杭州城市化與水環境的耦合協調發展研究

黃 賓

（浙江水利水電學院，浙江杭州310018）

杭州城市化與水環境的耦合協調發展研究

黃 賓

（浙江水利水電學院，浙江杭州310018）

城市化與水環境的同步發展對城市化質量提升意義重大。文章通過構建耦合協調發展模型，并利用杭州市2000—2013年的相關數據，分析研究了杭州市城市化與水環境的耦合協調發展情況。研究表明杭州市城市發展迅速，但水環境發展非同步，因此耦合度不高，且耦合協調度顯示兩者發展處于低度協調向一般協調的轉換過程中，耦合度和耦合協調度呈現一定的分異特征。最后就城市化和水環境的均衡發展提出相應建議。

城市化；水環境；耦合協調；均衡發展；杭州

國家統計局統計數據顯示，2013年中國城市化水平為53.73%，1995年為29.04%，年均增長1.37%，而主要發達國家的城市化水平年均增長率近幾十年來始終維持在0.2%左右。中國城市化快速推進，帶來了諸如資源枯竭、環境污染和生態破壞等一系列城市化與自身環境協同發展失調的問題。在此背景下，中央適時提出了促進城市和環境協調發展的總體戰略，城市化和環境之間的協同發展成為理論研究和實踐工作的熱點。

在與城市化協同演進的諸多環境要素中，水環境由于其特殊性，成為城市化和自身環境協同演進的關鍵。首先，區別于煤和石油等不可再生資源，水資源雖然有限但是可以循環再生，不易枯竭但會隨發展規模擴大而日趨緊張，是城市化發展速度和規模的軟性約束。其次，水環境涉及生產和生活的各個領域，最易被污染而且極易通過其地上、地表和地下的立體循環系統擴大影響范圍，極大制約著城市化發展質量的提升。最后，相比而言，水環境治理見效較快，受益面廣，其投入和產出的過程均會對整個城市化發展的速度、規模和質量產生深遠影響。因此，水環境與城市化的協調發展對城市化的健康發展意義重大。

本文通過構建基于均方差權系數的城市化和水環境發展測度模型，以及基于容量耦合的耦合協調關系模型，度量城市化和水環境的耦合協調關系，并利用杭州市2000—2013年的數據，研究杭州市城市化與水環境的耦合協調發展情況。研究有助于更好地理解城市化與水環境之間的關系，同時也可以為其他地區的相關研究提供參考借鑒。

1 測度及耦合協調模型

城市化是指人口向城市地區集中，以及農村地區轉變為城市地區的過程。其包含兩層含義：一是人口遷移，以及隨之而來的要素流動、產業遷移和社會結構變遷等；二是景觀改變，包括土地利用形態的改變和規模的擴大［1］。水環境是與水相關的資源和要素的集合和狀態，一般可以從水環境水平、水環境壓力和水環境保護三個方面進行分析［2］。

1.1 測度模型

在對城市化和水環境的概念進行界定的基礎上，參照前人研究［3－5］，遵循科學性、可得性、可比性等原則，構建城市化和水環境的測度指標體系（表1）。

為了消除各類數據在量綱、量級和正負方向上的差異，采用極差法對數據進行標準化處理，公式為：

其中：Xij（i＝1，2，3，…，n；j＝1，2，3，…m）為屬性值，i為第i個年份，j為第j個指標，Xij即為第i年第j個指標的數據；Xjmax和Xjmin分別為第j個指標中的最大和最小值；Zij為Xij的標準化處理結果，其值越大則正向效應越明顯。測度指標體系中，除水環境壓力下的兩個指標為負向指標 外，其余指標均為正向指標。

表1 城市化和水環境測度指標體系

為了避免層次分析法的主觀性、主成分分析法的數據丟失和BP神經網絡要求有先驗結果等不足，本文采用均方差方法獲取權系數。該方法以標準化后的屬性值Zij為隨機變量，在計算各個隨機變量均方差的基礎上進行歸一化處理，其結果即為各指標的權重系數。這種方法可以通過描述各個隨機變量離散程度較為客觀地反映指標影響力大小。具體計算步驟如下：

指標矢量方向的隨機變量均值：

Sj均方差：

依據上述方法求得指標層的權系數，同理推出準則層的權系數 （表1）。目標層各年度的測度值計算公式為：

1.2 耦合模型

1.2.1 容量耦合度函數

源自物理學中容量耦合的概念是指兩個及以上系統相互作用和影響的現象，耦合度則是度量這種作用和影響程度的尺度，其函數表達形式如下面公式所示。本文中的耦合是指城市和水環境兩個子系統相互作用和影響的現象，耦合度用來衡量兩者間作用和影響的程度。其中：Di和Dj（i＝1，2，3，…，m；j＝1，2，3，…m；i≠j）分別是第i和第j個子系統的測度值，C耦是m個子系統之間的耦合度值，取值在［0，1］。耦合度值為0，表示子系統之間處于無關狀態，系統將向無序發展。耦合度值為1，表示子系統之間達到良性共振。耦合度值越大則子系統間的有序狀態越好。

根據系統協調發展的S理論，結合城市化發展與環境關系的相關研究［6］，城市化與水環境耦合度分為4個階段。C耦∈［0，0.3］為低水平耦合階段，此時城市化發展水平較低，對水環境破壞程度不大，相對而言水環境的承載能力較強，完全能夠承載和消化城市化所帶來的后果。C耦∈ （0.3，0.5］為頡頏階段，此時城市化進入快速發展期，消耗大量資源并嚴重破壞環境，水環境承載能力下降，不能完全消化和吸納城市化發展所帶來的影響。C耦∈（0.5，0.8］為磨合階段，由于前期資源的大量消耗和環境的嚴重破壞，城市發展遇阻，因此投入大量資金治理和修復水環境，城市化和水環境開始磨合并向良性方向發展。C耦∈（0.8，1］為高水平耦合階段，城市化發展在量上有重大突破的同時，質上也明顯提高，體現在水環境和城市化發展的相互促進，兩者間耦合水平很高。

1.2.2 耦合協調度函數

使用C耦這一個單一測度值度量系統中若干子系統之間的耦合程度，有時不能完全反映系統真實情況，因為如果每個子系統的測度值大小相當，但是均處于低值狀態，也可能會使系統表現出較高的耦合水平。特別在多區域或多目標之間的耦合比較研究中，僅僅依靠耦合度衡量系統是否協調發展有時可能會出現偏差，因此還需要構建多目標之間的耦合協調度函數［7］，耦合協調函數為：

其中：B為耦合協調度，C耦為耦合度，T為m個子系統的綜合協調指數，T＝N1D1＋N2D2＋…＋NmDm，D1、D2…Dm為m個子系統的測度值，N1、N2…Nm為待定系數，可以將Ni設定為1／m。

按照耦合協調度量值的分布規律，結合城市化和環境的相關研究［6－7］，城市化和水環境的耦合協調發展狀況同樣可以分為4個大類，［0，0.3］、（0.3，0.5］、（0.5，0.8］、（0.8，1］分別對應不協調、低度協調、中度協調和高度協調。

需要說明的是，耦合度一般用于度量子系統量值的對等性，耦合協調度既能度量對等性也能度量協調性，因此相比較而言，耦合協調度可以較為全面地反映系統真實狀態。從另一方面看，可能會出現同一樣本點中耦合度與耦合協調度分異的情況，因此這些分異點可以被用于判定系統耦合但非協調的情況。

2 杭州市城市化與水環境耦合協調分析

2.1 數據來源

考慮到數據的可得性以及統計口徑的一致性，選取杭州市2000—2013年的相關數據進行研究。從城市化發展的速度上看，杭州市2000年左右開始真正進入高速發展期，因此樣本年份選擇也能夠充分體現城市化發展和水環境的相互影響過程。其中，城市化發展數據來源于2001—2014年杭州市統計年鑒，水環境數據來源于2001—2014年浙江省水資源公報，間接數據經過相應處理，部分缺失數據采用插值法補缺。

2.2 子系統測度值分析

經過數據處理，分別得到杭州市城市化和水環境這兩個子系統2000—2013年的測度值（圖1）。

杭州市城市化測度值在樣本年份內一直增加，顯示城市化的持續發展進程。杭州市人均GDP在2000年和2013年分別為2.2萬元和11.8萬元，年均增長率31.2%，遠高于同期全國人均GDP的0.78萬元和3.85萬元，以及27.8%的年均增長率。人口從2000年的621萬增加到2013年的884萬，位列全國第10，成為超大城市。城市基本建設投資2000年為170億元，2013年達到852億元，保持年均28.7%的高速增長。經濟持續增長產生的帶動效應，人口規模不斷擴大帶來的需求拉動，以及城市建設投資驅動下的資本放大效應，使得杭州市的城市化發展持續保持高速增長態勢，城市化子系統的測度值因此在樣本年份內不斷增加。

相比城市化測度值的持續增加，樣本年份內的水環境測度值不僅沒有增加，反而是末年和首年相比略有下降（2000年為0.34，2013年為0.33），顯示出不容樂觀的水環境狀況。水環境測度值在2002年達到樣本年份內的最高值0.44后就出現了連續9年的持續低值，并且在此期間甚至出現了2005年的最低值0.19，直至2012年勉強回到0.4以上（2012年為0.41），而后在2013年又開始回落，表明水環境在低位徘徊并不斷反復的真實狀況。

2.3 耦合度值分析

樣本年份內的杭州市城市化和水環境耦合度基本不高。除2000年和2001年耦合度在低水平狀態、2012年耦合度在磨合狀態外，其余年份耦合度均處于頡頏狀態，表明杭州市城市化發展超越水環境自身的承載能力范圍。整體上看，剔除個別年份（2006年耦合度位于階段高點）的偶然因素，耦合度可以分為三個階段：第一階段是2000—2002年，第二階段是2002—2007年，第三階段是2007—2013年。

第一階段，耦合度呈增長趨勢。這一時期，杭州城市化發展開始起步，城市化的速度和力度持續增大，初始水環境狀態良好。城市化發展對水環境的負面影響在水環境自身可以容納的范圍內。在城市發展的同時保持了對水環境的適當投入，既保證了城市面貌的改善也兼顧了水環境狀態的維持。因此兩者間的耦合度不斷提高。

第二階段，耦合度開始下降。這一時期，產業發展，人口劇增，城市擴容，城市化發展加速，對水資源的索取量加大，產生大量的工業和生活廢水，人為阻斷了自然流動的水體，破壞了水環境的自凈和恢復能力。水環境保護未得到與城市化發展同樣的重視，治理投入力度不及破壞程度，水環境的承載能力下降。兩者間的耦合度不斷降低。

第三階段，耦合度又開始上升，但仍未能有效進入磨合階段。隨著前期水環境狀況的日益惡劣，以及人們環保意識的不斷提升，水環境保護受到重視，表現為治理投入加大，保護力度增強，兩者間耦合度開始回升。但由于前一階段不良水環境的滯后影響，加之治理投入未能與實際需要完全匹配，耦合未能有效進入磨合階段，因此這一階段的耦合度并沒有超過第一階段的高點，而且還在2011年和2013年出現兩次低點反復，顯示兩者間耦合的不穩定性，也凸顯出問題的復雜性。

表2 耦合度與耦合協調度的分異點分析

2.4 耦合協調度值分析

耦合協調度值處于從低度協調向一般協調的轉換過程中且整體上屬于上升趨勢過程。顯示出杭州市城市化發展一定程度上兼顧了水環境問題。但是數值較低，表明兼顧程度并未與城市發展的規模和速度相匹配。在城市化的大規模高速發展背景下，這實質上反映出一種城市發展與包括水環境在內的周圍環境之間的非均衡發展問題。

耦合協調度的上升過程可以分為兩個階段：第一階段為2000—2002年的相對快速上升，第二階段為2003—2013年的相對慢速上升。第一階段城市化和水環境同步發展，使得耦合協調度在兩年左右時間從不協調狀態進入低度協調狀態。這一時期，杭州市在城市人口增加、規模擴大和產業發展的同時，保證水利建設投入，保護了水環境，因此耦合協調度提高很快。第二階段水環境狀況在快速下降之后在中低位徘徊，而城市化繼續快速發展，因此耦合協調度的上升勢頭放緩并出現不斷反復。

耦合協調度在耦合度基礎上度量協調度，相對而言變化更不明顯。因此耦合協調度與耦合度變化軌跡雖然基本相似，但前者變化幅度更小，這也是造成在2003—2013年，耦合協調度呈現單一緩慢上升態勢，而耦合度卻先下降后上升的原因所在。

2.5 分異點分析

樣本年份內存在一些耦合度和耦合協調度的分異點（表2），分別是2003年、2010—2013年，從圖1也可以印證這些分異點的存在。這些分異點可以分為兩類，2003年是一類，該類分異點產生的原因是，城市化和水環境測度值雖然都不高但是數值比較相近，因此耦合度較高，但是協調度不夠，這類分異點屬于耦合但不協調的節點。2010—2013年是另一類分異點，該類分異點產生的原因是，耦合協調度中的協調度貢獻大于耦合度貢獻，因此耦合協調度值大于耦合度值，該類分異點是耦合且協調但協調程度大于耦合程度的節點。其余樣本年份屬于耦合與協調一致的節點。

3 結論與啟示

3.1 研究結論

本文通過構建基于均方差權系數的城市化和水環境發展測度模型，以及基于容量耦合的耦合協調關系模型，度量城市化和水環境的耦合協調關系。并利用杭州市2000—2013年的相關數據，研究了杭州市城市化與水環境的耦合協調發展情況。研究表明：

城市化持續高速發展。杭州市通過人口、經濟、空間和社會發展，保證了城市化進程的高效推進，并且樣本年份內沒有出現過城市化的負增長。

水環境整體狀況不佳。樣本年份的末年與首年相比有不明顯的下降，但中間年份的下降明顯，起始年份的微弱下降掩蓋了過程中的實際變差。

耦合度和耦合協調度不高，樣本年份內有一定提升但是提升不明顯，在城市化高速發展的情況下，這更加說明水環境狀況相對意義上的不容樂觀。存在耦合與協調的分異點，表明某些年份的耦合度和協調度沒有對應變化。

3.2 研究啟示

城市化發展并不必然帶來包括水環境在內的城市環境的同步發展。特別是在城市化持續高速發展的情況下，水環境雖然變化不大，但是相對而言屬于嚴重的發展滯后，因此兩相比較，耦合度和耦合協調度沒有明顯提升。

城市化發展應該和水環境發展相匹配。城市化發展應注意對水資源的適度索取，排污要考慮水環境的吸納能力，城市建設要兼顧水循環的系統聯通。城市化發展的財富應該反哺水環境治理，并且考慮到歷史欠賬，投入力度應該大于城市發展力度。

分異點是系統變化的關鍵節點，重點考察分異點年份的城市化與水環境發展狀態是今后研究的關注點。

［1］陳明星，陸大道，張華.中國城市化水平的綜合測度及其動力因子分析［J］.地理學報，2009（4）：387－398.

［2］匡耀求，黃寧生.中國水資源利用與水環境保護研究的若干問題［J］.中國人口·資源與環境，2013，23（4）：29－33.

［3］孫焱林，王中林，張攀紅.空間、經濟、人口城市化協調性測度［J］.城市問題，2014（7）：9－13.

［4］潘爭偉.區域水環境系統脆弱性指標體系及綜合決策模型研究［J］.長江流域資源與環境，2014，23（4）：518－525.

［5］馬濤，王菲，杜澄.城市水環境系統綜合評價指標體系探討［J］.生態經濟，2014，30（7）：133－135.

［6］劉耀彬，李仁東，宋學鋒.中國城市化與生態環境耦合度分析［J］.自然資源學報，2005，20（1）：105－112.

［7］黃金川，方創琳.城市化與生態環境交互耦合機制與規律性分析［J］.地理研究，2003，23（2）：211－220.

Study on Coupling Coordination Development between Urbanization and W ater Environment of Hangzhou City

HUANG Bin
（Economy and Management College，Zhejiang University ofWater Resources and Electronic Power，Hangzhou Zhejiang 310018，China）

Synchronous development between urbanization and water environment is very important to improve city quality.The coupling coordination developmentmodel was built up to analyze the coupling coordination development status of Hangzhou city using the related data of 2000 to 2013.The results showed that the coupling degree was low because of the rapid urbanization and asynchronous water environment development.However，the coupling coordination degree was in the conversion period from low level to general level since the differentiation between coupling degree and coupling coordination degree was found.Finally，suggestions on the balanced developmentwere put forward.

urbanization；water environment；coupling coordination；balanced development；Hangzhou

X26

：A

：1673－9655（2015）06－0013－05

2015－05－28

浙江省社會科學規劃項目（13XKGJ015Y13）；杭州市社會科學規劃項目（B14GL11）；浙江省水利廳科技項目（RC1523）。

黃賓，男，云南昆明人，浙江水利水電學院副教授，博士生。