營口市城市化水平與水資源環境耦合關系研究

聶大鵬

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 引 言

近年來，營口市依托其優越的環境條件和獨特的地理優勢迅速發展經濟，截止2018年營口市城市化水平達到75.46%，同時各行業用水量和污廢水排放量急劇增大。從水質的角度，2008年、2009年、2015年、2016年、2017年，遼河流域營口段各監測斷面的水質超標嚴重，不同斷面和年份的水環境污染程度存在一定差異。另外，營口市城市化進程與水資源量之間存在一定的耦合協調問題：營口市西臨渤海遼東灣，境內有遼河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余條河流，年降水量670-800mm，該城市理論上為豐水地區；但是，由于獨特的氣候環境和地理位置，該區域存在用水效率低、開采成本高、開發難度大和可利用量少等特征，加之降水季節性分配不均和水體污染嚴重，長期以來始終處于嚴重缺水狀態。總體而言，經濟的發展和人口的激增，使得營口市水環境保護與城市化發展之間的矛盾更加突出。因此，文章對兩系統之間的耦合關系進行分析，揭示了二者其時序變化規律和耦合協調機制，為營口市水環境保護、水資源合理配置和城市功能優化調整等提供科學的依據[1-3]。

1 區域概況

營口市位遼東半島中樞，渤海東岸，地域范圍為E121°56′-123°02′，N39°55′-40°56′，屬于環渤海經濟圈最具有競爭力的現代化港口城市，總面積5415.68km2。該區域為溫暖帶大陸性季風氣候，春秋季短、冬長夏暖、平原風大、雨量集中、雨熱同期、光照豐富[4-5]。該市年降水量670-800mm，雨量適中，且自西北向東南降水量呈遞增趨勢，平均氣溫7℃-9.5℃，無霜期172d-188d。營口市境內河網密布，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要有遼河、碧流河、大清河、浮渡河、熊岳河等150余條河流，大中型水庫4座，小型水庫33座。

根據2005-2018年營口市統計年鑒、政府工作報告、水資源公報等資料提取相關數據，截止到2018年底，全市總人口達到233.3萬人，其中常住人口244.6萬人，其中城市常住人口156.3萬人，農村常駐人口為88.3萬人，城鎮登記失業率6.9%，第三產業人口所占比重67%；全市生產總值1591.1億元，GDP人均65075元，其中三產GDP為663.6億元，第三產業占總產值的比重為41.71%，第二、三產業的產值為110.6億元和值816.9億元其比為6.95%、51.34%，人均工業總產值4734萬元，城鎮人均居住面積45.2m2，人均可支配收入4520元，萬人擁有公交交通車輛4標臺，人均公園綠地面積3.3m2，城市人口密度3957人/km2，人均擁有道路面積18m2，建成區總面積395km2；年降水量770mm，營口市多年平均水資源總量為105467萬m3，其中多年平均地表水資源量為97773萬m3，多年平均地下水資源量為31357萬m3，全市人均日生活用水量為85L/d，城鎮人均日生活用水量為120L/d，用水普及率100%，城市供水綜合生產能力萬m3/d，排水管道密度7.03km/km2，工業廢水排放總量348709萬t，工業廢水排放達標率100%，污水處理率87%，污水處理廠處理能力10萬m3/d。同時，針對存在數據缺失的個別年份，為補全相關數據利用插值法補齊[6]。

2 研究方法

2.1 評價體系及權重計算

結合水環境、城市化相關研究成果和文獻，對指標使用狀況運用頻度統計法分析。為更加系統、客觀的描述區域城市化程度，從經濟、社會、空間、人口等4個方面15項典型因子；為綜合、全面的體現水資源環境變化趨勢及其未來發展水平，從環境、經濟和社會評價3個方面選取12個衡量水資源環境的指標。

不同指標的單位和量綱往往存在較大差異，一般無法直接參與運算。因此，對營口市2005-2018年衡量水資源環境和城市化水平的各評價因子采用變異系數法進行歸一化處理，從而確定各評價因子的權重，如表1所示。其中，正向和負向評價因子的歸一化公式如下：

(1)

(2)

表1 營口市水資源環境與城市化水平耦合系統評價體系

續表1 營口市水資源環境與城市化水平耦合系統評價體系

各評價因子的標準差Sj和均值Xj依據樣本計算確定，根據如下計算式確定變異系數，具體如下：

(4)

采用下式確定單因子評分，其表達式為：

(5)

Sij=ωj×Sij

(6)

式中：minXj、maxXj為評價因子j關于所有樣本的最小、最大值；Xij為評價指標j關于評價樣本i的數值；m、n為評價樣本和指標數。

2.2 灰關聯評價分析

將營口市水資源環境與城市化水平之間的關系利用灰色關聯模型定量分析，考慮到各評價因子量綱的差異性，為消除不同指標間的不可通透性需要標準化處理初始數據，利用公式(1)、(2)處理后求解關聯系數，即：

(7)

(8)

2.3 耦合協調度模型

水環境與城市化間的協調發展程度運用構建的耦合模型評判，其表達式如下：

(9)

其中：T=(αU1+βU2)；C、D為兩者之間的耦合度和協調度，其表達式為：

(10)

評價過程中涉及到水資源與城市化兩個系統，所以n值為2。因此，耦合度C∈[0,1]。綜合評分為U1、U2，兩個子系統間的綜合協調指數為T，其取值區間為T∈(0,1)，其中α、β為待定系數。考慮到兩個子系統同等重要的實際情況，設定α、β值均為0.5，從而可求解出最終的協調度值D。將系統耦合協調度類型依據D值的帶下劃分為多個不同類型，如表2所示。

3 評價結果分析

3.1 營口市城市化和水資源環境測評

將營口市水資源環境與城市化綜合水平采用計算式(5)、(6)求解，如圖1、圖2所示。

表2 判別標準及其分類體系

圖1 2005-2018年城市化綜合水

圖2 2005-2018年水資源環境綜合水平

根據圖1可知，營口市2013-2018年城市化綜合水平總體呈現出較快的增長趨勢，截止2018年已>70%，研究期間僅有2013年有小幅回落，這可能與當年經濟發展受阻和洪澇災害等因素相關。從圖2可知，波動上升為營口市水資源環境綜合水平的變化特征，由此表明自2005年以來研究區的水資源環境為正向積極的發展方向，水資源環境與城市化水平之間存在積極促進作用，該變化特征與城鎮登記失業率等因子穩定下降的趨勢保持一致。然而，水資源環境綜合水平在2013年呈現出較為顯著的回落，這可能與營口市2013年加快工業發展速度、建設實施了一系列工業項目等因素相關，從而導致人均用水量的上升和污水處理能力的下降，并對綜合水平造成不利影響。2013年后，隨著工業建設的結束水資源環境綜合水平再度呈上升趨勢[7]。

3.2 耦合協調度的時序變化分析

營口市水資源環境與城市化發展耦合協調度發展類型按照廖重斌等提出的判別標準及分類體系確定，將其劃分為3個階段，具體如下：

1) 城市化發展優于水資源環境的第一階段。2005年-2010年屬于中級至良好協調發展的第一階段，協調度如表3所示。其中，導致耦合協調度處于中度協調發展的關鍵因素為水資源環境滯后于城市化發展，兩個子系統的綜合水平均處于較低狀態。一方面，廢水排放和工業耗水較大，排放代表率和科技水平低，2005-2010年的達標率為76.12%、79.85%、81.36%、86.58%、87.72%、88.10%；另一方面，對于水環境的治理投資因城市經濟不夠發達極其有限，長期處于較低水平的污水綜合處理率，加之水資源浪費嚴重和水體保護意識較差使得城市化發展整體優于水資源環境。

2) 水資源環境優于城市化發展的第二階段。2011年-2013年屬于良好協調發展的第二階段，兩子系統綜合水平和協調度見表3。隨著營口市人口與產業聚集效應的增加及城市規模的擴大，生活用水量和污水排放量急劇增大，對營口市可持續發展構成潛在威脅。對此，營口市相關部門明確要求2014年污染物去除率要達到60%以上，廢水處理合格率和治理率不得低于85%、70%，并制定了一系列整治項目。2011年對改造和擴大一大批老舊污水處理廠，顯著提升了營口地區的污廢水處理水平；2012年按自來水價格上調了污水處理費，加大節水環保宣傳，保證了2013年工業廢水排放率達到90%以上及污水處理率達到80%以上的目標實現，同時萬元GDP用水量明顯減少，這是造成城市化滯后于水資源環境的主要原因。

表3 2005-2018年耦合協調度

3) 城市化發展優于水資源環境的第三階段。2014年-2018年屬于良好協調經濟滯后向優質協調環境滯后的的第三階段，營口市城市化水平不斷提升為導致該變化特征的主要原因。從人口結構的角度，截止2018年營口市已達到70%以上的城市化率，城市生活用水排放量和常住人口增長迅速；從經濟結構的角度，以汽車制造、重型機械等重工業為主的第二產業比重長期處于60%以上的高值，由此使得工業污水排放和需水量始終為較高水平。2014-2018年的城市污水排放增加幅度為15.40%、10.38%、1.82%、4.42%、8.46%，截止2018年污水排放量已超過營口市的污水廠處理能力。同時，由于遼河、渾河段長期存在的重金屬污染問題，使得此期間的城市化水平優于水資源環境。

3.3 交互耦合影響因素

將兩系統間的耦合因素利用灰色系統理論進行分析，對兩子系統間的關聯度采用公式(7)、(8)求解。研究表明：兩系統之間存在較強的相關性，灰色關聯度均超過0.5，可見營口市水資源環境與城市化系統間存在緊密的聯系[8]。通過升序排列關聯度探討兩子系統之間的耦合關系，從而確定城市化系統制約水資源環境和水資源環境約束城市化發展的主要因素。

按照升序排列城市化子系統與水資源環境12項因子的關聯度為：用水普及率、人均日生活用水量、年降水量、地表水資源量、地下水資源量、單位工業產值廢污水排放、排水管道密度、工業廢水排放總量、工業廢水達標率、城市洪水綜合能力、污水處理率、污水廠處理能力，所對應的關聯度依次為0.563804250、0.594041386、0.603348715、0.607425786、0.608408267、0.616417552、0.624264689、0.63924871、0.6578472、0.718305446、0.719286408、0.721864856。由此可見，功水能力、供水設施和水污染治理為制約城市化體系的主要方面，其關鍵性約束因子為污水處理。

按照升序排列水資源環境子系統與城市化15項因子的關聯度為：GDP中第三產業比重、第二三產業產值比、城市人口密度、城鎮人均居住面積、萬人永久公交車輛、人均擁有道路面積、人均工業總產值、人均可支配收入、人均公園綠地面積、人均GDP、城鎮登記失業率、全市年末常住總人口、建成區總面積、非農業人口數、第三產業人口所占比重，所對應的關聯度依次為0.54243572、0.543545538、0.551830507、0.639087869、0.542671260、0.646416119、0.650360962、0.653121405、0.654832667、0.660939305、0.670355483、0.670412659、0.675104387、0.690578567。由此可見，空間面積、人口增長及經濟狀況為脅迫水資源環境的主要因子，其關鍵性脅迫因子為空間面積和經濟結構。

4 結 論

1) 營口市城市化發展除2013年存在一定幅度的下降，其他年份整體呈穩定增長趨勢，水資源環境總體表面處較大的波動。由此表明，研究區經濟社會發展始終保持良好的勢頭，而水資源環境發展不穩定，應制定科學有效的政策。

2) 在時序變化上營口市水資源環境與城市化之間的耦合關系成波動上升趨勢，經歷了2005-2010年城市化發展優于水資源環境的第一階段、2011-2013年水資源環境優于城市化發展的第二階段、2014-2018年城市化發展優于水資源環境的第三階段。然而，營口市仍存在環境滯后的特征，在很長一段時間內水環境仍位于重點防護和治理地位。

3) 水資源環境與城市化之間存在緊密的聯系，灰色關聯度均超過0.5。其中，供水能力、供水設施和水污染治理為制約城市化體系的主要方面，其關鍵性約束因子為污水處理。經濟狀況、城市空間面積、人口增長及分布為脅迫水資源環境的主要因子，其關鍵性脅迫因子為空間面積和經濟結構。為謀求水資源環境與城市的良性協同發展應做好城市經濟與空間規劃，加強對污排放的管理和控制。