福州市城市化與水環境耦合模型研究

陳安麗 林濤 鐘穎萍 潘輝 丁國昌

（福建農林大學藝術園林學院 福建福州 350002）

0 引言

隨著城市化進程的加快，土地不斷擴張，生態景觀已經逐漸被建設用地所取代， 使得城市化和生態環境之間的矛盾愈加突顯。 研究表明城市化和生態環境交互耦合的問題成為近10 年國內外的熱點研究領域［1］。 而水作為生態系統中最活躍的生態因子，為維持生態系統平衡起著至關重要的作用，使得城市化和水環境之間的耦合關系的探究變得尤為矚目。 從方創 琳 等［2-5］和Ruth 等［6］研 究 對 城 市 化 與 水 生 態 環 境 耦 合 關 系進行整理，得出兩者的交互耦合關系：城市化不斷提高水資源的需求量增大對水環境產生脅迫作用，當發展趨于平衡時，城市化促進城市居民用水技術， 節約用水的意識教育及水資源的管理水平等得到了提高。 反之，水資源作為城市化的資源能量，水環境的消耗和破壞也會約束城市化的發展。 福州作為沿海省會城市， 研究耦合關系對福州城市化與水環境的協調發展有著重要指導作用。

1 研究區域概況

作為海上絲綢之路的門戶——福州，原為海灣盆地，自古有“江城福地”之稱。 枕山臂江，北面三面環山，南面傍依烏龍江，閩江穿城而過，自西北向東南順勢而下，城內河網星羅棋布。 且受亞熱帶季風氣候影響，年降雨量大，水資源豐富，福州市2017 年年降水量1 481.5 mm， 水資源總量95.15 億m3，人均水資源量1 320 m3。 但由于水資源利用率不足［7］，工業污染排放等問題制約著福州城市化的發展，導致了水環境危機。

2 研究方法

2.1 指標體系建立

城市化的關鍵在于人口土地、經濟發展、資源環境、人民生活的城市化，張榮天等［8］將城鎮化系統分為人口、空間、經濟、社會4 個方面。 基于城市化內涵與本文研究目的，運用頻度分析法識別出人口城市化、經濟城市化、空間城市化、社會城市化4 個主控要素，15 個二級指標，構建城市化系統評價指標體系。 其次，在城市過度開發的過程中，原始的水文條件發生改變，良性的水文循環系統遭到破壞。 水環境的質量狀態、社會經濟發展、 人類活動影響等多方面因素都影響著城市水環境系統。 依據PSER 模型，從水環境壓力、水環境狀態、水環境響應3 個方面［9］選取了13 個二級指標，建立水環境系統評價指標體系［10］。

2.2 數據來源

研究數據主要來源于福州市2006 年至2017 年 《福州統計年鑒》《福州國民經濟和社會發展統計公報》《中國城市統計年鑒》《中國城市建設統計年鑒》《福州市水資源公報》《中國環境年鑒》《福建企業年鑒》。 為保障統計數據的完整性和準確性，只選取2006 年至2017 年。

2.3 標準化處理

基于科學性、 有效性的原則， 為消除原始數據間量級差異，將采用極差標準法對數據進行無量綱處理，正向型指標表示指標越大越有利于城市化與水環境的耦合， 逆向型指標表示指標越大越不利于城市化與水環境的耦合，即

正向指標“+”：

負向指標“-”：

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為所有樣本歷年中j 指標的最大值；xjmin為j 指標的最小值。

福州市城市化與水環境耦合關系評價指標體系見表1。

2.4 指標權重的設定

為了消除各評價指標測量尺度與量綱不同的影響， 采用變異系數法來確定各指標的權重［11］。 變異系數是原始數據標準差與平均值之比，如公式（3）：

表1 福州市城市化與水環境耦合關系評價指標體系

式中：為變異系數；為標準差；為平均值。 其中

再通過歸一化處理，即可獲得各項指標的權重wj，見表1。

2.5 綜合評價指數的計算

將式（6）處理后求得的各指標權重與標準化后的數值運用加權求和平均值法進行計算， 得出城市化綜合評價指數F（x）和水環境綜合評價指數G（y）。

城市綜合評價指數：

水環境綜合評價指數：

式中：wi和wj為各項指標的權重；xi和yj分別城市化和水環境的單項指標。

2.6 耦合協調度模型

城鎮化與水環境耦合系統是一個具有交錯性、 多維性和協同性的城市復合系統， 采用城市化與水環境耦合協調度模型能有效定量評價其耦合協調度。

城市化與水環境耦合度C：

式中：C 越大表示城市化與水環境之間處于良好狀態， 耦合度越高；反之越小。

城市化與水環境綜合協調和指數T：

式中：T 反映城市化與水環境整體協同效應，α 與β 是待定系數，將α=β=0.5。

城市化與水環境協調度D：

式中：D∈（0，1），D 越大表示城市化與水環境之間處于良好狀態，協調度越高；反之越小。

2.7 耦合協調度等級判定

當耦合度C=0 時， 城市化與水環境之間關系微乎其微可視為不相關，系統將向無序發展；當耦合度0＜C≤0.3 時，處于低水平耦合階段， 城市化對水環境破壞程度不大； 當耦合度0.3＜C≤0.5 時，處于頡頏階段，城市化不斷提高水資源的需求量增大對水環境產生脅迫作用， 水環境承載力不能滿足城市化發展；當耦合度0.5＜C≤0.8 時，處于磨合階段，城市化發展的同時開始注重對水環境的修復， 使得城市化與水資源環境建設相輔相成，共同發展，環境進入良性耦合；當耦合度0.8＜C＜1 時，處于高水平耦合階段，城市化與水資源環境建設相輔相成共同發展城市化；當耦合度C=1 時，城市化與水環境形成良性共振耦合階段，城市化和水環境的高度和諧統一，系統將趨于新的有序結構。

當協調度0＜D≤0.4 時， 處于極度失調發展； 當協調度0.4＜D≤0.5 時，處于中度失調發展；當協調度0.5＜D≤0.6 時，處于勉強協調發展；當協調度0.6＜D≤0.8 時，處于中級協調發展； 當協調度0.8＜D≤0.9 時， 處于良好協調發展； 當協調度0.9＜D≤1 時，處于優質協調發展。

3 結果分析

3.1 福州市城市化水平時序特征

通過采用變異系數法確定城市化系統中一級指標層的權重，所占比重分別為人口城市化0.128 5、經濟城市化0.340 7、空間城市0.344 8、社會城市化0.186 0（見表1），其中空間城市化權重比例最大，波動趨勢與城市化綜合指數相似，上升趨勢最為顯著，是影響福州市城市化綜合水平發展最主要因子（見圖1）。 福州市2006 年至2017 年城市化綜合水平由0.05 上升至0.95，整體呈高漲趨勢（見圖2）。進一步分析，可將福州市城市化綜合水平分為三個階段。

圖1 福州市城市化四項指標變化

第一階段：低速起步發展階段，2006—2007 年。 介于該階段，城市化指數偏低，總體上升趨勢偏慢，除空間城市化呈減少趨勢外，經濟城市化、人口城市化和社會城市化均呈增長趨勢。

第二階段：高速波動發展階段，2008—2012 年。 介于該階段，由于2008 年由中國承辦奧運會，很大程度上加快了中國城市化發展的進程，城市化的發展指數在2008 年產生了巨大的提升。 此后城市化指數在總體仍呈上升趨勢下映現明顯的波動，其中，經濟城市化波動較小保持增長趨勢，空間城市化與社會城市化期間有出現負增長的波動， 人口城市化負增長的波動嚴重，2010 至2012 年第三產業就業人口比重大幅度的下降是其負增長的重要因素。

第三階段：穩健高質發展階段，2013—2017 年。 介于該階段，城市化增長幅度較小，但處在高指數水平并持續增長。 其中，社會城市化和人口城市化處于平緩發展狀態，空間城市化和經濟城市化高速發展， 由此看出城市空間在一定程度上滿足人口增長，有利于經濟高速的發展，城市化處于穩健高質量水平，但社會城市化仍有很大提升空間。

3.2 福州市水環境水平時序特征

通過采用變異系數法確定水環境系統中一級指標層的權重，所占比重分別為水環境壓力0.361 6、水環境狀態0.366 7、水環境響應0.271 6（見表1），其中水環境狀態權重比例最大，波動趨勢與水環境綜合指數相似（見圖3），是造成福州市水環境綜合水平波動影響主要因素。 縱觀水環境綜合指數的變化趨勢，2007 年后總體呈水平波動趨于良好狀態，對照城市化綜合指數來看指數上升相對緩慢，波動更大（見圖2）。 由水環境壓力、水環境狀態、水環境響應3 項指標變化趨勢共同決定的水環境綜合水平可以劃分成3 個階段。

圖3 福州市水環境三項指標變化

第一階段：短暫衰退發展階段，2006—2007 年。 介于該階段，三項指標均為下降狀態。 其中，水環境狀態中指標均明顯下降， 水環境響應中建成區排水管密度由8.18 km2大幅度下降至5.90 km2。 此階段水環境壓力雖然有所降低，但水環境狀態不理想且水環境的保護存在不全面不充分， 對市政排水系統的構建還未得到重視。

第二階段：波動回升發展階段，2008—2012 年。 介于該階段，水資源綜合指數顯露巨大的波動。 其中，水環境壓力指數逐步遞增在2012 年指數飛躍至0.319 3，水環境響應指數呈曲線回升，水環境狀態指數呈折線波動。水環境綜合水平在2011年顯露下降趨勢，狀態指數和響應指數都出現最低值。 受年降雨量、 人均水資源大幅度下降狀態指數從0.218 8 下降至0.0501，對環境綜合水平影響最為強烈。 此階段水環境綜合水平不太理想，但可以看出在后期保護措施的不斷加強下，水環境綜合水平回歸良好趨勢。

第三階段：緩慢遞增發展階段，2013—2017 年。 介于該階段，除2016 年水環境綜合指數劇烈波動達到最高值，整體呈緩慢穩定遞增狀態。 其中，水環境壓力在逐步遞減，水環境響應逐步遞增，水環境狀態逐步遞增的過程中在2016 年產生大幅度提升，2012 年4 月“海綿城市”的概念首次提出，開始其探索和實踐。2016 年福州市成功入選第二批海綿城市試點城市，推動了福州市對水環境的優化能力， 促使水環境質量得到有效改善，并使水環境綜合水平處于良好階段，往可持續、友好型環境發展。

3.3 福州市城市化與水環境耦合協調度時序特征

從耦合協調度模型得出福州市城市化與水環境的耦合度和協調度發展趨勢（見圖4），耦合協調度在2008 年出現最大幅度提升且在2011 年出現最大幅度降低。 經等級評定耦合關系由整體上低耦合失調狀態趨于高耦合良好狀態（見表2）。結合福州城市化和水環境綜合指數對比（見圖1），將耦合關系進行時序分析。

圖4 2006—2017 年福州市城市化與水環境耦合關系

第一階段：2006—2007 年處于低水平與頡頏耦合階段。城市化滯后于水環境， 城市化初步加快增長并對水資源的需求量增大。 城市化對水環境產生脅迫作用，耦合初期出現極度失調現象。

表2 2006—2017 年福州市城市化與水環境耦合關系

第二階段：2008—2012 年處于城市化與水環境交叉共振耦合階段。 當城市化開始重視城市居民的用水技術、節約用水的教育及水資源的管理水平時，水環境得到初步提升。 反之，水環境的長期消耗和破壞仍約束城市化的發展。 在兩者交互高水平耦合過程中，2010 年達到良性共振， 但2011 年耦合協調度大幅度下降，耦合中期仍處于不穩定狀態，整個階段呈現勉強中度協調。

第三階段：2013—2017 年處于高水平耦合階段。水環境滯后于城市化，兩者指數都處于較高位置穩定發展。 水環境得到一定程度的有效地開發和利用， 促使城市化達到穩健高質量的發展。 同時，水環境質量也在城市化的積極措施作用下邁入可持續友好型環境。 耦合后期兩者相輔相成、相得益彰起到良好協調的作用。 另外，水環境在2016 年達到最大值時，城市化與水環境耦合度處于優質協調的高水平耦合狀態。 故縱觀福州市城市化和水環境耦合協調度的發展趨勢， 現階段水環境綜合水平還有待提升，需緊跟城市化發展的腳步。

4 結語

對福州市2006—2017 年的耦合協調度模型研究表明：整體上城市化緊跟時代腳步，朝著上升趨勢不斷發展，空間城市化對福州市城市化綜合水平作用最大。 人均GDP、人均社會消費品零售總額、城市人口密度、城鎮人口均居住面積、人均擁有道路面積、 萬人擁有醫生6 個因子為影響城市化綜合水平中主要因素。 優化轉型產業結構，提高土地集約利用，建設綠色基礎設施，完善現代化城市功能。 水環境波動大發展緩慢，落后于城市化發展， 水環境狀態對福州市水環境綜合水平作用最大。 城鎮人均日生活用水量、萬元GDP 用水量、萬元工業增加值用水量、人均水資源量、年降雨量、城市人均公共綠地面積、 排水管網密度7 個因子為影響水環境綜合水平中主要因素。 優化調整資源需求，有效開發利用資源，注重水環境安全隱患，解決洪澇災害問題。

福州城市化與水環境耦合關系整體上呈現波動上升趨勢，后期增長緩慢，耦合過程體現了城市化與水環境內部間相互制衡、相互促進。 以資源節約型和環境友好型作為城市化建設的導向，推動高新技術的革新，使創新驅動城市化和生態環境耦合關系的提升。