水資源系統對鄱陽湖流域城鎮化的響應關系研究

傅 春，羅 勇，裴伍涵，鄧俊鵬，王樂志

（南昌大學建筑工程學院，南昌330031）

城鎮化是社會發展的必然，城鎮化所帶來的各種各樣的問題也是無法回避的。城鎮化的發展不僅可以擴大國內的需求，促進社會經濟的繁榮，而且能夠吸引巨大的投資，帶動整個社會的發展［1，2］。水資源是推動城鎮化進程和支撐經濟發展的關鍵性資源。如果將城鎮化與水資源系統割裂開，盲目追求城鎮化，而忽視對水資源系統科學合理的開發利用，則可能會影響我國很多地區的城鎮化進程甚至影響整個國家的城鎮化進程，從而導致經濟社會的可持續發展受阻［3］。所以在城鎮化快速發展的進程中，必須充分考慮城鎮水資源系統的實際情況從而進行科學合理的配置，促進二者有機協調、可持續發展［4］。城鎮化與水資源系統的研究也是國際熱點。NAYAN N K 等［5］對城鎮化與城鎮水資源之間的關系進行研究，探究城鎮化對其供求平衡及其內在聯系；PLETO J V R 等［6］研究Meycauayan 河與城市化的關系，發現Meycauayan 河的惡化是快速工業化，城市化和人口增長的結果；LUO P P 等［7］對典型干旱國家埃及的水資源管理的歷史評估和未來可持續性挑戰進行研究。國內雖然起步稍晚一些，但是研究成果豐碩，主要研究了城鎮化與水資源的相互影響機制、城鎮化對水資源用水效率、水資源配置等方面的影響及制約機制。焦士興等［8］研究了江西省城鎮化進程與水資源利用的響應關系、蔣元勇等［9］對南昌城市化與水資源環境交互耦合作用關系進行分析、ZHANG X L 等［10］采用隨機前沿分析模型對2007-2017年黃河流域農業用水效率進行了測算、張清華［11］對缺水比較嚴重的華東北部地區進行了水資源可持續利用評價、王娜等［12］利用生態足跡理論、LMDI、Topic 模型研究了干旱區水資源利用與經濟發展關系、張明貴采用基尼系數、泰爾指數及加權變異對新疆、陜西等西北部干旱區域的水資源利用與經濟要素匹配關系進行了研究［13］。

干旱地區是典型的缺水區域，因此政界、學界格外重視其水資源利用，傳統研究中也對其進行了大量研究；而對于降水比較充沛的長江中下游地區的城鎮水資源利用尚未引起足夠重視，面對人口城鎮化和快速城鎮化，水資源管理變得更加復雜。基于此，本文選取長江中下游典型濕潤區鄱陽湖流域作為研究對象，結合鄱陽湖流域實際情況，構建城鎮化與城鎮水資源利用的綜合評價體系，運用SPSS 相關分析、響應度模型定量分析城鎮化發展水平與城鎮水資源利用的相互作用機制及響應特征。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

鄱陽湖流域位于N 24°29′～30°04′、E 113°34′～118°28′。全省總面積16.69 萬km2，人口4280 萬，河流2 400 多條，總長約18 400 km2，主要河流有5 條。全省多年平均降水量1 638 mm，遠遠超過濕潤區800 mm 的界限，屬于典型濕潤區。多年平均水資源總量1 565 億m3。以2018年為例，全省水資源總量1 149.09 億m3，人均水資源占有量2 462 m3，人均國內生產總值4.73 萬元。平均氣溫為18.9 ℃，降水量為1 543 mm，日照為1 735 h。

1.2 研究方法

1.2.1 指標體系的構建

基于前人的研究，綜合考慮城鎮化與城鎮水資源兩大系統實際現狀和數據的可獲得性、指標體系的科學性、客觀性、典型性與獨立性原則，從城鎮化與城鎮水資源利用兩大方向構建指標體系，分別從社會、人口、經濟和空間［14，15］4 個維度構建城鎮化系統二級指標體系，加入人均消費水平、人口規模、人均GDP、城鎮密度等三級指標，共計19個指標來測評城鎮化水平。其次，對于城鎮水資源系統，主要從自然稟賦、用水負荷、利用效率、管理質量［16，17］4 個方面構建水資源系統二級指標體系，加入人均城鎮居民用水量、人均水資源擁有量、工業重復用水率、萬元GDP 用水量、城鎮污水處理率等三級指標，共計15 個指標來測度水資源綜合利用水平，具體見表1。

表1 城鎮化與水資源利用評價體系Tab.1 Urbanization and water resources utilization evaluation system

1.2.2 熵權法確定權重

根據各指標的標準化值，運用熵權法，計算得到各指標權重［18］。

其中，k=＞0，滿足ej≥0。

式中：ej為第j項指標的熵值；pij為第j項指標在第i年所占的比重，xij表示為i=1，…，n，j=1，…，m；wj為第j項指標的熵權；規定當pij=0時，ln(pij)=0。

1.2.3 綜合指數計算

由權重值與標準化后的值相乘，就可以得到城鎮化綜合發展指數和水資源綜合利用指數。

式中：Fi，Si分別為第i年城鎮化綜合指數和水資源綜合利用指數；wij，kij分別為城鎮化和水資源的綜合指數第j個指標的熵化權重；zij為標準化后的指標值。

1.2.4 城鎮化與水資源系統的相關分析

伴隨著城鎮化的發展，許多生態環境問題尤其是城鎮化與水資源利用之間的相互作用及其博弈關系，早已受到學界和政界的廣泛關注。主要集中在以下3個方面：

第一，城鎮化進程中水資源系統的壓力。隨著城鎮化的快速發展，工業化得以迅猛發展，城鎮人口急劇增加，城鎮生產生活需水量和廢污水排放量明顯增加，供需矛盾日益突出［19］。

第二，城鎮化進程中水資源系統的貢獻。水資源是城鎮的“血液”，無論是城鎮人口的衣食住行等日常生活，還是工業的飛速發展都離不開水資源［20］。而且水資源還可以改善生態環境以及居住條件，是吸引投資和吸引人才的重要氣候、環境因素，也是城鎮活力所在。

第三，城鎮化發展進程與水資源系統的相關關系。城鎮化進程中，農業、綠化用地不斷減少，城鎮建設及工業用地不斷增加，城鎮生活生產用水量明顯增加；同樣的城鎮生活生產污廢水排放量明顯增加，人與自然、生態、環境、水資源的矛盾日益加劇［20］。隨著人們生態環保意識增強，為了保護和進一步開發有限的水資源，水利建設和水環境修復投資將有所加強，社會發展對生態環境系統以及水資源系統的影響逐步升級［21］。在城鎮化進程中，社會經濟、水資源、生態環境這三個系統相互制約、相互促進，其相互影響機制見圖1。

圖1 城鎮化與“社會經濟-水資源-生態環境”復合系統的相互影響機制Fig.1 The interaction mechanism between urbanization and the“social economy-water resources-ecological environment”complex system

1.2.5 響應度模型

響應指數表示函數中因變量對自變量所產生變化的敏感程度，通常用響應度來表征。以城鎮化綜合指數為自變量，城鎮水資源綜合利用指數及各分量指數為因變量構建響應度模型，揭示城鎮化發展與城鎮水資源綜合利用的響應關系及作用強度［22］。

式中：ξj為T時期內的城鎮水資源系統第j個分量對城鎮化的綜合響應度；θj(t)為t年第j個水資源子系統對城鎮化系統的響應系數；Ut為第t年城鎮化綜合評價指數；βjt為t年第j個水資源子系統綜合評價指數。

2 數據來源及數據處理

2.1 數據來源

2006-2018年《江西省水資源公報》；2007-2019年《江西省統計年鑒》；2006-2018年《江西省環境狀況年報》；國家統計局官網年度數據庫或依據有關數據經過運算整理獲得。

2.2 數據處理

因各項指標的量綱、量級、單位均有所不同，若不對數據進行標準化處理，不易比較而且易對結果產生偏差，因此采用極差標準化法對原始數據進行標準化處理［23］，指標數值經標準化后均可限定在［0，1］范圍內。

3 研究結果與分析

3.1 鄱陽湖流域城鎮化綜合發展水平

城鎮化發展水平各指標的權重見表1。權重值排序為：X1（0.280）≥X4（0.280）＞X3（0.229）＞X2（0.211），這說明相較于其他指標，社會城鎮化、空間城鎮化因素對鄱陽湖流域城鎮化發展影響最大。在選取的19個指標中，影響鄱陽湖流域城鎮化發展的主要因素為單位人口交通、醫療等城鎮公用基礎配套量。鄱陽湖流域城鎮化綜合發展指數變化趨勢如圖2所示。結果表明：2006-2018年，鄱陽湖流域城鎮化綜合發展潛力及水平整體呈逐年上升趨勢，其中2007-2010年和2016-2018年城鎮化發展進程加快，2015-2016年鄱陽湖流域城鎮化發展水平有微弱下降。2006-2018年空間城鎮化發展指數呈直線型，社會城鎮化、人口城鎮化、經濟城鎮化整體呈同步上升趨勢。經濟發展、人口非農化是城鎮化發展的主要動力，2009年以來鄱陽湖流域完善了城鄉公共就業服務體系，提升了地區交通通達度，提高了城鄉居民可支配收入，拓寬了城鎮空間格局，鄱陽湖流域城鎮化得以快速發展。

圖2 鄱陽湖流域城鎮化綜合發展指數Fig.2 Comprehensive urbanization development index of Poyang Lake Basin

3.2 鄱陽湖流域城鎮水資源利用水平

通過熵權法計算獲得鄱陽湖流域城鎮水資源綜合利用各評價指標的權重見表1，權重值排序為：Y4（0.349）＞Y3（0.258）＞Y2（0.212）＞Y1（0.182）。這說明相較于其他指標，降水充沛的濕潤區水資源管理質量、水資源利用效率因素對城鎮水資源利用影響最大。在選取的15個指標中，對鄱陽湖流域城鎮水資源利用影響較大的因素主要是工業、公用及生活等用水指標以及污廢水處理及排放指標。鄱陽湖流域城鎮水資源利用指數變化趨勢如圖3所示。結果表明：2006年到2018年間，鄱陽湖流域城鎮水資源利用指數整體呈波動上升趨勢，反映了鄱陽湖流域城鎮水資源綜合利用呈現良性發展狀態。水資源用水負荷指數呈上升趨勢，隨著城鎮化快速發展，人口、產業不斷向城鎮聚集，生產、生活用水量不斷增加，鄱陽湖流域城鎮用水壓力逐年上升，水資源管理水平、利用效率、農業以及工業用水效率都得到提升。水資源管理質量水平指數逐年增加，表明用水治水節水能力不斷提高，水功能區水質達標率、城鎮污水處理率，萬元工業增加值廢水排放量這些指標都在朝著好的方向發展，水資源管理與治理水平逐漸提高。

圖3 鄱陽湖流域城鎮水資源綜合發展水平Fig.3 Comprehensive development level of urban water resources in Poyang Lake Basin

3.3 鄱陽湖流域相關響應分析

3.3.1 城鎮化與城鎮水資源利用的相關分析

借助SPSS 軟件對鄱陽湖流域水資源各準則層與城鎮化各準則層的相關性進行分析（表2），結果表明水資源系統中（用水負荷、管理質量、利用效率）均與城鎮化各分量（社會、人口、空間、經濟）存在比較強的相關性；水資源系統中的自然稟賦條件與城鎮化各分量的相關性均不顯著，說明水資源系統中自然稟賦受降雨等自然水文條件的影響比較強烈。城鎮化系統中各項分量指數與城鎮水資源系統中的用水負荷均呈現出較強的負向相關性，表明鄱陽湖流域水資源的負荷壓力受城鎮化發展狀況的影響較大，城鎮化發展對城鎮水資源系統產生了明顯的消耗效應。相反，水資源管理質量指數及利用效率指數與城鎮化各分量指數均表現為顯著的正向相關，表明城鎮化的發展，大力促進了城鎮水資源管理質量和利用效率的顯著提高，城鎮化各項準則層與水資源各項準則層的相關關系見表2。

表2 城鎮化各分量與水資源各分量的相關關系Tab.2 Correlation between each component of urbanization and each component of water resources

3.3.2 城鎮化與城鎮水資源利用的響應函數

為了探尋城鎮發展與水資源利用的內在奧秘，借助于分析軟件嘗試多種回歸分析。通過對城鎮化及城鎮水資源各子系統的響應指數分別進行曲線擬合，比較擬合優度、篩選結果、建立最優響應度函數（表3）。對擬合的響應函數進行檢驗，當p＜0.1 時，響應函數具有顯著性意義；p＜0.05，表示顯著；p＜0.01，表示非常顯著；測定系數R2值越大表明擬合優度越高，鄱陽湖流域城鎮水資源綜合利用對城鎮化的綜合響應函數及其檢驗見表3。

表3 2006-2018年鄱陽湖流域城鎮水資源綜合利用對城鎮化的綜合響應度及其檢驗Tab.3 The comprehensive response of urban water resources comprehensive utilization to urbanization in the Poyang Lake Basin from 2006 to 2018 and its test

3.3.3 城鎮化與城鎮水資源利用的響應分析

由表3可知，鄱陽湖流域水資源綜合利用、用水負荷、利用效率、管理質量等發展指數對城鎮化綜合發展指數的R2分別為0.928，0.900，0.988，0.990 擬合程度高，效果好，表明水資源綜合利用程度、用水負荷、利用效率、管理質量易受城鎮化發展的影響；而水資源自然稟賦R2=0.470，p＞0.1 擬合效果不好，說明水資源自然稟賦主要受自然水文條件影響，受城鎮化影響較小。鄱陽湖流域水資源綜合利用指數對城鎮化綜合指數響應度為0.558，各分量按響應度值從大到小排列依次為：管理質量（0.391）＞利用效率（0.304）＞自然稟賦（0.225）＞用水負荷（0.200），這說明水資源管理質量、利用效率較水資源自然稟賦、用水負荷更易受城鎮化的響影響；因此，在用水需求不斷增加的城鎮化發展過程中必須努力提高水資源管理質量和綜合利用效率。

如圖4所示，鄱陽湖流域水資源綜合利用指數與城鎮化綜合發展指數響應度較高。2007、2008、2009、2011、2013、2014、2017、2018年水資源綜合利用指數值均位于擬合曲線下方，此時水資源不但沒有成為城鎮化發展的動力，反而成為制約城鎮化發展的阻力。2006、2010、2012、2015、2016年均位于擬合曲線上方，2017年、2018年雖然在擬合曲線下方，但是離擬合曲線特別近，說明鄱陽湖流域水資源管理質量與利用效率都在提高，水資源綜合利用水平與城鎮化的發展趨于協調，水資源成為城鎮化發展的動力。

4 結 語

（1）2006-2018年鄱陽湖流域城鎮化發展與水資源綜合利用均整體呈增長態勢。鄱陽湖流域城鎮化發展相對穩健，水資源綜合利用過程變化比較劇烈，2011年因受降雨量影響較大，水資源綜合發展指數呈局部“V”字型。

（2）鄱陽湖流域城鎮化各子系統的上升發展趨勢較為同步。2015-2018年社會、人口、經濟指數在加速發展，弱于空間指數，說明城鎮化發展較快，但受制于人口、經濟等因數。盡管鄱陽湖流域水資源綜合利用指數、利用效率、和管理質量整體呈上升發展趨勢，但水資源負荷仍逐年增加，主要原因是城鎮公共用水量和居民生活用水量的增加抵消了工業節水及其他節水措施的效果。

（3）水資源對城鎮化系統的響應逐年增強，表明對于降雨充沛的長江中下游濕潤區，在發展城鎮化的同時也要不斷提高水資源綜合利用效率和管理質量，還要在水資源自然稟賦、用水負荷、水質水量上下工夫。城鎮化系統中各項分量指數與城鎮水資源系統中的用水負荷均呈現出較強的負向相關性，表明鄱陽湖流域水資源的負荷壓力受城鎮化發展狀況的影響較大，城鎮化發展對城鎮水資源系統產生了明顯的消耗效應。城鎮水資源系統中的水資源管理質量及利用效率與城鎮化各項分量指數都存在較為顯著的正向相關性，說明城鎮化發展的同時能夠促進城鎮水資源系統的發展，提高水資源利用效率以及水資源管理能力，緩解城鎮水資源供需矛盾、促進城鎮水資源系統的優化配置。