長沙城市化與水資源環境交互耦合關系與時序變化研究

鄭楚菁+蔣智美+羅幸樂+李景保

摘要：通過建立耦合協調度模型和灰色關聯度模型，探索了長沙城市化水平與水資源環境的耦合關系。通過創建城市化系統和水資源環境系統的綜合指標體系，對長沙市2000～2014年間的城市化與水資源環境水平進行了量化評估，探究了其時序變化規律和主要影響因素。結果表明：2000～2014年長沙市水資源環境和城市化綜合水平均呈增長趨勢，長沙城市化和水資源環境的耦合協調度在0.70757～0.949998之間，達到優質協調發展水平。

關鍵詞：城市化；水資源環境；交互耦合；時序變化；長沙市

中圖分類號：TU-856

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0109-06

1引言

改革開放以來，長沙市社會經濟飛速發展，截至2014年底長沙城市化已達72.34%；與此同時，城市化的快速進程也對水資源產生了極大的需求。就水質而言，在2002、2003、2012、2013、2014年，湘江長沙段各監測斷面水環境中污染年均值都呈現不同程度的超標狀態，不同年份不同斷面的超標污染物也各有不同[1]。另外，長沙水資源量與城市化進程間的耦合協調也存在一定問題：長沙地處長江以南洞庭湖流域，多年平均降水量在1507.2mm，理論上屬于豐水城市；但由于降水季節性分配不均，年內降水主要集中在汛期4～9月（湖南省汛期降水量占年降水量的67.1%左右），很容易造成季節性缺水。綜上所述，長沙城市化發展與水環境保護的矛盾仍然突出。鑒于此，通過對長沙城市化與水資源環境交互耦合作用關系的研究，闡明長沙城市化與水資源環境耦合度的時序變化規律及互動耦合協調機制，為長沙在城市化發展過程中調整城市功能、合理配置水資源、保護水環境等方面提供理論依據。

2研究區概況及數據來源

長沙位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣。地域范圍為東經111°53′～114°15′，北緯27°51′～28°41′，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和、降水充沛、雨熱同期。該市多年平均氣溫17.2℃，多年平均降水量1507.2mm。該市河網密布，多年平均水資源量96.19億m3，平均地表徑流量82.65億m3，徑流深550～850mm。湘江流經長沙市的常年徑流量年均692.50億m3，地下水總儲量9.35億m3/a。

數據主要來源于2000～2015年《湖南統計年鑒》、《湖南省水資源公報》、《長沙市統計年鑒》和《長沙市國民經濟和社會發展統計公報》，個別年份有數據缺失，取相鄰年份的數值以插值法補齊獲得。

3研究方法

3.1指標體系的建立及權重計算

根據已有文獻的研究成果[2～5]，通過頻度統計法對近年來評價城市化和水資源環境的相關研究文獻進行指標使用頻度統計[6]，確定從人口城市化、經濟城市化、社會城市化、空間城市化這4個方面選取15個指標，以全面的角度反映城市化水平。城市水資源環境水平的衡量從社會評價、經濟評價和環境評價3個方面選取12項指標，來綜合反映城市水資源環境的發展水平及變化趨勢。

由于原始數據量綱不同，無法直接進行比較，故采用變異系數法[7]，對長沙市2000～2014年的15項城市化水平指標和12項水資源環境水平指標進行標準化處理，計算出對應的指標權重（表1）。

3.2灰色關聯評價分析

通過灰色關聯度模型[8]，對長沙市城市化水平與水資源環境之間的關系進行定量評價。因為原始指標量綱不同，所以需要進行無量綱化處理，計算方法采用公式（1）與（2），其關聯系數的計算公式為：

研究只涉及城市化和水資源兩個子系統，因此n=2。顯然，耦合度值C∈[0，1]。

T為城市化水平與水資源環境之間的綜合協調指數，在實際中，最好使T∈（0，1）。U1、U2為別為城市化水平和城市水資源環境的綜合評價得分，α、β為待定系數。由于城市化水平和城市水資源質量同等重要，所以α、β都取0.50，得出耦合協調度值D。根據D值大小，把城市化水平和水資源環境之間的耦合協調度類型分為3個大類和30個基本類型[9]（表2）。

4評價結果分析

4.1長沙城市化和水資源環境綜合水平測評結果

通過公式（5）和（6）計算出長沙城市化與水資源環境綜合水平得分，結果如圖1、圖2所示。

從圖1中可以看出，從2000～2014年，長沙市城市化綜合水平除2008年有小幅回落外，其他年份均呈現出較快的增長，至2014年城市化率超過70%。其中城鎮登記失業率、萬元GDP用水量等指標一直呈穩定下降趨勢，非農業人口數、人均公園綠地面積、人均工業總產值等指標基本呈較快增長。2008年的小幅回落可能與2008年南方冰災和全球經融危機有關。從圖2中可以看出，2000年以來，長沙市水資源環境綜合水平數值總體呈現出波動上升的趨勢。說明長沙市城市化與水資源環境相互促進，水資源環境正在向積極的方向發展。這與萬元GDP用水量等指標的持續下降趨勢相吻合。但在2008年，水資源環境綜合水平出現較明顯的回落，原因主要在于2008年長沙工業發展速度的加快。據政府報告，長沙市2008年前3個季度增加工業投資323億元，開工建設1110個工業項目，與去年同期相比增長42%。從圖3中可以看出，2008年規模以上工業企業取水總量同比增長25.04%，污水處理廠處理能力同比下降33.3%，人均用水量上升7.65%，水資源環境綜合水平迅速下滑。隨著工業建設的結束，2008年后的歷年水資源環境綜合水平再度呈現出穩定上升的趨勢。

4.2長沙城市化和水資源環境的耦合協調度的時序變化分析

根據廖重斌環境與經濟協調發展的分類體系及判別標準[9]，得出長沙市城市化與水資源環境耦合協調度發展類型，并據此劃分為以下3個階段。

4.2.1水資源環境滯后于城市化發展第一階段

該階段處于2000～2005年間，屬于中級協調發展類到良好協調發展類，其耦合協調度如表3所示。這一階段水資源環境相對于城市化發展的滯后特性，是導致城市化與水資源環境耦合協調度處于中度協調發展的主要原因。其中，城市化綜合水平與水資源環境綜合得分都處于較低水平：城市科技水平較低，導致工業耗水量較大，工業廢水排放達標量較低（2000～2005年分別為76.14%、79.26%、82.51%、87.60%、87.77%、87.63%）；城市經濟不夠發達，也使得政府對于水資源環境的治理投資有限，城市污水綜合處理率長期處于50%以下；再加上人們的環保意識較差，使得水資源環境綜合水平落后于城市化綜合水平。

4.2.2城市化發展滯后于水資源環境發展階段

該階段從2006～2009年，處于良好協調發展類。其變化的主要原因在于，數年來隨著長沙市城市規模的不斷擴大，產業與人口集聚作用增強，城市生活用水量、污水量也不斷增加，制約了長沙的可持續發展。對此，長沙市制定“藍天碧水”工程項目，要求2010年廢水治理率達70%，處理合格率85%以上，污染物去除率60%以上。2006年，長沙市出臺一系列污水處理廠改造方案，對一大批老舊處理廠進行擴大和改造，大大提高了污水處理能力。2007年，長沙市對污水處理費、自來水價格進行上調，同時配合一定的環保節水宣傳，使得長沙市污水處理率在2009年達到79.43%，工業廢水排放達標率達到90.02%，萬元GDP用水量由2001年的462m3下降到101m3。水資源綜合水平得到較大提高，領先于城市化水平。

4.2.3水資源環境滯后于城市化發展第二階段

該階段從2010～2014年，由良好協調發展類經濟滯后型向優質協調發展類環境滯后型發展。其主要原因在于該階段長沙市城市化水平的不斷提高。就人口結構而言，至2014年年底，長沙城市化率達到70%以上，常住人口達到731.15萬人，城市生活用水排放量快速增加，達到33880萬m3/a，同比增長8.37%。就經濟結構而言，第二產業比重居高不下（超過60%），其中又以重型機械、汽車制造等重工業為主，導致了工業需水量、污水排放量的增加。城市污水排放總量5年間增幅分別為15.46%、10.41%、1.79%、4.44%、8.60%，至2014年達到45796萬m3，超出長沙市污水處理廠的處理能力。再加上湘江河段多年來的重金屬污染問題，使得此階段長沙市水資源環境綜合水平相對落后于城市化綜合水平，但二者總體仍處于優秀協調發展階段（表3）。

4.3長沙城市化與水資源環境的交互耦合影響因素

利用灰色系統理論對長沙城市化與水資源環境系統交互耦合影響因素進行量化分析。

通過公式（7）和（8）計算出長沙城市化與水資源環境系統間灰色關聯度。結果顯示：其灰色關聯度都大于0.5，屬于較強相關。這說明長沙城市化系統與水資源環境系統之間聯系緊密。為進一步揭示二者耦合交互關系，對所得灰色關聯度進行降序排列，得出水資源環境約束城市化發展的主要因素、城市化系統脅迫水資源環境的主要因素。

水資源環境系統的12項指標，按照與城市化系統關聯度降序排列依次為：污水處理廠處理能力（0.721964854）、污水處理率（0.719187407）、城市供水綜合生產能力（0.718304991）、工業廢水排放達標率（0.65728471）、工業廢水排放總量（0.63924968）、排水管道密度（0.624246896）、單位工業產值工業廢污水排放量（0.616415725）、地下水資源量（0.608407862）、地表水資源量（0.607452887）、年降水量（0.606347864）、人均日生活用水量（0.594043185）、用水普及率（0.56390841）。可以看出，水資源環境對城市化體系的約束作用主要體現在水污染治理、供水設施及供水能力等方面，其中污水處理是最主要的因素。

城市化系統的15項指標，按照與水資源環境系統關聯度降序排列依次為：第三產業人口所占比重（0.690575876）、非農業人口數（0.675140837）、建成區總面積（0.670421596）、全市年末常住總人口（0.670353584）、城鎮登記失業率（0.669039307）、人均GDP（0.654823866）、人均公園綠地面積（0.653112309）、人均可支配收入（0.650306926）、人均工業總產值（0.646411691）、人均擁有道路面積（0.642672106）、每萬人擁有公共交通車輛（0.639088796）、城鎮人均居住面積（0.630603081）、城市人口密度（0.551830602）、第二三產業的產值比（0.543545358）、第三產業在GDP中的比重（0.542457374）。可以看出，城市化進程對水資源環境的脅迫作用主要體現在人口增長及分布、城市空間面積、經濟狀況等方面，其中經濟結構和空間面積是主要原因。

5結語

（1）長沙城市化綜合水平整體呈較明顯的增長趨勢，其中2008年有較小幅度的回落，但之后很快穩步上升；說明長沙自2000年起15年來的社會經濟發展一直保持著良好的勢頭。而水資源環境綜合水平波動較大，說明水資源環境的發展情況仍不穩定，需要長期政策的維持。

（2）長沙城市化與水資源環境交互耦合關系在時序變化上體現出曲折上升的過程。長沙分別于2000～2005年、2006～2009年、2010～2014年經歷了水資源環境滯后于城市化發展第一階段、城市化發展滯后于水資源環境發展階段、水資源環境滯后于城市化發展第二階段，正從中級協調發展向優質協調發展轉變。自2012年始，長沙已進入優質協調發展階段，但環境滯后這一特點仍然存在。說明長沙的水資源環境并不容樂觀，水資源環境的治理和防護仍將在很長一段時間內占據政府工作的重要地位。

（3）長沙城市化與水資源環境聯系緊密，系統間灰色關聯度都大于0.5，屬于較強相關。其中水資源環境對城市化體系的約束作用主要體現在水污染治理、供水設施及供水能力等方面，污水處理是最主要的因素；城市化進程對水資源環境的脅迫作用主要體現在人口增長及分布、城市空間面積、經濟狀況等方面，經濟結構和空間面積是主要原因。因此，政府應加大對污水排放的管理力度，做好城市經濟和空間規劃，以謀求城市與水資源環境的良性協同發展。

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