杭州城市化与水环境的耦合协调发展研究

黄 宾

（浙江水利水电学院，浙江杭州310018）

杭州城市化与水环境的耦合协调发展研究

黄 宾

（浙江水利水电学院，浙江杭州310018）

城市化与水环境的同步发展对城市化质量提升意义重大。文章通过构建耦合协调发展模型，并利用杭州市2000—2013年的相关数据，分析研究了杭州市城市化与水环境的耦合协调发展情况。研究表明杭州市城市发展迅速，但水环境发展非同步，因此耦合度不高，且耦合协调度显示两者发展处于低度协调向一般协调的转换过程中，耦合度和耦合协调度呈现一定的分异特征。最后就城市化和水环境的均衡发展提出相应建议。

城市化；水环境；耦合协调；均衡发展；杭州

国家统计局统计数据显示，2013年中国城市化水平为53.73%，1995年为29.04%，年均增长1.37%，而主要发达国家的城市化水平年均增长率近几十年来始终维持在0.2%左右。中国城市化快速推进，带来了诸如资源枯竭、环境污染和生态破坏等一系列城市化与自身环境协同发展失调的问题。在此背景下，中央适时提出了促进城市和环境协调发展的总体战略，城市化和环境之间的协同发展成为理论研究和实践工作的热点。

在与城市化协同演进的诸多环境要素中，水环境由于其特殊性，成为城市化和自身环境协同演进的关键。首先，区别于煤和石油等不可再生资源，水资源虽然有限但是可以循环再生，不易枯竭但会随发展规模扩大而日趋紧张，是城市化发展速度和规模的软性约束。其次，水环境涉及生产和生活的各个领域，最易被污染而且极易通过其地上、地表和地下的立体循环系统扩大影响范围，极大制约着城市化发展质量的提升。最后，相比而言，水环境治理见效较快，受益面广，其投入和产出的过程均会对整个城市化发展的速度、规模和质量产生深远影响。因此，水环境与城市化的协调发展对城市化的健康发展意义重大。

本文通过构建基于均方差权系数的城市化和水环境发展测度模型，以及基于容量耦合的耦合协调关系模型，度量城市化和水环境的耦合协调关系，并利用杭州市2000—2013年的数据，研究杭州市城市化与水环境的耦合协调发展情况。研究有助于更好地理解城市化与水环境之间的关系，同时也可以为其他地区的相关研究提供参考借鉴。

1 测度及耦合协调模型

城市化是指人口向城市地区集中，以及农村地区转变为城市地区的过程。其包含两层含义：一是人口迁移，以及随之而来的要素流动、产业迁移和社会结构变迁等；二是景观改变，包括土地利用形态的改变和规模的扩大［1］。水环境是与水相关的资源和要素的集合和状态，一般可以从水环境水平、水环境压力和水环境保护三个方面进行分析［2］。

1.1 测度模型

在对城市化和水环境的概念进行界定的基础上，参照前人研究［3－5］，遵循科学性、可得性、可比性等原则，构建城市化和水环境的测度指标体系（表1）。

为了消除各类数据在量纲、量级和正负方向上的差异，采用极差法对数据进行标准化处理，公式为：

其中：Xij（i＝1，2，3，…，n；j＝1，2，3，…m）为属性值，i为第i个年份，j为第j个指标，Xij即为第i年第j个指标的数据；Xjmax和Xjmin分别为第j个指标中的最大和最小值；Zij为Xij的标准化处理结果，其值越大则正向效应越明显。测度指标体系中，除水环境压力下的两个指标为负向指标 外，其余指标均为正向指标。

表1 城市化和水环境测度指标体系

为了避免层次分析法的主观性、主成分分析法的数据丢失和BP神经网络要求有先验结果等不足，本文采用均方差方法获取权系数。该方法以标准化后的属性值Zij为随机变量，在计算各个随机变量均方差的基础上进行归一化处理，其结果即为各指标的权重系数。这种方法可以通过描述各个随机变量离散程度较为客观地反映指标影响力大小。具体计算步骤如下：

指标矢量方向的随机变量均值：

Sj均方差：

依据上述方法求得指标层的权系数，同理推出准则层的权系数 （表1）。目标层各年度的测度值计算公式为：

1.2 耦合模型

1.2.1 容量耦合度函数

源自物理学中容量耦合的概念是指两个及以上系统相互作用和影响的现象，耦合度则是度量这种作用和影响程度的尺度，其函数表达形式如下面公式所示。本文中的耦合是指城市和水环境两个子系统相互作用和影响的现象，耦合度用来衡量两者间作用和影响的程度。其中：Di和Dj（i＝1，2，3，…，m；j＝1，2，3，…m；i≠j）分别是第i和第j个子系统的测度值，C耦是m个子系统之间的耦合度值，取值在［0，1］。耦合度值为0，表示子系统之间处于无关状态，系统将向无序发展。耦合度值为1，表示子系统之间达到良性共振。耦合度值越大则子系统间的有序状态越好。

根据系统协调发展的S理论，结合城市化发展与环境关系的相关研究［6］，城市化与水环境耦合度分为4个阶段。C耦∈［0，0.3］为低水平耦合阶段，此时城市化发展水平较低，对水环境破坏程度不大，相对而言水环境的承载能力较强，完全能够承载和消化城市化所带来的后果。C耦∈ （0.3，0.5］为颉颃阶段，此时城市化进入快速发展期，消耗大量资源并严重破坏环境，水环境承载能力下降，不能完全消化和吸纳城市化发展所带来的影响。C耦∈（0.5，0.8］为磨合阶段，由于前期资源的大量消耗和环境的严重破坏，城市发展遇阻，因此投入大量资金治理和修复水环境，城市化和水环境开始磨合并向良性方向发展。C耦∈（0.8，1］为高水平耦合阶段，城市化发展在量上有重大突破的同时，质上也明显提高，体现在水环境和城市化发展的相互促进，两者间耦合水平很高。

1.2.2 耦合协调度函数

使用C耦这一个单一测度值度量系统中若干子系统之间的耦合程度，有时不能完全反映系统真实情况，因为如果每个子系统的测度值大小相当，但是均处于低值状态，也可能会使系统表现出较高的耦合水平。特别在多区域或多目标之间的耦合比较研究中，仅仅依靠耦合度衡量系统是否协调发展有时可能会出现偏差，因此还需要构建多目标之间的耦合协调度函数［7］，耦合协调函数为：

其中：B为耦合协调度，C耦为耦合度，T为m个子系统的综合协调指数，T＝N1D1＋N2D2＋…＋NmDm，D1、D2…Dm为m个子系统的测度值，N1、N2…Nm为待定系数，可以将Ni设定为1／m。

按照耦合协调度量值的分布规律，结合城市化和环境的相关研究［6－7］，城市化和水环境的耦合协调发展状况同样可以分为4个大类，［0，0.3］、（0.3，0.5］、（0.5，0.8］、（0.8，1］分别对应不协调、低度协调、中度协调和高度协调。

需要说明的是，耦合度一般用于度量子系统量值的对等性，耦合协调度既能度量对等性也能度量协调性，因此相比较而言，耦合协调度可以较为全面地反映系统真实状态。从另一方面看，可能会出现同一样本点中耦合度与耦合协调度分异的情况，因此这些分异点可以被用于判定系统耦合但非协调的情况。

2 杭州市城市化与水环境耦合协调分析

2.1 数据来源

考虑到数据的可得性以及统计口径的一致性，选取杭州市2000—2013年的相关数据进行研究。从城市化发展的速度上看，杭州市2000年左右开始真正进入高速发展期，因此样本年份选择也能够充分体现城市化发展和水环境的相互影响过程。其中，城市化发展数据来源于2001—2014年杭州市统计年鉴，水环境数据来源于2001—2014年浙江省水资源公报，间接数据经过相应处理，部分缺失数据采用插值法补缺。

2.2 子系统测度值分析

经过数据处理，分别得到杭州市城市化和水环境这两个子系统2000—2013年的测度值（图1）。

杭州市城市化测度值在样本年份内一直增加，显示城市化的持续发展进程。杭州市人均GDP在2000年和2013年分别为2.2万元和11.8万元，年均增长率31.2%，远高于同期全国人均GDP的0.78万元和3.85万元，以及27.8%的年均增长率。人口从2000年的621万增加到2013年的884万，位列全国第10，成为超大城市。城市基本建设投资2000年为170亿元，2013年达到852亿元，保持年均28.7%的高速增长。经济持续增长产生的带动效应，人口规模不断扩大带来的需求拉动，以及城市建设投资驱动下的资本放大效应，使得杭州市的城市化发展持续保持高速增长态势，城市化子系统的测度值因此在样本年份内不断增加。

相比城市化测度值的持续增加，样本年份内的水环境测度值不仅没有增加，反而是末年和首年相比略有下降（2000年为0.34，2013年为0.33），显示出不容乐观的水环境状况。水环境测度值在2002年达到样本年份内的最高值0.44后就出现了连续9年的持续低值，并且在此期间甚至出现了2005年的最低值0.19，直至2012年勉强回到0.4以上（2012年为0.41），而后在2013年又开始回落，表明水环境在低位徘徊并不断反复的真实状况。

2.3 耦合度值分析

样本年份内的杭州市城市化和水环境耦合度基本不高。除2000年和2001年耦合度在低水平状态、2012年耦合度在磨合状态外，其余年份耦合度均处于颉颃状态，表明杭州市城市化发展超越水环境自身的承载能力范围。整体上看，剔除个别年份（2006年耦合度位于阶段高点）的偶然因素，耦合度可以分为三个阶段：第一阶段是2000—2002年，第二阶段是2002—2007年，第三阶段是2007—2013年。

第一阶段，耦合度呈增长趋势。这一时期，杭州城市化发展开始起步，城市化的速度和力度持续增大，初始水环境状态良好。城市化发展对水环境的负面影响在水环境自身可以容纳的范围内。在城市发展的同时保持了对水环境的适当投入，既保证了城市面貌的改善也兼顾了水环境状态的维持。因此两者间的耦合度不断提高。

第二阶段，耦合度开始下降。这一时期，产业发展，人口剧增，城市扩容，城市化发展加速，对水资源的索取量加大，产生大量的工业和生活废水，人为阻断了自然流动的水体，破坏了水环境的自净和恢复能力。水环境保护未得到与城市化发展同样的重视，治理投入力度不及破坏程度，水环境的承载能力下降。两者间的耦合度不断降低。

第三阶段，耦合度又开始上升，但仍未能有效进入磨合阶段。随着前期水环境状况的日益恶劣，以及人们环保意识的不断提升，水环境保护受到重视，表现为治理投入加大，保护力度增强，两者间耦合度开始回升。但由于前一阶段不良水环境的滞后影响，加之治理投入未能与实际需要完全匹配，耦合未能有效进入磨合阶段，因此这一阶段的耦合度并没有超过第一阶段的高点，而且还在2011年和2013年出现两次低点反复，显示两者间耦合的不稳定性，也凸显出问题的复杂性。

表2 耦合度与耦合协调度的分异点分析

2.4 耦合协调度值分析

耦合协调度值处于从低度协调向一般协调的转换过程中且整体上属于上升趋势过程。显示出杭州市城市化发展一定程度上兼顾了水环境问题。但是数值较低，表明兼顾程度并未与城市发展的规模和速度相匹配。在城市化的大规模高速发展背景下，这实质上反映出一种城市发展与包括水环境在内的周围环境之间的非均衡发展问题。

耦合协调度的上升过程可以分为两个阶段：第一阶段为2000—2002年的相对快速上升，第二阶段为2003—2013年的相对慢速上升。第一阶段城市化和水环境同步发展，使得耦合协调度在两年左右时间从不协调状态进入低度协调状态。这一时期，杭州市在城市人口增加、规模扩大和产业发展的同时，保证水利建设投入，保护了水环境，因此耦合协调度提高很快。第二阶段水环境状况在快速下降之后在中低位徘徊，而城市化继续快速发展，因此耦合协调度的上升势头放缓并出现不断反复。

耦合协调度在耦合度基础上度量协调度，相对而言变化更不明显。因此耦合协调度与耦合度变化轨迹虽然基本相似，但前者变化幅度更小，这也是造成在2003—2013年，耦合协调度呈现单一缓慢上升态势，而耦合度却先下降后上升的原因所在。

2.5 分异点分析

样本年份内存在一些耦合度和耦合协调度的分异点（表2），分别是2003年、2010—2013年，从图1也可以印证这些分异点的存在。这些分异点可以分为两类，2003年是一类，该类分异点产生的原因是，城市化和水环境测度值虽然都不高但是数值比较相近，因此耦合度较高，但是协调度不够，这类分异点属于耦合但不协调的节点。2010—2013年是另一类分异点，该类分异点产生的原因是，耦合协调度中的协调度贡献大于耦合度贡献，因此耦合协调度值大于耦合度值，该类分异点是耦合且协调但协调程度大于耦合程度的节点。其余样本年份属于耦合与协调一致的节点。

3 结论与启示

3.1 研究结论

本文通过构建基于均方差权系数的城市化和水环境发展测度模型，以及基于容量耦合的耦合协调关系模型，度量城市化和水环境的耦合协调关系。并利用杭州市2000—2013年的相关数据，研究了杭州市城市化与水环境的耦合协调发展情况。研究表明：

城市化持续高速发展。杭州市通过人口、经济、空间和社会发展，保证了城市化进程的高效推进，并且样本年份内没有出现过城市化的负增长。

水环境整体状况不佳。样本年份的末年与首年相比有不明显的下降，但中间年份的下降明显，起始年份的微弱下降掩盖了过程中的实际变差。

耦合度和耦合协调度不高，样本年份内有一定提升但是提升不明显，在城市化高速发展的情况下，这更加说明水环境状况相对意义上的不容乐观。存在耦合与协调的分异点，表明某些年份的耦合度和协调度没有对应变化。

3.2 研究启示

城市化发展并不必然带来包括水环境在内的城市环境的同步发展。特别是在城市化持续高速发展的情况下，水环境虽然变化不大，但是相对而言属于严重的发展滞后，因此两相比较，耦合度和耦合协调度没有明显提升。

城市化发展应该和水环境发展相匹配。城市化发展应注意对水资源的适度索取，排污要考虑水环境的吸纳能力，城市建设要兼顾水循环的系统联通。城市化发展的财富应该反哺水环境治理，并且考虑到历史欠账，投入力度应该大于城市发展力度。

分异点是系统变化的关键节点，重点考察分异点年份的城市化与水环境发展状态是今后研究的关注点。

［1］陈明星，陆大道，张华.中国城市化水平的综合测度及其动力因子分析［J］.地理学报，2009（4）：387－398.

［2］匡耀求，黄宁生.中国水资源利用与水环境保护研究的若干问题［J］.中国人口·资源与环境，2013，23（4）：29－33.

［3］孙焱林，王中林，张攀红.空间、经济、人口城市化协调性测度［J］.城市问题，2014（7）：9－13.

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［5］马涛，王菲，杜澄.城市水环境系统综合评价指标体系探讨［J］.生态经济，2014，30（7）：133－135.

［6］刘耀彬，李仁东，宋学锋.中国城市化与生态环境耦合度分析［J］.自然资源学报，2005，20（1）：105－112.

［7］黄金川，方创琳.城市化与生态环境交互耦合机制与规律性分析［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

浙江省社会科学规划项目（13XKGJ015Y13）；杭州市社会科学规划项目（B14GL11）；浙江省水利厅科技项目（RC1523）。

黄宾，男，云南昆明人，浙江水利水电学院副教授，博士生。