異不斷擴大，導致全省城市化水平有所回落。

(3)2007-2017年湖南省水貧困與城市化的耦合度與協調度總體呈波動上升趨勢，水貧困與城市化的相互影響力在不斷增強，且二者正走向協調發展。各市(州)水貧困與城市化的協調度差異較大，僅有7%城市為良好協調型、有11.7%市(州)為初級協調型、28.6%市(州)為勉強協調型、50%的市(州)為瀕臨失調型。

(4)湖南省近10年平均年降水量達1443.58 mm，但時空分布不均，加之水資源開發利用保護不強，依然面臨嚴重的水資源短缺問題。因此衡量區域水資源短缺程度不僅僅取決于水資源本底條件，更應考慮社會經濟管理等對水資源的利用開發與保護程度，南方地區尤甚。在城市化快速推進的過程中不同地區應協調資源、環境與經濟發展的關系，推進產業結構優化調整，加強節水技術推廣，提高公眾節水意識，促進水資源的有效利用。