哈爾濱市水資源開發利用與城鎮化發展的響應關系

叢東來, 于少鵬, 陳 曦, 劉 獻

(1.哈爾濱學院 地理與旅游學院, 黑龍江 哈爾濱 150086; 2.黑龍江省寒區濕地生態與環境研究重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150086; 3.哈爾濱濕地研究院, 黑龍江 哈爾濱 150086; 4.哈爾濱學院 食品工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150086)

城鎮化是以人口和經濟活動向特定地域集中為基本特征的發展過程，是現代化的必由之路。按國家行政建制設立的市、鎮是城鎮化發展的重要空間載體，而可供開發利用的各類資源則是城鎮化發展不可或缺的物質保障。當前中國城鎮化率已接近60%，未來25 a中國城鎮化水平每提高1%所需水量、建設用地和造成的生態超載分別是過去25 a的1.88倍，3.45，2.42倍[1]，表明未來取水難度、用地難度和生態重建難度會越來越大。水是自然系統中最為活躍的因子，具有原生的生態屬性和次生的“生態—社會”關聯屬性[2]，水作為基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源[3]，已成為中國建設“生態文明”和進行“綠色發展”的重要支撐條件。新世紀以來，伴隨著中國城鎮數量的增加和城鎮面積的不斷擴大，城鎮化發展與水資源、水環境和水生態的相互作用日趨復雜。因此，探討水資源開發利用與城鎮化發展的復雜關系具有現實價值和長遠的戰略意義。

由于發達國家城鎮化發展較早，并且目前多數發達國家已進入城鎮化進程后期，因此國外對城鎮化進程與水資源開發利用相互關系的研究成果較多。主要涉及水資源管理、政策與城鎮化環境的關系[4]、水污染對城鎮化的影響[5]、城鎮化增長與水資源危機[6]、城鎮化發展階段與水資源開發利用階段的對應關系[7]等。國內學者對城鎮化與水資源開發利用關系的研究，從內容上看主要包括城鎮化與水資源系統的動態耦合及其效應分析[8]，城鎮化與水足跡、水污染的關系[9]，城鎮化進程中水資源承載力的測度[10]，城鎮化與水系統的演變[11]，城鎮化與水資源利用的互動機理和調控模式[12]，水資源對城鎮化發展的約束作用[13]等；從研究區域看，多集中在西北干旱、半干旱地區、華北地區和兩湖地區[14-16]；從研究的空間尺度看，以全國范圍、流域范圍和規模較大的城市群地區為主[17-19]。整體而言，現有成果以宏觀、中觀尺度的城鎮化發展為背景，探討城鎮化進程中水資源的承載力、約束力問題較多，而針對人水關系、地水關系相對緊張的城鎮化核心城市的研究尚有不足。基于此，本文選取北方地區典型的缺水型中心城市——哈爾濱市為研究對象，評價其水資源開發利用與城鎮化發展狀態，并建立二者的響應關系模型，以期揭示城鎮化進程與水資源開發利用的作用機制。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

哈爾濱市是黑龍江省省會，地處東北亞中心位置，是中國東北北部的區域性中心城市、哈長城市群的核心城市之一和第一批國家新型城鎮化綜合試點城市。同時，哈爾濱也是中國重要的制造業基地和商品糧基地。作為東北地區“T”型經濟網絡的關鍵節點和哈大齊工業走廊的起點，哈爾濱是地區經濟的增長極和人口的聚集地。截止到2017年末，哈爾濱市轄9區9縣(市)，全市常住人口1092.9萬人，其中戶籍總人口955萬人，常住人口城鎮化水平64.5%；市域總面積53 076 km2，其中市轄區面積10 193 km2，建成區面積434 km2；國內生產總值6.355億元，占全省國內生產總值39.2%。

哈爾濱市為北溫帶大陸性季風氣候，年降水變率較大。水資源空間分布呈東—中—西依次遞減的格局，具有東豐西欠、貧富不均的特征。市域多年平均降水量為611 mm，6月至9月汛期徑流量占多年平均徑流量的60%～75%，多年平均水資源量為1.14×1010m3，地下水資源總量約為3.00×109m3。松花江干流中段在哈爾濱穿城而過，城市過境水資源相對豐富。2017年，全市人均綜合用水量708.3 m3，萬元工業增加值用水量22.9 m3。按照國際通行的水資源緊缺指標判斷[20]，哈爾濱市屬于中、重度缺水地區。2008年到2013年，哈爾濱市先后被列為第三批全面節水型社會建設試點地區，國家級水生態系統保護與修復試點城市，第一批全國水生態文明城市建設試點。但受水資源時空分布不均，水質污染和用水供需矛盾突出等因素影響[21]，哈爾濱市社會經濟發展與水資源開發利用的形勢依然嚴峻。

1.2 指標體系和研究方法

系統論的視角有利于揭示“人—地—水”復合系統內部的相互作用及其整體性特征，按照“要素—子系統—系統”的構成關系[22]，本研究通過選取要素指標構建城鎮化系統和水資源系統，評價其發展狀況，并運用響應度模型分析二者的響應關系。

(1) 要素指標。通過理論分析和頻度統計法初步選取城鎮化系統和水資源系統的基本要素指標。運用SPSS19.0軟件篩選出相關系數較大的指標并予以去除，再利用因子分析法，提取累計貢獻率超過85%的指標作為終選指標[16]。由于水資源系統要素指標的統計數量及統計年份都有一定的局限，因此綜合考慮數據的可得性，對少部分相關系數較高但對系統評價重要的要素指標予以保留，最終確定的要素指標詳見表1。

表1 哈爾濱市城鎮化系統與水資源系統評價體系及指標權重

(2) 系統、子系統綜合評價指數。采用層次分析法，結合熵權法對初始指標進行修正[23]，并進行標準化處理。運用逐層加權法分別計算系統、子系統綜合評價指數。

(3) 水資源系統與城鎮化系統的響應指數和響應度模型。響應指數通常用響應度來表達，其內涵來自于經濟學點彈性的概念，表示因變量對自變量變化的敏感程度。響應度模型[24]可以揭示水資源開發利用與城鎮化發展的響應關系及作用強度。

(1)

(4) 水資源子系統和城鎮化子系統的相互作用。采用SPSS19.0軟件，對水資源和城鎮化的子系統 相關系數矩陣進行運算，得出相關系數及其p值，據此判斷二者之間的關聯程度和作用機制。

1.3 數據來源

本研究采用的2006—2017年城鎮化發展和水資源開發利用的數據，來自于相應的《哈爾濱統計年鑒》《哈爾濱市國民經濟和社會發展統計公報》《中國城市統計年鑒》《哈爾濱市水資源公報》，以及哈爾濱市水務局年度工作總結和部門決算(網址：http:∥www.hrbwrb.gov.cn/n_zwgk/n_bmysxx/)。對個別年份數據缺失的百戶城市居民汽車擁有量、生態環境用水量、城鎮生活用水量、灌溉水有效利用系數指標，進行了相關部門補充調查或相鄰年份插值法處理。

2 結果與分析

2.1 城鎮化系統綜合評價

2.1.1 城鎮化系統發展的主要影響因素 哈爾濱市城鎮化系統的主要影響因素可通過其子系統和要素指標的權重來體現(見表1)。4個子系統的影響力從大到小依次為經濟城鎮化(0.307)、人口城鎮化(0.278)、社會城鎮化(0.242)和空間城鎮化(0.173)。前三者權重合計82.7%，對哈爾濱城鎮化系統的影響較大，經濟城鎮化子系統起主導作用。在評價哈爾濱城鎮化系統的18個要素指標中，二三產業經濟密度(0.178)、城鎮人口比重(0.136)、人均GDP(0.091)等9個指標的權重合計約80%，是哈爾濱城鎮化系統發展的主要影響因素，主要影響因素指標的權重分布與城鎮化子系統權重值相互對應，可以看出影響哈爾濱城鎮化系統發展的主要影響因素集中在二三產業經濟結構、城鎮人口的規模分布和生產消費方面。

2.1.2 城鎮化系統的時序演化特征 由圖1可知，2006—2017年哈爾濱城鎮化系統及經濟、社會、空間子系統均呈同步上升、增速放緩的態勢。人口城鎮化的發展變化較為劇烈和復雜，呈前期陡增、中期波動、后期趨穩態勢。2006—2014年，經濟城鎮化和社會城鎮化滯后于人口城鎮化和空間城鎮化，說明這期間哈爾濱城鎮化發展主要受人口城鎮化驅動，其次是空間城鎮化驅動。具體表現為2006—2014年城鎮人口數量增長了1.19倍，建成區面積增加了1.33倍，城鄉人口轉變加快，外延型城市土地擴張明顯，是典型的粗放型城鎮化發展；同期經濟城鎮化和社會城鎮化雖然持續增長，但整體效率不高，城鎮化質量有待提升。2014以后空間城鎮化、經濟城鎮化和社會城鎮化穩步上升，人口城鎮化的發展趨于平穩。原因在于哈爾濱在城市發展戰略上注重人口—經濟—空間—社會發展的協調性，在空間布局上延續“北躍—南拓—中興—強縣”的空間均衡思想，人口集聚更加趨于理性；而空間城鎮化仍有較快發展原因在于哈爾濱市雙城等地撤市劃區的行政區劃變動、二三產業的布局調整，促進了哈爾濱都市圈內部土地利用的優化。

圖1 哈爾濱市城鎮化系統及其子系統綜合評價指數

根據哈爾濱城鎮化系統綜合評價指數及其年增長率的變化，可將2006—2017年哈爾濱城鎮化系統的發展分為兩個階段： ①2006—2010年城鎮化快速增長階段。此階段是東北振興戰略啟動以后的紅利釋放期，哈爾濱城鎮化發展迎來較大機遇。②2011—2017年城鎮化階梯式增長階段。這一階段中國先后提出了新型城鎮化內涵式發展和經濟新常態，東北經濟處在轉型升級的進程中，哈爾濱市通過出臺一系列以“緊湊型城市”和“精明增長”為目標的政策法規，有效控制了城市建設用地的無序蔓延，逐步提升城鎮化效率。

2.2 水資源系統綜合評價

2.2.1 水資源系統開發利用的影響因素 哈爾濱市水資源系統的4個子系統影響作用從大到小依次為水資源利用(0.383)、水資源管理(0.270)、水資源稟賦(0.179)、水資源荷載(0.168)。在構成水資源系統的18個要素指標中，水資源開發利用率(0.143)、萬元工業增加值廢水排放量(0.105)、萬元GDP用水量(0.099)等9個指標的權重和為80%，其中4個與工業用水密切相關的指標約占總權重的1/3以上，即哈爾濱水資源系統開發利用的主要影響因素是工業經濟的用水需求和用水效率，其次是水利行政管理和農業用水因素。

2.2.2 水資源系統的時序演化特征 由圖2可知，2006—2017年哈爾濱市水資源系統整體呈上升發展態勢，研究期內系統波動變化明顯，波動幅度逐漸減小。各子系統中： ①水資源稟賦波動最為劇烈，主要原因是受季風區自然條件影響，哈爾濱市年降水變率較大，研究期內降雨量最大值為2013年的4.10×1010m3，最小值為2007年的2.15×1010m3，分別比多年平均降雨量浮動+26.4%和-33.6%； ②水資源荷載在研究期的首末時間點上變動不大，水資源荷載略有增加，但整體發展過程中的變動十分明顯。2006—2008年荷載的指標值明顯高于水資源其他3個子系統，表明哈爾濱市在快速的城鎮化進程中，人口和社會經濟的發展壓力造成水資源負荷過重；2008—2013年水資源負荷持續降低，與推行嚴格的節水制度、建設節水型城市以及產業用水調整有很大關聯；2013—2017年用水負荷再次持續增加，主要是受氣候條件影響，農業用水增加較多； ③水資源管理整體上不斷提升進步，反映在水利行政經費投入占比逐年增加、城鎮污水處理率、水質監測達標率持續上升等方面，管理系統的穩步發展得益于哈爾濱水資源管理制度的高效落實和水處理技術的應用推廣； ④水資源利用與水資源系統的變動趨勢大體保持同步。萬元GDP用水量連續下降，下降幅度達132%，工業產業的水依賴逐漸減小；工業用水重復率和灌溉水有效利用系數持續增大，得益于水處理技術的提升和水利工程設施的增加。但是，在技術進步和城鎮化內涵發展的背景下，哈爾濱市人均用水量和水資源開發利用率(用水量與水資源總量的比值)兩項指標仍有明顯增加，具體表現為工業用水量減小的同時，農業用水量不斷增加，并且哈爾濱市農田灌溉用水占全市各產業用水比重常年保持在80%以上。

綜合考慮水資源系統及其子系統的變化，可以將2006—2017年哈爾濱市水資源系統的發展劃分為兩個階段。①2006—2011年波動發展階段，這一階段前期哈爾濱市水資源系統發展退化的壓力較大，后期因國家生態、環保政策調整和區域增長方式轉變使得水資源系統快速恢復和提升； ②2012—2017年階梯式發展階段，此階段在生態水文明背景下哈爾濱市進行了水生態保護與修復試點城市建設，以技術進步和產業升級為基礎水資源系統得以穩步發展。水資源系統與城鎮化系統的階段劃分在時間節點上較為接近，表明二者的發展在系統內外部環境上存在一定關聯。由于城鎮化系統和水資源系統在自身各階段的發展速度和內容并不一致，必然導致兩個系統間產生差異性的響應。

圖2 哈爾濱市水資源系統及其子系統綜合評價指數

2.3 水資源系統與城鎮化系統的響應關系分析

2.3.1 水資源系統與城鎮化系統響應關系的函數表達 一般而言，兩系統的響應關系是由A→B和B→A共同組成。A對B的響應(B→A)，是指以B為自變量，以A為因變量，考察B變動時A的變動幅度，反之亦然。因此，表征水資源系統與城鎮化系統響應關系的函數如表2和表3所示。使用SPSS19.0軟件，進行線性模型、指數模型、冪函數模型、二次項模型、三次項模型、邏輯斯蒂模型、生長曲線模型等多種曲線估計分析，對城鎮化和水資源的系統及子系統的響應指數分別進行曲線擬合，通過比較擬合優度建立最佳響應函數(表2和表3)。從響應函數的類型看，除水資源稟賦對城鎮化的響應方程為指數函數、經濟城鎮化和社會城鎮化對水資源系統的響應方程為二次函數以外，其他響應函數均為三次函數。對擬合的響應函數進行檢驗，當F>F0.1(1,10)=3.285，p<0.1時，響應函數具有顯著性意義。測定系數R2值越大表明擬合優度越高。

表2 2006-2017年哈爾濱市水資源系統對城鎮化系統的響應函數及其檢驗

注：表中Y,Y1,Y2,Y3,Y4表示水資源系統和水資源稟賦、荷載、利用、管理子系統；X表示城鎮化系統。

表3 2006-2017年哈爾濱市城鎮化系統對水資源系統的響應函數及其檢驗

注：X，X1，X2，X3，X4表示城鎮化系統和城鎮化人口、經濟、社會、空間子系統；Y表示水資源系統。

2.3.2 水資源系統與城鎮化系統的響應關系 從水資源對城鎮化的響應來看(見表2)： ①水資源管理與城鎮化擬合程度最高，其次是水資源荷載和水資源利用，水資源稟賦與城鎮化系統擬合度較低。說明城鎮化發展通過促進技術進步和提高社會組織效能，進而對水資源管理能力提升產生顯著影響。而水資源稟賦受自然條件影響較大，受人類活動影響相對較小；②水資源荷載和水資源管理對城鎮化系統的響應度較大，表明哈爾濱市的用水和水資源管理對城鎮化發展有更強的敏感性。一方面2006—2017年水資源荷載的發展呈劇烈波動的雙U結構(見圖2)，與城鎮化的發展軌跡并不具有對應性；另一方面在某些年份，如2006，2013，2017年水資源荷載與水資源稟賦的變化呈反向對應關系，反映出水資源荷載的響應強度不僅與城鎮化自身演進有關，也受區域降水等自然因素影響； ③水資源系統綜合評價指數位于擬合曲線上方(見圖3)，反映出這些年份哈爾濱市水資源系統具有較大的承載空間，能夠對城鎮化發展起支撐作用，保障城鎮化健康發展；其余年份水資源系統綜合評價指數位于擬合曲線下方，表明城鎮化對水資源系統的消耗較大，水資源對城鎮化發展產生了約束作用。

從城鎮化系統對水資源系統的響應來看(表3)： ①空間城鎮化與水資源系統擬合度最高，其次是經濟城鎮化、社會城鎮化和人口城鎮化。表明哈爾濱市水資源系統與社會—經濟—空間的城鎮化關聯性較強，而與人口城鎮化的關聯相對較弱； ②城鎮化系統及其子系統對水資源系統的響應度數值較為接近，極值差僅為0.288，說明響應的敏感性差異較小，反映出生態文明背景下哈爾濱的城鎮化發展追求生產、生活、生態的全面效益，進而優化了水資源系統結構； ③從城鎮化和水資源各類指數的響應度數值來看(表2—3)，前者明顯大于后者，表明哈爾濱市城鎮化發展對水資源系統的變動更具敏感性，水資源變動對城鎮化發展的影響有放大效應。尤其是哈爾濱城鎮化粗放式快速增長時期，大量新增的用水需求對水資源系統形成脅迫作用，增大了水資源系統衰退的風險。

圖3 水資源系統與城鎮化系統發展的關系

2.3.3 水資源子系統和城鎮化子系統的相關性分析 對哈爾濱水資源子系統評價指數和城鎮化子系統評價指數進行相關性分析，形成的4×4關系矩陣可反映出子系統間的關系(見表4)。①水資源荷載與經濟城鎮化呈“顯著”的負相關，與空間城鎮化呈“非常顯著”的負相關，表明哈爾濱市水資源的負荷壓力與經濟活動和空間擴張關聯較大。哈爾濱新區建設和城鎮空間拓展，導致水需求加大，加劇了水資源負荷；②水資源利用、水資源管理與經濟、社會和空間城鎮化都存在“非常顯著”的正相關，說明城鎮化的發展加強了水資源開發利用程度、提升了水資源管理能力，從而提高水資源利用效率； ③水資源稟賦與城鎮化各子系統均不相關，體現出水資源稟賦的自然屬性與城鎮化發展的社會經濟屬性具有一定的獨立性。

表4 哈爾濱市水資源子系統與城鎮化子系統的相關關系

注：**表示p<0.01，差異非常顯著； *表示p<0.05,差異顯著。

3 結論與建議

3.1 結 論

(1) 從發展過程看，2006—2017年哈爾濱市水資源開發利用與城鎮化發展均呈階段性增長趨勢。水資源開發利用過程變化劇烈，城鎮化發展過程相對平穩。二者均以2011年前后為時間節點，表現出前期波動、后期趨穩的階段性特征。

(2) 從系統構成看：①哈爾濱市城鎮化系統中經濟、空間和社會3個子系統的上升發展較為同步。哈爾濱市城鎮化由2014年以前單一的人口城鎮化驅動轉變為2014年以后的經濟、空間和社會城鎮化共同驅動。空間城鎮化的發展表明，在人地協調和均衡開發的前提下，哈爾濱市的外圍縣(市)、鎮尚有較大的城鎮化提升空間。人口城鎮化在研究期內起伏較大，雖然發展漸趨平穩，但是需要警惕持續人口外流帶來系統衰退的風險；②水資源系統中，受哈爾濱市自然條件影響水資源稟賦表現出明顯的不穩定性。盡管水資源利用和水資源管理整體上升發展，但水資源負荷仍有少量增加，主要原因在于哈爾濱市農業耗水居高不下抵消了工業節水和其他節水的效果。

(3) 從響應關系來看：①城鎮化系統對水資源系統的響應強度明顯高于水資源系統對城鎮化系統的響應程度。表明在哈爾濱市這類缺水城市中，城鎮化發展對水資源的變動具有更強的敏感性，水資源的量和質是制約城鎮化發展的重要因素；②空間、經濟和社會城鎮化對水資源系統響應較強，說明哈爾濱市的經濟集聚和空間擴張產生了明顯的資源消耗效應。人口城鎮化對水資源系統的響應較弱，原因在于受人口外流影響，哈爾濱市人口城鎮化的發展階段與水資源系統改善并不具有對應關系；③水資源荷載與經濟城鎮化和空間城鎮化呈明顯的負相關，表明哈爾濱市水資源的負荷壓力與經濟活動和空間擴張關聯較大，水資源開發利用受到城鎮化發展的脅迫，城鎮化對資源環境的剝奪效應明顯。水資源利用、水資源管理與經濟、社會和空間城鎮化都存在“非常顯著”的正相關，說明城鎮化的發展能夠加強水資源開發利用程度、提升水資源管理能力，促進水資源系統的優化。

3.2 建 議

(1) 運用系統觀和整體性思維解決“人—地—水”的復雜矛盾問題。①整合管理資源，協調水利、城建、土地和環保等多個部門探索新的管理機制，處理好哈爾濱市水利規劃、國土規劃和城市總體規劃的關系；②以水資源時空分布為依據，適時調整產業結構和布局，構建節水型產業體系，形成“以供定需”和“分質供水”的水資源利用格局；③保持城鎮化適度發展，推進主城區海綿城市建設，加速水生態修復和城市修補的“雙修工程”進度，實現水生態文明和新型城鎮化建設的同步發展。

(2) 加快城鄉基礎設施信息化建設，增強水資源時空調控能力和區域供水保障能力。與“數字龍江”和“智慧城市”云平臺對接，提升水資源管理的集成化和智能化水平，實現大數據驅動的水資源優化配置，實時評估和預測水資源與城鎮化的匹配程度，減少水資源對城鎮化發展的硬約束。

與社會經濟發展數據相比，水資源指標統計類型、統計年限都較為有限，在一定程度上制約了水資源與城鎮化響應關系的規律性總結。并且由于樣本數的限制，基于“點彈性”的響應模型在變量擬合的精度上受到一定限制。此外，哈爾濱市建成區與外圍縣(市)鄉在經濟發展和資源環境方面差異較大，因此市域內部差異帶來的復雜影響、人口城鎮化與水資源開發利用的作用機制等問題的解決還有待于統計數據的積累和測度模型的進一步完善。