黃河流域11個城市水質與城市發展水平及其耦合協調分析

關鍵詞：水質；城市發展水平；耦合協調；黃河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．４；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１９

引用格式：王梅，李靜，白一帆，等．黃河流域１１ 個城市水質與城市發展水平及其耦合協調分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：９３－９８．

黃河流域是我國重要的生態屏障和經濟地帶，是打贏脫貧攻堅戰的關鍵區域。隨著西部大開發、中部崛起等戰略的實施，黃河流域經濟社會發展迅速，城市化水平逐年提升［１］ ，但同時帶來了嚴重的環境問題。城市生活、生產過程中產生的大量廢水排入水體，造成水質惡化，反過來限制了城市化進程。城市化與水環境之間除相互影響外，還存在相互促進關系，城市化為水質改善提供科技、人力和物力，良好的水質為經濟社會可持續發展提供保障［２］ 。黃河流域生態保護和高質量發展已上升為重大國家戰略，流域內城市迎來了發展新契機，正確處理水環境和城市發展的關系對保障黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施至關重要。

近年來，黃河流域水資源和城市發展兩者的互動關系研究已取得一定進展［３－５］ 。左其亭等［６］ 構建資源－環境－經濟－社會多元投入產出指標體系，探究了黃河流域水資源利用水平與經濟發展、社會發展的動態適配關系；刁藝璇等［７］ 定量評估了黃河流域用水行為和城鎮化進程的耦合協調情況，確定了限制水資源利用和城鎮化發展的因素；邢霞等［８］ 探討了用水效率和經濟發展的耦合協調關系及作用機理；王潔方等［９］ 從水資源、水污染及水治理３ 個維度構建黃河流域水環境指標體系，衡量了黃河流域水環境與社會經濟的整體協調度。總體上，現有研究多聚焦于黃河流域水資源的開發利用及污染治理與城市發展的關系。水質是水環境變化最直接的表現，也是城市高質量發展的重要體現，目前從水質出發探索其與城市發展的關系鮮見報道?；诖?，筆者以黃河流域１１ 個城市為研究對象，構建水質與城市發展評價指標體系，運用耦合協調度模型量化兩者的動態耦合協調關系，以期為建立黃河流域生態保護和高質量發展協同模式提供參考依據。

１研究城市概況及數據來源

黃河是我國第二長河，流域總面積達７９． ５ 萬ｋｍ^２，流域內人口約占全國總人口的２４．１％，地區經濟生產總值約占全國的２６．５％。黃河流域水資源利用相對粗放，工業、農業、城鎮生活導致的水環境問題比較突出［１０］ ，２０１９ 年黃河劣Ｖ 類水質占比達８．８％，明顯高于全國３．４％的平均水平。

選取黃河流域１１ 個城市，分別是甘肅省蘭州市，內蒙古自治區包頭市和呼和浩特市，陜西省榆林市、寶雞市和渭南市，山西省運城市和呂梁市，河南省三門峽市和洛陽市，山東省濟南市，對２０１２—２０１９ 年黃河流域城市發展水平與水質的耦合協調狀況展開分析。研究所需的經濟社會指標數據來源于各城市統計年鑒、《中國城鄉建設統計年鑒》等，水質指標數據來源于中國環境監測總站。

２研究方法

２．１評價指標體系

城市發展系統與水質系統各要素之間存在著緊密聯系，構建科學的評價指標體系是分析城市發展系統與水質系統相互作用關系的基礎。參考相關文獻［１１－１２］ ，統計出現頻率較高的指標，并遵循科學性、通用性、層次性、易收集性等原則，對指標進行篩選，構建城市發展水平和水質評價指標體系，見表１。對于城市發展系統，準則層包含人口城市化、經濟城市化、地域景觀城市化、生活質量城市化４ 個方面。人口城市化（Ｕ_Ａ ） 是城市化興起和存在的前提，經濟城市化（Ｕ_Ｂ） 可以促進經濟可持續發展，地域景觀城市化（Ｕ_Ｃ）反映了城市化進程中基礎設施建設情況，生活質量城市化（Ｕ_Ｄ ）用于表征城市社會資源的發展水平。水質系統的準則層即水質因子（Ｗ），依據《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）及現有監測數據，選取溶解氧（Ｄ_Ｏ）、高錳酸鹽指數（ＣＯＤ_Ｍｎ ）、生化需氧量（ＢＯＤ）、氨氮（ＮＨ_３ －Ｎ）和總磷（Ｔ_Ｐ）５ 項指標作為水質評價指標。

由于城市化發展與水質變化分析中各指標發揮的作用不同， 因此需要確定各指標權重。分析采用２０１２—２０１９ 年共８ ａ 的數據，根據原始數據信息，采用熵值法確定指標權重。具體計算方法見文獻［１３］，各指標權重見表１。

２．２城市發展水平量化

（１）數據預處理。鑒于所選指標原始數據量綱不同，為消除數據間的屏蔽效應，采用極差標準化方法對數據進行無量綱處理。正向指標：

３結果與分析

３．１城市發展水平分析

（１）流域整體情況。對城市發展水平進行時間序列特征分析。從圖１ 可以看出，研究期內城市發展水平指數整體呈逐年上升趨勢，綜合ＵＤＩ 由２０１２ 年的０．３２增長至２０１９ 年的０．４７。人口、經濟、地域景觀、生活質量城市化水平均呈上升趨勢，其中經濟發展水平在研究期整體表現最優，地域景觀的最差。可見，黃河流域城市在地域景觀方面具有較大的提升空間，擴建改造城市道路、擴大中心城區面積、開展城市綠化建設是補足黃河流域城市發展水平短板的必要舉措。

對２０１９年城市發展水平１０ 個評價指標分別賦予－２０％、１０％、０、１０％、２０％共５ 種偏差進行敏感性分析，結果見圖２。可以看出，第二三產業產值占比、城市人口占比、城鎮登記失業率３ 個指標ＳＤ 值較大，分別為０．０１９、０．０１０、０．００９，為城市發展系統的關鍵影響因子。這些指標發生微小的波動均會對城市發展水平產生明顯影響，因此可以采取推動第二三產業融合發展、吸引人口遷入城市、促進就業創業等措施高效地提升城市發展水平。

（２）各城市發展情況。從圖３ 可以看出，１１ 個城市２０１２—２０１９ 年發展水平均顯著提升，空間上總體呈現“上下游”高、“中游”低的格局。

依據各城市多年平均ＵＤＩ 值，可將１１ 個城市分為３ 個層次。第一層次為城市發展水平領先型，包含蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、濟南５ 個城市，ＵＤＩ 為０．４４～０．６３。濟南城市發展水平升幅最大，且歷年ＵＤＩ在所有城市中位列第一，蘭州和呼和浩特分列第二、第三，上述３ 個城市均為省會城市，集政治、經濟、文化、科技、教育、交通等中心于一身；包頭和榆林為呼包銀榆經濟區的重要城市，伴隨著城市人口增加、城區面積擴張、產業轉型和升級、城市服務和公共設施提升［２０］ ，這些城市在人口、經濟、地域景觀、生活質量４ 個方面表現出強勁的發展潛力。第二層次為城市發展水平一般型，包括寶雞、三門峽、洛陽，ＵＤＩ 為０．３１～０．３３。寶雞為關中平原城市群副中心城市、關天經濟區副中心城市，洛陽為中原城市群副中心城市，三門峽為晉陜豫黃河金三角區域經濟協作的中心城市，這些城市依托自身在省域（或省際）重要的經濟或地理位置優勢，經濟增速明顯、人民生活水平不斷提高，但仍處于中等發展水平。第三層次為城市發展水平落后型，包括渭南、呂梁、運城，ＵＤＩ 為０．１７～０．３０。這些城市經濟地位和地理位置一般，加上產業結構不合理及生態環境脆弱等，經濟發展動力不足，人口外溢嚴重，城市發展水平較低。

３．２水質分析

（１）水質整體情況。２０１２—２０１９ 年１１ 個城市水質指數變化見圖４?？梢钥闯觯C合水質為Ⅱ類尚清潔水。綜合ＷＱＩ 由２０１２ 年的０．６７ 小幅增大至２０１４年的０．６９，后下降至２０１６ 年水質指數最小值０．６３，此后呈逐年增大趨勢，至２０１９ 年達到最大值０．７９?？傮w來看，水質較好，特別是２０１６ 年以后，水質持續改善。這主要得益于生態文明建設持續推進，２０１５ 年４ 月《關于加快推進生態文明建設的意見》中明確提出了重點流域生態環境質量改善的目標，并要求到２０２０ 年重要江河湖泊水功能區水質達標率提高到８０％。從研究結果看，黃河流域生態文明建設效果顯著。

根據敏感度計算結果，在水質系統中，各指標敏感度排序為ＤＯ、ＣＯＤ_Ｍｎ、ＢＯＤ、ＴＰ、ＮＨ_３ －Ｎ，其ＳＤ 值分別為０．０１７ ２、０．０１０ ４、０．０１０ ２、０．００４ ８、０．００１ ６。ＤＯ、ＣＯＤ_Ｍｎ和ＢＯＤ 指標的小幅變化會導致ＷＱＩ 發生較大變化，這些指標為水質系統的重要影響因子。根據黃河流域各城市水質監測數據，２０１２—２０１９ 年溶解氧質量濃度整體達到Ⅰ類水標準，高錳酸鹽指數達到Ⅱ類水標準，生化需氧量、總磷、氨氮均達到Ⅲ類水標準，黃河流域水體以氮磷營養鹽污染為主，有機污染次之?？紤]到近年來水體ＢＯＤ 含量及水質對其具有高敏感性，主控水體富營養化、兼控水體有機污染為未來進一步提升水質的有效手段。

（２）各城市水質情況。依據ＷＱＩ 多年平均值（見圖５），１１ 個城市水質可分為４ 類，第一類為Ⅰ類清潔水，包含蘭州、三門峽、洛陽、濟南４ 個城市；第二類為Ⅱ類尚清潔水，包含包頭、呼和浩特、榆林、寶雞４ 個城市；第三類為Ⅲ類輕污染水，包含渭南和呂梁２ 個城市；第四類為Ⅳ類中污染水，僅運城。從各城市的ＷＱＩ值時間變化趨勢看，多數城市水質自２０１６ 年后明顯好轉或維持在Ⅰ類清潔水水平，至２０１９ 年所有城市水質達到Ⅱ類尚清潔及以上水平。以運城市為例，盡管水質情況相對較差，但是通過采取河道清淤、加強排污監管、加大污水處理量等整治黑臭水體措施，水質得到較大幅度改善。

３．３耦合協調度分析

從圖６可以看出，２０１２—２０１９ 年整體上城市發展與水質之間的耦合協調度為０．６０ ～０．７３，在研究時段內屬于良好協調發展，且耦合協調度逐年增大。對比２０１２ 年和２０１９ 年的耦合協調度可以看出，蘭州、呼和浩特、濟南３ 個城市從良好協調發展轉為優質協調發展，洛陽、運城、三門峽、寶雞、呂梁５ 個城市從低水平協調發展或輕度失調發展轉為良好協調發展，包頭、榆林２ 個城市維持良好協調發展，渭南從輕度失調發展轉為低水平協調發展，可見至２０１９ 年，絕大多數城市（渭南除外）發展和水質之間均實現了良好或優質協調。２０１６—２０１９ 年耦合協調度明顯增大，這意味著當前及可預見的未來，城市發展對黃河水環境能起到保護作用，良好的水質也可以助推城市良性發展。

依據多年平均城市發展與水質耦合協調度及城市發展與水質耦合協調等級表，１１ 個城市可分為以下４類。

第一類為濟南，屬于優質協調發展城市，城市化水平較高，水質優良，城市生態文明建設卓有成效，城市發展和水環境存在優越的共生關系。濟南北連首都經濟圈、南接長三角經濟圈，是環渤海經濟區和京滬經濟軸上的重要交匯點，具有良好的區位優勢。此外，濟南作為山東省的文化、教育中心，重點高等學校較多，為城市發展提供了優質的人力資源。在城市化進程中，濟南采取黃河重要支流排污口整治、灘區生態環境綜合整治、節能減排等措施，通過水資源優化配置和推進節水產業和技術發展，使得水質穩定在清潔水平?；诮洕腿瞬艃瀯?，濟南通過科技創新推動污水排放監管、污染治理及產業升級，建設成為“智慧” 與“生態”并重的新型城市。

第二類包含蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、寶雞、三門峽和洛陽７ 個城市，為良好協調發展城市。這些城市的發展水平屬領先或一般水平，多年平均水質均達到Ⅱ類尚清潔及以上水平。這些城市處于我國華北、西北地區，水資源相對匱乏，黃河水為城市可持續發展的基礎性自然資源和戰略性經濟資源。在研究時段前期（２０１２—２０１５ 年），上述城市（除洛陽外）均出現了水質波動變化或水質惡化等現象，表明該階段城市快速發展對水資源需求大，排污量也大，城市發展和水體水質處于拮抗期；在研究時段后期（２０１６—２０１９ 年），隨著環保投入增加、水污染防治能力提升，水體質量整體轉好。蘭州生態環境相對脆弱，但經濟和人才優勢明顯，可依靠創新驅動節水和環保產業發展，以及利用空間規劃來提升資源利用效率和環境治理水平［２１］ 。包頭、呼和浩特、榆林、寶雞為能源型城市，依賴于礦產資源和水資源，產業綠色轉型艱巨，污水排放管理和污染治理在城市發展中需格外關注。三門峽、洛陽水資源較豐富，水質條件優越，可通過優化配置水資源促進經濟發展和水生態文明建設。

第三類包含呂梁、運城，為低水平協調發展城市，城市發展水平低，水質較差，但城市已進入快速發展期，通過水污染防治和水生態文明建設的嚴格落實，水質轉好趨勢明顯。

第四類為渭南，屬于輕度失調發展城市，城市發展速度明顯低于水質好轉速度，一方面水質保護對城市發展產生脅迫作用，另一方面水資源利用在城市化過程中配置不合理。

呂梁、運城和渭南生態環境脆弱，水資源匱乏，如何在保障生態安全的基礎上調整產業結構、促進經濟發展是這３ 個城市高質量發展必須攻克的難題。區域協同發展不失為一種可行方式，可以依托區域周圍高水平發展城市帶動產業轉型和勞動力回流，進而促進經濟社會可持續發展。

４結論

從城市發展水平指數（ＵＤＩ）看，城市發展水平整體呈逐年上升趨勢，在人口、經濟、生活質量方面城市發展水平較高，地域景觀為城市發展的短板；各城市ＵＤＩ 數值差異明顯，與城市的經濟地位、地理位置、資源條件、產業結構密切相關，ＵＤＩ 在空間上呈現出“上下游”高、“中游”低的規律，濟南城市發展水平領跑，渭南墊底。敏感性分析結果表明，第二三產業產值占比、城市人口占比、城鎮登記失業率３ 個指標對ＵＤＩ影響較大，采取針對性措施使上述指標趨好發展可以快速推進城市化進程。

從水質指數（ＷＱＩ）來看，得益于生態文明建設，２０１６ 年后ＷＱＩ 持續增大，至２０１９ 年所有城市水質達到Ⅱ類尚清潔及以上水平；在空間上，蘭州、三門峽、洛陽、濟南４ 個城市水質狀況較優，多年穩定在Ⅰ類清潔水，運城的最差，常年為Ⅳ類中污染水。依據水質實測值，研究城市水體以氮磷營養鹽污染為主；敏感性分析結果表明，溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量為影響水質的重要因子。

２０１２—２０１９ 年城市發展與水質之間整體為良好協調發展，且耦合協調度逐年增大，說明城市發展和水質存在良好共生關系。從空間上看，濟南為優質協調發展城市，蘭州、包頭、呼和浩特、榆林、寶雞、三門峽和洛陽７ 個城市為良好協調發展城市，呂梁、運城為低水平協調發展城市，渭南為輕度失調發展城市。依據ＵＤＩ、ＷＱＩ 及兩者的耦合協調性，以及各城市特點，提出針對性措施提升城市發展和水質的耦合協調性，如對于能源型城市，應加強污水排放管理和污染治理；對于經濟和人才強市，可依靠科技創新來驅動城市發展和環境治理。

【責任編輯 呂艷梅】