云南省城市化與水資源的耦合協調發展研究

2020-03-10 01:47:14潘玉君張梅芬

水土保持通報 2020年6期

童彥，潘玉君，張梅芬，張玲

(1.曲靖師范學院文化旅游學院，云南曲靖 655011; 2.云南師范大學旅游與地理科學學院，云南昆明 650092)

水不僅是重要自然資源，而且還是戰略性經濟社會資源，同時還是一個國家綜合國力的有機組成部分[1]。隨著城市化進程加快，導致水資源壓力增大。作為城市化發展的重要支撐要素，水資源與城市化之間存在著復雜的關系[2]。目前國內外學者對城市化與水資源之間的關系進行了一些研究，主要圍繞水貧困與城市化的協調關系研究、水資源對經濟社會發展的支撐能力研究、用水指標與與城市化指標關聯性分析、用水效率與城市化水平的關系等方面展開。

例如，Srinivasan等[3]研究了印度Chennai地區水資源與城市化之間的相互關系，并提出政府應采取更多措施來解決水資源短缺。馮文文等[4]通過耦合協調模型，對西安市城市化與水資源環境耦合關系及未來趨勢進行研究；張勇等[5]運用水資源開發利用率，通用動態耦合模型對廣西北部灣經濟區水資源支撐能力與城市化系統的協調發展態勢進行研究，認為兩系統一直處于極限發展階段，但用水邊際性明顯；李歡等[6]通過構建水貧困及城市化發展模型，對湖南省水貧困及城市化水平進行測度，定量評估水貧困與城市化耦合協調關系的時空變化；海霞等[7]運用超效率數據包絡模型，定量分析京津冀城市群不同行業的用水效率，從經濟、社會、人口與土地等不同城市化角度，全面分析了城市發展水平與農業、工業、生活三大行業用水效率之間的相互關系。華佳等[8]通過確立淮安市城市化指標和用水指標，利用灰色關聯法對二者的相互關系進行分析，并對用水潛力和人口承載力進行預測。叢東來等[9]運用層次分析法、因子分析法和響應度模型對哈爾濱市水資源開發利用和城鎮化發展的響應關系進行研究。綜上所述，就研究方法而言，城市化與水資源關系的研究多采用耦合協調模型、數據包絡模型、響應度模型等定量分析方法；就研究區域而言，對城市群或干旱半干旱地區的研究較多，對水資源總量很豐富的西南地區關注較少。

鑒于此，本研究以水資源總量居全國第3的云南省為例，探討其城市化系統與水資源的相互作用，為正確評價云南省城市化與水資源耦合協調關系提供科學依據，進而為促進區域人口、資源、經濟及生態環境的協調發展提供決策參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

云南省地處我國西南邊疆，北緯21°9′—29°15′，東經97°31′—106°12′。云南省土地面積為3.94×105km2，其中84%為山地；氣候以亞熱帶山地和高原季風氣候為主，干、濕季節分明，具有明顯的垂直分異；降水以降雨為主。水資源總量豐富，多年平均水資源總量約2.21×1011m3，僅次于西藏、四川兩省區，居全國第3位[10]。受地形、海拔、降水量的時空分布和經濟社會發展等自然因素和人文因素的影響，水資源空間分布極不均勻，呈現出西多東少，南多北少，山區多，河谷平壩少的總體空間分布特征。此外，水資源與經濟發展要素不匹配，占全省土地面積6%的壩區，集中了2/3的人口和1/3的耕地，但水資源量卻只有全省的5%；滇中城市群人均水資源量僅為700 m3左右，處于缺水狀態[11-16]。改革開放以來，云南省城市化水平有了很大提高，截至2017年全省建成區面積達1 844.87 km2，城區人口為1 388.21萬人，相比2008年，建成區面積增加694.5 km2，年平均增長率為6.03%；城區人口增加428.9萬人，年平均增長率為4.47%。

1.2 數據來源

云南省及各市(州)多年城市化相關數據與水資源數據來源于《云南統計年鑒》與《云南水資源公報》。在采集以上基礎數據后，建立多年城市化與水資源基礎數據庫。在GIS技術支持下，運用ArcGIS 10.2軟件，揭示云南省城市化與水資源耦合協調發展的時間序列特征與空間格局特征。

1.3 研究方法

1.3.1 指標的選擇基于上述對云南省水資源狀況與城市化進程的認識，遵循科學性、層次性、代表性、可獲取性等原則[17]，選取18項指標構建云南省城市化與水資源耦合協調發展評價指標體系(表1)。

表1 云南省城市化與水資源耦合協調關系評價指標體系

1.3.2 分類標準在參考現有研究成果基礎上[18-21]，將城市化與水資源協調發展水平分為3個階段(協調階段、磨合階段和失調階段)，10種發展類型；同時根據測算結果，將城市化與水資源的對比關系劃分為：水資源與城市化同步發展型、城市化發展滯后型和水資源滯后型3種對比類型，具體劃分標準詳見表2。

表2 云南省城市化與水資源協調發展類型劃分

1.3.3 數據標準化處理由于城市化與水資源評價指標存在數量級、量綱和指標屬性的差異[22]，因此需要對指標原始數據進行標準化處理。本研究中，采用標準差標準化法對原始數據進行標準化處理。計算公式為：

(1)

1.3.4 權重的確定確定指標權重的方法主要有層次分析法(AHP)、主成分分析法、熵權法、變異系數法、德爾菲法(Delphi)等。其中，熵權法通過指標信息熵的計算確定指標權重，能較好地消除了人為因素對指標權重確定的影響[23]，故本文采用熵權法確定指標權重。其計算結果詳見表1。

1.3.5 耦合度模型本文引入耦合度模型，把城市化與水資源兩個系統相互作用彼此影響的現象定義為城市化與水資源的耦合。通過耦合度的計算，評價兩系統相互作用的強弱程度。耦合度越大，系統之間的發展方向越有序，關系越趨于穩定[24-26]。其計算公式為：

(2)

(3)

式中：U，W分別為城市化綜合發展水平和水資源綜合水平;xij′為第i個年份的第j項指標的標準化數據;Wj為第j項指標的權重;C為耦合度,C∈[0,1]。

1.3.6 耦合協調度模型由于耦合度只揭示系統間相互影響、相互作用的程度，無法反映城市化與水資源的協調發展狀態。因此，在耦合度計算的基礎上，引入耦合協調度模型，定量測算云南省城市化與水資源的協調發展狀態。劃分標準詳見表2。其計算公式為：

(4)

T=α·U+β·W

(5)

式中：D為耦合協調度;T為城市化與水資源的綜合發展指數;U，W分別為城市化綜合發展水平和水資源綜合水平;α，β為待定系數，本研究認為兩系統的貢獻度同等重要,因此取α=β=0.5[27]。

2 結果與討論

根據公式(2)—(5)計算得到2008—2017年云南省城市化與水資源耦合度、發展度與協調度，并根據協調發展類型劃分標準(表2)對研究時段內云南省城市化與水資源協調發展類型和對比類型進行劃分結果(詳見表3)，并在此基礎上對二者的協調狀態進行定量評價。

表3 云南省城市化與水資源協調性評價結果

2.1 城市化與水資源協調發展的時間序列特征分析

2.1.1 城市化與水資源耦合度C與發展度T分析城市化與水資源耦合度C反映了兩系統內部的依賴程度。由表3可知，云南省城市化與水資源耦合度C在2008年為0.834 0，自2009年起，耦合度C值均在0.9以上。隨著城市化進程，云南省人口城市化、土地城市化和經濟城市化各項指標均呈逐年上升趨勢。與此同時，水資源系統中，萬元GDP用水量逐年下降，城市污水處理率逐年增加，水資源效率提高。這表明，云南省經濟社會發展進程中，城市化與水資源的相互依賴程度較高，城市化進程促進了水資源效率提高，同時水資源對經濟社會發展支撐能力的提高又有效推動了城市化進程。

由表3和圖1可知，云南省城市化與水資源發展度T由2008年0.191 1增加至2017年的0.895 3，發展度增加幅度較快。這表明，云南省城市化與水資源總體發展趨勢良好，水資源對經濟社會發展的支撐能力較強。

2.1.2 城市化與水資源協調度D分析由表3和圖1可知，研究時段內(2008—2017年)，云南省城市化與水資源協調度D呈逐年增長特征，且增幅較大。2008年協調度D僅為0.399 2，屬于低度失調類型，之后協調度D逐年增長，協調發展類型依次轉變為瀕臨失調、初級協調、中度協調、良好協調和優質協調。這表明，云南省城市化與水資源協調發展趨勢良好，水資源對城市化的支撐有效促進了云南省經濟社會發展。

2.1.3 城市化與水資源對比類型分析由表3和圖1可知，2008—2012年云南省城市化綜合指數U的增長速度略低于水資源綜合指數W的增長速度，呈現城市化滯后特征；自2013年起，城市化綜合指數U增長至0.642 8，與此同時，水資源綜合指數W僅為0.606 8，開始呈現水資源滯后特征。綜上所述，研究時段內，云南省城市化與水資源對比類型表現為，由城市化滯后向水資源滯后轉變。

圖1 云南城市化與水資源耦合協調變化

2.1.4 城市化與水資源協調發展階段分析按照表3云南省城市化與水資源協調性評價結果，并結合表2城市化與水資源協調發展類型劃分標準，云南省城市化與水資源協調發展先后經歷了2個階段：失調階段和協調階段。失調階段(2008—2009年)：該階段協調度D由2008年0.399 2增加至2009年的0.493 8，這表明，云南省總體城市化與水資源兩系統總體在由無序向有序轉變，但仍處于低度失調和瀕臨失調的失調階段。協調階段(2010—2017年)：該階段自2010年起，協調度D值增加至0.639 8，為初級協調類型，城市化與水資源協調發展狀態進入到協調階段，并隨著協調度D值的增加，逐漸由初級協調向中級協調、良好協調和優質協調轉變，全省城市化與水資源兩系統總體協調發展狀態良好。

2.2 城市化與水資源耦合協調發展的空間格局特征分析

由公式(2)—(5)計算得到2008與2017年云南省各市(州)城市化與水資源協調度D，并根據城市化與水資源協調發展類型劃分標準(表2)，在GIS技術支持下，分別對上述兩個時段各市(州)城市化與水資源的協調發展類型進行劃分，進而揭示不同時段云南省城市化與水資源協調發展的空間格局特征，以及空間格局的變化特征。根據協調度D的計算結果，并在GIS技術支持下，分別得到2008年和2017年各市(州)城市化與水資源協調的空間格局，結果詳見圖2，表4—5。通過圖2可以發現，2008—2017年云南省16個市(州)城市化與水資源協調發展類型的數量組成與空間格局發生了變化。從協調發展類型的數量組成看，2008—2017年云南省16個市(州)城市化與水資源協調發展狀態的類型和階段沒有發生變化，仍劃分為良好協調、中部協調、初級協調、勉強協調、和瀕臨失調5種類型，2個階段(協調階段和磨合階段)，但協調類型和階段的數量及市(州)組成有所變化。從協調發展類型的數量組成與空間分布特征看(表4，圖2所示)，2008—2017年云南省16個市(州)中，處于“良好協調”類型的市(州)無論從數量看還是組成看，均未發生變化，依然僅為省會昆明市；處于“中度協調”類型的市(州)從1個增至2個，新增楚雄州；處于“初級協調”的市(州)增至7個，新增德宏州和迪慶州；處于“勉強協調”類型的市(州)減至5個，其中臨滄市由“瀕臨失調”升至“勉強協調”；處于“瀕臨失調”類型的市(州)減至1個，僅剩昭通市。從協調發展階段變化看(表5)，2008—2017年全省16個市(州)城市化與水資源協調發展分屬于2個階段(協調階段和磨合階段)。其中，處于“協調階段”的市州由8個增加至10個，新增德宏州和迪慶州，主要分布于滇中、滇南和滇西；處于“磨合階段”的市(州)由8個減少至6個，主要分布于滇西南、滇東南和滇東北。綜上所述，全省總體呈現以昆明為中心，從中部“協調”型，逐步轉變為邊緣“失調”型的空間變化特征。