城市化与水环境的耦合问题研究——以杭州市为例

黄 宾，胡其昌，李 霄

(浙江水利水电学院经济与管理工程学院，浙江 杭州 310018)

始自20世纪90年代中期的中国城市化进程，在将中国城市化快速推进至较高水平的同时(据国家统计局统计数据显示，2013年中国城市化水平为53.73%，1995 年则为 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)，也出现了诸如资源枯竭、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因此成为理论研究和实践工作的热点问题.

在与城市化协同演进的诸多环境要素中，水环境由于以下特殊性，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.因此说，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关系模型，用于度量城市化和水环境的耦合关系，并利用杭州市2000年至2013年的数据，研究杭州市城市化与水环境的耦合发展情况.研究有助于更好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 研究方法

1.1 测度模型

1.1.1 概念界定

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］.

1.1.2 测度指标体系

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(见表1).

表1 城市化和水环境测度指标体系

1.1.3 数据标准化处理

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，见公式(1)，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.

1.1.4 均方差权系数

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的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:

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，如表1所示.

1.1.5 测度值计算

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，其函数表达形式如公式(6)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］之间.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.

1.2.2 耦合度分类标准

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］，得出城市化与水环境耦合度分类标准(见表2).

表2 城市化和水环境耦合度分类标准

2 杭州市城市化与水环境耦合

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 测度结果

经过数据分析得到2000年至2013年杭州市城市化和水环境子系统的测度值(见图1).

图1 杭州市城市化与水环境测度值及耦合度值图

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170亿，2013年达到852亿，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年达到年本年份内的最高值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 耦合结果

样本年份内，杭州市城市化和水环境耦合度基本不高.除2000年耦合度(2000年耦合度为0.27)在低水平状态、2012年耦合度(2012年耦合度为0.53)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.

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关系模型，度量城市化和水环境的耦合关系.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发展情况.研究表明:

杭州市城市化持续高速发展.自2000开始至今，杭州市在人口、经济、空间和社会发展的共同作用下，城市化进程得到高效推进，城市化水平不断提高，并且人口、经济、空间和社会等子系统均成为城市化发展的积极因素，各自作用基本相当，表明在样本年份内杭州市城市化是在各类因素共同且相对均等作用下的高速发展，是一种较为全面的系统发展.同时，由于样本年份内没有出现过城市化的负增长，因此表明杭州市城市化发展的持续性.

杭州市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，这表明虽然近些年来，一序列的水环境治理措施开始取得成效，一定程度上扭转了样本早期年份水环境恶化的趋势，但是由于水环境问题的系统复杂性，现有举措只能部分缓解恶化趋势.

城市化和水环境耦合度不高，样本年份内的大部分时间没有明显提升.耦合度用于度量系统中若干子系统的协调发展程度，杭州市城市化和水环境耦合度不高，说明两者间发展的协调性不够.并且大部分年份内耦合度呈现不明显的变化，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.

3.2 研究启示

通过以上对杭州市城市化和水环境耦合问题的研究，给我们带来的启示是:

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，但是相对而言已经是严重的发展滞后，因此两相比较，耦合度没有明显提升.作为城市化发展的重要环境要素之一，水环境应该至少与城市化同步发展，城市化发展与水环境的低度耦合将会极大制约城市化发展质量的提升，简单发展城市规模和数量将有可能带来更为棘手的“半城市化”和“伪城市化”等一系列后续城市化问题.

城市化发展应该和水环境发展相匹配.城市化发展要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，这就要求根据水环境的承载能力限制，科学制订并有序实施符合当地实际的城市化发展规划.同时，考虑到水环境影响的关联性和滞后性，应该把城市化发展财富更多更持续的投入到水环境治理领域，并且考虑到历史欠账，投入力度应该大于城市发展力度.

［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.

［4］潘争伟，金菊良，吴开亚，等.区域水环境系统脆弱性指标体系及综合决策模型研究［J］.长江流域资源与环境，2014，23(4):518－525.

［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.