東江下游流域城水耦合協調關系評價及其影響因素

林 蔚，陳梓林，李 暉

(1.華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642； 2.深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東 深圳 518060)

隨著人類活動對自然水循環的影響逐漸加深，自然生態系統和經濟社會系統逐漸演變失衡，產生了一系列城市水問題，嚴重制約了社會經濟持續健康發展[1-2]。人水互動關系增強，水文系統和人類系統演變為一個耦合系統[3]。粵港澳大灣區人口高密度聚集，水資源與人類社會關系一直都是重要的研究課題，大灣區水問題亟待思考及解決[4-6]，已在水資源、水安全、水環境、洪澇災害等方面開展了有益探索[7-10]。通過構建評價指標體系，分析水資源脆弱性和生態敏感性及其演變特征[11-12]。然而，以上成果多從單方面水問題開展研究，或側重于生態系統方面的指標體系構建和評價分析，對“自然-社會”復合生態系統間復雜的相互作用考慮不足[2]，難以刻畫水資源開發利用、經濟社會發展及生態環境保護之間復雜、變化的互饋關系[13]。

和諧的城水關系是科學配置城市水資源、改善人居環境、實現人與自然協調發展的前提和基礎[2]。隨著水問題研究的推進，城鎮化與水資源、生態環境的耦合關系分析和耦合協調研究成為熱點[14-16]，很多研究通過收集統計數據構建指標體系，以省、市為單元測度耦合協調程度，然而這些研究并未采用生態系統服務表征水循環過程的狀態，較少考慮城鎮化影響生態系統服務及其時空變化過程，不利于生態文明背景下的城市群發展[17]，對城水耦合關系的支撐有待進一步探討。

流域是典型的復合生態系統，探析城鎮化建設對水資源系統的多維干擾是開展流域治理的重要前提[18]。隨著城鎮化進程的推進，東江下游城市群面臨著水資源短缺、水環境污染和水生態退化的嚴峻挑戰[19]。“十四五”時期，我國城鎮化將向高質量發展全面轉型，亟待通過城水耦合重塑城市建設與水環境之間良性友好的整體關系[20]。因此，探究流域水資源保護、城市發展與水環境的內在關系，對促進粵港澳大灣區可持續發展具有重要實踐價值。本文融合遙感、生態系統服務評估等多種技術方法，構建“水資源-水環境-水生態”的水資源環境系統評價體系，分析其與城鎮化質量的耦合協調程度，以期為東江下游城市群提升發展提供參考。

1 研究區概況

東江是粵港澳大灣區東部重要水源地，具有突出的戰略地位和生態價值。選取大灣區東部人口集聚、經濟發達的下游流域(圖1)，行政范圍包括廣州、深圳、東莞、惠州等4市，涉及10個市轄區、3個縣區以及1個地級市(無下轄區縣)。下游流域整體地勢較為平坦，平均高程低于100 m，多年平均溫度約20℃，年均降水量為1 200～2 000 mm，水網密布。根據統計年鑒數據，2020年研究區城鎮化水平達75%左右[21]。

圖1 東江下游流域概況

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據包括GlobleLand 30土地覆被數據、MODIS全球蒸散發數據、植被指數數據、精細植被類型數據、氣象數據、土壤質地數據、DEM數據以及各地區社會經濟、水資源等統計數據，各數據時間序列均選擇2010年、2015年及2020年。其中蒸散發數據來源于MOD16A2 8d合成產品(https:∥www.usgs.gov/)，空間分辨率為500 m，對數據進行拼接合成，提取實際總蒸散波段； 植被指數數據來源于MOD13Q1 16合成產品(https:∥www.usgs.gov/)，空間分辨率為250 m，采用最大值合成法合成研究區逐月NDVI數據；土壤質地數據來源于寒區旱區科學數據中心(http: ∥westdc.westgis.ac.cn/)中國土壤數據集，空間分辨率為1 km；數字高程DEM數據集源自地理空間數據云(http: ∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m；社會經濟、水資源及水環境等統計數據源于東江下游流域內廣州、深圳、惠州、東莞等地級市統計年鑒、水資源公報等，其中，坪山區(2016年新設)、龍華區(2016年新設)的2010年、2015年部分統計數據分別以龍崗區、寶安區代替。

2.2 指標體系構建

圖2為東江下游流域城鎮化質量與水資源環境評價指標體系，包括城鎮化質量指標體系和水資源環境指標體系兩部分(括號中數字為指標權重)。

圖2 城鎮化質量與水資源環境評價指標體系

2.2.1城鎮化質量指標體系

結合研究區城鎮化發展情況，借鑒相關研究成果[22-23]，從空間、人口及社會經濟發展3個子系統選取6個指標構建城鎮化質量指標體系。選取建設用地率反映空間發展情況，人口發展用人口密度和常住人口城鎮化率來反映，社會經濟發展情況用人均GDP、固定資產投資、城鎮人均可支配收入來反映。

2.2.2水資源環境指標體系

流域水資源、水生態與水環境相輔相成，相互制約，水資源對維持城市社會經濟發展具有重要意義，完善的水生態功能提供賴以生存的自然環境條件與效用，水環境是與水資源、水生物和污染密切相關的綜合體[18-19]。因此，從水資源、水生態和水環境3個子系統選取12個指標，構建水資源環境評價指標體系。

a.水資源。研究區2010年以來水資源管理制度深化落實，結合已有評價成果，本文從水資源稟賦條件、用水效率及用水需求等方面選取人均水資源量、人均日生活用水量、萬元工業增加值用水量以及萬元GDP用水量、生態環境用水量等5個指標進行評價。

b.水生態。傳統的水生態功能評價多采用監測指標或統計數據，本文引入維持水生態系統服務的重要因子：水源涵養、土壤保持、植被凈初級生產力以及水面率共同評價水生態功能。其中水源涵養利用InVEST模型產水模塊中的水量平衡法的變形式進行計算[24]；土壤保持通過修正水土流失方程計算年平均土壤流失量[25]，數值越大，土壤保持能力越差，為負向指標；植被凈初級生產力采用CASA模型進行計算[26]；水面率為河道面積與區域面積之比[27]。

c.水環境。良好的水環境質量是流域社會經濟綠色協調、可持續發展的重要體現[19]。結合當前研究區水環境治理政策實施情況，選取人均廢水排放量、城市生活污水處理率、工業廢水排放達標率3個指標表征城市水環境狀態。

2.2.3數據標準化處理

由于評價指標存在量綱和屬性差異，需引用極差標準化法對正、負向指標數據進行標準化處理[22]，公式分別為

(1)

(2)

式中：Zij為系統i指標j標準化后的指標值，其取值范圍為[0,1]；Xij為原始值；Xjmax、Xjmin分別為指標j的最大值和最小值。

2.2.4指標權重確定及綜合評價指數計算

熵權法通過計算指標信息熵確定權重系數，能有效消除主觀因素影響[28-29]，故采用熵權法計算指標權重，圖2括號中為權重值。依據指標標準化值與權重系數，加權計算城鎮化質量與水資源環境綜合評價指數，計算公式為

(3)

(4)

式中：f(U)為城鎮化質量綜合評價指數；g(E)為水資源環境綜合評價指數；mi與ni為評價指標權重；Ui與Ei分別為城鎮化質量和水資源環境標準化指標值；a和b為各系統指標數量。

2.3 耦合協調度模型

耦合度模型能夠探究城鎮化與水資源環境相互影響程度，反映城水系統無序和有序狀態的轉變過程，展現系統內部組成要素間的動態關聯關系[30]，耦合度越高，表明系統間關聯程度越強[16]。結合相關研究及實際情況，將城鎮化質量與水資源環境耦合度C劃分為4個等級：C∈(0,0.3]表示處于低水平耦合階段，C∈(0.3,0.5]表示拮抗階段，C∈(0.5,0.8]表示磨合階段，C∈(0.8,1.0]表示高水平耦合階段。耦合度計算公式[31]為

(5)

耦合度雖反映系統間相互作用程度，但無法表征各功能間是高水平的相互促進還是低水平相互制約[31]，因此進一步引入耦合協調度模型，量化城水系統在發展過程中的均衡狀態和協調程度，著重分析系統之間的良性互動關系[30]。結合相關研究及實際情況，將耦合協調度D劃分為6個等級：D∈(0,0.2]表示城水關系嚴重失調，D∈(0.2,0.4]表示中度失調，D∈(0.4,0.5]表示瀕臨失調，D∈(0.5,0.6]表示勉強協調，D∈(0.6,0.8]表示中度協調，D∈(0.8,1.0]表示高度協調。耦合協調度計算公式[31]為

(6)

其中

T=αf(U)+βg(E)

式中：T為城鎮化質量與水資源環境綜合發展指數；α和β為系數，本研究認為兩者同等重要，因此取α=β=0.5。

2.4 灰色關聯度模型

城鎮化質量與水資源環境交互耦合關系復雜多樣，因此引入灰色關聯度模型定量分析城鎮化質量與水資源環境系統間的動態耦合關系，揭示城水耦合關系的主要影響因素。灰色關聯分析是依據各因素序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系緊密程度的方法，通過計算要素間的關聯系數，根據關聯系數對于樣本數的平均數計算評價要素間的關聯度，對關聯度進行排序得到對某一對象影響程度的大小，關聯度越大，影響程度就越大。關聯度計算公式為

(7)

其中

式中：γij為比較序列與參考序列整體關聯度；m為時刻數；ξijt為t時刻評價指標與參考序列對應元素的關聯系數；ZUit和ZEjt分別為各縣(區)t時刻的城鎮化質量與水資源環境指標標準化值；ρ為分辨率系數，一般取值0.5。

通過比較各個指標關聯度γij的大小，可以分析城鎮化質量與水資源環境系統內部指標相互關聯程度。γij介于0～1區間，值越接近1代表系統間關聯性越大。參考相關研究，關聯度取值范圍及其判斷標準劃分為4個等級：γij∈(0.00,0.35]表示二者為低水平關聯狀態，γij∈(0.35,0.65]表示中等關聯，γij∈(0.65,0.85]表示高度關聯，γij∈(0.85,1.00]表示極強關聯。

3 結果與分析

3.1 城鎮化質量與水資源環境綜合評價

3.1.1城鎮化質量時空分異特征

自2010年以來，研究區城鎮化質量各項指標均呈現穩步提升，常住人口城鎮化率由78%提升至85%，人均GDP上漲1倍，人口密度也大幅提高。2016—2020年，固定資產投資及城鎮居民人均可支配收入得到大幅提升。總體而言，2010—2020年城鎮化質量綜合指數整體呈持續上升趨勢，由0.34增加至0.48，其中黃埔、增城、坪山、龍華以及惠城等區提升較為明顯。研究區城鎮化水平存在顯著空間差異，城鎮化質量指數高值區主要集中于大灣區腹地的東江下游河段及其左岸支流石馬河流域，主要包括福田、羅湖、龍華、鹽田、黃埔、東莞等市區。而低值區分布于靠近上游河段的右岸公莊水流域及左岸西枝江流域，包括龍門、惠東、惠陽、博羅等縣，整體呈現上游河段至下游河段城鎮化水平遞增的空間格局特征(表1)。

表1 2010—2020年各區縣城鎮化質量綜合評價指數

3.1.2水資源環境水平時空分異特征

研究區水資源層面整體趨向良性發展，2010—2020年人均日生活用水量已下降35 L/d，水資源利用效率也大幅提升，萬元工業增加值用水量及萬元GDP用水量逐漸降低，表明研究區用水結構逐步優化。人均水資源2010—2020年由2 161.96 m3下降至1 804.65 m3，低于全省平均水平。水生態層面的水土保持、水源涵養等水生態系統服務功能出現明顯惡化趨勢，主要原因是粗放的擴張建設導致植被覆蓋度減少。數據分析顯示，2010—2020年植被凈生產力呈現下降趨勢，土壤流失量增加16.54%，地表徑流量由年均3 933.78 m3/hm2上升至5 288.32 m3/hm2，水源涵養量下降7.34%，表明研究區面臨較為嚴峻的水土流失問題。同時，由于河流截彎取直等工程破壞水系結構，水面率也下降6.43%。而水環境治理行動取得明顯成效，污水排放處理各項指標均有所提升。

水資源環境綜合評價指數整體呈現波動變化趨勢，2010—2015年水資源環境水平穩步提升，由0.38提升至0.42，2016—2020年則下降至0.40，呈微弱下降趨勢。2010—2015年，提升較為明顯的包括龍門縣、博羅縣、惠城區、增城區及東莞市等干流沿岸地區(表2)，其主要原因是研究區流域重要河段的水環境治理與修復取得成效；而這些地區在2015—2020年水資源環境水平整體有所下降，初步判斷為城鎮化進程加快導致水資源過度消耗和水生態空間遭受嚴重擠占。而下游河段發達城區如福田區、龍華區、東莞市、坪山區等水資源環境水平在2015年后有所回升，該片區生態環境投入大幅增加，水污染排放有效控制與治理修復促使水資源環境得到明顯改善，加之水資源利用效率有所提升，使得水資源環境逐漸恢復。研究區水資源環境水平空間差異較小，下游河段整體水平略優于上游河段，東莞市、石馬河流域的鹽田區及增江流域的龍門縣處于較高水平。

表2 2010—2020年各區縣水資源環境綜合評價指數

3.2 城鎮化質量與水資源環境耦合協調時空分異特征

3.2.1耦合度時空分異特征

2010—2020年，研究區城鎮化質量與水資源環境耦合度整體呈現逐步上升趨勢，自0.702提升至0.813，由磨合階段轉變為高水平耦合階段，反映了城鎮化發展水平與水資源環境高度關聯，相互作用程度逐漸提升。表3為各區縣城鎮化質量與水資源環境耦合度情況，可見耦合度持續上升且漲幅較大地區包括坪山、增城、東莞、博羅、惠城等區縣。耦合度出現波動變化的主要有黃埔區與龍崗區，在2010—2015年呈現下降趨勢，水資源環境水平提升速度難以匹配城鎮化發展進程。其中，龍崗區由0.837降至0.695，高水平耦合階段退化為磨合階段；黃埔區仍大于0.8，處于高水平耦合階段，而隨著下游河段地區城鎮化進程進入高質量發展階段，龍崗區、黃埔區在2016—2020年階段耦合度回升至高水平耦合階段，水資源環境與城鎮化發展相互適應。東江下游左岸石馬河流域包括福田區、鹽田區、羅湖區等城區。耦合度變化幅度較小，始終處于高水平耦合階段，城鎮化質量與水資源環境同步發展。2010—2020年，各區縣耦合度差異逐步縮小，但仍然存在明顯的空間分異特征，高值區主要分布在東江干流沿岸及其左岸支流石馬河流域，包括東莞市、深圳市各區及博羅縣等地區，占研究區面積的78.3%；而低值區主要分布在龍門縣、惠東縣、惠陽區。

表3 2010—2020年各區縣城鎮化質量與水資源環境耦合度

3.2.2耦合協調度時空分異特征

表4為各區縣城鎮化質量與水資源環境耦合協調度情況。2010—2020年，研究區城鎮化質量與水資源環境耦合協調度整體呈波動上升趨勢，其中2010—2015年階段由0.557提升至0.612，由勉強協調狀態轉變為中度協調狀態，提升較為明顯地區主要為東江干流沿岸博羅、惠城、東莞、增城等區縣，得益于這期間東江下游開展專項治水行動，以水生態修復為抓手，以水污染治理為重點，提升整體水環境質量，城鎮化發展進程也持續推進，城水關系趨向協調共生。2016—2020年階段耦合協調度下降至0.584，呈微弱下降趨勢，整體狀態仍為中度協調。降幅較大的區縣包括黃埔、龍華、增城、惠陽，其中黃埔區由中度協調退化為失調狀態，增城區與龍華區由中度協調狀態轉變為瀕臨失調狀態。近年來，粵港澳大灣區邊緣區優化增長和核心區有機更新成為新的發展趨勢，如黃埔、龍華、增城等城市邊緣區逐漸成為發展重心。然而，人口快速聚集，人均生活用水和水資源開發壓力急劇上升，生活、生產廢水排放量持續提升，粗放的建設用地擴張造成水生態系統服務功能逐漸退化，水資源環境質量呈明顯下降趨勢，難以匹配城鎮化快速發展進程，城水關系出現惡化。相較于城市邊緣區的粗放擴張，下游河段福田區、羅湖區、鹽田區、東莞市等城市核心區近年來進入高質量發展階段，城鎮化與水資源環境基本達到高度協調狀態。這些片區隨著環保投入的增加、水環境治理能力的強化、水資源利用效率提升、生態濱水空間修復改造等舉措逐步落實，水資源環境整體水平得到有效改善，并促進城鎮化可持續發展，推動城水關系呈現高水平相互促進，達到協調共生。2010—2020年，各區縣耦合協調度差距有所縮小，但仍然存在顯著差異，下游河段整體優于上游河段，其主要原因是區域城鎮化發展不平衡以及面臨水資源環境壓力不一致。上游河段地區包括龍門、博羅、惠東等區縣城鎮化水平較低，但水資源本底條件較好。2010—2015年，上游河段地區耦合協調度整體提升顯著；隨著城鎮化對水資源環境的脅迫增強，2016—2020年耦合協調度出現下降，部分地區回落至失調狀態。而下游河段地區耦合協調度雖有波動變化，但整體仍維持在中度協調狀態。

表4 2010—2020年各區縣城鎮化質量與水資源環境耦合協調度

3.3 高水平耦合狀態下城水關系影響因素

城鎮化質量與水資源環境的耦合關系可從城鎮化發展對水資源環境的脅迫和水資源環境對城鎮化的制約兩個方面進行分析[30]。城鎮化發展需要從水資源環境獲取大量能量和物質，而該進程可能會對水資源環境產生脅迫作用，導致水資源環境惡化，各種水問題頻發；另一方面，水資源環境是城鎮化發展的重要承載條件，將對城鎮化發展產生約束作用，當通過有效措施(如控制城鎮人口、加大環保投入、提升水資源利用效率)改善水資源環境時，可促進城鎮化發展質量提升(圖3)。高水平耦合階段下，城鎮化質量與水資源環境系統內部組成要素交互耦合將推動城水系統走向良性或惡性的互動關系。為進一步厘清城水耦合關系的影響因素，以達到高水平耦合狀態的2020年城鎮化質量綜合指數與水資源環境綜合指數為參考序列，計算系統指標要素間的灰色關聯度并排序，進一步揭示城水系統內部各要素交互耦合特征。

圖3 城水耦合機制

3.3.1城鎮化發展對水資源環境的主要脅迫因素

城鎮化質量對水資源環境的綜合關聯度為0.676，表明城鎮化發展對水資源環境脅迫作用顯著，主要脅迫因素為：人口密度(與水資源環境關聯度最高，為0.861)、建設用地率(關聯度為0.776)、人口城鎮化率(關聯度為0.738)。人口要素是衡量城鎮化水平的基礎指標，也是地區水資源環境承載壓力劇增的重要原因。2010—2020年，研究區人口快速增長，人均水資源持續下降，用水需求也急速上升，對水資源環境系統產生脅迫影響最大，這也促使下游河段發達城區不斷提升水資源利用效率，并實施城鎮人口、產業用水限制等相關政策保護水資源環境。建設用地擴張是城鎮化進程的主要體現，但同時也擠占水生態空間并導致巨大的水資源消耗和水污染排放。2010—2020年，研究區建設用地率增加6.34%，2010—2015年建設用地增加集中在研究區下游河段地區，2016—2020年上游河段建設用地擴張明顯，造成區域植被覆蓋銳減，水生態系統服務功能逐漸退化，水資源環境面臨嚴峻挑戰。人均GDP(關聯度為0.636)提升對水資源環境也有一定影響，經濟產業快速發展可能導致水環境污染、水資源浪費以及治水成本提升。城鎮人均可支配收入(關聯度為0.582)、固定資產投資(關聯度為0.464)對水資源環境的脅迫程度較小。

3.3.2水資源環境對城鎮化發展主要制約因素

水資源環境對城鎮化質量的綜合關聯度為0.642，表明水資源環境系統對城鎮化發展具有較大的約束作用。其中，水資源環境系統與城鎮化發展的關聯度由大到小排序為：水資源層面(0.713)、水生態層面(0.621)、水環境層面(0.614)。制約城鎮化發展的主要水資源環境因素包括：人均水資源(與城鎮化質量關聯度最高，為0.858)、水源涵養功能(關聯度為0.810)、單位GDP用水量(關聯度為0.738)、工業廢水排放達標率(關聯度為0.672)、萬元工業增加值用水量(關聯度為0.656)等，表明水資源稟賦條件及用水效率對城鎮化發展極為重要。研究區當前用水規模偏大，水資源本底條件及用水效率區域差異明顯，制約了城鎮化高質量發展。同時，水生態系統服務功能同樣影響城鎮化質量提升。近年來，龍門、惠東、博羅等山區縣由于建設用地擴張、農田開墾導致植被覆蓋度降低、土壤侵蝕性增強，河道硬化、截彎取直工程破壞河流自然形態，嚴重影響河網調蓄功能；水污染日趨嚴重，水環境治理較為滯后，也成為城鎮化質量提升的阻礙之一。生活污水處理率(關聯度為0.646)、人均日生活用水量(關聯度為0.640)、固碳功能(關聯度為0.624)、人均廢水排放量(關聯度為0.608)、水土保持功能(關聯度為0.566)、河網調蓄功能(關聯度為0.509)、生態環境用水量(關聯度為0.482)等其他水資源環境因素對城鎮化發展制約程度較小。

4 結 論

a.城鎮化質量綜合評價指數呈現持續上升趨勢，但區域間發展極不均衡，下游河段城鎮化發展水平遠超上游河段；水資源環境綜合水平呈現波動變化趨勢，2010—2015年穩步提升，2016—2020年出現微弱下降趨勢，區域差異較小，下游河段整體水資源環境略優于上游河段。

b.城鎮化質量與水資源環境耦合度逐步上升，由磨合階段轉變至高水平耦合階段，不同地區耦合度差異逐漸縮小，但仍存在明顯的空間分異特征；城鎮化質量與水資源環境耦合協調度時序變化出現波動，2010—2015年耦合協調度顯著提升，由勉強協調狀態轉變為中度協調狀態，2016—2020年微弱下降，但仍為中度協調狀態。耦合協調度空間差異同樣顯著，下游河段優于上游河段，這與區域城鎮化發展不平衡以及面臨水資源環境壓力不一致有關。

c.高水平耦合狀態下，城鎮人口快速增長及建設用地的粗放擴張是城鎮化發展脅迫水資源環境的主要因素；水資源緊缺的本底條件、不合理的用水效率以及逐漸惡化的水生態系統服務功能是水資源環境限制城鎮化發展的主要原因。