云南省城市化與水資源系統耦合協調的時空格局及形成機理

陳錫才, 彭燕梅, 段正洋, 裴子譽, 王學良, 許永濤, 潘玉君

(1.楚雄師范學院 資源環境與化學學院, 云南 楚雄 675000; 2.利茲大學 地理學院, 英國 利茲 LS29JT; 3.云南師范大學 地理學部, 昆明 650500)

城市化是實現現代化的重大戰略選擇和推動經濟增長的持續動力[1]，在很大程度上能夠改善民生，能夠促進區域增長極的形成，因此，云南省城市化進程的推進對自身社會經濟的發展具有重要意義。然而云南省在推進城市化的進程中，客觀存在著水資源與城市化系統的耦合協調關系問題，兩系統協調與否影響著城市化的演進，因為水資源是城鎮化建設中重要的戰略性自然資源，限制著城鎮化發展的速度和方向[2]，因此，云南省城市化與水資源系統之間的耦合協調狀態研究有一定的意義。關于城市化與水資源系統關系研究，國外學者的關注點為水資源系統對城鎮化系統的支撐能力[3]和城鎮化系統對水資源系統的影響[4]。國內學者的研究焦點為：(1) 水資源系統對城市化系統演進的約束研究，探究水資源系統約束的涵義以及城市化推進過程中水資源系統約束類型的分類[5-7]。(2) 水資源約束下的城市發展，探討降水稀少區水資源約束下的城鎮發展機制、時空格局和城鎮化正向演進模式[8-9]。(3) 水資源系統與城市化系統內在關系研究，探討兩系統之間的響應機制和耦合協調狀態[10-13]。然而，以往的研究有不足之處或者可以嘗試新的研究視角：(1) 在測度土地城市化時采用建成區面積，未采用土地城市化率。(2) 指標體系賦權時采用層次分析法或者熵值法。多年多地區的數據具有面板數據的特性，宜采用縱橫向拉開檔次法賦權。(3) 采用建成區面積與國土面積之商表征土地城市化率，這種指標的表征方法有需要完善的地方，因為不是所有的國土面積都能用于城市化，例如基本農田、坡度較大的國土面積和生態保護紅線區等。綜上，結合云南省“山地多、平地少”的獨特地理條件，筆者擬構建能夠客觀反映研究區地理特點的城市化與水資源指標體系。在測度土地城市化時，基于土地城市化的內涵即“土地城市化是由于區域在城鎮化進程中，農業用地轉變為城市建設用地的過程”，采用土地城市化率指標進行測度，這里的土地城市化率指標與傳統的不同，由公式LUI=A/(B-C-D)計算而來，式中：LUI為土地城市化率；A為建成區面積；B為國土面積；C為“坡度≥25%”的國土面積；D為基本農田面積。在測度環境城市化時，采用建成區綠化覆蓋率進行表征。文中的環境城市化僅狹義地指建成區的綠化情況，不包括大氣、水體的情況，較高的綠化率能夠提升人們的生活品質和城市的宜居性。在城市化和水資源系統指標體系構建好之后，采用縱橫向拉開檔次法賦權。根據賦權結果計算出城市化指數和水資源系統指數之后，用耦合協調模型測度云南省兩系統之間的耦合協調狀態，進而探索云南省耦合協調的時空格局及形成機理[14-15]。基于形成機理提出對策，以期為相關部門決策提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

云南省城市化與水資源系統耦合協調時空分析，主要采用指標體系構建、縱橫向拉開檔次法、耦合協調模型和變異系數分析法等研究方法。

(1) 指標體系構建。城市化與水資源系統是兩個復雜的子系統，關于兩個系統的評價，不同學者構建的評價體系有所不同，因此學術界尚未形成一個通用于我國各省份的城市化和水資源系統評價體系。為了全面、深層次地分析云南省兩系統的耦合協調狀態，在參考馬海良[2]、張勝武[10]和喬標[16]等研究的基礎上，結合云南省實際情況，將云南省的城市化系統從人口、經濟、土地和環境城市化4個方面進行綜合評價，水資源系統從水資源本底、水資源用水負荷、水資源環境壓力和水資源環境抗逆能力4個方面進行綜合評價。在選擇具體的指標時，遵循系統性、科學性、可比性和數據可獲得性等原則，最終構建出指標體系(表1)。

表1 云南省城市化和水資源系統指標體系

(2) 縱橫向拉開檔次法。在選取的指標中，不同指標對整個評價系統的貢獻度存在著差異，所以選用科學的方法對指標進行賦權至關重要。縱橫向拉開檔次法[17]是一種適用于面板(平行)數據和完全基于客觀數據的綜合評價方法，實現步驟如下：

首先，取綜合評價的函數。

(1)

式中:xij(tk)為在tk時間上第i個評價對象的第j個指標值；wj為第j個指標的權重；yi(tk)為第i個評價對象在tk時間的綜合得分。

(2)

因此公式(3)成立。

(3)

(4)

若限定WWT=1，則矩陣H的最大特征值對應的特征向量W即為權重系數，此時σ2取最大值。

根據公式(3)—(4)，采用MATLAB進行運算，最終得到城市化和水資源系統的指標體系權重(表1)。

(3) 耦合協調度模型構建。研究需探討云南省城市化與水資源系統耦合協調度，故構建耦合協調度模型。耦合概念來源于物理學[18]，是指各系統通過相互影響帶動彼此良性互動的過程，各系統間存在動態關聯性[19]。協調是指系統內部各要素之間或系統間存在“和諧一致”“配合得當”的相互聯系[20]。由于城市化與水資源系統具有交錯、動態性和不平衡性，僅探討兩個系統之間的耦合度并不全面[2]，故而在探討兩系統的耦合度和協調度的基礎上進一步探討耦合協調度。耦合協調度是在協調的基礎上，為了更準確地反映兩個系統的整體協同效應而提出的概念[21]。建模分為3個步驟[2,22]，一是構建城鎮化與水資源系統的耦合度模型，二是構建綜合調和指數模型，三是構建耦合協調度模型。模型如下：

耦合度函數：

(5)

綜合調和指數：

T=af(U)+bf(W)

(6)

耦合協調度：

(7)

式中:C為兩系統的耦合度；f(U)與f(W)分別為城鎮化系統與水資源系統綜合評價指數;T為兩系統的調和指數,反映兩系統的整體協同狀態；a和b為待定系數,且a+b=1,由于兩系統重要性一致,因此取值a=b=0.5;D為耦合協調度,取值范圍為0～1,D值越大,代表兩系統耦合協調度越高。

將城市化與水資源系統的耦合度分為6個層次[2]：當C=0時，兩系統耦合度極低、無序發展；當0

表2 城市化與水資源系統耦合協調狀態

(4) 變異系數分析法。耦合協調度的空間分布格局客觀地揭示了耦合協調度的空間分布規律，實際上區域耦合協調度客觀存在著區域差異，故采用變異系數測度云南省州(市)耦合協調度的區域差異。計算公式如下:

(8)

1.2 數據來源與處理

研究所需的數據主要來源于《云南省統計年鑒》(2011—2018年)、《云南省水資源公報》(2011—2018年)和各州(市)統計年鑒(2011—2018年)。數據處理包括：由于城市化的各末級指標以及水資源的各末級指標量綱不同，為了能夠算出城市化系統指數和水資源系統指數，以便于用耦合協調模型計算二者的耦合協調度，故采用公式(9)和(10)對數據進行無量綱化處理。

對于正向指標：

(9)

對于逆向指標：

(10)

式中:x′ij(tk)為某一年某一研究區某一指標值標準化的結果,且x′ijt(k)∈[0，1]；xij(tk)為某一年某一指標原始值；max(xj)和min(xj)為時間序列中某一指標的最大值和最小值。

2 結果與分析

2.1 云南省城市化與水資源系統演進分析

2010—2017年，云南省城市化水平呈現緩慢增長的特點(圖1)。8 a的時間，云南省綜合城市化水平由0.327緩慢提升至0.339，僅提升了0.011。原因為：(1) 土地城市化由1.348%增至1.779%，土地城市化進程較慢；(2) 人口城市化水平由34.81%提升到47.81%，提升了13個百分點，年平均增速僅為1.6%，進程緩慢；(3) 經濟城市化由84.65%增至85.16%，僅增加了0.51%，增幅較小；(4) 建成區綠化覆蓋率由30.9%緩升至38.15%，年平均增幅僅為0.9%。這些緩慢的進程與云南省嚴格保護永久基本農田、存在生態脆弱區、嚴守生態保護紅線、未進行大規模的工業活動以及經濟落后有關。與緩慢推進的城市化進程相比，水資源系統的演進也顯得差強人意(圖1)。在8 a的時間里，水資源系統演進較為緩慢并經歷了3個階段：(1) 2010—2011年的正向演進階段，這主要歸因于城鎮污水處理率的提高、萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量的減少。(2) 2011—2015年的逆向演進階段，即2011年以后水資源系統指數呈現遞減的特點，這主要歸因于城市污水排放量的逐年遞增。(3) 2016—2017年的正向演進階段，即2015年以后水資源系統指數遞增，這主要是受到水資源量增加、工業用水量和萬元GDP用水量減少等因素的影響。根本原因為云南省部分水利工程的竣工以及工業生產節水效果初顯。總體來說，通過圖1可以發現，2010—2017年云南省城市化與水資源系統演進大致處于同步狀態，水資源系統指數高于城市化指數，這意味著水資源系統對城市化有較高的支撐。

圖1 云南省城市化與水資源系統指數的年際變化

2.2 云南省城市化與水資源系統耦合協調動態

為了探究云南省城市化與水資源系統的耦合協調狀態，計算出兩系統的耦合度和耦合協調度進行系統分析。耦合度能夠反映兩系統內部的依賴程度，2010—2017年，兩系統的耦合度在0.455～0.475。這8 a的時間里，兩系統的耦合經歷了4個階段(圖2)：(1) 2010—2011年，耦合度急劇下降。(2) 2011—2012年，耦合度直線式增加，且該直線的斜率較大。(3) 2012—2015年，耦合度緩慢上升。(4) 2015—2017年，耦合度平穩下降。綜上，研究時段內，云南省水資源與城市化系統處于中度耦合狀態，即云南省城市化未對水資源系統產生強烈的依賴作用，而水資源系統未對云南省城市化產生顯著的約束作用。耦合度反映了兩系統的相互影響程度，但是無法表征系統協調狀態，而耦合協調度能夠表征兩個子系統的協調狀態。2010—2017年，云南省城市化與水資源系統的耦合協調度在0.47～0.488，兩系統處于初級協調狀態，這反映出云南省城市化系統演進滯后于水資源系統演進，水資源對城市化演進呈現出較高的支撐度。研究時段內，云南省兩系統的耦合協調度演進經歷了4個階段(圖2)：(1) 2010—2011年，耦合協調度急劇下降階段。這主要是因為2011年曲靖市、保山市、麗江市、楚雄州和西雙版納州等州(市)的綜合城市化水平較2010年有所下降的緣故。(2) 2011—2012年，耦合協調度急劇上升階段。產生這一階段的原因為2012年曲靖市、保山市、普洱市、臨滄市、楚雄州、紅河州、西雙版納州、大理州和德宏州等州(市)的綜合城市化水平較2011年顯著提高以及水資源系統演進極其緩慢。(3) 2012—2016年，耦合協調度平穩上升階段。綜合城市化水平緩慢提升以及水資源系統指數緩慢下降是主因。(4) 2016—2017年耦合協調度顯著上升階段。綜合城市化水平以及水資源系統指數明顯上升是主因，根本原因為云南省經濟的增長、工業生產技術的提高導致節水效果顯著以及水利設施的建設。

圖2 云南省城市化與水資源系統耦合度和耦合協調度的年際變化

2.3 云南省城市化與水資源系統耦合協調的空間演變及機理

城市化與水資源系統耦合協調度作為一種人文地理現象，其存在著客觀的空間分布格局，并且空間分布格局隨著時間的推移而演變，這種空間演變有著相應的演變機制。

2.3.1 云南省城市化與水資源系統耦合協調的空間演變規律

(1) 2010年是“十一五”時期的最后一年，這一年，云南省的城市化與水資源系統耦合協調空間分布存在顯著的特點(圖3A)。唯一的基本協調類型分布在滇中地區的昆明市；中度協調類型分布在滇東地區的曲靖市和滇中地區的玉溪市，呈現出零星分布的特點；輕度失調類型獨占滇西北地區的迪慶州；初級協調類型主要分布在滇西、滇西南和滇東南地區，呈現出成片分布的特征。此外，該類型在滇東北地區的昭通市也有分布。就整個云南省而言，基本協調的區域數量為1個，中度協調的區域數量為2個，初級協調的區域數量為12個，輕度失調的區域數量為1個，這反映出云南省大部分州(市)的城市化演進滯后于水資源系統，水資源系統對城市化演進呈現出較高支撐度。

(2) 2015年是“十二五”時期的最后一年，這一年，云南省的城市化與水資源系統耦合協調的空間分布較2010年發生了顯著的改變(圖3B)。經過5 a的演進，怒江州的耦合協調度屬性發生了根本性的變化，由初級協調類型演變為輕度失調類型，這反映出怒江州的城市化水平偏低，城市化演進滯后于水資源系統的演進；迪慶州依舊屬于輕度失調類型，與怒江州成對占據滇西北地區；唯一的基本協調類型依舊分布在滇中地區的昆明市；滇南地區的紅河州耦合協調度屬性發生了根本性的變化，由初級協調演變為中度協調類型，這反映出紅河州的城市化與水資源系統演進水平較高；滇東地區的曲靖市和滇中地區的玉溪市耦合協調度性質未發生根本性的改變，依舊屬于中度協調類型；其余州(市)依舊為初級協調類型區。就整個云南省而言，基本協調的區域數量為1個，中度協調的區域數量為3個，初級協調的區域數量為10個，輕度失調的區域數量為2個，這反映出云南省大部分州(市)城市化與水資源系統耦合協調狀態依舊不理想，城市化水平有待提高。

(3) 2017年是“十三五”時期的第二年，這一年，云南省的城市化與水資源系統耦合協調的空間格局較2015年發生了顯著的變化(圖3C)。由于臨滄市由初級協調類型向中度協調類型轉變，導致中度協調類型首次在滇西出現，這種轉變反映出臨滄市城市化與水資源系統的關系向良好狀態演變；玉溪市和紅河州依舊屬于中度協調類型。而曲靖市耦合協調類型發生了根本性的改變，由中度協調類型演變為初級協調類型，這反映出曲靖市的城市化與水資源系統演進發生了倒退；輕度失調類型依舊占據滇西北地區的迪慶州和怒江州，這反映出這兩個州的城市化水平依舊偏低；基本協調類型依舊分布在滇中地區的昆明市；其余地區依舊為初級協調類型區，呈現出滇東地區帶狀分布、滇西和滇西南集中分布的特點。就整個云南省而言，基本協調的區域數量依然為1個，中度協調的區域數量為3個，初級協調的區域數量仍然為10個，輕度失調的區域數量仍然為2個，這反映出云南省大部分州(市)水資源對城市化演進有較高支撐，大部分地區城市化水平仍然偏低。

圖3 2010年、2015年、2017年云南省城市化與水資源系統耦合協調度分布

(4) 縱觀2010年、2015年和2017年的耦合協調空間分布圖發現：① 2010年、2015年和2017年，昆明市都屬于基本協調類型，城市化都對水資源系統產生了脅迫作用，而水資源系統也都對城市化產生了約束作用；② 2010年、2015年和2017年，玉溪市都屬于中度協調類型，城市化與水資源系統演進程度都極高，水資源系統高度支撐城市化系統；③ 2010年和2015年，曲靖市城市化與水資源系統高度演進，水資源系統對城市化有較好地支撐。2017年，曲靖市城市化系統與水資源系統演進發生了倒退；④ 2010—2015年，紅河州由初級協調演變為中度協調。2015—2017年，紅河州保持中度協調，城市化與水資源系統關系狀態較好；⑤ 2010年、2015年和2017年，迪慶州都屬于輕度失調類型，城市化系統演進程度都極低；⑥ 2010—2015年，怒江州由初級協調演變為輕度失調。2015—2017年，怒江州依舊處于輕度失調狀態。

(5) 2010年、2015年和2017年的耦合協調空間分布圖在很大程度上表征了云南省城市化與水資源系統耦合協調的時空格局特征，但是未能定量地表征耦合協調的空間分異性。空間分異性能夠表征耦合協調的時空動態差異，而且耦合協調度的空間分異性也是耦合協調時空格局分析的重要方面，故對云南省耦合協調的空間分異性即區域差異進行分析。依據2010年、2015年和2017年16個州(市)域的耦合協調數據，利用變異系數分析法(公式8)計算和分析云南省3個時間節點的耦合協調空間分異性。結果表明：3個時間節點的耦合協調度變異系數值分別為0.062，0.063，0.062。這反映出云南省耦合協調度的區域差異經歷了兩個階段：① 2010—2015年區域差異加劇階段，這一時期云南省州(市)之間的耦合協調度的均衡性顯著減弱；② 2015—2017年區域差異減小階段，這一時期云南省州(市)之間的耦合協調度的均衡性顯著增強。

2.3.2 云南省城市化與水資源系統耦合協調空間演變規律的形成機理 2010年、2015年和2017年云南省城市化與水資源系統耦合協調的空間分布特征變化顯著，根據耦合協調的內涵，從城市化和水資源指標體系中權重較大的指標去剖析成因。

(1) 2010年，昆明市城鎮人口占比、三產產值在總產值中的占比、土地城鎮化率和建成區綠化覆蓋率位居全省第一，這導致城市化水平全省位居首位，而水資源擁有量卻全省倒數第三，因此，水資源系統在昆明的城市化進程中表現出約束作用；迪慶州的城鎮人口占比全省倒數第二，土地城鎮化率全省倒數第三，建成區綠化覆蓋率全省最低，導致城市化水平全省最低。城市化水平為0.095，而水資源系統指數為0.8，全省位居第四，故而迪慶州屬于輕度失調類型區；曲靖市和玉溪市的城市化水平在0.38～0.41，比昆明市低0.59左右，而這兩個地區卻因為有相對豐富的水資源量以及工業生產的節約用水而導致水資源系統對城市化有較高的支撐。

(2) 2015年，昆明市的城市化水平依舊名列前茅，但因為水資源量全省倒數第三、城鎮污水排放量和工業用水總量全省第一而導致水資源系統對城市化系統起約束作用；曲靖市、玉溪市和紅河州因為城市化水平適中，與水資源系統很好地耦合協調，故屬于中度協調類型區；迪慶州和怒江州因為經濟欠發達，城市化水平偏低，故城市化與水資源系統未能很好地耦合協調，屬于輕度失調類型區。

(3) 2017年，昆明市水資源系統依舊對城市化系統產生約束作用，因而昆明市依舊屬于基本協調類型區；玉溪市、紅河州和臨滄市因為城市化系統和水資源系統演進程度極高，二者能夠很好地耦合協調，故屬于中度協調類型區；曲靖市不再屬于中度協調類型區，而是演變為初級協調類型區，這是因為城市化和水資源系統發生了逆向演進。就城市化逆向演進而言，具體原因為城鎮人口與總人口的占比較2015年降低了2.7%，而這是一個權重為0.517 8的指標，此外，建成區綠化覆蓋率較2015年降低了3.49%。就水資源系統逆向演進而言，水資源量較2015年減少了8.12×108m3。此外，曲靖市2015年工業用水總量全省位居第二位，僅次于昆明，而2017年猛增且位居16個州(市)之首；區位不理想、受到昆明市經濟輻射的作用極其微弱和生態環境承載能力極弱[23]，這3個不利條件導致了迪慶州和怒江州經濟落后、城鎮人口占比過低、土地城市化率過低。“一落后”“兩過低”和建成區綠化覆蓋率極低促成了迪慶州和怒江州城市化水平全省最低。極高的水資源系統指數(怒江州0.68，迪慶州0.79)和極低的城市化水平(怒江州0.07，迪慶州0.13)使得怒江州和迪慶州的城市化與水資源系統處于輕度失調狀態。

耦合協調度的區域差異是耦合協調度空間特征的重要內涵之一。2010—2015年，云南省耦合協調度的區域差異呈現加劇趨勢，2015—2017年則呈現減小趨勢，做如下分析：(1) 2010年，云南省16個州(市)GDP與耦合協調度的相關系數r為0.825，顯著性水平為0.000；2015年，相關系數r為0.757，顯著性水平為0.001；2017年，相關系數r為0.729，顯著性水平為0.001。可見3個時段的耦合協調度與GDP的相關性十分顯著，這反映出GDP通過直接影響著城市化水平而間接地影響著耦合協調度。(2) 2010年、2015年和2017年16個州(市)的GDP的變異系數分別為0.924 9，0.924 1，0.988 7，城市化的變異系數分別為0.528 6，0.495 9，0.484 1，水資源系統指數的變異系數分別為0.079 6，0.068 5，0.053 0。這反映出極高的GDP區域差異導致了較高的城市化區域差異，而較高的城市化區域差異在一定的程度上造就了耦合協調度的區域差異；水資源系統指數的區域差異對耦合協調度的區域差異也具有一定的影響。

綜上，GDP影響著云南省州(市)的城市化水平；城市化水平和水資源系統的變化共同決定著云南省耦合協調度的時空演變；GDP和水資源系統指數的區域差異導致了耦合協調度的區域差異。

3 結論與建議

在合理構建城市化與水資源系統指標體系、采用縱橫向拉開檔次法賦權和用耦合協調模型對兩系統的耦合協調度進行計算的基礎上，用耦合協調度判斷標準對云南省層面及州(市)的耦合協調狀態進行判斷，從而探究云南省城市化與水資源系統的耦合協調動態和時空格局。結果表明：(1) 2010—2017年，云南省城市化與水資源系統的耦合協調度在0.47～0.488，兩系統處于初級耦合協調狀態，兩系統的耦合協調度演進經歷了4個階段。(2) 2010年，云南省城市化與水資源系統耦合協調的空間分布存在顯著的特點。唯一的基本協調類型分布在滇中地區的昆明市；中度協調類型零星分布；輕度失調類型獨占滇西北地區的迪慶州；初級協調類型主要成片分布在滇西、滇西南和滇東南地區。(3) 2015年的耦合協調空間分布較2010年發生了顯著的變化。滇西北地區成對出現輕度失調類型；滇中和滇南地區集中分布中度協調類型；滇西和滇西南地區片狀分布初級協調類型。(4) 與2015年比較，2017年的耦合協調度空間格局有了新的變化。滇西地區的臨滄市首次出現中度協調類型；滇東地區不再出現中度協調類型；初級協調類型在滇東地區帶狀分布，在滇西和滇西南地區集中分布。(5) 從州(市)耦合協調類型來看，2017年，昆明市的城市化進程中存在著水資源系統的約束作用；曲靖市屬于初級協調類型，工業用水量位居省內首位；迪慶州和怒江州城市化水平極低，屬于輕度失調類型。云南省耦合協調度時空格局的形成機理為：(1) GDP水平決定著云南省州(市)城市化正向演進。(2) 城市化水平和水資源系統的變化共同導致了云南省耦合協調度的時空演變。(3) GDP和水資源系統指數的區域差異是云南省耦合協調度產生區域差異的根本原因。

鑒于城市化與水資源系統耦合協調時空格局的形成機制，為了實現云南省城市化與水資源系統向優質協調狀態發展，提出如下對策：(1) 昆明市應提升水資源總量、降低城鎮污水排放量、進一步改進工業生產技術從而實現工業生產節水。(2) 曲靖市一方面需提升水資源總量，從而確保工業生產用水需求，另一方面，在工業生產中爭取減少工業用水量。(3) 怒江州的貢山縣、福貢縣和瀘水縣屬于強度禁止開發區，蘭坪縣屬于輕度禁止開發區。迪慶州的德欽縣和維西縣屬于強度禁止開發區，香格里拉縣屬于輕度禁止開發區[23]。這兩個州不宜為了追求城市化與水資源系統的基本協調、中度協調、良好協調、高度協調或者優質協調而進行大規模的工業活動從而提升城市化水平。相反，這兩個區域應該完善土地權屬管理政策、實行嚴格的土地用途管制、建立生態補償機制。此外，云南省的學者應該針對這兩個州研究制定發展政策。(4) 其余屬于初級協調類型的州(市)應該因地制宜且在保護好生態環境的前提下發展經濟，從而促進城市化水平的提升。