干旱區城鎮化發展與水資源利用耦合協調研究

熱孜婭·阿曼，方創琳，2，趙瑞東

（1.新疆大學 經濟與管理學院，新疆 烏魯木齊 830046； 2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101；3.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046）

根據2016 年世界經濟論壇發布的《全球風險報告》，水資源危機、氣候變化、極端天氣、糧食危機和社會不穩定性被確定為全球五大風險，其中水資源危機主要是由水資源過度開發、人口膨脹、環境污染和城市不斷擴張導致的。 2014 年發布的《世界城鎮化前景報告》指出，全球54%的人口生活在城市，預計2050 年城鎮化率將達到66%，這將對全球用水造成巨大的壓力［1］，城鎮化與水資源有著極其復雜的非線性耦合關系［2－3］。

目前，城鎮化與水資源的關系研究主要包括城鎮化與水資源利用關系研究［4］、城鎮化對水資源利用效率影響研究［5］、水資源對城鎮化的脅迫力研究［6］、城鎮化與水資源的耦合協調研究［7－8］等。 其中，城鎮化與水資源的耦合關系已成為當前國際研究的前沿領域［9－14］，研究方法主要有TOPSIS 方法［15］、綜合環境評估模型［11］和耦合協調度模型［16－18］。 耦合協調度模型是目前較普遍和成熟的定量方法，然而相關研究存在指標選取不充分及不合理等問題，影響了耦合結果的客觀性，而且對我國西北干旱區城鎮化與水資源的耦合協調關系研究甚少。 筆者以新疆15 個行政區為例，探討城鎮化發展與水資源利用耦合協調關系的時空演變特征，以期為新疆及各行政區城鎮化發展與水資源利用提供參考。

1 研究方法

1.1 評價指標體系構建

根據數據的可獲得性，選取新疆15 個行政區作為研究對象，包括烏魯木齊市、石河子市、克拉瑪依市、吐魯番市和哈密市5 個市，昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州5 個州，塔城地區、阿勒泰地區、阿克蘇地區、喀什地區與和田地區5 個地區。 在已有相關研究中，水資源系統指標主要包括水資源條件和水資源壓力，但較難反映區域用水效率，為此本文在此基礎上增加了水資源利用效率指標，同時結合新疆用水特點，增加了有效灌溉面積和農田灌溉單位面積用水量等反映農業用水情況的指標。 將城鎮化發展與水資源利用耦合協調評價指標體系分為城鎮化發展子系統和水資源利用子系統，進一步將城鎮化子系統分為人口城鎮化、經濟城鎮化和社會城鎮化3 個方面12項評價指標，將水資源子系統分為水資源條件、水資源利用效率和水資源壓力3 個方面12 項評價指標。 新疆城鎮化子系統與水資源利用子系統耦合協調評價指標體系見表1。

1.2 數據來源

研究數據來源于2004—2019 年《新疆統計年鑒》、2003—2018 年《新疆水資源公報》與《新疆國民經濟和社會發展統計公報》。

1.3 指標標準化與權重計算

由于不同指標的貢獻不同，因此需要確定各指標的權重。 變異系數法屬于一種客觀賦權方法，能夠避免人為的主觀判斷，提高權重計算的客觀性和準確性。指標權重越大，對評價結果的影響就越大。 本文結合變異系數法與綜合評價法對城鎮化發展子系統和水資源利用子系統進行評價。 基于樣本的評價指標原始數據矩陣X和標準化數據矩陣P表達式分別為

式中：xij為第i個指標的第j個樣本值；pij為第i個指標的第j個樣本的標準化值；m為評價指標總數；n為樣本總數。

指標標準化計算公式為

權重計算公式為

式中：xmax和xmin分別為x指標的最大值和最小值；Wi為第i個評價指標的權重；δi為第i個評價指標的變異系數；Si為第i個評價指標的均方差；Ai為第i個評價指標的平均值。

1.4 綜合評價指數

根據各指標的標準化值和權重，計算城鎮化發展與水資源利用綜合評價指數（指數越大，系統狀態越好），綜合評價指數計算公式為

式中：Fk為第k個子系統的綜合評價指數。

1.5 耦合協調模型構建

城鎮化發展子系統與水資源利用子系統的耦合度C［18］計算公式為

式中：F1和F2分別為水資源利用子系統和城鎮化發展子系統的綜合評價指數。

城鎮化發展子系統與水資源利用子系統綜合協調指數T計算公式為

式中：α、β分別為城鎮化發展子系統與水資源利用子系統的權重系數，取α ＝β ＝0.5。

耦合協調度計算公式為

耦合階段和耦合協調類型的判別標準見表2。

表2 耦合階段和耦合協調類型的判別標準

耦合協調度只能反映城鎮化發展和水資源利用的耦合協調程度，不能反映結果產生的原因。 相對發展度可以彌補這一不足，其計算公式［18］為

當E ＜0.8 時，水資源利用水平低于城鎮化發展水平，說明水資源利用制約城鎮化發展，水資源利用處于粗放階段；當0.8 ≤E ＜1.2 時，水資源利用子系統與城鎮化發展子系統處于相互促進、良性互動、協調發展的階段；當E≥1.2 時，水資源利用水平高于城市化發展水平，說明水資源利用處于過度開發階段。

2 結果與討論

2.1 綜合評價指數的時空變化特征

利用式（6）、式（10）計算2003—2018 年新疆城鎮化發展與水資源利用綜合評價指數、相對發展度（見圖1、圖2 和表3），并分析其時空分布特征。 從圖1 可知，2003—2018 年新疆城鎮化發展綜合評價指數與水資源利用綜合評價指數均呈現增大趨勢，但城鎮化發展綜合評價指數增速大于水資源利用綜合評價指數的。

圖1 新疆城鎮化發展與水資源利用綜合評價指數、相對發展度變化趨勢

2.1.1 城鎮化發展綜合評價指數演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內新疆城鎮化發展綜合評價指數整體呈顯著增大趨勢，從2003 年的0.128 增大到2018 年的0.825；2009 年城鎮化發展綜合評價指數顯著減小，原因可能是新疆人口城鎮化水平下降所致。由圖2 可知：各行政區城鎮化發展綜合評價指數呈現不同程度的增大趨勢，主要是社會城鎮化和經濟城鎮化的發展所致；2003 年各行政區城鎮化發展綜合評價指數均小于0.4，2010 年烏魯木齊市、克拉瑪依市、伊犁哈薩克自治州、阿勒泰地區、巴音郭楞蒙古自治州和喀什地區等6 個行政區的城鎮化發展綜合評價指數超過0.4，2018 年烏魯木齊市和克拉瑪依市城鎮化發展綜合評價指數超過0.8，而吐魯番市較低的經濟城鎮化與社會城鎮化水平導致其城鎮化發展綜合評價指數全疆最小（0.382）。 表3 顯示人口城鎮化水平遠低于經濟城鎮化和社會城鎮化水平。

2.1.2 水資源利用綜合評價指數演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內新疆水資源利用指數同樣呈波動增大趨勢，由2003 年的0.249 增大到2018年的0.740。 由圖2 可知：2003 年石河子市、吐魯番市、伊犁哈薩克自治州、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和喀什地區水資源利用綜合評價指數大于0.4；2010 年，烏魯木齊市和石河子市水資源利用指數全疆最小（小于0.5），而哈密市、塔城地區、和田地區水資源利用綜合評價指數均大于0.8；2018 年，石河子市和哈密市水資源利用綜合評價指數全疆最大（大于0.8），而巴音郭楞蒙古自治州和伊犁哈薩克自治州水資源利用綜合評價指數均小于0.6。

圖2 2003 年、2010 年、2018 年新疆各行政區城鎮化發展與水資源利用綜合評價指數時空演變情況

2.1.3 相對發展度演變趨勢

由圖1 可知：研究時段內新疆城鎮化發展與水資源利用相對發展度呈先增大后波動減小的趨勢，先從2003 年的1.950 增大到2005 年的2.925，后又下降到2018 年的0.897；2003—2013 年相對發展度大于1.2，表明水資源利用水平高于城鎮化發展水平，城鎮化發展質量較低，水資源處于過度開發狀態；2014—2018年相對發展度為0.8 ～1.2，表明城鎮化發展與水資源利用處于相對平衡、同步及協調發展的狀態。 由表3可知：2018 年吐魯番市、哈密市、塔城地區、博爾塔拉蒙古自治州的城鎮化發展與水資源利用相對發展度均大于1.2，表明這些區域城鎮化發展水平低于水資源利用水平；其他區域相對發展度均介于0.8 至1.2 之間，表明城鎮化水平與水資源利用水平基本達到相對平衡發展的狀態。

表3 2018 年新疆各行政區城鎮化發展與水資源利用綜合評價指數、相對發展度

2.2 耦合度和耦合協調度時空演變特征

2.2.1 耦合度時空演變特征

2003—2018年新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合度和耦合協調度見表4 和圖3。 可知，研究時段新疆及各區域城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合度介于0.4 至0.5 之間，并呈小幅增大趨勢，表明兩個子系統基本處于拮抗階段并逐漸趨向磨合階段。

圖3 城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合協調度演變趨勢

表4 2003 年、2018 年新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合度及耦合協調度

2.2.2 耦合協調度時空演變特征

由表4 和圖3 可知：研究時段內新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合協調度整體呈上升趨勢，從2003 年的0.298 上升到2018 年的0.625。 耦合協調類型為3 種：2003—2005 年為低度耦合協調，2006—2009 年為中度耦合協調，2010—2018 年為高度耦合協調。 總體而言，新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合協調類型整體向好發展，原因是新疆處于城鎮化快速發展階段，城鎮化率從2003 年的34.39%發展到2018 年的50.91%；隨著各項水利工程的建設和節水技術的推廣，萬元GDP 用水量從2 400 m3減少到436 m3，農田灌溉單位面積用水量從11 250 m3／hm2減少到7 838 m3／hm2。 由表4 和圖4可知：2003 年，除克拉瑪依市、石河子市、巴音郭楞蒙古自治州為中度耦合協調外，其他行政區均為低度耦合協調，原因可能是新疆多數行政區城鎮化發展水平低于水資源利用水平；2010 年，各行政區耦合協調類型均有不同程度的提高，烏魯木齊市、石河子市、吐魯番市、昌吉回族自治州、阿克蘇地區為中度耦合協調，其他區域耦合協調類型均提高到高度耦合協調；2018年，各行政區耦合協調類型顯著提高，均為高度耦合協調，表明兩個子系統共同發展、相互促進，達到平衡發展的狀態。

圖4 城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合協調階段空間分布

3 結論與對策

3.1 結論

（1）2003—2018 年新疆城鎮化發展綜合評價指數與水資源利用綜合評價指數均呈增大趨勢，但城鎮化發展綜合評價指數增速大于水資源利用的。 從相對發展度來看，2003—2013 年新疆水資源利用水平高于城鎮化發展水平，2014—2018 年兩子系統處于相對平衡、同步及協調發展的狀態。 從空間分布上看，吐魯番市、哈密市、塔城地區、博爾塔拉蒙古自治州等區域城鎮化發展水平低于水資源利用水平，其他區域均達到相對平衡狀態。

（2）2003—2018 年新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合處于拮抗階段，并向磨合階段發展。從空間分布上看，各行政區研究期內耦合始終處于拮抗階段。

（3）新疆城鎮化發展子系統與水資源利用子系統耦合協調類型分為低度耦合協調、中度耦合協調、高度耦合協調3 種。 從空間分布上看，雖然各行政區在研究期初的耦合協調類型不同，但研究期末均達到高度耦合協調。

3.2 基于水資源永續利用的城鎮化發展及水資源管理對策

新疆雖然近幾年城鎮化發展與水資源利用達到高度耦合協調類型，但仍然存在諸多問題，與發達地區存在較大差距。 為保證新疆未來水資源的永續利用和城鎮化的可持續發展，提出以下城鎮化發展模式與水資源利用對策。

3.2.1 新疆城鎮化發展模式

根據新疆各行政區水資源特點，選擇與之相適應的城鎮化發展模式，有助于實現區域水資源永續利用與城鎮化協調發展。

（1）“量水養市為主，借水養市為輔”的城鎮化發展模式。 “量水養市”主要以水資源承載力為約束條件，根據區域水資源概況確定社會經濟發展速度及規模；“借水養市”是針對極度缺水區域而言的，指充分利用周邊地區水資源優勢，以跨區域調水和虛擬水貿易為主要手段，保障城市正常用水的城鎮化模式。

（2）“節水型農業、工業與服務業相結合”的城鎮化發展模式。 促進農業現代化應發展節水農業、生態農業、特色農業，大力推廣節水技術，提高農業用水效率。 以節水工業化帶動區域城鎮化高質量發展，應限制高耗水、重污染產業的發展，提高工業廢水處理及循環再利用率。 出臺各類優惠政策，大力扶持綠色產業及新興產業發展。 以節水型服務業促進城鎮化高質量發展，依托區域獨特的自然景觀、民族特色文化等優勢，開發新的旅游項目。

（3）“城鄉協調發展”的城鎮化發展模式。 為縮小城鄉經濟發展差距，新疆城鎮化發展戰略應以中小城鎮發展為主導，完善城市功能，發揮大城市對周邊小城鎮、城鎮對周邊鄉村的經濟輻射作用，通過大城市帶動小城鎮發展、小城鎮帶動鄉村發展。

3.2.2 新疆水資源管理對策

為實現新疆水資源的永續利用，應采取更加嚴格的水資源管理與調控措施。

（1）采用先進節水技術。 新疆農業用水量約占總用水量的90%，建議借鑒以色列的節水做法，采用噴灌、滴灌、微灌等技術對農作物進行灌溉，提高農業用水效率。

（2）提高水資源承載力預警能力。 根據區域水資源條件確定用水總量預警閾值，科學制定水量分配方案，嚴格控制區域用水總量，嚴格取水許可審批管理。確立各區域水資源開發利用率和地下水開采率預警線，逐步壓減地下水超采量，實現采補平衡。

（3）實現水資源的循環利用。 提高中水回用能力，通過擴建或者新建污水處理廠，將工業和生活污水轉化為可利用的再生水，并大力修建蓄水設備收集雨水，用于居民沖廁、城市綠化、工業冷卻、道路噴灑和城市景觀等。

（4）控制水資源過度開發。 加強對水資源超采區的實時監控和預警，尤其是對農業及工業部門的用水大戶進行實時監管，防止超量用水，倒逼其提高用水效率。